Лабораторная работа № 3
Изучение явления вторичной электронной эмиссии
Цель работы: Изучить зависимость коэффициента вторичной эмиссии от скорости первичных электронов; зависимость анодного тока от фототока.
Приборы и материалы:
потенциометры 1600 и 5000 Ом;
вольтметр М 106;
вольтамперметр М20444;
микроамперметр АВО-5М;
источники питания ВУП-2;
осветитель;
фотоэлектронный умножительФЭУ-1.
Краткая теория
Явление вторичной электронной эмиссии заключается в том, что электроны достаточной энергии, попадая на поверхность металла, находящегося в вакууме, не только сами отражаются от этой поверхности, но вызывают также и эмиссию новых электронов с той же поверхности. Электроны, ударяющиеся о поверхность металла, называются первичными, а электроны, вылетевшие с поверхности металла, называются вторичными.
Вторичная эмиссия обычно возникает при энергии первичных электронов 10–15 эВ и выше. Если скорость первичного электрона достаточно велика, то он может выбить несколько вторичных электронов. Следовательно, число вторичных электронов может в несколько раз превышать число первичных электронов, падающих на поверхность.
Явление вторичной эмиссии количественно характеризуется коэффициентом вторичной эмиссии . Он равен отношению числа вторичных электронов n2 к числу первичных n1, отношению тока вторичных электронов I2 к току первичных I1:
.
Коэффициент может быть как меньше, так и больше единицы. Он зависит от вещества тела, структуры его поверхности, скорости первичных электронов, угла их падения и других факторов.
Для чистых металлов величина лежит в пределах от 0,5 до 1,8. При наличии активирующих покрытий доходит до 10 и более.
В специальных электронных приборах для получения вторичной электронной эмиссии применяют сплавы из различных металлов, например, магния с серебром, алюминия с медью, бериллия с медью, сурьмы с цезием. У них может быть в пределах от 2 до 12 и больше, причем эмиссия более устойчива, чем у других веществ.
Вторичная эмиссия наблюдается у полупроводников и диэлектриков. Особенно она велика у металлов, покрытых тонкой пленкой полупроводника и диэлектрика. В этом случае значение доходит до сотен и тысяч. Но практического использования это явление еще не получило.
Главную роль в явлении вторичной электронной эмиссии играет процесс получения вторичными электронами энергии от первичных электронов и возможность продвижения электронов изнутри к поверхности без значительных потерь энергии. Эти процессы совершаются в глубине поверхностного слоя вещества и зависят от его атомно-молекулярной структуры.
На рис. 1 дана зависимость от напряжения U1.
При малых значениях напряжения U1 вторичной эмиссии нет. Затем она появляется и повышается с ростом U1, доходя до максимума, после чего он уменьшается. Кривая 1 дана для чистого металла, кривая 2 – для металла с активирующим покрытием.
Максимум вторичной
эмиссии достигается обычно при напряжении
порядка сотен вольт. Понижение
при высоких
объясняется тем, что первичные электроны
в этом случае проникают более глубоко
в вещество и передают полученную энергию
другим электронам и поэтому не могут
дойти до поверхности металла с энергией,
необходимой для выхода из него.
Для чистых металлов вторичная эмиссия почти не зависит от температуры, но для активированных катодов и полупроводников с повышением температуры возрастает. Ускоряющее электрическое поле увеличивает эмиссию вторичных электронов. В этом случае наблюдается совместное действие вторичной эмиссии и электростатической. Это особенно заметно у катодов с оксидным покрытием.
При увеличении угла падения первичных электронов возрастает, что и показывает рис. 2.
Первичный электрон В, влетающий под углом 2, большим, чем угол падения первичного электрона А, проникает на меньшую глубину (h2 < h1) и отдает энергию электронам, которые находятся ближе к поверхности и легче выходят из тела.
Вторичные электроны вылетают с различными скоростями и в различных направлениях. Распределение числа вторичных электронов N по их скоростям представлено на рис. 3.
Число электронов с большими скоростями не велико. Однако имеется заметное количество электронов со скоростью, примерно равной скорости первичных электронов. Считают, что это отраженные электроны. При увеличении скорости первичных электронов 1 возрастает число вторичных электронов с малыми скоростями, что согласуется с тем, что первичные электроны проникают глубже, а вторичные электроны, выходя к поверхности, теряют больше энергии.
Теория вторичной эмиссии более сложна, чем рассмотренная нами. Следует заметить, что электроны в металле не могут рассматриваться как совершенно свободные. Если они были бы свободными, то получали бы импульс от первичных электронов только в направлении их движения, т.е. вглубь металла. Вылет же электронов из металла может быть лишь в случае отражения электронов от кристаллической решетки. Без отражения изменение направления движения электронов на противоположное невозможно. Поэтому в теории вторичной эмиссии необходим учет взаимодействия электронов с кристаллической решеткой металла.
Явление вторичной эмиссии или как его иначе называют, динатронный эффект, наблюдается при работе электронных ламп и оказывает вредное действие на анодный ток. Поэтому около анода в электронной лампе помещается третья сетка (кроме управляющей и экранизирующей), служащая для устранения динатронного эффекта. Она обычно соединяется с катодом внутри лампы и имеет нулевой потенциал.
Динатронный эффект используется для усиления электронного тока. Применение явления вторичной эмиссии для усиления фототоков впервые было разработано в СССР Тимофеевым П.В. и Кубецким К.А. Общая картина явления вторичной эмиссии легко наблюдается в любой трехэлектродной лампе (Схема 1).
Если сетка имеет более высокий потенциал, чем анод, то часть электронного потока из катода попадает на сетку, а другая часть пройдет через сетку к аноду.
Результирующий анодный ток, который покажет прибор, включенный в анодную цепь, будет представлять собой разность между первичными и вторичными электронными потоками.
Направление тока меняется в зависимости от того, будет ли первичных или вторичных электронов больше. Характер изменения анодного тока в зависимости от напряжения на сетке показан на рис. 4.
На участке кривой ОА число электронов, проходящих через сетку и достигающих анода, увеличивается с увеличением анодного напряжения. На участке кривой АВ число вторичных электронов быстро увеличивается и суммарный ток к аноду начинает быстро падать. В точке В поток первичных электронов равен потоку вторичных, поэтом Iа = 0. На участке ВСД анодный ток имеет обратное направление, так как поток вторичных электронов больше первичного потока. Дальнейшее увеличение анодного напряжения приводит к тому, что оно достигает значения напряжения на сетке, а затем становиться больше него. Поле анод-сетка начинает тормозить вторичные электроны, вторичный поток уменьшается и Iа меняет знак.
Изменение знака Iа на участке ВСД возможно лишь при условии > 1, если же < 1, то кривая будет иметь минимум, не спускаясь ниже оси абсцисс.