1.4 Джерела носіїв заряду

Джерела носіїв зарядів (катоди або емітери) є одними з основних пристроїв вакуумної електроніки, властивості яких впливають на вихідні характеристики приладів: шуми, вихідна потужність, ККД та ін. Залежно від типу носіїв зарядів (вільних електронів або плазми) розрізняють емісійні і плазмові катоди.

Катоди електронних ламп робляться із чистих металів, чистих металів покритих плівками інших металів (плівкові катоди) або напівпровідниковим покриттям. Кожний катод характеризується величиною роботи виходу, емісійною здатністю, робочою температурою, довговічністю і параметрами, що визначають його економічність та термін експлуатації.

1.4.5 Основні характеристики катодів

Робота виходу більшості сучасних катодів не є постійною бо залежить від умов їхньої експлуатації. Зокрема, при певній температурі вона має мінімальне значення (катод має найбільшу емісійну здатність). Від температури не залежить тільки робота виходу катодів, виготовлених із чистих металів. Робочою температурою катода називається температура, при якій робота виходу мінімальна. Робоча температура катодів із чистого металу вибирається з умови одержання заданого емісійного струму.

Емісійний здатністю або питомою емісією називається величина струму електронної емісії з 1 см² поверхні катода. Емісія катода повинна бути рівномірною і зберігати свою величину на протязі терміну служби катода. Емісійна здатність залежить від властивостей матеріалів катода, стану їхньої поверхні, режиму роботи електронного приладу та інших факторів. Величина питомої емісії визначається рівнянням Ричардсона-Дешмона (1.2).

Припустима щільність катодного струму. У робочих режимах приладів з активованими катодами звичайно використовують величину анодного струму, значно меншу струму емісії катода, тому що робота при струмах з катода, рівних струму емісії, для ряду катодів приводить до руйнування шару, що активує. Тому для активованих катодів замість питомої емісії часто застосовується параметр, називаний припустимою щільністю катодного струму . Цей параметр показує, яку найбільшу величину струму можна відбирати з 1см² поверхні катода в робочому режимі. Величина припустимої щільності катодного струму залежить від матеріалу активатора, а також від режиму роботи. У лампах з катодами із чистих металів припустима щільність катодного струму дорівнює питомої емісії.

Робоча температура катода визначає швидкість виходу електронів з поверхні катода, дифузію активних речовин із внутрішніх шарів, швидкість випаровування речовини із поверхні та інше. Верхня межа робочої температури обмежується швидкістю випаровування речовини катодів, нижня — стійкістю необхідної величини струму емісії. Діапазон робочих температур різних катодів порівняно великий (1000–2900 К). Необхідна робоча температура катода забезпечується підігрівачем. Надана до підігрівача енергія витрачається головним чином на випромінювання і тепловідвід, величини яких визначаються станом поверхні, конструкцією деталей катода та іншими факторами. Тому величиною робочої температури катода в значній мірі визначається тепловий режим інших електродів і приладу в цілому. Звідси прагнення застосовувати катоди, що дають необхідний емісійний струм при можливій низькій робочій температурі.

Питома потужність розжарення. Для нагрівання катода затрачається потужність, величина якої залежить від температури, властивостей матеріалу і розміру катода. При підведенні до холодного катода певної потужності температура його підвищується, поки не встановиться рівність потужності, що підводиться і втрачається.

Підведена до катода потужність витрачається на:

• випромінювання, що залежить від властивостей поверхні катода і його температури. Відповідно до закону Стефана-Больцмана потужність, що випускається з одиниці поверхні емітера дорівнює , де — постійна Стефана-Больцмана, — коефіцієнт випромінювання, дорівнює одиниці для абсолютно чорного тіла і є меншим за одиницю для реальних тіл;

• на емісію електронів, що вилітають із катода і уносять енергію, яка дорівнює сумі виконананої електроном роботи виходу і його кінетичної енергії;

• на теплопровідність катода і його елементів.

Величина потужності розжарення, що доводиться на 1см² поверхні катода, називається питомою потужністю розжарення і є характеристикою споживаною катодом потужністю. Приблизно можна вважати, що всю споживану енергію катод витрачає у вигляді енергії випромінювання. Таким чином питома потужність розжарення буде дорівнює

.

Ефективність катода. Ефективністю катода називається відношення струму емісії катода до потужності, затрачуваної на його нагрівання

. (1.10)

Ефективність показує, яку емісію можна одержати від катода на кожний Ватт потужності, затрачуваної на нагрівання катоду. Ця характеристика катода одночасно характеризує емісійні властивості катода і визначає потужність, що витрачається на розжарення. Для кожного матеріалу ефективність залежить тільки від температури, збільшуючись за експонентним законом при підвищенні температури

. (1.11)

Із зазначеної залежності слідує, що використання катода при більше високих робочих температурах вигідно, тому що при цьому струм емісії катода збільшується, а відносна витрата потужності зменшується. Однак при високих робочих температурах значно зменшується довговічність катода.

Довговічність катода. Досить важливим параметром катода є його довговічність або термін служби, тому що у всіх приладах з термоелектронними катодами руйнування катода приводить у непридатність весь прилад.

Основною причиною руйнування катодів із чистих металів є механічне ушкодження (перегоряння, розрив) нитки розжарення. При високих температурах відбувається випаровування матеріалу катода, внаслідок чого діаметр катода поступово зменшується. Найбільш інтенсивне випаровування матеріалу відбувається в середній, самій напруженій частині катода. Тому що опір ділянки нитки, що стала тонкою, підвищується і на цій ділянці відбувається виділення більшої кількості тепла що в свою чергу викликає підвищення температури та подальше збільшення випаровування. Якщо діаметр дроту катода значно зменшиться, то катод або розривається в цьому місці внаслідок напруження, або розплавляється (перегоряє) при надмірному підвищенні температури.

Основною причиною виходу з ладу активованих катодів є зменшення їхньої емісійної здатності внаслідок ушкодження (дезактивації) активного шару. Лампа з дезактивованим, хоча і механічно неушкодженим катодом, непридатна до роботи. Якщо емісія катода значно зменшиться в порівнянні з її номінальним значенням то властивості приладу в цілому (його характеристики і параметри) зміняться і використання приладу стає також неможливим.

Як правило, за термін служби активованих катодів приймають той час роботи, протягом якого зберігається не менш 70–90% його емісійної здатності. Довговічність активованих катодів також сильно залежить від температур експлуатації. При перевищенні температури вище робочої відбувається інтенсивне випаровування активатора і катод швидко втрачає емісію. Крім того, на довговічність катода сильно впливає якість активування, що залежить від процесу обробки катода. Довговічність катода тісно пов'язана із величиною емісії. Для оксидного катода при щільності струму емісії порядку десятих часток ампер на 1см² термін служби обчислюється тисячами годин, а при щільності струму порядку десятків ампер на 1см² термін служби знижується до декількох годин.

Іншими немаловажними характеристиками катодів є стабільність струмів емісії, інерційність, розподіл заряджених часток по енергіях, швидкостях, напрямку поширення.

Зупинимося на деяких типах катодів, які на даний момент одержали найбільше поширення.