АВТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ С ШЕРОХОВАТОЙ ПОВЕРХНОСТИ
|
РЕФЕРАТ 3
Введение 3
1 Эмиссия электронов с поверхности металлов и полупроводников 5
1.1 Термоэлектронная эмиссия 5
1.2 Фотоэлектронная эмиссия 5
1.3 Вторичная электронная эмиссия 7
1.4 Автоэлектронная эмиссия 7
1.5 Взрывная электронная эмиссия 9
2 Автоэлектронная эмиссия 11
2.1 Экспериментальная регистрация тока автоэмиссии 11
2.2 Анализ площади эмиссии 15
2.3 Автоэлектронная эмиссия с шероховатого катода 18
2.4 Уточненное выражение для автоэмиссии 21
2.5 Модификация распределения неоднородностей 23
2.6 Автоэмиссия с графитового катода 24
3 Электростатическая задача о поле металлического конуса 28
3.1 Напряженность электрического поля на поверхности конуса 28
3.2 Приближенное решение для острых конусов 30
3.3 Расчет функции распределения для металлического конуса 31
3.4 Аналитический расчет плотности тока для металлического конуса 32
3.5 Графическое представление автоэмиссионного тока для металлического ко¬
нуса 34
Заключение 35
Литература 37
Введение 3
1 Эмиссия электронов с поверхности металлов и полупроводников 5
1.1 Термоэлектронная эмиссия 5
1.2 Фотоэлектронная эмиссия 5
1.3 Вторичная электронная эмиссия 7
1.4 Автоэлектронная эмиссия 7
1.5 Взрывная электронная эмиссия 9
2 Автоэлектронная эмиссия 11
2.1 Экспериментальная регистрация тока автоэмиссии 11
2.2 Анализ площади эмиссии 15
2.3 Автоэлектронная эмиссия с шероховатого катода 18
2.4 Уточненное выражение для автоэмиссии 21
2.5 Модификация распределения неоднородностей 23
2.6 Автоэмиссия с графитового катода 24
3 Электростатическая задача о поле металлического конуса 28
3.1 Напряженность электрического поля на поверхности конуса 28
3.2 Приближенное решение для острых конусов 30
3.3 Расчет функции распределения для металлического конуса 31
3.4 Аналитический расчет плотности тока для металлического конуса 32
3.5 Графическое представление автоэмиссионного тока для металлического ко¬
нуса 34
Заключение 35
Литература 37
Возможность протекания постоянного тока в самостоятельном разряде обеспечивается испусканием (т.е. эмиссией) электронов и ионов поверхностями тел при воздействии на эти тела различных факторов, таких как тепловая или электромагнитная энергия, электрическое поле, потоки заряженных частиц, механическая обработка, физико-химические процессы на поверхности [1].
В настоящее время известно довольно много видов излучения заряженных частиц. Термоэлектронная и фотоэлектронная эмиссия были открыты на рубеже веков, автоэлектронная эмиссия была окончательно установлена в 20-30-х годах. А взрывная электронная эмиссия впервые была четко идентифицировано только в середине 60-х годов прошлого столетия.
Все виды электронного и ионного излучения используются в научных исследованиях, в приборах и устройствах. В последние десятилетия большое научное и практическое значение приобрели сильноточные виды излучения, связанные с испусканием заряженных частиц от стационарных и нестационарных источников плазменных образований. Сейчас невозможно представить исследования в области вакуумных и газовых разрядов, физики плазмы, лазерных систем, рентгеновских трубок, генераторов микроволнового излучения, ускорителей заряженных частиц без учета достижений сильноточной эмиссионной электроники. Основной тип эмиссии, который будет рассмотрен в данной работе это автоэлектронная эмиссия - это явление испускания электронов поверхностью тел при наличии у границы тела сильного внешнего электрического поля порядка 107 В/см, ускоряющего электроны от поверхности.
Данная работа посвящена теоретическому исследованию автоэмиссионных свойств катодов, изготовленных из искусственных углеродных материалов. Эта тема является актуальной в наше время, так как создание таких наноструктур привело к совершенствованию источников свободных электронов, основанных на эффекте автоэлектронной эмиссии. Преимущество катодов из углеродных материалов заключается в малых размерах эмиссионных структур, обеспечивающих существенное увеличение напряженности электрического поля на вершинах.
Проведенные исследования позволят оценить перспективы использования катодных сборок из углеродных материалов при создании рентгеновских трубок с высокостабильными характеристиками и длительным сроком службы. Уменьшение порового значения напряжения полученных автоэмиссионных токов и делает такие наноматериалы привлекательными для использования, как в качестве одиночных острий, так и ансамбля, в вакуумной микро- и наноэлектронике. Также в данной работе будут рассмотрены различные подходы к вычислению функции вероятностей распределения неоднородностей на катоде и расчет средней плотности тока через коэффициенты локального усиления электрического поля на основе уравнения Фаулера-Нордгейма.
Следующая задача данной работы - рассмотрение задачи о поле металлического конуса. Для решения данной задачи необходимо вывести функцию распределения неоднородностей на поверхности, рассчитать среднюю плотность автоэмиссионного тока и графически представить зависимости плотности автоэмиссионного тока от средней напряженности электрического поля.
В настоящее время известно довольно много видов излучения заряженных частиц. Термоэлектронная и фотоэлектронная эмиссия были открыты на рубеже веков, автоэлектронная эмиссия была окончательно установлена в 20-30-х годах. А взрывная электронная эмиссия впервые была четко идентифицировано только в середине 60-х годов прошлого столетия.
Все виды электронного и ионного излучения используются в научных исследованиях, в приборах и устройствах. В последние десятилетия большое научное и практическое значение приобрели сильноточные виды излучения, связанные с испусканием заряженных частиц от стационарных и нестационарных источников плазменных образований. Сейчас невозможно представить исследования в области вакуумных и газовых разрядов, физики плазмы, лазерных систем, рентгеновских трубок, генераторов микроволнового излучения, ускорителей заряженных частиц без учета достижений сильноточной эмиссионной электроники. Основной тип эмиссии, который будет рассмотрен в данной работе это автоэлектронная эмиссия - это явление испускания электронов поверхностью тел при наличии у границы тела сильного внешнего электрического поля порядка 107 В/см, ускоряющего электроны от поверхности.
Данная работа посвящена теоретическому исследованию автоэмиссионных свойств катодов, изготовленных из искусственных углеродных материалов. Эта тема является актуальной в наше время, так как создание таких наноструктур привело к совершенствованию источников свободных электронов, основанных на эффекте автоэлектронной эмиссии. Преимущество катодов из углеродных материалов заключается в малых размерах эмиссионных структур, обеспечивающих существенное увеличение напряженности электрического поля на вершинах.
Проведенные исследования позволят оценить перспективы использования катодных сборок из углеродных материалов при создании рентгеновских трубок с высокостабильными характеристиками и длительным сроком службы. Уменьшение порового значения напряжения полученных автоэмиссионных токов и делает такие наноматериалы привлекательными для использования, как в качестве одиночных острий, так и ансамбля, в вакуумной микро- и наноэлектронике. Также в данной работе будут рассмотрены различные подходы к вычислению функции вероятностей распределения неоднородностей на катоде и расчет средней плотности тока через коэффициенты локального усиления электрического поля на основе уравнения Фаулера-Нордгейма.
Следующая задача данной работы - рассмотрение задачи о поле металлического конуса. Для решения данной задачи необходимо вывести функцию распределения неоднородностей на поверхности, рассчитать среднюю плотность автоэмиссионного тока и графически представить зависимости плотности автоэмиссионного тока от средней напряженности электрического поля.
Задачей данной работы являлось изучение автоэлектронной эмиссии с шероховатой поверхности. Автоэлектронная эмиссия имеет ряд преимуществ перед другими типами эмиссий, такие как: огромные плотности автоэлектронного тока, малые размеры катода, исключение ряда проблем, связанных с конструкцией подогревателя катода, отсутствие термического распыления.
В ходе изучения были рассмотрены различные подходы к описанию автоэмиссии с шероховатой поверхности. Описаны модифицированные формулы (2.5) и (2.9) для плотности тока с шероховатой поверхности, учитывающие функцию распределения неоднородностей. Для этих формул были построены графики, которые показывают зависимость плотности тока от напряженности электрического поля в разных координатах. На данных графиках изображены кривые для разных коэффициентов шероховатости, можно заметить, что для формулы (2.5) при Р =20 кривая пересекается с кривой Фаулера-Нордгейма. Эти формулы близки к классическому описанию теории Фаулера-Нордгейма, но имеют отклонения, проявляющиеся в эффективном коэффициенте усиления поля на микронеоднородности ц0, который почти в два раза превосходит коэффициенте усиления поля Ц, используемый в теории Фаулера-Нордгейма.
В экспериментах по изучению автоэмиссионных свойств были исследованы углеродные материалы, производимых промышленностью, в условиях технического вакуума. Опираясь на данный факт, была модифицирована вероятность распределения неоднородностей, формула (2.14) и показана на рисунке 14. Данная формула имеет вид нормального распределения, которая подходит для описания распределений на графитовом катоде, так как длина эмитирующих центров много больше их радиуса и эмиссионные центры имеют практически одинаковую длину. Данные формулы хорошо согласуются с теорией Фаулера-Нордгейма и имеют близкие значения при выборе соответствующих коэффициентов шероховатости. Нами было установлено, что формула (2.14) наилучшим образом согласуется с формулой Фаулера-Нордгейма при выборе следующих параметров: Р = 100, Ц1=200.
На данный момент существующие автокатоды из углеродных материалов имеют множество серьезных недостатков. К нерешенным задачам относятся: отсутствие технологии формовки поверхности катодов, значительное различие в форм-факторе эмиссионных центров, нестабильность эмиссионного тока и быстрая деградация катода в условия технического вакуума.
При изучении задачи о поле металлического конуса, важным было рассмотреть геометрию катода. На основе данных знаний, были выведены формулы для напряженности электрического поля, функции распределения и плотности тока. Основной задачей является изучение усиления поля с поверхности конуса, поэтому важной характеристикой здесь является угол раскрытия конуса. На рисунке 19 (а, б) показано, как меняется плотность автоэмисионного тока при варьировании данного параметра. Можно заметить, что наша теория об электростатическом поле металлического конуса хорошо согласуется с экспериментом [2]. Имеется отклонение от эксперимента, которое проявляется в наклоне кривых. Наклон кривой, описываемой (3.7) отличается от экспериментального в 1.3 раз.
В ходе изучения были рассмотрены различные подходы к описанию автоэмиссии с шероховатой поверхности. Описаны модифицированные формулы (2.5) и (2.9) для плотности тока с шероховатой поверхности, учитывающие функцию распределения неоднородностей. Для этих формул были построены графики, которые показывают зависимость плотности тока от напряженности электрического поля в разных координатах. На данных графиках изображены кривые для разных коэффициентов шероховатости, можно заметить, что для формулы (2.5) при Р =20 кривая пересекается с кривой Фаулера-Нордгейма. Эти формулы близки к классическому описанию теории Фаулера-Нордгейма, но имеют отклонения, проявляющиеся в эффективном коэффициенте усиления поля на микронеоднородности ц0, который почти в два раза превосходит коэффициенте усиления поля Ц, используемый в теории Фаулера-Нордгейма.
В экспериментах по изучению автоэмиссионных свойств были исследованы углеродные материалы, производимых промышленностью, в условиях технического вакуума. Опираясь на данный факт, была модифицирована вероятность распределения неоднородностей, формула (2.14) и показана на рисунке 14. Данная формула имеет вид нормального распределения, которая подходит для описания распределений на графитовом катоде, так как длина эмитирующих центров много больше их радиуса и эмиссионные центры имеют практически одинаковую длину. Данные формулы хорошо согласуются с теорией Фаулера-Нордгейма и имеют близкие значения при выборе соответствующих коэффициентов шероховатости. Нами было установлено, что формула (2.14) наилучшим образом согласуется с формулой Фаулера-Нордгейма при выборе следующих параметров: Р = 100, Ц1=200.
На данный момент существующие автокатоды из углеродных материалов имеют множество серьезных недостатков. К нерешенным задачам относятся: отсутствие технологии формовки поверхности катодов, значительное различие в форм-факторе эмиссионных центров, нестабильность эмиссионного тока и быстрая деградация катода в условия технического вакуума.
При изучении задачи о поле металлического конуса, важным было рассмотреть геометрию катода. На основе данных знаний, были выведены формулы для напряженности электрического поля, функции распределения и плотности тока. Основной задачей является изучение усиления поля с поверхности конуса, поэтому важной характеристикой здесь является угол раскрытия конуса. На рисунке 19 (а, б) показано, как меняется плотность автоэмисионного тока при варьировании данного параметра. Можно заметить, что наша теория об электростатическом поле металлического конуса хорошо согласуется с экспериментом [2]. Имеется отклонение от эксперимента, которое проявляется в наклоне кривых. Наклон кривой, описываемой (3.7) отличается от экспериментального в 1.3 раз.
Подобные работы
- Моделирование и анализ рельефа автоэмиссионной поверхности
Магистерская диссертация, информатика. Язык работы: Русский. Цена: 4810 р. Год сдачи: 2020