Материал: konspekt_vpe
11
Швидке наростання концентрації електронів обмежується ростом просторового заряду, що порушує умову синхронізму. Явище вторинного електронного резонансу відіграє істотну роль у механізмі виникнення щільного прикатодного об'ємного заряду в магнетронах і амплітронах, а також у механізмі роботи динамічних фотоелектронних примножувачів. З іншого боку, це явище може бути причиною нестабільної роботи цих приладів і може обмежувати їх вихідну потужність.
1.2.5 Вторинна електронна-іонна емісія
Вторинна емісія може відбуватися не тільки під дією електронного бомбардування кристала а і при бомбардуванні його позитивними іонами. Така емісія називається вторинною іонно-електронною.
Коефіцієнт іонно-електронної емісії представляє відношення вторинного електронного струму Ie2 до іонного струму (Ii), залежить від матеріалу кристала, роду бомбардуючих іонів і їх кінетичної енергії. При енергіях порядку десятків і сотень електрон-вольт значення лежать в межах 10–3 10–1. Із збільшенням енергії іонів цей коефіцієнт зростає і при енергіях в декілька тисяч електрон-вольт може становити більше одиниці.
Експерименти показують, що існують два різні процеси вибивання вторинних електронів іонами. Вибивання електронів іонами за рахунок кінетичної енергії останніх називається кінетичним вириванням. Виривання електронів іонами за рахунок енергії, що вивільняється при рекомбінації на поверхні кристала або поблизу неї, називають потенційним вириванням.
Кінетичне виривання. При зіткненні іона з атомом кристала відбувається «струс» їх електронних оболонок, в результаті якого може звільнитися електрон з достатньою для подолання потенційного бар'єру енергією, або це є результатом іонізації поверхневого шару атомів кристала під ударами іонів.
При потенційному вириванні позитивний іон наближається до поверхні кристала, при цьому потенційний бар'єр між ними зменшується та звужується, що робить можливим перехід одного з найбільш швидких валентних електронів кристала до іона.
Вторинна іонно-електронна емісія спостерігається в умовах електричного розряду в газах.
1.2.6Фотоелектронна емісія
Фотоелектронна емісія (зовнішній фотоефект) – емісія електронів твердими тілами і рідинами під дією електромагнітного випромінювання (фотонів) у вакуум або інші середовища. Практичне значення в більшості випадків має фотоелектронна емісія із твердих тіл (металів, напівпровідників, діелектриків) у вакуум.
Основні закономірності фотоелектронної емісії сформовані Г. Герцем, О. Г. Столетовим та А. Єйнштейном
іполягають у наступному:
кількість електронів, що емітуються, пропорційна інтенсивності випромінювання;
для кожної речовини, при певному стані її поверхні і температурі T 0K, існує поріг – червона межа
фотоефекту (мінімальна частота 0 або максимальна довжина хвилі 0 випромінювання, за якими
фотоелектронна емісія припиняється);максимальна кінетична енергія фотоелектронів лінійно зростає із частотою випромінювання та не залежить від
його інтенсивності.
Фотоелектронна емісія або фотоефект – квантове явище, його відкриття і дослідження зіграли важливу роль в експериментальному обґрунтуванні квантової теорії: тільки на її основі виявилося можливим пояснення закономірностей фотоефекту. Вільний електрон не може поглинути фотон, тому що при цьому не можуть бути одночасно дотримані закони збереження енергії та імпульсу. Фотоефект із атома, молекули або конденсованого середовища можливий через зв'язок електрона з оточенням. Цей зв'язок характеризується в атомі енергією іонізації, у конденсованому середовищі – роботою виходу. Закон збереження енергії при фотоефекті виражається співвідношенням А. Эйнштейна:
W Wi ,
де W – кінетична енергія фотоелектрона, Wi – енергія іонізації атома або робота виходу електрона з тіла, –
постійна Планка, – частота випромінювання. При Wi фотоефект неможливий. Фотоелектронна емісія – результат трьох послідовних процесів:
-поглинання фотона і появи електрона з високої (у порівнянні із середньої) енергією;
-руху цього електрона до поверхні, при якому частина енергії може розсіятися;
12
-виходу електрона в інше середовище через поверхню розділу.
