第二章放电电极表面电子发射

24第二章、放电电极的表面电子发射第一章中主要介绍了放电气体中的电子产生、气体粒子的碰撞激发和碰撞电离过程。在气体放电中，阴极表面的电子发射，对气体放电过程起着重要作用。下面就电极表面的电子发射过程进行讨论。我们先来看一下金属表面的电子所受电场力的作用。在原子体系中，核外电子受原子核场的库仑力的作用，其势能为：rZerU0216)(（2-1）电子离原子核越近，势能越大（电子脱离原子核的引力需做的功越大），电子离原子核越远，势能越小（0)(rUr）。在金属中也是如此，只是金属中的电子要受到多个按规则排列的原子的场作用。金属表面的一个自由电子（能在金属中自由移动的电子）受多个原子核场的同时作用，势能曲线如图2.1。横轴x轴垂直于金属表面，纵轴表示电子的势能；0Ux。金属中自由电子的最低能量为Wa，能量再低于Wa的电子为束缚电子，束缚于金属原子内，不能在金属中自由运动。在金属中自由电子的最高势能为e。虽然自由电子可以在金属中自由运动，但不能脱离金属表面而成为空间自由电子，这些电子只有从外界获得足够的能量（e），电子的动能才能超过金属表面势垒而脱离金属表面成为空间自由电子。金属内的自由电子从外部获得能量的主要途径有：1、加热金属-----热发射；2、用紫外或可见光照射金属表面---光致发射；3、外加电场---场致发射；离子、电子等轰击金属表面，将能量传递给金属中的电子-----二次电子发射。一、热阴极发射从前面金属表面的电子势能曲线可以看出：金属表面内自由电子的位能位于eWa与范围内，所以eWa至也称为导带。在导带中的电子具有的最大能量为e，若想让电子脱离金属表面成为空间自由电子，电子至少应从外部获得e的能量。e-----功函数或逸出功。导带中的自由电子的速度分布应满足玻尔兹曼分布：kTEeEn/)(其中aWUE（2-2）金属表面U(r)金属表面0eΦ-Wa自由电子区束缚电子区eeeeex图2.1金属表面电子势能曲线分布25即使在室温情况下（T=300K），也有极少数电子的能量超过金属表面的势垒而脱离金属表面，形成很小的电流。如果加热金属阴极，超过金属表面势垒的电子数会迅速增加。应用热发射的元器件很多，示波器与电视机的电子枪、阴极射线管等都是利用热阴极发射。清洁均匀的金属表面热发射的电离密度为：kTeeATj/2（2-3）其中)/(102.1422623KmAemkhA，T---温度（K），k---玻尔兹曼常数，e—电子电荷，m---电子质量，kT---单位为eV。从上式看，A为常数，这是理想情况（假定金属表面微观均匀，无任何缺陷），任何位置的逸出功e都相等。但实际情况远非如此，所以A值只能实际测量，表2.1给除了部分金属的逸出功及A的测量值。表2.1部分金属的逸出功及A的测量值金属BaCCrFeMoNiPbPtTaWe(eV)2.11~2.524.344.64.484.24.614.995.324.194.52A(106[A/m2K2])0.60.30.480.260.550.300.600.320.550.60从（2-3）式可以看出，jeejAkTe/;，若想得到比较大的电流密度，应选用eA,的材料。二、阴极的光致电子发射电极表面的光致电子发射是基于光电效应原理，能量大于一定值（金属的逸出功）光子入射金属表面，就会有光电子产生，这就是光电效应。金属材料的逸出功e和光电子的速度分布可以通过实验测量，测量装置及实验曲线如图2.2。两个平行金属板封闭于真空管里，分别用不同波长的单色光照射阴极金属板，用检流计G测量两极板间的电流大小。入射光（I,ν）_+iI=2I0VGI=I0-V00+Va)光电子发射测量装置b)光电流[I(ν＞ν临界)]实验曲线图2.2光致电子发射实验装置及实验曲线26当光子能量足够大（频率足够大，或波长足够短）时，入射光子就会在阴极金属板上打出电子---光电子，入射光波长及光强不变，改变极间电压，就会得到光电流i随极间电压的变化曲线。当正极电位高于负极电位时，光电流i几乎为常数，与入射光强成正比；当负极电位高于正极电位时，随着电位差值的增大，光电流i成线性减小，直至电位差为某一值（-V0）时，0i。实验结果表明，光电子发射有如下特点：1、光电子的速度分布不服从Maxwell分布。如果入射光子能量为h，金属表面电子的逸出功为W，则光电子的动能为：Whvme2/2（2-4）由前面介绍的金属表面的电子势能曲线可知，金属中的自由电子具有的能量处于eWa~之间，所以发射的光电子速度的不同，最大速度对应最高能量e。Wahvme2/2max（2-5）最小速度对应：Wahvme2/2min（2-6）调节两电极间的电位差，当负极板电位高于正极板电位时，光电子被外加电场减速，光电流0i对应的截止电压为0V，该电场对最快的光电子的减速恰好使光电子不能到达正极板，此时有：)(12102max0eheVvmeVe(2-7)2、光电流i随光强I增大而线性增大当入射光频率一定（临界）时，光强I0与光子流密度N成正比，这样CIiNI，光电子数，C为常数。光电探测器工作原理就是利用了这一线性关系。但是当光强很强时，会出现饱和现象，在进行光电测量中应尽量比，避免饱和现象的出现，因为此时不再满足线性关系。3、光发射的临界频率临界及逸出功e的测量为了时电子从金属表面释放出来，所吸收的光子必须具有一定的能量，以克服电子脱离金属表面所需要的逸出功e，如果光子能量ehvme临界2/2min，就不可能引起光电子发射，所以临界频率应满足：heeh/临界临界（2-8）测量金属材料逸出功的关键就是测量出光电子发射对应的入射光临界频率。