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

таллов и углекислый газ, который откачивается из лампы; окис­ лы же металлов остаются на поверхности катода в виде белого слоя. Этот слой имеет толщину от 20 до 100 мк и часто очень шероховатую поверхность — в виде нагромождённых друг на друга смешанных кристаллов ВаО и SrO размерами от 1 до 5 мк. Окислы щёлочноземельных металлов имеют ионную крис­ таллическую решётку, в узлах которой находятся двухвалентные

имеет место химическое взаимодействие оксидного слоя с керном; для усиления восстановительных свойств в никелевый керн обычно вводят небольшое количество (0,1-=- 0,2 %) активирующих ве­ ществ: примесей магния, вольфрама, кремния или других эле­ ментов, химически реагирующих с окисью бария. Во-вторых вос­ становление бария осуществляется газами (главным образом, окисью углерода), выделяющимися из накалённого катода в конце процесса обезгаживания. В-третьих, некоторое количество металлического бария получается вследствие электролитической диссоциации окиси его при прохождении электрического тока через оксидный слой; выделяющийся при этом на внешней по­

атомы бария (показаны кружками на рис. 3.5) распределяются по толще покрытия. Они играют роль металлической примеси к оксидному слою, т. е. являются донорами: энергетические уров­ ни их валентных электронов располагаются в «запрещённой» полосе вблизи дна зоны проводимости, подобно тому, как это было показано на рис. 2.7. Поэтому при активировке катода ок­ сидный слой из диэлектрика превращается в полупроводник с электронной проводимостью. Потенциальная диаграмма на рис. 2.11 соответствует активированному оксидному катоду. Экспериментальные исследования дают для полной работы вы­ хода оксидных катодов при термоэлектронной эмиссии значе­ ния е<оа от 1 до 1,1 э-в; при этом внутренняя работа выхода

e<?i = — - ~0,7-^-0,8 э-в, а внешняя работа выхода еср0^г: 0,3 э-в.

Благодаря малой величине работы выхода значительная термо-

50

электронная эмиссия оксидного катода получается уже при тем­ пературах 1000—1120°К (накал тёмно-красного цвета), эффек­ тивность катода при этих температурах от 60 до 100 ма/вт.

Предположения о наличии одноатомной плёнки бария на» поверхности оксидного катода (подобно плёнке тория на вольф­ раме) экспериментально не были подтверждены. В настоящеевремя считают, что высокая эмиссионная способность оксидного> катода обусловлена полупроводниковой структурой толщи ок­ сидного покрытия и его наружного приповерхностного слоя. При этом активность оксидного катода определяется, главным; образом, барием — концентрацией его избыточных атомов в: оксидном слое. Экспериментально установлено, что смесь окис­ лов бария и стронция (в равных примерно соотношениях) даёт большую эмиссию, чем чистая окись бария. Наличие кальция в оксидных покрытиях с тремя окислами (BaO, ’SrO, СаО) приво­ дит к некоторому уменьшению эмиссии, но способствует полу­ чению более прочного и плотного покрытия.

Большую роль в обеспечении высоких эмиссионных свойствоксидного катода играет шероховатость его поверхности и на­ личие пор в оксидном покрытии. Благодаря этому, во-первых, значительно увеличивается действующая эмиссионная поверх­ ность катода и, во-вторых, в дополнение к обычному механизму электронной эмиссии добавляется эмиссия электронов через по­ ры в оксидном слое.

Оксидные катоды с относительно гладким покрытием (напри­ мер, получаемые катафорезом — электролитическим осаждени­ ем углекислых солей бария и стронция из суспензии) применяв ются в лампах с предельно малыми междуэлектродными рас­ стояниями и в тех электровакуумных приборах, где вследствие высоких потенциалов на электродах напряжённость электричес­ кого поля у катода может быть очень большой. В последнем случае при шероховатом покрытии легче наступает вредное яв­ ление искрения катода (см. ниже).

