Физические основы эмиссионной электроники

Н.Е. НИКИТИН, Е.П. ШЕШИН

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ЭМИССИОННОЙ  
ЭЛЕКТРОНИКИ

ФИЗТЕХОВСКИЙ УЧЕБНИК

Н.Е. Никитин, Е.П. Шешин 
Физические основы эмиссионной электроники: Учебное пособие / Н.Е. Никитин, Е.П. Шешин – Долгопрудный: Издательский 
Дом «Интеллект», 2018. – 576 с. 

ISBN 978-5-91559-247-5

В учебном пособии подробно, на доступном общефизическом уровне,  изложены модели основных явлений эмиссионной электроники: 
фотоэлектронной эмиссии, термоэлектронной эмиссии, автоэмиссии, 
вторичной эмиссии, взрывной эмиссии, поверхностной ионизации.
Приведенные в книге основные формулы сопровождаются подробными  выводами и объяснениями. Даны описания  некоторых 
экспериментальных методик,  а также принципы действия и конструктивные особенности применяемых на практике электровакуумных приборов. 
Пособие содержит краткую конспективную справку по тем вопросам квантовой теории, которые необходимы для  описания поведения 
заряженных частиц в твердом теле и на границе раздела конденсированная среда - вакуум.
Учебное пособие предназначено для студентов и преподавателей 
физических и технических специальностей университетов, а также 
для инженерно-технических специалистов, работающих в области 
физической электроники.   

© 2018, Н.Е. Никитин, Е.П. Шешин
© 2018, ООО Издательский Дом 
«Интеллект», оригинал-макет, 
оформление

ISBN 978-5-91559-247-5

ОГЛАВЛЕНИЕ

Ос н о в н ые обоз начения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
9

П р ед и с ловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
10

Глава 1. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ, 
СТАТИСТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ФИЗИКИ 
ТВЕРДОГО ТЕЛА  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
13

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
13
1.1. Основные принципы квантовой теории . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
16
1.1.1. Корпускулярно-волновой дуализм  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
16
1.1.2. Принцип неопределенности Гейзенберга  . . . . . . . . . . . . . . .  
18
1.1.3. Фазовое пространство. Квантовое состояние  . . . . . . . . . . . .  
23
1.1.4. Уравнение Шредингера. Волновая функция . . . . . . . . . . . . .  
27
1.1.5. Физический смысл уравнения Шредингера. Операторы . . . .  
34
1.1.6. Примеры решений уравнения Шредингера. . . . . . . . . . . . . .  
37
1.1.7. Квазиклассическое приближение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
48
1.2. Электроны в кристалле  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
52
1.2.1. Многочастичное уравнение Шредингера  . . . . . . . . . . . . . . .  
52
1.2.2. Спин электрона  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
54
1.2.3. Квантовая статистика Ферми-Дирака. Функция Ферми  . . . .  
55
1.2.4. Движение электрона в периодическом потенциальном поле. 
Теорема Блоха  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
64
1.2.5. Классификация твердых тел по типу проводимости. 
Металлы, полупроводники, диэлектрики  . . . . . . . . . . . . . . .  
77
1.3. Поверхность твердого тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
85
1.3.1. Модель Зоммерфельда  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
85
1.3.2. Контактная разность потенциалов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
87
1.3.3. Экранирование точечного заряда свободными носителями. 
Приповерхностный изгиб зон. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
89
Литература к главе 1  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
92

Глава 2. ФОТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ. . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
93

2.1. Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
93
2.2. Взаимодействие монохроматической электромагнитной волны 
с поверхностью проводника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
102

Оглавление
4

2.2.1. Задача о нормальном падении плоской электромагнитной 
волны на границу раздела: проводник/вакуум. . . . . . . . . . . .  
103
2.2.2. Аномальный скин-эффект  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
107
2.3. Элементарные представления о фотонах  . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
108
2.3.1. Свойства классического осциллятора . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
109
2.3.2. Электромагнитное поле в прямоугольном 
параллелепипеде. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
110
2.3.3. Осциллятор поля  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
111
2.3.4. Фотоны  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
115
2.3.5. Импульс фотона. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
118
2.3.6. Спин фотона  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
118
2.3.7. Законы сохранения при взаимодействии электронов 
с фотонами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
119
2.4. Основные характеристики фотоэлемента с внешним 
фотоэффектом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
120
2.4.1. Квантовый выход . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
120
2.4.2. Спектральная чувствительность  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
121
2.4.3. Интегральная чувствительность  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
121
2.4.4. Вольт-амперная характеристика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
122
2.4.5. Световая характеристика фотоэлемента  . . . . . . . . . . . . . . . .  
122
2.4.6. Частотная характеристика фотоэлемента  . . . . . . . . . . . . . . .  
122
2.4.7. Темновой ток фотоэлемента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
122
2.4.8. Утомляемость фотокатода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
123
2.5. Фотоэмиссия из металлов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
123
2.5.1. Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
123
2.5.2. Распределение фотоэлектронов по энергии  . . . . . . . . . . . . .  
127
2.5.3. Фотоэмиссия электронов из металла при большой 
энергии фотонов. Нормальный фотоэффект. . . . . . . . . . . . .  
128
2.5.4. Селективный фотоэффект  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
129
2.6. Влияние контактной разности потенциалов на характеристики 
вакуумного фотоэлемента. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
131
2.6.1. Контактная разность потенциалов равна нулю . . . . . . . . . . .  
132
2.6.2. Работа выхода анода больше работы выхода катода  . . . . . . .  
134
2.6.3. Работа выхода катода больше работы выхода анода  . . . . . . .  
136
2.7. Модель Фаулера. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
137
2.7.1. Основные предположения. Постановка задачи . . . . . . . . . . .  
139
2.7.2. Вывод формулы Фаулера  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
141
2.7.3. Метод Фаулера и метод Дюбриджа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
145
2.8. Фотоэмиссия из полупроводников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
147
2.8.1. Собственный полупроводник. Низкие температуры  . . . . . . .  
148
2.8.2. Примесный полупроводник р-типа. 
Низкие температуры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
150
2.8.3. Глубина выхода фотоэлектронов из полупроводника  . . . . . .  
153
2.8.4. Влияние загиба зон у поверхности катода 
на квантовый выход . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
154
2.9. Эффективные фотокатоды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
156
2.9.1. Сурьмяно-цезиевый фотокатод. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
157

Оглавление

2.9.2. Кислородно-цезиевый катод. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
160
2.9.3. Современное применение вакуумных фотоэлементов . . . . . .  
161
Литература к главе 2  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
162

Глава 3. ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ  . . . . . . . . . . . . . . . . .  
163

3.1. Теория термоэлектронной эмиссии  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
163
3.2. Распределение термоэлектронов по скоростям . . . . . . . . . . . . . . .  
168
3.3. Термоэлектронная работа выхода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
171
3.3.1. Метод полного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
172
3.3.2. Метод прямых Ричардсона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
174
3.3.3. Калориметрический метод  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
176
3.3.4. Метод контактной разности потенциалов . . . . . . . . . . . . . . .  
177
3.3.5. Электронно-оптические методы исследования 
термокатодов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
179
3.4. Эффект Шоттки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
179
3.5. Термоэлектронные катоды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
189
3.5.1. Классификация термоэлектронных катодов  . . . . . . . . . . . . .  
190
3.5.2. Вольфрамовый катод  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
194
3.5.3. Пленочные катоды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
195
3.5.4. Оксидный катод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
199
3.5.5. Другие типы термокатодов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
216
3.5.6. Эмиссионная «пятнистость» термокатодов . . . . . . . . . . . . . .  
220
3.5.6.1. Экспериментальное исследование 
эмиссионных пятен.  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
220
3.5.6.2. Эффективная работа выхода при наличии 
эмиссионных пятен. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
222
3.5.6.3. Поле пятен и его влияние на эффект Шоттки . . . . . .  
224
3.6. Шумы термоэлектронной эмиссии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
226
3.7. Электровакуумные приборы с термоэлектронными катодами . . . .  
230
3.7.1. Влияние объемного заряда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
230
3.7.2. Вакуумный диод. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
235
3.7.3. Вакуумный триод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
237
3.7.4. Сверхвысокочастотные лампы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
242
3.7.4.1. Дисковые (пролетные) триоды. . . . . . . . . . . . . . . . . .  
242
3.7.4.2. Клистрон. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
244
3.7.4.3. Магнетрон.  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
249
3.7.4.4. Лампа бегущей волны.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
254
3.7.4.5. Лампа обратной волны  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
256
Литература к главе 3  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
257

Глава 4. АВТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
258

4.1. Теория автоэлектронной эмиссии  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
258
4.1.1. Классическая теория автоэмиссии. 
Модель Фаулера–Нордгейма  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
259
4.1.2. Структура поверхности металлического 
острийного автокатода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
266

Оглавление
6

4.1.3. Распределение работы выхода электронов 
по поверхности автокатода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
274
4.1.4. Предельные плотности тока АЭЭ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
282
4.2. Автоэлектронные катоды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
287
4.2.1. Острийные автокатоды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
287
4.2.2. Многоострийные автокатоды  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
294
4.2.3. Лезвийные и проволочные автокатоды . . . . . . . . . . . . . . . . .  
298
4.2.4. Лезвийные и пленочные автокатоды. . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
304
4.2.5. Автоэлектронные катоды из нитевидных кристаллов  . . . . . .  
310
4.3. Автоэлектронные катоды из углеродных материалов  . . . . . . . . . .  
315
4.3.1. Некоторые сведения об углеродных материалах  . . . . . . . . . .  
316
4.3.2. Углеродные волокна. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
322
4.3.3. Углеродные нанотрубки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
330
4.3.4. Неориентированные структуры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
338
4.3.5. Углеродные фольги  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
342
4.3.6. Улучшение эмиссионных свойств углеродных 
автокатодов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
350
4.3.6.1. Формовка автокатодов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
350
4.3.6.2. Предварительная обработка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
352
4.3.6.3. Покрытие и легирование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
354
4.4. Автоэлектронная микроскопия и спектроскопия  . . . . . . . . . . . . .  
357
4.4.1. Принцип автоэлектронной микроскопии . . . . . . . . . . . . . . .  
357
4.4.2. Основные области применения автоэлектронной 
микроскопии  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
363
4.4.3. Конструкции автоэлектронных микроскопов  . . . . . . . . . . . .  
364
4.4.4. Распределение автоэлектронов по полным энергиям  . . . . . .  
367
4.4.5. Анализаторы полных энергий автоэлектронов  . . . . . . . . . . .  
372
4.5. Основные проблемы автоэлектронных катодов 
и пути их решения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
377
4.5.1. Создание в приборах с автокатодами сверхвысокого 
вакуума  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
378
4.5.2. Подогрев автокатода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
378
4.5.3. Использование импульсных режимов работы . . . . . . . . . . . .  
379
4.5.4. Уменьшение межэлектродного расстояния . . . . . . . . . . . . . .  
380
4.5.5. Уменьшение работы выхода электронов из автокатода . . . . .  
381
4.5.6. Создание статистически стабильной микроструктуры 
эмитирующих центров  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
381
4.6. Приборы и устройства на основе автокатодов  . . . . . . . . . . . . . . .  
382
4.6.1. Источники света  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
382
4.6.2. Плоские дисплейные экраны  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
389
4.6.3. Рентгеновские трубки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
392
4.6.4. Приборы СВЧ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
395
4.6.5. Электронные пушки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
398
Литература к главе 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
401
Приложения к Главе 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
402

Оглавление

Глава 5. ВТОРИЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ  . . . . . . . . . . . .  
405

5.1. Основные количественные характеристики ВЭЭ  . . . . . . . . . . . . .  
405
5.2. Методики эксперимента. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
407
5.2.1. Развитие экспериментальных методик  . . . . . . . . . . . . . . . . .  
408
5.2.2. Эксперименты ВЭЭ «на пролет». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
414
5.2.3. Измерение ВЭЭ при малой энергии первичного пучка. . . . .  
415
5.2.4. Особенности экспериментального исследования ВЭЭ 
собственных полупроводников и диэлектриков  . . . . . . . . . .  
417
5.3. Основные экспериментальные результаты  . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
419
5.3.1. Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
419
5.3.2. Зависимость коэффициента вторичной эмиссии 
от энергии первичного пучка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
420
5.3.3. Качественная модель ВЭЭ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
421
5.3.4. Распределение вторичных электронов по энергиям  . . . . . . .  
424
5.3.5. Энергетический спектр вторичных электронов . . . . . . . . . . .  
425
5.3.6. Упруго отраженные электроны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
427
5.3.7. Неупруго отраженные электроны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
428
5.3.8. Оже-спектроскопия  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
431
5.3.9. Неупругое отражение электронов с непрерывным 
энергетическим спектром . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
434
5.3.10. Аномальная ВЭЭ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
434
5.4. Статистика ВЭЭ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
436
5.5. Модель Брюининга. Закон подобия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
438
5.6. Применение ВЭЭ. Умножители электронного потока  . . . . . . . . .  
442
5.6.1. Эффективные вторичные эмиттеры  . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
444
Литература к главе 5  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
445
Приложения к Главе 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
446

 Глава 6. ИОНИЗАЦИЯ АТОМОВ НА ПОВЕРХНОСТИ 
ТВЕРДЫХ ТЕЛ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
450

6.1. Общие сведения. Свойства атомов и ионов  . . . . . . . . . . . . . . . . .  
450
6.1.1. Водородоподобный атом. Классификация атомных 
уровней энергии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
452
6.1.2. Термическое возбуждение электронов в атоме  . . . . . . . . . . .  
465
6.2. Ионизационное равновесие  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
470
6.2.1. Формула Саха. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
470
6.2.2. Равновесие ионизованного газа с поверхностью катода. 
Формула Саха–Ленгмюра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
477
6.2.3. Общие свойства адсорбированного атома . . . . . . . . . . . . . . .  
480
6.2.4. Испарение адатома с подложки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
486
6.3. Ионизация на неоднородных поверхностях  . . . . . . . . . . . . . . . . .  
488
6.3.1. Пятнистые катоды  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
488
6.4. Поверхностная ионизация в слабых полях . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
492
6.5. Особенности наблюдения поверхностной ионизации . . . . . . . . . .  
494
6.5.1. Термоионный ток. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
494

Оглавление
8

6.5.2. Температурный порог ионного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
495
6.5.3. Особенности отрицательной поверхностной ионизции . . . . .  
496
6.5.4. Состояние экспериментальных исследований. . . . . . . . . . . .  
498
Литература к главе 6  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
499
Приложения к главе 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
500

Глава 7. ВЗРЫВНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ. . . . . . . . . . . . . .  
505

7.1. Инициирование взрывной электронной эмиссии . . . . . . . . . . . . .  
505
7.1.1. Автоэлектронная эмиссия с большой плотностью тока. . . . .  
505
7.1.2. Предвзрывные процессы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
508
7.1.3. Особенности автоэлектронной эмиссии 
с плоской поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
514
7.2. Роль плазмы в инициировании взрывной электронной 
эмиссии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
517
7.2.1. Катодная плазма. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
518
7.2.2. Моделирование катодной плазмы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
523
7.2.3. Эмиссия электронов из катодной плазмы в вакуум. . . . . . . .  
526
7.2.4. Анодная плазма  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
528
7.3. Формирование микрорельефа электродов при взрывной 
электронной эмиссии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
532
7.3.1. Микрорельеф катода  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
533
7.3.2. О механизме самоподдержания взрывной 
электронной эмиссии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
540
7.4. Ток взрывной эмиссии электронов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
545
7.4.1. Режим насыщения и пороговой ток взрывной 
эмиссии электронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
547
7.4.2. Управление током взрывной эмиссии электронов. . . . . . . . .  
550
7.5. Теоретические модели взрывоэмиссионных процессов . . . . . . . . .  
553
7.5.1. Эрозионно-эмиссионная модель взрывной эмиссии 
эмиссионного центра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
554
7.5.2. Нестационарная гидродинамическая модель явлений 
в эмиссионном центре . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
557
7.6. Взрывоэмиссионные катоды и приборы на их основе. . . . . . . . . .  
561
7.6.1. Вольт-амперная характеристика диода с одиночным 
катодным факелом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
562
7.6.2. Сильноточные взрывоэмиссионные катоды  . . . . . . . . . . . . .  
565
7.6.3. Применение взрывоэмиссионных катодов  . . . . . . . . . . . . . .  
570
Литература к главе 7  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
572

