4.6 Физические процессы в электронно-лучевой трубке: электрический ток в вакууме; термоэлектронная эмиссия

Основной элемент электронного осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), в которой создано высокое разрежение, т.о. протекание электрического тока в ЭЛТ ни что иное, как протекание тока в вакууме. Практически важным типом несамостоятельного разряда является ток в вакуумных приборах, где давление понижено до состояния технического вакуума, когда можно не считаться с остатками газа (хотя даже при наилучших современных разрежениях -10^-11 Па — еще остается громадное число молекул, порядка 10¹⁰ м^-3).

Для получения разряда необходимо ввести в вакуум заряженные частицы. Обычно это электроны, освобождаемые из катода либо при его нагревании (термоэлектронная эмиссия), либо при освещении подходящим по составу светом (фотоэмиссия).

Явление термоэлектронной эмиссии было открыто Т. А. Эдисоном (1847—1931) в 1887 г.

4.6.1 Работа выхода электронов из металла Как показывает опыт, свободные электроны при обычных температурах практически не покидают металл. Следовательно, в поверхностном слое металла должно быть задерживающее электрическое поле, препятствующее выходу электронов в вакуум. Представим себе незаряженный кусок металла в вакууме. Его свободные электроны, участвующие в хаотическом движении, начинают «испаряться», образуется электронное «облако». Металл заряжается положительно. Возникающее при этом поле препятствует дальнейшему выходу электронов из металла. При достижении определенной разности потенциалов металла и электронного облака концентрация электронов в облаке перестает расти, так как устанавливается динамическое равновесие «испаряющихся» электронов и электронов, возвращающихся в металл под действием электрического поля. Приблизительное распределение потенциалов показано на рисунке 13.

Рисунок 13 Приблизительное распределение потенциалов контакта металл—вакуум

Для выхода из металла электрона в вакуум нужно совершить работу против электрических сил притяжения металла и отталкивания электронного облака — такая работа называется работа выхода (А < 0 — работа выхода совершается над электроном за счет внешнего воздействия). Таким образом, электрон при вылете из металла должен преодолеть задерживающее электрическое поле наружного слоя положительных ионов решётки металла и «электронного облака» над поверхностью металла. Разность потенциалов  в получившемся двойном электрическом слое называемая поверхностным скачком потенциала, зависит от работы выхода (А) электрона из металла:

e (4),

где е – заряд электрона. Учитывая, что энергия электрона связана с потенциаломформулой W = -е_о, где е_о – модуль заряда электрона, она может быть изображена графически в виде так называемой потенциальной ямы (рисунок 14), где за нуль потенциальной энергии принята энергия электрона вне металла. Таким образом, электроны металла находятся в потенциальной яме.

Рисунок 14 энергия электрона металла в потенциальной яме

Работа выхода выражается в электрон-вольтах (эВ): 1эВ равен работе совершаемой силами поля при перемещении элементарного электрического заряда (заряд, равного заряду электрона) при прохождении им разности потенциалов в 1В. Так как модуль заряда электрона равен 1,6·10^-19 кл, то 1эВ= 1,6·10^-19 Дж. Работа выхода связана с контактным потенциалом формулой W = -е_о_k, (5)

_k – потенциал металла относительно вакуума, а е_о =1,610^-19 Кл – абсолютная величина заряда электрона.

Работа выхода зависит от химической природы металлов и от чистоты их поверхности и колеблется в пределах нескольких электрон-вольт. Подобрав определённым образом покрытие поверхности, можно значительно уменьшить работу выхода. Например, если нанести на поверхности вольфрама (А=4,5 эВ) слой оксида щелочно-земельного металла (Са, Sr, Ва), то работа выхода снижается до 2 эВ.

4.6.2 Эмиссионные явления Если сообщить электронам в металлах энергию, необходимую для преодоления работы выхода, то часть электронов может покинуть металл, в результате чего наблюдается явление испускания электронов, или электронной эмиссии. В зависимости от способа сообщения электронам энергии различают термоэлектронную, фотоэлектронную, вторичную электронную и автоэлектронную эмиссию.

4.6.3 Термоэлектронная эмиссия Термоэлектронной эмиссией называется испускание электронов нагретыми металлами. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям (по энергиям) некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растёт и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным.

Исследование закономерностей термоэлектронной эмиссии можно провести с помощью простейшей двухэлектроной лампы – вакуумного диода, представляющего собой откачанный баллон, содержащий два электрода – катод К и анод А. В простейшем случае катодом служит нить из тугоплавкого металла (например, вольфрама), накаливаемая электрическим током. Анод чаще всего имеет форму металлического цилиндра, окружающего катод. Если диод включить в цепь, как показано на рисунке 15, то при накаливании катода и подаче на анод положительного напряжения (относительно катода) в анодной цепи диода возникает ток. Если поменять полярность источника питания анодной цепи, то с ростом напряжения ток ослабевает и при некотором значении напряжении U_зап прекращается, как бы сильно катод ни накаливали. Следовательно, катод испускает отрицательные частицы – электроны.

Рисунок 15 Схема для снятия вольт-амперной характеристики диода

Если поддерживать температуру накаленного катода постоянной и снять зависимость анодного тока I от анодного напряжения U – вольт-амперную характеристику, то оказывается что она не является линейной, т.е. для вакуумного диода закон Ома не выполняется. Зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения в области малых положительных значений U описывается законом трёх вторых (получен русским физиком С.А. Богуславским (1883-1923) и американским физиком И.Ленгмюром (1881-1957)):

(6)

где B – коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов, а так же их взаимного расположения.

При увеличении анодного напряжения ток возрастает до некоторого максимального значения Iнас, называемого током насыщения. Это означает, что почти все электроны, покидающие катод, достигают анода, поэтому дальнейшее увеличение напряжённости поля не может привести к увеличению термоэлектронного тока. Следовательно, плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода.

Плотность тока насыщения определяется формулой Ричардсона-Дешмана выведенной теоретически на основе квантовой статистики:

(7)

где – А работа выхода электрона из катода, Т –термодинамическая температура, С – постоянная, одинаковая для всех металлов. Таким образом, уменьшение работы выхода приводит к резкому увеличению плотности тока насыщения. Поэтому применяются оксидные катоды, работа выхода которых 1-1,5 эВ.

4.6.4 Вторичная электронная эмиссия Вторичной электронной эмиссией называется испускание электронов поверхностью металлов, полупроводников или диэлектриков при бомбардировке их пучком электронов. Вторичный электронный поток состоит из электронов, отраженных поверхностью (упруго и неупруго отраженные электроны), и «истинно» вторичных электронов — электронов, выбитых из эмиттера первичными электронами.

Отношение числа вторичных электронов n₂ к числу первичных n₁ вызвавших эмиссию, называется коэффициентом вторичной электронной эмиссии

δ = n₂/n₁. (8)

δзависит от природы поверхности, энергии бомбардирующих частиц и их угла падения на поверхность. У полупроводников и диэлектриков δ больше чем у металлов. Это объясняется тем, что в металлах, где концентрация электронов проводимости велика, вторичные электроны, часто сталкиваясь с ними, теряют свою энергию и не могут выйти из металла. В полупроводниках и диэлектриках же из-за малой концентрации электронов проводимости столкновения вторичных электронов с ними происходят гораздо реже и вероятность выхода вторичных электронов из эмиттера возрастает в несколько раз.

Рисунок 16 Зависимость коэффициента вторичной электронной эмиссии δ от энергии Е падающих электронов для КСl

Для примера на рисунке 16 приведена качественная зависимость коэффициента вторичной электронной эмиссии δ от энергии Е падающих электронов для КСl. С увеличением энергии электронов δ возрастает, так как первичные электроны все глубже проникают в кристаллическую решетку и, следовательно, выбивают больше вторичных электронов. Однако при некоторой энергии первичных электронов δ начинает уменьшаться. Это связано с тем, что с увеличением глубины проникновения первичных электронов вторичным все труднее вырываться на поверхность. Значение δ_max для КСl достигает  12 (для чистых металлов оно не превышает 2).