1) . Работа выхода электронов

Энергетическая диаграмма у поверхности тела. Валентные электроны в твердом теле либо достаточно тесно связаны со своими атомами, как, например, в полупроводниках и диэлектриках, либо, образуя электронный газ (в металлах), свободно перемещаются между узлами кристаллической решетки. В любом случае, эти электроны в нормальных условиях не покидают физических пределов твердого тела.

Выходу электронов из твердого тела препятствуют электрические силы взаимодействия электрона с телом. Наивысшая энергия Е_ф — энергия Ферми, которой обладает электрон в металле при Т = 0 °К, недостаточна для преодоления этих сил. Если принять за нулевой уровень энергию электрона в вакууме, бесконечно удаленного от поверхности твердого тела и не подвергающегося воздействию каких-либо сил, – энергетические состояния электронов в твердом теле должны лежать ниже этого уровня, т.е. нужно считать их энергию отрицательной, так как в твердом теле, как и в любой другой устойчивой системе, запасена некоторая энергия, определяющая устойчивость системы. Таким образом, можно считать, что уровень энергии частицы в вакууме лежит выше уровня Ферми Е_ф на некоторую величину Е₀ (рис.2.1). Эта величина, равная разности энергетических уровней в вакууме и твердом теле, называется работой выхода электрона.

Физическая природа сил, препятствующих выходу электрона из металла и определяющих величину работы выхода, совершаемой электроном при их преодолении, достаточно сложна. На вылетевший из металла электрон действует, в частности, поверхностное поле, созданное слоем вылетевших электронов и положительных зарядов на поверхности тела, вызванных уходом электронов, а также силы взаимодействия между удалившимся электроном и наведенным в теле положительным электрическим зарядом.

Рис.2.1. Энергетический барьер на границе твердого тела и вакуума

Вычисление работы выхода для металла с учетом этих сил приводит к следующему результату: (2.1)

Отсюда, в частности, видно, что работа выхода для металлов уменьшается с увеличением междуатомного расстояния, что хорошо подтверждается опытными данными.

Кривая Е = f (х), характеризующая энергетический барьер у поверхности тела, изображена на рис.2.2.

Рис.2.2. Энергетический барьер у поверхности металла.

Величина работы выхода измеряется несколькими электрон-вольтами; так, например, для цезия Е₀ = 1,88 эВ, для бария 2,4 эВ, а для вольфрама 4,5—4,6 эВ.

2) Электронная пушка. Модуляция электронного луча по плотности.

Схематическое устройство электронной пушки для трубки с элек­тростатическим управлением луча показано на рис.5.12, а, а для трубки с электромагнитным управлением — на рис.5.12, б.

В первом случае в состав электронной пушки входят катод, моду­лятор, первый и второй аноды; во втором случае — электронная пушка содержит те же электроды, за исключением второго анода.

Управление интенсивностью электронного луча в электронно-луче­вых приборах является одним из основ­ных процессов. Изменение плотности тока луча позволяет менять яркость пятна на экране электронно-лучевой трубки в ши­роких пределах: от полного исчезновения до некоторого максимального значения его яркости, свойственного данному типу труб­ки. Модулируя электронный луч по интен­сивности, на экране приемных телевизион­ных трубок получают изображение.

Для управления плотностью тока элек­тронного луча служит управляющий элек­трод или модулятор (рис.5.12), представ­ляющий собой цилиндр с несколько утопленным дном, с небольшим отвер­стием — диафрагмой в центре.

Рис.5.12. Картины элек­трического поля вблизи уп­равляющего электрода.

К управляющему электроду подводится небольшое отрицательное напряжение U_м, регулируемое от нуля до нескольких десятков вольт. Возле диафрагмы в пространстве между катодом и модулятором суще­ствует неоднородное электростатическое поле, эквипотенциальные поверхности которого обращены выпуклостью к катоду. Это не­однородное поле образует часть первой электростатической линзы и служит для фокусирования электронного луча. Кроме того, измене­ние конфигурации поля оказывает существенное влияние на величину тока с поверхности катода. Это влияние обусловлено изменением объем­ного заряда у катода и изменением величины поверхности катода, вблизи которой существует поле с положительным градиентом потен­циала. В первом случае действие модулятора аналогично действию управляющей сетки в триоде; при увеличении отрицательного потен­циала увеличивается потенциальный барьер вблизи катода и возра­стает объемный заряд. Таким образом, ток катода должен, очевидно, зависеть от напряжения на модуляторе в соответствии с законом степени трех вторых:

(5.22)

здесь U_м — напряжение на модуляторе;

U_м0— запирающее напряжение — такое напряжение на моду-­ ляторе, при котором электронный ток равен нулю;

q₁ — коэффициент пропорциональности.

