Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Квантово-механическая модель твердого тела

Моделью твердого тела, предлагаемой квантовой механикой, является потенциальный ящик, внутри которого расположены электроны.

При абсолютной температуре электроны находятся на уровне Ферми, а над ним нет ни одного электрона.

Область ящика, где уровни показаны сплошными линиями до уровня Ферми, является для металлов полностью заполненной областью. Область, где уровни показаны пунктирными линиями над уровнем Ферми, является областью проводимости. Чтобы электроны металла могли покинуть его им нужно сообщить энергию, равную работе выхода.

Работа выхода электрона равна работе, совершаемой электронами металла при выходе из него против сил со стороны узлов решетки и против сил зеркального изображения. Сказанное можно проиллюстрировать на рисунке 2, на котором совмещены 2 графика:

1) потенциального ящика и 2) распределения электронов по кинетическим энергиям.

При Т=0 распределение резко обрывается при энергии Е₀. При нагревании появляется «хвост» фермиевского распределения. Выходят из металла те электроны, которые находятся в области «хвоста», показанной на рисунке штриховой линией. Чем выше температура, тем больше «хвост» фермиевского распределения.

Поэтому при повышении температуры увеличивается выход электронов из металлов. В принципе, электроны выходят из металла и при комнатной температуре, однако их число ничтожно мало. Значительная эмиссия наблюдается лишь из накаленного металла.

Постановка задачи.

По виду сообщаемой электронам металла энергии эмиссия делится на:

1. Термоэлектронная эмиссия,

2) автоэлектронная эмиссия,

3) вторичная электронная эмиссия,

4) фотоэлектронная эмиссия,

5) взрывная эмиссия.

Термоэлектронной эмиссией называется испускание электронов раскаленными телами. Источником энергии возбуждения электронов является тепловая энергия решетки.

Для чистых металлов плотность термоэлектронного j тока определяется по формуле Ричардсона

А - постоянная Ричардсона, - работа выхода.

Под вторичной электронной эмиссией подразумевается выход электронов из тел бомбардируемых электронами. Те электроны которыми бомбардируется поверхность называется первичными электронами, а электроны которые получили кинетическую энергию называются вторичными электронами.

Фотоэлектронной эмиссией называется эмиссия электронов с поверхности металла под воздействием потока фотонов.

Общим свойством выше перечисленных видов эмиссии является необходимость подведения электронам тела дополнительной энергии в той или иной форме.

Существует один тип эмиссии не требующая затраты дополнительной энергии - это автоэлектронная эмиссия, чем и обусловлено ее название.

Автоэлектронная эмиссия.

Автоэлектронной эмиссией называется явление вырывания электронов из автокатода сильным внешним электрическим полем. Данный вид эмиссии не вызывает охлаждения эмиттера в отличие от термоэлектронной эмиссии. Мы имеем дело с новым механизмом выхода электронов. Этот механизм может быть объяснен квантовым эффектом, называемым «туннельным эффектом», который заключается в том, что электронные волны имеют известную вероятность «просочиться» под потенциальным барьером.

Автоэлектронной эмиссией можно получить большие плотности тока (до 10⁶-10⁸ А/см²), т.к. плотность тока автоэлектронной эмиссии очень сильно зависит от напряженности электрического поля на катоде.

Однако для получения таких плотностей тока приходится изготовлять катоды в виде острий с микронными радиусами закругления. Тут же следует отметить, что микроострия всегда присутствуют на любой, даже оптически полированной поверхности. Основной характеристикой процесса эмиссии является плотность тока j.

Вычисление плотности автоэлектронного тока можно провести по следующей формуле:

Проблема определения плотности тока заключается в нахождении коэффициента прозрачности D, который показывает отношение числа прошедших над барьером частиц к числу падающих на него частиц.

Благодаря автоэлектронной эмиссии при которой положительные ионы бомбардируя катод осуществляется выход автоэлектронов с любого уровня металла. На освободившееся место после выхода автоэлектронов из эмиттера, переходят другие электроны внутри него. Появляются внутренние электрические токи, при прохождении которых выделяется джоулево тепло. Вследствие этого тело (катод) нагревается, поэтому к автоэлектронам добавляются и еще термоэлектроны, т.е. возникает термоавтоэлектронная эмиссия.

Та область, из которой выходят термоавтоэлектроны являются источником электронов и эта область называется катодным пятном. Это пятно хорошо разогрето и светится, и дает начало взрывной электронной эмиссии.

История открытия взрывной эмиссии.

Явление взрывной эмиссии обнаружил Г.А. Месяц в 1966 году. Опыты показали, что при импульсном пробое вакуумного промежутка с сильно заостренным катодом резкое нарастание тока после некоторой задержки от момента приложения напряжения низменно сопровождается взрывом кончика острия и выбросом из него плазменного сгустка.

2. Взрывная электронная эмиссия

Испускание интенсивного электронного потока, обусловленное переходом вещества катода (металлического острия) из конденсированной фазы в плотную плазму в результате разогрева локальных областей катода. Переход металл - плазма инициируется взрывом металла, который чаще всего происходит за счет разогрева металла током автоэлектронной эмиссии большой плотности (j=10⁸-10⁹А/см²). Начальный взрыв и дальнейшая взрывная электронная эмиссия сопровождается образованием у катода плазмы, которая расширяется со скоростью 10⁶ м/с.

Скорость расширения плазмы катодного факела практически не меняется во времени и слабо зависит от приложенного напряжения.

Плазменный сгусток получил название катодного факела.

Взрыв металла происходит в результате выделения в кончике острия или микровыступе большого количества джоулева тепла от тока автоэлектронной, а по мере нагревания термоавтоэлектронной эмиссии. Тот факт, что эти токи очень велики, установлено экспериментально. Когда электроны вылетают с поверхности на их место изнутри металла приходят новые, т.е. в самом металле у эмиттирующей поверхности протекает ток примерно той же огромной плотности. Он и нагревает металл до взрывообразного испарения микровыступа, а задержка связана с накоплением должной энергии.

Взрывная электронная эмиссия сопровождается уносом материала с катода. Состав плазмы катодного факела исследуется путем определения спектральных характеристик излучения плазмы с помощью фотоэлектрического спектрометра. Например: когда использовался катод из алюминия, обнаружено, что двухзарядные ионы Al появляются одновременно с началом роста электронного тока. Момент появления излучения однозарядных ионов Al заметно сдвинут относительно начало роста тока. Это объясняется меньшей концентрацией Al ll в плазме факела по сравнению с концентрацией Al lll. Нейтральных атомов Al обнаружено не было.

3. Эмиссия электронов из плазмы катодного факела

Расширение факела сопровождается интенсивной электронной эмиссией. На ранней стадии катодного факела форма и величина тока остаются неизменными. По истечении некоторого времени с момента возникновения факела, когда ток превысит определенный предел, эта закономерность нарушается, токоотбор из плазмы становится неустойчивым, что отмечается по появлению хаотических выбросов на осциллограммах тока. Одновременно с выбросами тока наблюдается увеличение в 5 и более раз плотности тока на оси острия.

Причина возникновения токовой неустойчивости при взрывной эмиссии связывается с повышением потенциала прикатодной плазмы. Потенциал плазмы начинает возрастать в момент, когда ее эмиссионная способность становиться меньше пропускной способности промежутка факел-анод. При повышении потенциала катодного факела в плазме возникают сильные электрические поля, что приводит к образованию разрыва с высоким падением потенциала на нем. В разрыве формируется электронный пучок, который проходит через промежуточную плазму, компенсирующую его объемный заряд.

По мере роста прикатодного падения и растет напряженность электрического поля на катоде, что в конце концов приводит к новому акту инициирования взрывной эмиссии.

Взрывная эмиссия в вакууме и газе.

а) инициирование и развитие вакуумного пробоя.

При изучении механизма вакуумного пробоя основная задача заключается в выяснении природы образования проводящей среды в промежутке. Явление взрывной эмиссии электронов позволяет дать однозначное объяснение этим процессам.

