Лекция № 10.
Влияние поверхностной неоднородности материала катода на термоэмиссию.
Влияние поверхностной неоднородности материала катода на термоэмиссию. Пленочные катоды. Оксидные катоды.
Автоэлектронная эмиссияaE. Изменение температуры эмиттера при термо и автоэлектронной эмиссии.
Тугоплавкие металлы, использующиеся в качестве термокатодов, такие, как вольфрам, тантал, молибден (W, Ta, Mo), кристаллизуются в объемно- центрированную кубическую (ОЦК) решетку. Плотность атомов в разных гранях различная, она определяется расстоянием между атомами. Поверхность металла можно представить в виде зубцов различных граней кристалла, выставленных в вакуум. Если соседствуют участки с разной плотностью атомов, то такие участки обладают разной работой выхода электронов, т.к. уровень заполнения электронного облака проводимости зависит от концентрации ионов нейтрализующего фона. Например, на участке 2 на рисунке с гранями, содержащими больше атомов, электроны будут ближе находиться к поверхности и, тем самым, будут в большей степени компенсировать положительные заряды зубцов, создающих вытягивающее поле, по сравнению с участком 1.
А1 B1 |
C1 |
D |
|
|
1 |
BC
АD
Объемно-центрированная кубическая
решетка. |
a1 |
a2 |
|
||
|
участок 1 |
участок 2 |
|
|
Поверхность металла с участками разной структуры.
Влияние поверхностной неоднородности материала катода на термоэмиссию
Другими словами, можно сказать, что электроны |
|
|
|
|
легче удерживаются в плоскости граней, |
|
EП |
|
|
содержащих большую концентрацию атомов, т.е. на |
|
|
|
|
участке 2 работа выхода электронов будет больше, |
|
|
|
|
чем на участке 1. Тогда на поверхность даже чистого |
min max |
min |
max |
|
металла можно рассматривать как пятнистую с |
||||
|
|
|
||
областями, обладающими различной работой |
|
|
|
|
выхода. |
Участки поверхности с |
|
||
|
разными работами выхода. |
|||
Между этими областями возникает контактная разность потенциалов, создающая над незаряженной металлической поверхностью электрическое поле. Это поле можно назвать полем пятен. Оно направлено таким образом, чтобы сдерживать электроны, эмитированные пятнами с малой работой выхода и ускорять электроны на участках с большой работой выхода. Т.о. коллективное действие плазмы металла стремится нивелировать возникающие неоднородности. При этом изменяется потенциальная энергия:
eU WF e a |
e |
2 |
eEx eEП xП |
|
|
|
|||
4x |
||||
|
|
|||
Влияние поверхностной неоднородности материала катода на термоэмиссию
|
|
Эмиссия прежде всего идет с областей с , так |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
потенциальный барьер понижен на величину |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
U EП dx |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Среднее значение |
|
|
|
|
определяем из |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
соотношения: I I |
max |
I |
min |
|
S A T 2 |
exp e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
kT |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U1 |
|
|
|
|
U |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
kT S |
|
|
|
|
|
|
e |
|
|
|
|
S |
|
|
|
|
e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E EП |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E EG |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
ln |
|
|
|
|
min |
exp |
|
|
|
|
|
min |
|
|
|
|
|
|
max |
exp |
|
|
|
max |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
eEx |
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
e |
|
|
S |
|
|
|
|
|
kT |
|
|
|
|
S |
|
|
kT |
|
|
WF |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Надо учесть, что |
|
|
xП x |
(область действия поля |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
xкр |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
пятен меньше области действия внешнего |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
eEП xП |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
электрического поля). На больших расстояниях |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
внешнее электрическое поле возьмет свое и |
|
|
|
|
|
|
e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
«загнет» ход кривой потенциальной энергии. |
|
|
|
|
|
WF |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
eEx |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Поэтому максимум все равно будет, причем: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
U1 |
xкр |
EП E dx |
где положение максимума |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E EП |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ln j |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
EП xкр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
определяется из соотношения |
|
E |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
При дальнейшем увеличении |
EП xкр Eпадает, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
и термоэмиссионный ток резко возрастает. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
EП
Пленочные катоды.
