Термиондық эмиссия. «Термиондық эмиссия

Электрондар мен иондардың эмиссиясы деп қатты дененің вакууммен немесе газбен шекарасында пайда болатын зарядталған бөлшектердің эмитентке термиялық қыздыру, жарық сәулелену, электронды немесе иондық бомбалау, тұрақты немесе жоғары жиілікті электр өрісі және т.б. .

Қызған дененің вакуумге электрондарды шығару құбылысы деп аталады термиондық эмиссия.

Қашан екені анықталды T = 0кристалдан электрондардың эмиссиясы болуы мүмкін емес, өйткені ең жылдам электрондардың энергиясы оның шекарасындағы потенциалдық кедергіні жеңуге жеткіліксіз.

Қатты денені қыздырған кезде кристалдық тор атомдарының тербеліс амплитудалары артады. Температураның жоғарылауымен электрондардың көбеюі (2.10-сурет) вакууммен қатты дененің шекарасындағы потенциалдық кедергіні жеңуге жеткілікті энергия алады.

Металлдың әрбір текше метрінде болса сен, сен,u-ден жылдамдық құраушылары бар бос электрондар u xбұрын u x + du x,бастап сен жбұрын u y + +du yжәне бастап u zбұрын u z + du z, (Қайда u x– дене бетіне перпендикуляр бағытта жылдамдық құраушысы), онда бетке келетін мұндай электрондардың ағыны тең болады.

Жылдамдық құраушысы бағытта болатын электрондар ғана Xәлеуетті кедергіні жеңу үшін жеткілікті, яғни.

Берілген температурада уақыт бірлігінде 1 м2 металл бетінен шығатын электрондар санын анықтау үшін металдағы электрондардың таралу жылдамдығының функциясын формулаға қойып, алынған өрнекті интегралдау қажет.

Кванттық механикалық теория бойынша барлық электрондар вакуумға түспейді, олардың потенциалдық кедергіден шағылысу мүмкіндігі бар. Сондықтан D тосқауылының ашықтығы түсінігі енгізіледі.

Ричардсон-Дешман теңдеуі жылулық эмиссиялық токтың тығыздығын анықтайды:

мұндағы әмбебап тұрақты және эмитент түріне тәуелді емес.

Ферми энергиясы қатынаспен анықталады. Ол бірінші жуықтау температураға тәуелді емес, сондықтан тиімді жұмыс функциясымен ауыстырылуы мүмкін, содан кейін

мұндағы жұмыс функциясы, джоульмен өрнектеледі.

Ричардсон-Дешман теңдеуі металл бетінен термиондық эмиссияның ағымдағы тығыздығы температураға және материалдың тиімді жұмыс функциясына байланысты екенін көрсетеді.

Термиондық эмиссиялық токтың тығыздығын анықтауға арналған теңдеу тек металға ғана емес, сонымен қатар кез келген түрдегі жартылай өткізгіш катодтарға да қолданылады. Ерекшелігі, алайда, егер металдардағы Ферми деңгейінің позициясын, бірінші жуықтап алғанда, температурадан тәуелсіз деп санауға болады және j eff.берілген материалдың тұрақтысы ретінде, онда қоспа жартылай өткізгіштерде Ферми деңгейінің орны температураға байланысты болады. Жұмыс функциясының температуралық коэффициенті ( а) металдар үшін êa½ ~ 10 –5 болатыны анықталды. және жартылай өткізгіштер a ~ 10 –4. Коэффициент әсер ететінін ескере отырып көп саныфакторлар және оның нақты анықтамасы жоқ, ол жылулық эмиссиялық токтың тығыздығын анықтауда елеусіз үлес қосады, біз термиондық катодтардың барлық түрлері үшін Ричардсон-Дешман формуласын қолданамыз.

Бүгінгі таңда термиондық эмиссияға назар аударылады. Эффект атауының нұсқалары, оның ортадағы және вакуумдағы көрінісі қарастырылады. Температуралық шектеулер зерттеледі. Термиондық эмиссияның қанығу тогы тығыздығының тәуелді құрамдас бөліктері анықталады.

Термиондық эмиссия эффектінің атаулары

«Термиондық эмиссия» терминінің басқа да атаулары бар. Бұл құбылысты ашқан және алғаш зерттеген ғалымдардың есімдеріне сүйене отырып, ол Ричардсон эффектісі немесе Эдисон эффектісі ретінде анықталады. Осылайша, егер адам кітап мәтінінде осы екі сөз тіркесін кездестірсе, ол бірдей физикалық терминнің тұспалданатынын есте сақтауы керек. Шатасу отандық және шетелдік авторлардың басылымдары арасындағы келіспеушіліктен туындады. Кеңестік физиктер заңдарға түсіндірме анықтамалар беруге ұмтылды.

«Термиондық эмиссия» термині құбылыстың мәнін қамтиды. Беттегі бұл фразаны көрген адам біз электрондардың температуралық эмиссиясы туралы айтып жатқанымызды бірден түсінеді, бірақ бұл металдарда болатыны сахна артында қалады. Бірақ детальдарды ашу үшін анықтамалар бар. Шетелдік ғылым біріншілік пен авторлық құқыққа өте сезімтал. Сондықтан бірдеңені жазып алған ғалым атаулы құбылысты алады, ал нашар оқушылар әсердің мәнін ғана емес, шын мәнінде ашушылардың есімдерін есте сақтауы керек.

Термиондық эмиссияны анықтау

Термиондық эмиссия құбылысы электрондардың металдардан жоғары температурада бөлінуі. Осылайша, қыздырылған темір, қалайы немесе сынап осы элементар бөлшектердің көзі болып табылады. Металлдарда ерекше байланыс бар екеніне механизм негізделген: оң зарядталған ядролардың кристалдық торы құрылым ішінде бұлтты құрайтын барлық электрондар үшін ортақ негіз болып табылады.

Осылайша, бетке жақын орналасқан теріс зарядталған бөлшектердің арасында әрқашан көлемнен шығуға, яғни потенциалдық кедергіні жеңуге жеткілікті энергиясы барлар болады.

Термиондық эмиссия әсерінің температурасы

Металлдық байланыстың арқасында кез келген металдың бетінде потенциалды шығу кедергісін жеңу үшін жеткілікті күші бар электрондар болады. Бірақ дәл осындай энергия дисперсиясының арқасында бір бөлшек кристалдық құрылымнан әрең ажыраса, екіншісі ұшып шығып, айналасындағы ортаны иондайтын белгілі бір қашықтықты басып өтеді. Әлбетте, ортадағы кельвиндер неғұрлым көп болса, соғұрлым электрондар металдың көлемін қалдыру мүмкіндігіне ие болады. Осылайша, термиондық эмиссияның температурасы қандай деген сұрақ туындайды. Жауап қарапайым емес және біз бұл әсердің бар болуының төменгі және жоғарғы шегін қарастырамыз.

Термиондық эмиссияның температуралық шектері

Металдардағы оң және теріс бөлшектердің арасындағы байланыс бірқатар ерекшеліктерге ие, соның ішінде энергияның өте тығыз таралуы. Фермиондар бола отырып, электрондар әрқайсысы өздерінің энергетикалық орнын алады (барлығы бірдей күйде болуы мүмкін бозондардан айырмашылығы). Осыған қарамастан, олардың арасындағы айырмашылық соншалықты аз, бұл спектрді дискретті емес, үздіксіз деп санауға болады.

Бұл өз кезегінде металдардағы электрон күйлерінің жоғары тығыздығына әкеледі. Дегенмен, абсолютті нөлге жақын өте төмен температураларда да (есіңізде болсын, бұл нөл кельвин немесе шамамен минус екі жүз жетпіс үш градус Цельсий) жоғары және төмен энергиялары бар электрондар болады, өйткені олардың барлығы ең төменгі күйде бола алмайды. сол уақытта. Бұл белгілі бір жағдайларда (жұқа фольга) металдан электронның шығуы өте төмен температурада да өте сирек байқалатынын білдіреді. Осылайша, термиондық эмиссия температурасының төменгі шегін абсолютті нөлге жақын мән деп санауға болады.

Температура шкаласының екінші жағында металды балқыту. Физика-химиялық деректерге сәйкес, бұл сипаттама осы сыныптың барлық материалдары үшін ерекшеленеді. Басқаша айтқанда, балқу температурасы бірдей металдар жоқ. Сынап немесе сұйықтық қалыпты жағдайда кристалдық күйден минус отыз тоғыз градус Цельсийде, ал вольфрам үш жарым мың температурада шығады.

Дегенмен, бұл шектеулердің барлығында ортақ нәрсе бар - металл қатты дене болуды тоқтатады. Бұл заңдар мен әсерлердің өзгеретінін білдіреді. Ал балқымада термиондық эмиссия бар деп айтудың қажеті жоқ. Осылайша, бұл әсердің жоғарғы шегі металдың балқу температурасына айналады.

Вакуум жағдайында термиондық эмиссия

Жоғарыда қарастырылғандардың барлығы ортадағы құбылысқа қатысты (мысалы, ауада немесе инертті газда). Енді вакуумдағы термиондық эмиссия дегеніміз не деген сұраққа көшейік. Мұны істеу үшін біз ең қарапайым құрылғыны сипаттаймыз. Ауаны сорып алған колбаға тоқ көзінің теріс полюсі жалғанған жіңішке металл штанга салынады. Тәжірибе кезінде кристалдық құрылымын жоғалтпау үшін материал жеткілікті жоғары температурада еруі керек екенін ескеріңіз. Осылайша алынған катод басқа металдан жасалған цилиндрмен қоршалған және оған оң полюс қосылған. Әрине, анод та вакууммен толтырылған ыдыста орналасқан. Тізбек жабылған кезде термиондық эмиссиялық ток аламыз.

