Получение потоков заряженных частиц

Наиболее распространенным в настоящее время является термический способ, при котором источник электронов, в дальнейшем изложении - «катод», обычно выполняется в виде нити или цилиндра и нагревается электрическим током либо непосредственно, либо специальным подогревателем. Нагревание катода производится до такой температуры, при которой кинетическая энергия движения достаточного количества электронов становится больше работы выхода из металла.

Несмотря на то, что электроны при вылете имеют некоторые начальные скорости, они не все уходят с катода; часть электронов хаотически перемещается вблизи него, образуя пространственный заряд в виде облака (наибольшая плотность заряда обычно имеет место на расстоянии порядка сотых долей миллиметра от поверхности катода). Это объясняется двумя причинами.

Во-первых, при удалении от катода электроны индуцируют в нем заряд обратного знака, взаимодействие с которым создает тормозящую силу. Во-вторых, электроны сложным образом взаимодействуют между собой. В частности, те из них, которые в данный момент вылетают из катода, испытывают отталкивающее действие пространственного заряда, в силу чего часть электронов возвращается обратно.

В обычных условиях пространственный заряд находится в состоянии динамического равновесия, при котором его плотность остается неизменной.

Если напротив катода разместить изолированно в пространстве второй электрод, назовём его «анод», который не связан электрически с катодом, то электроны, попадающие на него, создадут небольшой отрицательный, потенциал, который будет препятствовать приближению к аноду новых электронов. Если же потенциалы анода и катода поддерживаются одинаковыми (например, электроды соединены между собой), то наиболее быстрые электроны будут преодолевать действие пространственного заряда и достигать при своем движении анода и свободно перетекать на катод, поддерживая состояние термодинамического равновесия.

Наконец, если на аноде создать положительный потенциал, он будет частично компенсировать действие пространственного заряда, и число электронов, попадающих на анод, начнет расти. Электроны, обладающие достаточной начальной скоростью, чтобы проникнуть через ослабленное облако пространственного заряда, приобретают составляющую скорости, направленную к аноду. При достаточно высоком потенциале последнего поле пространственного заряда почти полностью компенсируется, и все электроны, излучаемые катодом, будут, не задерживаясь, двигаться каноду. Такой случай в термодинамике называется насыщением. Действительно, при этом число электронов, поступающих за единицу времени на анод, определяется только свойствами катода, и дальнейшее повышение разности потенциалов между обоими электродами уже не приводит к увеличению тока (если это увеличение не изменяет эмиссионной способности катода).

Состояние динамического равновесия пространственного заряда будет иметь место при любом значении разности потенциалов анода V _а и катода V_к,но ч ем больше V _а тем меньше плотность пространственного заряда, и тем меньшую роль играет возвращение электронов на катод.