Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ГЛАВА XIII
ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ, ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ И ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
§ 92. Термоэлектронная эмиссия. Формулы Ричардсона и Дёшмена
Широкое применение электрических колебаний и электромагнитных волн было бы невозможно, если бы мы не располагали безинерционными аппаратами, способными доставлять энергию колебательному контуру, усиливать и преобразовывать электрические колебания. Глав ной частью таких аппаратов являются электронные лампы, в кото рых используется электронная эмиссия.
Эмиссия (испускание) электронов из металла, как уже указыва лось в § 52, может вызываться различными причинами. В вакуум-трубках при возникновении тлеющего разряда и при образовании катодных лучей электроны вышибаются из поверхностного слоя металла ударами положительных ионов. При глубоком вакууме, когда давление разреженного газа составляет миллионные доли миллиметра ртутного столба, число ионов, бомбардирующих катод, становится недостаточным для поддержания заметной эмиссии электронов, выры ваемых из катода, и образование ощутимых катодных лучей не на блюдается. Но и при таком глубоком вакууме эмиссия электронов оказывается значительной, если катод накалён (термоэлектронная эмиссия) или если на катод направлены достаточно интенсивные лучи света (фотоэлектронная эмиссия). Эмиссия электронов может быть также вызвана бомбардировкой поверхности некоторых тел потоком электронов (вторичная электронная эмиссия).
Кроме того, эмиссия электронов, как это уже указывалось в § 52, может быть вызвана интенсивным электрическим полем (холодная эмиссия). Напряжённость поля, способного вырывать электроны из ме талла, имеет порядок величины в несколько миллионов вольт на 1 см. Однако некоторая холодная эмиссия наблюдается и при относительно небольших напряжённостях поля (эмиссия эффекта просачивания или туннельного эффекта, § 52).
В различных электронных приборах применяются все виды эмис сии, но чаще всего используется наиболее удобно управляемая термо электронная эмиссия,
Выбрасывание электронов накалённым катодом происходит вслед ствие увеличения энергии движения полусвободных электронов ме талла за счёт притока тепла. При повышении температуры металла электроны незаполненной зоны (§ 37), переходя на высшие энергети ческие уровни, приобретают энергию, достаточную для преодоления работы выхода (§ 39).
Приложенное к электродам трубки напряжение не оказывает влия ния на число электронов, выбрасываемых ежесекундно из вещества катода; при наличии электрического поля вырвавшиеся из вещества катода электроны движутся в направлении линий электрического поля от катода, если же поля нет, они падают обратно, но на их место вылетают другие, и в пространстве над поверхностью накалённого металла образуется своеобразное электронное облако.
Образование электронного облака над поверхностью накалённого металла представляет собой явление, аналогичное испарению жидкости. Чем выше температура металла, тем большее количество электронов покидает поверхность накалённого металла. Каждый электрон, покидая металл, должен преодолеть притяжение со стороны положительных ионов металла. Поэтому из «электронного газа», содержащегося вну три металла, вырываются наружу только те электроны, кинетическая энергия которых превосходит «работу выхода».
Электронное облако представляет собой отрицательный заряд, рас положенный в пространстве близ поверхности накалённого металла. В отличие от обычного поверхностного заряда электронное облако называют пространственным зарядом.
С повышением температуры поток электронов, выбрасываемых накалённым металлом, растёт сперва медленно, а потом всё быстрее и быстрее. Ричардсон вывел теоретически формулу, выражающую зависимость интенсивности испускания электронов от температуры испускающего тела. Если накалённый металл представляет собой катод вакуумной трубки, к которой приложено такое напряжение, что все испускаемые металлом электроны увлекаются электрическим полем, то интенсивность испускания электронов будет измеряться величиной тока эмиссии, приходящегося на каждый квадратный сантиметр накалённой поверхности металла. Указанную величину is. называют также плотностью тока эмиссии при токе насыщения. (Если к электродам приложено слишком малое напряжение, то не все испу скаемые металлом электроны увлекаются полем, и плотность тока будет меньше, чем при токе насыщения, т. е. меньше чем is.)
