للحصول على تدفق الإلكترونات الحرة في الأجهزة الإلكترونية يوجد قطب كهربائي خاص أو أشباه الموصلات - الكاثود.

لكي تتجاوز الإلكترونات الكاثود ، من الضروري إعلام نانومتر من الخارج ببعض الطاقة الكافية للتغلب على القوى المعارضة. اعتمادًا على طريقة نقل طاقة إضافية إلى الإلكترونات ، يتم تمييز الأنواع التالية من انبعاث الإلكترون:

• حراري، حيث يتم إعطاء طاقة إضافية للإلكترونات نتيجة لتسخين الكاثود ؛
• الكهروضوئية، حيث يعمل الإشعاع الكهرومغناطيسي على سطح الكاثود ؛
• الثانوية الإلكترونية، وهو نتيجة قصف الكاثود بتيار من الإلكترونات أو الأيونات التي تتحرك بسرعة عالية ؛
• كهرباء، حيث يخلق مجال كهربائي قوي بالقرب من سطح الكاثود قوى تساهم في هروب الإلكترونات إلى ما وراء حدوده.

دعونا نفكر بمزيد من التفصيل في كل نوع من الأنواع المدرجة لانبعاثات الإلكترون.

انبعاث حراري.كانت ظاهرة الانبعاث الحراري معروفة بالفعل في نهاية القرن الثامن عشر. تم تحديد عدد من الانتظامات النوعية لهذه الظاهرة بواسطة V.V. Petrov (1812) ، T.L Edison (1889) ، وبحلول الثلاثينيات ، تم تحديد التبعيات التحليلية الرئيسية للانبعاثات الحرارية.

عند تسخين المعدن ، يتغير توزيع طاقة الإلكترونات في نطاق التوصيل (الشكل 1 ، منحنى 2). تظهر الإلكترونات بطاقة تتجاوز مستوى فيرمي. يمكن لهذه الإلكترونات الهروب من المعدن ، مما يؤدي إلى انبعاث الإلكترونات. يعتمد حجم تيار الانبعاث الحراري على درجة حرارة الكاثود ووظيفة العمل وخصائص السطح (معادلة ريتشاردسون-داشمان):

أين جيهي كثافة تيار الانبعاث ، A / cm² ؛ لكن- ثابت الانبعاث ، اعتمادًا على خصائص السطح المشع ومساوي لمعظم المعادن النقية - 40 ... 70 أمبير / (سم² K² ') ؛ تيهي درجة الحرارة المطلقة للكاثود. ه- قاعدة اللوغاريتمات الطبيعية (e = 2.718) ؛ eφoهي وظيفة عمل إلكترون من معدن ، J ؛ κ \ u003d 1.38 10‾²³ J / K - ثابت بولتزمان.

المعادلة أعلاه للانبعاث الحراري صالحة للمعادن. بالنسبة لأشباه موصلات الشوائب ، هناك اعتماد مختلف نوعًا ما ، لكن العلاقة بين تيار الانبعاث ودرجة الحرارة ووظيفة العمل تظل كما هي من الناحية النوعية. توضح المعادلة أن حجم تيار الانبعاث يعتمد إلى أقصى حد على درجة حرارة الكاثود. ومع ذلك ، مع زيادة درجة الحرارة ، يزداد معدل تبخر مادة الكاثود بشكل حاد ويقل عمر خدمتها. لذلك ، يجب أن يعمل الكاثود في نطاق محدد بدقة من درجات حرارة التشغيل. يتم تحديد الحد الأدنى لدرجة الحرارة من خلال إمكانية الحصول على الانبعاث المطلوب ، ويتم تحديد الحد الأعلى عن طريق تبخر أو ذوبان المادة المنبعثة.

تتأثر قيمة تيار الانبعاث بشكل كبير بالمجال الكهربائي الخارجي المتسارع الذي يعمل بالقرب من سطح الكاثود. هذه الظاهرة تسمى تأثير شوتكي. تعمل قوتان على إلكترون يخرج من الكاثود في وجود مجال كهربائي خارجي - قوة الجذب الكهربائي التي تعيد الإلكترون ، وقوة المجال الخارجي التي تسرع الإلكترون في الاتجاه من سطح الكاثود. وبالتالي ، فإن مجال التسارع الخارجي يقلل من الحاجز المحتمل ، ونتيجة لذلك تنخفض وظيفة عمل الإلكترونات من الكاثود ويزداد انبعاث الإلكترون.

الانبعاث الكهروضوئي.لأول مرة ، لوحظ ظاهرة انبعاث الإلكترونات الضوئية (أو التأثير الكهروضوئي الخارجي) من قبل G. Hertz في عام 1887. وقد تم إجراء الدراسات التجريبية التي جعلت من الممكن إقامة علاقات كمية لانبعاثات الإلكترونات الضوئية بواسطة A.G. Stoletov في عام 1888. القوانين الرئيسية من التأثير الكهروضوئي أوضحه أ. أينشتاين على أساس نظريات الفوتون للضوء. وفقًا لهذه النظرية ، يمكن نقل الطاقة المشعة وامتصاصها ليس في شكل تيار مستمر ، ولكن فقط في أجزاء معينة (كوانتا) ، ولكل كم كمية من الطاقة hv، حيث h هو ثابت بلانك ، و الخامسهو تردد الإشعاع. وبالتالي ، فإن الإشعاع الكهرومغناطيسي (الضوء المرئي وغير المرئي ، والأشعة السينية ، وما إلى ذلك) هو تيار من كمات الطاقة الفردية ، تسمى الفوتونات. عند السقوط على سطح الكاثود الضوئي ، يتم إنفاق طاقة الفوتون على نقل طاقة إضافية إلى الإلكترونات. بسبب هذه الطاقة ، إلكترون مع كتلة أنايقوم بعمل الخروج ووويكتسب سرعة ابتدائية Vo ، والتي يتم التعبير عنها رياضيًا بواسطة معادلة أينشتاين:

يمكن أن يتجاوز الإلكترون الكاثود إذا كانت وظيفة العمل أقل من الطاقة الكمومية ، لأن السرعة الابتدائية فقط في ظل هذه الظروف Voومن هنا تأتي الطاقة الحركية للإلكترون:

نلاحظ السمات الرئيسية للتأثير الكهروضوئي:

• عندما يتم تشعيع سطح الكاثود الضوئي بتدفق مشع لتكوين طيفي ثابت ، يكون تيار انبعاث الإلكترون الضوئي متناسبًا مع شدة التدفق (قانون ستوليتوف):

أين إذاهي قيمة التيار الضوئي ؛ Fهو حجم التدفق الإشعاعي ؛ إلىهو معامل التناسب الذي يميز حساسية سطح الكاثود الضوئي للإشعاع.

• تزداد سرعة الإلكترونات المنبعثة من الكاثود الضوئي ، وكلما زاد التردد الخامسإشعاع ممتص تزداد الطاقة الحركية الأولية للإلكترونات الضوئية خطيًا مع زيادة التردد v.
• يتم ملاحظة التأثير الكهروضوئي فقط عند التشعيع بتدفق مشع بتردد V ≥ Vcr، حيث Vcr هو التردد الحرج ، ويسمى "الحد الأحمر" للتأثير الكهروضوئي. الطول الموجي الحرج:

حيث c هي سرعة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية. في λ> λk، لا يوجد انبعاث ضوئي.

• التأثير الكهروضوئي هو عمليا خمول ، أي لا يوجد تأخير بين بداية التشعيع وظهور الإلكترونات الضوئية (لا يتجاوز وقت التأخير 3 10∧-9 ثوانٍ).

كما في حالة الانبعاث الحراري ، فإن زيادة قوة المجال الكهربائي الخارجي بالقرب من الكاثود الضوئي تزيد أيضًا من انبعاث الإلكترون الضوئي عن طريق خفض الحاجز المحتمل للكاثود. في هذه الحالة ، يتم تحويل عتبة التأثير الكهروضوئي نحو أطوال موجية أطول.

كلما انخفضت وظيفة عمل المعدن الذي يتكون منه الكاثود الضوئي ، انخفض تردد الحد الأقصى لهذا الكاثود الضوئي. على سبيل المثال ، لكي يكون الكاثود الضوئي حساسًا للضوء المرئي ، يجب أن تحتوي مادته على وظيفة عمل أقل من 3.1 فولت. وظيفة العمل هذه نموذجية للمعادن الأرضية القلوية والقلوية (السيزيوم والبوتاسيوم والصوديوم). لزيادة حساسية الكاثود الضوئي لنطاقات أخرى من التدفقات المشعة ، المزيد أنواع معقدةكاثودات أشباه الموصلات الضوئية (الهيدروجين القلوي ، الأكسجين ، السيزيوم ، الأنتيمون ، السيزيوم ، إلخ).

انبعاث الإلكترون الثانوي. تختلف آلية انبعاث الإلكترون الثانوي عن آلية الانبعاث الحراري والإلكترون الضوئي. إذا كانت الإلكترونات ، أثناء انبعاث حراري وفوتوإلكترون ، تقع بشكل أساسي على مستويات نطاق التوصيل ، فعندما يتم قصف سطح الكاثود بواسطة الإلكترونات أو الأيونات الأولية ، يمكن أيضًا امتصاص طاقتها بواسطة إلكترونات النطاقات المملوءة. لذلك ، فإن الانبعاث الثانوي ممكن من كل من الموصلات ومن أشباه الموصلات والعوازل الكهربائية.

أهم معلمة تميز انبعاث الإلكترون الثانوي هي معامل الانبعاث الثانوي σ . هي نسبة عدد الإلكترونات الثانوية المنبعثة من سطح الكاثود n2، إلى عدد الإلكترونات الأولية الواقعة على الكاثود n1 ،أو نسبة تيار انبعاث الجنيح الثانوي أنا 2لتيار الإلكترونات الأولية أنا 1:

يتم استخدام انبعاث الإلكترون الثانوي في بعض الأجهزة الإلكترونية - المضاعفات الضوئية وأنابيب الإرسال التلفزيوني وأنواع معينة من الأنابيب المفرغة. ومع ذلك ، في كثير من الحالات ، ولا سيما في معظم الأنابيب المفرغة ، يكون غير مرغوب فيه ويميل إلى التقليل.

انبعاث كهرباء.إذا كان المجال الكهربائي الخارجي بالقرب من سطح الكاثود لديه قوة كافية للتعويض الكامل عن تأثير التثبيط للحاجز المحتمل ، فعندئذٍ حتى في درجات حرارة الكاثود المنخفضة ، يمكن الحصول على انبعاث إلكترون كبير. يُحسب أنه من أجل التعويض عن الحاجز المحتمل ، يجب أن تكون الكثافة عند سطح الكاثود في حدود 10-8 فولت / سم. ومع ذلك ، حتى عند شدة مجال تبلغ حوالي 10∧6 فولت / سم ، لوحظ انبعاث إلكترون كبير من الأسطح الباردة.

يمثل الحصول التقني على قيم شدة المجال الكافية لحدوث انبعاث إلكتروستاتيكي صعوبات كبيرة. لذلك ، يتم استخدام الانبعاث الكهروستاتيكي بشكل أساسي في الأجهزة الأيونية مع كاثود الزئبق السائل. في هذه الحالة ، يمكن الحصول على شدة مجال جلدي كافية عن طريق تكوين طبقة من بخار الزئبق المتأين بالقرب من سطح الكاثود.

المصدر - Gershunsky BS أساسيات الإلكترونيات (1977)

تتحرك إلكترونات الموصل بحرية داخل حدودها ، وعندما يتم امتصاص طاقة كافية ، يمكنها أيضًا الخروج للخارج ، محطمة جدار البئر الكامن بالقرب من سطح الجسم (الشكل 10.6). هذه الظاهرة تسمى انبعاث الإلكترون (في ذرة واحدة ، ظاهرة مماثلة تسمى التأين).

في تي = 0 يتم تحديد الطاقة المطلوبة للانبعاثات من خلال الاختلاف بين المستويات W = 0 ومستوى فيرمي E R(الشكل 10.6) وتسمى بدالة الشغل. يمكن أن يكون مصدر الطاقة عبارة عن فوتونات (انظر الفقرة 9.3) ، مما يتسبب في انبعاث ضوئي (تأثير كهروضوئي).

أرز. 10.6

سبب الانبعاث الحراري هو تسخين المعدن. عندما تكون وظيفة توزيع الإلكترون مشوهة (انظر الشكل 10.5 ، ب)هذا "الذيل" يمكن أن يتجاوز قطع البئر المحتمل ، أي بعض الإلكترونات لديها طاقة كافية لترك المعدن. يستخدم هذا عادة لتزويد الإلكترونات بالفراغ.

