Глава 1. Электронные лампы § 1. Двухэлектродная электронная лампа (диод)

1.1. Принцип работы

Простейшим электровакуумным прибором является двухэлектродная электронная лампа, получившая название "диод". Электровакуумный диод представляет собой стек­лянный, металлический или керамический баллон, внутри ко­торого размещены два электрода. Один из этих электродов называется катодом, второй – анодом (рис. 5.1.1).

Рис. 5.1.1. Схематическое изображение двухэлектродной лампы

Катод служит источником свободных электронов, кото­рые могут притягиваться анодом. Для того, чтобы облегчить отделение электронов от поверхности катода, предусмотрен подогрев катода. В простейшем случае катод представляет собой тонкую металлическую нить, концы которой выведены из баллона. Через нить пропускается постоянный электриче­ский ток. Ток, проходящий через нить, вызывает ее разогрев, благодаря чему увеличивается скорость движения электронов в материале катода. При увеличении скорости движения электронов увеличивается их кинетическая энергия. При оп­ределенной скорости движения электронов их кинетическая энергия становится достаточной для того, чтобы преодолеть удерживающие силы и отделиться от катода. Это явление на­зывается термоэлектронной эмиссией, а ток, полученный при излучении электронов катодом, называется током эмис­сии. Величина тока эмиссии I_е определяется следующим со­отношением:

I_е = S_к · А · Т ² · ;

где S_к – активная поверхность катода, см ² ;

А – коэффициент, зависящий от материала катода;

Т – температура катода, °К;

b – коэффициент пропорциональности, характеризую­щий энергию выхода электронов из металла.

Чтобы уменьшить энергию выхода электронов из мате­риала катода, его нить обычно покрывают тонким слоем ок­сидного материала (окислы бария, стронция и кальция). Та­кие катоды называются активированными.

В случаях, если подогрев катода осуществляется пере­менным током, применяются так называемые "подогревные катоды". Подогревный катод получает тепло не за счет про­пускания через него электрического тока, а за счет нагрева его специальной нитью накала, через которую пропускается переменный ток. Этим исключается изменение тока эмиссии с частотой, равной частоте питающего напряжения.

Подогревный катод представляет собой никелевый ци­линдр, покрытый снаружи оксидным слоем. (рис. 5.1.2). Внутри цилиндра находится подогреватель (нить накала, через кото­рую пропускается переменный ток). Для того, чтобы избе­жать появления магнитного поля вокруг катода, нить накала выполняется в виде спирали бифилярного типа. Нагреватель покрыт слоем теплостойкого изолирующего материала.

1 – основание катода

(никелевый цилиндр);

2 – оксидный слой;

3 – нить накала;

4 – теплостойкая изоляция нити

накала.

Рис. 5.1.2. Устройство подогревного катода

Воздух из баллона удаляется. Если бы внутри баллона находился воздух, то электроны при движении от катода к аноду сталкивались бы с частицами воздуха и теряли бы свою скорость.

Кроме того, наличие воздуха внутри баллона могло бы вызвать повышенный износ катода из-за того, что нагретый катод активно вступает в реакцию с кислородом воздуха.

Диод подключается к источнику питания таким образом, чтобы к аноду был приложен положительный потенциал от­носительно катода. В этом случае между катодом и анодом создается электрическое поле, силовые линии которого рас­полагаются в направлении от анода к катоду. Под действием электрического поля поток электронов, излучаемых катодом, получает ускорение и направляется к аноду. При этом в цепи диода появляется электрический ток.

Направление тока условно принято считать обратным направлению движения электронов. В данном случае ток, проходящий в анодной цепи диода, направлен от анода к ка­тоду.

Повышение скорости движения электронов на пути от катода к аноду сопровождается возрастанием их кинетиче­ской энергии. При попадании электронов на анод их кинети­ческая энергия переходит в тепловую энергию, которая вы­зывает разогрев анода. Поэтому аноды мощных ламп изго­тавливаются из тугоплавких металлов - молибдена и тантала. Для повышения теплоотдачи поверхность анода подвергается специальной обработке (чернению), а с его внешней стороны предусматриваются ребра для охлаждения (рис. 5.1.3).

Рис. 5.1.3. Конструкция анодов

Если изменить полярность подключения источника пи­тания, то ток в цепи диода протекать не будет, т. к. электроны будут отталкиваться от анода и возвращаться обратно к като­ду. Таким образом, диод обладает односторонней проводимостью.

Ток, протекающий в цепи анода, зависит от количества электронов, приходящих к аноду в единицу времени. Этот ток определяется следующими двумя факторами:

a) током эмиссии катода, который зависит от количества электронов, испускаемых катодом в единицу времени;

b) напряжением между катодом и анодом.

Если напряжение между анодом и катодом отсутствует, то электроны, вылетевшие из катода, быстро теряют свою скорость, т. к. одноименно заряженные частицы взаимно от­талкиваются. Электроны, потерявшие скорость, заполняют пространство вокруг катода, образуя отрицательно заряжен­ное "облако". Это "облако" называется пространственным зарядом. Пространственный заряд препятствует движению электронов от катода к аноду.

По мере повышения положительного напряжения на аноде электроны начинают притягиваться к аноду, благодаря чему анодный ток начинает увеличиваться. Чем больше на­пряжение на аноде, тем больше величина анодного тока.

Увеличение анодного тока будет продолжаться до тех пор, пока все электроны, испускаемые катодом, начнут дос­тигать анода. Дальнейшее повышение напряжения на аноде не будет вызывать увеличения анодного тока. Этот режим на­зывается насыщением. При насыщении величина анодного тока равна току эмиссии катода.

При повышении напряжения накала температура катода увеличивается, что приводит к возрастанию тока эмиссии, а следовательно, и к возрастанию тока насыщения.