तापायनिक उत्सर्जन

कम दाब भएका मर्करी ग्यास डिस्चार्ज लैम्पका तन्तु (फिलामाट)को नजिकदेखि दृष्य ; यसका केन्द्रीय भागमा तापायनिक उत्सर्जनमा सहायता गर्न सेतो रंगको लेप (कोटिंग) देखि रहेकोछ।

एडिशन प्रभाव

अधिक तापमानका कारण उत्पन्न आवेश-वाहकहरु (जस्तै एलेक्ट्रोन)को कुनै सतहदेखि वा कुनै स्थितिज-ऊर्जा बैरियरका विरुद्ध प्रवाह तापायनिक उत्सर्जन (Thermionic emission) कहलाउँछ।

परिचय

प्राय: सबै मानिस यस कुरासित परिचित छन् कि धातुहरुमा विद्युत चालकता (इलेक्ट्रिकल कंडक्टिविटी) स्वतन्त्र इलेक्ट्रोनहरुको गतिका कारण हुन्छ। स्वतन्त्र इलेक्ट्रोनहरुसित हमारा अभिप्राय ती इलेक्ट्रोनहरुसित छ जसको अन्य कुनै अणु (ऐटम) अथवा परमाणु (मलिक्यूल)देखि सम्बन्ध हुँदैन। परन्तु यी इलेक्ट्रोन धातुका धरातलको व्यतिक्रमण छैन गर्न सकते, किनभनें धातुका धरातलमा गुरुत्वाकर्षणका समान बल हुन्छ। धरातललाई पार गर्नका लागि इलेक्ट्रोनलाई उति कार्य गर्नु पर्छ जति तिनलाई गुरुत्वाकर्षणका समान यस बललाई पार गर्नमा लाग्दछ। यसको तात्पर्य यो छ कि यी इलेक्ट्रोनहरूको गतिज ऊर्जा (काइनेटिक इनर्जी) यति अधिक हुनुपर्छ कि ती चालकका यस धरातल-बललाई पार गर्न सकुन्। साधारण तापमा इलेक्ट्रोनको गतिज ऊर्जा यति अधिक हुँदैन कि ती बिना कुनै बाह्य ऊर्जाको सहायताका धातुका धरातलका बाहिर आउन सकुन्। यो बाह्य ऊर्जा आपाती विकिरण (इनसिडहरुट रेडिएशन)का रूपमा मिल्न सक्छ वा अत्यन्त वेगगामी कणहरु द्वारा प्राप्त हुन सक्छ जो यी धातुहरुका धरातलमा प्रह्योर गर्नुहोस्। परन्तु यदि कुनै प्रकार चालकको ताप बढा दिए जाए, जसदेखि स्वतन्त्र इलेक्ट्रोनहरूलाई उतनी ऊर्जा मिल सके जति उनको धातुका धरातलदेखि बाहिर लानका लागि आवश्यक छ भनेंत्यो क्रिया हुन जान्छ जसलाई तापायनिक उत्सर्जन (थर्माइओनिक एमिशन) भन्दछन्।

धरातलका क्षेत्रफलका प्रत्येक एककदेखि निस्केका इलेक्ट्रोनहरूको संख्या निम्नलिखित समीकरणदेखि प्रदर्शित गर्न सक्छ :

$J=AT^{2}e^{-W \over kT}$

जिसमा

J = ईकाई क्षेत्रफलदेखि निस्कन धारा (एम्पियर/वर्ग मीटर)

T = त्यस पदार्थको निरपेक्ष (ऐब्सोल्यूट) ताप जो इलेक्ट्रोन उत्सर्जित गर्दछ;

W = कार्यमात्रा (work function) जो एक इलेक्ट्रोनका त्यस कार्य (वर्क)का बराबर हुन्छ जो त्यसको धातुका धरातलदेखि बाहिर आउनका लागि गर्नु पर्छ।

A = नियतांक जो उत्सर्जक (एमिटर)का गुणहरूमा निर्भर रहन्छ;

e = नेपरीय लघुणकहरूको आधार

साधारण पदार्थहरूमा १०००° Kका तापका आसनजिक विशेष मात्रामा इलेक्ट्रोनहरूको उत्सर्जन हुन्छ। यो एक महत्त्वपूर्ण कुरा छ जसको ध्यान ती पदार्थहरुका चुनावमा रखना पर्छ जो उत्सर्जकका रूपमा प्रयुक्त हुन्छन्, किनभनें यस तापमा नष्ट हुने पदार्थहरूको उपयोग गर्न सकिंदैन। अर्को कुरा जो ध्यानमा राखिन्छ त्यो उत्सर्जकको जीवन हो। केवल ती नैं पदार्थ उत्सर्जकका रूपमा प्रयोगमा ल्याउन सकिन्छ जसको जीवन लगभग १,००० घण्टाहरूको हो। यी विचारहरूलाई ध्यानमा रख्दै यदि ती पदार्थहरूको खोजको जाए जो उत्सर्जकका रूपमा प्रयोगमा ल्याउन सकिन्छ त धेरै नैं कम संख्यामा पदार्थ मिल्नेछ्न्। व्यापारिक रूपमा इलेक्ट्रोन नलिहरु (ट्यूब)मा प्रयोगमा लाए जाने उत्सर्जक वा त अक्साइड लेपित उत्सर्जक हुन्छन् अथवा टंग्स्टन वा थोरियम युक्त टंग्स्टन हुन्छन्।

अब हामी ती बातहरूमा विचार रहन्छन् जिनपर तापायनिक उत्सर्जन निर्भर रहन्छ।

तापायनिक उत्सर्जनको तापमा निर्भरता

एक निश्चित तापमा तापायनिक धाराको पट्टिक वोल्टता (प्लेट वोल्टेज)का साथको परिवर्तन चित्र १मा प्रदर्शित गर्न सकिन्छ। यस चित्रदेखि यो हेर्न सकिन्छ कि तापायनिक धारा ओमका सिद्धान्तका अनुसार बद्लिंदैन। पहिला त यो पट्टिक वोल्टताका बढ्नमा बिस्तारै बढ्दछ, फेरि केही भनें तेजीसित र अन्तमा स्थिर हुन जान्छ। यसको संतृप्त धारा (सैचुरेटेड करेण्ट) भन्दछन्। यस प्रकारको वक्र रेखाहरु विभिन्न निश्चित तापहरूमा प्राप्त हुन सक्छन्।

तापका प्रभावको अध्ययन गर्नका लागि पट्टिक वोल्टतालाई यति बढा दिइन्छ कि संतृप्त धारा बहने लागोस्। फेरि उत्सर्जकको ताप परिवर्तित गरिन्छ र संतृप्त धारा विभिन्न तापहरूमा लायी जान्छ। जब संतृप्त धाराका यस मानलाई तापहरुका विभिन्न मानहरुका साथ रेखाचित्रका द्वारा प्रदर्शित गरिन्छ त चित्र २मा दिए भएको वक्र रेखा प्राप्त हुन्छ। निम्न तापहरूमा तापायनिक उत्सर्जन प्राय: नगण्य नैं हुन्छ। तापायनिक उत्सर्जन लगभग १०००° केल्विनका आसनजिक आरम्भ हुन्छ र फेरि ताप बढ्नका साथ शीघ्रतासित बढ्दछ।

उत्सर्जकका क्षेत्रफल, स्वभाव र धरातलमा उत्सर्जनको निर्भरता

उत्सर्जकका क्षेत्रफलको वृद्धिका साथ उत्सर्जनको मात्रा पनि बढ्दै जान्छ। यदि क्षेत्रफल अधिक छ भनें तापायनिक धारा पनि अधिक हुन्छ।

शुद्ध पदार्थहरूमा तापायनिक उत्सर्जन केवल उच्च तापहरूमा नैं हुन्छ। यस्तो देखिएको छ कि अशुद्धिहरूको उपस्थिति उत्सर्जनमा प्रभाव हाल्दछ। क्षारीय धातु उत्सर्जकका रूपमा अधिक क्रियाशील हुन्छ।

सन्‌ १९०८ मा वेनल्टले एक महत्त्वपूर्ण खोज गरे त्यसले यो देखा कि जब इलेक्ट्रोन नलीमा प्रयुक्त उत्सर्जकलाई क्षारीय अक्साइडदेखि लेपित गरिन्छ त तापायनिक उत्सर्जन धेरै अधिक बढ्न जान्छ। निम्न तापहरु र निम्न वोल्टतामा यस प्रकारका उत्सर्जक धेरै नैं उपयोगी हुन्छन्। अचेल अधिकतर इलेक्ट्रोन नलिहरु ऋणाग्र किरण (कैथोड रे) नलिहरु तथा ग्यास नलिहरूमा अक्साइड लेपित उत्सर्जक नैं प्रयोगमा लाए जान्छन्।

ग्यासको तापायनिक उत्सर्जनको प्रभाव

यदि ग्यासको थोडी सी मात्रा निर्वात नलीमा पुगा दिए जाए त तापायनिक उत्सर्जन पर्याप्त बढ्न जान्छ। उदाहरणका लागि हाइड्रोजनको न्यूनतम मात्रा पनि एक निर्वात नलीमा पुगनमा तापायनिक धारालाई १०५ गुना बढा सक्छ। यसका दुइ कारण छन्। एक त आयनीकरण (आयोनाइजेशन) छ जो इलेक्ट्रोनहरूलाई यति गतिज ऊर्जा प्राप्त् हुन जान्छ कि ती ग्यासका परमाणुहरूलाई मुठभे्ने द्वारा आयनहरूमा परिवर्तित गर्न दिन्छन्। यस प्रकार इलेक्ट्रोनहरूको संख्यामा अत्यधिक वृद्धि हुन जान्छ। अधिशोषित अणु अथवा परमाणु विद्युत्‌को एक द्विगुण सतह धातुका धरातलमा बनाइन्छन्, जो वा त उत्सर्जनमा सहायक हुन्छ वा त्यसको कम गर्न दिन्छ। सहायक हुनु अथवा न हुनु ती परमाणुहरुका स्वभावमा निर्भर रहन्छ।

उष्मायानिक धारामा पट्टिक वोल्टताको प्रभाव

तापायनिक धारा तब बहन सक्छ जब उत्सर्जक र त्यसको चारहरुतर्फ घेरे भए बेलनको बीच धन विभव (पोटहरुशियल) जारी रखिन्छ। इलेक्ट्रोन ऋण आवेशित कण छन्। यस कारण ती बेलनतर्फ खिंच जान्छन् जो धन विभवमा रहन्छ। यस कारण यस्तो लग सक्छ कि केही नैं धन विभवमा पर्याप्त तापायनिक धारा बहन सक्छ। परन्तु यो देखिएको छ कि अधिक धारा प्रवाहित गर्नका लागि अधिक धन विभवको आवश्यकता हुन्छ। यसको कारण यो छ कि भ्रमण गर्दै इलेक्ट्रोनहरुका कारण उत्सर्जकका नजिक अन्तरण आवेश (स्पेस चार्ज) उत्पन्न हुन जान्छ। यो अन्तरण आवेश उत्सर्जित इलेक्ट्रोनहरूलाई पछि फहरुक दिन्छ। यस अन्तरण आवेशका प्रभावलाई उचित उच्च विभव द्वारा हटाउन सकिन्छ।

शीत उत्सर्जन (कोल्ड एमिशन)

यदि धन विभवलाई पर्याप्त अधिक बढाइयो भनें निम्न तापमा पनि उत्सर्जन हुन सक्छ। यस प्रकारका उत्सर्जनलाई शीत उत्सर्जन भन्दछन्। यस चीसो उत्सर्जनका लागि १०,००० वोल्ट प्रति सेण्टीमीटरका अभिक्षेत्र (फील्ड)को आवश्यकता हुन्छ।

जस्तो पहिला नैं भनिसकिएको छ, टंग्स्टन, थोरियम युक्त टंग्सटन तथा अक्साइड लेपित उत्सर्जक नैं प्राय: यस कार्यमा प्रयुक्त हुन्छन्। यी उत्सर्जकहरुका निम्नांकित गुण छन् :

टंग्स्टन

टंग्स्टन अत्यधिक उच्च तापमा नैं काममा लाया जा सक्छ। यस कारण यो शुद्ध अवस्थामा यदाकदा नैं प्रयोगमा ल्याइन्छ। उत्सर्जकका रूपमा यसको उपयोग तब गरिन्छ तब उच्च तापमा कुनै अन्य उत्सर्जक कार्यमा ल्याउन सकिंदैन। यसको प्रयोग अधिकतर ती नलिहरूमा हुन्छ जसमा पट्टिक वोल्टता ३,५०० वोल्ट भन्दा अधिक हुन्छ।

थोरियम युक्त टंग्स्टन

यस प्रकारका उत्सर्जक से, त्यसै ताप पर, शुद्ध टंग्स्टनको अपेक्षा कहीं अधिक उत्सर्जन हुन्छ। यसको कारण यो छ कि थोरियमको उपस्थितिका कारण सतहको व्यतिक्रमण गर्नका लागि इलेक्ट्रोनलाई जो कार्य गर्नु पर्छ त्यो पर्याप्त कम हुन जान्छ। नलीमा केही ग्यासका रहेको कारण रासायनिक विषाक्तता (पोयजनिंग) उत्पन्न हुन जान्छ। यदि धन आयनका टक्कर र रासायनिक विषाक्तताका प्रभावहरूलाई ध्यानमा रखा जाए त देखिन्छ कि थोरियम युक्त टंग्स्टनका उत्सर्जक अक्साइड लेपित उत्सर्जकको अपेक्षा अधिक टिकाऊ हुन्छन्।

अक्साइड लेपित उत्सर्जक

यस प्रकारका उत्सर्जक बेरियम र स्ट्रौंशियमका आक्साइ्नेका मिश्रणलाई उपयुक्त धातुका धरातलमा लिपेर बनाइन्छन्। साधारणतया निकल धातु नैं यस कार्यमा लगाई जान्छ। कहिले-कहिले निकलको कुनै मिश्रधातु पनि प्रयुक्त हुन्छ। यदि यस प्रकारको सतह उचित रूपले बनाए र सक्रियको जाए त ११५०° कमा पर्याप्त मात्रामा इलेक्ट्रोन उत्सर्जन हुन्छ। यस्तो प्रतीत हुन्छ कि उत्सर्जन धातुका स्वतन्त्र कणहरुदेखि हुन्छ जो अक्साइड लेपको सतहमा रहन्छन्।

अक्साइड लेपित उत्सर्जक निर्वात नलिहरूमा अधिक प्रयुक्त हुन्छन्। यसको कारण यो छ कि अक्साइड लेपित उत्सर्जक अन्य प्रकारका उत्सर्जकहरूको तुलनामा प्रत्येक वाट उष्मा शक्तिका लागि अधिक उत्सर्जन दिन्छ तथा अन्य उत्सर्जकहरूको तुलनामा प्रति वर्ग सेण्टीमीटर अधिक अंपीयर दिन्छ। आक्साइउ लेपित उत्सर्जकहरूको एक विशेष लाभदायक गुण यो पनि छ कि यसदेखि अत्यधिक इलेक्ट्रोनहरूको उत्सर्जन एकैचोटी हुन सक्छ, चाहे यो समय केही माइक्रो सेकंड नैं किन न हो (१ माइक्रो सेकड एक सेकंड =को लाखवाँ भाग)।

प्रायोगिक उत्सर्जकको आकृति

प्रयोगमा लाए जाने उत्सर्जक प्राय: दुइ प्रकारका हुन्छन्। पहिला प्रकारका उत्सर्जक तन्तु (फिलामाट)का रूपमा बनेका हुन्छन्, जसमा विद्युद्धारा प्रवाहित गरेर अधिक तापसम्म गरम गरिन्छन्। अर्का प्रकारका उत्सर्जक ती हुन्छन् जो परोक्ष रूपले गरम गरिन्छन्। यी धातुको पातलो च्यादरका बेलनका रूपमा हुन्छन्। (बेलन प्राय: अक्साइड लेपित निकलको हुन्छ।) यो बेलन बाह्य पृथक्कृत (एक्सटर्नैली इनसुलेटेड) टंग्स्टन धातुका तन्तुहरुदेखि गरम गरिन्छ, जसलाई तापक (हीटर) भन्दछन्।

गौण (सेकंडरी) उत्सर्जन

धेरै पहिलादेखि यो ज्ञात छ कि यदि कुनै धातुलाई इलेक्ट्रोनको धारादेखि प्रताडित गरियोस् त एक गौण प्रकाश उत्पन्न हुन्छ। यसैलाई गौण उत्सर्जन भन्दछन्। यसको तापायनिक नलिहरु (thermionic tubes)मा धेरै नैं महत्त्व छ किनभनें यो अनिच्छिन्न प्रभावका रूपमा नलीमा प्रकट हुन जान्छ। प्राथमिक (प्राइमरी) इलेक्ट्रोनदेखि प्रताडित भएमा गौण इलेक्ट्रोनको संख्या प्राथमिक इलेक्ट्रोनहरूको गतिमा र त्यस वस्तुका स्वभाव तथा दशामा निर्भर रहन्छ जो प्रताडित गरिन्छ। यदि पूर्ववर्ती इलेक्ट्रोनहरूको गति अत्यधिक न्यून छ भनें गौण उत्सर्जन हुँदैन। गौण इलेक्ट्रोनमा प्राय: ९० प्रतिशत यस्ता हुन्छन् जसको वेग प्राथमिक इलेक्ट्रोनहरुसित धेरै कम हे्दछ। तथापि केही गौण इलेक्ट्रोन यस्ता पनि उत्सर्जित हुन्छन् जसको वेग प्राथमिक इलेक्ट्रोनहरुसित अधिक हुन्छ र धेरै प्रतिशत यस्ता हुन्छन् जसको वेग प्राथमिक इलेक्ट्रोनहरुका वेगका बराबर हुन्छ।

पृथक्कारी (इनसुलेटर)देखि गौण उत्सर्जन-पृथक्कारीदेखि हुने गौण उत्सर्जन कहिले-कहिले धातुहरुका उत्सर्जन भन्दा अधिक लाभदायक हुन्छ। यसको एक उल्लेखनीय र सर्वविदित उदाहरण नलीका काचको देवलहरूको इलेक्ट्रोनका प्रताडन द्वारा विद्युद्युक्त हुनु हो। अर्को उदाहरण छ ऋणाग्रकिरण नलिहरुका प्रतिभास पट्टहरूको विद्युन्मय हुनु।

वर्तमान कालमा प्रयोगमा लाई जाने विभिन्न प्रकारको सङ्ग्रह नलिहरु (स्टोरेज ट्यूब्स)मा पृथक्कारीदेखि गौण उत्सर्जनको उपयोग गरिन्छ।

यी पनि हेर्नुहोस्

• तापविद्युत प्रभाव
• निर्वात नलिका

बाह्य कडीहरू

• How vacuum tubes really work with a section on thermionic emission, with equations, john-a-harper.com.
• Owen Richardson's Nobel lecture on thermionics, nobel.se, December १२, १९२९. (PDF)
• Derivations of thermionic emission equations from an undergraduate lab वेब्याक मेसिन अभिलेखिकरण २०१२-०२-०५ मिति, csbsju.edu.