+7-351-
215-23-09


Термоэлектронная эмиссия металлов

Электронной эмиссией называется процесс выхода электронов из твердых или жидких тел.

Термоэлектронная эмиссия - электронная эмиссия, обусловленная тепловым состоянием (температурой) тела, испускающего электроны.

Рис. 3-1. Энергетическая диаграмма металла и потенциальный барьер на границе металл - вакуум.

. .

1 - распределение электронов по энергиям в металле; 2 - потенциальный барьер без внешнего электрического поля; 3 - энергия, сообщаемая электронам внешним однородным электрическим полем; 4 - потенциальный барьер при наличии ускоряющего электрического поля.

На рис. 3-1 показана энергетическая диаграмма металла. Косой штриховкой обозначены уровни энергии валентных электронов, заполненные полностью при Т=0 К. Горизонтальной штриховкой - свободные при Т=0 К разрешенные энергетические уровни.

Кривая 1 показывает распределение электронов по энергиям в металле при некоторой температуре его, отличной от 0 К.

Кривая 2 изображает (схематически) потенциальный барьер на границе металл - вакуум, препятствующий выходу электронов. Здесь Wo - полная высота потенциального барьера, характеризующая потерю энергии электроном при выходе из металла; - уровень Ферми (уровень электрохимического потенциала); - работа выхода электрона (j - работа выхода, выраженная в вольтах).

Термоэлектронная эмиссия чистых металлов описывается уравнением Ричардсона - Дешмана:

Здесь jэ - плотность тока термоэлектронной эмиссии, А/м²; Т - температура металла, К; А - постоянная для данного металла, А/(м² К2); k - постоянная Больцмана; j - работа выхода электронов, В.

Значения работы выхода j и константы А для некоторых материалов приведены в табл. 3-1.

Значения работы выхода и константы А для некоторых материалов
Материалj, В
Cs1,891620000
Ва2,29600000
Th3,41700000
Та4,12600000
Мо4,27550000
W4,54750000
С4,39300000
Fe4,36260000
Ni4,84-
Pt5,29320000
Hg4,52-

Наиболее распространенным катодом из чистого металла является вольфрамовый.

Внешнее ускоряющее электрическое поле у поверхности катода приводит к снижению потенциального барьера (см. рис. 3-1, кривая 4) и вследствие этого к увеличению тока термоэлектронной эмиссии.

Увеличение эмиссии описывается уравнением Шоттки:

где электрического поля, А/см2, jэ - плотность тока эмиссии в отсутствие внешнего поля, определяемая по уравнению Ричардсона - Дешмана; Т - температура катода, К; Ек - напряженность внешнего электрического поля у поверхности катода, В/м.

Образование на поверхности металла мономолекулярных пленок электроположительных по отношению к нему веществ сопровождается поляризацией атомов пленки или их ионизацией и вследствие этого возникновением ускоряющего электрического поля, снижающего работу выхода j электронов из катода. Одновременно изменяется и постоянная А уравнения термоэлектронной эмиссии.

Наиболее распространенными в технике пленочными катодами являются катоды из торированных вольфрама и молибдена.

В табл. приведены постоянные j и А для некоторых пленочных катодов.

Постоянные для пленочных катодов
Тип катодаj, В
Торий на вольфраме2,6330000
Торий на молибдене2,5915000
Торий на карбиде вольфрама1,5150
Барий на вольфраме1,5615000
Цезий на вольфраме1,3632000

Дополнительно по теме