Название: Электровакуумные приборы (Алексеев C. Н.)

Жанр: Военный

Просмотров: 3945


1.6 типы  катодов

 

Катоды делятся на простые  и сложные. Простые  катоды состоят из од- нородного металла, например вольфрама. Сложные, или активированные, катоды представляют собой сердечник из тугоплавкого металла (обычно вольфрама), на поверхность которого нанесен тонкий слой другого вещества, называемый активным слоем. Активный слой уменьшает работу выхода электронов, за счёт чего снижается рабочая температура катода и повышает- ся его эффективность.

В зависимости от активного слоя катоды бывают торированные, карби-

дированные, бариевые и оксидные.

В современных приёмно-усилительных лампах применяются главным образом оксидные катоды, а в генераторных лампах большой мощности — простые вольфрамовые. Исключение составляют генераторные лампы малой

мощности и лампы, предназначенные для импульсного режима работы, кото-

рые имеют оксидный катод.

Вольфрамовый катод

Вольфрам – тугоплавкий металл (t°пл=3380 С°). Благодаря механическим свойствам вольфрама из него можно получать весьма тонкую (0,01 мм) и достаточно прочную проволоку. В маломощных лампах катод выполняется из проволоки малого диаметра, а в мощных генераторных и модуляторных

лампах диаметр катода достигает 2 мм. Излучение электронов с поверхности вольфрамового катода начинается при температуре около 2000 С°. Его рабо- чая температура колеблется в среднем от 2130 до 2430 С° в зависимости от типа лампы. При более высокой температуре срок службы катода сокращает- ся, так как происходит интенсивное испарение вольфрама, вследствие чего диаметр катода быстро уменьшается, и катод перегорает.

В пределах рабочей температуры эффективность вольфрамового катода

H=2 - 10 мА/Вт. Удельная эмиссия 300 - 700 мА/см2.

Время работы вольфрамового катода до перегорания нити называют пол-

ным сроком службы.  Однако полезный срок службы оказывается меньше,

так как эмиссия катода в процессе его эксплуатации постепенно уменьшает-

 

 

ся. Это происходит из-за уменьшения диаметра катода вследствие испарения вольфрама. Полезным сроком службы считается время, в течение которого ток эмиссии катода падает до заданной величины (обычно до 80\%) от перво- начального значения. При нормальной эксплуатации срок службы вольфра- мового катода равен примерно 1000 часам, но даже при незначительном пе- рекале катода срок службы его резко сокращается.

В настоящее время вольфрамовые катоды применяются только в мощных генераторных лампах, работающих при высоких напряжениях (5 кВ и выше) на аноде, так как активированные катоды при таких напряжениях быстро разрушаются. Вольфрамовый катод является катодом прямого (непосредст- венного) накала, так как ток, нагревающий катод, проходит непосредственно

по нити, которая излучает электроны. Форма катода зависит от формы и раз-

меров других электродов.

Оксидный катод

Подавляющее  большинство  ламп  имеет  оксидный  катод.  Основой

оксидного катода является никель, бронзированный вольфрам или специальные сплавы. Активным слоем является слой окислов щелочно- земельных металлов: бария, стронция и кальция (оксид). Путем специальной обработки на поверхности оксида получается слой металлического бария. Атомы бария образуются на поверхности катода не сплошным слоем, а в

виде отдельных «островков», поэтому электроны излучаются не всей поверхностью катода, а лишь этими участками. Работа выхода у бария невелика. Распределение бария на поверхности катода зависит от его обработки, поэтому работа выхода у оксидных катодов неодинакова. Рабочая температура оксидного катода 730-830 С°; эффективность 80 - 100 мА/Вт; удельная эмиссия 200-500 мА/см2, срок службы более 1000-1500 часов. При увеличении температуры катода сверх нормальной (при повышении напряжения  накала)  разрушается  оксидный  слой  и  теряется  способность

катода излучать электроны (теряется эмиссия).

У оксидного катода эмиссионный ток зависит от напряжённости электрического поля в лампе. Чем больше напряжённость электрического поля возле оксидного катода, тем больше эмиссия электронов с его поверхно- сти.Эмиссия катода зависит также от длительности отбора тока эмиссии. Ес-

ли у нагретого катода ток эмиссии не отбирается, то на поверхности катода накапливается большое количество активирующих атомов бария, которые поступают изнутри вследствие диффузии. При этом работа выхода становит- ся очень малой, и в течение короткого промежутка времени (1-10 мкс )  с ок- сидного катода можно получить эмиссионный ток до 30 А/см2. При длитель- ном отборе тока эмиссии поверхность катода обедняется барием, работа вы- хода увеличивается, а эмиссионная способность катода понижается до нор- мальной величины (0,2-0,5 А/см2). После прекращения отбора тока атомы ба- рия снова накапливаются на поверхности катода. Высокая эмиссионная спо- собность оксидного катода при кратковременном отборе тока эмиссии назы-

 

 

вается импульсной эмиссией. Импульсная эмиссия оксидного катода исполь- зуется в специальных импульсных лампах. Эти лампы работают в течение коротких промежутков времени (от долей до нескольких микросекунд). Дли- тельность каждого промежутка времени называют длительностью импульса. Длительность интервала между импульсами обычно составляет от одной до нескольких миллисекунд.

Существенным недостатком оксидного катода является испарение с его поверхности окиси бария и металлического бария, которые осаждаются на других электродах (анод, сетки). В результате поверхность этих электродов активируется, что может привести к излучению электронов. Эмиссия с по- верхности сетки или анода нарушает нормальную работу лампы в схеме.

Бариевый катод

Бариевый катод отличается от оксидного процессом получения активного

слоя бария на поверхности. Материалом для сердечника служит вольфрамо- вая проволока, покрытая окисью меди. Слой бария наносится в готовой лам- пе. Рабочая температура бариевого катода 530-630 С°, эффективность 50 -

150 мА/Вт, удельная эмиссия 300-800 мА/см2. При перекале (при повышен- ном напряжении накала) бариевый катод легко теряет эмиссию, так как слой окиси бария разрушается, а металлический барий испаряется с поверхности катода.

Бариевый катод применяется в маломощных экономичных лампах. Вольфрамовый сердечник можно изготовлять очень малого диаметра (сотые доли миллиметра). Это позволяет снизить ток накала до десятков миллиам- пер. В настоящее время бариевый катод вытесняется оксидным из-за боль- шей стабильности при работе и более простой технологии изготовления.

Тарированные и карбидированные катоды имеют существенные недос-

татки и в настоящее время не используются.

 

1.7 КОНСТРУКЦИИ КАТОДОВ

 

По конструкции катоды бывают прямого (непосредственного) накала и

подогревные (косвенного накала) [4, 6, 8].

Катод прямого накала – это металлическая нить или лента, накаливаемая электрическим током. В зависимости от общей конструкции лампы катод

может иметь различную форму. При цилиндрической форме анода и сетки катод делается в виде прямолинейной нити, натянутой при помощи держате- лей. В лампах с плоской конструкцией анодов и сеток катоды изготавлива- ются V- или W-образной формы (рис. 1.8). В мощных лампах диаметр нити катода может достигать 1-2 мм. В некоторых случаях катод изготавливается не из проволоки круглого сечения, а из плоской ленты. Это увеличивает ра-

бочую поверхность катода и позволяет получить большой ток эмиссии.

 

Рис. 1.8 Конструкции катодов

Катоды прямого накала питаются, как правило, постоянным током. При питании катода переменным током вследствие небольшой массы нити тем- пература его будет изменяться в соответствии с изменениями мгновенных значений тока. При этом количество электронов, излучаемых катодом, не бу- дет оставаться постоянным, и ток в лампе будет пульсировать. Частота пуль- саций тока будет в два раза выше частоты тока, нагревающего катод. Напри- мер, при токе накала частотой 50 Гц частота пульсаций тока в лампе составит

100 Гц.

Когда лампа работает в схеме выпрямителя переменного тока или имеет катод, выполненный из толстой нити, имеющей большую массу, катоды пря-

мого накала можно питать переменным током.

Подогревный катод рассчитан на питание переменным током. Он состоит из собственно катода и подогревателя (рис. 1.9). Катодом является неболь- шой по диаметру цилиндр из  никеля, покрытый оксидным слоем. Внутри цилиндра находится подогреватель – нить накала, выполненная в виде спи- рали из тонкой вольфрамовой проволоки. Оставшееся внутри цилиндра про- странство заполнено алундом (окись алюминия). Благодаря этому масса ка-

тода увеличивается и замыкания между нитью и катодом предотвращаются. Иногда никелевая трубочка, являющаяся катодом, надевается на фарфоровый цилиндр, внутри которого проходит  нить накала. У ламп с подогревным ка- тодом имеются два вывода нити накала и один вывод катода. В некоторых случаях катод и один из концов нити накала соединяются внутри лампы и имеют общий вывод.

Вследствие большой массы подогревный катод имеет большую тепловую инерцию. При питании подогревателя переменным током частотой 50 Гц температура катода не успевает изменяться и остаётся постоянной.

Иногда для увеличения рабочей поверхности подогревный катод делают не круглым, а плоским. Эффективность подогревного катода невысока и обычно составляет около 30 мА/Вт, но при питании радиоустановки от сети

переменного тока это не имеет решающего значения.

 

 

 

Рис. 1.9 Подогревный катод

Большинство ламп приём- но-усилительной серии и значительная часть гене- раторных ламп малой и средней мощности имеют подогревный катод. По- догреватель (нить накала) рассчитан на небольшое напряжение. Для боль- шинства приёмно- усилительных ламп с по- догревным катодом на- пряжение накала равно

6,3 В.

Недостатком подог- ревного   катода   является то,   что   нормальная   его

температура и нормальная эмиссия с его поверхности устанавливаются не сразу после включения тока (время разогрева катода равно 1-2 мин ). Так как по трубочке, являющейся катодом, ток накала не проходит, то падения на- пряжения между концами трубочки не создаётся. Это означает, что потенци- ал во всех точках подогревного катода одинаков. Поэтому подогревный ка- тод в отличие от катода прямого накала является эквипотенциальным като- дом. В некоторых случаях эквипотенциальность катода имеет важное значение.