Со времён открытия электрона знания человечества только углублялись, и со временем, пришли к пониманию удивительного открытия — как достичь вылета электронов из твёрдого тела: эмиссия электронов. Это открытие изменило всё — дав нам радиолампы, множество видов которых применялось (и применяется даже сейчас) в разных направлениях.
Говоря об эмиссии, обычно подразумевают «термоэмиссию» как наиболее распространённый способ достичь вылета электронов.
Однако, есть как минимум и второй вариант, о котором говорят гораздо меньше, и тоже достаточно интересный и полезный в практическом смысле — холодная эмиссия электронов, и сегодня мы поговорим как раз о ней…
Об эмиссии известно достаточно давно, как минимум, с XIX века, и считается, что первым практическим наблюдателем явления термоэмиссии был Эдмон Беккерель, который во время своих экспериментов с разрядами в газах, проводимых при разной температуре, заметил, что если один из электродов нагрет, то ток в электрической цепи возникает при гораздо меньшем напряжении, чем если бы электроды были холодными.
Однако, на тот момент понятия электрона ещё не существовало и, учёный попытался объяснить наблюдаемое с точки зрения того уровня науки, объяснив это изменениями в свойствах газа при повышенной температуре — ему и в голову не пришло, что дело не в газе, а в металле.
В дальнейшем, целый ряд учёных наблюдали сходные явления, среди которых был и Томас Эдисон, который заметил (1880 г.), что возле положительного* электрода его лампы накаливания образуется тёмный налёт.
*С позиций сегодняшнего дня это кажется странным, однако, так как мы говорим о XIX веке, то для того периода нет ничего удивительного, что лампы запитывались от постоянного тока — весь XIX век был периодом вспышки электрических исследований и человечество ещё только начинало широкое применение электричества, поэтому тогда единственным более-менее доступным источником тока были гальванические элементы и динамо машины постоянного тока, тогда как внедрение переменного тока ещё только начиналось, вызвав в какой-то момент ожесточённую конкуренцию, оставшуюся в истории как «война токов».
Однако в виду большей направленности на практическую деятельность, а не на теоретическую физику, Эдисон так и не смог понять причин наблюдаемых явлений, но, ему в однозначный плюс можно вписать то, что он, по сути, явился изобретателем прообраза электронной лампы (опять же, до конца не понимая, что делает): проводя эксперименты с разнообразными вакуумированными объёмами ламп и разной конфигурацией электродов, он расположил внутри лампы дополнительный электрод, имеющей свой отдельный вывод, выходящий наружу, где создавая положительный потенциал на этим электроде, он заметил, что наблюдается ток через вакуум, который и регистрируется:
Тем не менее, в виду отсутствия на тот момент теории, которая объясняла бы что такое электроны и строение атома в целом, он не смог предложить внятного обоснования наблюдаемому, ограничившись патентованием этого устройства как некоего «электрического индикатора».
В дальнейшем, эту идею развил другой исследователь — Джон Флеминг, разработав (1904 г.) на основе этой идеи первую электронную лампу — электровакуумный диод, который мог преобразовывать переменный ток в постоянный, для детектирования радиоволн:
С открытием электрона Джозефом Томпсоном*, В 1897 году, стало возможным более детально исследовать и обосновывать наблюдаемые явления.
*Несмотря на то, что ему приписывают первооткрывательство электрона, нельзя забывать, что его работы базировались на десятилетиях предыдущих работ учёных и были бы без них невозможны, поэтому, здесь скорее можно сказать, что сработал эффект суммарного накопления знаний, с качественным скачком на новый уровень, а не «великий личный гений».
В виду открытия электрона, стал возможным и названный выше электровакуумный диод, и, что гораздо важнее — Оуэном Ричардсоном было наконец сформулировано (уравнение Ричардсона или закон Ричардсона), — каким образом взаимосвязана температура с плотностью тока эмиссии при ней. За своё открытие (1901-1903 гг.) он получил Нобелевскую премию по физике, в 1928 году.
Теперь, имея под рукой его уравнение, инженеры могли производить расчёты, позволявшие разрабатывать эффективные лампы — так как стало понятно, до какой температуры нужно греть катод, чтобы получить нужный ток. И это дало свои плоды: как мы знаем, большая часть ХХ века прошла под знаком радиоламп, которые невероятно распространились, проникнув во многие сферы.
Но, мы видим, что до этого момента рассказ шёл исключительно о термоэмиссии и её исследовании, однако, как мы уже и говорили в самом начале, есть как минимум, и второй вариант — холодная эмиссия!
Интересно, что первое открытие холодной эмиссии или, более часто называемой «автоэлектронной эмиссией» произошло также в XIX веке, в начале 1897 года, то есть, ещё до открытия электрона, которое произойдёт в конце того же года: знаменитый американский физик-экспериментатор Роберт Вуд проводя эксперименты с электродами под высоким напряжением в вакууме, обнаружил, что в определённый момент, между ними начинается протекание тока, а также может даже проскочить искра, где при этом, сами электроды холодные (то есть ничем дополнительно не нагреваются); также, он заметил, что для осуществления указанного, необходим достаточно глубокий вакуум, а протекание тока начинается тем легче, чем более острую форму имеет один из электродов (катод). Но опять же, на тот момент объяснения этому не было.
Гораздо позже, на рубеже 1910-1920 годов, работы в этом направлении продолжил следующий физик экспериментатор — Юлий Лилиенфельд, также использовавший в своих экспериментах заострённые электроды в вакууме, и обнаруживший, что при подаче высокого напряжения на электроды, с определённого момента, ток начинает резко расти, причём, электроды также остаются холодными.
В тот момент, уже было известно об электронах, и Лилиенфельд предположил, что существует какой-то механизм, работающий на вырывание электронов из металла, однако, что это за механизм, до сих пор было не ясно, так как для объяснения этого была необходима квантовая механика, которой ещё не существовало (несмотря на зарождавшийся ряд теорий).
Прорыв в этой области случился только благодаря стремительному развитию квантовой механики в середине в 1920 годов, благодаря работам целого ряда учёных, в связи с чем, опираясь на предыдущие опыты Лилиенфельда, двое учёных — Ральф Фаулер и Лотар Нордхейм разработали знаменитое уравнение (закон) Фаулера — Нордхейма, опираясь на которое, стало возможным проектировать устройства с определённым током холодной миссии.
Таким образом, мы видим, что под «холодной» (или «автоэлектронной») эмиссией понимается физический вылет электронов из электрода, под влиянием сильного внешнего электрического поля, без потребности в нагреве электрода (ов).
И, здесь мы начинаем приходить к самой соли вопроса: по датам выше, мы могли отметить, что и термоэмиссия, и автоэлектронная эмиссия развивались практически параллельно, как два независимых направления, причём, термоэмиссия получила сначала некоторую фору, из-за относительной простоты теории, чем на первых порах не могла ещё похвастать автоэлектронная эмиссия.
Однако в дальнейшем, именно термоэмиссия взяла верх, — подавляющее большинство электровакуумных приборов работает именно на базе термоэмиссии: рентгеновские трубки, радиолампы, магнетроны микроволновок, кинескопы ЭЛТ-телевизоров/мониторов и т.д.
Причиной этого явились 3 фактора:
1 ФАКТОР: выше мы выделили жирным, что критически важным для автоэлектронной эмиссии является большая острота испускающего электроны контакта (катода), что, в свою очередь, подразумевает, вылет электронов из одной точки (это важно!).
Таким образом, если нам необходимо создать высокую плотность потока, то у нас не остаётся другого варианта, кроме как наращивать количество заостренных электродов — что технологически может быть весьма проблематично, учитывая ещё то, что и электроды требуются не простые, а очень острые, изготавливаемые как правило электрохимическим травлением, из сверхпрочных материалов, наподобие вольфрама, где радиус кривизны кончика не должен превышать десятков, максимум сотен нанометров.
Классический способ изготовления таких электродов подразумевает их травление в едком электролите (например, NaOH), где электрод подвешивается на анод, и выдерживается под током, погружённым в электролит, в результате чего, на электроде, в районе перехода между электролитом и воздухом образуется утончённая шейка, по которой отваливается нижняя часть, а верхняя часть (т.е. остриё) затачивается до высоких значений, постепенно растворяясь.
Как правило, даже этого недостаточно, поэтому полученный электрод, оставляют ещё поработать некоторое время в вакууме, пропуская через него небольшой ток, чтобы избавить кончик от остатков загрязнений.
Классический вид подобной установки для заострения электродов показан ниже.
Как можно видеть, установка представляет собой автоматическое устройство, где в качестве электрода используется тонкая проволока (0,1 мм сечением), а в качестве резервуара — отрезок никелевой трубочки 5х2 мм, внутри которой удерживается капелька едкого электролита за счёт капиллярных сил.
Проволока подвешивается на дужке (Д), таким образом, чтобы она проходила сквозь электролит, где к другой стороне проволоки прикрепляется пружинка (Пр), через которую к проволоке подключается положительный контакт источника питания.
Процесс занимает считанные секунды, не требует внешнего контроля, и, после перетравливания проволоки, она рвётся и процесс прекращается:
В противовес этому, при термоэле��тронной эмиссии наблюдается вылет электронов со всей нагретой поверхности катода, без потребности в какой-либо заострённости электродов, поэтому гораздо легче достичь высоких значений силы тока, с меньшими технологическими ухищрениями.
2 ФАКТОР: было выявлено, что критически важным фактором для долгого работы заостренных электродов является высокий вакуум, с минимальными примесями газов.
Причиной этого является то, что электроны, летящие от катода, врезаются в атомы газа, встречающиеся на пути, и выбивают из них электроны, превращая их в положительно заряженные ионы, которые в свою очередь, ускоряются электрическим полем и врезаются в поверхность отрицательно заряженного острия, где из-за своей большой массы, буквально разносят его за короткое время (часы или меньше).
Для избежания этого требуются высокие значения вакуума, с минимальными примесями газов (10-7…10-10 мм рт. ст.), которых трудно как добиться, так и поддерживать.
В противовес этому, при термоэлектронной эмиссии достаточно более скромных значений вакуума (10-5…10-7 мм рт. ст.), в виду как большой площади электрода (очень не скоро будет разрушен), так и окружённости его достаточно плотным облаком вылетевших электронов, которые выступают как своего рода «бронежилет» от подлетающих ионов, тормозя их…
3 ФАКТОР: довольно интересный, связанный с тем, что мы имеем дело очень острым кончиком, имеющим малую площадь, следствием чего является то, что малейший атом газа, или кусочек загрязнения, прилипшей, или отлипший на кончик — не обязательно в результате производства, а, прилетевший из вакуума/улетевший в вакуум — вызывает огромные скачки тока, с его падением и ростом во много раз.
Дополнительный фактор нестабильности привносит и небольшая миграция атомов под воздействием большой напряжённости электрического поля — на каких-то участках поверхность острия становится чуть острее, на каких-то чуть тупее, рандомно изменяясь, что тоже вызывает шумовой сигнал, ограничивающий применение.
В противовес этому, при термоэлектронной эмиссии отсутствует такая высокая чувствительность к загрязнениям, в виду как минимум большой площади катода, который многократно превосходит по площади все микронные загрязнения, которые так сильно влияют в случае холодной эмиссии, — поэтому, они оказывают в этом случае ничтожное влияние.
В завершение, можно сказать, что несмотря на массу нюансов, сопровождающих эту технологию на всём её пути, есть как минимум одно классическое применение, в котором холодной эмиссии нет равных: сканирующий туннельный микроскоп, где тонкая игла подводится на минимальное расстояние к образцу, между иглой и образцом создаётся разность потенциалов и возникает холодная эмиссия, очень чувствительная к расстоянию (как мы видели выше, по 3 фактору, в этом микроскопе в позитивных целях используется свойство больших скачков тока, при минимальных изменениях — и если в случае загрязнений это было негативным фактором, а здесь же позволяет, с помощью микроскопа, строить рельеф поверхности, с атомарным разрешением):
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
