Термоэлектронные катоды

Катод в электровакуумном приборе – это электрод, являющийся источником электронов. Для получения достаточной плотности тока эмиссии катод должен иметь высокую температуру. По первому варианту конструкции катод изготавливают из проволоки и нагревают путем пропускания по проволоке электрического тока от отдельного источника, называемого источником тока накала. Такой катод называют катодом прямого накала. Температура катода и, следовательно, ток эмиссии зависят от мощности, расходуемой на нагрев катода, и условий его охлаждения. Поскольку измерять температуру катода или мощность накала затруднительно, для оценки катода служит зависимость тока эмиссии от тока накала или напряжения на нити накала, называемая эмиссионной характеристикой катода.

Электрическая схема для снятия накальной и эмиссионной характеристик катода двухэлектродной электронной лампы прямого накала представлена на рисунке 2. Подогрев катода обеспечивает регулируемый источник напряжения Е_н, ток и напряжение накала измеряют соответственно амперметром А и вольтметром V_н. Между катодом и анодом лампы положительным полюсом к аноду приложено напряжение регулируемого источника Е_а, величина этого напряжения контролируется вольтметром V_a, ток анода измеряется миллиамперметром mA.

Накальная характеристика катода – это зависимость тока накала от напряжения, приложенного к нити накала при отключенном анодном источнике. По существу, это вольт-амперная характеристика нелинейного сопротивления, которым является нить накала, обычно изготавливаемая из тугоплавкого вольфрама. С ростом мощности накала повышается температура нити, растет ее сопротивление электрическому току (у вольфрама положительный температурный коэффициент сопротивления 5,4*10^-3 К^-1), следовательно, скорость роста тока будет падать.

Эмиссионная характеристика катода – это зависимость тока катода от тока или напряжения накала при неизменном напряжении между анодом и катодом. По мере повышения тока накала растет температура катода и ток эмиссии. Вылетающие из катода электроны образуют вблизи катода облако, обладающее отрицательным пространственным зарядом и тормозящее электроны. Электрическое поле, создаваемое анодом, находящимся под положительным потенциалом относительно катода, заставляет электроны двигаться к аноду, в результате формируется ток анода и разрушается облако электронов вблизи катода. Очевидно, чем выше напряженность поля анода, тем больше ток анода и меньше пространственный заряд вблизи катода. Однако по мере приближения тока анода к току эмиссии катода скорость роста тока анода падает почти до нуля, такой режим работы лампы называют режимом насыщения. В режиме насыщения любой электрон, покинувший катод, достигает анода; электрическое поле анода стимулирует эмиссию вследствие эффекта Шоттки.

1.3.1. Параметры катодов

1. Рабочая температура Т_раб. Это температура эмиттирующей поверхности катода в нормальных рабочих условиях. Она в значительной мере определяет другие параметры катода и электровакуумного прибора в целом: плотность тока катода, расход мощности на его подогрев, срок службы ЭВП и т.д.

2. Удельная эмиссия: величина тока электронной эмиссии с единицы поверхности катода. Согласно формуле Дэшмана удельная эмиссия

J _eq=A T_раб ² exp(-b₀ /T_раб).

3. Допустимая плотность тока катода. Для простых катодов она может достигать удельной эмиссии, для активированных и, особенно, полупроводниковых катодов она должна быть много меньше плотности тока эмиссии, иначе активный слой катода разрушится. В импульсном режиме работы допустимая плотность тока катода больше той же величины в непрерывном режиме.

4. Удельная мощность накала – это мощность накала, приходящаяся на единицу поверхности катода. На нагрев катода расходуется мощность, зависящая от температуры катода, свойств материала и размеров катода. При включении накала температура катода начинает повышаться, а по мере роста температуры растет мощность тепловых потерь, главным образом, на излучение, и за некоторое время (обычно десятки секунд) температура катода достигает установившегося значения. Еще одна составляющая потерь энергии катодом – на электронную эмиссию. Каждый электрон, покидающий катод, уносит энергию, равную сумме своей кинетической энергии и работы выхода. Поскольку средняя кинетическая энергия одного электрона равна 2kT, расход мощности накала на эмиссию

P_e=I_{eПредставляет собой}(e₀ + 2kT)/e,

где e₀ – работа выхода, эВ; е = 1,6*10^-19 Кл – заряд электрона, I_e – ток катода, А. Эта величина составляет от 2 до 7 процентов от мощности, потребляемой накалом лампы.

5. Эффективность катода. Это отношение тока эмиссии к мощности, затрачиваемой на нагрев катода:

H = I_e / P_н .

Эта величина одновременно характеризует эмиссионные свойства катода и определяет расходуемую на накал мощность. Для данного материала катода эффективность зависит только от температуры, возрастая по экспоненциальному закону при повышении температуры:

H = I_e /P_н const* T ^-2 exp(-b₀/T).

Использование катода при более высокой температуре выгодно, так как при этом ток эмиссии катода возрастает, а относительный расход мощности падает, однако снижается долговечность катода.

6. Долговечность катода. Иначе называется сроком службы. Важнейший параметр любого электровакуумного прибора. Представляет собой среднее время безотказной работы катода данного типа в определенных условиях. Отказ катода – наиболее частая причина отказа всего электровакуумного прибора.

Катоды из чистых неактивированные металлов отказывают обычно в результате механического повреждения (обрыва) нити накала. При высокой температуре металл нити испаряется, сечение нити уменьшается, причем, неравномерно. На тех участках, где сечение меньше, выделяется большая мощность, выше температура и интенсивнее испарение. В конце концов, нить накала разрывается из-за потери механической прочности.

Основная причина выхода из строя активированных катодов – уменьшение эмиссионной способности вследствие дезактивации поверхностного слоя. Лампа с дезактивированным слоем к использованию непригодна, хотя нить накала и сохраняет целостность. Из-за снижения эмиссии катода изменяются другие параметры прибора, и его использование в рабочем режиме становится невозможным. Поэтому долговечность или срок службы прибора определяют как время работы, в течение которого параметры прибора снижаются до 70 – 80 % начальных значений.

Долговечность электровакуумных приборов очень сильно зависит от температуры катода, то есть, от электрического режима нити накала. И повышение, и понижение тока (напряжения) накала от номинальных значений приводит к снижению срока службы лампы.

1.3.2. Типы катодов

Термоэлектронные катоды электровакуумных приборов подразделяются на три группы:

- катоды их чистых металлов и сплавов;

- пленочные катоды;

- полупроводниковые катоды.

Катоды первой группы – неактивированные. Их называют также простыми или однородными.

Катоды второй и третьей групп являются активированными. На их наружной поверхности имеется активный слой, отличающийся по составу от толщи катода и при изготовлении ЭВП подвергаемый специальной обработке (активировке).

У пленочных катодов активный слой представляет собой одноатомную пленку электроположительного металла. Такие катоды называют также тонкослойными.

У полупроводниковых катодов активный слой имеет значительную толщину (десятки тысяч и более атомных слоев) и состоит из полупроводника с примесной электронной проводимостью. Такие катоды называют толстослойными. Среди них есть также катоды с металлической проводимостью активного слоя.

1.3.3. Катоды из чистых металлов

Вольфрамовые катоды. Достоинства вольфрама как материала для катодов: высокая температура плавления (свыше 3600 К), хорошая обрабатываемость, позволяющая изготавливать тонкую проволоку. Рабочая температура вольфрамового катода от 2400 до 2600 К в зависимости от типа лампы. С ростом температуры растут эмиссия и эффективность катода, но снижается долговечность. Эффективность составляет 2 – 10 мА/Вт, срок службы – 2000 – 3000 час. Основное достоинство вольфрамового катода – постоянство эмиссии. Применяют вольфрамовые катоды в мощных лампах, работающих при высоком анодном напряжении.

Танталовые катоды. Температура плавления тантала (3120 К) ниже, чем у вольфрама, но меньше и работа выхода, поэтому танталовый катод при температуре 2300- 2500 К дает эмиссию в 10 раз большую, чем вольфрам при этой температуре. Однако при сильном нагреве тантал рекристаллизуется в крупнокристаллическую структуру и становится хрупким и ломким.

1.3.4. Пленочные катоды

Торированные катоды. Представляют собой проволоку из вольфрама с примесью тория (0,5 – 2% ThO).При нагревании в вакууме окись тория восстанавливается до металлического тория, атомы тория диффундируют к поверхности, образуют на ней одноатомный слой и постепенно испаряются. В процессе продвижения к поверхности часть атомов тория отдает свои валентные электроны атомам вольфрама и на поверхности катода становится положительными ионами. В результате существенно снижается работа выхода электронов из такого катода.

Рабочая температура торированного катода 1800 – 1900 К при этом эффективность 35 – 50 мА/Вт. Срок службы ограничен не обрывом нити, а существенным снижением эмиссии из-за обеднения катода торием и рекристаллизации вольфрама, затрудняющей диффузию атомов тория к поверхности катода. На состояние активного слоя сильно влияют остаточные газы в баллоне. Они взаимодействуют с поверхностью катода химически, а также, ионизируясь, бомбардируют катод, в результате поверхность разрушается.

Недостаток торированного катода – неустойчивость эмиссии, поэтому такие катоды применяются редко.

Карбидированные катоды. Представляют собой торированные катоды, обработанные в атмосфере углеводородов с целью насыщения металла углеродом, при этом на поверхности образуется слой карбида вольфрама W₂C, а уже на нем – одноатомный слой тория. Теплота испарения тория с карбида вольфрама больше, чем с чистого вольфрама, поэтому эмиссия такого катода более стабильна, а срок службы больше. Рабочая температура карбидированного катода около 2000 К, эффективность 50 – 70 мА/Вт. Недостатки такого катода обусловлены хрупкостью карбида вольфрама и неодинаковостью температурных коэффициентов линейного расширения вольфрама и его карбида, что при многократных циклах нагрева и охлаждения приводит к разрушению нити накала.

1.3.5. Полупроводниковые катоды

Полупроводниковый оксидный катод – это наиболее распространенный тип катода в электровакуумных приборах. Основание (керн) катода изготавливают из вольфрама или никеля. На поверхность керна наносят довольно толстое (20 – 100 мкм) покрытие, состоящее из смеси оксидов щелочноземельных металлов: бария, стронция, кальция, причем, оксиды образуются в уже собранной, но не откачанной лампе из углекислых солей (карбонатов) названных металлов, которые при нагревании разлагаются на оксиды и углекислый газ. В обычном, неактивированном состоянии оксиды являются диэлектриками. Активировка катода включает его нагрев до 1300 К в электрическом поле, создаваемом напряжением положительной полярности, поданным на анод лампы. При такой обработке часть оксидов восстанавливается до металла, и ионы этого металла частично перемещаются к поверхности катода, другой частью распределяются в толще оксидного слоя. Эти ионы выступают донорами, придавая оксиду свойства полупроводника с электронной проводимостью. Работа выхода электрона из такого полупроводникового катода мала (1 – 1,1 эВ), и значительная термоэлектронная эмиссия получается уже при температуре 1000 – 1100 К при эффективности катода от 60 до 100 мА/Вт.

Срок службы оксидного катода теоретически очень велик, так как определяется запасом щелочноземельных металлов, главным образом, бария, в оксидном слое. На практике срок службы большинства ламп и других ЭВП с оксидными катодами от 1500 до 3000 часов, у специальных долговечных ламп – до 10000 часов, в свое время для усилителей подводных кабелей связи изготавливались лампы, рассчитанные на срок службы до 100 000 часов.

В непрерывном режиме работы ток оксидного катода многократно меньше тока эмиссии. В импульсном режиме при длительности импульса 1 – 10 мкс и скважности более 1000 при повышенном анодном напряжении с обычных ламп получают большие анодные токи, при этом плотность тока эмиссии доходит до 100 А/см², в то время как в непрерывном режиме она не превышает 0,5 А/см².

1.3.6. Конструкции катодов и особенности их эксплуатации

Существуют два типа конструкций термоэлектронных катодов. В первой эмиттирующей электроны поверхностью является непосредственно нить накала – проволока или лента, нагреваемая током. Такой катод называют катодом с непосредственным накалом или катодом прямого накала. В другой конструкции проволока, нагреваемая током (подогреватель) помещается внутри полой металлической детали, наружная поверхность которой эмитирует электроны. Такой катод называют катодом косвенного накала, или подогревным.

Каждый тип катода имеет свои достоинства и недостатки. Катод прямого накала более экономичен, имеет меньшие массу и размеры, однако его поверхность на разных участках имеет разные потенциалы из-за того, что к нити накала приложено напряжение накала. Плотность тока, снимаемая с разных участков катода, также будет различной. Если цепь накала питается переменным током низкой частоты (обычно 50 Гц), температура катода изменяется с удвоенной частотой от максимальной до минимальной и обратно. Это явление выражено тем сильнее, чем меньше масса и размеры катода. Кроме того, при использовании лампы прямого накала неизбежна гальваническая связь между цепью катод – анод и цепью накала.

Катод косвенного накала менее экономичен, имеет большие размеры и массу, однако он электрически изолирован от подогревателя, а за счет большей тепловой инерции при подогреве от источника переменного тока практически не обнаруживает пульсаций тока катода с удвоенной частотой тока накала.

Величины напряжения накала для всех электровакуумных приборов стандартизованы. При централизованном питании изделий с ЭВП от промышленной сети переменного тока 220 В 50 Гц применяют приемно-усилительные (маломощные) лампы с напряжением накала 6,3 В, более мощные лампы имеют напряжение накала 12,6 – 30 В и токи накала от единиц до сотен ампер.

С точки зрения надежности электровакуумные приборы существенно уступают полупроводниковым приборам. Тому есть две причины. Первая в том, что любой ЭВП содержит детали, нагретые до высокой температуры: катод и подогреватель. Вторая причина: электровакуумный прибор помещен в оболочку, внутри которой должен быть глубокий вакуум, давление остаточных газов не должно превышать 10^-7мм рт. ст.

После включения питания электровакуумный прибор выходит на рабочий режим через некоторое время, необходимое для разогрева катода до рабочей температуры. Для миниатюрных ламп с катодами прямого накала это время измеряется секундами, для крупных ламп с катодами косвенного накала нужно большее время, иногда более одной минуты. При подаче напряжения накала на холодный подогреватель ток накала в начальный момент может до 20 раз превышать рабочий ток, происходит это вследствие зависимости удельного сопротивления материала подогревателя от температуры. Поэтому в цепях накала мощных ламп включают пусковые регуляторы тока. Для увеличения срока службы напряжения на электроды ламп подают после полного прогрева катода, особенно важно это для оксидных катодов.

Дата добавления: 2014-01-07