книги из ГПНТБ / Власов В.Ф. Электронные и ионные приборы Учеб.пособие для радиотехн.вузов и фак

получающегося большого тока. Чтобы не допустить опасного пе­ регрева катода в отрицательном конце его, необходимо в этом месте цепи контролировать ток накала и поэтому амперметр следует подключать к отрицательному зажиму катода, как по­ казано на схеме рис. 3.1. Анодная батарея включается в схему через потенциометр, при помощи которого можно подавать на анод различные значения положительного потенциала относи­

0 1 г 3 4 5 G

тельно катода (точнее относительно общей точки, т. е. минусзажима катода).

Выходящие с поверхности катода электроны, двигаясь к ано­ ду, составляют распределённый в пространстве между катодом

ианодом отрицательный электрический заряд. Этот простран­ ственный, или объёмный, заряд создаёт своё поле, препятствую­ щее движению электронов к аноду. Если ускоряющая разность потенциалов между анодом и катодом невелика, то некоторая часть электронов затормозится полем пространственного заряда

иэти электроны возвратятся обратно к катоду1). Поэтому при снятии эмиссионн.ой характеристики необходимо подать на анод достаточно большой положительный потенциал.

Установив требуемое анодное напряжение Uа и поддерживая

его постоянным, постепенно увеличивают напряжение на зажи­ мах катода Uн и измеряют получающиеся при этом значения тока эмиссии при помощи миллиамперметра, включённого в анодную цепь. По полученным данным строится эмиссионная характеристика Ie =f( UJ . На рис. 3.3 (кривая 1) показана эта характеристика для диода с вольфрамовым катодом, снятая при Uа =200 в. Эмиссионная характеристика близка по своему виду к экспоненте, но не является, строго говоря, экспонентой вслед­ ствие нелинейной связи между напряжением накала UH и тем­ пературой катода Т. При небольших значениях U„ ток эмиссии

') Пространственный заряд и его проявления подробнее описаны в гл. 6.

40

настолько мал, что измерительным прибором не регистрируется. Начиная с Uut&\ в, ток эмиссии становится заметным и возра­ стает с увеличением UH вначале медленно, а затем, при напря­ жениях накала, соответствующих рабочим и близким к ним температурам, — очень резко. Последнее обстоятельство надо иметь в виду при снятии эмиссионных характеристик, так как небольшие неточности в измерении тока или напряжения нака­ ла вызывают значительные изменения величины измеряемого тока эмиссии.

На том же графике представлена для той же лампы кри­ вая (2), снятая при меньшем анодном напряжении (30 в). За­ гиб этой кривой (около точки А) указывает на то, что имеющий­ ся на аноде небольшой положительный потенциал оказывается недостаточным для нейтрализации тормозящего поля объёмного заряда.

На рис. 3.3 построена также так называемая накальная ха­ рактеристика катода (кривая 3), показывающая зависимость тока накала от напряжения накала IH—f(UH). Необходимые для этой характеристики измерения тока накала для различных зна­ чений Uн ведут обычно при разомкнутой анодной цепи, чтобы избежать влияния анодного тока на показания амперметра на­ кала. Если ток в цепи анода мал по сравнению с током накала, то можно обе характеристики снимать одновременно. Зависи­ мость /„= f(t/„) получается нелинейной, так как при повышении температуры нити накала её сопротивление увеличивается, вследствие чего относительное увеличение тока накала полу­ чается меньше, чем увеличение напряжения накала.

от величины которого существенно зависят значения других па­ раметров катода (см. ниже). Кроме того, величиной рабочей температуры катода в значительной степени определяется теп­ ловой режим других электродов и прибора в целом. В электро­ вакуумной технике стремятся применять катоды, дающие необ­ ходимый эмиссионный ток при возможно более низкой рабочей температуре. Однако жёсткие условия работы катодов в ряде приборов заставляют наряду со сравнительно низкотемператур­ ными катодами, имеющими рабочую температуру около 1000— 1100°К (тёмно-красное каление), применять также высокотемпе­ ратурные, но более устойчивые к неблагоприятным воздействиям

величина тока электронной эмиссии с 1 см21 поверхности катода.

41

Удельная эмиссия зависит, как мы уже видели в § 2.2, от темпе­ ратуры катода, его материала и определяется формулой

где Т Раб— рабочая температура катода.

Очевидно, что, сравнивая значения удельной эмиссии раз­ личных материалов, необходимо указывать, каким температу­ рам соответствуют эти значения.

3. Д о п у с т и м а я п л о т н о с т ь к а т о д н о г о т о к а . В рабочих режимах электронных ламп с активированными като­ дами обычно используют величину анодного тока, значительно меньшую тока эмиссии катода, так как работа при токах с ка­ тода, равных току эмиосии, для ряда катодов приводит к разру­ шению активирующего слоя. Поэтому для активированных като­ дов вместо удельной эмиссии часто применяется параметр, назы­ ваемый допустимой плотностью катодного тока }к макс . Этот па­ раметр показывает, какую наибольшую величину тока можно от­ бирать с 1 смг поверхности катода в рабочем режиме.

Величина допустимой плотности катодного тока зависит от материала катода и активирующего слоя, а также от рабочего режима (режим непрерывной или импульсной работы и т. п.)«

В лампах с катодами из чистых металлов (неактивирован­ ных) допустимая плотность катодного тока равна удельной эмис­ сии катода.

4. У д е л ь н а я м о щ н о с т ь н а к а л а . Для нагрева като­ да затрачивается мощность, величина которой зависит от темпе­ ратуры, свойств материала и размеров катода. При подведении к холодному катоду определённой мощности температура его повышается до тех пор, пока не установится равенство мощно­ сти подводимой и мощности, теряемой катодом.

Подводимая к катоду мощность расходуется:

а) на лучеиспускание, которое зависит от свойств поверх­ ности катода и его температуры; согласно закону Стефана— Больцмана мощность, испускаемая с единицы поверхности тела, нагретого до температуры Т, равна Р = <;вТ*, где о — постоян­

фициент лучеиспускания, зависящий от свойств поверхности; этот коэффициент равен единице для абсолютно чёрного тела и меньше единицы для всех реальных поверхностей;

б) на эмиссию; это обусловлено тем, что каждый вылетаю­ щий из катода электрон уносит из катода энергию, равную сум­ ме совершённой электроном работы выхода и кинетической энер­ гии, которой он обладает, выходя из металла. Так как в потоке вылетающих из металла электронов средняя кинетическая энер-

42

гия одного электрона равна 2кТ, то потеря мощности катода на эмиссию, выраженная в ваттах, равна

Величина мощности накала, приходящаяся на 1 см2 поверх­ ности катода, называется удельной мощностью накала и являет­ ся характеристикой потребления энергии катодом. Приближён­ но можно считать, что всю потребляемую энергию катод отдаёт в виде энергии лучеиспускания, так что удельная мощность на­

называется отношение тока эмиссии катода к мощности, затра­ чиваемой на его нагрев,

Эффективность показывает, какую эмиссию можно получить от катода на каждый ватт мощности, затрачиваемой на нагрев катода.

Эффективность катода является наиболее употребительной характеристикой материала катода, так как она одновременно характеризует эмиссионные свойства катода и определяет рас­ ходуемую на накал мощность. Для данного материала эффек­ тивность зависит только от температуры, увеличиваясь по экс­ поненциальному закону при повышении температуры

Из указанной зависимости следует, что Использование като­ да при более высоких рабочих температурах выгодно, так как при этом ток эмиссии катода увеличивается, а относительный расход мощности уменьшается. Однако при слишком высоких рабочих температурах значительно уменьшается долговечность

43

Основной причиной разрушения катодов из чистых металлов (неактивированных) является механическое повреждение (пере­ горание, разрыв) нити накала. При высоких температурах про­ исходит испарение материала катода, вследствие чего диаметр катода постепенно уменьшается; наиболее интенсивное испаре­ ние материала происходит в средней, наиболее накалённой час­ ти катода. Так как сопротивление участка нити, ставшего тон­ ким, повышается, то на этом участке происходит выделение большего количества тепла, что вызывает повышение температу­ ры и дальнейшее увеличение испарения. Если диаметр проволо­

телями, или расплавляется (перегорает) при чрезмерном повы­ шении температуры.

Основной причиной выхода из строя активированных катодов является уменьшение их эмиссионной способности вследствие повреждения (дезактивации) активного слоя. Лампа с дезакти­ вированным, хотя и неповреждённым механически катодом, к работе непригодна. Если эмиссия катода значительно умень­ шится по сравнению с её начальным значением, то свойства при­ бора в целом (его характеристики и параметры) также могут измениться настолько, что использование прибора делается не­ возможным в рабочем режиме, рассчитанном на нормальные значения параметров прибора. Поэтому долговечность или срок службы катода можно определить как тот промежуток времени работы катода, в течение которого рабочий ток и параметры лампы сохраняются не меньше некоторой определённой величи­ ны. Обычно за срок службы активированных катодов принима­ ют то время работы, в течение которого определённые парамет­ ры лампы сохраняют величину не менее 70—80% нормального для данного типа ламп значения.

Долговечность активированных катодов также сильно зави­ сит от их температуры. Опыт показывает, что при небольшом подъёме температуры выше нормальной рабочей происходит ин­ тенсивное испарение активирующих веществ и катод быстро теряет эмиссию. Кроме того, на долговечность катода сильно влияет качество активировки, зависящее от процесса обработ­ ки катода. Поэтому для активированных катодов теоретический подсчёт срока службы затруднителен и долговечность опреде­ ляют для них экспериментально.

§ 3.2. Типы катодов

Классификация катодов

Термоэлектронные катоды, применяемые в современных электровакуумных приборах, по их физическим и электрическим свойствам подразделяются на три группы:

44

а) катоды из чистых металлов и сплавов, б) плёночные катоды, в) полупроводниковые катоды.

Катоды первой группы являются неактивированными. Такие катоды называют также простыми, или однородными.

Катоды второй и третьей групп являются активированными. На их наружной поверхности имеется активный слой, который обычно отличается по своему составу от толщи катода и подвер­ гается кри изготовлении электровакуумного прибора специаль­ ной технологической обработке (активировке).

Уплёночных катодов активный слой представляет собой од­ ноатомную плёнку электроположительного металла (рис. 2.14). Эти катоды называют также тонкослойными.

Уполупроводниковых катодов активный слой имеет значи­ тельную толщину (десятки тысяч и более атомных слоёв) и состо­ ит обычно из полупроводника с примесной электронной проводи­ мостью. Такие катоды называют также толстослойными. Среди

толстослойных имеются отдельные типы катодов с металлической проводимостью активного слоя1).

В последние годы разработаны также сложные активирован­ ные катоды. На наружной поверхности этих катодов перемежа­ ются участки со структурой, аналогичной структуре плёночных (тонкослойных) и полупроводниковых (толстослойных) като­ дов. Мы ограничимся рассмотрением основных типов термо­ электронных катодов2) .

катодов, является, во-первых, высокая температура плавления (свыше 3600°К), во-вторых, необходимые для изготовления тон­ кой проволоки ковкость и тягучесть. Из вольфрама легко изго­ товляются проволоки различных диаметров, начиная от сотых долей миллиметра до 1 2 мм.

Рабочая температура вольфрамового катода колеблется от 2400 до 2600°К в зависимости от типа ламп и требований, предъ­

’) Более полную классификацию современных термоэлектронных катодов

НИИ МРТП, 1957 г. вып. 5(41); «Оксидный кагод» (сборник трудов Между­ народного конгресса, посвящённого 50-летию открытия оксидного катода), изд. Иностранной литературы, 1957 г.

45

являемых к ним. Здесь приходится учитывать требования до­ статочно большой эмиссии, что вызывает повышение рабочей температуры, и достаточно длительного срока службы катода, продолжительность которого тем больше, чем ниже рабочая температура. Требования эти, очевидно, противоречат друг другу.

Величина эффективности катода зависит от его рабочей тем­ пературы. Для вольфрамовых катодов величина Н изменяется от 2 до 10 ма/вт. Срок службы вольфрамового катода при нор­ мальных рабочих температурах около 2—3 тыс. ч.

Основным достоинством вольфрамового катода является пос­ тоянство его эмиссионных свойств. К положительным качествам вольфрамового катода следует также отнести свойство паров вольфрама вступать в химические соединения с газами, остаю­ щимися в лампе после откачки, и тем самым производить лучшее обезгаживание или, как говорят, «жестчение» лампы. Вольфра­ мовые катоды применяются в мощных лампах, работающих при высоком анодном напряжении, когда работа катодов других ти­ пов делается неустойчивой.

Данные, определяющие эмиссионные свойства и электричес­ кий режим накала вольфрамовых катодов, приведены в табл. 3.1.

Т а н т а л о в ые к а т о д ы . Тантал имеет температуру плавления около 3120°К; работа выхода у тантала равна 4,07 в, что несколько меньше, чем у вольфрама. Благодаря меньшей работе выхода тантал при температурах 2300—2500°К даёт эмис­ сию в 10 раз большую, чем вольфрам при этих температурах. Применяются танталовые катоды в мощных высоковольтных лампах.

Недостатком танталовых катодов является то, что при силь­ ных нагревах тантал рекристаллизуется и получающаяся круп­ нозернистая кристаллизация делает катоды весьма хрупкими и ломкими. Путём добавления к танталу небольших количеств других веществ удаётся рекристаллизацию несколько умень­ шить.

Плёночные катоды.

Т о р и р о в а н н ы е к а т о д ы . Эти катоды представляют собой вольфрамовую проволоку, поверхность которой покрыта одноатомным слоем тория. Технология изготовления торированного катода была описана в § 2.2. Торированные катоды рабо­ тают при более низких температурах и являются более эконо­ мичными, чем катоды из чистого вольфрама.

Рабочая температура торированного катода берётся в интер­ вале 1800 -j- 1900°К; при этих температурах эффективность ка­ тода получается от 35 до 50 ма/вт.

Срок службы торированного катода определяется, как пра­ вило, не перегоранием нити, а состоянием активного слоя на но-

46

верхности катода. При нормальных условиях работы катода ис­ парение тория с поверхности непрерывно пополняется диффун­ дирующими из глубины катода атомами тория, которые прохо­ дят к поверхности катода между кристаллами вольфрама, но не сквозь кристаллы. При длительной работе катода под действием высокой рабочей температуры кристаллическая структура воль­ фрама изменяется — кристаллы делаются более крупных разме­ ров, что уменьшает число путей для атомов тория, и диффузия тория на поверхность катода уменьшается. Вследствие этого, а также вследствие наступающего обеднения катода торием, раз­ меры активного слоя начинают уменьшаться, что вызывает сна­ чала уменьшение эмиссии, а затем и полную «потерю эмиссии» катода.

На целость активного слоя катода сильно влияют те остатки газов, которые всё-таки имеются в лампах после откачки. Влия­ ние это сказывается в химических взаимодействиях газа с ак­ тивным слоем катода, а также в сбивании активного ториевого слоя положительными ионами, получающимися при ионизации газа. Поэтому для активированных катодов вопрос уничтожения следов газа после откачки является очень важным и решается обычно применением газопоглотителей.

Недостатки торированного катода: неустойчивость эмиссии из-за влияния указанных выше явлений и возможность потери эмиссии, а также нестойкость активного слоя при применении высокого анодного напряжения. Поэтому в настоящее время торированные катоды применяются только в некоторых типах из­ мерительных (электрометрических) ламп.

К а р б и д и р о в а н н ы е к а т о д ы . Для повышения устой­ чивости эмиссии торированного катода и возможности примене­ ния его при больших рабочих анодных напряжениях производят карбидирование торированного катода. Этот процесс заключает­ ся в прокаливании ещё неактивированного катода в атмосфере углеводородов, например, в парах бензола (С6Н6) при темпера­ туре около 1600°К. При соприкосновении молекулы бензола с горячей поверхностью катода молекула разлагается на углерод и водород. Углерод, осаждаясь на поверхности катода, диффун­ дирует в вольфрам. При достаточно больших давлениях паров бензола образуется больше атомов углерода, чем то количество их, которое диффундирует внутрь катода, и поэтому создаются условия, благоприятные для образования карбида вольфрама W2C на поверхности катода. Карбидирование прекращают, ког­ да содержание углерода в вольфраме повысится до 0,2 -f- 0,5%; при таком содержании углерода карбид вольфрама образуется в виде оболочки на вольфрамовом сердечнике; дальнейшее уве­ личение содержания углерода приводит к превращению всего вольфрама в карбид, что недопустимо ввиду большой хрупкости получающегося в этом случае катода.

47

После карбидирования производится активировка катода описанным ранее способом. Активный слой атомов тория распо­ лагается на карбиде вольфрама. Теплота испарения тория с по­ верхности карбида вольфрама больше, чем с поверхности чис­ того вольфрама. Поэтому карбидированные катоды могут ра­ ботать при более высоких температурах, чем простые торированные без разрушения активного слоя тория. Например, было най­ дено, что при 7’=2200°К скорость испарения тория с карбидированной поверхности равняется только 16% от скорости испа­ рения тория с вольфрама при той же температуре. Рабочая тем­ пература карбидированного катода составляет 1950 2000°К. При такой температуре увеличивается эмиссия катода, увеличи­ вается и эффективность его, достигающая в карбидированных катодах значения 50 70 ма/вт.

Благодаря указанному свойству активный слой карбидиро­ ванного катода труднее, чем у простых торированных катодов, разрушается под действием ионной бомбардировки, вследствие чего карбидированные катоды могут быть применены в лампах с повышенным (до 6-^-8 кв) анодным напряжением.

Недостатком карбидированных нитей является хрупкость их, обусловленная хрупкостью карбида вольфрама и тем, что коэф­ фициенты расширения карбида вольфрама и чистого вольфра­ ма неодинаковы, вследствие чего при нагревании и охлаждении катода поверхность его покрывается трещинами, ослабляющими механическую крепость нити. Долговечность карбидированных катодов около 1000 ч.

Кроме торированного вольфрама, для изготовления карбиди­ рованных катодов применяют иногда торированный молибден.

Карбидированные катоды находят применение в генератор­ ных лампах, где за последнее время с успехом заменяют чисто

недавно разработан новый тип плёночного катода, отличающий­ ся от вышеописанных типов своим устройст­ вом. В этом катоде, получившем название ба­ риево-вольфрамового катода (или Л-катода), применена специальная подогревная конструк­ ция (рис. 3.4). Основание катода сделано в виде молибденового стаканчика 1, в нижней части которого помещается электрический по­ догреватель 4, а верхняя часть представляет чашечку, в которой помещена таблетка из смеси карбонатов бария и стронция 3. Чашеч­ ка заполнена пористым вольфрамом 2, внеш­ няя поверхность которого является рабочей

поверхностью катода. При достаточно сильном нагреве катода карбонаты бария и стронция разлагаются, образуя окислы ба­ рия и стронция. Окись бария вступает в реакцию с молибденом

48

и вольфрамом. В результате этой реакции восстанавливается барий, который диффундирует сквозь пористый вольфрам и об­ разует на его внешней поверхности активную плёнку.

При рабочих температурах в интервале от 1200° до 1600°К бариево-вольфрамовые катоды имеют эффективность от 100 ’до 1000 ма/вт. При этих и более высоких температурах сильно про­ является основной недостаток этого катода: интенсивное распы­ ление свободных щёлочноземельных металлов и значительное «'загрязнение» ими других электродов лампы (в частности, се­ ток), что приводит к вредному увеличению термоэмиссийvc по­ верхности этих электродов. Поэтому бариево-вольфрамовые ка­ тоды часто используются в лампах (например, в триодах деци­ метрового и сантиметрового диапазона) при более низких тем­ пературах (1200—1350°К), при которых хотя и получается мень­ шая эффективность, но распыление бария с поверхности-катода практически неопасно. При этом используется одно из преиму­ ществ этих катодов: устойчивость их при интенсивной электрон­ ной и ионной бомбардировке,, что обусловлено нeпpepывньш',• по­ ступлением бария изнутри на поверхность катода.

Бариево-вольфрамовые катоды находят применение .в'.фех электровакуумных приборах, где условия работы катода весьма тяжёлые и где требуется большая удельная эмиссия катода (магнетроны, мощные клистроны и др.).

Полупроводниковые катоды

О к с и д н ы е к а т о д ы . Наиболее распространённым типом катода .в электровакуумных приборах является полупроводнико­ вый оксидный катод, изобретённый в 1904 г. Схема устройства

одним из разработанных способов (опрыскивание, электролити­ ческое осаждение из суспензии и др.) смесь - углекислых солей £>ария и стронция (иногда также кальция). В-таком виде катод монтируется в лампе, а затем, после откачки из лямпы воздуха, он нагревается до температуры 1600°К. При этой температуре углекислые соли бария и стронция разлагаются на окислы ме-