Измерение температуры термоэлектронов в вакуумном диоде, страница 3

Отметим три существенных для дальнейшего рассмотрения обстоятельства. Первое: в уравнении (8) потенциал анода должен отсчитываться от потенциала катода, а не от потенциала начала запирания тока анодом j*! Второе: ток I₀ является током диода при полном отсутствии его запирания, даже потенциалом объемного заряда j_min, то есть, "ричардсоновским" током, определяемым эмиссионной способностью катода. И, наконец, третье: как мы покажем ниже, поскольку катод и анод изготовлены из разных металлов, между ними возникает дополнительная внешняя контактная разность потенциалов, которую также необходимо учитывать при измерениях и обработке.

2.3. Контактная разность потенциалов.

При соединении двух нейтрально заряженных проводников между ними может произойти обмен электронов, в результате чего может возникнуть так называемая контактная разность потенциалов (КРП). Рассмотрим качественно это явление. Для электронов, находящихся в пространстве вблизи проводника, он представляет собой потенциальную яму, связанную с наличием работы выхода электронов w из него. Глубина потенциальной ямы равна этой работе выхода. Если работа выхода электронов из незаряженных проводников в пространство различна, это означает, что у них глубины ям различаются на разность работ выхода w₁ - w₂.

Для простоты рассмотрим случай отсутствия внешних полей. Тогда электрическое поле и потенциал в пространстве вблизи поверхности незаряженных изолированных проводников равны нулю. Если же привести их в контакт, электроны начинают перетекать в проводник с большей глубиной ямы, что не меняет ее глубины, т.е, работы выхода, поскольку количество перетекающих электронов пренебрежимо мало по сравнению с их полным количеством в проводнике. Однако, проводники заряжаются и их потенциалы начинают изменяться так, что энергетические уровни дна ям становятся равными. Тогда переход электронов прекращается. Это происходит при изменении разности потенциалов проводников на величину

Dj₁₂ = -(w₁ - w₂)/e.                                                             (10)

Соответственно, появляется разность потенциалов пространства вблизи поверхностей на эту же величину. Она и называется внешней контактной разностью потенциалов проводников, которую, собственно, и "чувствуют" находящиеся в вакууме электроны. Появление КРП иллюстрируется на Рис.2, где показаны потенциальные ямы для электронов (а) изолированных проводников и (б) находящихся в контакте. Проводник с большей работой выхода приобретает более отрицательный внешний потенциал.

В вакуумном диоде, так как анод и катод изготовлены из различных материалов, контактная разность потенциалов между ними отлична от нуля. У используемого в работе диода 2Д3Б катод изготовлен из торированного карбидированного вольфрама (т.е., вольфрама с примесью тория и углерода) с работой выхода около 2.6 эВ (точных данных нет, есть данные только на торированный вольфрам (w ~ 2.63 эВ [5], с.121 и [8], с.445) и карбид вольфрама W₂C (w ~ 2.6-4.58 эВ [3], с.569), а анод - из никеля (работа выхода около 4.5 эВ). Это означает, что в отсутствие внешнего напряжения U_изм, измеряемого вольтметром, анод из-за наличия КРП имеет внешний отрицательный потенциал относительно катода. КРП складывается с приложенным к диоду напряжением, и при задании измеренного вольтметром потенциала анода относительно катода равным величине U ⁰_изм = – U_КРП суммарная разность потенциалов равна нулю, то есть запирающее напряжение в диоде Uнеобходимо отсчитывать от значения U ⁰_изм = - U_КРП , а именно:

U = U_изм - U ⁰_изм

 В случае диода 2Д3Б запирающее напряжение в диоде Uпредположительно необходимо отсчитывать от измеряемого значения U⁰_изм ~ (4.5 - 2.6) = + 1.9 Вольт! Реальное же значение U_КРП  существенно зависит от состояния катода и от того, насколько гуманно он эксплуатировался

Пережог катода может приводить к потере поверхностным слоем вольфрама полезных примесей и увеличению его работы выхода, что приведет к уменьшению величины U⁰_изм .