热电子发射:定义与应用mabetx官网

内容

什么是热电子发射?

热电子发射定义为电子发射由足够高的热能引起的。当金属被充分加热时，提供给自由电子的热能导致电子从金属表面发射出来。这是因为给载流子的热能克服了功函数的材料。在平均室温下，金属中自由电子所拥有的能量不足以引发热离子发射。

所有材料都是由原子而原子核由质子和中子组成，周围环绕着电子。这些电子在原子核周围以不同的能级分布，因而具有不同的能级。现在，假设我们开始加热一种特定的材料。这样提供的热能增加了材料内电子的动能。这使它们克服了存在于它们和各自原子核内的质子之间的吸引力。

因此，它们会从材料中被敲出，释放到材料周围的空间中(图1)。随着提供的热量越多，喷射出的电子数量也越多。这种现象被称为热离子发射，即由于热能供应而产生的热离子发射。托马斯·阿尔瓦·爱迪生于1883年首次观测到热离子发射。

从所提出的讨论来看，似乎只要提高手中物质的温度，就可以使发射的热介子数增加到一个很大的值。然而，这并不完全正确。事实上，释放的热介子的数量由于空间电荷的影响是有限的——一种现象，即释放的热介子围绕在电极周围形成一个屏蔽，阻止进一步的热介子的释放。

热电子发射速率

一种物质每秒发射的热介子数称为热介子发射速率。这个值取决于:

材料的性质
一般来说，每一种元素都可以通过其电子构型即原子核周围电子的分布来表征。当我们谈到热电子发射时，我们特别感兴趣的是价电子(最外层的电子)。这是因为这些电子可以轻易地从引力中释放出来，从而使导电成为可能。然而，必须提供的能量因元素而异，被认为是它的阈能或功函数。
表面温度
物质的温度越高，热电子发射的速率就越大。
表面积
如果所考虑的材料的表面积更大，那么将会有更多的热介子发射。这意味着热离子发射的速率与材料的表面积成正比。

通过对这些因素的分析，可以得出选择具有低功函数、大比表面积和高熔点的热电子发射体的物质。这种类型的一些例子是金属，如钨、钍钨、钽等，以及涂层金属，如氧化钡、氧化锶等。

热离子电流

热离子的流动产生了称为热离子电流的电流。数学上给出电子电流密度的热离子方程表示为:

地点:

T是绝对温度，
k_B为玻尔兹曼常数，
Φ_W是功函数，
E是电子电荷
A是一个常数。

热离子发射的应用

热电子发射构成电子和通信领域中使用的许多设备的基本原理。热离子发射的应用实例包括真空管、二极管阀、阴极射线管、电子管、电子显微镜、x射线管、热离子转换器和电动系绳。

热离子发射体

用来促进热离子发射的金属结构被称为热离子发射体。发射极也称为阴极。发射器或阴极在真空或真空空间中被充分加热以引发热离子发射，即电子从发射器或阴极体发射。用于制造热离子发射器的金属或金属物质应具有三个主要特征:

它的功函数应该很低。较低的功函数有助于在相对较低的温度下从阴极表面发射电子。
它的熔点应该很高。与普通金属的熔点相比，从阴极表面发射电子所需的温度是相当高的。一些普通金属具有较低的功函数，但直到它们不适合构建热离子发射体为止。这是因为较低的熔点导致金属在释放电子之前蒸发。例如，铜的功功能很低，但我们不能把它用作金属热离子发射体因为它的熔点只有810°C。所以在热离子发射温度下，铜会蒸发而不是从固体表面发射电子。
应有较高的机械强度。在阴极周围的空间中不可能产生绝对真空，因此空间中可能总是存在一些气体分子。在与从阴极发射的电子碰撞后，这些气体分子在空间中产生正离子。由于
静电闹剧，这些正离子撞击阴极。当施加足够高的电场时，这些轰击可能会显著地高到对阴极造成伤害。为避免离子碰撞对阴极的损伤，用于构建阴极的材料的机械强度必须足够高。考虑到上述性能，我们通常使用钨、钍钨、氧化金属来建造热离子发射阴极。

钨

功函数= 4.52 eV
熔点= 3650°K
室温下抗拉强度= 100000 - 500000psi
热离子发射温度= 2327°C
发射效率4ma /watt

钨以前被用作热离子发射器的材料。它有很高的功功能，但仍然被用作阴极，因为它的高熔点和材料的机械强度。由于工作功能的原因，钨阴极的工作温度较高，同时发射效率较低，因为为了保持阴极的高温，系统的输入能量比阴极发射电流高。

敷钍钨

有时一种金属加入另一种金属会使混合物的功功能降低。钍化钨是钍和钨的混合物。钍的功函数为3.4 eV，钨的功函数为4.52 eV。当少量钍与钨混合制备钍化钨时，功函数降至2.63 eV。当阴极由钍钨制成时，这导致热离子发射的工作温度为1700°C。因此，减少了用于加热阴极元件的功率输入，从而提高了发射效率。