أبسط جهاز يستخدم الانبعاث الحراري هو الصمام الثنائي الفراغي الكهربائي (الشكل 10.7 ، أ).يتم تسخين الكاثود الخاص به من مصدر EMF ؟ ووتنبعث الإلكترونات ، التي تخلق اليود الحالي بفعل مجال كهربائي بين القطب الموجب والكاثود. يختلف الصمام الثنائي الفراغي الكهربائي عن الثنائي الضوئي بشكل أساسي في مصدر الطاقة الذي تسبب في انبعاث الإلكترونات ، لذا فإن خصائصهما الحالية والجهد متشابهة. كلما زاد التوتر يو ابين القطب الموجب والكاثود ، يتم سحب الجزء الأكبر من الإلكترونات من السحابة عند الكاثود بواسطة المجال الكهربائي لكل وحدة زمنية. لذلك ، مع زيادة الجهد يو اتيار أنايكبر. في بعض الفولتية ، يسحب الصفر بالفعل الكلالإلكترونات مغادرة الكاثود ، و مزيد من النموالجهد لا يؤدي إلى زيادة في التيار - يحدث التشبع.

أرز. 10.7

سؤال. لماذا هو التشبع الحالي في تي ،أكثر من G (الشكل 10.7 ، ب)؟إجابه. في تي 2> D ، تغادر المزيد من الإلكترونات الكاثود لكل وحدة زمنية.

مع القطبية العكسية للجهد المطبق (يتم توصيل "ناقص" بالقطب الموجب ، و "زائد" بالكاثود) ، لا يتم تسريع الإلكترونات ، ولكنها تتباطأ ، وبالتالي ، فإن الصمام الثنائي للفراغ الكهربائي قادر على تمرير التيار فقط في واحد الاتجاه ، أي هو عنده التوصيل في اتجاه واحد.هذا يسمح باستخدامه المعدل الحالي(الشكل 10.7 ، في):أثناء عمل نصف الموجة الموجبة للجهد ، يمر الصمام الثنائي التيار ، لكن خلال نصف الموجة السالبة ، لا يمر.

في عام 1907 ، أضاف الأمريكي لي دي فوريست قطبًا شبكيًا ثالثًا إلى الصمام الثنائي ، مما جعل من الممكن تضخيم الإشارات الكهربائية. ثم تم استكمال هذا الصمام الثلاثي بأقطاب كهربائية أخرى ، مما جعل من الممكن إنشاء أنواع مختلفة مكبرات الصوت والمولداتو المحولات.أدى ذلك إلى التطور السريع للهندسة الكهربائية وهندسة الراديو والإلكترونيات. ثم تم التقاط العصا بواسطة أجهزة أشباه الموصلات ، والتي حلت محل الأنابيب المفرغة ، ولكن في CRT ، وأنابيب الأشعة السينية ، والمجاهر الإلكترونية ، وبعض الأنابيب المفرغة ، لا يزال الانبعاث الحراري ذا صلة.

يمكن أن يكون مصدر آخر لانبعاث الإلكترون هو قصف سطح المادة بجزيئات مختلفة. ينشأ انبعاث الإلكترون والإلكترون الثانوي نتيجة لتأثيرات الإلكترونات الخارجية ، التي تنقل جزءًا من طاقتها إلى إلكترونات المادة. يتم استخدام هذا الانبعاث ، على سبيل المثال ، في أنبوب مضاعف ضوئي (PMT) (الشكل 10.8 ، أ).كاثود ضوئي له 1 ينبعث منها إلكترونات عند تعرضها للضوء. يتم تسريعها نحو القطب الكهربائي (داينود) 2, والتي من خلالها يتم إخراج الإلكترونات الثانوية ، يتم تسريعها نحو الدينود 3 إلخ. نتيجة لذلك ، يتم مضاعفة التيار الضوئي الأولي إلى حد أن PMT قادر على تسجيل حتى الفوتونات الفردية.

أرز. 10.8

تم تطبيق نفس المبدأ في أنبوب تكثيف الصورة (انظر الفقرة 9.3) للجيل الجديد. يحتوي على مئات الآلاف من المضاعفات الضوئية (وفقًا لعدد البكسلات التي تشكل صورًا للأشياء) ، كل منها عبارة عن قناة متناهية الصغر ممعدنة يبلغ عرضها 10 ميكرومتر. على طول هذه القناة ، تتحرك الإلكترونات بنفس الطريقة المتعرجة ، مثل الضوء في الألياف الضوئية ومثل الإلكترونات في PMT ، حيث تتضاعف عند كل تصادم مع جدران القناة بسبب الانبعاث الثانوي. نظرًا لأن مسار الإلكترون يختلف اختلافًا طفيفًا عن مسار مستقيم (فقط ضمن عرض القناة) ، فإن حزمة من هذه القنوات تقع بين المسار الضوئي والشاشة (الشكل 10.8 ، ب)يلغي الحاجة إلى تركيز الإلكترونات الضوئية (قارن مع الشكل 9.4). لا تقوم كل قناة بإعادة إنتاج الإلكترونات فحسب ، بل تقوم أيضًا بنقلها إلى النقطة المطلوبة ، مما يضمن وضوح الصورة.

في انبعاث أيون إلكترون ثانوي ، الجسيمات الأولية - ناقلات الطاقة هي الأيونات. في أجهزة تفريغ الغازأنها تضمن إعادة إنتاج الإلكترونات من الكاثود ، والتي تتضاعف بعد ذلك بتأين جزيئات الغاز (انظر الفقرة 5.9).

هناك أيضًا نوع غريب جدًا من الانبعاث ، يتم شرح أصله من خلال مبدأ عدم اليقين في Heisenberg. إذا كان السطح المعدني يحتوي على مجال كهربائي يعمل على تسريع الإلكترونات ، فسيتم فرض خط مستقيم على الحافة المحتملة 1 السابق(2 في الشكل 10.6) ، وتتحول الحافة إلى حاجز 3. إذا كانت الطاقة الكلية للإلكترون تساوي W ،أولئك. على دبليوأقل من ارتفاع الحاجز ، إذن ، وفقًا للأفكار الكلاسيكية ، "خذها" ، أي اذهب للخارج ، لا يمكنه ذلك. ومع ذلك ، وفقًا لمفاهيم الكم ، يكون الإلكترون أيضًا لوح،وهو ليس فقط ينعكسمن وسط أكثر كثافة بصريًا ، ولكن أيضًا منكسر.في نفس الوقت ، وجود وظيفة داخل الحاجزيعني الاحتمال المحدود لإيجاد إلكترون هناك. من وجهة النظر "الكلاسيكية" ، هذا مستحيل ، منذ ذلك الحين مكتملطاقة الإلكترون W ،ومكونه القدرهالطاقة - متساوية في هذا المجال W + AVK ، أي الجزء أكبر من الكل! في نفس الوقت ، هناك البعض ريبة AVK الطاقة التي تعتمد على الوقت فيبقاء إلكترون داخل الحاجز: آوت> ح.تناقص في:ريبة أ.يمكن أن تصل إلى القيمة المطلوبة ، ويعطي حل معادلة شرودنغر قيمًا محدودة | ص | 2 ثانية الخارجالحاجز ، أي هناك احتمال أن يخرج الإلكترون دون القفز فوق الحاجز! هو الأعلى والأدنى AW n At.

يتم تأكيد هذه الاستنتاجات في الممارسة العملية من خلال وجود تأثير نفق أو حاجز فرعي. حتى أنه يجد تطبيقًا يوفر انبعاث الإلكترونات من المعدن في مجالات ~ 10 6-10 7 V / cm. نظرًا لأن هذا الانبعاث يحدث دون تسخين أو تشعيع أو قصف جسيم ، فإنه يطلق عليه انبعاث المجال. عادة ما يحدث من جميع أنواع النقاط والنتوءات وما إلى ذلك ، حيث تزداد شدة المجال بشكل حاد. يمكن أن يؤدي أيضًا إلى انهيار كهربائي لفجوة الفراغ.

في عام 1986 ، منحت جائزة نوبل في الفيزياء اختراع المسح ميكروسكوب الكتروني. الحائزون على الجائزة هم الفيزيائيون الألمان إي. روسكا وج. بينيج والفيزيائي السويسري جي روهرر. في هذا الجهاز ، تقوم إبرة رفيعة بمسح السطح على مسافة صغيرة منه. يحمل تيار النفق الذي ينشأ في هذه الحالة معلومات حول حالات طاقة الإلكترونات. وبالتالي ، من الممكن الحصول على صورة للسطح بدقة ذرية ، وهو أمر مهم بشكل خاص في الإلكترونيات الدقيقة.

تأثير النفق مسؤول عن إعادة التركيب أثناء انبعاث أيون الإلكترون (انظر أعلاه) ، للكهرباء عن طريق الاحتكاك ، حيث تنفق الإلكترونات من ذرات مادة ما إلى ذرات أخرى. كما تحدد التنشئة الاجتماعية للإلكترونات في رابطة تساهمية ، مما يؤدي إلى تقسيم مستويات الطاقة (انظر الشكل 10.5 ، أ).

إطلاق فائض من الطاقة يساوي الفرق بين مستويات طاقة الإلكترون في الجسم وفي الأيون ε 1 - ε i 1. يمكن نقل هذه الطاقة إما إلى إلكترون آخر من الجسم بطاقة أولية ε 2 (عملية أوجيه) أو إطلاقها ككم من الضوء. العملية الثانية أقل احتمالا. إذا كانت طاقة الإلكترون المثار ε = 2 + (ε 1 - ε i 1) أكبر من الصفر ، فسيكون قادرًا على ترك الباعث. وهكذا ، يشارك إلكترونان من الجسم في فعل الانبعاث: أحدهما يطلق الطاقة عن طريق النفق من الجسم إلى الأيون مع تحييد الأخير ، والآخر يتلقى طاقة الإثارة هذه ويغادر الجسم ، أي. لدينا كل من عملية الانتقال عبر النفق وعملية الإثارة.

10.7 انبعاث الإلكترون الساخن

انبعاث الإلكترونات الساخنة هو انبعاث الإلكترونات بواسطة أشباه الموصلات في وجود مجال كهربائي بداخله. تنبعث الإلكترونات الساخنة من نطاق التوصيل. لهذا شرط ضرورياحتمال ظهور انبعاث هذه الإلكترونات هو الإثارة الحرارية الأولية من النطاق الرئيسي أو من مستويات المانحين إلى نطاق التوصيل. وهكذا ، أثناء انبعاث الإلكترونات الساخنة ، يتم تنفيذ آليتين مختلفتين لإثارة الإلكترون: 1) الإثارة في نطاق التوصيل بسبب الطاقة الحرارية للشبكة ؛ 2) إثارة الإلكترونات في نطاق التوصيل لمستويات طاقة تتجاوز مستوى الفراغ. يحدث هذا النوع من الإثارة بسبب عمل قوى المجال الكهربائي في أشباه الموصلات ؛ في النهاية ، تؤخذ هذه الطاقة من مصدر جهد خارجي يخلق مجالًا. يؤدي وجود مجال كهربائي في أشباه الموصلات إلى تسريع الإلكترونات الموجودة في نطاق التوصيل. تتفاعل هذه الإلكترونات مع الفونونات في الجسم. في مثل هذه الاصطدامات للإلكترونات ، يمكن أن يحدث تغيير حاد في اتجاه حركتها ولا يحدث سوى خسارة صغيرة في سرعتها. نتيجة لذلك ، يكون متوسط ​​طاقات الإلكترون أعلى من طاقات الأيونات ؛ يمكننا القول أن درجة حرارة غاز الإلكترون أعلى من درجة حرارة الشبكة البلورية. يؤدي هذا إلى ظهور انبعاث الإلكترون ، والذي يمكن تسميته شرطيًا "انبعاث حراري" ، لكن درجة الحرارة التي تحدده ستكون أعلى من درجة حرارة الشبكة.

10.8 مجموع الانبعاثات

الأكثر استخدامًا هو النوع المركب للانبعاثات بناءً على تأثير شوتكي. كما نوقش بالفعل في الفقرة 2 ، عند تطبيق مجال كهربائي خارجي ، ينخفض ​​ارتفاع الحاجز وبالتالي يتناقص عمل فعالخروج. لذلك ، في هذه الحالة ، يلزم إثارة أولية أصغر (من حيث الطاقة) للإلكترونات من أجل نقلها إلى مستويات طاقة ذات ارتفاعات أعلى للحاجز المحتمل. وبالتالي ، فإن فرض مجال كهربائي يحفز جميع أنواع الانبعاث مع الإثارة المسبقة. لذلك ، سيتضمن النوع المجمع للانبعاثات بشكل أساسي ما يلي:

الانبعاث الإلكترونيهو انبعاث الإلكترونات على سطح مادة صلبة أو سائلة. لكي يترك الإلكترون وسطًا مكثفًا في فراغ أو غاز ، يجب إنفاق الطاقة ، والتي تسمى وظيفة الشغل. يسمى اعتماد الطاقة الكامنة للإلكترون على الإحداثيات عند حدود الباعث والفراغ (أو وسط آخر) بالحاجز المحتمل. يجب أن يتغلب عليها الإلكترون ، تاركًا الباعث.

يمكن الحفاظ على الانبعاثات في ظل حالتين. الأول هو توفير الطاقة للإلكترونات ، مما يضمن التغلب على الحاجز المحتمل ، أو إنشاء مثل هذا المجال الخارجي القوي بحيث يصبح الحاجز المحتمل رقيقًا ويصبح تأثير النفق (انبعاث المجال) كبيرًا ، والاختراق الكمي لـ الإلكترونات من خلال الحاجز المحتمل ، أي انبعاث الإلكترونات التي لها طاقة أقل من دالة الشغل. يؤدي نقل الطاقة عن طريق الفوتونات التي تقصف الجسم إلى انبعاث ضوئي ، ويؤدي القصف بالإلكترونات إلى انبعاث إلكترون ثانوي ، وبواسطة أيونات - أيون - إلكترون انبعاث. يمكن أن يكون سبب الانبعاث بسبب المجالات الداخلية - انبعاث الإلكترونات الساخنة. يمكن أن تعمل كل هذه الآليات في وقت واحد (على سبيل المثال ، انبعاث المجال الحراري ، وانبعاث المجال الضوئي).

الشرط الثاني هو إنشاء مجال كهربائي خارجي يضمن إزالة الإلكترونات المنبعثة من الجسم ؛ ولهذا ، على وجه الخصوص ، من الضروري إحضار الإلكترونات إلى الباعث حتى لا يتم شحنها. إذا كان المجال الخارجي الذي يضمن إزالة الإلكترونات المنبعثة غير كافٍ لانبعاث المجال ، ولكنه كافٍ لخفض الحاجز المحتمل ، يصبح تأثير شوتكي ملحوظًا - اعتماد الانبعاث على المجال الخارجي. في حالة عدم تجانس السطح المنبعث ووجود "نقاط" عليه بوظائف عمل مختلفة ، يظهر "حقل موضعي" كهربائي فوق سطحه. يعمل هذا المجال على إبطاء هروب الإلكترونات من أقسام الكاثود بوظيفة عمل أقل من تلك الموجودة في الأجزاء المجاورة. يضاف المجال الكهربائي الخارجي إلى مجال البقع ويزيل التأثير المثبط للبقع. نتيجة لذلك ، يزداد تيار الانبعاث من مصدر غير متجانس مع زيادة المجال بشكل أسرع مما هو عليه في حالة الباعث المنتظم (تأثير شوتكي الشاذ).

انبعاث حراري. في منتصف القرن التاسع عشر كان من المعروف أنه بالقرب من المواد الصلبة المسخنة ، يصبح الهواء موصلًا للكهرباء ، لكن سبب هذه الظاهرة ظل غير واضح. نتيجة للتجارب ، وجد J. Elster و G. Geitel أنه عند ضغط منخفض للهواء المحيط ، يكتسب سطح معدني أبيض ساخن شحنة موجبة. تم اكتشاف تدفق التيار في الفراغ بين قطب كهربائي ساخن وإلكترود موجب الشحنة بواسطة T. تم تطويره بواسطة O. Richardson (1902 ، وفي بعض الأحيان يُنسب إليه الفضل في الاكتشاف والتأثير نفسه). تم اكتشاف التوصيل أحادي الجانب بواسطة J. Fleming (1904 ، يُنسب أحيانًا إلى Edison) ، على الرغم من أن الصمام الثنائي لم يكن فراغًا تمامًا ، ولكن مع تعويض جزئي لشحنة الفضاء. يتم تحديد تيار الانبعاث الحراري بواسطة درجة حرارة الكاثود (أي طاقة الإلكترونات) ووظيفة الشغل. يتم تحديد الحد الأقصى لتيار الانبعاث من خلال نسبة وظيفة العمل إلى درجة الحرارة ، ويسمى تيار التشبع. درجة حرارة الكاثود ، بدورها ، محدودة بتبخر مادة الكاثود (أي الحياة).

الانبعاث الكهروضوئي - انبعاث الإلكترونات عن طريق المواد الصلبة والسوائل تحت تأثير الإشعاع الكهرومغناطيسي (الفوتونات) ، بينما يتناسب عدد الإلكترونات المنبعثة مع شدة الإشعاع. لكل مادة عتبة - الحد الأدنى للتردد (الطول الموجي الأقصى) للإشعاع ، والذي لا يحدث دونه الانبعاث ، تزداد الطاقة الحركية القصوى للإلكترونات الضوئية خطيًا مع تردد الإشعاع ولا تعتمد على شدتها. يعد الإرسال الضوئي حساسًا لوظيفة عمل السطح. يتم تحقيق زيادة في العائد الكمي والتحول في عتبة الانبعاث الضوئي عن طريق طلاء السطح المعدني بطبقة أحادية الذرة من ذرات Cs (السيزيوم) أو Rb (الروبيديوم) ، مما يقلل من وظيفة العمل لمعظم المعادن إلى 1.4-1.7 فولت . اكتشف Gustav Hertz (1887) إصدارًا ضوئيًا ، حيث اكتشف أن إضاءة أقطاب فجوة الشرارة تحت الجهد باستخدام الضوء فوق البنفسجي يسهل الانهيار. تم إجراء دراسات منهجية بواسطة V. Galvaks و A. Rigi و A.G Stoletov (1885) وأظهرت أنه في تجربة Hertz ، يتم تقليل الأمر إلى إطلاق شحنات تحت تأثير الضوء. أثبت F. Lenard و J. Thomson (1898) أن هذه هي بالضبط الإلكترونات.

يتم تحديد الانبعاث الضوئي من أشباه الموصلات والعوازل الكهربائية من خلال الامتصاص القوي للإشعاع الكهرومغناطيسي.

الانبعاث الإلكتروني التلقائي (انبعاث المجال ، الانبعاث الكهروستاتيكي ، انبعاث النفق) - انبعاث الإلكترونات عن طريق المواد الصلبة الموصلة و الأجسام السائلةتحت تأثير مجال كهربائي خارجي عالي الكثافة ، اكتشفه R. Wood (1897) في دراسة التفريغ الفراغي. يتم تفسير الانبعاث الإلكتروني التلقائي من خلال تأثير النفق ويحدث بدون إنفاق الطاقة على إثارة الإلكترونات اللازمة لانبعاث الإلكترونات من الأنواع الأخرى. في الانبعاث الإلكتروني التلقائي ، تتغلب الإلكترونات على الحاجز المحتمل ، ولا تمر فوقه بسبب الطاقة الحركية للحركة الحرارية (كما هو الحال في الانبعاث الحراري) ، ولكن عن طريق النفق عبر الحاجز ، وتقليلها وتضييقها بواسطة المجال الكهربائي.

يعتمد الانبعاث الميداني بشدة على المجال ووظيفة العمل ويعتمد بشكل ضعيف على درجة الحرارة. سحب التيار عند درجات حرارة منخفضة يؤدي إلى تسخين الباعث ، منذ ذلك الحين تحمل الإلكترونات الصادرة الطاقة ، في المتوسط ​​، أقل من طاقة فيرمي ، مع زيادة درجة الحرارة ، يتم استبدال التسخين بالتبريد - يتغير التأثير ، ويمر عبر "درجة حرارة الانعكاس" ، المقابلة لتوزيع الطاقة الإجمالي للإلكترونات الخارجة المتماثلة فيما يتعلق إلى مستوى فيرمي. ترتبط سمات انبعاث المجال من أشباه الموصلات باختراق مجال كهربائي في الباعث ، وانخفاض تركيز الإلكترون ، ووجود حالات سطحية. الحد الأقصى للكثافات الحالية التي يمكن الحصول عليها في وضع الانبعاث الميداني محدودة بتسخين الجول للباعث بالتيار المتدفق خلاله وتدمير المجال الكهربائي للباعث. في أسلوب البث الميداني ، يتم الحصول على تيارات بترتيب 10 7 A / cm 2 (عند سطح المرسل) في الوضع الثابت و 10 9 A / cm 2 في الأنماط النبضية. عندما تحاول الحصول على مزيد من التيار في وضع ثابت ، يتم تدمير الباعث. في وضع النبض ، عندما تحاول زيادة التيار ، يبدأ الباعث في العمل في وضع مختلف ، يسمى "وضع الانبعاث المتفجر".

يؤدي الاعتماد القوي للانبعاث الميداني على وظيفة العمل إلى عدم استقرار عملية القطب السالب. تعتمد وظيفة العمل على السطح على كل من العمليات التي تحدث على السطح في فراغ مرتفع وعلى تأثير الفراغ العالي غير الكافي: الانتشار ، والهجرة ، وإعادة ترتيب السطح ، وامتصاص الغازات المتبقية. المادة الأكثر استخداما - التنجستن - السربس الغازات جيدا. أدى ذلك إلى محاولات عديدة لاستخدام المعادن التي لا تمتص الغازات بشكل جيد ، على سبيل المثال ، الرينيوم أو حتى الكربون الأكثر سلبية ، والذي ، مع ذلك ، يتمتع بمقاومة كبيرة. تم اقتراح تغطية المعدن بفيلم من الكربون. يمكن تقليل امتصاص الغاز على السطح عن طريق التسخين الطفيف المستمر للباعث الميداني أو التسخين النبضي القوي الدوري لتنظيف السطح. بشكل عام ، ل عملية مستقرةتتطلب كاثودات المجال الحديثة فراغًا من واحد إلى ثلاث مرات أعلى من المطلوب للكاثودات الساخنة.

المعلمة الثانية بعد عمل الخرج ، والتي يعتمد عليها انبعاث المجال بشدة ، هي شدة المجال الكهربائي عند المرسل ، والتي بدورها تعتمد على متوسط ​​المجال في الجهاز (نسبة الجهد الخارجي إلى حجم الفجوة) و هندسة الباعث ، لأنه لزيادة المجال على الباعث ، كقاعدة عامة ، أشكال "حادة" - نتوءات ، خيوط ، نقاط ، شفرات ، نهايات الأنابيب أو أنظمتها - حزم الخيوط ، حزم الشفرات ، الأنابيب النانوية الكربونية ، إلخ. لتحديد التيارات العالية نسبيًا ، يتم استخدام أنظمة متعددة النقاط وأنظمة متعددة الباعث على حواف الأفلام والرقائق وما إلى ذلك. حقيقة أن الأطراف تُستخدم كمُرسلات ينتج عنها عدم توازي مسارات الإلكترون ، ومكون السرعة الموازي لمستوى القطب الباعث يمكن أن يكون مشابهًا للمكوِّن الطولي. تبين أن الحزمة تتوسع ، على شكل مروحة ، وإذا كان الكاثود متعدد الرؤوس أو متعدد الشفرات ، فهو ليس رقائقيًا.

انبعاث الإلكترون الثانوي (اكتشفه L. Austin و G. Starke ، 1902) هو انبعاث الإلكترونات على سطح الجسم الصلب عندما تقصفه الإلكترونات. تنعكس الإلكترونات التي تقصف الجسم (تسمى الأولية) جزئيًا عن طريق الجسم دون فقد الطاقة (الإلكترونات المنعكسة بشكل مرن) ، بينما ينعكس الباقي على الطاقة (انعكاس غير مرن). إذا كانت طاقة وزخم الإلكترونات التي تلقت الطاقة كافيتين للتغلب على الحاجز المحتمل على سطح الجسم ، فإن الإلكترونات تغادر سطح الجسم (الإلكترونات الثانوية). في الأغشية الرقيقة ، يُلاحظ انبعاث إلكترون ثانوي ليس فقط من السطح الذي يتم قصفه (انبعاث الانعكاس) ، ولكن أيضًا من السطح المقابل (إطلاق النار من خلال الانبعاث). من الناحية الكمية ، يتميز انبعاث الإلكترون الثانوي بـ "معامل الانبعاث الثانوي" (SEC) - نسبة تيار الإلكترونات الثانوية إلى التيار الأولي ، ومعامل الانعكاس المرن وغير المرن للإلكترونات ، وكذلك معامل الانبعاث للإلكترونات الثانوية (نسبة تيارات الإلكترونات المقابلة إلى التيار الأولي). تعتمد جميع المعاملات على كل من طاقة الإلكترونات الأولية وزاوية وقوعها ، والتركيب الكيميائي ، وطبوغرافيا سطح العينة. في المعادن التي تكون فيها كثافة إلكترونات التوصيل عالية ، يكون احتمال هروب الإلكترونات الثانوية المشكلة ضئيلًا. في العوازل ذات تركيز الإلكترون المنخفض ، يكون احتمال هروب الإلكترونات الثانوية أكبر. يعتمد احتمال هروب الإلكترون على ارتفاع الحاجز المحتمل على السطح.