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 
КО ВСЕМ ГЛАВАМ

ε 
— энергия электрона, атома, иона
μ 
— электрохимический потенциал (энергия Ферми)
f (ε) — функция распределения Ферми-Дирака
ϕ 
— термоэмиссионная (термодинамическая) работы выхода 
электронов
E, H — напряженности электрического и магнитного полей
W 
— высота потенциального барьера на границе раздела твердое 
тело- вакуум в модели Зоммерфельда
I 
— сила электрического тока электронов (ионов)
i 
— плотность тока электронов (ионов)
j 
— плотность потока частиц
D 
— прозрачность (коэффициент прохождения) потенциального 
барьера
R 
— коэффициент отражения
P 
— давление
р 
— импульс электрона
v 
— скорость (электрона, иона)

Мировые постоянные

Заряд электрона е = 1, 602·10–19 Кл
Масса электрона m = 9,109·10–31 кг
Постоянная Планка h = 6,626·10–34 Дж·с; = 1,055·10–34 Дж·с
Скорость света в вакууме с = 2,998·10–8 м/с
Электрическая постоянная ε0 = 8,854·10–12 Ф/м
Постоянная Больцмана k = 1,381·10–23 Дж/К

Постоянная Зоммерфельда A
mk
h
0

2

3
4
120 4
=
=
π
,
A·K–2·см–2

Постоянная Стефана–Больцмана σ = 5,670·10–8 Вт·м–2·К-2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Длительное время примерно с 10-х до 60-х годов 
XX столетия электровакуумные элементы электронной техники 
(диоды, триоды, газоразрядные приборы, многоэлектронные лампы, 
электронно-лучевые трубки, и т.д.) были основными компонентами 
электронных приборов и устройств и занимали среди других типов 
элементов монопольное положение. Почти вся элементная база 
приборов связи, автоматики и телемеханики была электровакуумной. На электронных лампах были реализованы и первые ЭВМ. Но 
в конце 1950-х годов началось вытеснение вакуумных электронных 
приборов твердотельными. Причина этого общеизвестна — это 
конкурентные преимущества твердотельных полупроводниковых 
приборов по сравнению с электровакуумными. В первую очередь 
это возможность реализовать миниатюризацию и высокую степень 
интеграции элементов в автоматизированном производстве, малые 
габариты и вес, низкое энергопотребление, низкая себестоимость. 
И в настоящее время электровакуумные элементы практически не 
применяются в производстве электронной аппаратуры широкого 
потребления. Это обстоятельство порождает, особенно среди неспециалистов, неправильное суждение, что «вакуумная электроника 
неперспективна и безнадежно устарела» и т.п.
На деле все обстоит не так. Сменилась только область применения 
вакуумной электроники. Центр тяжести вакуумной электроники переместился из производства массовой радиоэлектронной аппаратуры 
в экспериментальную физику и технику, поиск и изучение фундаментальных физических явлений на границе раздела: конденсированная 
среда — вакуум, создание новых технологий и приборов, конструирование прецизионной аппаратуры для физических исследований и 
диагностики. В последние десятилетия вплоть до настоящего времени 
в странах с передовой наукой и технологией вакуумное электронное приборостроение интенсивно развивается и охватывает самые