3.2.4. Термоелектронні катоди
Катоди прийнято класифікувати за способом нагрівання: прямонакалювані і підігрівні непрямого накалювання. Катоди прямого накалювання – це емітери, які нагріваються електричним струмом, що проходить безпосередньо через них. Підігрівні – це емітери, які нагріваються спеціальними підігрівачами за рахунок випромінювання, теплопровідності, електронного бомбардування чи високочастотного нагрівання.
За матеріалом і структурою емітуючої поверхні термокатоди поділяються на:
Чисто металічні катоди, виготовлені з вольфраму, танталу, молібдену, ренію, ніобію і їх сплавів.
Плівкові катоди, у яких металічна поверхня покрита моноатомним шаром електропозитивної речовини (торій, барій, цезій), наприклад, торійований вольфрамований, камерний (L–катод).
Товстошарові катоди, у яких на металічну підкладку (керн) наносять товстий шар емісійно-активної речовини (напівпровідникові) і гексаборидні (металоподібні).
Складні за структурою емісійної поверхні катоди: синтезовані, імпреговані (просочені), пресовані, металокерамічні. Вони являють собою пористу металічні губку, просочену емісійно-активною речовиною.
Характеристики і параметри термокатодів
Характеристика розжарення: залежність струму розжарювання IP від напруги розжарювання в діапазоні робочих температур.
Емісійна характеристика: залежність струму емісії IS від температури Т. Оскільки вимірювання температури катода у звичайних умовах експлуатації вакуумних приладів ускладнене, контроль розжарювання катода проводиться за показниками вольтметра чи амперметра, включених в коло розжарювання.
Рис.1.15.
Порівняльна таблиця основних властивостей металічних, плівкових, оксидних катодів.
Катод – основний електрод будь-якої електронної лампи, призначений для отримання термоелектронної емісії (випускання електронів металом в розжареному стані).
Тип катода |
Металічний (вольфрамовий) |
Плівковий (карбідова ний катод із торованого вольфраму) |
Оксидний |
загальні відомості |
Виготовляється із тугоплавких металів із невеликою роботою виходу (аби запобігти розплавленню катода при високих температурах і забезпечити достатню ефективність ). Також метал має бути ковким та тягучим, аби можна було досягти бажаного діаметру катодної нитки. |
Виготовляється шляхом нанесення на поверхню метала тонкої плівки металу з меншою роботою виходу. Розглядатимемо катод, виготовлений з вольфраму з домішкою окису торію (0,5…2%). Поверхневий шар складається з карбіду вольфраму, покритого тонкою плівкою атомів торію, що дифундують при активуванні на поверхню з товщі катода. |
Активний шар формується з оксиду, що представляє собою суміш окислів барію та стронцію (іноді Са) Оксид у вигляді білого пористого покриття товщиною 20…100 мкм наноситься на нікелеву чи вольфрамову основу – керн. В кристалічній решітці оксиду рівномірно розподілені атоми чистого барію, що формуються під час активування катоду за рахунок термічної дисоціації, електролізу та хімічної взаємодії оксиду барію з керном та його присадками. |
[K] |
2450…2650 |
1950…2000 |
950…1100 K. |
ефективність [мА/Вт] |
2…10 |
50…70 |
55…100 |
питома емісія [А/см2] |
0,3…0,7 |
0,7…1,5 |
Невизначена (залежить не лише від власт. катода, але й від прикладеного анодного струму) |
Питома потужність [Вт/см2] |
70…80 |
14…22 |
2,8…5 |
довговічність [год.] |
2000…3000 |
500…600 (Вона визначається не перегоранням нитки катода, а виснаженням активного шару на його поверхні.) |
100…150 тыс. (визначається запасом барію, за умови відсутності перегріву та надмірного електронного бомбардування при великих напругах ) |
max густина катодного струму [А/см2] |
0,3…0,7 |
до 1,5 |
20 … 90 |
Переваги і недоліки |
“+” Пари вольфраму мають властивість вступати в хімічний зв'язок із залишковими газами в лампі, покращуючи її вакуум. Вольфрамовий катод не боїться бомбардування позитивними іонами залишкового газу, стійко працює при високих анодних напругах. “-” Мала ефективність. |
“+” Мала робота виходу: атоми торію, віддавши свої валентні електрони атомам, що мають більшу роботу виходу, розташовуються на поверхні катода у вигляді позитивних іонів. Між шаром іонів і поверхнею катода створюється прискорюючи поле, яке полегшує вихід електронів з металу. А отже збільшується ефективність порівняно з вольфрамовим катодом. Стійкість – активний шар не руйнується під дією іонного бомбардування при анодній напрузі до 10…15 кВ. “-” Крихкість карбідованого вольфраму – покривається тріщинами при багаторазовому нагріві-охолодженні внаслідок відмінності коефіцієнтів вольфраму та його карбіду. |
“+” Мала робота виходу за рахунок домішок барію. Високий експлуатаційний термін. “-” «Вибагливість» катоду: 1.Високий вакуум (атоми барію вступають в хімічну взаємодію із залишковими газами лампи, що призводить до погіршення емісійних властивостей катоду) 2.Відсутність перегріву електродів (електроди починають виділяти газ, починається електронне бомбардування при великих напругах) 3.Наявність газопоглинача, який і під час роботи лампи видалятиме кисень, що виділяється при електролізі окису барію. 4. Відсутність перекалу (посилюється випарювання барію, прискорюється формування прошарку між керном і покриттям зі сполук барію з активуючими домішками керну; має високий опір до 30…50 Ом, володіє підвищеною випромінюючою власт., що призводить до зниження температури катода, а отже і до зменшення емісії ) |
Отже, найрозповсюдженішими є плівкові катоди, зважаючи на їх високу ефективність та досить прості умови використання. Якщо ж потребується виготовлення потужних але економічних (робоча температура 950…1100 К) в лампах неперервного режиму, використовують саме оксидні катоди. Металічні ж катоди були витісненими оксидними та плівковими, адже потребують високої робочої температури розжарення, але при цьому мають порівняно високу ефективність.