Главная Электровакуумный прибор с термоэлектронным катодом



Поверхности торий не успевает замещаться торием, диффундирующим из основания), и работа выхода приближается к работе выхода чистого вольфрама (4,52 эв). Заметим, что пленку тория снова восстановить практически не удается. При более низкой температуре работа выхода возрастает, так как за счет увеличения толщины пленки (диффузия атомов тория из основания преобладает над их расходом) затрудняется выход электронов из керна. При этом электроны эмитируются только из пленки, и работа выхода катода становится равной работе выхода тория (3.38 эв).

Карбидированный катод более экономичен, чем вольфрамовый {при рабочей температуре р„ = 24 ~] и характеризуется боль-

шей плотностью эмиссионного тока (/« = 1 3 -) . Его долго-

\ ему

вечность определяется запасом тория в керне (распыление нити при рабочей температуре практически отсутствует) и уменьшением эмиссионной способности. Срок службы исчисляется несколькими тысячами часов.

К недостаткам карбидированных катодов относится возможность самопроизвольного изменения эмиссионного тока, определе-ляемая изменениями состояния активирующей пленки. Кроме того, эмиссионная способность карбидированного катода не может быть использована полностью (1к доп < ie) Это объясняется тем, что при больших токах за счет дополнительного разогрева катода происходит распыление пленки тория. Последняя может быть разрушена также под действием ионной бомбардировки. По этим причинам карбидированные катоды не используют в лампах, работающих при анодных напряжениях, превышающих 8-10 кв. К недостаткам карбидированных катодов, как и любых катодов прямого накала, относятся также малая прочность, небольшая эмитирующая поверхность и малое сопротивление нити. Наконец, недостатком является и хрупкость нити - следствие наличия на основании катода слоя карбида вольфрама. Лампы с карбидиро-ванным катодом боятся сильных сотрясений.

В настоящее время наиболее распространены полупроводниковые катоды, эмитирующие электроны из слоя окисей металлов, нанесенного на металлическое основание. Чаще всего применяются окиси щелочно-земельных металлов (бария, стронция, кальция). Такие катоды называются оксидными. В ториево-оксидных катодах активным слоем служит слой окиси тория. Разработаны также катоды с окисями иттрия и гадолиния и с гексаборидами (соединение бора с иттрием, лантаном и гадолинием).

На рис. 1.15 представлено устройство оксидного катода. Полупроводящее покрытие, основным компонентом которого является окись бария, наносится на никелевый или вольфрамовый керн. Между покрытием и основанием, за счет окисления поверхности последнего кислородом, находящимся в покрытии, создается тонкая малопроводящая пленка. В покрытии и на его поверхности на-

ходятся атомы бария. Известно, что окись бария является ионным кристаллом. Так как атом бария обладает двумя валентными электронами, легко отделяющимися от него, а атом кислорода, имеющий четыре валентных электрона, присоединив к себе два электрона, образует устойчивую систему, то в узлах решетки окиси бария размещаются дважды положительные ионы бария и дважды отрицательные ионы кислорода, а свободные электроны отсутствуют.

Поирыта


Рис. 1.15

Свободные электроны в покрытии появляются в том случае, когда количество атомов бария превосходит количество атомов кислорода. Избыточный барий создается при производстве лампы (активировка катода).

В процессе эксплуатации лампы количество избыточных атомов бария в покрытии изменяется. Оно убывает за счет эмиссии электронов (атомы бария отдают валентные электроны и становятся ионами), а также за счет распыления бария с поверхности и окисления его кислородом, находящимся в баллоне. Кругооборот бария в покрытии и электролиз последнего приводят к восстановлению избыточного бария.

Явление кругооборота бария становится возможным из-за наличия в покрытии электрического поля, которое создается током, протекающим через это покрытие (ток вызывает на покрытии падение напряжения), и из-за различия концентрации бария у основания катода и у его поверхности. Кругооборот заключается в том, что положительные ионы бария увлекаются электрическим полем к керну (потенциал поверхности покрытия превышает потенциал керна) и здесь восстанавливаются, присоединяя к себе недостающие электроны. Так как концентрация избыточных атомов бария у основания превышает их концентрацию у поверхности, то восстановленные атомы диффундируют в покрытие. Здесь они снова отдают электроны и снова направляются к основанию и т. д. Явление кругооборота бария является основным процессом, восстанавливающим эмиссионную способность катода.

Электролиз покрытия, происходящий под действием протекающего через него тока, приводит к разложению окиси бария.



Ионы бария отводятся к керну, где восстанавливаются, а затем диффундируют в покрытие; ионы кислорода поступают на поверхность катода и поглощаются газопоглотителями.

Работа выхода оксидного катода определяется величиной концентрации избыточного бария и вследствие этого зависит от температуры. Опыт показывает, что работа выхода минимальна (1,1-1,3 эв) при температуре 1000-1250° К. При более высокой температуре концентрация избыточного бария уменьшается, так как при этом барий интенсивно распыляется. Замедленная диффузия бария от керна в покрытие при более низкой температуре также приводит к уменьшению его концентрации.

Низкая рабочая температура и небольшая работа выхода делают оксидные катоды высоко экономичными. Мощность накала, приходящаяся на 1 см поверхности, не превышает 3-5 вт.

К недостаткам оксидного катода относится нестабильность эмиссионной способности, объясняемая изменениями концентрации избыточного бария. Так, она уменьшается, в частности, при длительном прохождении большого тока через лампу, когда диффузия восстановленного бария не успевает покрывать убыль избыточных атомов, происходящую за счет эмиссии электронов. Это явление называется «утомлением» оксидного катода. При отсутствии тока эмиссионная способность катода восстанавливается.

К нестабильности эмиссионной способности приводит и саморазогрев покрытия, происходящий под действием протекающего через него тока. Из всех типов катодов к саморазогреву наиболее склонен оксидный катод. Это объясняется тем, что он имеет шероховатую поверхность, и плотность тока эмиссии на бугорках достигает большей величины, чем во впадинах (на бугорках действует более сильное внешнее электрическое поле). Неравномерное распределение тока по поверхности усиливает саморазогрев покрытия, и ток эмиссии сильно увеличивается. Чем больше напряжения, приложенные к электродам, и катодный ток, тем больше ток эмиссии. Зависимость эмиссионного тока от напряжения на электродах является характерной особенностью ламп с оксидным катодом.

Явление саморазогрева оксидного катода может привести и к гибели лампы. При чрезмерно большом катодном токе он начинает самопроизвольно возрастать, и покрытие разрушается. Разогрев катода током, протекающим через лампу, приводит к увеличению эмиссионного тока, а вместе с ним и катодного, что, в свою очередь, увеличивает температуру покрытия и эмиссионный ток и т. д.

Работа оксидного катода часто нарушается появлением искр на его поверхности. Искрение может возникнуть при отрыве заряженных частиц оксида от поверхности катода, происходящем, например, при их испарении или под действием электрического поля. Искрением сопровождается также пробой пленки, разделяющей основание и покрытие (рис. 1.15). Толщина ее настолько мала, 42

ЧТО даже небольшая разность потенциалов, которая создается на ней током, протекающим через катод, может создать поле с напряженностью порядка 10-10 в/см. Наконец, к искрению приводит и неравномерное распределение тока по поверхности покрытия, сопровождающееся появлением разности потенциалов между различными ее точками (вдоль покрытия от точек с меньшей плотностью тока к точкам с большей плотностью протекают уравнительные токи). В результате, как показывает опыт, возникают поверхностные низковольтные дуговые разряды, уничтожающие покрытие.

Вероятность возникновения искрения, очевидно, тем больше, чем больше напряжения на электродах и катодный ток. Чаще всего искрение наблюдается при включении лампы, когда катод еще холодный, поле пространственного заряда отсутствует, а внешнее поле (рис. 1.56) интенсивно воздействует на поверхность покрытия.

Саморазогрев и искрение оксидного катода заставляют ограничивать допустимые значения катодного тока и напряжений, приложенных к электродам. Допустимая плотность тока оксидного катода лежит в пределах от 0,3 до 0,7 а[см, а допустимое анодное напряжение не превосходит 1 кв. Последнее ограничивается также опасностью разрушения покрытия ударами ионов.

Более полное использование эмиссионной способности оксидного катода возможно в импульсном режиме, когда ток через лампу протекает в течение коротких промежутков времени, разделенных длительными нерабочими паузами.

Так как в паузах катод охлаждается, то опасность возникновения саморазогрева и искрения уменьшается, и допустимый катодный ток увеличивается (50-70 а/см). Соответственно возрастают и допустимые напряжения на электродах. Так, допустимое анодное напряжение повышается до 20 кв. В импульсном режиме опасность разрушения катода ударами ионов исключена, так как при кратковременном действии напряжений процессы ионизации не успевают развиваться, а образовавшиеся ионы не имеют времени запастись энергией, достаточной для разрушения катода. Попутно заметим, что так как в паузах концентрация избыточного бария восстанавливается, то в импульсном режиме оксидный катод обладает большей эмиссионной способностью.

В более мощных лампах используются оксидные катоды, покрытие которых состоит из губчатой никелевой массы, спеченной с основанием и пропитанной оксидом. Такие катоды, называемые спеченными, менее экономичны, чем оксидные (они работают при температуре 1400°К), но обладают гладкой поверхностью и меньше предрасположены к искрению и саморазогреву. Кроме того, они более устойчивы и к ионной бомбардировке.

Оксидные катоды подразделяются на катоды прямого накала (по конструкции они подобны прямонакальным вольфрамовым катодам, изображенным на рис. 1.14а) и на подогревные. Наибо-



лее распространенный вариант подогревного катода изображен на рис. 1.146. Он состоит из гильзы, покрытой оксидной массой, и вольфрамового подогревателя, изолированного от гильзы и работающего при температуре 1200-1500°К. Гильза, как показано на рис. 1.1, укрепляется в слюдяных пластинах (одно из креплений подвижное). Подогреватель, представленный на рисунке, называется петлевым (применение находят и подогреватели спирального типа).

Подогревные катоды более перспективны, чем прямонакаль-ные. Они обладают большей прочностью и без опасности разрушения могут работать при более высоких температурах. Более высокая температура и большая поверхность позволяют получить большие эмиссионные токи. Однако экономичность подогревного катода при этом ниже, чем у прямонакального. Значительное сопротивление длинной нити подогревателя приводит к уменьшению тока накала и увеличению напряжения источника, питающего цепь накала.

К недостаткам подогревных катодов, кроме более низкой экономичности и значительного времени разогрева (порядка нескольких десятков секунд против нескольких секунд у катодов прямого накала), относится необходимость изоляции гильзы от подогревателя. Во многих схемах они находятся под различными потенциалами и между ними создается электрическое поле. При чрезмерно большом напряжении происходит пробой изоляции, в цепи подогревателя возникает большой ток, и он сгорает. Ниже показано, что определенную роль играет и ток, протекающий между гильзой и подогревателем при напряжениях, меньших пробивного.

Ториево-оксидные катоды имеют танталовый или вольфрамовый керн, покрытый окисью тория, и работают при температуре 1950°К. Они менее экономичны, чем оксидные (р„ = 25вт/см), но обладают устойчивой эмиссией (явление «утомления» отсутствует) и менее подвержены искрению и саморазогреву. Кроме того, ториево-оксидные катоды допускают более полное использование эмиссионной способности и меньше боятся ионной бомбардировки. В импульсном режиме допустимый катодный ток выше. Конструкции ториево-оксидных катодов подобны конструкциям оксидных (рис. 1.14а и б).

В электронных лампах находят применение и более сложные катоды типа пленочных и оксидных. Примеры устройртва таких катодов приведены на рис. 1.14 в-д. Они имеют никелевый корпус /, внутри которого размещается подогреватель 2. Эмитирующей поверхностью является торцовая поверхность 3.

На рис. 1.140 показан металлокапиллярный бариево-вольфра-мовый катод пленочного типа, называемый Л-катодом. В торцовой ячейке корпуса размещается пластина 4 из пористого вольфрама, внутри которой находится таблетка 5 оксидной массы. При нагреве окись бария разлагается, и атомы бария диффундируют через поры пластины на ее поверхность. Л-катод работает прн 44

температуре 1300°К и характеризуется высокой допустимой плотностью катодного тока (до 10 а/см). Последнее объясняется тем, что катод имеет гладкую поверхность и мало предрасположен к искрению. Значительные запасы бария обеспечивают катоду большую долговечность, устойчивость к ионной бомбардировке и возможность работы при плохом вакууме. Недостатками Л-катода являются низкая экономичность и сильное распыление активного слоя.

Рис. 1.14г иллюстрирует устройство пропитанного (импрегни-рованного) катода. Его активным элементом является пластина 3, спечеиная из вольфрамового порошка и имеющая губчатую структуру. Пластина пропитывается алюминатом бария. Импрегниро-ванный катод, подобный спеченному оксидному, по свойствам близок к Л-катоду, но отличается от него менее интенсивным распылением бария.

Имеется много разновидностей прессованных катодов. В торцовой ячейке корпуса прессованного катода, показанного на рис. 1.145, помещается таблетка 3 из различных соединений бария (тория) с порошками вольфрама (никеля). Характерной особенностью прессованных катодов является большая допустимая плотность тока (порядка 10-12 ajcM).

Цепи накала питаются от источников постоянного напряжения- сухих батарей и аккумуляторов (прямонакальные катоды) и переменного напряжения - понижающего накального трансформатора или накальной обмотки силового трансформатора прибора (подогревные).


Схема цепи накала прямонакального катода показана на рис. 1.16а. В эту цепь, кроме источника питания, включается регулирующее сопротивление. Для контроля напряжения на нити используется вольтметр (контролировать можно также по амперметру, включив его последовательно с нитью). Цепи сеток и анода присоединяются к одному из концов нити, являющемуся общей точкой схемы (она соединяется и с корпусом прибора).

Особенность рассматриваемой схемы заключается в возникновении на сетках и аноде напряжений относительно нити независимо от источников питания, включаемых в их цепи. Ток накала создает на нити падение напряжения, поэтому различные ее точки имеют различные потенциалы. Если цепи электродов присоедияе-


Рис. 1.16



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


0.0293