При работе оксидного катода примеси, введённые в керн для облегчения активировки катода, химически реагируют с оксид­ ным покрытием, и на керне постепенно образуется тонкий слон соединений (например, типа BaSiO„, если в керн введена при­ месь кремния); этот подслой, несмотря на свою незначительную'

толщину (порядка 10~5 см), имеет большое сопротивление, до<- ходящее до 501—100 ом, и называется поэтому запорным слоем_ Вследствие повышенной лучеиспускательной способности покры-- той им поверхности температура всего катода уменьшается на 30 -т- 50° по сравнению с катодом, имеющим керн из чистого ни­ келя. Другим недостатком, связанным с наличием запорногослоя, является ухудшение основных параметров электронных ламп. Поэтому совершенствование оксидных катодов ддя долго­ вечных ламп идёт по линии применения кернов.из чистейшего никеля (с содержанием примесей не более 0,01%) или из никеля

'С такими активирующими присадками, которые хотя и медленнее ■активируют катод, но не образуют прослоек с повышенным со­ противлением.

Недостатком никелевого керна для катодов, изготавливаемых в виде нитей малого диаметра (менее 150'—200 мк), является

•незначительная механическая прочность этих нитей при рабочих температурах, что вызывает уменьшение долговечности катода. Более прочными и имеющими поэтому больший срок службы получаются оксидные катоды с вольфрамовым керном.

В работающем оксидном катоде происходит непрерывная потеря атомов избыточного бария в покрытии за счёт их испа­ рения из катода и химического взаимодействия с остаточными газами, имеющимися внутри лампы. Пополнение металлического бария в покрытии осуществляется благодаря химическим реак­ циям окиси бария с активирующими присадками и электроли­ тической диссоциации части окиси бария при прохождении анод­ ного тока сквозь оксидный слой1).

Так как атомы избыточного бария химически весьма актив­ ны, то присутствие даже следов воздуха или паров воды внутри, лампы и выделение газов при бомбардировке электронами ано­ да и сеток заметно ухудшают эмиссионные свойства оксидного

откачке из неё воздуха чрезвычайно важны для обеспечения долговечности оксидного катода и прибора в целом. В электрон­ ных лампах массового производства удаётся получать и поддер­

живать давление остаточных газов порядка 10~7 им рт. ст. Срок службы оксидного катода в различных типах электро­

вакуумных приборов неодинаков; сильно различается долговеч­ ность катода и для отдельных образцов приборов одного и того же типа. В обычных приёмно-усилительных лампах при гаранти­ рованной долговечности 500 ч срок службы большинства ламп поставляет 1500 — 3000 ч. Имеются серии долговечных электрон­ ных ламп с оксидным катодом на срок службы в 5000 и 10 000 ч.

для сверхвысоких частот — 500 ч и менее. Расчёты показывают, что теоретический срок службы оксидных катодов очень велик— он определяется запасом бария в оксидном покрытии и состав­ ляет десятки тысяч и даже сотни тысяч часов. Разработаны спе­ циальные серии ламп с оксидным катодом для телефонных уси-

0 Если с катода не отбирается эмиссионный ток, то отсутствует элек­ тролитическая активировка катода. Кроме того, при этом интенсивнее форми­ руется запорный слой. Поэтому в режиме одного накала без отбора эмис­ сионного тока (так называемом «дежурном» режиме) лампы с оксидным ка­ тодом часто имеют меньший срок службы, чем в нормальном рабочем режиме.

52

лителей в подводных кабелях связи, рассчитанные на долговеч­ ность в 70 - 100 тыс. ч (10-г- 14 лет непрерывной работы) — правда, в значительно облегчённом режиме.

В годы второй мировой войны экспериментально были обна­ ружены исключительно высокие эмиссионные свойства ’ оксидно­ го катода в импульсном режиме (при длительности импульсов порядка 1-5-10 мксек и длительности пауз порядка миллисе­ кунд). В этом режиме с обычных оксидных катодов при доста­ точно высоких анодных напряжениях удалось снимать эмисси­ онные токи в несколько десятков ампер на квадратный санти­ метр, а с усовершенствованных — даже более 100 а/см2, в то время как с тех же катодов в непрерывном режиме наибольшая плотность катодного тока не превышает 0,5 а/см2.