В 1913 г. Ленгмюр обнаружил, что вольфрамовый катод с примесью окислов тория ThO2 (0,5-1,5%) после соответствующей термической обработки дает эмиссионные токи на несколько порядков больше, чем чистый вольфрам. Термическая обработка происходит в три этапа:
1)T 2600K (t~15 мин) : ThO2 Th O2
2)T 2600 2300K : диффузия Th к поверхности
3)T 1800K : прекращение диффузии Th
Атомы тория находятся на поверхности W в виде диполей, т.к. работа выхода для тория меньше, чем для W. В результате работа выхода для W+Th понижается по сравнению с чистым W:
, |
|
W W Th 4 nd pd |
где |
nd |
- число диполей на 1 см2, |
|
- дипольный момент. |
|
|
pd |
- |
+ |
W |
Th |
- |
+ |
- |
+ |
eV
e W |
|
e |
|
|
|
|
|
|
|
Без |
|
|
|
образования |
x |
- |
+ |
«холма» |
|
|
|
||
eV |
|
|
|
e W |
|
|
e |
|
|
|
|
|
|
С |
|
|
|
образованием |
x |
- |
+ «холма» |
|
|
Оксидные катоды.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пустой |
|
Оксидный катод чаще всего применяется в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кислородный узел |
|
бытовой технике, осциллографах, кинескопах, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СВЧ лампах благодаря малой работе выхода (1.2 Sr++ |
|
||||||||||||||||
эВ). Высокая эмиссионная способность окислов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ba |
|
BaO, CrO, CaO была открыта еще в 1904 г. |
|
|
|
|
|
|
|
Ba+ |
|
||||||||
Долгое время это не находило объяснения. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Квантовая теория металла стала складываться |
не активированный |
активированный |
|||||||||||||||
только в 1928-1930 гг. В настоящее время |
|||||||||||||||||
оксидный катод (ОК) – это слой смеси BaO+SrO, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
нанесенный на металл, причем это слой ~1 мкм, а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
не одноатомная пленка, причем слой этот |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Зона проводимости |
||
является полупроводником. После прокаливания |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Примесные уровни Ba |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
на поверхности солейкарбоната и стронция соли |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
разлагаются, оставляя оксиды на поверхности: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
BaCO3 = CO2 + BaO, SrCO3=CO2+SrO. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Заполненная зона |
||
Получающиеся таким образом оксидные катоды |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
не активированы. Оксидное покрытие является |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Превращение диэлектрика в |
|||||||||||||||||
диэлектриком, поэтому обладает плохими |
|||||||||||||||||
примесный полупроводник. |
|||||||||||||||||
термоэмиссионными свойствами. Это покрытие |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
необходимо активировать. Процесс активации |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
состоит в нагревании до температуры порядка |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1200 К. В результате кислород уходит из |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
покрытия, а часть молекул окиси бария |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
восстанавливается до металлического бария, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
атомы которого находятся внутри кристаллов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
окислов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Оксидные катоды.
Появление в слое свободного бария сопровождается образованием в решетке BaO пустых кислородных узлов, вблизи которого возможно закрепление электрона на примесном уровне, лежащем чуть ниже зона проводимости. При нагреве электроны с этих примесных уровней переходят в зону проводимости, затем из зоны проводимости в вакуум. Для перехода электрона с примесного уровня в зону проводимости требуется всего 0.2 эВ, что значительно меньше ширины запрещенной зоны (для BaO порядка 4 эВ), которую нужно преодолеть электронам из заполненной зоны. Ширина зоны проводимости оксида бария (потенциальный барьер для перехода электрона в вакуум) составляет примерно 1 эВ, поэтому работа выхода порядка 1.2 эВ. Хотя пустые кислородные узлы при активации образуются около поверхности, но ионы кислорода из толщи покрытия перемещаются в эти свободные узлы, так что происходит распространение примесных атомов бария по всему слою оксида. Концентрация электронов, перешедших в зону проводимости с примесных уровней, мала, поэтому они не вырождены.
АВТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ.
Автоэлектронная эмиссия – это явление эмиссии |
|
|||
электронов при низкой температуре в присутствии |
|
|||
внешнего электрического поля. В присутствии внешнего |
||||
электрического поля высокой напряженности E |
|
|||
(106 107 В/см), помимо увеличения тока эмиссии за счет |
||||
снижения работы выхода (эффекта Шоттки), из-за |
|
|||
ограниченности толщины барьера появляется |
|
|||
вероятность подбарьерного перехода – «тунельного» |
||||
эффекта. Испускание электронов под действием |
|
|||
внешнего электрического поля, обусловленное |
|
|||
вероятностью подбарьерного перехода потенциального |
||||
барьера, имеющего во внешнем электрическом поле |
||||
ограниченную ширину, называется автоэлектронной |
||||
эмиссией. Если на поверхность раздела двух сред |
|
|||
падает электромагнитная волна с энергией то |
|
|||
происходит ее отражение от потенциального барьера. |
||||
Рассмотрим теперь потенциальный барьер конечной |
||||
ширины. Тогда существует ненулевая вероятность |
|
|||
нахождения электрона в среде 3 Относительная |
|
|||
плотность электронов в среде 3 определяется |
|
|||
вероятностью нахождения электрона на расстоянии , т.е. |
||||
коэффициент прозрачности барьера для прямоугольного |
||||
барьера ширины d: |
4 |
|
|
|
|
d |
2m(W |
||
D exp |
h |
Wx ) |
||
|
|
|
|
|
Wx W
12
0 |
x |
Граница раздела двух сред.