نتيجة لذلك ، بالنسبة لعدد من المواد غير المعدنية (أكاسيد الفلزات القلوية الترابية ، مركبات الهاليد القلوية) EEF> 1 ، للبواعث الفعالة المصنعة خصيصًا ( انظر أدناه) TBE >> 1 ، للمعادن وأشباه الموصلات عادة TBE< 2. С увеличением энергии первичных электронов КВЭ сначала возрастает с ростом количества возбужденных электронов, а потом начинает убывать, поскольку существенная часть их рождается на большей глубине и число электронов, выходящих наружу, уменьшается. Аналогично объясняется зависимость КВЭ от угла падения первичных электронов. Монокристаллы анизотропны по отношению к движению электронов, рассеяние, ионизация и дифракция зависят от направления движения, поэтому для них зависимость КВЭ от угла падения первичных электронов становится сложной.

يؤدي إنشاء مجال كهربائي قوي (105-106 فولت / سم) في العازل الكهربائي إلى زيادة في TEC تصل إلى 50-100 (الانبعاث الثانوي المعزز بواسطة المجال). في هذه الحالة ، تبدأ EEC في الاعتماد على مسامية الطبقة - يزيد وجود المسام من السطح الفعال للباعث ، ويسحب الحقل إلكترونات ثانوية منها ، والتي يمكن أن تصطدم بجدران المسام ، في بدوره ، يسبب انبعاث مع EEC> 1 وحدوث الانهيارات الإلكترونية. يمكن أن يؤدي هذا إلى انبعاث بارد مستدام ذاتيًا ، والذي يستمر (عند تطبيق شحنة على الباعث) حتى بعد توقف القصف الإلكتروني.

المجالات الرئيسية لتطبيق كاثودات الإلكترون الثانوية هي مضاعفات الإلكترون الثانوية (SEM) والمضاعفات الكهروضوئية (PMT) ، و EVP من النوع M (حيث تتحرك الإلكترونات في مجالات كهربائية ومغناطيسية متعامدة بشكل متبادل) ومصابيح تضخيم استقبال مع انبعاث ثانوي. بالنسبة لجميع التطبيقات ، فإن أهم معلمات الانبعاث الثانوي هي: معامل الانبعاث الثانوي لـ EEC في منطقة طاقات الإلكترون الأولية المنخفضة ، والتي تتميز عادةً بالطاقة التي يكون فيها EEC = 1 ، والقيمة القصوى لـ EEC ، و طاقة الإلكترونات الأولية عندما تصل EEC إلى أقصى حد لها.

انبعاث أيونات الإلكترون - انبعاث الإلكترونات تحت تأثير الأيونات. تُعرف آليتان لانبعاث الأيونات الإلكترونية: الجهد - سحب الإلكترونات من الجسم عن طريق مجال أيون وارد ، والحركية - إخراج الإلكترونات من الجسم بسبب الطاقة الحركية للأيون. يزداد معامل الانبعاث المحتمل مع زيادة طاقة تأين الأيون وانخفاض في وظيفة عمل الهدف ، وللأزواج Ne + / W (نيون / تنجستن) ، He + / W (الهيليوم / التنجستن) ، Ar + / W (الأرجون / التنجستن) هو ، على سبيل المثال ، 0 ، 24 ، 0.24 ، و 0.1 على التوالي ، ويعتمد بشكل ضعيف على طاقة الأيونات. بالنسبة لهدف Mo (الموليبدينوم) ونفس الأيونات ، تكون هذه المعاملات أعلى بنسبة 10٪ تقريبًا.

عند قصفها بالأيونات المشحونة المضاعفة ، يزيد انبعاث الأيونات الإلكترونية - بالنسبة للأيونات المشحونة 2 ، 3 ، 4 يكون أكبر من الأيونات المشحونة منفردة ، حوالي 4 ، 10 ، 20 مرة ، على التوالي. تعتمد إمكانية انبعاث الأيونات الإلكترونية بشدة على حالة السطح ، حيث يتم تحديدها من خلال وظيفة العمل. وهذا يستلزم تناثرًا كبيرًا نسبيًا للبيانات التجريبية.

لا يوجد عملياً أي انبعاث أيوني-إلكترون حركي عند طاقات أقل من 1 كيلو فولت ، ثم يزداد خطيًا ، ثم يمر بشكل أبطأ ، ويمر عبر الحد الأقصى وينخفض ​​، إلى طاقات قليلة من إلكترون فولت ، ينخفض ​​المعامل إلى الوحدة تقريبًا. يلعب انبعاث الأيونات الإلكترونية دورًا مهمًا في تشغيل عدد من أجهزة تفريغ الغاز الإلكترونية حيث يكون مصدر الإلكترونات عبارة عن كاثود تقصفه الأيونات. في بعض الحالات ، تخلق عملية انبعاث الأيونات الإلكترونية الكمية الرئيسية من الإلكترونات في حجم الجهاز.

انبعاث الإلكترونات الساخنة هو الانبعاث الناتج عن "تسخين" الإلكترونات ، أي نقل الطاقة إلى الإلكترونات أو التعرض لمجال كهربائي. إذا تم تحديد الانبعاث الحراري من خلال قيمة الحاجز المحتمل عند الخروج من الجسم الصلب وطاقة الإلكترونات التي تتغلب عليه ، وللحصول عليها ، يتم تسخين الجسم الصلب ( أبسط طريقةتسخين الإلكترونات) ، ثم يمكنك محاولة تسخين الإلكترونات دون اللجوء إلى تسخين الجسم. نظرًا لأن الإلكترونات عبارة عن جسيمات مشحونة ، فإن أبسط طريقة "لتسخينها" هي تطبيق مجال كهربائي عليها. إن إنشاء كاثود بانبعاث الإلكترونات الساخنة هو ، أولاً وقبل كل شيء ، إنشاء مجال كهربائي كبير في موصل أو شبه موصل. للقيام بذلك ، يجب أن يكون الموصل وأشباه الموصلات "فاسدين" ، مما يقلل من الموصلية ، لأن. خلاف ذلك ، سوف يتدفق تيار كبير من خلالها في هذا المجال الكبير وسيفشل الكاثود.

