Автоэлектронная эмиссия

Автоэлектронную эмиссию квантовая механика трактует как результат прохождения свободных электронов сквозь потенциальный барьер. Такой подход приводит к следующему значению эмиссионного тока:

. (12.21)

В этой формуле константа а зависит от величины работы выхода.

Разработана красивая теория, но она не верна в постановке задачи, поскольку рассматривается просачивание сквозь потенциальный барьер свободных электронов, которые отсутствуют в конденсированном состоянии. Поэтому сравнение с экспериментом проводилось качественно, а для количественного описания было предложено пользоваться функциями Фаулера-Нордгейма, которые связаны со значением понижения работы выхода ΔU в теории Шоттки. Физического обоснования функциям Фаулера-Нордгейма не дается. Поэтому предложенную теорию автоэлектронной эмиссии следует рассматривать как чисто эмпирическую теорию. В действительности происходит следующее.

По мере увеличения внешнего электрического поля на микровыступах под влиянием пондеромоторных сил происходит увеличение радиуса плоского пятна на вершине выступа. Это приводит к тому, что работа выхода в соответствии с формулой (12.3) возрастает, так как радиус плоского пятна на вершине выступа увеличивается на величину

. (12.22)

Вследствие этого суммирование по лучу увеличится на величину Δl/а, где а – диаметр атомов основного кластера. Получается, что под влиянием внешнего электрического поля работа выхода возрастает пропорционально Е_Э² и одновременно уменьшается пропорционально . Когда результирующая работа выхода будет соизмерима с k_bT вследствие ее уменьшения под влиянием приложенного внешнего электрического поля, тогда возникнет автоэлектронная эмиссия. Электрический ток автоэлектронной эмиссии представится в виде

, (12.23)

где α и β – размерные коэффициенты, которые не подгоняются к экспериментальным данным, а последовательно вычисляются с использованием физических констант и свойств исследуемого вещества. А_В,0 является работой выхода, которая определяется начальными геометрическими размерами микровыступов, и обусловлена чистотой обработки поверхности, т.е. шероховатостью исследуемой поверхности вещества. Формула (12.23) существенным образом от

личается от (12.21).

При формула (12.23) преобразуется к виду

, (12.24)

т.е. получаем предельно возможную плотность эмиссионного тока при заданной шероховатости поверхности. Дальнейшее увеличение внешнего электрического поля не приведет к росту плотности эмиссионного тока.

Автоэлектронная эмиссия является ограничивающим фактором при разделении электрических зарядов вследствие амбиполярной диффузии электронов внутри камеры сгорания реактивных двигателей.

Автоэлектронную эмиссию можно получить и для положительных ионов. Для этого подогревный анод покрывается тонкой пленкой щелочных металлов или бария. Автоэлектронная эмиссия положительных ионов используется в ионном микроскопе, принципиальная схема которого приведена на рис. 148. Устройство его следующее. Очень тонкая игла, диаметр острия которой не более 10^~5 см, помещена в центре стеклянной сферы 2, наполненной инертным газом (гелием) при низком давлении. Внутренняя поверхность сферы покрыта тонким проводящим слоем флюоресцирующего вещества 3. Между иглой и флюоресцирующим покрытием создается высокая разность потенциалов.

Когда на иглу подано отрицательное напряжение, с нее стекают электроны, которые на флюоресцирующем экране воссоздают картину, отображающую испускательную способность острия иглы. Через резистор 4 электроны отводятся на землю.

При наложении положительного потенциала атомы гелия на острие в результате автоионизации теряют электроны. Образовавшиеся ионы ускоряются полем, бомбардируют флюоресцирующий экран и дают изображение кончика иглы. В таком микроскопе получено увеличение в 2·10⁶ раз, т.е. в десять раз больше, чем в электронных микроскопах.

Стекание зарядов с заостренных предметов в воздухе вызывает возникновение коронного разряда за счет пробоя окружающей среды. Положительные ионы будут отталкиваться от острия и увлекать за собой частицы воздуха. В результате возникает реактивная тяга (рис. 149). На таком явлении возможно построить электростатический ионный двигатель в атмосфере Земли, а также измеритель высоких напряжений. Кроме того, стекание зарядов с заостренных предметов используется в технике для снятия высоких потенциалов, например, на самолетах и ракетах.

Поиск по сайту: