阴极电子学 重点归纳总结

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1、10.绪论绪论. 从能带理论浅谈电子发射从能带理论浅谈电子发射阴极电子学 UESTC20131第一种方式第一种方式阴极电子学 UESTC20132第二种方式第二种方式使体内电子逸出的方法：使体内电子逸出的方法：1）增加电子能量）增加电子能量 【思】【思】具体措施？具体措施？2）削弱阻碍电子逸出的力）削弱阻碍电子逸出的力二、阴极类型二、阴极类型1. 增加电子能量增加电子能量（1）热电子发射）热电子发射（热阴极，第（热阴极，第1章章第第4章）章）克服表面势垒而逸出阴极克服表面势垒而逸出阴极加热加热T足够高部分电子获得足够能量足够高部分电子获得足够能量阴极电子学 UESTC20133光辐射光辐射物体

2、体内电子吸收光量子后逸出物体体内电子吸收光量子后逸出（3）次级电子发射）次级电子发射（次级电子发射体，第（次级电子发射体，第7章）章）（2）光电子发射）光电子发射（光电阴极，第（光电阴极，第6章）章）初始能量电子初始能量电子轰击物体体内电子获得能量逸出轰击物体体内电子获得能量逸出2. 降低阻碍电子逸出的力（降低阻碍电子逸出的力（4）场致发射）场致发射（场发射阴极，第（场发射阴极，第5章）章）固体表面施加强电场削弱势垒体内部分电子通过固体表面施加强电场削弱势垒体内部分电子通过隧道效应隧道效应进入真空进入真空阴极电子学 UESTC20134量子隧穿示意图量子隧穿示意图1exp1)( kTEEEfF

3、EEF，则f(E)=01）T=0K时，第一章 热电子发射的理论基础第一章 热电子发射的理论基础F-D分布分布阴极电子学 UESTC20135/24图1-10 费米分布函数1.T1=0K；2.T2=300K；3.T3=1000K；4.T4=1500KE0.5 E=EF，则f(E)=0.5 EEF，则f(E)0K时， 表面势垒高度表面势垒高度Wa理想形状阴极电子学 UESTC20136/24真实形状图1-13 金属表面模型及势垒形状2EWaWa/2XmXFex(a) 外电场使逸出功下降 1）点横线：无外加电场的势垒 2）实线：有外加电场时叠加后的 势垒，相当于F(x)的积分值阴极电子学 UESTC

4、20137/24图图1-27 外加速电场作用下，电像力和势垒形状的变化外加速电场作用下，电像力和势垒形状的变化电像力F0F0(x)F(x)e(b)(b) 外电场使电像力变化 1）虚线：无外加电场的F0(x) 2）水平虚线：外电场的力FE(x) 3）实线：合力 F(x)第一章 习题第一章 习题 课本习题：课本习题：2、7、8、9、10、11 补充第补充第3题题：阴极电子学 UESTC20138/243、 若金属逸出功、 若金属逸出功4.52ev，费米能级，费米能级EF为为8.95eV，（，（1）金属中有一电子具有）金属中有一电子具有13.43ev的动能，求此电子能离开金属表面的最大距离；（的动能

5、，求此电子能离开金属表面的最大距离；（2）求在离开最大距离处电子所受的镜像力。）求在离开最大距离处电子所受的镜像力。 第二章原子薄膜阴极第二章原子薄膜阴极 本章内容本章内容敷钍钨阴极的热发射现象敷钍钨阴极的热发射现象探寻原因探寻原因2.1节节2.2节继续讨论节继续讨论发射机理的探讨发射机理的探讨阴极电子学 UESTC2013蒸发与扩散的平衡非正常肖特基效应与“斑点场”蒸发与扩散的平衡非正常肖特基效应与“斑点场”实例说明实例说明2.3节节2.4节略应用节略应用引言引言 回顾纯金属阴极：回顾纯金属阴极：exp2 0kTATjMM0j钨：钨：=4.52eV纯金属阴极的缺点：纯金属阴极的缺点：逸出功高

6、，低（逸出功高，低（610mA/W）阴极电子学 UESTC2013原子薄膜阴极：原子薄膜阴极： 逸出功低（逸出功低（2.63.0eV）， 增大（）， 增大（40100mA/W）敷钍钨阴极具有高的原因：敷钍钨阴极具有高的原因：W表面形成一层钍原子薄膜表面形成一层钍原子薄膜2.1 敷钍钨阴极的热发射现象敷钍钨阴极的热发射现象T3T2T1激活激活T激活激活 t，j 稳稳激活激活T激活激活 t，j 稳稳阴极电子学 UESTC2013T3图图2-1 钍钨阴极激活温度、时间对发射的影响钍钨阴极激活温度、时间对发射的影响T3T3思考：为什么？思考：为什么？ 解释以下两个问题：解释以下两个问题：1.为什么为什

7、么W表面形成表面形成Th原子薄膜后会使，原子薄膜后会使，j 2.2 发射机理的探讨发射机理的探讨阴极电子学 UESTC20132.为什么出现图为什么出现图2-1的现象？在激活的现象？在激活T范围内，范围内，j差异不大；在去激活差异不大；在去激活T下，下，j 3mc nn0/penc阴极电子学 UESTC2013m =0.7m图图 2-3 逸出功与覆盖度的关系逸出功与覆盖度的关系最佳最佳( ) mmin，max，jmax2.3 蒸发与扩散的平衡蒸发与扩散的平衡阴极电子学 UESTC2013令：令：nsW内部的内部的Th原子浓度原子浓度nc W表面的表面的Th原子浓度原子浓度Qm当当nsnc，Th

8、由内部向表面扩散克服阻力而做功由内部向表面扩散克服阻力而做功(扩散能扩散能)QeTh从从W表面蒸发克服束缚力做功表面蒸发克服束缚力做功(蒸发能蒸发能) 第三章氧化物阴极 本章内容本章内容氧化物阴极的制备工艺探寻原因3.1节氧化物阴极的结构3.1节阴极电子学 UESTC20133.2节3.3节3.4节应用发射模型的探讨氧化物阴极的运用特性氧化物阴极的改进型式Lg iphh(eV)阴极电子学 UESTC20131 2 3 4 5 ED1ED2曲线1：激活前，光子能量3.8eV出现光电导最大值，相当于电子从价带跃迁到导 带所需能量；曲线2：激活后，光子能量减小后也呈现显著的光电导，可得两个能量为 1

9、.4eV(E01)和2.3eV(E01)的阈值，相当于两个施主能级的能量。图3-3 氧化物阴极光吸收、光电导曲线1 2 3 41-38mA 2-66mA 3-99mA 4-180mA阴极电子学 UESTC2013图3-6 氧化物阴极涂层内电阻率的分布基金属UaIt(a)特点：1）衰减符合指数规律2）若脉冲重复频率小，脉冲前沿幅度不变阴极电子学 UESTC2013Iat(b)图3-8 氧化物阴极的短时脉冲衰减(a) 电压波形；(b) 电流波形3）若脉冲重复频率高，脉冲前沿幅度变小4i0iT=715KT=700K特点：1）慢衰减2）电流下降速率与Tk有关，阴极电子学 UESTC201301 0T(

10、min)iT=625K图3-9 氧化物阴极的脉冲发射电流衰减T越大，下降越快第四章 其他类型的热阴极 本章内容 4.1 储备式阴极4.1 储备式阴极4.1.1 L阴极4.1.2 钡钨阴极4.1.3 储备式阴极的改进型式4.1.1 L阴极4.1.2 钡钨阴极4.1.3 储备式阴极的改进型式阴极电子学 UESTC20134.1.4 储备式阴极的蒸发4.1.4 储备式阴极的蒸发4.2 六硼化镧阴极4.2 六硼化镧阴极4.2.1 六硼化镧阴极的特性4.2.2 六硼化镧阴极的制备与结构4.2.1 六硼化镧阴极的特性4.2.2 六硼化镧阴极的制备与结构压制式钨酸盐压制式钨酸盐Ba-W阴极制备工艺阴极制备工

11、艺1. 制备活性物质BaCO3、 SrCO3、 WO3混合压块焙烧生成钨酸盐（Ba2Sr(WO6)2）2. 制备阴极（阴极成型+热处理）阴极电子学 UESTC2013钨酸盐、ZrH2、 W粉混合压制成型H2中烧结（1900）W粉烧结W海绵体钨酸盐熔融均匀分布于W海绵体中钨酸盐与ZrH2热分解生成自由BaBaZrO3与Ba向表面扩散浸渍式铝酸盐浸渍式铝酸盐Ba-W阴极制备工艺阴极制备工艺1. 制备活性物质BaCO3、Al2O3混合压制烧结生成铝酸盐（Ba3Al2O6）2. 制备海绵W基体阴极电子学 UESTC20133. 浸盐铝酸盐和粘结剂混合涂在W海绵体上H2炉中熔化(浸渍)W粉粒度分级压制成

12、型H2或真空中烧结海绵W阴极电子学 UESTC2013图4-5 覆膜浸渍钡钨阴极的组成膜层特点：1）逸出功高于钨2）不与钡形成金属间化合物3）不与阴极活性物质发生反应LaB6材料特性材料特性 逸出功低（逸出功低（2.43.2eV） 熔点高（熔点高（2210）蒸发率低蒸发率低硼原子金属原子阴极电子学 UESTC2013 蒸发率低蒸发率低 具有金属导电性具有金属导电性 机械强度高机械强度高 化学性质十分稳定，不与水、氧甚至也不与盐酸反应化学性质十分稳定，不与水、氧甚至也不与盐酸反应 不易中毒，室温下可反复暴露大气，可长期在大气中存储不易中毒，室温下可反复暴露大气，可长期在大气中存储5LaB6阴极的

13、制备阴极的制备冷压或热压LaB6粉多晶LaB6棒区域熔炼成单晶棒加工成型1、单晶LaB6阴极阴极电子学 UESTC2013加工成型2、多晶LaB6阴极（1）LaB6粉末沉积（2）压制式多晶LaB6粉冷压/热压高温烧结各类热阴极特性的应用各类热阴极特性的应用1、钨阴极（发射率小，但发射性能很稳定）、钨阴极（发射率小，但发射性能很稳定） 大功率发送管大功率发送管 电压高、真空度差的电子束加工和电子显微镜电压高、真空度差的电子束加工和电子显微镜 发射要求非常稳定的电子器件如电离真空计发射要求非常稳定的电子器件如电离真空计2、Th-W阴极（经碳化改进）阴极（经碳化改进）阴极电子学 UESTC2013

14、中、大功率管中、大功率管 电子束加工和电子显微镜电子束加工和电子显微镜3、氧化物阴极、氧化物阴极 中小功率电子管中小功率电子管4、储备式阴极、储备式阴极 超高频器件超高频器件热阴极的发展方向热阴极的发展方向1、提高发射电流密度、提高发射电流密度 降低逸出功降低逸出功2、降低噪声、降低噪声 发射稳定发射稳定阴极电子学 UESTC2013 发射稳定发射稳定3、长寿命、长寿命 工艺问题工艺问题热阴极的固有缺陷热阴极的固有缺陷1、消耗的加热功率大、消耗的加热功率大 消耗电能大消耗电能大 热辐射损坏周围器件热辐射损坏周围器件阴极电子学 UESTC20132、热惯性、热惯性 预热、冷却时间长预热、冷却时间

15、长 第五章场致电子发射第五章场致电子发射 本章内容本章内容什么是场致发射什么是场致发射探寻原因引言探寻原因引言5.15.3节建立模型节建立模型发射机理的探讨发射机理的探讨阴极电子学 UESTC2013材料和工艺材料和工艺实例说明（应用）实例说明（应用）5.4节节5.5节应用节应用场发射阴极优势场发射阴极优势 场发射阴极（冷阴极）场发射阴极（冷阴极） 电流密度大（电流密度大（107A/cm2）常温下工作常温下工作 热阴极热阴极 电流密度小（电流密度小（几百几百A/cm2）工作温度工作温度800阴极电子学 UESTC2013 常温下工作常温下工作 启动速度快、瞬间启动启动速度快、瞬间启动 不受温度和辐射影响不受温度和辐射影响 体积小体积小 工作温度工作温度800 预热时间长预热时间长 活性物质蒸发活性物质蒸发 笨重且效率低下笨重且效率低下6E EX X0 0(1) 微粒性微粒性曲线曲线a：零场热发射，：零场热发射，理查生理查生-德施曼公式（偶电层，镜像力，势垒无限宽）德施曼公式（偶电层，镜像力，势垒无限宽）x0 a -Ke2/(4x)WaWaE EF F曲线曲线b：弱电场：弱电场，肖特基效应，势垒很宽（热发射大于隧道发射），肖特基效应，势垒很宽（热发射大于隧道发射）b5.1.2 量子理论的定性