Наука и технологии - физика

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.

Сначала ученый убедился в том, что он правильно понимает природу явления. Импульсы на аноде ФЭУ регистрировались по уровню, примерно соответствующему одной трети заряда испущенного электрона; когда порог регистрации был установлен выше уровня полного заряда электрона, счет практически прекратился. Это означает, что наблюдаемые импульсы действительно соответствуют испусканию одиночных электронов с фотокатода.

Затем г-н Мейер сравнил свои данные с результатами измерений для других ФЭУ. Как выяснилось, частота испускания электронов, что вполне естественно, растет с увеличением площади поверхности фотокатода. Исследователь также попробовал изменить рабочее напряжение ФЭУ; здесь, однако, никакой зависимости не обнаружилось, тогда как интенсивность термоэлектронной эмиссии при подъеме напряжения заметно увеличивается (см. рис. выше).

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».

Распределение «вспышек» по размерам (числу входящих в них интервалов) при температуре 81 К. Количество одиночных импульсов отмечено белым кружком.

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).

Элтайм.ру, по материалам Компьюленты