Для пояснения формулы Ричардсона представим себе, что в нака лённом металле у поверхности его имеется полуоткрытая полость (рис. 447).
При статистическом равновесии концентрация n электро нов в этой полости согласно
е-положению Больцмана (т. I, § 97) будет равна:
где n0 — концентрация свободных (или, вернее, полусвободных) элек тронов в металле, А — работа выхода электрона из металла, равная разности потенциальных энергий электрона в металле и вне металла: A=e(V-V0), k — постоянная Больцмана и Т — абсолютная темпе ратура.
Число электронов, ежесекундно вылетающих из отверстия рас смотренной полости, отнесённое к площади отверстия, т. е. плотность тока термоэлектронной эмиссии, является величиной, пропорциональной произведению средней скорости теплового движения электронов в полости (а средняя скорость пропорциональна Т) на концентрацию электронов в полости. Стало быть,
. (1)
Это и есть формула Ричардсона.
Здесь Т—абсолютная температура, е — основание натуральных логарифмов (e:2,718), В и b — постоянные величины, имеющие различные значения для различных металлов.
Так как константа b стоит в показателе степени, то её величина оказывает гораздо большее влияние на величину плотности тока эмиссии Iэ, чем коэффициент В; чем меньше константа b, тем больше (при прочих равных условиях, т. е. при за данных T и В) плотность тока эмиссии. По смыслу вывода формулы Ричард сона коэффициент В пропорционален числу электронов в единице объёма электронного газа внутри металла. Эмис сионная константа b представляет собой отношение работы выхода электрона, измеренной в эргах, к больцмановой по стоянной k (§ 39): b =A/k.
К
Если приводимые ниже численные значения константы b умножить на универсальную газовую постоянную, то получившиеся числа будут озна чать как бы скрытую теплоту испарения «грамм-атома электронов».
На рис. 448 показано, как возрастает с повышением темпера туры плотность тока эмиссии для вольфрама.
Рис. 448. График закона Ри чардсона для вольфрама.
При повышении темпе ратуры вольфрама от 2000 до 2100°, т. е. всего на 5, плотность тока эмиссии увеличивается почти вчетверо.
Повышение температуры вольфрама от 2000 до 3000° приводит к увеличению плотности тока термоэлектронной эмиссии в миллионы раз.
Приводим значения эмиссионных констант В и b для некоторых металлов и угля; значения константы В указаны для случая, когда плотность тока эмиссии iэ выражена в миллиамперах на 1 см2 нака лённой поверхности металла.
Опыты показали, что ток эмиссии возрастает с повышением темпе ратуры несколько быстрее, чем следует по закону Ричардсона. При выводе формулы эмиссии Ри чардсон исходил из представ ления, что скорости движения электронов в металле распре делены по закону Максвелла.
Однако в действительности, как уже было пояснено (§ 37), элек тронный газ в металле уже при нормальных температурах находится в вырожденном со стоянии и подчиняется статистике Ферми.
Основываясь на квантовой теории, Дёшмен (1923) показал, что формула Ричардсона должна быть заменена нижеследующей формулой:
(2)
По теории Дёшмена константа В' должна быть одинакова для
всех металлов и равна 60200
. Для некоторых чистых металлов эта константа действительно близка к указанному значению, но для других металлов эта константа имеет величину, в некоторых случаях примерно в два раза меньшую (Ва, Та, Mo, Pd), в иных случаях во много раз большую (например, для платины В' более чем в 100 раз превышает вышеуказанное теоретическое значение).
Константа b в законе Дёшмена имеет тот же смысл и ту же вели чину, что в законе Ричардсона, а именно: произведение kb = A (где k — больцманова постоянная) представляет собой работу выхода электрона из металла. Теоретически разность работы выхода элек трона для двух каких-либо металлов (А1-А2) должна быть равна контактной разности потенциалов этих металлов в вакууме, что в общем подтверждается на опыте в тех случаях, когда константы В' для этих металлов одинаковы.