Однако при изменении потенциала модулятора ток катода зависит также и от величины поверхности катода, охваченной полем с поло­жительным градиентом потенциала. Если потенциал модулятора равен нулю (рис. 5.12, а), то почти вся поверхность катода охвачена полем с положительным градиентом потенциала. На рис. 5.12, б показана картина поля, когда потенциал модулятора близок к потенциалу запирания. В этом случае положительный градиент поля существует только вблизи незначительной области в центре катода, а остальная поверхность катода охвачена нолем с отрицательным градиентом потенциала.

В результате ток катода при уменьшении отрицательного напря­жения на модуляторе возрастает значительно быстрей, чем это следует из (5.22).

Модуляционная характеристика. Связь между током электронного луча и потенциалом модулятора выражается зависимостью:

(5.23)

В этой формуле ток луча I_л выражен в микроамперах, а напряже­ние—в вольтах; коэффициент пропорциональности, равный трем, определен экспериментальным путем.

Выражение (5.23) отражает зависимость между катодным током и напряжением на модуляторе. Однако в электроннолучевой трубке не все электроны, покинувшие катод и преодолевшие потенциальный барьер у его поверхности, достигают экрана. Часть электронов, покидающих катод под значительными углами к оси трубки, не проходит через диафрагму модулятора. Другая часть электронов вслед­ствие их значительного углового расхождения при фокусировании не пропускается ограничивающими диафрагмами первого, и второго анодов.

Ввиду того, что измерить ток электронного луча вблизи экрана очень трудно, на практике обычно пользуются зависимостью тока второго анода I_a2 от напряжения на модуляторе. Эта зависимость на­зывается модуляционной характеристикой электронно-лучевой трубки.

Ток второго анода несколько отличается от тока электронного луча. Его величина определяется электронами, не прошедшими огра­ничивающие диафрагмы и попавшими непосредственно на второй анод, а также электронами, попадающими на второй анод с экрана трубки. Часть электронов, бомбардирующих экран, отражается от его поверхности; другая часть вызывает вторичную эмиссию с экрана. Отраженные и вторичные электроны попадают на слой проводящего покрытия на стенках баллона трубки — аквадаг, соединенный со вторым анодом.

На рис.5.13 представлены модуляционные характеристики электроннолучевых трубок с электростатическим и с магнитным управлением. Зависимости тока I_a2 от напряжения —U_м для них различны.

а — с электростатическим управлением; б — с магнитным управлением; 1 — при U_а2= 2,2 кв; 2 — U_a2 =1,5 кв.

Рис.5.13. Модуляционные характеристики элек­троннолучевых трубок.

В трубках с электростатическим управлением модуляционная, характеристика подчиняется закону (5.23) лишь вблизи потенциала запирания, когда ток луча невелик. При дальнейшем уменьшении отрицательного напряжения на модуляторе возрастает эмитирующая поверхность катода, в электронном луче появляются электроны, покидающие катод под большими углами, увеличивается диаметр луча в области электростатических линз и второго анода и часть электронов не пропускается ограничивающей диафрагмой. Дальнейшее увеличе­ние тока луча может быть получено за счет повышения плотности катодного тока, т. е. в соответствии с законом степени три вторых (5.22).

Крутизна модуляционной характеристики трубки 13ЛМ31 с маг­нитным отклонением в рабочей области в несколько раз больше кру­тизны характеристики трубки 13Л036. Это объясняется отсутствием ограничивающих диафрагм в электронной пушке трубки с маг­нитным управлением. Ток луча по величине близок к току катода, и его зависимость от напряжения на модуляторе подчиняется закону (5.23). Это обстоятельство определяет выбор электронно-лучевых трубок с магнитным управлением луча для случаев, когда необходима интенсивная модуляция луча, например в телевизионных приемных трубках и радиолокационных индикаторах с яркостной отметкой.

Билет 7

1)электронная эмиссия

2) Фокусирующие системы

Ответ: