Принцип пристрою і роботи електро-вакуумних приладів - термоелектронні катоди

Термоелектронний катод повинен бути довговічним і забезпечувати стійку (стабільну) емісію при можливо менших витратах енергії на загострення. Поверхня катода не повинна руйнуватися від іонного бомбардування. Навіть у високому вакуумі є деяка кількість позитивних іонів. Вони прискорено летять до катода. Чим вище анодна напруга, тим з більшою силою іони вдаряють в катод.

Економічність катода характеризується його ефективністю. Вона показує, який струм емісії можна отримати на 1 Вт потужності розжарення. У сучасних катодів в режимі безперервної роботи ефективність може бути від одиниць до сотень міліампер на ват.

Робоча температура у різних катодів приблизно від 700 до 2300 ° С. Довговічність катода визначається терміном, після закінчення якого вихід електронів зменшується на 10%. Катоди мають довговічність від сотень до десятків тисяч годин.

При збільшенні робочої температури підвищується ефективність, і тому для посилення емісії іноді кілька підвищують напруження, але при цьому скорочується довговічність.

Прості катоди, т. Е. Катоди з чистих металів, робляться майже виключно з вольфраму (рідко з танталу) і мають прямий напруження. Робоча температура вольфрамових катодів 2100 - 2300 ° С, що відповідає напруженням до світло-жовтого або білого кольору. Довговічність цих катодів визначається ослабленням емісії через зменшення товщини катода внаслідок розпилення вольфраму.

Гідність вольфрамового катода-стійкість емісії. Після тимчасового перегарту вона не зменшується. Стійкість вольфрамового катода до іонної бомбардування робить його особливо придатним для потужних ламп, що працюють з високими анодними напруженнями. Катоди з вольфраму застосовуються також в спеціальних електрометричних лампах, в яких важлива стабільність емісії. Основний недолік вольфрамового катода - низька ефективність (одиниці міліампер на ват). Внаслідок високої температури інтенсивно випускаються теплові і світлові промені, на що марно витрачається майже вся потужність розжарення.

У багатьох типів складних катодів на поверхню чистого металу наноситься активує шар, який забезпечує інтенсивну емісію при порівняно невисоких температурах.

Гідність складних катодів - економічність. Вони володіють ефективністю до десятків і навіть сотень міліампер на ват. Робоча температура у деяких катодів становить 700 ° С. Довговічність досягає тисяч і десятків тисяч годин. До кінця цього терміну знижується вихід електронів через зменшення кількості активують домішок (наприклад, за рахунок їх випаровування). Деякі складні катоди забезпечують надвисоку емісію в імпульсному режимі, т. Е. Протягом коротких (одиниці мікросекунд) проміжків часу, розділених значно більш тривалими паузами.

Основний недолік складних катодів - невисока стійкість емісії. Вихід електронів знижується від тимчасового перегарту, що пояснюється випаровуванням активують речовин при підвищеній температурі. Крім того, складні катоди руйнуються від іонного бомбардування, тому в лампах важливо підтримувати високий вакуум. Це досягається застосуванням спеціального газовбирачів (геттера).

Складні катоди можуть бути плівковими або напівпровідниковими. До перших належить, наприклад, торійований карбідірованний катод. Він являє собою вольфрамову зволікання з плівкою торію і з домішкою вуглецю. Активний шар цих катодів важко зруйнувати іонним бомбардуванням. Їх застосовують при анодній напрузі до 15 кВ.

До напівпровідникових відноситься оксидний катод. У ньому на підставу з нікелю або вольфраму наноситься суміш оксидів лужноземельних металів - барію, кальцію і стронцію. У оксидного катода електронна емісія відбувається головним чином з атомів барію. Перегарту катода посилює випаровування барію і знижує вихід електронів. Довговічність оксидного катода визначається тим, що оксидний шар поступово збіднюється атомами барію. Для хорошої роботи оксидного катода дуже важливий високий вакуум, так як оксидний шар руйнується від іонного бомбардування. Щоб уникнути надмірної іонного бомбардування не можна допускати занадто високу анодна напруга при роботі катода в безперервному режимі.

Для оксидного катода небезпечний не тільки перегрів, але і недокал, при якому можуть виникнути осередки перегріву. Катод прямого напруження при цьому нерідко «перегорає», т. Е. Поблизу одного з вогнищ перегріву основний метал катода плавиться. Це явище пояснюється такими особливостями:

1. У оксидного шару, як і у всіх напівпровідників, при підвищенні температури опір зменшується.

2. Внаслідок великого опору оксидного шару його нагрівання катодних струмом порівняємо з нагріванням від струму розжарення.

3. Різні ділянки оксидного шару неоднакові по опору і емісійної здатності. Катодний струм розподіляється так, що на дільниці з меншим опором і більшою емісійною здатністю йдуть великі струми. На цих ділянках нагрів посилюється, зменшується опір, збільшується вихід електронів і відбувається подальше зростання струму. Таке явище спостерігається при недокале, якщо катодний струм великий. Виникненню вогнищ перегріву також сприяє іонне бомбардування катода.

