Главная Электровакуумный прибор с термоэлектронным катодом



зы в баллоне и особенно кислород, который окисляет поверхности элжтродов и эмитирующего слоя. В результате возрастает работа выхода катода и уменьшается эмиссионный ток. Это явление называется отравлением катода.

Определённую роль играет и бомбардировка поверхности катода положительными ионами. При ударе иона кинетическая энергия, запасённая им при движении в электрическом поле, превращается в тепловую, и температура катода увеличивается. При этом возрастает и ток эмиссии.

Наконец, эмиссионные свойства катода изменянэтся из-за распьшения его активного слоя, которое происходит как за счёт работы при высокой температуре, так и под влиянием ионной бомбардировки. Последняя может привести даже к разрушению катода.

3. Нагрев анода и сеток. Вследствие бомбардировки анода и сеток электронами и разогрева теплом, излучаемым с соседних электродов, температура их может достигать «ескольких сотен °С.

Для подсчёта мощности, рассеиваемой электронным потоком на электроде, необходимо найти кинетическую энергию электронов, поступающих на него за 1 сек. Так как каждый электрон при ударе обладает кинетической энергией qu (и - напряжение на электроде), а количество электронов, попадающих на него

в 1 сек при токе г в его цепи, равно

то мощность, рассеиваемая на электро-

де, будет равна

(1.45)

Напрев электрода теплом, излучаемым с поверхностей остальных электродов, и соответствующая ему мощность Рпагр зависят от температуры этих электродов и геометрических размеров системы. Подсчитать мощность Рпагр можно лишь для определённой системы электродов.

Температуру электрода в установившемся теплов01М режиме находят, при-раанивая мощность Рзл-\-Рнагр, рассеиваемую на нём, « мощности

Ризл = 1ота,

(1.46)

излучаемой с его поверхности. Выражение (1.46) является известным законом Стефана-Больцмана. Здесь - коэффициент лучеиспускания, определяемый состоянием поверхности электрода (для абсолютного чёрного тела =1); Т - температура электрода (°К); Q - поверхность электрода (см); а - постоянная, ( вт \

равная 5,7-10-2 -j. Тогда температура

V слСК)*

, 1*/ Ш±Рнагр

Отсюда следует, что температура электрода тем выше, чем больше рассеиваемая на нём мощность ui, сильнее нагреты соседние электроды и меньше его поверхность и коэффициент лучеиопускаяия. Меньше, очевидно, разогреваются электроды, не подвергающиеся электронной бомбардировке (ui=Q).

Нагрев анода и сеток приводит к изменению токов во внешних цепях по следующим причинам. Во-первых, как уже было отмечено, при более высокой температуре усиливается выделение газов из электродов и ухудшается вакуум. Во-вторых, сетки и анод сами становятся эмиттерами электронов. Электроны, эмитируемые ими, переходят иа электроды, находящиеся под более высоким напряжением, и наводят токи во внешних цепях. Эти токи называются термоэлектронными или просто термотоками. Величина их небольшая (порядка 10"-10~ а), и роль они играют лишь в обесточенных цепях.

4. Контактные разности потенциалов между электродами. Известно, что между проводниками, находящимися в контакте, возникает контактная разность потенциалов, равная разности лх работ выхода. Поэтому напряжение, действую-34

щее между даиным электродом и катодам, раано сумме приложенного напряжения и контактной разности потенциалов, возникающей между ними (каждый электрод соединён с катодом внешней цепью).

Контактнан разность потенциалов имеет небольшую величину (порядка нескольких десятых долей вольта) и существенно влияет лишь тогда, когда данный электрод работает при небольшом напряженки (суммарное напряжвиие значительно отличается от приложенного).

Возможность изменения контактных разностей потенциалов также имеет большое значение, так как при этом изменяются суммарные напряжения на электродах и токи во внешних цепях. Изменение контактных разностей потенциалов происходит за счёт окисления поверхностей электродов, сопровождающегося изменением их работы выхода, а также за счёт распыления эмитирующего слоя катода. Распылённое вещество оседает на поверхностях сеток и анода, изменяя их работу выхода.

5. Возникновение вторично-эмиссионных явлений. Электроды, подвергающиеся электронной бомбардироже, сами становятся эмиттерами (первичные электроны выбивают вторичные). Эмиссионную способность вторичных эмиттеров оценивают величиной коэффициента вторичной эмиссии, равной количеству вторичных электронов, выбиваемых одним первичным.

!Вторичными эмиттерами в лампе являкутся все электроды, находящиеся под полаЖИтельным напряжением. Электроны, выбитые из данного электрода, могут переходить иа электроды, находящиеся под более высоким положительным напряжением, или возвращаться к нему обратно (последний случай имеет место, очевидно, тодда, когда напряжение на электроде, эмитирующем втОркчяые электроны, превосходит напряжения на остальных электродах). Таким образом, вторично-эмиссионные явления приводят к обмену электронами между электродами, несущими положительные напряжения. Явление обмена вторичными электронами иазывается динатротым эффектом.

При динатронном эффекте ток в цепи электрода-эмиттера (электрода, отдающего элжтроны) уменьшается, а электрода - коллектора (электрода, собирающего .вторичные электроны) увеличивается. Опыт показывает, что коэффициент вторичной эмиссии порядка 1, т. е. что динатровйый эффект может привести к существенным изменениям токов во внешних цепях. Важ1но и то, что коэффициент вторичной эмиссии не остаётся постоянмой величиной. В частности, он сильно зависит от состояния поверхности электрода - эмиттера. При окислении поверхности или при напылении на неё активного вещества катода коэффициент вторичной эмиссии возрастает.

6. Несовершенство изоляции между вводами электродов. Сопротивление изоляции между вводами электродов определяется в основном состоянием виутрен-ней и наружной поверхностей баллона, в который впаяны вводы (в частности, при загряз1нении этих поверхностей, покрытии внутренней поверхности активным веществом распыляющегося катода, при работе в помещениях с большой влажностью и т. д. оно существенно уменьшается). Наличие между вводами проводимости приводит к возникновению токов, называемых токами утечки. В современных лампах удается обеспечить хорошую изоляцию вводов, и ее сопротивление достигает нескольких сотен мегом. Вследствие этого токи утечки имеют небольшую величиву и так же, как иоиные токи, учитываются лишь в цепях обесточенных электродов.

Особенностью токов утечки является самопроизвольное изменение их величины. Наиболее сильно токи утечки изменяются при больших напряжениях между элект.родами, когда электрическое состояние поверхности баллона между вводами приближается к пробойному. При чрезмерно большом напряжения наступает пробой изоляции, между вводами проскакивают искры, и в цепи возникает большой пробойный ток.

7. Появление остаточных механических и тепловых деформаций разрядной системы. При сильных ударах и сотрясениях лампы, а также при значительных перегревах её электродов разрядная система получает остаточные деформации, и ее геометрические размеры изменяются. В результате при тех же приложенных напряжениях электрическое поле в междуэлектродных промежутках и токи во внешних цепях становятся различными.

35 2*



Рассмотренные явлеиня ухудшают эксплуатационные свойства лампы, приводят к яестабильности её работы и ограничивают предельно допустимые режимы её использования.

Существенную роль играет и невозможность выполнении одииаковых ламп. Лампы одного типа характеризуются значительными разбросами параметров. Здесь, кроме рассмотренных явлений, сжазывают влияние отклонения в геометрических размерах разрядных систем. Успехи послед«их лет в совмиенствовании технологии производства привели к разработке более совершенных ламп. Тем не менее с описанными явлениями приходится считаться и в настоящее время.

в»

Рис. 1.13

Использование электронных ламп основано иа возможности управления токами в её внешних цепях путём из-м-енения напряжений источников, включенных в эти цепи. Чаще всего управляемым током является ток в цепи анода (на анод подается положительное напряжение), а управляющим напряжением - напряжение, подводимое к первой сетке, называемой управляющей. Цепь управляющей сетки именуется еще входной цепью, а цепь анода - выходной (рнс. 1.2). Остальные сетки играют вспомогательную роль. Напряжения на этих сетках поддерживаются постоянными в течение всего времени работы схемы. Из-за инерцяоняости нагрева и охлаждения катода и сокращения срока службы лампы яе реализуется возможность управления током в ансщной цепи посредством изменения температуры катода, я напряжение накала поддерживается постоянным.

В качестве примера на рис. 1.13 приведена схема лампового усилителя на пентоде. В цепь первой сетки подается управляющее напряжение Ugi ~ и постоянное отрицательное напряжение Ец, определяющее ее исходный рабочий режим. В цепь анода включено постоянное положительное напряжение Еа и сопротивление Ra. На вторую сетку подается также лостояиное положительное напряжение Eg2, третья сетка соединена с катодом. Изменение напряжения на управляющей сетке приводит к воэникнавению переменного тока в цепи анода, выделяющего иа сопротивлении Ra переменное напряжение. При выполнении определенных условий переменное напряжение яа сопротивлении может быть больше управляющего (§ 3.1).

Использование двухэлектродных ламп основано на Односторонней проводимости этих приборов (анодный ток протекает лишь при положительном напряже-шя на аноде). Применяют их в схемах выпрямления перемениого тока (§ 3.5).

1.2. ЭЛЕКТРОДЫ МАЛОМОЩНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП НЧ И ВЧ

• КАТОДЫ

Катоды электронных ламп делаются из чистых металлов, из чистых металлов, покрытых пленками других металлов (пленочные катоды), и из полупроводников.

Каждый катод характеризуется величиной работы выхода, рабочей температурой, долговечностью и параметрами, определяющими его экономичность.

Работа выхода большинства современных катодов, как показано ниже, не остается постоянной и зависит от условий их эксплуатации. В частности, при какой-то определенной температуре она имеет минимальное значение (а катод обладает наибольщей эмиссионной способностью). От температуры не зависит только работа выхода катодов, выполненных из чистых металлов.

Рабочей температурой катода называется температура, при которой работа выхода минимальна. Рабочая температура катодов из чистого металла выбирается из условия получения заданного эмиссионного тока.

Долговечность катода характеризуется временем, в течение которого его эмиссионная способность еще существенно не уменьшается или он не разрушается (последнее относится к катодам из чистых металлов), и определяется при рабочей температуре.

Термин «экономичность» катода определяет степень полезного использования мощности Р„, затрачиваемой на его нагревание. Полезной ее частью является мощность, расходуемая на эмиссию электронов. Остальная мэщность излучается с поверхности катода в окружающую среду. Расчеты показывают, что полезная часть мощности Рн составляет лишь несколько процентов от полной, т. е. что практически вся мощность накала расходуется непроизводительно. На основании выражения (1.46) можно считать, что

Рн = ЬТД, (1.47)

где \-коэффициент лучеиспускания поверхности катода, Q и Тк - величина и температура поверхности. Отсюда следует, что катоды с более высокой рабочей температурой характеризуются большими непроизводительными потерями тепла, и следовательно, менее экономичны.

Экономичность катодов оценивается величиной мощности накала, приходящейся на 1 с.и их поверхности,

(1.48)

Экономичность катодов из чистых металлов может также определяться параметром

(1.49)

Н =А

называемым эффективностью (это отношение показывает, какое количество миллиампер эмиссионного тока приходится на 1 вт мощности, затрачиваемой на накал). Для пленэчных и полупроводниковых катодов параметр Не не имеет смысла, так как эти катоды не могут работать в резсимах, в которых используется вся их эмиссионная способность. Их экономичность можно оценить параметром

Н, = , (1.50)

где indon-допустимый катодный ток.



Требования высокой экономичности и большой долговечности являются основными требованиями, предъявляемыми к катодам. Кроме этого, катоды должны обладать стабильной эмиссионной способностью (не должно быть самопроизвольного изменения тока эмиссии при рабочей температуре) и допускать возможно более полное ее использование. С этой точки зрения идеальным является катод, допустимый катодный ток которого равен эмиссионному. Наконец, катоды должны быть механически прочными, не реагировать на ионную бомбардировку и остаточные газы в баллоне и мало распыляться. Последнее существенно влияет не только на долговечность лампы, но и на ее электрические свойства.

Из чистых металлов в качестве катодов чаще всего используется вольфрам. Попытки применения металлов с меньшей, чем у вольфрама, работой выхода показали, что они уступают вольфраму в других отношениях. Например, молибден сильнее распыляется при высоких температурах и обладает меньшим сроком службы. Ограниченное применение находят тантал и ниобий.



Рис. 1.14

Вольфрамовые катоды выполняются из тонких нитей и являются катодами прямого накала. Пример конструкции прямо-накального катода показан на рис. 1. 14а. В нижних точках нить жестко закрепляется, а в верхних натягивается пружинами. Такой катод называется петлевьш.

Вольфрамовые катоды обладают большой работой выхода (4,52 эв) и работают при температуре 2300-2600°К- Поэтому они мало экономичны, недолговечны и характеризуются небольшой 38

плотностью эмиссионного тока [ при Тк = 2600°К /?„ = 84 - Н =

= 7 ,/, = 0,741 вт " см)

Долговечность вольфрамового катода ограничивается обрывом или перегоранием нити. За счет распыления вольфрама нить утончается и растягивающие пружины обрывают ее. Долговечность обычно не превосходит нескольких тысяч часов (например, нить диаметром 1 мм при Г„ = 2600°К работает 3140 ч). Малая плотность эмиссионного тока при небольшой эмитирующей поверхности затрудняет возможность получения большого тока эмиссии.

Практически важную роль играет и необходимость питания вольфрамового катода, сопротивление нити которого имеет небольшую величину, от низковольтного источника напряжения, рассчитанного на большие токи.

К преимуществам вольфрамовых катодов относятся стабильная эмиссионная способность, возможность полного ее использования (гкэоп = ie), нечувствительность к ионной бомбардировке и малое время разогрева.

Вольфрамовые катоды применяются в лампах, работающих при высоких напряжениях на электродах, когда возникает опасность разрушения катода ударами ионов, а также в приборах, к которым предъявляется требование строгого постоянства эмиссионного тока.

Пленочные катоды имеют металлическое основание [керн), на который наносится пленка металла, обладающего меньшей работой выхода. Контактная разность потенциалов, возникающая между керном и пленкой, способствует выходу электронов из керна (пленка заряжается положительно, а керн отрицательно). Работа выхода пленочного катода меньше, чем работа выхода материала его керна и работа выхода его пленки ).

Типичным представителем пленочных катодов является вольфрамовый катод, покрытый пленкой тория. Для увеличения сил сцеплени.ч пленки с основанием вольфрам прокаливается в углеводороде, и на его поверхности образуется слой карбида вольфрама. В вольфрамовое основание вводится примесь окиси тория. При нагревании торий восстанавливается и диффундирует на поверхность керна, образуя активирующую пленку. Такой катод называется карбидированным.

Карбкдированные катоды так же, как и вольфрамовые, являются катодами прямого накала и подобны им по конструкции.

Работа выхода карбидированного катода имеет минимальную величину (2,63 эв) при температуре 1950-2000° К. При более высокой температуре пленка тория разрушается (распыляющийся с

) Теория термоэлектронных пленочных катодов изложена, например, в книге К. И. Крылова «Физические основы электровакуумной техники». Госэнергоиздат, 1949 г.



0 1 2 3 [4] 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20


0.0248