Кількісною характеристикою фотоелектронної емісії є квантовий вихід Y , який визначається кількістю фотоелектронів, що приходяться на 1 фотон падаючого на поверхню емітера випромінювання. Величина Y залежить від властивостей тіла, стану його поверхні та енергії фотонів.
Фотоелектронна емісія з металів виникає, якщо енергія фотона перевищує роботу виходу металу e . Остання для чистих поверхонь металів більше 2 еВ (а для більшості з них більше 3 еВ), тому фотоелектронна емісія з металів (якщо робота виходу не знижена спеціальним покриттям поверхні) може спостерігатися у видимій і ультрафіолетовій (для лужних металів і барію) або тільки в ультрафіолетовій (для всіх інших металів) областях спектра.
Поблизу порога фотоелектронної емісії для більшості металів Y ~ 10 4 електрон/фотон. Мала величина Y обумовлена тим, що поверхні металів сильно відзеркалюють видиме і ближнє ультрафіолетове випромінювання (коефіцієнт відбиття R 90 % ), так що в метал проникає лише мала частка падаючого на нього випромінювання. Крім того, фотоелектрони при русі до поверхні сильно взаємодіють із електронами провідності, яких у металі
багато ( 1022 см-3), і швидко розсіюють енергію, отриману від випромінювання. Енергію, достатню для здійснення роботи виходу, зберігають тільки ті фотоелектрони, які утворилися поблизу поверхні на глибині, що не перевищує кілька нанометрів. Менш ―енергійні‖ фотоелектрони можуть пройти без втрат енергії в десятки разів більший шлях у металі, але їхня енергія недостатня для подолання поверхневого потенційного бар'єра і виходу у вакуум.
Зі збільшенням енергії фотонів квантовий вихід Y металів зростає. При 12 еВ Y чистих металевих плівок (отриманих випаром металу у високому вакуумі) становить для Al — 0,04, для Bi — 0,015 електрон/фотон. При 15 еВ Y збільшується і для деяких металів (Pt, W, Sn, Ta, In, Be, Bi) досягає 0,1–0,2 електрон/фотон. Випадкові забруднення можуть сильно знизити , внаслідок чого поріг фотоелектронної емісії
зрушується убік більше довгих хвиль, і Y в цій області може сильно зростати. Різкого збільшення Y і зміна порога фотоелектронної емісії металів у видиму область спектра досягають, покриваючи чисту поверхню металу моноатомним шаром електропозитивних атомів або молекул (Cs, Rb, Cs2O), що утворять на поверхні дипольний електричний шар. Наприклад, шар Cs знижує (і, відповідно, зміщує поріг фотоелектронної емісії: для W – з 5,05 до
1,7 еВ; для Ag – з 4,62 до 1,65 еВ; для Cu – з 4,52 до 1,55 еВ; для Ni – з 4,74 до 1,42 еВ.
Фотоефект може спостерігатися в газах на окремих атомах і молекулах (фотоіонізація). Первинним актом тут є поглинання фотона атомом і іонізація з випущенням електрона. З високим ступенем точності можна вважати, що вся енергія фотона за винятком енергії іонізації передається електрону. У конденсованих середовищах механізм поглинання фотонів залежить від їхньої внутрішньої енергії.
При енергіях фотонів , що багато разів перевищують енергію міжатомних зв'язків у конденсованому середовищі (гамма-випромінювання), фотоелектрони можуть вириватися з ―глибоких‖ оболонок атома. Вплив середовища на первинний акт фотоефекту в цьому випадку малий в порівнянні з енергією зв'язку електрона в атомі
і фотоефект відбувається так само, як на ізольованих атомах. Ефективний перетин фотоефекту f спочатку росте з , а потім, коли стає більше енергії зв'язку електронів найглибших оболонок атома, зменшується. Така залежність f від якісно пояснюється тим, що чим більше в порівнянні з Wi , тим менш суттєвий зв'язок електрона з атомом, а для вільного електрона фотоефект неможливий. Внаслідок того, що електрони К-оболонки сильно зв'язані в атомі і цей зв'язок зростає з атомним номером Z , f має найбільше значення для К-електронів і
швидко збільшується при переході до важких елементів ( ~ Z 5 ). При порядку атомних енергій зв'язку фотоефект є переважним механізмом поглинання гамма випромінювання атомами, при більш високих енергіях фотонів його роль стає менш істотної в порівнянні з іншими механізмами: ефектом Комптона, народженням електронно-позитронних пар.
Ядерним фотоефектом називається поглинання кванта атомним ядром, що супроводжується його перебудовою. Фотоефект широко використовується в дослідженнях будови речовини - атомів, атомних ядер, твердих тіл, а також у чисельних фотоелектронних приладах.
13
1.3Збудження і іонізація атомів газу
Імовірність зіткнень електронів з атомами і молекулами газу залежить від тиску газу. Для оцінки цієї імовірності можна скористатися величиною середньої довжини вільного пробігу електрона, під якою розуміється середня відстань, яку проходить електрон від одного зіткнення до іншого.
Середня довжина вільного пробігу електрона, відповідно до висновків кінетичної теорії газів, у 4
2 раз більше середнього вільного пробігу молекул газу, у якому рухається електрон, і так само, як для газових молекул,
вона змінюється обернено пропорційно тиску газу, тобто |
|
|
2 |
P P |
, де |
|
і |
2 |
— середні вільні пробіги |
|
|
1 |
|
1 |
2 |
|
1 |
|
|
||
електрона при тисках P1 і P2 . Якщо середній вільний пробіг електронів дорівнює і відстань від катода до анода дорівнює ra , то відношення числа електронів, що проходять ця відстань без зіткнення з газовими частками, до всього числа електронів, що рухаються, визначається формулою
n |
e |
ra |
|
|
|
. |
(1.9) |
||||
n0 |
|||||
|
|
|
|
||
Результат зіткнення електрона з атомом або молекулою газу може бути різним залежно від швидкості електрона. При дуже малих швидкостях мають місце переважно пружні зіткнення, при яких електрон, зіштовхуючись із атомом передає йому дуже малу частину своєї енергії. Змінюється тільки швидкості та їх напрямки руху, але усередині самого атома ніяких змін не робить.
При збільшенні швидкості руху вільний електрон при взаємодії з атомом передає йому більшу кількість енергії, внаслідок чого усередині атома відбуваються зміни його внутрішньої енергії. Такі зіткнення називають непружніми зіткненнями першого роду. Результатом непружнього зіткнення може бути збудження атома або його іонізація. Атом виявляється збудженим, коли один з електронів атома, одержуючи енергію із зовні, переходить від
свого нормального рівня енергії Wn до одного з можливих високоенергетичних рівнів енергії Wm . У збудженому стані атом може існувати дуже малий час (порядку 10-10– 10-3с) і швидко повертається до свого нормального енергетичного стану, випускаючи квант енергії W , тобто випромінюючи світло певної частоти .
Для збудження атома електрон, що зіштовхується з ним, повинен передати йому енергію, рівну різниці
рівнів енергії Wm Wn . Електрон |
здобуває цю енергію, якщо пройде прискорювальну різницю потенціалів |
Uv Wm Wn e , величина U v |
називається потенціалом збудження газу. |
При ще більшій швидкості електрон, зіштовхуючись із атомом, може відокремити від нього один електрон, внаслідок чого атом перетворюється в позитивний іон. Явище це називається ударною іонізацією.
Найменша енергія Wi , який повинен володіти електрон, щоб іонізувати атом, подібно енергії збудження,
різна для різних газів і виміряється величиною потенціалу U i іонізації.
Якщо електрон зіштовхується із уже збудженим атомом, то для іонізації цього атома потрібна енергія менша, чим для іонізації атома в нормальному стані; за рахунок такої ступінчастої (поступової) іонізації також може виникати іонізація в газі у випадку, коли прискорювальна різниця потенціалів менше потенціалу іонізації. Можливість ступінчастої (поступової) іонізації полегшується тим, що внаслідок зіткнень атомів з електронами в газі є довготривалі метастабільні рівні. Відповідно до теорії збурень, у атома можуть бути рівні енергії, з яких прямий перехід до нормального стану неможливий (метастабільне, або напівстійкий стан). Якщо внаслідок зіткнення атом перейшов у такий рівень енергії, то в ньому він може існувати відносно довгий час (тисячні і соті частки секунди), внаслідок цього виникає велика імовірність його подальшого збудження з метастабільного стану або іонізації. Такий вид взаємодії електрона з атомом отримала назву непружніх зіткнень другого роду. Наявність метастабільних рівнів в атомах збільшує імовірність ступінчастої (поступової) іонізації.
При деякій прикладеній різниці потенціалів між електродами іонного приладу виникає газовий розряд. Цей розряд може відбуватися як при розігрітому, так і при холодному катоді.
1.4Джерела носіїв заряду
14
Джерела носіїв зарядів (катоди або емітери) є одними з основних пристроїв вакуумної електроніки, властивості яких впливають на вихідні характеристики приладів: шуми, вихідна потужність, ККД та ін. Залежно від типу носіїв зарядів (вільних електронів або плазми) розрізняють емісійні і плазмові катоди.
Катоди електронних ламп робляться із чистих металів, чистих металів покритих плівками інших металів (плівкові катоди) або напівпровідниковим покриттям. Кожний катод характеризується величиною роботи виходу, емісійною здатністю, робочою температурою, довговічністю і параметрами, що визначають його економічність та термін експлуатації.
1.4.5Основні характеристики катодів
Робота виходу більшості сучасних катодів не є постійною бо залежить від умов їхньої експлуатації. Зокрема, при певній температурі вона має мінімальне значення (катод має найбільшу емісійну здатність). Від температури не залежить тільки робота виходу катодів, виготовлених із чистих металів. Робочою температурою катода називається температура, при якій робота виходу мінімальна. Робоча температура катодів із чистого металу вибирається з умови одержання заданого емісійного струму.
Емісійний здатністю або питомою емісією називається величина струму електронної емісії з 1 см2 поверхні катода. Емісія катода повинна бути рівномірною і зберігати свою величину на протязі терміну служби катода. Емісійна здатність залежить від властивостей матеріалів катода, стану їхньої поверхні, режиму роботи електронного приладу та інших факторів. Величина питомої емісії визначається рівнянням Ричардсона-Дешмона
(1.2).
Припустима щільність катодного струму. У робочих режимах приладів з активованими катодами звичайно використовують величину анодного струму, значно меншу струму емісії катода, тому що робота при струмах з катода, рівних струму емісії, для ряду катодів приводить до руйнування шару, що активує. Тому для активованих катодів замість питомої емісії часто застосовується параметр, називаний припустимою щільністю
катодного струму jk max . Цей параметр показує, яку найбільшу величину струму можна відбирати з 1см2 поверхні
катода в робочому режимі. Величина припустимої щільності катодного струму залежить від матеріалу активатора, а також від режиму роботи. У лампах з катодами із чистих металів припустима щільність катодного струму дорівнює питомої емісії.
Робоча температура катода визначає швидкість виходу електронів з поверхні катода, дифузію активних речовин із внутрішніх шарів, швидкість випаровування речовини із поверхні та інше. Верхня межа робочої температури обмежується швидкістю випаровування речовини катодів, нижня — стійкістю необхідної величини струму емісії. Діапазон робочих температур різних катодів порівняно великий (1000–2900 К). Необхідна робоча температура катода забезпечується підігрівачем. Надана до підігрівача енергія витрачається головним чином на випромінювання і тепловідвід, величини яких визначаються станом поверхні, конструкцією деталей катода та іншими факторами. Тому величиною робочої температури катода в значній мірі визначається тепловий режим інших електродів і приладу в цілому. Звідси прагнення застосовувати катоди, що дають необхідний емісійний струм при можливій низькій робочій температурі.
Питома потужність розжарення. Для нагрівання катода затрачається потужність, величина якої залежить від температури, властивостей матеріалу і розміру катода. При підведенні до холодного катода певної потужності температура його підвищується, поки не встановиться рівність потужності, що підводиться і втрачається.
Підведена до катода потужність витрачається на:
випромінювання, що залежить від властивостей поверхні катода і його температури. Відповідно до закону Стефана-Больцмана потужність, що випускається з одиниці поверхні емітера дорівнює P T 4 , де —
постійна Стефана-Больцмана, — коефіцієнт випромінювання, дорівнює одиниці для абсолютно чорного тіла і є меншим за одиницю для реальних тіл;
на емісію електронів, що вилітають із катода і уносять енергію, яка дорівнює сумі виконананої електроном роботи виходу і його кінетичної енергії;
на теплопровідність катода і його елементів.
Величина потужності розжарення, що доводиться на 1см2 поверхні катода, називається питомою потужністю розжарення і є характеристикою споживаною катодом потужністю. Приблизно можна вважати, що
15
всю споживану енергію катод витрачає у вигляді енергії випромінювання. Таким чином питома потужність розжарення буде дорівнює
P T 4 .
Ефективність катода. Ефективністю катода називається відношення струму емісії катода до потужності, затрачуваної на його нагрівання
H |
Ie |
. |
(1.10) |
|
|||
|
P |
|
|
Ефективність показує, яку емісію можна одержати від катода на кожний Ватт потужності, затрачуваної на нагрівання катоду. Ця характеристика катода одночасно характеризує емісійні властивості катода і визначає потужність, що витрачається на розжарення. Для кожного матеріалу ефективність залежить тільки від температури, збільшуючись за експонентним законом при підвищенні температури
H IPe
|
|
2 |
|
|
b |
|
|
|
AT |
|
exp |
0 |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
T |
const T |
|
|
|
T |
4 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
b |
|
|
2 exp |
|
0 |
. |
(1.11) |
|
||||
|
|
T |
|
|
Із зазначеної залежності слідує, що використання катода при більше високих робочих температурах вигідно, тому що при цьому струм емісії катода збільшується, а відносна витрата потужності зменшується. Однак при високих робочих температурах значно зменшується довговічність катода.
Довговічність катода. Досить важливим параметром катода є його довговічність або термін служби, тому що у всіх приладах з термоелектронними катодами руйнування катода приводить у непридатність весь прилад.
Основною причиною руйнування катодів із чистих металів є механічне ушкодження (перегоряння, розрив) нитки розжарення. При високих температурах відбувається випаровування матеріалу катода, внаслідок чого діаметр катода поступово зменшується. Найбільш інтенсивне випаровування матеріалу відбувається в середній, самій напруженій частині катода. Тому що опір ділянки нитки, що стала тонкою, підвищується і на цій ділянці відбувається виділення більшої кількості тепла що в свою чергу викликає підвищення температури та подальше збільшення випаровування. Якщо діаметр дроту катода значно зменшиться, то катод або розривається в цьому місці внаслідок напруження, або розплавляється (перегоряє) при надмірному підвищенні температури.
Основною причиною виходу з ладу активованих катодів є зменшення їхньої емісійної здатності внаслідок ушкодження (дезактивації) активного шару. Лампа з дезактивованим, хоча і механічно неушкодженим катодом, непридатна до роботи. Якщо емісія катода значно зменшиться в порівнянні з її номінальним значенням то властивості приладу в цілому (його характеристики і параметри) зміняться і використання приладу стає також неможливим.
Як правило, за термін служби активованих катодів приймають той час роботи, протягом якого зберігається не менш 70–90% його емісійної здатності. Довговічність активованих катодів також сильно залежить від температур експлуатації. При перевищенні температури вище робочої відбувається інтенсивне випаровування активатора і катод швидко втрачає емісію. Крім того, на довговічність катода сильно впливає якість активування, що залежить від процесу обробки катода. Довговічність катода тісно пов'язана із величиною емісії. Для оксидного катода при щільності струму емісії порядку десятих часток ампер на 1см2 термін служби обчислюється тисячами годин, а при щільності струму порядку десятків ампер на 1см2 термін служби знижується до декількох годин.
Іншими немаловажними характеристиками катодів є стабільність струмів емісії, інерційність, розподіл заряджених часток по енергіях, швидкостях, напрямку поширення.
Зупинимося на деяких типах катодів, які на даний момент одержали найбільше поширення.
1.4.1Катоди із чистих металів
Вольфрамові катоди
Основними властивостями вольфраму, що привели його до використання при виготовленні катодів, є висока температура плавлення і тягучість. Робоча температура вольфрамового катода коливається від 2400 до 2600К у залежності від типу ламп і вимог до них.