книги из ГПНТБ / Кушманов И.В. Электронные приборы учеб. пособие

используется тантал и ниобий.

Наиболее распространенным типом металлического катода яв­ ляется вольфрамовый. Из вольфрама легко изготовляются проволо­ ки различных диаметров 0,01-^2мм. Рабочая температура нахо­ дится в пределах 2400Ч-2600К. При таких температурах вольфра­ мовый катод имеет относительно малую скорость испарения, что дает возможность работать в пределах 500-^-2000 ч. Плотность эмисси­ онного тока при температуре катода 7'К= 2500°С порядка 0,5 А/см2 Работа выхода вольфрамового катода относительно высока — 4,52 эВ, что требует нагрева его до высоких температур. Поэтому эффективность катода мала (порядка 5 мА/Вт). Это главный и, по­ жалуй, единственный недостаток вольфрамового катода.

Основным достоинством вольфрамового катода является высокая стабильность термоэлектронной эмиссии. Такой катод не разруша­ ется под действием электронной и ионной бомбардировки при вы­ соких значениях энергии. Поверхность его гладкая и однородная. Это исключает возможность местных перегревов и искрений, кото­ рые являются причиной большой концентрации тока и выгораний отдельных участков катодов. К положительным качествам воль­ фрамового катода следует отнести также свойство паров вольфрама вступать в химические соединения с газами, остающимися в лампе после откачки, и тем самым осуществлять ее «жестчение». Воль­ фрамовые катоды применяются в мощных лампах, работающих при высоких анодных напряжениях (3—15 кВ).

Металлопленочные катоды. Эти катоды представляют собой ме­ таллическую поверхность, покрытую одним или несколькими слоя­ ми заряженного положительно вещества. Такой заряд создает внутреннее электрическое поле, уменьшающее работу выхода элек­

бида вольфрама выше, чем непосредственно с вольфрама. Из-за этого карбидированный катод, работающий при 7'„= 200(Ж, не боится перегревов. По этой же причине карбидиро-

20

ванный катод стоек к ионной бомбардировке при высоких анодных: напряжениях. Максимальная плотность катодного тока /„=0,7-4- -4-1,5 А/см2, а эффективность катода — Н = 50 мА/Вт.

Карбндированный катод успешно применяется в мощных гене­ раторных и усилительных лампах.

Серьезным недостатком карбидированного катода является его» хрупкость, которая объясняется легированием вольфрама углеро­ дом. Вследствие этого на катоде могут появиться микротрещиньщ нарушающие его однородность. Последнее приводит к местным пе­ регревам и разрушению катода. Срок службы карбидированного' катода составляет около 1000 ч.

Бариево-вольфрамовый катод является пленочным термоэлек­ тронным катодом. В нем пленка бария, активирующая поверхность-

ность катода и миграция его по поверхности. Величина работы вы­ хода бариево-вольфрамового катода составляет 1,56 эВ.

Как в статическом, так и в импульсном режимах катод облада­ ет большой плотностью тока /„ = 2-4-4 А/см2 и эффективностью Н = = 50 мА/Вт.

Ценным свойством катода является его гладкая поверхность,, что позволяет получить очень малые зазоры между электродамиОднородность сопротивления металлической губки предотвращаетместные перегревы и разрушение катода. К недостаткам катода, следует отнести интенсивные испарения бария с его поверхности ш загрязнение барием других электродов, что приводит к нежелатель­ ным термоэлектронным токам с их поверхностей.

2і;

I ігнучмо - тохкь iw кк? Р

і б е д н о т а * * с с о Г -

Полупроводниковые катоды. Это высокоэффективные катоды для ламп малой и средней мощности. Основание катода (керн) по­ крыто относительно толстым слоем активного вещества (20— 100 мкм) с электропроводностью электронного типа. К полупровод­ никовым катодам относится оксидный и ториево-оксидный катоды.

Оксидный катод является самым распространенным в электро­ вакуумных приборах. Катоды этого типа эффективны и долговечны, они могут работать в непрерывном и импульсном режимах в тече­ ние тысяч и десятков тысяч часов. Устройство оксидного катода по­

с растворителем и связующим веществом. Эту смесь наносят на керн катода. После сушки и прокалки при Г=280°С катод монтиру­ ют в лампе и ставят ее на откачку. К концу откачки катод нагре­ вается до температуры 1600°С. При такой температуре карбонаты разлагаются на окислы по формуле ВАСОг^-ВаО + СОг (аналогич­ ный процесс происходит со стронцием и кальцием). Эта реакция невозможна вне лампы в обычных атмосферных условиях, так как окислы неустойчивы на воздухе. Углекислый газ откачивают, а окислы бария, стронция и кальция образуют белый шероховатый эмиттирующий слой. Далее катод активируют. При этом катод на­ гревают до температуры 1300К и подают на анод положительное напряжение.

В результате активирования восстанавливается чистый барий, который оказывается равномерно вкрапленным по всей толще ак­ тивного слоя. Барий в данном случае является донорной примесью к окислам бария, стронция и кальция и обеспечивает эмигрирующе­ му слою электронную проводимость. Присутствие стронция спо­ собствует увеличению тока термоэлектронной эмиссии катода, а кальций' влияет на его плотность и прочность.

Работа выхода оксидного катода составляет 1,1 эВ, что позво­ ляет получать при температурах 900-УІ100 К плотность катодного тока в статическом режиме 0,5 А/см2 при высокой эффективности

. Я=50-Ы 00 мА/Вт.

22

К недостаткам оксидного катода следует отнести: неоднород­ ность сопротивления активного слоя, которая вызывает местныеперегревы некоторых участков поверхности, большую концентра­ цию тока и выгорание этих участков. Неоднородность сопротивле­ ния особенно проявляется при недокале катода. Поэтому недокал (особенно при высоких анодных напряжениях) недопустим.' Недо­ статком оксидного катода является также его шероховатость, чтоприводит к высоким градиентам потенциала на неровностях и, как следствие, — к слишком большому локальному отбору тока (искре­ нию катода).

Как уже отмечалось, промежуточный слой катода обладает вы­ соким сопротивлением. Здесь происходят значительное выделениетепла и нежелательные химические реакции, ухудшающие эмисси­ онную способность катода. Высокое сопротивление промежуточного^ слоя приводит к образованию разности потенциалов, которая отво­ дит барий от поверхности к керну катода.

Существенный недостаток катода — неустойчивая работа при.- высоких анодных напряжениях (более 3—5 кВ). При таких напря­ жениях ионная бомбардировка, а также искрение вследствие высо­ кой напряженности поля у катода могут привести к разрушению1 активного слоя.

Оксидный катод обладает свойством резко увеличивать эмисси­ онную способность в импульсном режиме. При работе с импульсом длительностью т < 10 мкс и в последующей паузе плотность тока, катода может достигать 20 А/см2 вместо 0,5 А/см2 в непрерывном, режиме. Отдельные виды катодов могут обеспечивать плотность то­ ка до 100 А/см2 Такая высокая эмиссионная способность в импуль­ сном режиме объясняется увеличением эмиссии электрона при воздействии на катод ускоряющего электрического поля. Работа <г импульсами длительностью более 10 мкс приводит к «отравле­ нию» катода и значительному спаду эмиссии. Процесс «отравле­ ния» заключается в связывании бария газами, выделяющимися из катода при прохождении значительного тока и из электродов. До­ полнительным фактором, способствующим уменьшению эмиссии,, является электрический отвод ионов бария к керну.

Ториево-оксидные катоды — высокотемпературные, работающиепри Тк=il500-f- 1800 К. Они применяются в мощных генераторных лампах и специальных лампах для свч. Ториево-оксидные катоды имеют плотность тока до 2 А/см2 в непрерывном режиме и да' 20 А/см2 в импульсном, устойчивы к «отравлению», искрению, рас­ пылению и электронно-ионной бомбардировке, легко активируются..

Керн катода изготовляют из* тантала или молибдена. На керш наносят окись тория. Для улучшения сцепления керна с активным: слоем на керн предварительно наносят губку из порошка тугоплав­ кого металла. Затем губка спекается с керном. После активирова­ ния покрытие становится полупроводником с электронной прово­ димостью,

23

Сложные катоды. Сложные катоды являются металлополупро­ водниковыми, выполненными на основе оксидных катодов или ме­ таллокерамики. В металлополупроводниковых катодах с целью увеличения срока службы создается большой запас активного ве­ щества. Керн катода имеет пористую губчатую структуру.

Губчатые оксидные катоды делятся на две группы. Первая группа объединяет катоды из составной пористой структуры, про­ питываемой активным веществом. Сюда относятся сетчатые, ячеис­ тые, ламельные и губчатые катоды. ■

Во вторую группу входят губчатые оксидно-никелевые катоды, полученные на основе прессования трехкомпонентных карбонатов 'и никелевого порошка с последующей обработкой и активирова­

нием. Такие катоды имеют хорошую электропроводность, тепло­ проводность и ровную поверхность.

Сетчатый катод представляет собой никелевый керн с наварен­ ной мелкоструктурной сеткой, ячейки которой заполнены оксид­ ной массой или ее смесью с никелевым порошком.

Ячеистый катод напоминает пчелиные соты. Он состоит из боль­ шого числа никелевых трубок диаметром в несколько десятых до-

.лей миллиметра, зажатых в обойму из молибдена и спеченных с помощью никелевого порошка. Трубки и пространство между ними заполняют оксидной массой.

Ламельный катод состоит из параллельно расположенных ла­ мелей, пространство между которыми заполняется активным ве­ ществом. Возможен вариант армирования ламелей мелкоструктур­ ной сеткой.

Губчатый катод получают спеканием никелевого порошка. Ак­ тивное оксидное вещество втирают в поры губки.

Металлокерамические катоды изготовляют из порошков воль­ фрама и окиси тория методами металлокерамики, т. е. путем прес­ сования смеси компонентов и спекания полученной заготовки при высокой температуре. В результате получается высокоэффектив­ ный катод с плотностью тока 0,5 А/см2 при рабочей температуре

искрению, поэтому хорошо работает при высоких анодных напря­ жениях. Эти качества обуславливают его применение в импульс­ ных лампах.

КОНСТРУКЦИЯ КАТОДОВ

Катоды по своей конструкции делятся на две группы: ■прямого накала и подогревные.

Катоды прямого накала характеризуются тем, что нить накала является непосредственно эмиттирующей поверхностью. Они приме­ няются, главным образом, в лампах большой мощности и выполня­ ются из проволоки и лент, которым придается различная форма (рис. 1.11).

■34

Катоды прямого макала имеют малую массу и, следовательно* малую теплоемкость. Это обусловливает относительно малое время, их разогрева и повышенную по сравнению с подогревными катода-

личье колесо

ми эффективность. Особенностью рассматриваемых катодов явля­ ется ИХ' неэквипотенциалы-юсть, т. е. изменение потенциала по дли­ не нити вследствие падения напряжения, создаваемого протекаю­

сти, здесь отсутствует.

Ценным свойством подогревных катодов является хорошая фор­ моустойчивость. Это позволяет работать с малыми зазорами между электродами.

Подогреватели подогревных катодов изготовляются из вольфра­ ма или сплава вольфрама с рением. В качестве изолирующего ве­ щества используется окись алюминия или окись бериллия. Окись алюминия — алунд применяется для низкотемпературных подогре­ вателей, а смесь окиси алюминия и окиси бериллия — для высоко­

25

температурных. Алундоаая изоляция не является совершенной. Ее сдельное сопротивление при комнатной температуре равно 10і5 Ом-см. При рабочей температуре оно резко снижается. Между

.катодом и подогревателем .имеется ток утечки. Для устранения пробойных явлений максимальное напряжение между подогрева­ телем и катодом не должно превышать установленной для данной

..лампы величины.

Аноды электронных ламп

Как уже указывалось, анод является коллектором электронов. Электроны отдают ему ту кинетическую энергию, кото­ рую они получили в ускоряющем поле лампы. Отдача энергии .со­ провождается нагреванием анода. Для того чтобы максимальная температура анода не превышала установленной для данной лам­ пы величины, анод охлаждают. Возможны пять способов охлажде­ ния анода:

—лучеиспусканием через вакуум (анод находится внутри бал­ лона) ;

—теплопроводностью через массивный вывод (анод находится внутри стеклянного или металлокерамического баллона, на вывод надет радиатор);

—воздушное;

—водяное;

—пароводяное.

В первом и втором случаях охлаждение естественное, в послед­ них трех — принудительное потоком воздуха, воды или пара.

Предельно допустимая температура анода. Выбор предельно допустимой температуры зависит от материала анода, типа като­ да, способа охлаждения, газовыделения из анода и материала бал­ лона лампы. При низкотемпературных катодах (Тк<1500К) и ес­ тественном охлаждении предельно допустимая температура анода Га= 650 К- Превышение этой температуры приводит к нежелатель­ ному подогреву катода, чрезмерному выделению газа из анода и перегреву баллона. В лампах с высокотемпературным катодом (Тк>1500 К) нагрев анода допускается до 1000-ЭІ500 К. При воз­ душном охлаждении предельно допустимая температура анода со­ ставляет 150°С, при водяном — 60н-80°С, а при пароводяном — 100°С.

Максимальная мощность, рассеиваемая на аноде. На анод в од­ ну секунду падает п электронов. Каждый электрон имеет среднюю энергию, обусловленную анодным напряжением £/а. Эта энергия равна mv2/2 = qU!:L. Тогда на аноде рассеивается мощность:-

где / а — анодный ток; Да — анодное напряжение.

Для того чтобы температура анода не превышала допустимую,

.необходимо выполнение неравенства:

Д і доп> (1-6)

.26

конструкции анодов электронных ламп малой мощности.

Сетки электронных ламп

Сетки электронной лампы выполняют спиральными ■{рис. 1.14а), рамочными (рис. 1.146) или штампованными (рис. 1.14в). Спиральные сетки навивают из проволоки различного диа­ метра (наименьший диаметр до 50 мкм) на специальных автоматах и сваривают с траверсами (держателями) точечной сваркой. Мини-

Рис. 1.14. Конструкции сеток электронных ламп: а) спиральные; б) рамочные; в) штампованные

мальный шаг навивки составляет 0,1 мм. Для изготовления рамоч­ ных сеток на рамку натягивают проволоку малого диаметра (до 10 мкм). Эти сетки благодаря своей жесткости позволяют полу­ чать очень малые расстояния между электродами.

В электронных лампах число сеток может быть от одной до ше­ сти. Сетки имеют различные названия и назначения. Наиболее рас­ пространены управляющая, экранирующая и защитная сетки. Управляющая сетка с помощью электрического поля управляет ве­ личиной анодного тока; экранирующая сетка экранирует анод от катода; защитная сетка защищает лампу от нежелательных про­ цессов токораспределения.

Управляющую сетку помещают близко к катоду. Вследствие этого температура управляющей сетки выше, чем у других сеток и поэтому для ее изготовления применяют тугоплавкие материалы, «обладающие высокой механической прочностью. Из-за нагрева •сетки здесь может возникнуть термоэлектронная эмиссия, которая увеличивается, если на сетку попадает активное вещество, испаряе­ мое катодом.(барий, окись бария).

28

Обычно управляющую сетку выполняют из вольфрамовой или молибденовой проволоки. В ряде случаев для снижения тока тер­ моэлектронной эмиссии ее покрывают золотом или платиной, имею­

высокой теплопроводностью и поэтому хорошо отводящие тепло. Экранирующая сетка экранирует катод от воздействия поля

анода. На сетке выделяется значительное количество тепла, так как она работает при положительном напряжении и имеет значи­ тельный ток. Для нее устанавливается наибольшая допустимая мощность рассеивания ЯС2 допДля изготовления сетки использует­ ся проволока из сплавов никеля. Траверсы выполняют из никеля или железа, покрытого никелем.

широкое применение получило стекло (натриевое, боросиликатное, свинцовое, кварцевое) как по своим физическим свойствам (малая электропроводность, малое газовыделение), так и из-за более низ­ кой стоимости по сравнению со стоимостью других материалов. Применяются также комбинированные оболочки — металлокера- м'ические и металлостеклянные. Для комбинированных оболочек используют сталь, медь, алюминий и титан, а керамические оболоч­ ки изготавливают из окиси алюминия, кремнезема, форстерита и стеатита.

Недостатками стекла являются невысокая механическая проч­ ность и небольшая термостойкость. Максимальная рабочая темпе­ ратура стекла не должна превышать 200°С. Стекло не выдерживает большого перепада температур. Эти недостатки отсутствуют в вы­ сокопрочной металлокерамической конструкции, которая выдержи­ вает перепад температур до 400°С. Кроме того, керамика имеет на

связи с их нагревом или электронно-ионной бомбардировкой. Наи­ более распространенным геттером является барий с примесью дру­ гих веществ. В 'процессе производства бариевую таблетку, запрессо­ ванную в пластинку небольших размеров, помещают на одном из держателей электродов. После откачки воздуха и отпайки лампы таблетка распыляется токами высокой частоты. Барий, связывая остаточный газ, осаждается в виде окислов и чистого бария на стенках колбы и окрашивает ее в серовато-зеркальный цвет. При

29