В случае импульсного пробоя основные закономерности состоят в следующем:

1) Наблюдается высокая критичность времени запаздывания пробоя к средней напряженности электрического поля.

2) Начало роста тока в промежутке обусловлено появлением катодных факелов.

3) Время роста тока до максимальной величины, ограниченной сопротивлением в контуре, прямо пропорционально длине промежутка и почти не зависит от напряжения.

4) В процессе роста тока наблюдается сильное рентгеновское излучение и эрозия анода.

С позиций взрывной эмиссии время запаздывания разряда определяется задержкой взрыва микроострий. Рост тока в промежутке обусловлен эмиссией из плазмы расширяющихся катодных факелов. Появление импульса рентгеновского излучения, анодного факела, а также разрушение анода и перенос материала анода на катод объясняется действием на анод мощных электронных пучков, эмитируемых факелами в искровой стадии разряда.

Механизм пробоя вакуумных промежутков на постоянном напряжении пока не получил однозначной интерпретации.

б) Взрывная эмиссия и катодное пятно вакуумной дуги.

Исследование взрывной эмиссии электронов из металла имеет прямое отношение к вопросу о природе процессов в катодном пятне вакуумной дуги. Нетрудно обнаружить, что процессы в катодном дуговом разряде и взрывная эмиссия имеют много общих свойств. К ним относятся:

1) наличие плотной (n?10¹⁸см^-3) плазмы у катода;

2) высокая (10⁷-10⁸ А/см²) плотность тока в области фазового перехода металл - плазма;

3) периодическое повышение потенциала прикатодной плазмы, усиливающее эмиссию электронов из катода;

4) близкие знания удельного расхода металла;

5) близкие скорости расширения плазмы катодного факела и плазменных струй пятна;

6) наличие ионов, ускоренных от катода к аноду.

Такое сопоставление позволило утверждать, что катодный факел представляет собой начальную фазу формирующегося катодного пятна дуги. Взрыв микроострия и появление катодного факела является элементарным актом при функционировании катодных пятен. Важную роль в процессе поддержания катодного пятна играет взрывная эмиссия электронов, стимулированная плазмой предыдущих факелов.

Одним из наиболее существенных применений взрывной эмиссии электронов является генераторы мощных импульсных электронных пучков с длительностью порядка 10^-8 сек и мощностью от 10⁸ до 10¹³ Вт. Такие электронные пучки нашли широкое применение в исследованиях по термоядерному синтезу, радиационной физике, для генерации СВЧ и рентгеновского изучения. Основным элементом генератора является диод, состоящий из катода, изолятора и тонкого анода для выпуска электронов. Применяются два типа диодов:

1. Первый для генерации плотных пучков 10⁴-10⁷ А/см² длительностью 10^-8-10^-7 сек;

2. Второй - для пучков плотностью 1-10 А/см² длительностью 10^-8 сек для накачки СО₂ - лазеров и технологических целей.

Заключение

эмиссия электрон автоэлектронный плазма

Взрывная эмиссия электронов лежит в основе ряда практически реализованных импульсных генераторов мощных электронных пучков и рентгеновских лучей. Это единственный вид эмиссии, который уже сейчас позволяет получать потоки электронов с мощностью до 10¹³ Вт.

Поддержание процесса взрывной эмиссии обеспечивается плазмой, образованной за счет испарения материала катода по действие тока эмитированных электронов. В процессе взрывной эмиссии происходит также непрерывная регенерация микроострий, взрыв которых обеспечивает повторяемость явления. Автоматизм этого явления позволяет весьма просто извлекать из катода большие электронные точки.

Литература

1. Л.Н. Добрецов, М.В. Гомоюмова. Эмиссионная электроника «Наука» М.1966 г.

2. М.И. Елинсон, Г.Ф. Васильев Автоэлектронная эмиссия, М., физматгиз. 1958 г.

3. Г.А. Месяц Докт. Диссертация (Томск, ТПИ 1966).

Размещено на Allbest.ru