Бір қызығы, бұл жағдайда катодтың тұрақты температурасында токтың кернеуге тәуелділігі Ом заңына емес, екінші үш заңға бағынады. Ол сондай-ақ Баланың есімімен аталады (басқа нұсқаларда Чайлд-Лангмюр және тіпті Чайлд-Лангмюр-Богуславский), ал неміс тіліндегі ғылыми әдебиеттерде - Шоттки теңдеуі. Мұндай жүйедегі кернеу жоғарылағанда, белгілі бір сәтте катодтан шығарылатын барлық электрондар анодқа жетеді. Бұл қанықтыру тогы деп аталады. Ток-кернеу сипаттамасында бұл қисықтың үстіртке жетуімен және кернеудің одан әрі жоғарылауы тиімді емес екендігімен көрінеді.

Термиондық эмиссия формуласы

Бұл термиондық эмиссияның ерекшеліктері. Формула өте күрделі, сондықтан біз оны мұнда ұсынбаймыз. Сонымен қатар, оны кез келген анықтамалықтан оңай табуға болады. Жалпы алғанда, термиондық эмиссияның формуласы жоқ, тек қана қанықтыру тоғының тығыздығы қарастырылады. Бұл мән материалға (жұмыс функциясын анықтайтын) және термодинамикалық температураға байланысты. Формуланың барлық басқа құрамдастары тұрақтылар.

Көптеген құрылғылар термиондық эмиссия негізінде жұмыс істейді. Мысалы, ескі үлкен теледидарлар мен мониторлар дәл осындай әсерге ие.

Өткізгіш пен вакуум арасындағы интерфейсті кесіп өткенде электр өрісінің қарқындылығы мен индукциясы күрт өзгеретіні атап өтілді. Осыған байланысты ерекше құбылыстар. Электрон тек металдың шекарасында ғана бос болады. Ол «металл-вакуум» шекарасын кесіп өтпек болған кезде, электрон мен бетінде пайда болған артық оң зарядтың арасында кулондық тартылыс күші пайда болады (6.1-сурет).

Беткейге жақын жерде электронды бұлт пайда болады, ал интерфейсте потенциалдар айырмасы () болатын қос электрлік қабат түзіледі. Металл шекарасындағы ықтимал секірулер 6.2-суретте көрсетілген.

Потенциалды энергетикалық шұңқыр металл алып жатқан көлемде пайда болады, өйткені металдың ішінде электрондар бос және олардың тор учаскелерімен әрекеттесу энергиясы нөлге тең. Металлдың сыртында электрон энергия алады В 0 . Бұл тартылу энергиясы.Металдан шығу үшін электрон потенциалдық кедергіні жеңіп, жұмыс істеуі керек.

(6.1.1)

Бұл жұмыс деп аталады металдан шығатын электронның жұмыс функциясы . Мұны орындау үшін электрон жеткілікті энергиямен қамтамасыз етілуі керек.

Термиондық эмиссия

Жұмыс функциясының мәні заттың химиялық табиғатына, оның термодинамикалық күйіне және интерфейстің күйіне байланысты. Жұмыс функциясын орындауға жеткілікті энергия қыздыру арқылы электрондарға берілсе, онда Электрондардың металдан шығу процесі деп аталады термиондық эмиссия .

Классикалық термодинамикада металл құрамында электрон газы бар иондық тор ретінде берілген. Еркін электрондардың қауымдастығы идеал газ заңдарына бағынады деп есептеледі. Демек, Максвелл таралуына сәйкес, 0 К-ден басқа температурада металда жылу энергиясы жұмыс функциясынан үлкен болатын электрондардың белгілі бір саны болады. Бұл электрондар металдан шығады. Температура көтерілсе, мұндай электрондардың саны да артады.

Қызған денелердің (эмиттерлердің) вакуумға немесе басқа ортаға электрондарды шығару құбылысы деп аталады. термиондық эмиссия . Жылыту электронның жылулық қозғалысының энергиясы бетінен шығарылған кезде теріс зарядталған электрон мен оның металл бетінде индукцияланған оң заряд арасындағы кулондық тартылыс күштерін жеңу үшін жеткілікті болуы үшін қажет (6.1-сурет). Сонымен қатар, жеткілікті жоғары температурада металл бетінің үстінде теріс зарядты электронды бұлт пайда болады, бұл электронның металл бетінен вакуумға кетуіне жол бермейді. Осы екі және, мүмкін, басқа себептер металдан электронның жұмыс функциясын анықтайды.

Термиондық сәулелену құбылысын 1883 жылы әйгілі американдық өнертапқыш Эдисон ашқан. Ол бұл құбылысты екі электроды бар вакуумдық түтікте – оң потенциалы бар анод пен теріс потенциалы бар катодта байқады. Шамның катоды электр тогы арқылы қыздырылған отқа төзімді металдан (вольфрам, молибден, тантал және т.б.) жасалған жіп болуы мүмкін (6.3-сурет). Мұндай шам вакуумдық диод деп аталады. Егер катод суық болса, онда катод-анод тізбегінде іс жүзінде ток болмайды. Катод температурасы жоғарылаған сайын катод-анод тізбегінде электр тогы пайда болады, ол катод температурасы жоғары болған сайын үлкен болады. Тұрақты катод температурасында катод-анод тізбегіндегі ток потенциалдар айырмасы артқан сайын артады Укатод пен анод арасында және деп аталатын қандай да бір стационарлық мәнге келеді қанықтыру тогы I n. Бола тұра катод шығаратын барлық термиониктер анодқа жетеді. Анодтық ток пропорционал емес У, Сондықтан Вакуумдық диод үшін Ом заңы қолданылмайды.

6.3-суретте вакуумдық диод тізбегі және ток-кернеу сипаттамалары (вольт-ампер сипаттамалары) көрсетілген. Ia(Уа). Мұнда У h – кідіріс кернеуі I = 0.

Суық және жарылғыш шығарындылар

Металдағы бос электрондарға электр өрісі күштерінің әсерінен пайда болатын электронды эмиссия деп аталады суық эмиссия немесе өріс электронды . Ол үшін өрістің күші жеткілікті және шарт орындалуы керек

(6.1.2)

Мұнда г– интерфейстегі қос электрлік қабаттың қалыңдығы. Әдетте таза металдарда және біз аламыз Практикада салқын эмиссия шама ретінің беріктік мәнінде байқалады.Бұл сәйкессіздік микродеңгейдегі процестерді сипаттауға арналған классикалық концепциялардың сәйкес келмеуімен байланысты.

Өріс сәулеленуін жақсы эвакуацияланған вакуумдық түтікте байқауға болады, оның катоды ұшы болып табылады, ал анод - тегіс немесе сәл қисық беті бар қалыпты электрод. Қисық радиусы бар ұшының бетіндегі электр өрісінің кернеулігі rжәне потенциал Уанодқа қатысты тең

At және , бұл катод бетінен өрістің шығарылуына байланысты әлсіз токтың пайда болуына әкеледі. Эмиссиялық ток күші потенциалдар айырмасының артуымен тез артады У. Бұл жағдайда катод арнайы қыздырылмайды, сондықтан эмиссия суық деп аталады.

Өріс эмиссиясын пайдалана отырып, негізінен ток тығыздығын алуға болады бірақ бұл іс жүзінде мүмкін емес, пішіні бірдей (6.4-сурет) ұштардың үлкен санының жинағы түріндегі эмитенттерді қажет етеді, сонымен қатар токты 10 8 А/см 2 дейін ұлғайту жарылғыш бұзылуға әкеледі. кеңестердің және бүкіл эмитенттің.

Кеңістік зарядының әсерінен AEE ток тығыздығы тең (Чайлд-Лангмюр заңы)

Қайда – катодтың геометриясы мен материалымен анықталатын пропорционалдық коэффициенті.

Қарапайым тілмен айтқанда, Чайльд-Лангмюр заңы ток тығыздығы пропорционалды екенін көрсетеді (үш секунд заңы).

Катодтың микрокөлемдеріндегі энергия концентрациясы 10 4 Дж×м –1 немесе одан да көп (жалпы энергиясы 10 -8 Дж) болған кезде өріс эмиссия тогы сапалы түрде әр түрлі шығарылым түрін бастауы мүмкін. катодтағы микроұштардың жарылуы (6.4-сурет).

Бұл жағдайда электронды ток пайда болады, ол бастапқы токтан үлкен шамалардың реті болып табылады - байқалды жарылғыш электрондардың эмиссиясы (VEE). VEE 1966 жылы Томск политехникалық институтында Г.А. Айлар.

VEE – ток тығыздығы 10 9 А/см 2 дейінгі 10 13 Вт-қа дейінгі қуаты бар электронды ағындарды алуға мүмкіндік беретін электронды эмиссияның жалғыз түрі.


	Күріш. 6.4	Күріш. 6.5

VEE тогы құрылымы бойынша әдеттен тыс. Ол электронды көшкін сипатына ие 10 11 ¸ 10 12 дана электрондардың жеке бөліктерінен тұрады. эктондар(бастапқы әріптер» жарылғыш орталық") (6.5-сурет). Қар көшкінінің қалыптасу уақыты 10 -9 ¸ 10 -8 с.

Эктондағы электрондардың пайда болуы катодтың микробөлшектерінің тез қызып кетуінен туындайды және мәні бойынша термиондық эмиссияның бір түрі болып табылады. Эктонның болуы катод бетінде кратердің пайда болуымен көрінеді. Эктондағы электрондардың эмиссиясының тоқтатылуы жылу өткізгіштікке байланысты эмиссия аймағының салқындауына, ток тығыздығының төмендеуіне, атомдардың булануына байланысты.

Электрондар мен эктондардың жарылғыш эмиссиясы вакуумдық ұшқындар мен доғаларда, төмен қысымды разрядтарда, сығылған және жоғары берік газдарда, микро-саңылауларда іргелі рөл атқарады, т.б. катод бетінде жоғары интенсивті электр өрісі бар жерде.

Жарылғыш электрондар эмиссиясы құбылысы импульстік электрофизикалық қондырғыларды құру үшін негіз болды, мысалы, жоғары токты электронды үдеткіштер, қуатты импульстік және рентгендік құрылғылар, қуатты релятивистік микротолқынды генераторлар. Мысалы, импульсті электронды үдеткіштер импульс ұзақтығы 10 -10 ¸ 10 -6 с, электрон тогы 10 6 А және электрон энергиясы 10 4 ¸ 10 7 эВ болатын импульстік 10 13 Вт немесе одан жоғары қуатқа ие. Мұндай сәулелер плазма физикасында, радиациялық физикада және химияда зерттеулерге, газ лазерлерін айдауға және т.б.

Фотоэлектрондық эмиссия

Фотоэлектрондық эмиссия (фотоэффект) электромагниттік сәулеленуге ұшыраған кезде металдан электрондарды «қағып тастаудан» тұрады.

Фотоэффектіні және ток-кернеу сипаттамаларын зерттеуге арналған орнату диаграммасы суретте көрсетілгенге ұқсас. 6.3. Мұнда катодты қыздырудың орнына оған фотондар немесе γ-кванттар ағыны бағытталған (6.6-сурет).

Фотоэффект заңдары суық сәуле шығару жағдайына қарағанда классикалық теорияға тіпті сәйкес келмейді. Осы себепті оптикадағы кванттық түсініктерді талқылағанда фотоэффект теориясын қарастырамыз.

γ – сәулеленуді жазатын физикалық аспаптарда олар пайдаланады фотокөбейткіш түтіктер (PMT). Құрылғының схемасы 6.7-суретте көрсетілген.

Ол екі эмиссия әсерін пайдаланады: фотоэффектЖәне екіншілік электрон эмиссиясы, ол басқа электрондармен бомбаланған кезде металдан электрондарды соғудан тұрады. Фотокатодтың жарық әсерінен электрондар жойылады ( ФК). Арасында жылдамдық ФКжәне бірінші эмитент ( Қ.С 1), олар келесі эмитенттен электрондардың көп санын шығаруға жеткілікті энергия алады. Осылайша, электрондардың көбеюі көршілес эмитенттер арасындағы потенциалдар айырмасының дәйекті өтуі кезінде олардың санының ұлғаюына байланысты болады. Соңғы электрод коллектор деп аталады. Соңғы эмитент пен коллектор арасындағы ток жазылады. Осылайша, PMTток күшейткіш ретінде қызмет етеді, ал соңғысы радиоактивтілікті бағалау үшін қолданылатын фотокатодқа сәулеленудің түсуіне пропорционал.

Термиондық эмиссия

Термиондық эмиссия (Ричардсон эффектісі, Эдисон әсері) – қыздырылған денелердің электрон шығару құбылысы. Металдардағы бос электрондардың концентрациясы айтарлықтай жоғары, сондықтан орташа температурада да электрондар жылдамдығының (энергияның) таралуына байланысты кейбір электрондар металл шекарасындағы потенциалдық кедергіні жеңуге жеткілікті энергияға ие болады. Температураның жоғарылауымен жылулық қозғалыстың кинетикалық энергиясы жұмыс функциясынан үлкен электрондар саны артып, термиондық эмиссия құбылысы байқалады.

Термиондық сәуле шығару заңдылықтарын зерттеуді ең қарапайым екі электродты шам – вакуумдық диод арқылы жүзеге асыруға болады, ол екі электродтан тұратын эвакуацияланған цилиндр болып табылады: катод К және анод А. Қарапайым жағдайда катод - жасалған жіп. электр тогы арқылы қыздырылған отқа төзімді металдан (мысалы, вольфрам). Анод көбінесе катодты қоршап тұрған металл цилиндр пішінін алады. Егер диод тізбекке қосылған болса, онда катодты қыздырғанда және анодқа оң кернеу (катодқа қатысты) берілгенде, диодтың анодтық тізбегінде ток пайда болады. Батареяның полярлығын өзгертсеңіз, катод қаншалықты ыстық болса да, ток тоқтайды. Демек, катод теріс бөлшектер – электрондар шығарады.

Қыздырылған катодтың температурасын тұрақты ұстап, анодтық токтың анод кернеуіне – ток-кернеу сипаттамасына тәуелділігін алып тастаса, ол сызықты емес, яғни Ом заңы вакуумдық диод үшін орындалмайтыны белгілі болды. . Термиондық токтың шағын оң мәндер аймағындағы анодтық кернеуге тәуелділігі екінші үш заңмен сипатталады (орыс физигі С.А. Богуславский (1883-1923) және американ физигі И.Лэнгмюр (1881). -1957)): , мұндағы B - электродтардың пішіндері мен өлшемдеріне, сондай-ақ олардың салыстырмалы орналасуына байланысты коэффициент.

Анодтың кернеуі жоғарылағанда, ток қанығу тогы деп аталатын белгілі бір максималды мәнге дейін өседі. Бұл катодтан шығатын электрондардың барлығы дерлік анодқа жетеді дегенді білдіреді, сондықтан өріс кернеулігін одан әрі арттыру термиондық токтың ұлғаюына әкелмейді. Демек, қанықтыру тоғының тығыздығы катодты материалдың сәуле шығару қабілетін сипаттайды. Қаныққан токтың тығыздығы кванттық статистика негізінде теориялық түрде алынған Ричардсон-Дешман формуласымен анықталады: , мұндағы А – катодтан шыққан электрондардың жұмыс функциясы, T – термодинамикалық температура, С – тұрақты, теориялық жағынан бірдей барлық металдар (бұл тәжірибемен расталмаған, ол беттік әсерлермен түсіндіріледі). Жұмыс функциясының төмендеуі қаныққан ток тығыздығының күрт өсуіне әкеледі. Сондықтан оксидті катодтар қолданылады (мысалы, сілтілі жер металл оксидімен қапталған никель), олардың жұмыс функциясы 1–1,5 эВ.

Көптеген вакуумды электронды құрылғылардың жұмысы термиондық эмиссия құбылысына негізделген.

Әдебиет

Физика курсы Трофимова Т.И.

Викимедиа қоры. 2010.

Курия-Мурия
толқындық электр станциясы

Басқа сөздіктерде «Термиондық эмиссия» деген не екенін қараңыз:

ЖЫЛУ ЭЛЕКТРОНДЫҚ ШЫҒАРУ- қыздырылған денелердің (эмиттерлердің) вакуумға немесе басқа ортаға электрондарды шығаруы. Энергиясы тыныштықтағы электронның энергиясынан үлкен денені эмитенттен тыс электрондар ғана қалдыра алады (Жұмыс функциясын қараңыз). Мұндай электрондардың саны (әдетте электрондар... Физикалық энциклопедия

ЖЫЛУ ЭЛЕКТРОНДЫҚ ШЫҒАРУ- қыздырылған денелердің (эмиттерлердің) вакуумға немесе басқа ортаға электрондарды шығаруы. Денеден энергиясы тыныштықтағы электронның энергиясынан үлкен болатын электрондар ғана денеден шыға алады (ШЫҒУ ЖҰМЫСЫН қараңыз). Термодинамикалық жағдайда мұндай электрондардың саны. теңгерім, ...... Физикалық энциклопедия

ЖЫЛУ ЭЛЕКТРОНДЫҚ ШЫҒАРУ- қыздырылған қатты заттар немесе сұйықтар (эмиттер) арқылы электрондарды шығару. Термиондық эмиссияны эмитенттен электрондардың булануы ретінде қарастыруға болады. Көп жағдайда термиондық эмиссия температурада байқалады... ... Үлкен энциклопедиялық сөздік

термиондық эмиссия- термиондық эмиссия; өнеркәсіп термиондық эмиссия электрондарды шығаратын қатты немесе сұйық дененің жылу күйінен (температурасынан) ғана туындайтын электронды эмиссия ... Политехникалық терминологиялық түсіндірме сөздік

термиондық эмиссия- электродтың температурасына ғана байланысты электронды эмиссия. [ГОСТ 13820 77] Тақырыптар: электровакуумдық құрылғылар... Техникалық аудармашыға арналған нұсқаулық

ЖЫЛУ ЭЛЕКТРОНДЫҚ ШЫҒАРУ- ЖЫЛДЫҚ ЭЛЕКТРОНДЫ ШЫҒАРУ, затты қыздырған кезде оның бетінен ЭЛЕКТРОНДЫҢ «булануы»... Ғылыми-техникалық энциклопедиялық сөздік

ЖЫЛУ ЭЛЕКТРОНДЫҚ ШЫҒАРУ- қыздырылған денелердің (эмиттерлердің) вакуумға немесе басқа ортаға электрондарды шығаруы. Бұл құбылыс бөлме температурасынан айтарлықтай жоғары температурада байқалады; бұл жағдайда дене электрондарының бір бөлігі жұмыс функциясынан асатын (миллионға тең) энергия алады... ... Үлкен политехникалық энциклопедия

термиондық эмиссия- қыздырылған қатты денелерден немесе сұйықтардан (эмиттерден) электрондардың шығуы. Термиондық эмиссияны электрондардың термиялық қозу кезіндегі булануы ретінде қарастыруға болады. Көп жағдайда термиондық эмиссия... ... болғанда байқалады. энциклопедиялық сөздік

Термиондық эмиссия- Ричардсон эффектісі, қыздырылған денелердің (қатты денелер, сирек сұйықтар) вакуумге немесе әртүрлі ортаға электрондарды шығаруы. Алғаш рет 1900 жылы О.В.Ричардсон зерттеген 1901. Т.е. электрондардың булану процесі ретінде қарастыруға болады... ... Ұлы Совет энциклопедиясы

ЖЫЛУ ЭЛЕКТРОНДЫҚ ШЫҒАРУ- қыздырылған беттен электрондардың шығарылуы. 1750 жылға дейін қыздырылған қатты заттардың жанында ауа өзінің әдеттегі қасиетін жоғалтатыны белгілі болды. Алайда бұл құбылыстың себебі 1880 жылдарға дейін түсініксіз болып қалды. Санда...... Collier энциклопедиясы

термиондық эмиссия- termoelektroninė emisija statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektronų spinduliavimas iš įkaitusių kietųjų kūnų arba skysčių. atitikmenys: ағылшын. термоэлектрондық эмиссия орыс. термиондық эмиссия... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Бақылау сұрақтары .. 18

9. No2 зертханалық жұмыс. Төмен эмиссиялық ток тығыздығы кезінде термиондық эмиссияны зерттеу . 18

Жұмыс киімі .. 19

Есепке қойылатын талаптар . 19

Бақылау сұрақтары .. 19

Кіріспе

Эмиссиялық электроника конденсацияланған ортадан электрондардың эмиссиясымен (шығарылуымен) байланысты құбылыстарды зерттейді. Электрондық эмиссия дененің электрондарының бір бөлігі сыртқы әсердің нәтижесінде оның шекарасындағы потенциалдық кедергіні жеңуге жеткілікті энергияға ие болған жағдайда немесе сыртқы электр өрісі оны электрондардың бір бөлігіне «мөлдір» ететін жағдайларда пайда болады. Сыртқы әсер ету сипатына қарай мыналар бөлінеді:

термиондық эмиссия (денелерді қыздыру);
екінші реттік электронды эмиссия (беттің электрондармен бомбалануы);
ион-электрондық эмиссия (беттің иондармен бомбалануы);
фотоэлектрондық эмиссия (электромагниттік сәулелену);
экзоэлектрондықэмиссия (беттік өңдеудің механикалық, термиялық және басқа түрлері);
өріс эмиссиясы (сыртқы электр өрісі) т.б.

Электронның кристалдан қоршаған кеңістікке шығуын немесе бір кристалдан екіншісіне өтуін ескеру қажет барлық құбылыстарда «Жұмыс функциясы» деп аталатын сипаттама шешуші мәнге ие болады. Жұмыс функциясы электронды қатты денеден алып тастауға және оның потенциалдық энергиясы нөлге тең деп есептелетін нүктеге орналастыруға қажетті минималды энергия ретінде анықталады. Әртүрлі эмиссия құбылыстарын сипаттаумен қатар, жұмыс функциясы түсінігі екі металдың, металдың жартылай өткізгішпен, екі жартылай өткізгіштің жанасуында, сондай-ақ гальваникалық құбылыстардың контактілі потенциалдар айырмасының пайда болуын түсіндіруде маңызды рөл атқарады.

Нұсқаулар екі бөлімнен тұрады. Бірінші бөлімде қатты денелердегі эмиссия құбылыстары туралы негізгі теориялық мәліметтер берілген. Термиондық эмиссия құбылысына басты назар аударылады. Екінші бөлімде термиондық эмиссияны эксперименттік зерттеуге, контактілі потенциалдар айырмасын зерттеуге және үлгінің бетіндегі жұмыс функциясының таралуына арналған зертханалық жұмыстың сипаттамасы берілген.

1-бөлім. Негізгі теориялық ақпарат

1. Электрондық жұмыс функциясы. Беттік күйдің жұмыс функциясына әсері

Электрондардың қатты дене ішінде сақталуы дененің беткі қабатында электрондардың оны қоршаған вакуумға қалдыруына жол бермейтін баяу өрістің пайда болғанын көрсетеді. Қатты дененің шекарасындағы потенциалдық тосқауылдың схемалық бейнесі суретте көрсетілген. 1. Кристалдан шығу үшін электрон жұмыс функциясына тең жұмыс істеуі керек. Айыру термодинамикалықЖәне сыртқыжұмыс функциясы.

Термодинамикалық жұмыс функциясы вакуумның нөлдік деңгей энергиясы мен қатты дененің Ферми энергиясы арасындағы айырмашылық болып табылады.

Сыртқы жұмыс функциясы (немесе электронның жақындығы) - нөлдік вакуумдық деңгей энергиясы мен өткізгіштік зонасы түбінің энергиясы арасындағы айырмашылық (1-сурет).

Күріш. 1. Кристалл потенциалының формасыУ кристалдағы иондардың орналасу сызығының бойымен және кристалдың бетіне жақын аймағында: иондардың орындары көлденең сызықта нүктелермен белгіленеді; φ=-У /е – жұмыс функциясының потенциалы; ЕФ – Ферми энергиясы (теріс); Е C– өткізгіштік зонаның түбінің энергиясы;В О – термодинамикалық жұмыс функциясы;В а – сыртқы жұмыс функциясы; көлеңкеленген аймақ шартты түрде толтырылған электрондық күйлерді білдіреді

Қатты дене мен вакуум шекарасында потенциалды тосқауылдың пайда болуының екі негізгі себебі бар. Олардың бірі кристалдан шығарылған электронның оның бетінде оң электр зарядын индукциялауымен байланысты. Электрон мен кристалдың беті арасында тартымды күш пайда болады (электрлік кескін күші, 5-бөлім, 12-суретті қараңыз), электронды кристалға қайтаруға бейім. Тағы бір себебі, электрондар жылулық қозғалыстың әсерінен металдың бетін кесіп өтіп, одан қысқа қашықтыққа (атомдық тәртіп бойынша) алыстай алады. Олар бетінің үстінде теріс зарядты қабат түзеді. Бұл жағдайда электрондар шығып кеткеннен кейін кристалдың бетінде оң зарядталған иондар қабаты пайда болады. Нәтижесінде қос электрлік қабат пайда болады. Ол сыртқы кеңістікте өріс жасамайды, сонымен қатар қос қабаттың ішіндегі электр өрісін жеңу үшін жұмысты қажет етеді.

Көптеген металдар мен жартылай өткізгіштер үшін жұмыс функциясының мәні бірнеше электронды вольт болып табылады. Мысалы, литий үшін жұмыс функциясы 2,38 эВ, темір – 4,31 эВ, германий – 4,76 эВ, кремний – 4,8 эВ. Көбінесе жұмыс функциясының мәні электронды эмиссия пайда болатын монокристалды беттің кристаллографиялық бағытымен анықталады. Вольфрамның (110) жазықтығы үшін жұмыс функциясы 5,3 эВ, (111) және (100) жазықтықтары үшін бұл мәндер сәйкесінше 4,4 эВ және 4,6 эВ.

Кристаллдың бетіне шөгілген жұқа қабаттар жұмыс істеуге үлкен әсер етеді. Кристалдың бетінде орналасқан атомдар немесе молекулалар көбінесе оған электрон береді немесе одан электрон қабылдап, иондарға айналады. Суретте. 2-суретте металдан электронның термодинамикалық жұмыс функциясы орындалатын жағдай үшін металл мен оқшауланған атомның энергетикалық диаграммасы көрсетілген. W 0иондану энергиясынан жоғары E иононың бетінде тұндырылған атомның.Бұл жағдайда атомның электроны энергетикалық жағынан қолайлы туннельметалға түсіп, оның ішінде Ферми деңгейіне дейін төмендейді. Мұндай атомдармен жабылған металл беті теріс зарядталады және оң иондары бар қос электр қабатын құрайды, оның өрісі металдың жұмыс функциясын төмендетеді. Суретте. 3, а цезий моноқабатымен қапталған вольфрам кристалын көрсетеді. Мұнда жоғарыда талқыланған жағдай жүзеге асырылады, өйткені энергия E ионцезий (3,9 эВ) вольфрамның жұмыс функциясынан (4,5 эВ) аз. Тәжірибелерде жұмыс функциясы үш еседен астам төмендейді. Егер вольфрам оттегі атомдарымен жабылса, керісінше жағдай байқалады (3 б-сурет). Оттегідегі валенттік электрондардың байланысы вольфрамға қарағанда күшті болғандықтан, вольфрам бетінде оттегі адсорбцияланғанда металдың жұмыс функциясын арттыратын қос электрлік қабат пайда болады. Ең көп тараған жағдай - бұл бетке қойылған атом өзінің электронын металға толығымен бермей немесе қосымша электрон қабылдамайды, бірақ бетінде адсорбцияланған атомдар поляризацияланатын және электрлік дипольдерге айналатындай өзінің электрондық қабығын деформациялайды (Cурет 1). 3c). Дипольдердің бағытына байланысты металдың жұмыс функциясы төмендейді (дипольдердің бағыты 3в-суретке сәйкес келеді) немесе жоғарылайды.

2. Термиондық эмиссия құбылысы

Термиондық эмиссия – қатты дененің бетінен электронды сәуле шығару түрлерінің бірі. Термиондық эмиссия жағдайында сыртқы әсер қатты дененің қызуымен байланысты.

Термиондық сәулелену құбылысы деп қыздырылған денелердің (эмиттерлердің) вакуумға немесе басқа ортаға электрондарды шығаруын айтады.

Термодинамикалық тепе-теңдік жағдайында электрондар саны n(E), аралығындағы энергияға ие Ебұрын Е+d Е, Ферми-Дирак статистикасымен анықталады:

,(1)

Қайда g(E)– энергияға сәйкес кванттық күйлер саны Е; Е Ф – Ферми энергиясы; к– Больцман тұрақтысы; Т– абсолютті температура.

Суретте. 4-суретте металдың энергетикалық диаграммасы және электрон энергиясының таралу қисықтары берілген Т=0 К, төмен температурада Т 1және жоғары температурада Т 2. 0 К кезінде барлық электрондардың энергиясы Ферми энергиясынан аз. Электрондардың ешқайсысы кристалдан шыға алмайды және термиондық эмиссия байқалмайды. Температураның жоғарылауымен металдан шығуға қабілетті термиялық қозған электрондардың саны артады, бұл термиондық эмиссия құбылысын тудырады. Суретте. 4 бұл қашан екенін көрсетеді T=T 2таралу қисығының «құйрығы» әлеуетті ұңғыманың нөлдік деңгейінен шығады. Бұл потенциалдық кедергінің биіктігінен асатын энергиясы бар электрондардың пайда болуын көрсетеді.

Металдар үшін жұмыс функциясы бірнеше электрон вольт болып табылады. Энергия к Тмыңдаған Кельвин температурасында да электрон вольттың бір бөлігі. Таза металдар үшін айтарлықтай электронды эмиссияны шамамен 2000 К температурада алуға болады. Мысалы, таза вольфрамда 2500 К температурада айтарлықтай сәуле шығаруға болады.

Термиондық эмиссияны зерттеу үшін қыздырылған дененің (катодтың) бетінде электр өрісін құру керек, электрондарды эмиттер бетінен шығару (сору) үшін үдеткіш. Электр өрісінің әсерінен шығарылатын электрондар қозғала бастайды және электр тогы пайда болады, ол деп аталады. термиондық. Термиондық токты бақылау үшін әдетте вакуумдық диод қолданылады - екі электроды бар электронды түтік. Шамның катоды - электр тогы арқылы қыздырылған отқа төзімді металдан (вольфрам, молибден және т.б.) жасалған жіп. Анод әдетте қыздырылған катодты қоршап тұрған металл цилиндр пішініне ие. Термиондық токты бақылау үшін диод суретте көрсетілген тізбекке қосылады. 5. Термиондық ток күші потенциалдар айырымы артқан сайын артуы керек екені анық Ванод пен катод арасында. Алайда бұл өсім пропорционалды емес В(Cурет 6). Белгілі бір кернеуге жеткенде термиондық токтың өсуі іс жүзінде тоқтайды. Берілген катод температурасындағы термиондық токтың шекті мәні қанығу тогы деп аталады. Қаныққан токтың шамасы уақыт бірлігінде катод бетінен шығуға қабілетті термиондық электрондар санымен анықталады. Бұл жағдайда катодтан термиондық эмиссиямен қамтамасыз етілген барлық электрондар электр тогын өндіру үшін пайдаланылады.

3. Термиондық токтың температураға тәуелділігі. Формула Ричардсон-Дешман

Термиондық токтың тығыздығын есептеу кезінде біз электронды газ үлгісін қолданамыз және қолданамызОған Ферми-Дирак статистикасы. Термиондық токтың тығыздығы (1) формуламен сипатталатын кристал бетіне жақын орналасқан электрон бұлтының тығыздығымен анықталатыны анық. Бұл формулада электрондардың энергиясының таралуынан электрон импульсінің таралуына көшейік. Бұл жағдайда біз электронды толқын векторының рұқсат етілген мәндерін ескереміз к В к -кеңістік әрбір мән үшін біркелкі бөлінеді к 8 томды құрайды б 3 (бірге тең кристалдық көлем үшін). Электрондық импульс екенін ескерсек p =ћ к импульс кеңістігінің көлемдік элементіндегі кванттық күйлердің санын аламыз dp xdp жdp zтең болады

(2)

(2) формуланың алымындағы екеуі электрон спинінің екі мүмкін мәнін ескереді.

осьті бағыттайық zкатод бетіне нормаль тікбұрышты координаталар жүйесі (7-сурет). Кристаллдың бетіндегі бірлік ауданның ауданын таңдап, оның негізінде бүйір жиегі бар тікбұрышты параллелепипедті тұрғызайық. v z =p z /м н(м н– тиімді электрон массасы). Электрондар компоненттің қанықтыру тоғының тығыздығына ықпал етеді v zось жылдамдығы z. Ток тығыздығына бір электронның үлесі тең

(3)

Қайда e– электрон заряды.

Қарастырылған интервалда жылдамдықтары болатын параллелепипедтегі электрондар саны:

Электрондардың эмиссиясы кезінде кристалдық тор бұзылмауы үшін электрондардың елеусіз бөлігі кристалдан кетуі керек. Ол үшін (4) формула көрсеткендей, шартты орындау керек ОНЫФ>> кТ. Мұндай электрондар үшін (4) формуланың бөлгішіндегі бірлікті елемеуге болады. Содан кейін бұл формула пішінге түрленеді

(5)

Енді электрондар санын табайық dNқарастырылып отырған салада, z-импульстік құрамдас бөлігі арасында қамтылған Р zЖәне Р z +dp z. Ол үшін алдыңғы өрнекті біріктіру керек Р x Және Р ж–∞ мен +∞ аралығында. Интеграциялау кезінде мынаны ескеру керек

және кесте интегралын пайдаланыңыз

Нәтижесінде біз аламыз

.(6)

Енді (3) ескере отырып, параллелепипедтің барлық электрондары тудыратын термиондық токтың тығыздығын табайық. Ол үшін кинетикалық энергиясы Ферми деңгейінде болатын барлық электрондар үшін (6) өрнекті интегралдау керек. E ≥E F +W 0Кристалдан тек осындай электрондар ғана шыға алады және тек олар термотокты есептеуде рөл атқарады. Мұндай электрондардың ось бойынша импульсінің құрамдас бөлігі Зшартты қанағаттандыруы керек

Сондықтан қанықтыру тоғының тығыздығы

Барлық мәндер үшін интеграция орындалады. Жаңа интеграциялық айнымалыны енгізейік

Содан кейін p z dp z =m n duЖәне

.(8)

Нәтижесінде біз аламыз

,(9)

,(10)

тұрақты шама қайда

(10) теңдігі формула деп аталады Ричардсон-Дешман. Термиондық қанығу тоғының тығыздығын өлшеу арқылы бұл формуланы А тұрақтысын және W 0 жұмыс функциясын есептеуге болады. Эксперименттік есептеулер үшін формула Ричардсон-Дешмантүрінде көрсету ыңғайлы

Бұл жағдайда график тәуелділікті көрсетеді ln(js/T 2) 1-ден /Ттүзу сызықпен өрнектеледі. Түзудің ордината осімен қиылысуынан ln есептеледі А , ал түзудің көлбеу бұрышы бойынша жұмыс функциясы анықталады (8-сурет).

4. Контактілі потенциалдар айырымы

Жұмыс функциялары әртүрлі екі электрондық өткізгіштің, мысалы, екі металдың жақындап, жанасқанда болатын процестерді қарастырайық. Бұл металдардың энергетикалық диаграммалары суретте көрсетілген. 9. Болсын ЕF 1Және ЕF 2сәйкесінше бірінші және екінші металл үшін Ферми энергиясы және W 01Және W 02- олардың жұмыс функциялары. Оқшауланған күйде металдар бірдей вакуум деңгейіне ие, демек, әртүрлі Ферми деңгейлері. Нақтылық үшін солай делік W 01< W 02, онда бірінші металдың Ферми деңгейі екіншісінен жоғары болады (9 а-сурет). Бұл металдар 1-металда орналасқан электрондық күйге қарама-қарсы жанасқанда бос болады энергия деңгейлеріметалл 2. Сондықтан, бұл өткізгіштер жанасқанда, нәтижесінде электрондар ағыны 1 өткізгіштен 2 өткізгішке дейін пайда болады. Бұл бірінші өткізгіш электрондарын жоғалтып, оң зарядталады, ал екінші өткізгіш пайда болады. қосымша терісзаряд теріс зарядталады. Зарядталуға байланысты 1-ші металдың барлық энергетикалық деңгейлері төмендейді, ал 2-металл жоғары ығысады. Деңгейдің ығысу процесі және электронның 1-өткізгіштен 2-өткізгішке өту процесі екі өткізгіштің Ферми деңгейлері теңестірілгенше жалғасады (9 б-сурет). Бұл суреттен көрініп тұрғандай, тепе-теңдік күйі 0 1 және 0 2 өткізгіштердің нөлдік деңгейлері арасындағы потенциалдар айырмасына сәйкес келеді:

.(11)

Потенциалды айырмашылық V K.R.Pшақырды контакт потенциалының айырмашылығы. Демек, түйіспелі потенциалдар айырымы электрондардың түйісетін өткізгіштерден жұмыс істеу функциясының айырмашылығымен анықталады. Алынған нәтиже екі материал арасындағы электрондарды алмасудың кез келген әдістеріне, соның ішінде вакуумдегі термиондық эмиссияға, сыртқы контур арқылы және т.б. Металл жартылай өткізгішпен байланысқанда ұқсас нәтижелер алынады. Металдар мен жартылай өткізгіш арасында контакт потенциалының айырмашылығы пайда болады, ол екі металдың жанасу жағдайындағыдай шама ретімен шамамен бірдей (шамамен 1 В). Жалғыз айырмашылығы, егер өткізгіштерде барлық контактілі потенциалдар айырымы металдар арасындағы саңылауға дерлік түссе, онда металл жартылай өткізгішпен жанасқанда, барлық контактілі потенциалдар айырымы жартылай өткізгішке түседі, онда жеткілікті үлкен қабат бар. түзілген, байытылған немесе электрондардың азаюы. Егер бұл қабатта электрондар таусылған болса (n-типті жартылай өткізгіштің жұмыс функциясы металдың жұмыс функциясынан аз болған жағдайда), онда мұндай қабат блоктау және осындай өту деп аталадытүзететін қасиеттерге ие болады. Металдың жартылай өткізгішпен түзеткіш жанасуында пайда болатын потенциалдық кедергі деп аталады Шоттки кедергісі, және оның негізінде жұмыс істейтін диодтар - Шоттки диодтары.

Вольт-амперТөмен эмиссиялық ток тығыздығындағы термионды катодтың сипаттамалары. Шоттки эффектісі

Термиондық катод пен диодтың анодының арасында потенциалдар айырымы жасалса (5-сурет). В, электрондардың анодқа қозғалысын болдырмайтын болса, онда анод пен катод арасындағы электростатикалық өрістің энергиясынан кем емес кинетикалық энергия қоры бар катодтан ұшып шыққандар ғана анодқа жете алады, яғни. -е В(В< 0). Ол үшін олардың термиондық катодтағы энергиясы кем болмауы керек W 0 –еВ. Содан кейін формулада ауыстырыңыз Ричардсон-Дешман (10) W 0қосулы W 0 –еВ, жылулық эмиссиялық токтың тығыздығы үшін келесі өрнекті аламыз:

,(12)

Мұнда j С– қаныққан токтың тығыздығы. Осы өрнектің логарифмін алайық

.(13)

Анодтағы оң потенциал кезінде термиондық катодтан шығатын барлық электрондар анодқа түседі. Сондықтан контурдағы ток қанығу тоғына тең қала отырып, өзгермеуі керек. Осылайша, вольт-амперЖылулық катодтың сипаттамасы (ток кернеуінің сипаттамасы) суретте көрсетілген пішінге ие болады. 10 (а қисығы).

Осыған ұқсас ток-кернеу сипаттамасы тек салыстырмалы түрде төмен эмиссиялық ток тығыздықтарында және анодтағы жоғары оң потенциалдарда, эмиссиялық бетке жақын жерде маңызды электронды кеңістік заряды пайда болмаған кезде байқалады. Бөлімде қарастырылған кеңістіктік зарядты ескере отырып, термионды катодтың ток кернеуінің сипаттамалары. 6.

Төмен эмиссиялық ток тығыздығы кезінде ток кернеуі сипаттамасының тағы бір маңызды ерекшелігін атап өтейік. Бұдан шығатын қорытынды термоток қанығу деңгейіне жетеді В=0, катод пен анод материалдарының термодинамикалық жұмыс функциясы бірдей болған жағдайда ғана жарамды. Егер катод пен анодтың жұмыс функциялары тең болмаса, онда анод пен катод арасында контакт потенциалының айырмашылығы пайда болады. Бұл жағдайда сыртқы электр өрісі болмаған жағдайда да ( В=0) контакт потенциалының айырмашылығына байланысты анод пен катод арасында электр өрісі болады. Мысалы, егер В 0к< W 0a онда анод катодқа қатысты теріс зарядталады. Контактілі потенциалдар айырмасын жою үшін анодқа оң ығысу керек. Сондықтан вольт-амперыстық катодтың сипаттамасы оң потенциалға қарай контакт потенциалының айырмасының шамасы бойынша ығысады (10-сурет, б қисығы). арасындағы кері байланыспен В 0кЖәне W 0aток-кернеу сипаттамасының ығысу бағыты қарама-қарсы (c қисығы 10-сурет).

Қанығу ток тығыздығының тәуелсіздігі туралы қорытынды В>0 жоғары идеализацияланған. Термиондық эмиссияның нақты ток-кернеу сипаттамаларында термиондық эмиссиялық токтың аздап өсуі байқалады. Вбайланысты қанықтыру режимінде Шоттки эффектісі(Cурет 11).

Шоттки эффектісі – сыртқы үдеткіш электр өрісінің әсерінен қатты денелерден электрондардың жұмыс функциясының төмендеуі.

Шоттки эффектісін түсіндіру үшін кристалдың бетіне жақын электронға әсер ететін күштерді қарастырайық. Электростатикалық индукция заңына сәйкес кристалдың бетінде қарама-қарсы таңбалы беттік зарядтар индукцияланады, олар электронның кристал бетімен әрекеттесуін анықтайды. Электрлік кескіндер әдісіне сәйкес нақты беттік зарядтардың электронға әрекеті жалғанның әрекетімен ауыстырылады. оң нүктезаряд +e, кристал бетінен электронмен бірдей қашықтықта, бірақ беттің қарама-қарсы жағында орналасқан (12-сурет). Сонда Кулон заңына сәйкес екі нүктелік зарядтың өзара әрекеттесу күші

,(14)

Мұнда ε о– электр тұрақтысы: Xэлектрон мен кристалдың беті арасындағы қашықтық.

Электрлік кескін күш өрісіндегі электронның потенциалдық энергиясы, егер нөлдік вакуум деңгейінен есептегенде,

.(15)

Сыртқы үдеткіш электр өрісіндегі электронның потенциалдық энергиясы Е

Электронның толық потенциалдық энергиясы

.(17)

Кристалдың бетіне жақын орналасқан электронның толық энергиясын графикалық анықтау суретте көрсетілген. 13, бұл кристалдан электронның жұмыс функциясының төмендеуін анық көрсетеді. Толық электронды потенциалдық энергия қисығы (13-суреттегі қатты қисық) нүктеде максимумға жетеді. x м:

.(18)

Бұл нүкте сыртқы өріс кернеулігінде бетінен 10 Å қашықтықта орналасқан » 3× 10 6 В/см.

Нүктеде X м потенциалдық кедергінің төмендеуіне тең жалпы потенциалдық энергия (демек, жұмыс функциясының төмендеуі),

.(19)

Шоттки эффектісінің нәтижесінде анодтағы оң кернеудегі термиялық диод тогы анод кернеуінің жоғарылауымен артады. Бұл әсер электрондар вакуумға шығарылғанда ғана емес, сонымен қатар олар металл-жартылай өткізгіш немесе металл-изолятор контактілері арқылы қозғалғанда да көрінеді.

6. Кеңістік зарядымен шектелген вакуумдағы токтар. «Үш секунд» заңы

Жоғары термиондық эмиссиялық ток тығыздықтарында ток кернеуінің сипаттамасына катод пен анод арасында пайда болатын көлемдік теріс заряд айтарлықтай әсер етеді. Бұл теріс көлемді заряд катодтан шыққан электрондардың анодқа жетуіне жол бермейді. Осылайша, анодтық ток катодтан шығатын электронды эмиссиялық токтан аз болып шығады. Анодқа оң потенциал әсер еткенде, катодтағы кеңістіктік зарядпен құрылған қосымша потенциалдық кедергі азаяды және анод тогы артады. Бұл термиялық диодтың ток-кернеу сипаттамасына ғарыштық зарядтың әсерінің сапалы суреті. Бұл мәселені 1913 жылы Ленгмюр теориялық тұрғыдан зерттеген.

Бірқатар жеңілдететін болжамдар бойынша термиялық диод тогының анод пен катод арасында қолданылатын сыртқы потенциалдар айырмасына тәуелділігін есептеп, өрістің таралуын, анод пен катод арасындағы потенциал мен электрон концентрациясын есептейік. кеңістік заряды.

Күріш. 14. «Үш секунд» заңының қорытындысына.

Диод электродтары тегіс деп есептейік. Анод пен катод арасындағы аз қашықтықпен голарды шексіз үлкен деп санауға болады. Координаталар басын катодтың бетіне, ал оське орналастырамыз XОны осы бетке перпендикуляр анодқа қарай бағыттайық (14-сурет). Біз катод температурасын тұрақты және тең ұстаймыз Т. Электростатикалық өріс потенциалы j , анод пен катод арасындағы кеңістікте бар, тек бір координаттың функциясы болады X. Ол қанағаттандыруы керек Пуассон теңдеуі

,(20)

Мұнда r – зарядтың көлемдік тығыздығы; n– электрон концентрациясы; j , r Және nкоординатаның функциялары болып табылады X.