При нормальному режимі напруження і без перевантаження катодних струмом оксидний катод має велику довговічністю. Його широко використовують в приймально-підсилювальних і генераторних лампах малої і середньої потужності, в електронно-променевих трубках, в лампах для імпульсної роботи і багатьох інших приладах.

Мал. 15.6. Залежність емісії оксидного катода від тривалості імпульсу анодного струму

В імпульсному режимі емісія оксидного катода може бути в багато разів сильніше, ніж в режимі безперервної роботи. Вона відбувається під дією сильного зовнішнього електричного поля, т. Е. Є поєднанням електростатичного емісії з термоелектронної. Однак з плином часу така емісія швидко слабшає (рис. 15.6). Кажуть, не зовсім вдало, що надвисока емісія «отруює» оксидний катод. «Отруєння» припиняється, якщо катод «відпочине». Тоді він відновлює свою емісійну здатність і може знову дати на короткий час великий вихід електронів. Це пояснюється тим, що в оксидному шарі має накопичитися достатню кількість електронів. Тривалість імпульсів емісійного струму зазвичай не більше 20 мкс.

Оксидний катод в імпульсному режимі має ефективність до 10 4 мА / Вт. Імпульси катодного струму можуть досягати одиниць і навіть десятків ампер. При коротких імпульсах катод майже не піддається іонної бомбардування, і тому допустимо анодна напруга 10-20 кВ.

Крім оксидних катодів останнім часом застосовуються складні катоди нових типів: торієвого-оксидні, сінтерірованние і ін.

Катоди прямого розжарення є дріт або стрічку. Гідність таких катодів - простота пристрою і можливість їх виготовлення для самих малопотужних ламп на струм напруження 10 мА і менше.

Катод у вигляді тонкого дроту після включення напруження швидко розігрівається (за час менше 1 с), що вельми зручно. Недолік цих катодів - паразитні пульсації анодного струму у разі живлення ланцюга розжарення змінним струмом. Якщо, наприклад, струм розжарення має частоту 50 Гц, то в анодному струмі будуть пульсації з частотою 50, 100, 150 Гц і т. Д. Вони створюють перешкоди, спотворюючи і заглушаючи корисний сигнал. При слуховому прийомі ці пульсації проявляють себе характерним гудінням - фоном змінного струму. Є дві основні причини таких шкідливих пульсацій.

Мал. 15.7. Пульсації температури катода прямого розжарення при харчуванні змінним струмом

Мал. 15.8. Катоди непрямого напруження: а - циліндричний; б - дисковий

По-перше, у тонких катодів виникають пульсації температури, так як маса і теплоємність цих катодів малі. Коли струм досягає амплітудного значення, температура найвища, а при переході струму через нуль температура найнижча (рис. 15.7). Частота пульсацій температури дорівнює подвоєною частотою струму розжарення. З такою ж частотою пульсує емісія і анодний струм.

Друга причина фону змінного струму - нееквіпотенціальность поверхні катода. Різні точки поверхні катода прямого розжарення мають різні потенціали, і анодна напруга для цих точок по-різному. Тому при харчуванні катода змінним струмом анодна напруга пульсує з частотою струму розжарення.

Недолік ламп з тонкими катодами прямого розжарення - так званий мікрофонний ефект. Він полягає в тому, що зовнішні поштовхи викликають вібрацію катода. Це призводить до пульсацій анодного струму. За рахунок мікрофонного ефекту нерідко виникає акустична генерація. В цьому випадку звукові хвилі від гучномовця викликають механічні коливання лампи і відповідно коливання анодного струму, які після посилення потрапляють в гучномовець. Виниклі звукові хвилі знову впливають на лампу. Відбувається генерація незатухаючих звукових коливань, що заглушають корисний сигнал.

Широко застосовуються катоди непрямого напруження (подогревним). Зазвичай такий катод являє собою нікелевий циліндрик з оксидним поверхневим шаром. Всередину вставлений вольфрамовий підігрівач (рис. 15.8). Для ізоляції від катода підігрівач покривається керамічною масою з оксиду алюмінію - алунд.

Головне достоїнство цих катодів - відсутність шкідливих пульсацій анодного струму у разі живлення ланцюга розжарення змінним струмом. Коливань температури практично немає, так як маса, а отже, і теплоємність у подогревним катодів значно більше, ніж у катодів прямого напруження. Катод непрямого розжарення володіє великою тепловою інерцією. Від моменту включення (виключення) струму розжарення до повного розігріву (охолодження) катода потрібні десятки секунд. За чверть періоду (0,005 с при частоті 50 Гц) температура катода не встигає помітно змінитися і емісія не пульсує.

Поверхня катода непрямого напруження є еквіпотенційної. Уздовж катода немає падіння напруги від струму розжарення. Анодна напруга для всіх точок поверхні катода один і той же і не пульсує при коливаннях напруги напруження.

Гідність ламп з катодами непрямого напруження, крім того, - ослаблення мікрофонного ефекту. Маса катода порівняно велика, і його важко привести в стан коливань.

У порівнянні з катодами прямого розжарення катоди непрямого напруження складніше, і їх важко сконструювати на дуже малі струми. Тому вони менш придатні для малопотужних економічних ламп, розрахованих на живлення від батарей.

В апаратурі (наприклад, для двостороннього зв'язку), яка працює з перервами і після чергового включення повинна відразу ж діяти, доводиться лампи з катодами непрямого напруження тримати весь час під напруженням. Це призводить до зайвих витрат енергії і скорочення терміну служби ламп. У переносних радіостанціях на батарейках застосування ламп з катодом непрямого розжарення незручно. Для економії енергії джерел живлення в цьому випадку треба вимикати напруження ламп приймача при роботі передавача і навпаки. Але тоді після включення напруження треба чекати 10 - 20 с, поки не розігріються катоди, що значно уповільнює зв'язок.

Напружена алундові ізоляція між катодом і підігрівачем не витримує високих напруг. Максимальне напруження між катодом і підігрівачем становить зазвичай 100 В і лише для деяких ламп 200 - 300 В. У ряді схем катод і підігрівач мають досить різні потенціали. Якщо їх різниця перевищить максимальне напруження, то може статися пробій ізоляції катод - підігрівач і лампа вийде з ладу. Небезпека пробою зникає, якщо катод з'єднаний з одним з висновків підігрівача.

Анод лампи приймає на себе потік електронів. Відбувається електронна бомбардування анода, від якої він нагрівається. Крім того, анод нагрівається від теплового випромінювання катода. У сталому режимі кількість теплоти, що виділяється на аноді, дорівнює кількості теплоти, що відводиться від анода.

Важливо, щоб анод не нагрівається вище граничної температури. При перегрів з анода можуть виділятися гази, і тоді погіршується вакуум. Можливо навіть розплавлення анода від надмірного перегріву. Крім того, розпечений анод випускає теплові промені, які можуть викликати перегрів катода.

У ламп малої потужності і більшості ламп середньої потужності анод має променисте охолодження. Теплота відводиться випромінюванням анода. Для посилення теплового випромінювання збільшують площу поверхні анода (часто постачають ребрами) і роблять її чорної або матовою. У лампах середньої і великої потужності іноді застосовується примусове охолодження потоком повітря. Висновок анода забезпечується радіатором, який обдувається вентилятором. У ламп великої потужності застосовується також примусове охолодження анода проточною водою.

Різні конструкції сіток (циліндрична, плоска і ін.) Показані на рис. 15.9.

Робота ламп погіршується, якщо сітка, нагріваючись від напруженого катода, починає випускати термоелектрони. Для усунення цього явища провідники сітки покривають шаром металу з великою роботою виходу, наприклад золота.

Щоб ефективно управляти електронним потоком, сітку розташовують дуже близько до катода.

Вакуум в лампах необхідний перш за все тому, що розжарений катод при наявності повітря згорить. Крім того, молекули газів не повинні заважати вільному польоту електронів. Високий вакуум в лампах характеризується тиском менше 100 мкПа. Якщо вакуум недостатній, то летять електрони вдаряють в молекули газів і перетворюють їх на позитивні іони, які бомбардують і руйнують катод. Іонізація газів збільшує також інерційність і нестабільність роботи лампи і створює додаткові шуми.

Попередню відкачування повітря виробляють форвакуумнимі насосами, потім продовжують високовакуумними насосами. Крім того, обезгажівают електроди шляхом нагрівання їх до червоного розжарювання. Лампу поміщають в змінне магнітне поле, индуцирующее в електродах вихрові струми, які розігрівають метал.

Для поліпшення вакууму в лампу поміщають газопоглотитель (геттер), наприклад шматочок магнію або барію. При розігріві лампи зазначеним вище індукційним способом газопоглотитель випаровується і після охолодження осідає на склі балона, покриваючи його дзеркальним шаром (магній) або коричнево-чорним (барій). Цей шар поглинає гази, які можуть виділитися з електродів в процесі роботи лампи.

Розміри балона лампи залежать від її потужності. Щоб температура балона не стала неприпустимо високою, збільшують площу його поверхні. Найбільш часто застосовують скляні балони, але у керамічних значно вище термостійкість і механічна міцність.

Металеві (сталеві) балони мають велику міцність і забезпечують хороше екранування лампи від зовнішніх електричних і магнітних полів. Але вони сильно нагріваються, і це призводить до перегріву електродів.

В останні роки випуск ламп з металевими балонами припинений.

У лампах старого типу електроди укріплені на скляній ніжці у вигляді трубки, сплющеною на одному кінці (рис. 15.10, а). У цю ніжку впаяні зволікання з металу, що має однаковий зі склом температурний коефіцієнт розширення. Кінці вивідних зволікань приварені до провідників, що йдуть до контактних штирькам цоколя.

Тримачі електродів кріпляться в слюдяних або керамічних пластинах-ізоляторах, завдяки чому фіксується відстань між електродами (рис. 15.10, б).