II.Термоэлектронная эмиссия

Если возьмем два твердых тела, разделенных вакуумным промежутком и электрически соединенных друг с другом, и нагреем одно из них, то в цепи появится ток. Его направление соответствует движению электронов от нагретого тела к холодному. Это явление называют термоэлектронной эмиссией. Термоэлектронная эмиссия - испускание электронов нагретыми телами, происходящее в результате теплового возбуждения электронов в этих телах.

Явление было обнаружено в 1882 г. Эдисоном, хотя и до него были эксперименты, указывавшие на увеличение проводимости газа у поверхности нагретого металла (работы Беккереля, 1853 г.) [14]. К настоящему времени термоэлектронная эмиссия неплохо изучена. Достаточно понятен механизм. Хотя он довольно прост, на нем стоит остановиться подробнее, поскольку на его примере можно показать, с какими проблемами сталкиваются при исследованиях и применении процессов, связанных с эмиссией заряженных частиц и их взаимодействием с поверхностью.

2.1.Основные особенности термоэлектронной эмиссии

Рис.2.1.1. Простейшая схема для измерения термоэмиссионного тока. К – катод, А – анод, V_A – источник напряжения, V – вольтметр, G – гальванометр для измерения термоэмиссионного тока, Б_Н – источник тока накала катода, A_м – амперметр, R – сопротивление, позволяющее регулировать температуру катода.

Наблюдать термоэлектронную эмиссию можно при помощи следующего простейшего устройства (рис.2.1.1). Источником электронов или катодом служит проволока (К), которая нагревается от источника питания Б_Н за счет джоулева тепла. Ток накала нити регулируется переменным сопротивлением R, а его величина контролируется амперметром А_м. Катод окружен металлическим цилиндром, исполняющим роль анода (А). Приходящий на анод ток электронов фиксируется гальванометром. Между нитью и анодом имеется регулируемый источник напряжения (V_A), позволяющий изменять разность потенциалов между катодом и анодом.

У

Рис.2.1.3.Зависимости ln j от обратной температуры для материалов, имеющих разную работу выхода .

стройство позволяет получить зависимости тока от разности потенциалов - вольтамперные характеристики, и от температуры. Схематически вольтамперные характеристики для нескольких температур приведены на рис.2.1.2 при изменении напряжения на аноде, составляющем несколько вольт. При большой отрицательной разности потенциалов относительно катода эмиссионный ток i=0. При увеличении потенциала, в большинстве случаев даже при V_A<0, в цепи появляется ток, причем тем раньше, чем выше температура катода (рис.2.1.2). Наконец, при дальнейшем изменении напряжения, чаще всего при положительных потенциалах достигается практически насыщение эмиссионного тока. После этого повышение анодного напряжения приводит лишь к слабому увеличению тока, практически незаметному в масштабе рис.2.1.2.

В

Рис.2.1.2.Вольтамперные характеристики для термоэмиссионного тока при различных значениях температуры катода.

еличина тока в насыщении резко возрастает с увеличением температуры катода. Экспериментально было показано, что наблюдается прямолинейная зависимость, если построить температурную зависимость тока насыщения в координатах ln j=f(1/T) (рис.2.1.3) (j – плотность тока). Причем, наклон прямых тем круче, чем больше работа выхода катода.

Если измерять зависимость термоэмиссионного тока в широком интервале напряженности электрического поля F, то видно, что величина тока все же изменяется и насыщение в обычном понимании этого слова отсутствует. Ток возрастает с увеличением напряжения на аноде, причем наблюдается прямолинейная зависимость логарифма тока от (рис.2.1.4) вплоть до F ~ 10⁵ B/см. При очень больших значениях напряженности поля зависимость несколько усложняется – появляются небольшие осцилляции тока эмиссии около прямой.

К

Рис.2.1.4.Зависимость термоэмиссионного тока от внешнего электрического поля.

настоящему времени разработана теория этого явления, которая хорошо описывает основные особенности ТЭЭ. Вывод основного уравнения, может быть осуществлен двумя способами. Во-первых, к изучению закономерностей явления можно подойти исходя из рассмотрения свойств электронного газа в эмиттере и учитывая процесс прохождения электронов через поверхность твердого тела, т.е. рассматривая процесс эмиссии электронов как статистический и вероятностный.

Другим путем может быть использование законов термодинамики, основываясь на принципе детального равновесия. При этом центральное место отводится рассмотрению процессов в газовой фазе, находящейся в равновесии с поверхностью твердого тела - термодинамический подход. Как термодинамический, так и статистический выводы не могут быть доведены до конца используя только одни законы термодинамики или, соответственно, статистики. В первом случае для получения выражения для плотности тока j в явном виде необходимо привлечение квантовой статистики. Во втором - вывод может быть выполнен до конца только в частном случае - для системы свободных электронов.