Теория искры - Лозанский Э.Д.
Скачать (прямая ссылка):
Удовлетворительная теория кинетической части ионно-электронной эмиссии создана сравнительно недавно Э. С. Парилисом [58]. Согласно Э. С. Парилису, вторичная ионно-электронная эмиссия является результатом возбуждения внутренних электронных атомов катода и иона, внедренного через поверхность, при их тесном столкновении и последующего оже-процесса с электронами валентной зоны вещества катода. Эта теория подтверждается, в частности, тем, что электроны, вырываемые из катода, имеют энергии до нескольких десятков электронвольт.
116
Такой же механизм ионизации атомов и обдирки налетающего иона наблюдался во многих экспериментальных работах по столкновению иона с атомами. В газовом разряде кинетическая часть ион-но-электронной эмиссии не играет практически никакой роли, так как энергии ионов, приходящих на катод, обычно нехватает для возбуждения внутренних оболочек атомов и интенсивность кинетической части ионно-электронной эмиссии исчезающе мала. Поэтому здесь нецелесообразно останавливаться на ней подробнее.
Потенциальная часть ионно-электронной эмиссии связана с нейтрализацией иона электронами катода. Это также оже-эффект. Один из электронов катода садится на основной энергетический уровень иона, образуя нейтральный атом. При этом выделяется энергия, равная разности энергии ионизации атома и работы выхода электрона из катода, которая передается в этом процессе другому электрону катода. Процесс может идти и иначе, в две стадии. Электрон захватывается из катода ионом с помощью туннельного эффекта, образуя дырку в распределении электронов на глубине, равной энергии ионизации получившихся атома или молекулы. Затем дырка заполняется, опять же с помощью оже-эффекта в катоде.
Если в том и другом, случае в оже-эффекте участвуют электроны, имеющие максимальную энергию в заполненной части валентной зоны, то никакой дырки в заполнении зоны не остается и оставшийся электрон приобретает энергию (кинетическую), равную разности энергий ионизации атома или молекулы газа и работы выхода электрона из катода. Для того чтобы электрон мог покинуть катод, эта энергия во всяком случае должна быть больше, чем работа выхода электрона из катода. Отсюда получается, что потенциальная эмиссия возможна лишь в том случае, когда потенциал ионизации молекулы газа по меньшей мере в два раза превышает потенциал работы выхода электрона из катода, т. е. условие возможности потенциальной ионно-электронной эмиссии из катода можно написать в виде
Ui > 2Фк, (3.27)
где Ui — потенциал ионизации молекул газа, а срк — потенциал работы выхода электрона из катода.
Однако даже если кинетическая энергия электрона больше работы выхода, это не является достаточным условием для вылета электрона из катода. Необходимо также, чтобы часть кинетической энергии электрона, приходящаяся на составляющую движения, перпендикулярную поверхности катода, была больше глубины валентной зоны и, кроме того, электрон должен двигаться к поверхности, а не от нее.
Считая распределение по скоростям сферически-симметричным, можно определить из геометрических соображений вероятность того, что составляющая скорости, перпендикулярная поверхности катода, превысит величину yr2U0e/m, где U0 — глубина валентной
117
зоны материала катода. По абсолютному значению скорость электрона до вылета из катода равна Y2e(UQ + (/* —2фк)/т. Поэтому вероятность его вылета
^- f !+(!/,-W.) (3-28)
Коэффициент С < 1 учитывает, что в данном простом расчете не приняты во внимание следующие обстоятельства. Во-первых, имеется некоторая вероятность отражения от потенциального барьера U0 и в том случае, когда Ui — 2фк > 0, в особенности если Ui —
— 2фк U0. Во-вторых, электрон не обязательно приобретает кинетическую энергию (Ui — 2фк + U0). Последнюю он приобретает только в том случае, когда оба электрона, участвующие в оже-процессе, находятся на самой поверхности Ферми. В противном случае часть энергии остается в образовавшихся одной или двух дырках, которая далее диссипируется.
Может оказаться, что ни один электрон не будет иметь энергию выше U0. Статистически, по-видимому, наиболее вероятно участие в этом процессе электронов вблизи поверхности Ферми. Оба эти фактора можно учесть, введя вместо коэффициента С эффективное значение Uо, превышающее истинное значение на ~50%. Тогда совокупность экспериментальных данных удовлетворительно ложится на полученную зависимость. Кинетическая энергия электронов, вылетающих при потенциальной ионно-электронной эмиссии, действительно всегда меньше или равна е (Ui — 2фк).
Обычные значения коэффициента уп, встречающиеся в газовом разряде, не превышают 0,05, хотя в специальных случаях подбора газа и катода с особенно малой работой выхода они могут быть и существенно выше. Однако согласно приведенной формуле и высказанным соображениям для ее вывода уи < 0,5.
Вырывание электронов из катода возбужденными атомами. Все вышесказанное относительно ионно-электронной эмиссии можно применить и к случаю соударения возбужденного атома или молекулы с поверхностью катода. Здесь атом приходит в нормальное состояние, передавая энергию возбуждения электрону катода. В формуле (3.28), если не писать для ув — коэффициента вырывания электрона возбужденным атомом — нужно заменить величину (U0 + Ui — 2фк) на (U0 + Ub — фк). Последняя величина может оказаться больше. Более того, Мун и Олифант рассматривали ионноэлектронную эмиссию как происходящую в два этапа. Первый этап — резонансный переход электрона из катода на возбужденный уровень в ион с образованием нейтрального возбужденного атома, который затем передает свою энергию другому электрону катода.
