Профессор физики университета Индианы (США) Ханс-Отто Мейер (Hans-Otto Meyer) провёл исследование временной динамики известного уже полвека эффекта "криогенной электронной эмиссии" - испускания электронов ультрахолодными, охлаждёнными до криогенных температур поверхностями. Эффект интересен двумя особенностями. Во-первых, он необъясним теоретически. Во-вторых, его изучение непосредственно связано с потребностями современной техники - криогенные приёмники фотонного излучения широко используются в промышленности, в системах научного, военного и специального назначения.

В своих экспериментах профессор Мейер использовал фотоэлектронные умножители (ФЭУ), охлаждаемые до температур жидкого азота (80 Кельвин) и жидкого гелия (4 Кельвина). Регистрировались темновые события - электроны, покинувшие фотокатод в отсутствие каких бы то ни было фотонов. В ходе исследования выяснилось, что электроны испускаются ультрахолодными поверхностями странным образом. Во-первых, наблюдаются всплески эмиссии, распределённые во времени случайным образом. В пределах всплеска отдельные электроны странным, нелепым образом излучаются коррелировано (по степенному закону). С понижением температуры частота всплесков растёт, их множественность - тоже.

По мнению профессора Мейера, странный характер временной динамики эмиссии электронов в зависимости от температуры свидетельствует о наличии феномена захвата электронов (trap mechanism), однако понять его природу пока не удаётся. Неясно, может ли наблюдаемый эффект инициироваться или быть связан с какими-либо иными процессами - например, происходящими в делителе напряжения ФЭУ.

Результаты исследования представлены в работе Spontaneous electron emission from a cold surface.

http://science.compulenta.ru/513381/:

11 марта 2010 года

Ганс-Отто Мейер (Hans-Otto Meyer), физик из Индианского университета (США), провел серию экспериментов, в которых наблюдалось явление «криогенной» электронной эмиссии.

Зависимость частоты испускания электронов с фотокатода
 от рабочего напряжения ФЭУ для двух разных температур
(здесь и далее иллюстрации из журнала Europhysics Letters).

При работе фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) в обычных температурных условиях и полной темноте можно зарегистрировать темновой ток, основной причиной появления которого служит термоэмиссия электронов с фотокатода. С уменьшением температуры частота испускания электронов уменьшается по известному закону Ричардсона. Когда температура опускается приблизительно до 220 К, падение интенсивности испускания, однако, прекращается, а при дальнейшем охлаждении она и вовсе начинает монотонно возрастать. Это явление, впервые зарегистрированное в 1963 году, получило название «криогенной» электронной эмиссии. «Полного физического объяснения такой эмиссии не существует», — заявляет г-н Мейер. ФЭУ как нельзя лучше подходят для наблюдения этого эффекта. В своих экспериментах автор использовал два совершенно обычных ФЭУ Hamamatsu R7725 диаметром 5 см с бищелочными катодами. Приборы помещались в небольшую вакуумную камеру, которая затем погружалась в жидкий азот или гелий; минимальная температура составила, таким образом, около 4 К. Данные, полученные в процессе охлаждения и нагревания ФЭУ, совпадают: на интенсивность «криогенной» эмиссии влияет текущая температура, а история ее изменения роли не играет.

Частота испускания электронов в расчете на единицу площади фотокатода.
Первый ФЭУ был охлажден до 4 К (показано треугольниками), а второй сначала охладили до 81 К (квадраты), а затем снова нагрели (ромбы).
Пунктирными линиями отмечена известная зависимость интенсивности термоэлектронной эмиссии от температуры (закон Ричардсона).
На графике также отмечены данные для двух других ФЭУ (кресты и кружок).

При обработке данных ученый отметил тот факт, что импульсы часто группируются во «вспышки» — непрерывные цепочки событий, следующих друг за другом с небольшими интервалами. «Вспышки» появляются в случайные моменты времени, имеют разную длительность и число входящих в них импульсов, но автору все же удалось выявить некоторые интересные закономерности. Так, зависимость средней продолжительности «вспышек» от числа интервалов между их импульсами (размера) имеет степенной характер. Кроме того, в пределах одной «вспышки» длительность интервалов постепенно возрастает от 3 мкс до 3 мс.

Последнее наблюдение г-н Мейер считает наиболее важным, поскольку оно дает представление о физике процесса. Здесь, по мнению автора, должен действовать некий механизм захвата электронов в ловушки. Попавший в ловушку электрон может выйти из нее (и тогда он даст импульс на аноде ФЭУ) либо рекомбинировать с дыркой. Для моделирования процесса ученый предлагает использовать такую формулу:

Здесь R — скорость «опустошения» ловушки, а k и k₀ — текущее и начальное число электронов в ней. Первое слагаемое в квадратных скобках задает частоту испускания и определяется константой ε; как можно заметить, при уменьшении количества электронов в ловушке интенсивность эмиссии будет падать, что соответствует увеличению длительности интервалов в одной «вспышке». Второе слагаемое устанавливает интенсивность рекомбинации и определяется константой α, умножаемой на функцию от температуры.

Такая модель при правильном подборе констант позволяет воспроизвести некоторые характеристики «криогенной» эмиссии (см. рисунки ниже), но этим ее возможности и исчерпываются; теоретического описания этого явления, как уже было указано, не существует. «Я даже не пытаюсь предсказывать, каким в итоге окажется объяснение «криогенной» эмиссии, — заключает Ганс-Отто Мейер. — Надеюсь, скоро у нас появятся более сложные теоретические модели, которые можно будет проверить в эксперименте. А пока я собираюсь выяснить, в каких еще системах, помимо ФЭУ, можно наблюдать этот эффект».

Зависимость средней длительности «вспышек» от их размеров.
Справа — данные моделирования, слева — результаты эксперимента.

Увеличение длительности интервалов в одной «вспышке».
Справа — данные моделирования, слева — результаты эксперимента.

Полная версия отчета опубликована в журнале Europhysics Letters; полный текст статьи можно скачать отсюда (требуется регистрация).

Подготовлено по материалам PhysOrg.

ComForm">

Войдите:

• Отправить