Термоэлектронная эмиссия — удивительное явление, когда разогретое тело начинает испускать электронный ток в вакууме. Открытие этого эффекта в 1853 году Эдмондом Беккерелем стало толчком к созданию множества полезных устройств в электронике и энергетике. Давайте разберемся, что такое термоэлектронная эмиссия, как она протекает и где применяется на практике.
История открытия явления
Впервые термоэлектронную эмиссию обнаружил в 1853 году французский физик Эдмонд Беккерель. Однако в то время это явление не получило широкого признания в научном сообществе.
Спустя 20 лет, в 1873 году британский ученый Фредерик Гатри повторно открыл эффект при работе с заряженными телами. Он заметил, что раскаленный железный шар теряет отрицательный заряд, но сохраняет положительный.
Решающим стало исследование термоэмиссии Эдисоном в 1880 году. В опытах с вакуумными лампами он обнаружил, что разогретая нить накала испускает частицы, переносящие отрицательный заряд - то есть электроны. Эдисон даже подал патент на использование этого эффекта в 1883 году.
Окончательно явление объяснили после открытия электрона Дж.Дж. Томсоном в 1897 году. Стало понятно, что горячие тела испускают поток свободных электронов - то есть электрический ток в вакууме.
Физическая природа термоэмиссии
При нагреве в металле увеличивается тепловое движение атомов и электронов. Часть электронов приобретает достаточную энергию, чтобы преодолеть потенциальный барьер на поверхности и вырваться из металла.
Основным параметром, определяющим интенсивность термоэлектронной эмиссии, является температура. Чем выше температура, тем больше "горячих" электронов с энергией выше работы выхода могут покинуть металл.
Также важную роль играет величина работы выхода электронов из данного материала. Для металлов она составляет 4-5 эВ, а для оксидных катодов может быть снижена до 1 эВ, что существенно облегчает эмиссию.
Особенностью полупроводников является наличие запрещенной зоны. При определенных условиях часть электронов может "перепрыгивать" ее и покидать полупроводник.
Итак, термоэлектронная эмиссия это процесс испускания электронов горячим телом за счет их теплового движения. При подходящих условиях интенсивность эмиссии может быть весьма значительной.
Экспериментальное исследование в вакуумном диоде
Простейшей моделью для изучения термоэмиссии служит вакуумный диод. Он представляет собой стеклянный баллон с двумя электродами: катодом и анодом. Воздух из баллона откачивают для создания вакуума.
В качестве катода используется тонкая вольфрамовая нить, которую можно разогревать пропусканием электрического тока. Рядом располагают анод в виде цилиндра или пластины.
Если при разогреве катода на анод подать положительное напряжение относительно катода, то в цепи анода появится электрический ток. Этот ток обеспечивают электроны, испускаемые нагретой нитью - происходит термоэлектронная эмиссия в вакууме.
При изменении напряжения и температуры катода можно построить вольт-амперную характеристику термоэмиссионного тока. При определенном напряжении ток в анодной цепи достигает насыщения - перестает расти при дальнейшем увеличении напряжения.
Этот предельный ток характеризует максимально возможную эмиссию электронов с поверхности данного катода при заданной температуре. Для описания тока насыщения применяют формулу Ричардсона-Дешмана на основе квантовой статистики.
Особенности эмиссии из неоднородных катодов
На практике катоды часто имеют неоднородную структуру, состоящую из участков с разной работой выхода. Это приводит к возникновению контактной разности потенциалов и торможению эмиссии электронов из областей с меньшим значением работы выхода.
Для описания термоэмиссии из неоднородных катодов применяют усредненные параметры с учетом распределения работ выхода по поверхности. Однако на практике такие катоды демонстрируют более низкую эмиссию по сравнению с расчетными значениями.
Применение в электровакуумных приборах
Явление термоэлектронной эмиссии широко используется в электронных лампах - диодах, триодах, тетродах и более сложных. Нагрев катода позволяет получить поток электронов в вакууме, управление которым осуществляют сетки и аноды.
Термоэмиссионные катоды применяют и в газоразрядных приборах - люминесцентных лампах, ртутных выпрямителях, газотронах. Катод обеспечивает инициирование газового разряда при подаче напряжения.
Применение в энергетике
Термоэмиссионные преобразователи используют тепловую энергию нагретого тела для генерации электрического тока в вакуумном диоде без движущихся частей.
КПД таких устройств пока невысок, однако разрабатываются новые эффективные эмиттеры и конструкции для увеличения выходной мощности термоэмиссионных генераторов.
Применение в электронной микроскопии
В растровых и просвечивающих электронных микроскопах используют термоэмиссионные катоды для формирования электронных пучков, взаимодействующих с исследуемым образцом. Это позволяет получать изображения с очень высоким разрешением вплоть до отображения отдельных атомов.
Наблюдается ли термоэлектронная эмиссия в диэлектриках
В диэлектриках отсутствует свободное движение электронов, имеющихся в металлах. Поэтому при нагревании диэлектриков не наблюдается испускание электронов, то есть термоэлектронная эмиссия в диэлектриках не возникает.
Однако в диэлектриках также происходит некоторое тепловое возбуждение электронов. При очень высоких температурах часть электронов может преодолеть энергетический барьер и покинуть поверхность диэлектрика. Такой процесс иногда называют теплоэлектронной эмиссией, отличая его от термоэмиссии в металлах.
Повышение эффективности термоэмиссионных катодов
Для увеличения эмиссии применяют специальные оксидные катоды на основе щелочноземельных металлов с пониженной работой выхода 1-1.5 эВ. Их срок службы ограничен, однако ведутся работы по созданию более долговечных материалов.
Покрытие катода тонким слоем щелочных или редкоземельных металлов также стимулирует термоэмиссию за счет образования активных электронных центров на поверхности.
Усиление термоэмиссии электрическим полем
При наложении сильного электрического поля величиной более 10^6 В/м на разогретый катод к термоэлектронной эмиссии добавляется эффект туннелирования электронов сквозь потенциальный барьер.
В результате суммарный ток эмиссии возрастает. Такая комбинированная эмиссия называется термоавтоэлектронной.
Переход к автоэлектронной эмиссии
При еще более высоких значениях напряженности электрического поля величиной свыше 10^7 В/м туннельный механизм эмиссии становится доминирующим.
Катод переходит в режим так называемой холодной автоэлектронной эмиссии, когда интенсивный поток электронов возникает даже при комнатной температуре катода за счет эффекта туннелирования в сильном поле.
Перспективы термоэмиссионных наноструктур
Активно ведутся работы по созданию термоэмиссионных катодов на основе углеродных нанотрубок, нановолокон и других наноструктур. Их преимуществом является высокая эмиссионная способность при низких рабочих температурах.
Разработка технологий формирования массивов термоэмиссионных наноисточников открывает путь к созданию нового поколения вакуумных и энергетических приборов повышенной мощности.
