ở nhiệt độ bình thường, nếu điện trường tăng cao hơn 1010 V/m, sự bức xạ điện tử gây lên bởi điện trường.
W(eV)
Kim loại Chân không
5 10 15 20 X (10-10 m)
WF Mức Fermi
Hình dung một điện tử muốn được giải thoát từ vùng dẫn của kim loại có mức năng lượng là W, hàng rào năng lượng không thể có chiều dày vô cùng mà phải là hữu hạn và xác suất điện tử vư
ợt qua hàng rào năng lượng của kim loại sang vùng chân không là khác 0
Một bề mặt điện cực bằng kim loại được giả thiết là bức xạ điện tử dưới tác dụng của điện trường mạnh, ngay cả trong trường hợp nhiệt độ tuyệt đối (T ≈0 K). Hiện tượng giải thoát điện tử bởi điện trường là do hàng rào năng lượng trên bề mặt điện cực bị biến đổi dưới tác dụng của điện trường ngoài.
11/08/15 Page 22
Mật độ dòng điện ở nhiệt độ K xác định theo quan hệ Fowler-Nordheim
( ) ( )
J B t y E B v y
= − E
1 2
2
2
1 1 5
Φ
exp Φ
, y=3,79.10-5E0,5F-1; B1, B2 : các hằng số
B1 = 1,541.10-6 (A.eV.V-2); B2 =6,83.109 (V.m-1.eV0,5) t(y) và v(y) là hai hàm của y
F là công thoát
Trên đầu mút của các điểm này điện trường tăng cao hẳn so với điện trường trung bình và đặc trư
ng bởi hệ số khuyếch đại điện trường β
ở nhiệt độ 0 K, hầu hết các điện tử được giải thoát bởi cơ chế bức xạ điện tử từ mức Fermi từ bề mặt âm cực
Trong kim loại, mức Fermi là mức năng lượng cao nhất của điện tử trong vùng dẫn
Các kết quả nghiên cứu về phóng điện trong chân không đều dựa trên giả thiết cho rằng hiện tư
ợng giải thoát điện tử xuất phát từ một số điểm cực nhỏ (micropoint) do sự gồ ghề trên bề mặt
điện cực mà tại đó điện trường đạt giá trị tới hạn
11/08/15 Page 23
Emax = βEtb=U/d
Phương trình Fowler-Nordheim biểu diễn quan hệ dòng điện qua chân không và điện áp có dạng
( ) ( )
U d y
B B
S
d y t U
I
e
1 302
, log 2
log
5 , 1 2
2 1
2 2
2 β
ν β
− Φ
Φ
−
=
Se là diện tích điện cực; I=J.Se.
Nếu ta vẽ quan hệ I(V) trong hệ trục toạ độ log(I/U2) và 1/U thì độ nghiêng của đường thẳng cho phép xác định được hệ số b :
β ν ( )
= B y α d tg
2
1 5
2 302 Φ , ,
11/08/15 Page 24
Sự giải thoát điện tử do điện trường làm bay hơi kim loại vùng điện cực. sự bốc hơi kim loại vùng âm cực do hiệu ứng Joule hoặc kiệu ứng Nottingham. Có vẻ như là sự nóng lên của các vi điểm trên bề mặt âm cực có thể đối với khoảng cách d nhỏ. Đối với các khoảng cách lớn hơn và ở điện áp cao hơn, các điện tử có năng lượng lớn bắn phá anode và làm kim loại bay hơi
Phân tích các kết quả thí nghiệm đối với nhiều kim loại khác nhau và với điều kiện là các chất khí và các tạp chất không gây ô nhiễm bề mặt điện cực, Farral đánh giá cường độ điện trường tới hạn Ec nằm trong khoảng 5.109 V/m đến 18.109 V/m tuỳ từng kim loại.
11/08/15 Page 25
7.2.4 Phóng điện chọc thủng
Các cơ chế dẫn đến phóng điện trong chân không được dựa trên sự thực của các quá trình vật lý xảy ra trong điện trường mạnh nhưng còn phụ thuộc vào sự hiểu biết chưa đầy đủ về phóng
điện trong chân không
các điện tử được tăng tốc trong điện trường mạnh bắn phá và truyền năng lư
ợng đốt nóng và làm bốc hơi phần bề mặt anode cũng là nguyên nhân dẫn đến phóng điện
Field electron emision
dòng điện do sự bức xạ điện tử do điện trường di qua một số vi điểm gồ ghề trên bề mặt âm cực (cathode) làm cho chúng nóng đến điểm nóng chảy và bốc hơi
sau đó các điện tử dẫn đến phóng điện
Quá trình giải thoát điện tử, ion và các photon thứ cấp quá trình phóng điện xảy ra theo trình tự tích luỹ
Các hạt này gắn bó một cách rất yếu với điện cực do vậy chúng có thể dễ dàng tách khỏi điện cực và di chuyển đến điện cực đối diện khi có điện trường bên ngoài. Khi tiếp xúc với điện cực, chúng tạo ra các điều kiện dẫn đến phóng điện như là : hình thành một dạng vi phóng điện giữa chúng với điện cực, tự nóng chảy và bốc hơi hoặc làm biến dạng bề mặt điện cực.
Các vi hạt kim loại hay tạp chất
11/08/15 Page 26
Điện áp một chiều : Uct=k1d nếu d≤1 mm, k1 = 3 đến 8.104 V/mm
Uct=k2dα nếu d≤1 mm, k1 = 4 đến 4,5.104 V/mm, α=0,6 Chân không được sử dụng làm cách điện trong nhiều thiết bị cao áp : ống máy chụp tia X, kính hiển vi điện tử, máy cắt, dao cách ly, tụ điện...làm việc ở áp suất thấp 10-7 torr (10-2 Pa). Trong dải
áp suất 10-5-10-8 torr độ bền điện của chân không không phụ thuộc vào áp suất, đạt giá trị rất cao 108 V/m.
Kết quả thực nghiệm cho phép xác định các công thức thực nghiệm về điện áp phóng điện chọc thủng của chân không (Naidu và Maller, 1979)
Điện áp xoay chiều : Uct=45d0,8 với 0,05≤d≤1,5 mm Uct=57d0.3 víi 1,5<d≤2.8 mm
11/08/15 Page 27
7.3 Phóng điện trong chất khí
a) Quá trình ion hoá
Ion hoá trong đó ion hoá va chạm là những nguyên nhân quan trọng nhất đến sự hình thành và phátt triển phóng điện ttrong các chất khí.
i) ion hoá va chạm : khi điện tử va chạm vào các phân tử khí trung hoà, động năng của chúng sẽ
được truyền cho nhau và ion hoá chỉ xảy ra nếu năng lượng của điện tử lớn hơn năng lượng ion hoá Wi có nghĩa là
m ve Wi
2
2 ≥ hoặc eEx W ≥ i me là khối lượng của điện tử;
v -vận tốc chuyển động;
x là quãng đường chuyển động
ii) ion hoá quang : năng lượng cần thiết để gây ion hoá có thể lấy từ các bức xạ sóng ngắn theo
điều kiện
h W c h
ν ≥ i ⇒ λ ≤
i
W
. λ- độ dài bước sóng λν - tần số bức xạ c - vận tốc ánh sáng
Tuỳ thuộc vào dạng năng lượng cung cấp cho điện tử mà có các dạng ion hoá sau đây
11/08/15 Page 28
iv) ion hoá bề mặt : là dạng ion hoá xảy ra trên bề mặt điện cực do các cơ chế mà chúng ta
đã đề cập đến trong các phần trước (hiệu ưng Schottky và hiệu ứng Fowler-Nordheim) hoặc do sự bắn phá bề mặt âm cực bởi các ion dương, các photon. Muốn giải thoát điện tử khỏi bề mặt kim loại cũng cần một năng lượng nhất định gọi là công thoát Φ.
iii) ion hoá nhiệt : ở nhiệt độ cao có thể xảy ra quá trình ion hoá va chạm do chuyển động nhiệt mãnh liệt, ion hoá do bức xạ nhiệt khi bị nung nóng
11/08/15 Page 29
b) Hình thành và phát triển thác điện tử
Giả thiết là ban đầu trên cathode (x=0) có no điện tử khởi đầu..
Dưới tác dụng của điện trường, các điện tử sẽ bay về phía anode, va chạm vào các phân tử khí và gây ion hoá với hệ số ion hoá α
Quátrình ion hoá va chạm đã xét trong chương dẫn điện sẽ làm cho số lượng các điện tử mới xuất hiện trong chất khí tăng lên nhanh chóng (Slide 211)
Do đó sẽ dẫn đến hình thành một thác điện tử trong khu vực giữa hai điện cực.
+
-
d
x=0 x x+dx
11/08/15 Page 30
Sau khi chuyển động hết quãng đường dx số điện tử sẽ tăng thêm
dn = α ndx
Nếu điện trường đồng nhất (E=constant) hệ số ion hoá va chạm α là hằng số, nên ta có
dn ( )
n dx n n d
no
n d
∫ = ∫ α ⇒ = o α 0
exp
no là số các điện tử sơ cấp xuất hiện ở mức x=0, tức là trên cathode Như vậy số điện tử tăng theo hàm mũ.
( ) ( )
I Q e n = = . .expo α d = Io exp α d
Do đó ta có thể tính được dòng điện qua chất khí ( Slide 232)
( ) E e d
n
J = o . .
11/08/15 Page 31
Điện tử do nhẹ, linh hoạt hơn nên có vận tốc chuyển động lớn hơn, dễ khuyếch tán hơn và dồn vào khu vực đầu thác, còn các ion dương do khối lượng lớn chuyển động với tốc độ chậm hơn và phân bố ở phần sau và đuuôi của thác điện tử
Quá trình này chưa thể gọi là phóng điện chọc thủng vì chưa tạo thành dòng điện lưu thông giữa hai điện cực. Như vậy sự phát triển của một thác điện tử chấm dứt.
Sự xuất hiện các điện tử luôn luôn đi đôi với sự xuất hiện của các ion dương.
Các điện tử và các ion dương tập hợp thành thác điện tử.
Dưới tác dụng của điện trường, quá trình ion hoá diễn ra không ngừng.
Thác điện tử càng được phát triển về kích thước cũng như số lượng điện tích trong thác. Khi tiếp cận với điện cực dương, các điện tử của thác sẽ bị trung hoà trên điện cực
Để có thể duy trì phóng điện cần thiết phải xuất hiện các điện tử mới để hình thành các thác điện tử mới
11/08/15 Page 32
Các điện tích tồn tại trong thác điện tử được xem như các điện tích không gian nên sẽ gây nên sự biến dạng của điện trường giữa hai bản cực:
nhưng phía sau đầu thác điện trường lại giảm.
phía đầu thác điện trường được tăng cường
Các điện tử mới phải được tạo nên ngay từ các quá trình xảy ra trong khe hở mà không phải là do các yếu tố gây ion hoá bên ngoài và phải xuất hiện trước khi thác điện tử thứ nhất kết thúc.
11/08/15 Page 33
c) Phóng điện tự duy trì
Trong đó khả năng giải thoát điện tử từ bề mặt âm cực đóng vai trò quan trọng và thường xảy ra ở
áp suất thấp vì do mật độ phân tử không lớn, các ion dương cũng như các hạt photon có thể bay về
đến âm cực mà không bị các phân tử khí hấp thụ.
Chúng được gọi là những điện tử thứ cấp
Chúng được phát sinh trong các khả năng sau
sự giải thoát điện tử từ bề mặt âm cực do sự bắn phá của các ion dương hoặc do hiệu ứng quang (do sự bức xạ của thác điện tử sơ cấp);
ion hoá quang trong nội bộ chất khí.
Quá trình được phát triển theo khả năng nào còn tuỳ thuộc vào áp suất khí.
ở áp suất cao khả năng này bị han chế vì mật độ phân tử khí lớn hơn sẽ cản trở các ion dương và các photon dến điện cực.
11/08/15 Page 34
Phóng điện hồ quang Phóng điện vầng quang Phóng điện tia lửa
Phóng điện toả sáng : xảy ra ở áp suất thấp, dòng plasma có điện dẫn không lớn Người ta phân biệt một số dạng phóng điện sau
Quá trình phóng điện trong chất khí là quá trình hình thành dòng plasma trong toàn bộ hay một phần khe hở
Các vấn đề trình bày trên đây là các quá trình chủ yếu của phóng điện.
Giai đoạn tiếp theo phụ thuộc vào dạng điện trường của khe hở giữa các điện cực
11/08/15 Page 35