Wx |
|
d |
|
|
1 |
2 |
3 |
|
|
|
x |
|||
|
|
x1 |
|
|
|
|
x2 |
|
dx
Рис.10.2. Потенциальный барьер конечной ширины.
АВТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ.
Рассмотрим туннельный эффект для электронной эмиссии. Потенциального барьера на границе металл – вакуум в присутствии внешнего электрического поля.
•Зона 1 в распределении электронов – «чистая» автоэлектронная эмиссия.
•Зона 2 – автотермоэлектронная эмиссия.
•Зона 3 – термоэлектронная эмиссия, вызванная эффектом Шоттки.
|
4 |
x |
Wa |
3 |
e |
Wx |
||
EF |
2 |
eEx |
1 |
|
|
|
|
|
|
x1 |
x2 |
Потенциальный барьер на границе металл – вакуум в присутствии внешнего электрического поля
•Зона 4 – термоэлектронная эмиссия. |
|
|
|
2 x2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2m(eV x Wx )dx |
|
||||
Коэффициент прозрачности барьера: D |
exp |
|
h |
|
|||||||
где нижняя граница интегрирования x |
0 |
|
|
|
x1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
Wx |
|
|
|
а верхняя определяется из равенства: |
Wx |
eEx2 , |
x2 |
|
|
|
|||||
eE |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
АВТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ.
Вычислим прозрачность потенциального барьера с учетом сил электрического изображения. В вакууме распределение потенциала:
eV x eEx |
e2 |
||
|
, x 0 |
||
4x |
|||
Учтем, что снижение потенциального барьера за |
|||
счет эффекта Шоттки |
|
|
|
много меньше энергии |
e a e32 E |
||
Wx
|
eV |
e23 |
E |
|
|
x |
|
|
0 |
|
|
e a |
Wx |
|
-e2 |
Wa |
EF |
|
4x eEx |
x
1 
x2
Потенциальный барьер на границе металл – вакуум в присутствии внешнего электрического поля с учетом сил электрического изображения.
|
|
W W |
1 e3E |
|
|
|
W W |
1 e3E |
|
|
2 W |
|
1 e2 |
|
2 W |
||
x |
x x |
|
, x |
x x |
||||
|
x |
|
|
x |
||||
|
|
|
|
|||||
1 |
Для этих пределов интегрирование даст |
|
||||||
|
2eE |
|
|
4 Wx |
2 |
2eE |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
W |
|
1 e2 |
. |
||
x |
|
|
||||
4 W |
||||||
|
eE |
|
|
|||
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
где |
|
|
2 |
|
y |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
2m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
y ( Wx ) |
|
|
|
|
y |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
3 2 |
|
3 |
|
y |
|
1 |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
D exp |
|
3 |
eE |
|
|
|
y |
|
y |
|
1 |
|
( |
|
)d |
||||||
|
|
4 |
2 |
|
|||||||||||||||||
- функция Нордгейма |
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Плотность тока автоэлектронной эмиссии.
Число электронов, падающих на единицу поверхности в единицу времени и
имеющих импульс от |
px до px dpx |
|
|
: |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p2 |
|
|
|
4 mkT |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
x |
EF |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2m |
|
|||||
|
|
px |
|
|
|
||||||||
x Vx dnx |
|
3 |
d |
|
ln |
1 exp |
|
|
|
|
|
|
|
h |
|
|
kT |
||||||||||
|
|
|
2m |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Плотность тока автоэлектронной эмиссии: |
jA eD x |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
jAЭ e3E2
8 h e a
exp
4 2m
3 heE
|
|
|
|
|
a |
3 |
|
|
|
|
|
C2 e a |
3 |
2 |
|
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|||||
|
y |
e |
|
|
exp |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
C E |
E |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- формула Фоулера-Нордгейма.
Влияние множителя E2, подобно влиянию множителя в формуле Ричардсона-Дэшмана, незначительно. Более существенно влияние
экспоненциальной зависимости от работы выхода электрона e a. |
|
Автоэлектронная эмиссия становится заметной при |
E ~ 106 смВ . |