TIỂU LUẬN PHÁT XẠ ĐIỆN TỬ

• Hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử được dùng làm cathode Thường là W tinh khiết phát điện tử trong một số dụng cụ điện tử.Loại cathode hiệu dụng hơn là cathode màng mỏng, bán dẫn, cathod

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

• Hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử được dùng làm cathode (Thường là W tinh khiết) phát điện tử trong một số dụng

cụ điện tử.Loại cathode hiệu dụng hơn là cathode màng mỏng, bán dẫn, cathode oxide

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

• 1 CƠ CHẾ PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ CỦA KIM LOẠI

• 2 PT PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ CỦA KIM LOẠI

• 3 SỰ PHÂN BỐ THEO VẬN TỐC CỦA NHIỆT ĐIỆN TỬ

• 4 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN TRƯỜNG LÊN PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ CỦA KIM LOẠI

• 5 CATHODE MÀNG MỎNG - PHƯƠNG PHÁP LÀM GIẢM CÔNG THOÁT

1 CƠ CHẾ PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ CỦA KIM LOẠI:

• Kim loại không bị đốt nóng  kim loại không phát xạ điện

e

2

2 

5

Khi điện tử bay ra khỏi lớp biên kim loại, nó bị kéo lại bởi lực ảnh điện này (xảy ra cả ở

0oK)  Trên biên kim loại thành lập 2 lớp điện:

- Lớp biên của mạng

- Lớp điện tử

• Schottky:

– 1 tụ điện phẳng có khoảng cách a

– Cường độ trường từ 0 đến a không đổi

• Langmuir:

– Dựa vào lý thuyết kim loại cổ điển: bên trong kim loại lực F=0 …

2

2

4x e

Hình : Sơ đồ biến đổi lực tác động lên điện

tử ở bề mặt kim loại

1 – Theo Schottky

2 – Theo Langmuir

2a

e4a

e4a

edx

4x

edx

4a

eFdx

a

2 2

0

2 2

0

• Schottky:

– Lực trong khoảng 2 lớp điện:

– Công thoát toàn phần của điện tử:

• Langmuir:

– Lực t/d lên điện tử ở giữa 2 lớp điện: F1 = Fc – k(x – c)2 (4)

Thỏa: x = 0 thì F1=0

x = a thì

– Công điện tử cần thiết để vƣợt qua 2 lớp điện cũng là:

 Công thoát toàn phần của điện tử:

 

2a

e dx

4x

e dx

c x

k F

Fdx W

2

a

2

2 a

0

2 c

0

0         

(2)

4a

1 – Theo Schottky

2 – Theo Langmuir

2 PHƯƠNG TRÌNH PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ

CỦA KIM LOẠI:

• Số điện tử đập lên 1 đơn vị diện tích bề mặt kim loại trong 1s là:

d  (vx,vy,vz) = vxdn(vx,vy,vz) (6) với vx: thành phần vận tốc có hướng vuông góc với bề mặt kim loại

• Điều kiện điện tử thoát ra khỏi kim loại:

• Từ phân bố thống kê Fermi Dirac của điện tử theo năng lượng, ta suy

ra phân bố của điện tử theo vận tốc:

• từ (6) 

(7)

W 2

dvdv

dvh

2mv

,v,vdn

kT

ε W

z y

x 3

3 z

y x

dv dv

dv v

h

2m v

, v , v dν

kT

ε W

z y

x x

3

3

z y

x



dvdv

dvv

h

2mD

ν

1

ε W

z y

x x

1 e

dv dv

dv v

h

2m e

D eν

j

1

v - kT

ε W

z y

x x

dW e

1 ln

kT h

e m

4 D

W

kT

ε W 3

)dN(We

Dj

• Theo các tính toán : và Wx ≥ W0 nên:

ε W kT

e e

1

ε W kT

mek

4 D j

0

2 0

2 3

2

kT kT

W

e T D A

e T

4π

A 

D A

11

• Nhƣng công thức trên có sự sai lệch so với thực tế vì Φ0 phụ thuộc vào nhiệt độ T:

– Mức năng lƣợng ε biến đổi theo nhiệt độ

– Do biến đổi hằng số mạng tinh thể nên W0 biến đổi

• Khai triển chuỗi Taylor cho hàm số Φ0(T):

) Τ

(Τ dΤ

) (Τ )

T

Τ

0 0

0 0

.e e

T D A

αT ) (T k

α 2

0

0 0

1 A D e

(18)

e T A

ψ 2

1





3 SỰ PHÂN BỐ THEO VẬN TỐC CỦA NHIỆT ĐIỆN TỬ:

• Vì W ≥ W0 nên

• Từ những kết quả của phần trước ta đưa ra được số điện tử đi đến trên

1 đơn vị bề mặt kim loại trong 1s là:

dv dv

dv e

Cv dn

v

v v v m x

x

2 z

2 y

3 e h

2m

C 

(20)

dv dv

dv e

D Cv

'

v v v m

x

2 z

2 y

2 x

W 2

mv 2

W x

z y

x

2 z

2 y

2 x

z y

x

2 z

2 y

4 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN TRƯỜNG LÊN

PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ CỦA KIM LOẠI:

• Thí nghiệm: dòng phát xạ nhiệt điện tử j tăng khi tăng điện trường ở bề mặt catod

• Công của điện tử để chống lại lực cản F2:

b: khoảng cách nào đó bên trong kim loại mà ở đó F2=0

• Khi có điện trường ngoài E theo hướng gia tốc điện tử  điện tử bị kéo ra khỏi bề mặt với 1 lực:

F’ = qE = eE

(23)

(x)dx F

15

•  Lực cản tác động lên điện tử ngoài kim loại là:

• Công chống lại lực cản là:

• Ta có thể xác định:

• Vậy khi có điện trường ngoài:

– Công của điện tử chống lại lực cản giảm 1 lượng:

– Công thoát hiệu dụng:

E

e 2

1

xk 

(25)

eEx 4x

e A

Edx )

( )

( F(x)dx

A

k k

2 0

0

2 2

x F dx

x F

(26)

eE e

A



(27)

eE e

A A0

(28)

eE e

0

E      



– α: hằng số phụ thuộc vào hình dáng và kích thước của diode

– Vb: hiệu thế giữa anode và catode của diode

• Từ (32) =>

(29)

eTDA

0 E

e j

j kT

eE e 0

eEe

j

jln

0

T

E1,906

j

jlog

0

E 

(33)

T

Vα

1,906j

j

0

E 

Khi E > Ek , lý thuyết trên không trùng với thực

nghiệm

Nếu Ek ≈ 3.106V.cm-1: quá lớn

=> xuất hiện phát

xạ mới: phát xạ

tự động

19

5 CATHODE MÀNG MỎNG - PHƯƠNG PHÁP LÀM GIẢM CÔNG THOÁT

• Từ công thức dòng phát xạ nhiệt điện tử j ta thấy chỉ cần

1 biến đổi nhỏ công thoát hiệu dụng ϕ0 có thể làm biến đổi dòng j rất lớn

• Ví dụ phủ một màng mỏng Cs, Ba, hay Th lên cathode W, thì khả năng phát xạ điện tử sẽ tăng

-> Hiện tượng giảm công thoát của cathode màng mỏng đã được Langmuir giải thích: Vật chất được hấp phụ nằm trên

bề mặt cathode dưới dạng ion dương hay một lớp nguyên

tử bị phân cực dipole Hai lớp điện gần kề bề mặt cathode, được thành lập bởi dipole điện hay bởi lớp ion sẽ gây nên điện trường gia tốc điện hay bởi lớp ion sẽ gây nên điện trường gia tốc, điện trường này sẽ giảm hàng rào thế năng

ở bề mặt kim loại

Lực tác động lên điện tử trong lớp điện:

2

4 n e eE

0   4



d: Độ rộng của hai lớp điện

p = ed: moment lƣỡng cực (dipole) điện

Vậy để chuyển điện tử từ nguyên tử vào kim loại thì công thoát hiệu dụng của kim loại phải lớn hơn năng lƣợng ion

hoá của nguyên tử cần phủ:

i

eV

0

 4

Cathode

ϕ0 (eV) kim loại

cathode

ϕ0 (eV) kim loại

màng

ϕ0 (eV) Cathode

42 4,1 4,5 4,6

4,5

1,9 2,5 3,4 3,4 3,4

1,5 1,6 2,7 2,6 2,5 6,3 6,4 5,8

3 1,5

3 1,5 1,5

do cm

A A

Bảng : Trị số công thoát hiệu dụng ϕ0 (eV)

Nguyên nhân làm giảm A:

1 Do phát xạ vết ở đây rất mạnh

2 Do biến đổi dạng hàng rào thế năng dưới tác dụng của điện trường dipole

6 CATHODE OXIDE

Cathode oxide là lớp oxide kim loại kiềm thổ (BaO, SnO,

CaO) phủ lên mặt kim loại Quá trình tạo một catod oxide

nhƣ sau :

• Nhúng cốt kim loại vào cacbonat kim loại kiềm thổ BaCO 3

khi cathode khô lắp nó vào dụng cụ và tiếp tục hút khí

• Phân huỷ cacbonat bằng cách nung nóng theo từng khoản

thời gian với nhiệt độ 1500 0 K phản ứng này xảy ra nhƣ sau

:BaCO3  BaO + CO2

• Khí CO 2 thoát ra sẽ đƣợc hút ra ngoài Nhƣ thế cathode có nhiều lỗ nhỏ và bề mặt gồ ghề Lúc này cathode có thể xem

nhƣ một chất cách điện có độ rộng cùng cấm cỡ ≈ 3,8 eV

Các mức năng lƣợng của BaO

Tiếp đó chúng ta sẽ luyện cathode tới nhiệt độ 1300 

13500K phản ứng sẽ xảy ra nhƣ sau :

BaO  Ba++ + OĐặt vào Anod và Cathode một thế hiệu: V = 100 200V

-Với thế hiệu V đó khi dòng đi qua BaO, một phần O- gần

bề mặt sẽ thoát ra khỏi chân không và còn lại trong mạng oxide những lỗ trống Những O- từ bên trong sẽ nhảy ra những lỗ trống này và tiếp tục bị hút ra khỏi chân không, như thế lỗ trống càng đi sâu vào trong mạng và xuất hiện những nguyên tử tự do Ba Đến một lúc nào đó Ba sẽ phân bố khắp mạng oxide BaO và trên bề mặt của nó Sau khi luyện xong các nguyên tử tự do Ba đóng vai trò donor và thành lập bán dẫn loại n

Phương trình mật độ dòng phát xạ nhiệt điện tử đối với bán dẫn

III CATHODE PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ TRONG MỘT SỐ ỨNG DỤNG:

3 Kính hiển vi điện tử SEM

1 BÓNG ĐÈN

Hiệu ứng Edison:

Ngày 13-02-1880, Thomas Edison là người đầu tiên quan sát được

sự bức xạ electron của một sợi dây tóc bóng đèn đật trong chân không

Thí nghiệm được xây dựng gồm một sợi dây tóc bóng đèn và một lá kim loại Khi lá kim loại được được nối điện

âm còn dây tóc nối điện dương thì hoàn toàn không có dòng electron phát ra, nhưng nếu nối lá kim loại mang điện tích dương thì xuất hiện dòng electron Ông cũng phát hiện ra rằng dòng phát xạ tăng khi ông tăng hiệu điện thế Và hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Edison

BÓNG ĐÈN HUỲNH QUANG

Starter (“Con chuột”)

Cấu tạo gồm một cặp điện cực và một

tụ điện Cặp điện cực đƣợc đặt trong một ống

thủy tinh bơm đầy khí neon Cặp điện cực và

tụ điện đƣợc mắc song song với nhau, hai dây

nối đƣợc nối ra ngoài với hai nút kim loại Cả

ống thủy tinh và tụ điện đều đƣợc đặt trong

một hộp nhựa hình trụ

Hoạt động của Stater

Lúc đầu chƣa có hiện tƣợng phóng điện trong ống

Khi nhiệt độ

ở hai bản cực nóng lên, nó sẽ giãn ra và dính vào nhau

Khi hiện tƣợng phóng điện trong ống xảy

ra

Wolfram có điểm nóng chảy cao nhất (3.422 °C, 6.192 °F), áp suất hơi thấp nhất, (ở nhiệt độ trên

nở nhiệt thấp nhất Giãn nở vì nhiệt thấp và điểm nóng chảy và độ bền cao của wolfram là do các liên kết cộng hóa trị mạnh hình thành giữa các nguyên tử wolfram với các electron lớp 5d Có tính trơ về hoá học hay khả năng chống ôxy hóa, axit, và kiềm…

Súng điện tử gồm 1 heater và 1 cathode để tạo e, 1 lưới điều khiển để chỉnh độ sáng bởi sự điều chỉnh dòng e và 2 anode Heater là 1 sợi dây đốt nóng như dây tóc bóng đèn bởi dòng điện đi qua nó Mục đích chính của anode 1 là hội tụ e thành 1 chùm tia hẹp, anode 2 sẽ tăng tốc chùm tia e này Lưới điều khiển hình trụ và

có 1 cái van ở cuối Anode là 2 tấm hình trụ chứa van với 1 lỗ nhỏ ở tâm

Súng điện tử trong

màn hình CRT

Cathode súng điện tử trong màn hình CRT thường làm bằng kim loại Wonfram Dạng dây tóc được đặt trong chân không khi nóng lên sẽ phát ra điện tử Ở màn hình trắng đen chỉ có 1 súng điện tử còn ở màn hình màu có 3 súng điện tử

3 KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ SEM

Súng điện tử của SEM cấu tạo gồm có ba

phóng điện tử đƣợc tạo nên

bằng nung nóng đầu của

đơn tinh thể LaB6 Đơn tinh thể LaB6

Hệ thấu kính từ có tác dụng tập trung chùm điện tử vừa được phát ra khỏi súng phóng điện tử

và điều kiển kích thước cũng như độ hội tụ của chùm tia

Thấu kính từ hoạt động dựa trên nguyên lý lệch đường đi của điện tử trong từ trường dưới tác dụng của lực Lorentz

4 QUANG HOẢ KẾ

trên việc đo cường độ ánh sáng do vật nóng sáng bức xạ Scan cường độ của hình ảnh từ

lò nung và cường độ của đèn chuẩn được thực hiện bằng cách cài vào thiết bị này một

số nhíp kính màu tương ứng với nhiệt độ nhất định Ưu việt của máy đo ứng dụng QHK

là không cần tiếp xúc với vật đo nên thường dùng để xác định nhiệt độ trong lò luyện kim

rắn, có độ nóng chảy cao, có số nguyên tử Z lớn như

bạch kim (74), wolffram, tungsten - rhenium,

molybdenum, Rhodium nối với cực dương của dòng điện

có hai chức năng cơ bản là chuyển năng lượng điện

thành bức xạ tia X và tải nhiệt

• Nguyên lý phát ra tia X: Khi đốt nóng âm cực tạo ra các điện tử , dưới tác dụng của độ chênh điện thế cao ít nhất

là 40.000volt, các electron bị lực hút kéo về dương cực với vận tốc rất lớn Khi các electron va chạm với cực dương tạo ra nhiệt năng (99%) và bức xạ tia X (< 1%)

• Lực gia tốc của các electron phụ thuộc vào hiệu số điện thế của dòng điện được tính bằng KV và chất lượng của chùm HĐT phụ thuộc vào cường độ dòng điện tính bằng mA

• Bản chất của tia X : là một bức xạ điện từ, gồm các

sóng dao động theo chu kỳ hình sin, cùng nhóm với các sóng vô tuyến điện, ánh sáng, các bức xạ ion hoá như tia vũ trụ, tia Gamma, các bức xạ đồng vị Trong

số phổ sóng điện từ này ta thấy ở cực cao là tại Hồng ngoại 7200 A0, tiếp đến là ánh sáng trắng 3900 A0, ở cực thấp là tia Vũ trụ, tia X bước sóng từ 5A0 - 0,01

A0, A0 = 10-6cm, tia Gamma có bước sóng từ 0,01 – 0,0001A0

IV NGUYÊN TẮC PHÁT CHÙM

ĐIỆN TỬ KHÔNG PHÂN KÌ

Hình dạng và thông số của súng điện tử tùy thuộc vào từng lĩnh vực sử dụng Tuy nhiên cũng có một số yêu cầu sau:

1 Hệ thống điện tử phải tạo ra một hình ảnh

nhỏ nhất của chùm trên màng hứng

2 Cấu tạo của súng không quá phức tạp, dể sử

dụng và có tuổi thọ cao

3 Vật liệu làm súng phải không nhả khí, không

từ tính và chịu đƣợc nhiệt độ cao

I SỰ TƯƠNG TỰ QUANG CƠ

Giữa các hạt điện chuyển động trong trường lực và sự truyền ánh sáng trong môi trường quang học có sự tương tự sâu sắc Sự tương tự này cho phép ta sử dụng các quy luật quang học để xác định quỹ đạo chuyển động của electron trong điện trường

  

  

= = = 0 (1)

Từ nguyên lí Fermat rút ra 3 điều kiện cơ bản trong quang học:

- Định luật truyền thẳng: Trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng ( chiết suất đồng đều), ánh sáng truyền theo đường thẳng

- Định luật phản xạ: Khi tia sáng phản xạ trên mặt phân cách giữa hai môi trường thì góc phản xạ bằng góc tới

- Định luật khúc xạ: Khi tia sáng đi từ môi trường có chiết suất n1 sang môi trường có chiết suất n2, nó bị khúc xạ ở mặt phân cách hai môi trường Tỉ số giữa góc tới và góc phản xạ thoả mãn điều kiện:

2 HỆ QUANG HỌC CỦA SÚNG ĐIỆN

TỬ

Thấu kính điện tử được dùng để hội tụ hay phân kỳ

chùm điện tử, tạo được bằng điện trường không đồng nhất hay từ trường không đồng nhất có đối xứng trục

r U r

U







2.1 HỆ 1 THẤU KÍNH

r2 nhỏ nhất

Giảm r1 Giảm U1 giảm gama 1 Tăng U2 Tăng gama 2

1 1 1 2

r U r

Không khả thi

tử sẽ giảm

Không khả thi

Với những lý do trên, súng điện tử thấu kính đơn không thể cho chùm điện tử có tiết diện nhỏ nhất Do đó nó ít đƣợc sử dụng Hầu hết súng ngày nay sử dụng hệ quang học hai thấu kính

2.2 HỆ 2 THẤU KÍNH

Công dụng của hệ quang học 2 hoặc 3 thấu kính cho phép chúng ta tạo ra những súng điện tử đáp ứng tốt những đòi hỏi đã nêu

2.2 HỆ 2 THẤU KÍNH

(1.thấu kính thứ nhất 2 thấu kính thứ hai, 3 màn hình, 4 tiết diện giao nhau, 5 hình ảnh cathode, 6 bán kính chùm tia)

VI Phát xạ nhiệt điện tử photon tăng cường

có thể tăng gấp đôi hiệu suất của các pin năng lượng mặt trời

• Tháng 8/2010 Các kỹ sư tại Đại học Stanford đã phát triển một quá trình mà có thể khai thác ánh sáng và nhiệt năng của đồng thời, có thể tạo ra các pin năng lượng mặt trời gấp đôi hiệu suất như những pin hiện nay Gọi là phát xạ nhiệt điện tử photon tăng cường (photon enhanced thermionic emission - PETE), quá trình này khác với các pin truyền thống, mất hiệu suất khi nhiệt độ tăng Bằng cách phủ lên vật liệu bán dẫn một lớp mỏng của xêzi (cesium), cho phép vật liệu sử dụng cả nhiệt và ánh sáng đồng thời