Некоторые примеси оказывают чрезвычайно сильное влияние на величину электронной эмиссии. Это влияние примесей было подробно изучено многими учёными и в особенности Ленгмюром (1913—1923). Вольфрам при незначительной примеси тория (1—2%) даёт испу скание электронов, которое во много тысяч раз превышает испускание чистого вольфрама. Такое же увеличение эмиссии вызывается приме сями окисей некоторых металлов. Ток эмиссии в 150 миллиампер на 1 см2 поверхности накалённого чистого вольфрама получается при температуре примерно 2300° абсолютной шкалы; при накаливании «оксидированного» вольфрама та же плотность тока эмиссии полу чается при температуре примерно 1300° К. Подвергнутый специальной обработке торированный и оксидированный вольфрам имеет широчай шее применение в приборах, основанных на явлении электронной эмиссии. В целях сопоставления накаливаемые катоды характеризуют отно шением полного тока эмиссии к мощности, расходуемой на накал катода. Вольфрамовые проволоки при температуре накала в 2000° К дают ток эмиссии в 0,1 миллиампера на каждый ватт мощности тока накала. (Повышение температуры накала вольфрамовых нитей свыше 2000° чрезмерно сокращает срок их службы.) Катоды из оксидиро ванного вольфрама дают при нормальной для них температуре накала около 1000° К ток в 20—25 ма/вт, однако при высоких напряжениях между анодом и катодом оксидированные катоды быстрее разрушаются от бомбардировки катода положительными ионами остатков газа.
Для использования термоэлектронной эмиссии применяют катоды двух типов: прямого накала, накаляемые непосредственно током от аккумулятора или переменным током низкого напряжения от трансформатора, и косвенного накала (подогрев ные). В катодах косвенного накала (рис. 449) про волока, накаляемая током, помещена внутри узкого керамического цилиндра и служит только для на грева этого цилиндра; термоэлектронная эмиссия осуществляется внешней металлизированной по верхностью цилиндра (цилиндрик катода поверх слоя металла покрыт тонким слоем окиси кальция с прибавкой редких земель).
Рис. 449. Катоды косвенного накала (подогревные).
Термоэлектронная эмиссия получила наиболее широкую область применения в электронных лампах, которые имеют разнообразное радиотехническое назначение и различное устройство, но вместе с тем имеют одну общую черту. А именно, в электронных лампах в отличие от других термоэлектронных приборов так размещают электроды, чтобы создаваемое ими поле, налагаясь на поле пространственного заряда (облака электронов у поверхности накалённого катода), позво ляло бы при небольших изменениях напряжения, подводимого к вспомо гательным электродам, получать резкие и возможно большие изменения величины термоэлектронного тока, проходящего через лампу. С этой целью аноды и дополнительные сетчатые электроды электронных ламп устраивают обычно в виде коаксиальных цилиндров строго рассчи танных размеров и помещают накаливаемый катод по оси цилиндра. Действие электронных ламп разобрано в §§ 94 и 95.
Об одном из важных применений термоэлектронной эмиссии — об «электронной пушке», служащей для получения электронного луча в катодных осциллографах,—уже было рассказано в § 68. В элек тронной пушке электроны, испускаемые накалённым катодом, полу чают значительное ускорение в электрическом поле между катодом и кольцевыми анодами. Этот метод ускорения электронного потока применяется во многих электронных приборах и, в частности, в высоко вольтных (на миллионы вольт) электронных трубках, предназначенных для атомно-ядерных исследований.
Устройство этих трубок и других мощных ускорительных прибо ров атомно-ядерной физики, в которых также используется термо электронный ток (бетатронов), и методы расчёта ускорительных и фокусирующих полей пояснены в разделах физики атома и электрон ной оптики в третьем томе курса.