Катод пен анод арасындағы ток тығыздығы екенін ескерсек

және электрон жылдамдығы vтеңдеу арқылы анықтауға болады

Қайда м– электрон массасы, (20) теңдеуін түрге түрлендіруге болады

, .(21)

Бұл теңдеуді шекаралық шарттармен толықтыру керек

Бұл шекаралық шарттар катод бетіндегі потенциал мен электр өрісінің кернеулігі жойылуы керек екендігіне байланысты. (21) теңдеудің екі жағын көбейту гj /dx, Біз алып жатырмыз

.(23)

Соны ескере отырып

(24а)

Және ,(24б)

(23) түрінде жазамыз

.(25)

Енді (25) теңдеудің екі жағын да интегралдауға болады X 0-ден осы мәнге дейін x, бұл кезде потенциал тең j . Содан кейін шекаралық шарттарды ескере отырып (22) аламыз

бастап екі бөлікті біріктіру (27). X=0, j =0 дейін X=1, j= В а, Біз алып жатырмыз

.(28)

(28) теңдіктің екі жағын квадраттау және ток тығыздығын өрнектеу арқылы jбастап А(21) сәйкес аламыз

.(30)

Формула (29) Ленгмюрдің «үш секундтық заңы» деп аталады.

Бұл заң ерікті пішінді электродтар үшін жарамды. Сандық коэффициенттің өрнегі электродтардың пішініне байланысты. Жоғарыда алынған формулалар катод пен анод арасындағы кеңістікте потенциалдың, электр өрісінің кернеулігінің және электрон тығыздығының үлестірімдерін есептеуге мүмкіндік береді. Өрнек интеграциясы (26) бастап X=0 потенциал тең болғандағы мәнге j , қатынасына әкеледі

анау. потенциал катодқа дейінгі қашықтыққа пропорционалды өзгереді X 4/3 дәрежесіне дейін. Туынды гj/ dxэлектродтар арасындағы электр өрісінің кернеулігін сипаттайды. (26) сәйкес электр өрісінің кернеулігінің шамасы Е ~X 19. Соңында электрон концентрациясы

(32)

және (31) сәйкес n(x)~ (1/x) 2/9 .

Тәуелділіктер j (X ), Е(X) Және n(X) суретте көрсетілген. 15. Егер X→0 болса, онда концентрация шексіздікке ұмтылады. Бұл катодтағы электрондардың жылулық жылдамдықтарын елемеу салдары. Нақты жағдайда термиондық эмиссия кезінде электрондар катодтан нөлдік жылдамдықпен емес, белгілі бір ақырғы эмиссия жылдамдығымен шығады. Бұл жағдайда катодтың жанында шағын кері электр өрісі болса да, анодтық ток болады. Демек, зарядтың көлемдік тығыздығы катодтың жанындағы потенциал теріс мәндерге дейін төмендейтін мәндерге өзгеруі мүмкін (Cурет 16). Анод кернеуі жоғарылаған сайын минималды потенциал төмендейді және катодқа жақындайды (16-суреттегі 1 және 2 қисық сызықтар). Анодта жеткілікті жоғары кернеу кезінде минималды потенциал катодпен біріктіріледі, катодтағы өріс кернеулігі нөлге айналады және тәуелділік j (X) тәсілдер (29), бастапқы электрон жылдамдықтарын есепке алмай есептелген (16-суреттегі 3 қисық). Жоғары анодтық кернеулерде кеңістік заряды толығымен дерлік ериді және катод пен анод арасындағы потенциал сызықтық заңға сәйкес өзгереді (қисық 4, 16-сурет).

Осылайша, электродаралық кеңістіктегі потенциалды бөлу бастапқы электрон жылдамдықтарын ескере отырып, «үш секунд» заңын шығару кезінде идеалдандырылған модельдің негізі болып табылатыннан айтарлықтай ерекшеленеді. Бұл анодтық ток тығыздығының өзгеруіне және тәуелділігіне әкеледі. Суретте көрсетілген потенциалды бөлу жағдайы үшін бастапқы электрон жылдамдықтарын ескере отырып есептеу. 17, ал цилиндрлік электродтар үшін жалпы термиондық эмиссиялық токқа келесі тәуелділікті береді. I (I=jS, Қайда С– термотоктың көлденең қимасының ауданы):

.(33)

Опциялар x мЖәне V мтәуелділік түрімен анықталады j (X), олардың мағынасы суреттен анық. 17. Параметр X м потенциал өзінің минималды мәніне жеткен катодқа дейінгі қашықтыққа тең = V м. Фактор C(x м), қоспағанда x м, катод пен анодтың радиустарына байланысты. (33) теңдеу анодтық кернеудің шамалы өзгерістері үшін жарамды, өйткені Және X м Және V м, жоғарыда талқыланғандай, анод кернеуіне байланысты.

Осылайша, «үш секунд» заңы әмбебап емес, ол кернеулер мен токтардың салыстырмалы түрде тар диапазонында ғана жарамды. Дегенмен, бұл электронды құрылғыдағы ток пен кернеу арасындағы сызықтық емес байланыстың айқын мысалы. Ток-кернеу сипаттамасының сызықты еместігі радио және электр тізбегінің көптеген элементтерінің, соның ішінде қатты дене электроникасының элементтерінің ең маңызды ерекшелігі болып табылады.

2-бөлім. Зертханалық жұмыс

7. Термиондық эмиссияны зерттеуге арналған эксперименттік қондырғы

№1 және 2 зертханалық жұмыстар әмбебап зертханалық стенд негізінде жүзеге асырылатын бір зертханалық қондырғыда орындалады. Орнату схемасы суретте көрсетілген. 18. Өлшеу бөлімінде тікелей немесе жанама қыздырылған катодты EL вакуумдық диоды бар. Өлшеу бөлімінің алдыңғы панелінде «Қызу» жіптің, «Анод» анодының және «Катод» катодының контактілері көрсетіледі. Жіп көзі B5-44A түріндегі тұрақтандырылған тұрақты ток көзі болып табылады. Диаграммадағы I белгішесі көздің ағымдағы тұрақтандыру режимінде жұмыс істейтінін көрсетеді. Тұрақты ток көзімен жұмыс істеу тәртібін осы құрылғының техникалық сипаттамасы мен пайдалану нұсқауларынан табуға болады. Ұқсас сипаттамалар зертханалық жұмыста қолданылатын барлық электрлік өлшеу құралдары үшін де бар. Анод тізбегі В5-45А тұрақтандырылған тұрақты ток көзін және термиялық диодтың анодтық тогын өлшеу үшін тұрақты токты өлшеу режимінде қолданылатын әмбебап цифрлық В7-21А вольтметрін қамтиды. Анод кернеуін және катодты қыздыру тогын өлшеу үшін қуат көзіне орнатылған құрылғыларды пайдалануға немесе катодтағы кернеуді дәлірек өлшеу үшін RV7-32 қосымша вольтметрін қосуға болады.

Өлшеу бөлімінде әртүрлі жұмыс істейтін катодты жіп токтары бар вакуумдық диодтар болуы мүмкін. Номиналды жіптік токта диод анодтық токты кеңістіктік зарядпен шектеу режимінде жұмыс істейді. Бұл режим No1 зертханалық жұмысты орындау үшін қажет. No 2 зертханалық жұмыс кеңістіктік зарядтың әсері шамалы болған кезде жіптердің қысқартылған токтарында орындалады. Жіпті токты орнатқанда, әсіресе сақ болу керек, өйткені Белгілі бір вакуумдық түтік үшін оның номиналды мәнінен жіптік токтың асып кетуі катод жіпінің күйіп кетуіне және диодтың істен шығуына әкеледі. Сондықтан жұмысқа дайындалу кезінде мұғалімнен немесе инженерден жұмыста қолданылатын диодтың жұмыс жіп токының мәнін міндетті түрде тексеріңіз; жұмыс дәптеріңізге деректерді жазып алуды және есеп беру кезінде оны пайдалануды ұмытпаңыз. зертханалық жұмыс.

8. Зертханалық жұмыс No1. Ғарыштық зарядтың әсерін зерттеу вольт-ампертермиялық ток сипаттамалары

Жұмыстың мақсаты: термиондық эмиссиялық токтың анодтық кернеуге тәуелділігін эксперименттік зерттеу, «үш секунд» заңындағы көрсеткішті анықтау.

Вольт-амперТермиондық эмиссиялық токтың сипаттамасы «үш секунд» заңымен сипатталады (6-бөлімді қараңыз). Диод жұмысының бұл режимі катодты жіптердің жеткілікті жоғары токтарында орын алады. Әдетте номиналды жіп тоғы кезінде вакуумдық диод тогы кеңістік зарядымен шектеледі.

Осы зертханалық жұмысты орындауға арналған эксперименттік қондырғы бөлімде сипатталған. 7. Жұмыс кезінде номиналды жіп токта диодтың ток-кернеу сипаттамасын өлшеу қажет. Қолданылатын вакуумдық түтіктің жұмыс тогы шкаласының мәні мұғалімнен немесе инженерден алынып, жұмыс дәптеріне жазылуы керек.

Жұмыс киімі

1. Эксперименттік қондырғының жұмысына қажетті құралдардың сипаттамасымен және жұмыс тәртібімен танысыңыз. Схеманы 18-суретке сәйкес құрастырыңыз. Монтажды желіге тек құрастырылған схеманың дұрыстығын инженер немесе оқытушы тексергеннен кейін ғана қосуға болады.

2. Катодты жіп тоғының қуат көзін қосыңыз және қажетті жіп токты орнатыңыз. Жіптің тогы өзгерген кезде жіптің температурасы мен кедергісі өзгеретіндіктен, бұл өз кезегінде жіп токының өзгеруіне әкеледі, реттеуді дәйекті жуықтау әдісі арқылы жүзеге асыру керек. Реттеуді аяқтағаннан кейін жіп тогы мен катод температурасының тұрақтануын шамамен 5 минут күту керек.

3. Анод тізбегіне тұрақты кернеу көзін қосыңыз және анодтағы кернеуді өзгерту арқылы ток-кернеудің сипаттамалық нүктесін нүкте бойынша өлшеңіз. Ток кернеуінің сипаттамасын 0...25 В диапазонында, әрбір 0,5...1 В сайын алыңыз.

Ia(В а), Қайда Ia- анодтық ток, В а– анодтық кернеу.

5. Егер анод кернеуінің өзгеру диапазоны аз деп қабылданса, онда мәндер x м, C(x,n) Және Vm(33) формулаға енгізілген , тұрақты деп алуға болады.Жалпы алғанда В аөлшемі Vmназардан тыс қалдыруға болады. Нәтижесінде (33) формула (термоток тығыздығынан өткеннен кейін) түрге айналады. jоның толық мағынасы I)

6. (34) формуладан мәнді анықтаңыз МЕНток-кернеу сипаттамасы бойынша анодтық кернеудің үш максималды мәні үшін. Алынған шамалардың орташа арифметикалық мәнін есептеңіз. Осы мәнді (33) формулаға қойып, мәнді анықтаңыз Vmанодтағы үш минималды кернеу мәні үшін және орташа арифметикалық мәнді есептеңіз Vm.

7. Алынған мәнді пайдалану Vm, ln тәуелділігінің графигін салыңыз Ia ln ( В а+|Vm|). Осы графиктің бұрышының тангенсінен тәуелділік дәрежесін анықтаңыз Ia(V a + Vm). Ол 1,5-ке жақын болуы керек.

8. Жұмыс туралы есеп дайындаңыз.

Есепке қойылатын талаптар

5. Жұмыс бойынша қорытынды.

Бақылау сұрақтары

1. Термиондық эмиссия құбылысы қалай аталады? Электронның жұмыс функциясын анықтаңыз. Термодинамикалық және сыртқы жұмыс функциясының айырмашылығы неде?

2. Қатты-вакуум шекарасында потенциалдық тосқауылдың пайда болу себептерін түсіндіріңіз.

3. Металдың энергетикалық диаграммасы және электрон энергиясының таралу қисығы негізінде металдан электрондардың жылулық сәуле шығаруын түсіндіріңіз.

4. Термиондық ток қандай жағдайда байқалады? Термиондық токты қалай байқауға болады? Жылулық диодтың тогы қолданылатын электр өрісіне қалай тәуелді?

5. Заңды көрсетіңіз Ричардсон-Дешман

6. Термиялық диодтың ток-кернеу сипаттамасына теріс көлемдік зарядтың әсер етуінің сапалық бейнесін түсіндіріңіз. Ленгмюрдің «үш секунд» заңын тұжырымдаңыз.

7. Кеңістік зарядымен шектелген токтардағы катод пен анод арасындағы кеңістікте потенциалдың, электр өрісінің кернеулігінің және электрон тығыздығының таралуы қандай?

8. Кеңістік заряды мен электрондардың бастапқы жылдамдықтарын ескере отырып, жылулық эмиссиялық токтың анод пен катод арасындағы кернеуге тәуелділігі қандай? Осы тәуелділікті анықтайтын параметрлердің мағынасын түсіндіріңіз;

9. Термиондық эмиссияны зерттеуге арналған тәжірибелік қондырғының конструкциясын түсіндіріңіз. Тізбектің жеке элементтерінің мақсатын түсіндіріңіз.

10. «Үш секунд» заңы бойынша көрсеткішті тәжірибе арқылы анықтау әдісін түсіндіріңіз.

9. No2 зертханалық жұмыс. Төмен эмиссиялық ток тығыздығы кезінде термиондық эмиссияны зерттеу

Жұмыстың мақсаты: төмен катодты қыздыру тогы кезінде термодиодтың ток-кернеу сипаттамаларын зерттеу. Тәжірибе нәтижелері бойынша катод пен анод арасындағы контакт потенциалының айырмашылығын, катод температурасын анықтау.

Төмен жылулық ток тығыздықтарында вольт-амперсипаттама катод пен анод арасындағы түйіспелі потенциалдар айырмасының модуліне сәйкес келетін иілу нүктесімен сипаттамалық сыртқы түрі бар (10-сурет). Катодтың температурасын келесідей анықтауға болады. Термоток тығыздығынан төмен ток тығыздықтарындағы термиондық эмиссияның ток-кернеу сипаттамасын сипаттайтын (12) теңдеуіне көшейік. jоның толық құнына дейін I(j=мен/С, Қайда С– термотоктың көлденең қимасының ауданы). Сосын аламыз

Қайда Мен С– қанықтыру тогы.

(35) логарифмдерін алсақ, бізде болады

.(36)

(36) теңдеу иілу нүктесінің сол жағындағы аймақтағы ток-кернеу сипаттамасын сипаттайтын дәрежеде, содан кейін катод температурасын анықтау үшін осы аймақта анодтық токтары бар кез келген екі нүктені алу қажет. мен 1, мен 2және анодтық кернеулер Сіз 1, U a 2тиісінше. Сонда (36) теңдеу бойынша

Осыдан катод температурасының жұмыс формуласын аламыз

.(37)

Жұмыс киімі

Зертханалық жұмыстарды орындау үшін сізге қажет:

1. Эксперименттік қондырғының жұмысына қажетті құралдардың сипаттамасымен және жұмыс тәртібімен танысыңыз. Схеманы суретке сәйкес жинаңыз. 18. Қондырғы құрастырылған схеманың дұрыстығын инженер немесе оқытушы тексергеннен кейін ғана желіге қосылуы мүмкін.

2. Катодты жіп тоғының қуат көзін қосыңыз және қажетті жіп токты орнатыңыз. Токты орнатқаннан кейін жіп тогы мен катод температурасы тұрақтанғанша шамамен 5 минут күту керек.

3. Анод тізбегіне тұрақты кернеу көзін қосыңыз және анодтағы кернеуді өзгерту арқылы ток-кернеудің сипаттамалық нүктесін нүкте бойынша өлшеңіз. Вольт-амперәрбір 0,05...0,2 В 0...5 В диапазонында сипаттаманы қабылдаңыз.

4. Өлшеу нәтижелерін ln координатадағы графикте көрсетіңіз Ia(В а), Қайда Ia- анодтық ток, В а– анодтық кернеу. Бұл жұмыста контактілі потенциалдар айырымы графикалық түрде анықталғандықтан, анықтау дәлдігі үшін көлденең ось бойынша масштабты таңдау керек. V K.R.Pкемінде 0,1 В болды.

5. Ток-кернеу сипаттамасының иілу нүктесін пайдаланып, анод пен катод арасындағы контакт потенциалының айырмашылығын анықтаңыз.

6. Иілу нүктесінің сол жағындағы ток-кернеу сипаттамасының көлбеу сызықты қимасының үш жұп нүктесі үшін катод температурасын анықтаңыз. Катод температурасын (37) формула бойынша есептеу керек. Осы мәліметтер бойынша орташа температураны есептеңіз.

7. Жұмыс туралы есеп дайындаңыз.

Есепке қойылатын талаптар

Есеп стандартты А4 қағаз парағында жасалады және мыналарды қамтуы керек:

1. Теория бойынша негізгі мәліметтер.

2. Эксперименттік қондырғының схемасы және оның қысқаша сипаттамасы.

3. Өлшемдер мен есептеулердің нәтижелері.

4. Алынған эксперимент нәтижелерін талдау.

5. Жұмыс бойынша қорытынды.

Бақылау сұрақтары

1. Электрондық эмиссияның түрлерін атаңыз. Электрондық эмиссияның әрбір түрінде электрондардың бөлінуіне не себеп болады?

2. Термиондық эмиссия құбылысын түсіндіріңіз. Қатты денеден электронның жұмыс функциясын анықтаңыз. Қатты дененің вакуумдық шекарасында потенциалды тосқауылдың болуын қалай түсіндіруге болады?

4. Заңды көрсетіңіз Ричардсон-Дешман. Осы заңға енгізілген шамалардың физикалық мағынасын түсіндіріңіз.

5. Төмен эмиссиялық ток тығыздығы кезінде термионды катодтың ток-кернеу сипаттамаларының ерекшеліктері қандай? Катод пен анод арасындағы контакт потенциалының айырмашылығы оған қалай әсер етеді?

6. Шоттки эффектісі дегеніміз не? Бұл әсер қалай түсіндіріледі?

7. Электр өрісінің әсерінен электрондар үшін потенциалдық кедергінің азаюын түсіндіріңіз.

8. Осы зертханада катод температурасы қалай анықталады?

9. Осы жұмыста контактілі потенциалдар айырмасын анықтау әдісін түсіндіріңіз.

10. Зертханалық қондырғының жеке элементтерінің сызбасын және мақсатын түсіндіріңіз.