1.2. Термоэлектронная эмиссия

Термоэлектронной эмиссией называют испускание электронов нагретыми металлами или полупроводниками. При повышении температуры скорости и энергии некоторых электронов проводимости оказываются достаточными для преодоления удерживающих сил и совершения тем самым работы выхода. Закон термоэлектронной эмиссии (формула Дэшмана)

J _eq=A T² exp(-b₀ /T),

где J_eq – плотность тока с эмитирующей поверхности, А*м^-2, Т – абсолютная температура, К; А – постоянная, одинаковая для всех металлов, А = 60,2*10⁶ А *м^-2 *К^-2; b₀=W₀/k – отношение работы выхода данного металла к постоянной Больцмана, К.

На практике постоянная А у разных металлов различна. Данные для некоторых металлов приведены в таблице 2.

Таблица 2

Металл	W	Mo	Ta	Th	Ba	Cs
А, А*м-2 *К-2 *106	60	55	60	70	60	162
b0, K*103	52,4	48,1	47,5	39,2	24.5	2,1

Плотность тока эмиссии очень сильно зависит от температуры металла. Например, повышение температуры вольфрама с 2400 до 2500 ⁰С приводит к росту тока эмиссии на 150%.

Эмиссионная способность металла в большой степени зависит от имеющихся в нем примесей и от чистоты и шероховатости поверхности. Например, примесь тория в вольфраме при той же температуре дает многократно большую эмиссию. Причина в том, что одноатомный (из-за быстрого испарения) слой положительно заряженных ионов тория на поверхности вольфрама притягивает электроны, движущиеся из толщи металла к поверхности, и тем самым способствует более легкому их выходу за пределы металла. Работа выхода в этом случае меньше, чем из чистого вольфрама.

В электровакуумных приборах тело, испускающее электроны, называют катодом, так как его присоединяют к отрицательному полюсу источника напряжения. Положительное напряжение этого источника приложено к другому электроду – аноду. Между катодом и анодом образуется электрическое поле, ускоряющее действующее на электроны. Когда испускаемые нагретым металлом катода электроны попадают в электрическое поле анода, оно притягивает и ускоряет электроны и тем самым повышает эмиссию. Это явление называется эффектом Шоттки. Плотность тока эмиссии с учетом эффекта Шоттки

J’_eq=J_eqexp(43,9E^0,5/T),

где J_eq – плотность тока без учета эффекта Шоттки, А/м²; Е – напряженность поля у катода, В/м; Т – температура, К.

Формула верна для катодов с идеально гладкой поверхностью. У катодов с шероховатой поверхностью поле сильно неоднородное и местами может иметь очень высокую напряженность, вызывая более существенный рост эмиссии. Особенно сильно электрическое поле влияет на эмиссию полупроводниковых катодов, в которых оно не только снижает внешнюю работу выхода, но и, проникая из-за меньшей электропроводности полупроводника в его толщу, уменьшает внутреннюю работу выхода.

3. Термоэлектронные катоды

К атод в электровакуумном приборе – это электрод, являющийся источником электронов. Для получения достаточной плотности тока эмиссии катод должен иметь высокую температуру. По первому варианту конструкции катод изготавливают из проволоки и нагревают путем пропускания по проволоке электрического тока от отдельного источника, называемого источником тока накала. Такой катод называют катодом прямого накала. Температура катода и, следовательно, ток эмиссии зависят от мощности, расходуемой на нагрев катода, и условий его охлаждения. Поскольку измерять температуру катода или мощность накала затруднительно, для оценки катода служит зависимость тока эмиссии от тока накала или напряжения на нити накала, называемая эмиссионной характеристикой катода.

Электрическая схема для снятия накальной и эмиссионной характеристик катода двухэлектродной электронной лампы прямого накала представлена на рисунке 2. Подогрев катода обеспечивает регулируемый источник напряжения Е_н, ток и напряжение накала измеряют соответственно амперметром А и вольтметром V_н. Между катодом и анодом лампы положительным полюсом к аноду приложено напряжение регулируемого источника Е_а, величина этого напряжения контролируется вольтметром V_a, ток анода измеряется миллиамперметром mA.

Накальная характеристика катода – это зависимость тока накала от напряжения, приложенного к нити накала при отключенном анодном источнике. По существу, это вольт-амперная характеристика нелинейного сопротивления, которым является нить накала, обычно изготавливаемая из тугоплавкого вольфрама. С ростом мощности накала повышается температура нити, растет ее сопротивление электрическому току (у вольфрама положительный температурный коэффициент сопротивления 5,4*10^-3 К^-1), следовательно, скорость роста тока будет падать.

Эмиссионная характеристика катода – это зависимость тока катода от тока или напряжения накала при неизменном напряжении между анодом и катодом. По мере повышения тока накала растет температура катода и ток эмиссии. Вылетающие из катода электроны образуют вблизи катода облако, обладающее отрицательным пространственным зарядом и тормозящее электроны. Электрическое поле, создаваемое анодом, находящимся под положительным потенциалом относительно катода, заставляет электроны двигаться к аноду, в результате формируется ток анода и разрушается облако электронов вблизи катода. Очевидно, чем выше напряженность поля анода, тем больше ток анода и меньше пространственный заряд вблизи катода. Однако по мере приближения тока анода к току эмиссии катода скорость роста тока анода падает почти до нуля, такой режим работы лампы называют режимом насыщения. В режиме насыщения любой электрон, покинувший катод, достигает анода; электрическое поле анода стимулирует эмиссию вследствие эффекта Шоттки.