Эмиссия электронов с термоэлектронных катодов

Чтобы понять причину резкого понижения работы выхода с термоэлектронных катодов, необходимо предварительно проанализировать технологию их изготовления. Часто в качестве термоэлектронных катодов используются оксиды бария и стронция. На основной керн, изготовленный преимущественно из никеля или вольфрама, наносится слой ВаО или SrO толщиной 20-200 мкм. Затем производится активация катода при температуре ~ 1000 К. При такой температуре вследствие наложения внешнего приложенного электрического поля электрический ток напоминает ток в электролите. При разложении ВаО на ионы положительный ион Ва⁺ движется к керну и там образует практически моноатомный слой бария, частично нейтрализуясь на керне. Получается трехслойная структура (никель-барий-оксид бария).

Работа выхода электрона с поверхности никеля в данном случае определяется только величиной потенциальной ямы для никеля, которая составляет 0,062 эВ, а для бария –1,639 эВ. Внутренняя разность работ выхода или работа по преодолению контактной разности потенциалов составляет 1,577 эВ. Вероятность перехода электрона из никеля в барий определяется их бинарным взаимодействием. Барий на никеле следует рассматривать как адгезию атомов бария на основных кластерах никеля. Такая бинарная связь дает значение вероятности обмена электронами между атомами никеля и бария ~ 0,0203. Это по существу вероятность того, что часть электронов, которые переходят от керна к адгезионному слою бария, являются свободными.

Энергия бинарной связи ~ 0,0761 эВ, а энергия адгезионной связи ~ 0,228 эВ. Адгезионная связь довольно прочная и поэтому при температурах эксплуатации обычно не превышающей 1100 К представляет собой прочно связанную систему.

Поверхностная плотность атомов бария составляет ~ 2,0·10¹⁹ 1/м², а концентрация валентных электронов в никеле ~ 5,1·10²⁹ м^-3. В результате на границе ВаО – вакуум поток термоэлектронов составит:

. (12.19)

Здесь S_Ni = 0,0203; Е_св – соответственно величина энергии связи атомов в основном кластере никеля и А_В - работа выхода электрона с поверхности ВаО.

Концентрация электронов, которая переходит из керна в слой атомов бария, определяется распределением Больцмана, а именно:

, (12.20)

где E_F,1 и E_F,2 – уровень Ферми соответственно для металлического керна и слоя бария. Концентрация электронов, определяемая по формуле (12.16), является, по существу, концентрацией свободных электронов, которые проникают в слой ионного кристалла ВаО. В формуле (12.19) не учитывается влияние электрического сопротивления на прохождение свободных электронов через слой ионного кристалла ВаО. Учет этого влияния приводит к возрастанию тока эмиссии при импульсном режиме включения внешнего электрического поля. Результаты расчета зависимости термоэлектронного тока от температуры приведены на рис.147. На рис. 147 для сравнения показаны значения термоэмиссионных токов, полученных при непрерывном и импульсном режимах токоотвода. Как для никелевого, так и для вольфрамового кернов расчетное значение термоэмиссионого тока в пределах ошибок практически совпадает с данными эксперимента. Использование никеля в качестве керна приводит к большему значению эмиссионного тока при температурах, допустимых в процессе эксплуатации оксидных катодов (~ 1100 К), чем использование вольфрама. Чтобы получать практически необходимые значения токов термоэмиссии с вольфрамовым керном, необходимо повышать температуру катода, а это нежелательно, так как резко снижается время предельного срока службы люминесцентных ламп, где это применяется. Поэтому в люминесцентных лампах в последнее время часто используют керны преимущественно из никеля.

Из формулы (12.17) следует, что при больших значениях внешних электрических полей, когда , термоэмиссионный ток становится отрицательным, а это противоречит физике явления. Следовательно, подход, предложенный Шоттки, не применим к такому случаю. В этих условиях следует учитывать явление автоэлектронной эмиссии.

Поиск по сайту: