Вторинна електронна емісія

Вторинною електронною емісією називають емісію електронів з поверхні тіла при його бомбардуванні електронами або іонами. Вона була відкрита у 1902 р. німецькими фізиками Аустином і Г.Штарке. Тіло, що піддається бомбардуванню, називають вторинно-електронним емітером, або мішенню. Частина електронів, що падають на поверхню мішені (первинних електронів n₁), випробовує пружне відбиття і рухається у зворотному напрямку; інша частина проникає в товщу тіла і розсіює там свою енергію при взаємодії із кристалічною решіткою і електронами мішені. У результаті цієї взаємодії первинний електрон може або повністю розсіяти свою енергію і залишитися в тілі, або, затративши частину енергії, змінити напрямок руху і знову вийти за межі твердого тіла. Останній випадок, відповідає непружньому відбиттю первинних електронів. Енергія, що розсіюється первинним електроном у тілі, може перейти в кінетичну енергію внутрішніх електронів, і вони можуть покинути межі мішені (безпосередньо вторинні електрони).

Таким чином, у результаті бомбардування мішені первинними електронами утвориться зустрічний потік вторинних електронів, що містить пружно відбиті електрони, електрони непружнього відбиття і вторинні електрони. Відносна кількість електронів цих трьох видів, а також загальне число вторинних електронів залежать від енергії первинних електронів, фізико-хімічних властивостей мішені, чистоти її поверхні, кута падіння первинних електронів та інших факторів.

У тонких плівках вторинна електронна емісія спостерігається не тільки з поверхні, що піддається бомбардуванню (емісія на відбиття, рис. 1.5 а), але і із протилежної поверхні (емісія на простріл, рис. 1.5 б).

Рисунок 1.5 - Вторинна електронна емісія на відбиття (а) і на простріл (б)

Відношення загальної кількості вторинних електронів до кількості первинних електронів називають коефіцієнтом вторинної електронної емісії:

(1.8)

де — струм, утворений вторинними електронами, — струм первинних електронів.

Кількісно вторинна електронна емісія крім коефіцієнта вторинної емісії характеризується коефіцієнтами пружного і непружнього відбиття електронів, а також коефіцієнтом емісії безпосередньо вторинних електронів ( — струми, що відповідають пружно відбитим, непружньо відбитим і істинно вторинним електронам, ).

У металах щільність електронів провідності велика тому вторинні електрони мають малу імовірність вийти назовні. У діелектриках, де концентрація електронів провідності мала, імовірність виходу вторинних електронів більше. Разом з тим імовірність виходу електронів залежить від висоти потенційного бар'єра на поверхні. У результаті в ряду неметалічних речовин (окисли лужноноземельних металів, лужногалоїдні сполуки) (рис.1.6).

Рисунок 1.6 — Залежність коефіцієнта вторинної електронної емісії від енергії первинних електронів .

Рисунок 1.7 Залежність коефіцієнта вторинної емісії від енергії первинних електронів: а - для металів; б - для напівпровідників і діелектриків.

У спеціально виготовлених ефективних емітерах (інтерметалеві сполуки типу сурьмянолужних металів, активовані сплави CuAlMg, AgAlMg, AgAlMgZn і ін.) . У металів і власних напівпровідниках значення порівняно невелике (рис.1.7). У вуглецю (сажі) і окислів перехідних металів , і вони можуть застосовуватися як анти емісійні покриття.

На рис.1.8 показані крива розподілу загальної кількості вторинних електронів по енергіях у відсотках до енергії первинного електрона. Перший максимум кривої відповідає безпосередньо вторинним електронам. Полога частина кривої між першим і другим максимумами визначається в основному електронами, що утворилися в результаті непружнього відбиття. І, нарешті, другий максимум створюється за рахунок пружно відбитих електронів, енергії яких близькі до енергій первинних електронів.

Рисунок 1.8 - Крива розподілу вторинних електронів по енергіях.

Зі збільшенням енергії первинних електронів спочатку зростає (рис. 1.6–1.7). Це відбувається доти, поки збудження електронів тіла відбувається поблизу поверхні на відстані меншому, ніж їх довжина пробігу. При подальшому рості загальна кількість збуджених електронів продовжує рости, але основна частина їх народжується на значній глибині і кількість електронів, що виходять назовні, зменшується. Аналогічно пояснюється ріст зі збільшенням кута падіння пучка первинних електронів.

Монокристали анізотропні відносно руху електронів. При русі електронів уздовж каналів, утворених щільно впакованими ланцюжками атомів, імовірність розсіювання електронів і іонізації атомів підвищується (каналювання). Спостерігається також дифракція електронів у кристалічній решітці, що використовується для дослідження властивостей матеріалів засобами електронної мікроскопії.

Вторинна електронна емісія реалізується за час, менший, ніж сек, тобто є практично без інерційним процесом.

Самостійне значення одержало дослідження і застосування вторинної електронної емісії в сильних електростатичних полях і електричних полях надвисоких частот. Створення в діелектрику сильного електричного поля ( В/см) приводить до збільшення до 50–100 (вторинна електронна емісія, посилена полем). Крім того, у цьому випадку величина істотно залежить від пористості діелектричного шару. Наявність пор збільшує ефективну поверхню емітера а поле сприяє “витягуванню” повільних вторинних електронів, які вдаряючись об стінки пор, можуть викликати вторинну електронну емісію з і виникнення електронних лавин. Розвиток лавин за певних умов приводить до холодної емісії, що може самопідтримуватися на протязі багатьох годин після припинення бомбардування електронами.

Вторинна електронна емісія застосовується в багатьох електровакуумних приладах для посилення електронних потоків (фотоелектронні помножувачі та підсилювачі зображень і т.д.) і для запису інформації у вигляді потенційного рельєфу на поверхні діелектрика (електронно-променеві прилади). У ряді приладів вторинна електронна емісія є “шкідливим” ефектом (динатронний ефект в електронних лампах, поява електричного заряду на поверхні скла і діелектриків в електровакуумних приладах).

У високочастотному електричному полі , внаслідок вторинної електронної емісії, на поверхнях електродів спостерігається явище лавиноподібного розмноження електронів (вторинно-електронний резонанс). Це явище відкрите Х.Э. Фарнсуортом в 1934 р. Для виникнення резонансу необхідно, щоб час між двома послідовними зіткненнями електронів з поверхнями електродів (рис.1.9а) дорівнював непарному числу напівперіодів високочастотного поля (умови синхронізму). Розмноження електронів відбувається на поверхнях двох електродів, між якими прикладене високочастотне електричне поле, або на одній поверхні, поміщеної в схрещені електричне і магнітного поля (рис.1.9б).

Рисунок 1.9 — Розмноження електронів у високочастотному електричному полі (а) і в схрещених електричному і магнітному полях (б). Поле перпендикулярно площини креслення; стрілками показані траєкторії електронів.

Швидке наростання концентрації електронів обмежується ростом просторового заряду, що порушує умову синхронізму. Явище вторинного електронного резонансу відіграє істотну роль у механізмі виникнення щільного прикатодного об'ємного заряду в магнетронах і амплітронах, а також у механізмі роботи динамічних фотоелектронних примножувачів. З іншого боку, це явище може бути причиною нестабільної роботи цих приладів і може обмежувати їх вихідну потужність.