13-5. Катоды электровакуумных приборов

а) Определения, характеристики, параметры

Катодом электровакуумного прибора называется электрод, основным назначением которого является испускание электронов.

Наиболее широкое применение получили термоэлектронные катоды, действие которых основано на использовании явления термоэлектронной эмиссии. Эти катоды в дальнейшем будем называть просто катодами.

Для получения необходимой величины электронной эмиссии катоды нагревают до определенной температуры электрическим током, называемым током накала.

По способу нагревания катоды делятся на катоды прямого накала и катоды косвенного накала или подогревные.

В первом случае ток накала проходит непосредственно через катод, во втором катод получает тепло от изолированного от него подогревателя, по которому проходит ток накала.

Зависимость тока эмиссии от напряжения накала (напряжение на зажимах катода), т. е. называется эмиссионной характеристикой (рис. 13-8). При малых напряжениях накала ток накада и температура катода малы и эмиссии нет.

Рис. 13-8. Эмиссионная характеристика катода

Рис. 13-9. Накальная характеристика катода.

При некотором начальном значении напряжения температура катода становится достаточной для термоэлектронной эмиссии и появляется ток эмиссии, который быстро растет с увеличением напряжения

Зависимость тока накала от напряжения накала, т. е. называется накальной характеристикой катода (рис. 13-9).

Увеличение напряжения вызывает увеличение тока накала и температуры катода. При этом происходит увеличение его сопротивления, так что рост тока накала с увеличением напряжения замедляется.

Основные свойства катода характеризуются его параметрами:

1. Эмиссионная способность катода определяется удельной эмиссией или плотностью эмиссионного тока (13-9) при номинальной температуре катода. Она у современных катодов имеет значение порядка сотен миллиампер на квадратный сантиметр.

2. Удельная мощность накала — это мощность накала катода, отнесенная к 1 см2 его поверхности, т. е.

(13-11)

Из мощности Р, расходуемой на нагревание катода, только 2—3% превращается в кинетическую энергию электронов, покидающих катод, а остальная часть рассеивается в окружающую среду излучением и теплопроводностью.

3. Эффективность или экономичность катода определяется отношением эмиссионного тока, к мощности нагревания катода, т. е.

(13-12)

Чем больше эмиссионный ток, приходящийся на каждую единицу мощности накала катода, тем больше эффективность катода. У современных катодов эффективность изменяется от единиц до сотен миллиампер на ватт.

4. Рабочая, температура у различных катодов имеет значение от 600 до 400 °С.

Повышение температуры катода вызывает увеличение эмиссии, повышение эффективности и уменьшение срока службы катода.

5. Долговечностью катода или сроком службы его называется время, в течение которого эмиссионный ток уменьшается на 20% от своего номинального значения. Долговечность катодов составляет около .

б) Типы термоэлектронных катодов

Выше (§ 13-4) уже отмечалось, что материал катода должен обеспечить малый потенциал выхода и выдерживать высокую температуру. Последнее обстоятельство требует изготовления катодов из тонкой проволоки, обладающих достаточной прочностью при высокой рабочей температуре катода.

Одним из таких металлов является вольфрам с потенциалом выхода 4,4 В, с температурой плайления 3 500 СС и рабочей температурой 300 °С. Удельная эмиссия вольфрамовых катодов 0,3-0,7, эффективность не превышает 15 мА/Вт, а долговечность около 1 000 ч.

Низкая эффективность вольфрамового катода делает его применение весьма ограниченным.

Устойчивость (неизменность по времени) его эмиссий и стойкость к ударам ионов (к ионной бомбардировке) обеспечивают применение вольфрамовых катодов в мощных и в высоковольтных лампах, а также в специальных электрометрических лампах.

Рис. 13-10. Двойной электрический слой, образованный поляризованными атомами бария.

Значительно меньший потенциал выхода по сравнению с катодами из чистых металлов имеют пленочные катоды, у которых поверхность основного металла покрыта тончайшей (одноатомной) пленкой другого металла с меньшей работой выхода. Например, одноатомный слой бария , нанесенный на вольфрам , уменьшает потенциал выхода до 1,44 В. Это объясняется тем, что при таком покрытии (рис. 13-10) атомы бария поляризуются. Отрицательные заряды, смещаясь, образуют внутреннюю пленку, а положительные — наружную, т. е. образуется двойной электрический слой. Внутри слоя электрическое поле найравлено внутрь, следовательно, для выходящих из металла электронов поле является ускоряющим, что и приводит к уменьшению работы выхода. Следовательно, для получения нужной эмиссии требуется меньшая температура катода. Такие пленочные катоды называются активированными.

Бариевый катод имеет наибольшую эффективность до 150 мА/Вт и наиболее низкую рабочую температуру около 600 °С, долговечность его составляет 1 500 ч. Бариевый катод не может работать при высоком анодном напряжении, так как он чувствителен к ионной бомбардировке. Бариевые катоды изготовляются только прямого накала.

Наибольшее распространение получили оксидные катоды — полупроводниковые с активным слоем более значительной толщины, чем у пленочных катодов. Этот катод состоит из вольфрамового или никелевого стержня (керна), на который наносится оксидный полупроводниковый слой, состоящий из смеси окисей бария, стронция и кальция с вкрапленными атомами металлического бария. Оксидный катод имеет большую эффективность до 100— 150 мА/Вт, низкую рабочую температуру 700-900 °С и большую долговечность, исчисляемую несколькими тысячами часов.

Катод прямого накала представляет собой более или менее тонкую вольфрамовую проволоку (нить) или ленту, нагреваемую проходящим по ней током накала. При малой длине нити она натягивается пружинкой между двумя держателями, при большей длине ей придают V- или -образную форму или выполняют в виде цилиндрической спирали. Катоды мощных приборов изготовляются, из ленты, которой придают волнообразную или спиральную форму (рис. 13-11).

Рис. 13-11. Устройство катодов, а — прямого накала; б — косвенного накала.

Преимуществом катода прямого накала является простота устройства и малая мощность накала.

К недостаткам этих катодов относится колебание (пульсация) температуры катодов с малой тепловой инерцией при питании их переменным током, так как мгновенное значение тепла, получаемое катодом, изменяется пропорционально квадрату мгновенного значения тока. Эти колебания температуры вызывают и соответствующие колебания (пульсации) электронной эмиссии.

Кроме того, в катодах прямого накала прохождение тока накала вызывает изменение потенциала по длине катода. Следовательно, отдельные точки катода находятся под различными анодными напряжениями, что при питании катода переменным током приводит к колебаниям анодного тока.

В катодах косвенного накала источник электронов — катод электрически изолирован от нагревателя. Поэтому недостатки, свойственные катодам прямого накала, у него отсутствуют.

Наиболее распространенный подогревный катод представляет собой вольфрамовую спираль, изолированную слоем алунда (окись алюминия ). Она расположена внутри никелевого цилиндра, покрытого снаружи тонким оксидным слоем, с поверхности которого происходит эмиссия электронов. Подогреватель, имеющий два вывода, изолирован от никелевого цилиндра, имеющего третий вывод, так что все точки поверхности катода имеют один и тот же потенциал. Подогревный катод обладает значительной массой, большой тепловой инерцией и большой мощностью накала. Эффективность такого катода составляет 30-35 мА/Вт, т. е. значительно меньше, чем у катодов прямого накала. Вследствие большой тепловой инерции подогревные катоды не дают пульсации тока эмиссии при питании подогревателя переменным током. По той же причине время разогрева составляет несколько десятков секунд, т. е. значительно больше, чем у катодов прямого накала.