2. Электростатическая (автоэлектронная) эмиссия

Опыт показывает, что и при сколь угодно низкой температуре, но в сильных электрических полях, порядка 10⁸10⁹ В/м, наблюдается автоэлектронная эмиссия, быстро возрастающая с увеличением напряженности поля.

Автоэлектронной эмиссией называют эмиссию электронов, обусловленную наличием у поверхности катода сильного ускоряющего электрического поля.

Внешнее ускоряющее электрическое поле, снижая потенциальный барьер на величину

,

увеличивает эмиссионный ток. При очень высокой напряженности электрического поля у поверхности катода потенциальный барьер может снизиться настолько, что его вершина окажется на одной высоте с уровнем Ферми. При этом должна наблюдаться электронная эмиссия из холодного металла. Заменив в уравнении  на_эфф, можно рассчитать критическую напряженность электрического поля:

Например, для эВ получаемВ/м, а в действительности на практикеВ/м. Не учитывается просачивание электронов сквозь барьер. Не учитывается сужение барьера под действием внешнего электрического поля.

Дело в том, что при автоэлектронной эмиссии формируется узкий потенциальный порог, сквозь который электроны могут туннелировать за счет чисто квантовомеханического эффекта. Такие переходы сквозь барьер совершаются без затраты электронами работы. Возможность туннельных переходов объясняется волновыми свойствами электронов.

Упрощенная формула для предельной плотности тока j_Аm автоэлектронной эмиссии из металла:

Так как _эффпорядка нескольких электрон-вольт, то предельная плотность тока автоэлектронной эмиссии может быть более 10¹⁰А/см².

Достоинства автокатодов: 1) отсутствие накала, следовательно, безынерционность; 2) очень высокие плотности тока; 3) малые размеры катода; 4) малый разброс эмиттированных электронов по энергиям; 5) высокая крутизна вольт-амперной характеристики. Основные недостатки: 1) высокие напряжения, 2) нестабильность тока.

3. Взрывная эмиссия

Специфическим видом туннелирования электронов из кристаллов в вакуум является взрывная эмиссия. Было обнаружено, что в определенный момент t_з(рис. 2.14) происходит разрушение автоэлектронного эмиттера собственным автоэмиссионным током, сопровождающееся резким (на 2–3 порядка) возрастанием тока через вакуумный промежуток.

Интервал времени t_змежду подачей импульса напряжения (применялись импульсы с фронтом порядка 1нс) и взрывом острия зависит от плотности тока автоэмиссии и напряженности поля.

Как видно из рис.2.14, временная зависимость изменения электронного тока при взрыве острия (катода) состоит из нескольких этапов: 1 – медленное возрастание тока; 2 – быстрое возрастание тока; 3 – квазистационарное состояние; 4 – переход к вакуумной дуге.

Механизм взрывной эмиссии состоит в следующем: взрыв острийного катода сопровождается возникновением у поверхности катода плотного плазменного сгустка, который вследствие быстрого разделения в нем зарядов создает у поверхности катода большой положительный объемный заряд, который является источником дополнительного, ускоряющего электроны, поля. Таким образом, возрастание тока на участке 2 (рис. 17) связано с автоэлектронной эмиссией в поле объемного положительного заряда. Предельная длительность импульса тока взрывной эмиссии определяется скоростью разлета плазмы_пли расстояниемdмежду катодом и анодом:

При  _пл  (23)10⁴мс^–1 иdпорядка десятых долей сантиметрасоответствует десятым долям микросекунды.

Установлено, что момент t_звозрастания тока на участке 2 совпадает с появлением у поверхности катода светящихся сгустков (катодных факелов), расширяющихся со скоростью ~ 210⁴м/c.Прежде чем катодный факел достигнет анода, ему навстречу начинает двигаться анодный факел, возникающий за счет бомбардировки анода мощным потоком быстрых электронов.

Взрыв острия связан с расходованием материала катода, т.е. с необратимым изменением его состояния. Несмотря на это, значение токов взрывной эмиссии достаточно хорошо повторяется от импульса к импульсу за счет того, что при каждом взрыве расходуется лишь очень небольшое количество материала, и в условиях наличия сильного поля у поверхности катода происходит самовоспроизведение эмиттирующих центров.

Такие центры представляют собой субмикроскопические острия, которые возникают на поверхности при конденсации материала после взрыва либо вытягиваются полем из жидкой фазы эмиттера, расплавленного собственным автоэмиссионным током.

При взрывной эмиссии напряженность поля у катода составляет не менее 510⁹В/м.Плотность тока взрывной эмиссии на два порядка выше автоэлектронной

Итак, взрывная эмиссия – это импульсное испускание автоэлектронов сквозь обволакивающее катод облако плазмы, для создания которой необходимы взрывы микроострий собственным автоэмиссионным током.