4.2. Застосування нерозпорошуваних гетерІв

Нерозпорошувані гетери відрізняються від розпорошуваних в першу чергу тим, що їх гранична ємність залежить від маси гетера, а не від його поверхні. Однак площа поверхні також є важливим фактором. Нерозпорошуваний гетер може мати різну форму. Він може бути частиною самого приладу або може бути виконаний тільки як гетер, він може бути покриттям на деталях приладу.

Як нерозпорошувані гетери використовуються ряд металів - титан, цирконій, тантал, ніобій, а також сплави, такі, як церій-мішметал-алюміній-торій, цирконій-алюміній або цирконій-алюміній-нікель та цирконій-титан. Хоча всі ці матеріали різні, механізм поглинання ними газу майже однаковий. При кімнатній температурі взаємодія газу з нерозпорошуваним гетером обмежується реакціями на поверхні. Після завершення адсорбції процесом, що визначає швидкість поглинання, є швидкість утворення продуктів поверхневої реакції. В цьому випадку границя швидкості визначається дифузією атомів або іонів через шар продуктів реакції, та залежність ходу поглинання від часу повинна мати параболічний характер. В області високих температур, границі якої різні для різних металів, швидкість поглинання визначається швидкістю дифузії газу в масу металу. Залежність швидкості поглинання від часу також має параболічний характер. Найбільші кількості газу, які спочатку розчиняються металом, розміщуються в ньому в формі атомів та іонів в проміжних положеннях гратки металу. Гратка при проникненні в неї атомів сторонніх елементів дещо розширюється. Коли поглинаються більші кількості газу, то утворюється нова кристалічна фаза продуктів реакції по границях зерен металу.

5. Розрахунок катодів прямого розжарення з чистих металів

В ЕВП в залежності від його призначення використовуються катоди самих різних типів. Серед термокатодів найбільш поширеними є оксидні та металевопористі катоди, а в деяких конкретних випадках - для приладів спеціального призначення використовуються катоди прямого розжарення з чистих металів.

В зв`язку з тим, що у ЕВП, виготовлення якого є метою цієї лабораторної роботи, використовується саме катод прямого розжарення, нижче наводиться методика його розрахунку.

В більшості випадків діаметр вольфрамової проволоки, яка використовується для виготовлення катодів різних конструкцій, невеликий порівняно з відстанями між сусідніми витками або витками катоду, і тому при тепловому розрахунку таких катодів можна нехтувати екрануванням окремих ділянок катода іншими, що має місце, наприклад, при навиванні спіралей освітлювальних ламп з малим кроком навивки на керн також невеликого діаметра.

Тому тут ми обмежимось розрахунком вольфрамового катода без врахування екранування одних ділянок його іншими.

В нашому випадку розрахунок металевого катода довільної конструкції зводиться до розрахунку прямолінійного катода з довжиною, яка визначається з чисто геометричних міркувань, і до врахування відповідних поправок на охолодження кінців окремих ділянок катода за рахунок відводу тепла утримувачами або крючками пружин, які натягують катод.

Таким чином, розрахунок вольфрамового катода повинен складатись з слідуючих елементів:

1) розрахунку ідеального катода, тобто катода, вздовж якого температура постійна і дорівнює температурі його середньої ділянки;

2) розрахунку поправок на охолодження кінців катода або його окремих ділянок утримувачами;

3) розрахунку параметрів реального катода.

Розглянемо спочатку розрахунок ідеального катода, розжареного до однакової по всій його довжині температури. В цьому випадку, вважаючи довжину та діаметр катода рівними відповідно L_k та d_k, можна записати слідуюючі вирази:

для потужності розжарення катода

(39)

і для опору катода

, (40)

де P₁=hp та - відповідно потужність розжарення та опір так званого "одиничного циліндра", тобто циліндра діаметром 1 см та довжиною 1 см, а h та r - відповідно питома потужність випромінювання для вольфраму, Вт/см² та питомий опір вольфраму, ом×см.

З рівнянь (39) та (40) неважко отримати рівняння для струму та напруги розжарення, а саме:

(41)

та

, (42)

де I₁ та U₁ - відповідно струм розжарення та напруга розжарення "одиничного циліндра", які є функціями однієї лише температури катода.

Аналогічно до рівняння (39) записуються також і вирази для значень електронної емісії ідеального катода

, (43)

(де j_е - густина струму емісії в А/cм², та I_е1=pj_e - емісія з поверхні "одиничного циліндра") та випаровування вольфраму з поверхні розжареної нитки

, (44)

де m - питома швидкість випаровування вольфраму в г/см²×с, М₁ = pm -швидкість випаровування вольфраму з поверхні "одиничного циліндра" в г/с.

Величини r, h, j_е, m, а також R₁, P₁, I₁, U₁, I_e1 та M₁ наведені для вольфраму в залежності від температури в табл. 1.

Задаючи робочу температуру катода (Т_k), а виходить, і табличні значення для питомих сталих r, h, j_е та m₁, так і дані для "одиничного циліндра" (R₁, P₁, I₁, U₁, I_e1 та M₁), ми можемо виконати розрахунок ідеального катода для необхідного для лампи значення струму емісії I_е. Ми можемо з табл. 1 (див. додаток) визначити також і міру розжарення H_L, тобто питому емісію з поверхні ідеального катода на одиницю затрачуваної на його нагрівання потужності, яка є функцією однієї лише температури катода

. (45)

Знаючи І_е та Н_L, визначаємо необхідну потужність розжарення:

, (46)

а через те що для напруги розжарення задається одне з стандартних його значень, то зразу ж знаходимо величину струму розжарення:

Як побачимо далі, для випадку достатньо довгої нитки вплив охолодження кінців утримувачами не відбивається на температурі катода при заданому струмі розжарення і, виходить, визначивши струм розжарення, ми можемо обчислити необхідний діаметр катода (реального):

, (41 ,а)

а потім і довжину ідеального катода:

. (42 ,а)

Таким чином, розрахунок ідеального катода дає нам значення діаметра реального катода. Лише у випадку дуже коротких катодів вплив охолодження його кінців утримувачами відіб'ється і на центральній його частині, і тоді обчислений струм розжарення не буде достатнім для отримання необхідної температури нитки навіть в її середній частині. Однак в електронних лампах подібні катоди практично не зустрічаються, і тому ми обмежимось випадком розрахунку лише достатньо довгих катодів, коли охолодження кінців катода призводить до зниження їх опору, а виходить, або напруга розжарення реального катода з розрахованою довжиною буде менше заданого для розрахунку значення , або необхідно довжину реального катода зробити більшою, ніж розраховане значення L_k.