تتمثل إحدى طرق "إفساد" المعدن في تقسيمه إلى جزيئات منفصلة. إذا كانت الفجوات بينهما صغيرة ، حوالي 10 ميكرون ، فإن الإلكترونات سوف تنفق (تتغلب على الحاجز المحتمل ، وتقلص وتضيق بواسطة حقل كبير) من جسيم إلى آخر ، وسيكون هذا هو التوصيل. لكن التيار مقارنة بالتيار عبر معدن متآلف سينخفض ​​بشكل كبير ، أي ستزداد المقاومة. هذا يجعل من الممكن زيادة المجال. ثم ستزداد طاقة الإلكترونات بشكل كبير بحيث يمكنها أن تنبعث في الفراغ. يتم تصنيع كاثودات انبعاث الإلكترون الساخن على شكل ركيزة عازلة للكهرباء يتم ترسيب عليها طبقة رقيقة من المعدن أو أشباه الموصلات. عند سماكة الفيلم الصغيرة ، يتم الحصول على طبقة "الجزيرة" عادة ؛ تتكون من جزيئات صغيرة منفصلة مفصولة بفجوات. لتسهيل إطلاق الإلكترونات ، غالبًا ما يتم تغطية الكاثود بأغشية رقيقة (أحادية الذرة تقريبًا) من المواد التي تقلل من وظيفة عمل Cs (السيزيوم) ، BaO. عادةً ما يتم استخدام Au (ذهبي) و SnO 2 و BaO كمادة أساسية للفيلم. أفضل المعلمات التي تم الحصول عليها هي كما يلي - السحب الحالي هو 1 أ / سم 2 لفترة طويلة و 10 أ / سم 2 لفترة قصيرة. في هذه الحالة ، يمكن أن تقترب الكفاءة (نسبة تيار الانبعاث إلى التيار المتدفق عبر الفيلم) من 100٪.

ليونيد اشكينازي

تلعب الإلكترونات التي يوفرها الكاثود دورًا مهمًا في ضمان توصيل فجوة القوس تحت تأثير أسباب مختلفة. تسمى عملية إطلاق الإلكترونات هذه من سطح قطب الكاثود أو عملية إطلاق الإلكترونات من الرابطة مع السطح انبعاث الإلكترون. لعملية الانبعاث ، من الضروري إنفاق الطاقة.

تسمى الطاقة الكافية لتحرير الإلكترونات من سطح الكاثود وظيفة العمل ( يو خارج )

يقاس بالإلكترون فولت وعادة ما يكون 2-3 مرات أقل من عمل التأين.

هناك 4 أنواع من انبعاث الإلكترون:

1. انبعاث حراري

2. الانبعاث الميداني

3. الانبعاث الكهروضوئي

4. الانبعاث تحت تأثير الجسيمات الثقيلة.

يستمر الانبعاث الحراري تحت تأثير التسخين القوي لسطح القطب - الكاثود. تحت تأثير التسخين ، تكتسب الإلكترونات الموجودة على سطح الكاثود مثل هذه الحالة عندما تصبح طاقتها الحركية مساوية أو أكبر من قوى جاذبيتها لذرات سطح القطب ، وتفقد الاتصال بالسطح وتطير إلى الداخل فجوة القوس. يحدث تسخين قوي لنهاية القطب (الكاثود) لأنه في لحظة ملامسته للجزء ، يحدث هذا التلامس فقط في نقاط معينة على السطح بسبب وجود مخالفات. يؤدي هذا الوضع ، في وجود التيار ، إلى تسخين قوي لنقطة الاتصال ، ونتيجة لذلك يبدأ القوس. تؤثر درجة حرارة السطح بشكل كبير على محاكاة الإلكترونات. يتم تقدير الانبعاث عادة بالكثافة الحالية. تم إنشاء العلاقة بين الانبعاث الحراري ودرجة حرارة الكاثود بواسطة ريتشاردسون وديشمان.

أين j0هي كثافة التيار ، A / cm2 ؛

φ هي وظيفة عمل الإلكترون ، e-V ؛

لكن- ثابت ، قيمته النظرية هي A \ u003d 120 a / cm 2 deg 2 (القيمة التجريبية للمعادن A \ u003e 62.2).

في الانبعاث الإلكتروني التلقائي ، يتم نقل الطاقة اللازمة لإطلاق الإلكترونات عن طريق مجال كهربائي خارجي ، والذي ، كما كان ، "يمتص" الإلكترونات خارج حدود تأثير المجال الكهروستاتيكي للمعدن. في هذه الحالة ، يمكن حساب الكثافة الحالية من الصيغة

, (1.9)

أين ههي شدة المجال الكهربائي ، V / سم ؛

مع زيادة درجة الحرارة ، تنخفض قيمة الانبعاث الإلكتروني التلقائي ، ولكن في درجات الحرارة المنخفضة يمكن أن يكون تأثيرها حاسمًا ، خاصة عند شدة مجال كهربائي عالية (10 6-10 7 فولت / سم) ، والتي وفقًا لـ Brown M.Ya. و جي. يمكن الحصول على Pogodin-Alekseev في المناطق القريبة من القطب.

عندما يتم امتصاص طاقة الإشعاع ، يمكن أن تظهر إلكترونات ذات طاقة عالية لدرجة أن بعضها يغادر السطح. يتم تحديد كثافة تيار الانبعاث الضوئي بواسطة الصيغة

أين α - معامل الانعكاس غير معروف قيمته بالنسبة لأقواس اللحام.

يتم تحديد الأطوال الموجية التي تسبب الانبعاث الضوئي وكذلك التأين بواسطة الصيغة

على عكس التأين ، فإن انبعاث الإلكترونات من سطح المعادن الأرضية القلوية والقلوية ناتج عن الضوء المرئي.

يمكن أن يتعرض سطح الكاثود لتأثيرات الجسيمات الثقيلة (الأيونات الموجبة). يمكن للأيونات الموجبة في حالة التأثير على سطح الكاثود:

أولاً، التخلي عن الطاقة الحركية التي يمتلكونها.

ثانيًا، يمكن تحييدها على سطح الكاثود ؛ بينما يعطون طاقة تأين القطب.

وهكذا ، يكتسب الكاثود طاقة إضافية ، تُستخدم للتسخين والذوبان والتبخر ، ويتم إنفاق جزء منها مرة أخرى على هروب الإلكترونات من السطح. نتيجة لانبعاث الإلكترونات بشكل كافٍ من الكاثود والتأين المقابل لفجوة القوس ، يتم إنشاء تفريغ ثابت - قوس كهربائي بكمية معينة من التيار يتدفق في الدائرة عند جهد معين.

اعتمادًا على درجة تطور نوع معين من الانبعاثات ، يتم تمييز ثلاثة أنواع من أقواس اللحام:

أقواس الكاثود الساخنة ؛

أقواس الكاثود الباردة