6.2. Автоэлектронная эмиссия.
Автоэлектронная
эмиссия, или эмиссия Шоттки, это особый
вид испускания электронов из твердых
тел при наложении внешних электрических
полей с величиной напряженности Е
106
В ⁄см. При анализе физической природы
эффекта Шоттки показано (формула 27.2),
что зависимость потенциальной энергии
электронов вблизи поверхности металла
зависит от величины напряженности
внешнего электрического поля. При этом,
чем больше напряженность поля Евн,
тем уже барьер (рис.13.2.). Ширина барьера
d
и напряженность поля связаны соотношением:
d=
(35.2)
Рис. 13.2. Автоэлектронная эмиссия. Изменение ширины потенциального барьера при возрастании напряженности внешнего (Евн) электрического поля. Е - потенциальная энергия электрона.
С точки зрения классической механики, независимо от толщины барьера, электрон, полная энергия которого внутри металла меньше высоты барьера, ни при каких условиях не сможет покинуть металл и выйти в вакуум. Иная ситуация складывается в квантовой механике. При уменьшении ширины барьера ниже критической, у электронов в металле появляется возможность выхода в вакуум непосредственно «просачиванием» через потенциальный барьер без преодоления его максимума, в силу существования волнового процесса, ассоциированного с движущимся электроном. Квантово механические расчеты дают следующую зависимость плотности тока в случае автоэлектронной эмиссии:
,
(36.2)
где С1
и С2-
постоянные зависящие от свойств металла
(в частности, величина С2
пропорциональна работе выхода электрона
из металла в степени 3/2. Для большинства
металлов вероятность проникновения
электронов через барьер, а вместе с ней
и ток автоэлектронной (холодной) эмиссии
достигают значений доступных измерению
при напряженности поля
107
В ⁄ см.
6.2. Взрывная эмиссия.
Явление взрывной электронной эмиссии как нового самостоятельного вида эмиссии зарегистрировано Госкомитетом по изобретениям и открытиям 25 июня 1976 года. Авторы – группа молодых ученых во главе с Г. Месяцем.
В исторической последовательности открытию взрывной эмиссии способствовало изучение процесса автоэлектронной эмиссии, а именно, возможности замены горячих эмиттеров (катодов) на холодные при ее использовании в электронно-вакуумных приборах. Хотя во многих случаях горячий катод и удавалось заменить на холодный, но исследователей всегда останавливало неизбежное разрушение катода, при возникновении электрического дугового разряда, в ходе автоэлектронной эмиссии.
Г. Месяц исследовал электрический дуговой разряд в вакууме при следующих условиях: а) область исследования на катоде ограничивал микроскопическими размерами и б) изучал развитие процесса в первые миллиардные доли секунды. В результате данных экспериментов было установлено, что катод испускает не единичные электроны, а целые лавины электронов, сформированных из отдельных многоэлектронных «порций». Таким «порциям» заряженных частиц Г. Месяц дал название «Эктоны». Данное название складывается из начальных букв английского выражения «Explosive Centre» в переводе на русский – «Точка взрыва». Процесс испускания электронных лавин назвали взрывной эмиссией.
В общих чертах физическая суть взрывной эмиссии состоит в следующем. Для развития автоэлектронной эмиссии при реальных зазорах между двумя плоскими металлическими электродами, находящимися в глубоком вакууме, необходимо создать высокую напряженность поля а, следовательно, нужно приложить достаточно высокое напряжение. Однако в практике ситуация резко изменяется в связи с тем, что поверхность металла даже после шлифования не идеально ровная, а характеризуется наличием неровностей именуемых микроскопическими остриями. На данных остриях фокусируется электрическое поле намного сильнее, чем на гладкой поверхности. Вот такие участки поля и способствуют вырыванию электронов из острия. При этом плотность эмиссионного тока столь высока, что острия мгновенно нагреваются и начинают взрываться. Центры взрывов возникают в непосредственной близости друг от друга. В месте слияния взрывов образуется ванна расплавленного металла, из которой выплескиваются капли, образуя, в свою очередь, микроострия с большим отношением площади боковой поверхности к объему. За время 108-109с в объемах поверхности катода с линейными размерами 10-4-10-5см происходит бурное выделение энергии со скоростью 1013-1012Дж.с.-1г-1. Этот процесс сопровождается эрозией катода со скоростью истечения массы 108-109 А см-2 в электрическом эквиваленте и прохождением электрического тока с плотностью 109-1010А см.-2 При этом образуется облако ионизированного пара состоящего из атомов, электронов и ионов, (продуктов эрозии), а в итоге образуется плазма. Совокупность описанных выше явлений носит кратковременный характер (1-100 нс) потому, что вещества во взрывающихся микроостриях незначительно, и оно быстро расходуется. В результате эрозии линейные размеры области локализации тока увеличиваются, плотность тока, и скорость выделения энергии падают, процесс прекращается. Согласно ранее принятой терминологии было возникновение и функционирование центра взрывной эмиссии или эктона. Для поддержания условий существования дуги необходимо образование нового повторного эктона и так далее. В настоящее время нет устоявшегося мнения относительно механизмов доставки и концентрации энергии на катоде в количестве, достаточном для образования центра взрывной эмиссии.
Исследователи автоэлектронной эмиссии и конструкторы, занятые вопросом ее использования в электронно-вакуумных приборах с холодным катодом, давно знали про этот злополучный взрыв, который разрушает катод. Взрыва боялись, и все усилия были направлены на то, чтобы его предотвратить. Основная заслуга Г. Месяца и его коллег состоит в том, что их вывод был однозначен – не надо бороться с взрывами, а наоборот, дать им развитие во времени, поскольку возникает новый вид электронной эмиссии. Этот вид эмиссии намного эффективнее известных ранее и позволяет: а) избавится от специального нагрева катодов; б) создать надежные управляемые источники очень мощных пучков; и в) технику больших импульсных мощностей. Таким образом, открытие явления взрывной эмиссии породило новую отрасль науки: - сильноточную электронику или электронику больших мощностей и сильных полей.