Автоэлектронная эмиссия (полевая эмиссия) — это испускание электронов проводящими твёрдыми и жидкими телами под действием внешнего электрического поля без предварительного возбуждения этих электронов, то есть без дополнительных затрат энергии, что свойственно другим видам электронной эмиссии. Суть явления состоит в туннелировании электронов сквозь потенциальный барьер вблизи поверхности тела. Такое туннелирование становится возможным за счёт уменьшения толщины потенциального барьера при приложении внешнего высокоградиентного электрического поля (несколько киловольт) до десятков нанометров. При этом появляется область пространства вне тела, в которой электрон может существовать с той же энергией, которой он обладает, находясь в теле.
Таким образом, автоэлектронная эмиссия обусловлена волновыми свойствами электронов. Катоды такого типа также называются холодными (CFE – Cold Field Emission). Сам катод представляет собой остро заточенный монокристалл вольфрама.
Достоинства полевых катодов обусловлены отсутствием нагрева, а значит
- Высоким сроком службы (10-20 лет)
- Высокой монохроматичностью получаемого пучка.
- Возможность эмиссии с малого острия (50-100 нм), что даёт самую высокую яркость среди всех источников электронов.
Недостатки:
- Усложнение вакуумной системы за счёт более высоких требований к вакууму. Это влияет на цену прибора с таким типом источника.
- Первые холодные катоды (1980-е – 1900-е) имели нестабильный и невысокий ток эмиссии, что ограничивало область их применения. Однако с развитием вакуумной техники эти проблемы были полностью решены.
Катод Шоттки
В пушке с катодом Шоттки используется явление температурной эмиссии Шоттки (испарение электронов в вакуум), возникающее при помещении нагретых проводников в электрическое поле высокого напряжения. Катод изготовлен из ZrO2/W – единичный кристалл вольфрама, покрытый слоем оксида циркона (ZrO2), имеющий наконечник с радиусом кривизны в несколько сотен нанометров. Покрытие ZrO2 значительно снижает работу выхода электрона, поэтому, при относительно низкой температуре катода (около 1800 K), можно получить большой ток эмиссии.
Рис.1. Катод Шоттки(загнутое острие катода говорит о том, что произошел пробой и катод сгорел)
Приборы Hitachi с катодом Шоттки:
Достоинства катодов Шоттки:
- Высокая эмиссия в сравнении с холодным катодом
- Средняя монохроматичность получаемого пучка.
- Более высокая яркость, чем у вольфрамовых катодов
Недостатки:
- Усложнение вакуумной системы за счёт более высоких требований к вакууму. Это влияет на цену прибора с таким типом источника.
- Сравнительно небольшое время жизни источника 3-5 лет.
- Высокая цена и сложность замены, пользователь не может проводить замену.
- Чувствительность к отключениям электроэнергии из-за опасности быстрого остывания катода
- Рекомендуемый режим работы катода – всё время под накалом.
Холодный катод ( Cold Field Emission)
Данный катод – очень тонкое острие из монокристалла вольфрама, припаянное к V-образной вольфрамовой проволоке-основанию.
Пушка с данным катодом работает, используя явление полевой эмиссии, возникающее в проводниках при помещении их в электрическое поле высокого напряжения.
Когда к металлической пластине (экстрагирующий электрод) прикладывается положительное напряжение (несколько киловавольт), возникает туннельный эффект, и эмиттер начинает излучать электроны. Если в центре электрода имеется отверстие, эмитированные электроны вылетают через него, формируя электронный пучок. За экстрагирующим электродом на пути электронов находится ускоряющий электрод (с приложенным к нему высоким напряжением), позволяющий получить пучок электронов с заданной энергией.
Для того чтобы обеспечить полевую эмиссию, наконечнику эмиттера нужны особо чистые условия. Поэтому пушку FE-типа помещают в сверхвысокий вакуум (порядка 10–8 Па).
Рис.2. Холодный катод
Приборы Hitachi с холодным катодом: