Электростатическая (автоэлектронная, полевая) эмиссия, взрывная эмиссия

Эмиссия электронов, вызванная приложенным к катоду сильным электрическим полем, называется электростатической. Внешнее электрическое поле изменяет форму потенциального барьера на границе твердое тело-вакуум: уменьшается его высота и ширина (рисунок 2).

1- в отсутствие поля, 2 — под воздействием поля Рисунок 2 — Изменение потенциального барьера под действием внешнего поля Работа выхода в сильном электрическом поле уменьшается с Wa-Wi до Wa1-Wi. Исходя из классических представлений, при Т = 0 эмиссия должна появиться, когда Wa1-Wi = 0(что соответствует Е порядка 1010 В/м). Однако, экспериментальные исследования обнаружили эмиссию в электростатическом поле с Е в пределах 108 — 109 В/м. Причиной является туннельный эффект: вероятность проникновения электрона с энергией Wi сквозь барьер увеличивается с уменьшением шириныX2-X1 и высоты барьера (рис.2) и становится достаточной для появления значительных потоков электронов. Если поверхность твердого тела имеет шероховатости, электрическое поле возле них возрастает и эмиссия еще больше усиливается.

Туннельный эффект — чисто квантовомеханическое явление, а электростатическая эмиссия, являясь следствием туннельного эффекта, экспериментально подтверждает справедливость квантовой теории. Плотность тока электростатической эмиссии определяется выражением (формула Фаулера — Нордгейма):

JE = 1,55•10−6· ·, (7).

где — функция относительного снижения высоты потенциального барьера[8], =1 если снижения нет, = 0 если нет барьера (т.е. We = 0), конкретное значение зависит от типа эмиттера.

Если электростатическая эмиссия сопутствует термоэлектронной, используется эмпирическая формула.

J = a (T +bE)2 ·, (8).

где a, b, c — постоянные, зависящие от характеристик эмиттера.

При очень больших электрических полях (Е>1010−1011 В/м) электростатическая эмиссия переходит во взрывную[7]. Катод перегружается собственным эмиссионным током, материал катода частично расплавляется и испаряется. Происходит тепловое разрушение, носящее взрывообразный характер, температура возрастает, образуется плазма, замыкающая разрядный промежуток. При этом форма катода и его эмиссионные параметры изменяются. Взрывная эмиссия позволяет достичь плотности тока 107 А/см2 при общем токе до 50 кА в импульсе, однако воспроизводимость параметров эмиссии невысокая.