1.4.1 Катоди із чистих металів

Вольфрамові катоди

Основними властивостями вольфраму, що привели його до використання при виготовленні катодів, є висока температура плавлення і тягучість. Робоча температура вольфрамового катода коливається від 2400 до 2600К у залежності від типу ламп і вимог до них.

Величина ефективності катода залежить від його робочої температури. Для вольфрамових катодів величина змінюється від 2 до 10 мA/Bт. Термін служби вольфрамового катода при номінальних робочих температурах складає 2-3 тисячи годин. Основною перевагою вольфрамового катоду є сталість його емісійних властивостей. До позитивних якостей вольфрамового катода варто також віднести властивість парів вольфраму вступати в хімічні сполуки із залишковими газами і тим самим покращує знегажування лампи. Вольфрамові катоди застосовуються в потужних лампах, що працюють при високій анодній напрузі, коли робота катодів інших типів робиться нестійкою. Сталість емісійних характеристик визначило використання суцільно металевих катодів у високоточній вимірювальній апаратурі.

Танталові катоди

Тантал має температуру плавлення близько 3120K; робота виходу в танталу дорівнює 4.07 еВ, що трохи менше, ніж у вольфраму. Завдяки меншій роботі виходу тантал при температурах 2300-2500K дає емісію в 10 разів більшу, ніж вольфрам при однакових температурах. Застосовуються танталові катоди в потужних високовольтних лампах.

Недоліком чистих танталових і вольфрамових катодів є те, що при сильних нагрівах матеріал катода кристалізується, що робить катоди досить крихкими і ламкими. Шляхом додавання до танталу і вольфраму невеликих кількостей інших речовин, наприклад, молібдену, вдається рекристалізацію трохи зменшити. Однак введення домішок негативно позначається на величині роботи виходу і ефективності катода.

2. Плівкові катоди

Торійовані катоди

Ці катоди являють собою вольфрамовий дріт, поверхня якого покрита одноатомним шаром торію. Торійовані катоди працюють при більш низьких температурах і є більш економічними, ніж катоди із чистого вольфраму. Робоча температура торійованого катода знаходиться в інтервалі 1800-1900 K. При цих температурах ефективність катода складає від 35 до 50 мA/Bт. Термін служби торійованого катода визначається, як правило, не його перегорянням, а станом активного шару на поверхні катода. При нормальних умовах роботи катода випаровування торію з поверхні безупинно поповнюється атомами, що дифундують із глибини катода до поверхні катода між кристалами вольфраму. При тривалій роботі катода під дією високої робочої температури кристалічна структура вольфраму змінюється – кристали робляться більших розмірів, що зменшує кількість шляхів для атомів торію, і дифузія торію на поверхню катода зменшується. Внаслідок цього, а також внаслідок поступового збідніння катода торієм, розміри активного шару починають зменшуватися, що викликає спочатку зменшення емісії, а потім і її повну втрату.

На цілісність активного шару катода сильно впливають залишкові гази. Цей вплив позначається в хімічній взаємодії залишкового газу з активним шаром катода, а також у руйнуванні торієвого активатора іонами при бомбардуванні. Тому для активованих катодів питання зменшення кількості залишкових газів після відкачки є дуже важливим і вирішується звичайно застосуванням газовбирачів.

До недоліків торійованого катода можна віднести нестійку емісію через вплив зазначених вище явищ, а також руйнування активного шару при застосуванні високої анодної напруги. Тому торійовані катоди застосовуються тільки в деяких типах вимірювальних (електрометричних) ламп.

Карбідовані катоди

Для підвищення стійкості емісії торійованого катода і можливості застосування його при більших анодних напругах виконують карбідування торійованого катода. Цей процес полягає в прожарюванні ще неактивованого катода в атмосфері вуглеводнів, наприклад, у парах бензолу (С₆Н₆) при температурі близько 1600К. При зіткненні молекули бензолу з гарячою поверхнею катода молекула розкладається на водень і вуглець. Останній, осаджуючись на поверхні катода, дифундує у вольфрам, утворюючи карбід вольфраму W₂C. Карбідування припиняють, коли вміст вуглецю у вольфрамі підвищиться до 0,2-0,5%.

Після карбідування виконується активування катода. Активний шар атомів торію розташовується на карбіді вольфраму. Теплота випаровування торію з поверхні карбіду вольфраму більша, ніж з поверхні чистого вольфраму. Тому карбідовані катоди можуть працювати при більш високих температурах, ніж прості торійовані, без руйнування активного шару торію. Швидкість випаровування торію з вольфраму при однакових температурах може зменшуватися до одного порядку. Робоча температура карбідованого катода становить 1950-2000 К. При такій температурі збільшується емісія катода і його ефективність, що досягає в карбідованних катодах значеннь 50-70м/Bт.

Завдяки зазначеній властивості активний шар карбідованого катода є міцнішим, ніж у простих торійованих катодів. Інтенсивне руйнування під дією іонного бомбардування починається з 6-8 кВ анодної напруги.

Недоліком карбідованих ниток є їх крихкість, обумовлена крихкістю карбіду вольфраму і тим, що коефіцієнти розширення карбіду вольфраму та чистого вольфраму неоднакові. Внаслідок цього при нагріванні і охолодженні катода поверхня його покривається тріщинами, що зменшує механічну міцність нитки. Довговічність карбідованих катодів близько 2000 годин.

Крім торійованого вольфраму, для виготовлення карбідованих катодів застосовують іноді торійований молібден. Карбідовані катоди знаходять застосування в генераторних лампах.

Барієво-вольфрамові катоди.

У барієво-вольфрамовому катоді (Л-катода) застосована спеціальна конструкція, що забезпечує його характеристики і зображена на рис. 1.10).

Рисунок 1.10 - Конструкція барієво-вольфрамового катода.

Корпус катода зроблений у вигляді молібденового стаканчика 1. У нижній частині корпуса міститься електричний підігрівник 4, а верхня частина представляє собою ємність яка заповнена пористим вольфрамом 2, зовнішня поверхня якого є робочою поверхнею катода. Всередині вольфраму розміщена таблетка із суміші карбонатів барію та стронцію 3. При досить сильному нагріванні катоду карбонати барію і стронцію розкладаються, утворюючи окисли барію і стронцію. Окис барію вступає в реакцію з молібденом і вольфрамом. В результаті цієї реакції барій відновлюється і дифундує скрізь пористий вольфрам на поверхню, утворюючи активну плівку.

При робочих температурах в інтервалі від 1200К до 1600К барієво-вольфрамові катоди мають ефективність від 100 м/Bт до 1000 м/Bт. При цих і більших температурах проявляється основний недолік цього катода – інтенсивне розпилення барію та інших металів. Осадження їх на електродах лампи (зокрема, сіток) приводить до шкідливого збільшення термоелектронної емісії з поверхні та підвищенню імовірності пробоїв. Тому барієво-вольфрамові катоди часто використовуються або в лампах, що дозволяють розборку та чистку, або в лампах (у тріодах дециметрового і сантиметрового діапазону) при більш низьких температурах (1200К-1350К). Ефективність при цьому зменшується, але розпилення барію з поверхні катода практично зникає.

Важливою перевагою барієво-вольфрамових катодів є їх здатність відновлювати активований шар при нагріванні, що обумовлено безперервним надходженням барію зсередини на поверхню катода. Стійкість катодів до інтенсивного електронного та іонного бомбардування дозволяє їх застосовувати в електровакуумних приладах з агресивними умовами роботи – високі значення питомих струмів емісії та високі потенціали на електродах магнетрони, потужні клістрони та інші.