В импульсном режиме был обнаружен характерный спад эмиссии оксидного катода: при подаче на лампу импульсов на­ пряжения прямоугольной формы (рис. .3.6) анодный ток умень­ шается в течение импульса приблизительно по экспоненциаль­ ному закону. За время паузы катод полностью восстанавливает свои эмиссионные свойства. Спад эмиссии оксидного катода выз­ ван рядом причин, среди которых важнейшими являются следу­ ющие: отравление катода газами, выделяющимися с анода и сеток при бомбардировке их электронами с большой энергией; электролитический отвод ионов бария от поверхности катода к керну при прохождении через катод «сквозных» токов большой,

Получению с оксидного катода больших эмиссионных токов, близких к его полной термоэлектронной способности, препятству­ ют в основном два обстоятельства:

1. Перегрев катода проходящим через него «сквозным» то­ ком /„.И з-за сравнительно большого сопротивления полупровод­ никового покрытия R Kи запорного слоя (когда он имеется) при прохождениичерез катод токов большой плотности выделяется

значительное количество джоул'ева тепла Р к = /«/?„ и темпера­ тура катода становится недопустимо высокой. В этом отношении безусловные преимущества имеет импульсный режим, так как изза наличия пауз среднее количество тепла, выделяющегося в ка­

53

тоде за единицу времени при прохождении тока 1к, в импульсном режиме намного меньше, чем в непрерывном.

2. Искрение катода при подаче на анод лампы высоких на­ пряжений и снятии с катода больших плотностей тока в им­ пульсном режиме. При этом наблюдаются электрические разря­ ды в лампе, сопровождаемые отделением от катода раскалённых частиц оксида. Это явление ограничивает величину допустимого катодного тока 1кмаКс и анодного напряжения Uамакс. Искре­ нию способствуют: шероховатость поверхности оксидного като­ да (образуются большие градиенты потенциала у выстуров на поверхности катода); наличие запорного слоя и повышенное со­ противление полупроводникового покрытия (повышенное выде­ ление тепла в покрытии); недостаточно прочное сцепление оксидного покрытия с керном; бомбардировка катода ионами, образовавшимися в результате ионизации атомов остаточных газов. Склонность к искрению и недостаточно высокий срок службы в импульсном режиме работы являются главными недостатками оксидного катода, ограничивающими его приме­ нение в современных импульсных электровакуумных приборах.

С целью борьбы с искрением и увеличения срока службы разработаны разновидности оксидного катода, являющиеся по существу не полупроводниковыми, а сложными катодами. При­ мером таких катодов служит так называемый губчатый, или сетчатый катод1), устроенный следующим образом. На никеле­ вый керн наносится металлическая сетка или губка, полученная спеканием мелкозернистого никелевого порошка. В отверстия губки вводится (например, втирается) оксидное покрытие. По­ верхность катода получается более гладкой, частицы оксида прочнее сцепляются с губкой, теплопроводность и электропро­ водность покрытия (металл + полупроводник) намного больше, чем у оксидного катода. Применение чистейшего никеля в каче­ стве материала для керна и губки препятствует образованию запорного слоя. На наружной поверхности сложного катода пе­ ремежаются участки со структурой, аналогичной структуре плё­ ночных (выступы металлической сетки) и толстослойных полу­ проводниковых катодов (зёрна оксида). Эмиссионная способ­ ность губчатых и других сложных катодов несколько ниже, чем у оксидных.

Т о р не в о-о к с и д н ы е к а т о д ы . В этих катодах оксид­ ное покрытие из окиси тория помещается на вольфрамовом, мо­ либденовом или танталовом керне. Для получения хорошего сцепления покрытия с керном к окиси тория добавляют неболь­ шое количество нитрата тория, который, разлагаясь при прока­ ливании катода, образует более прочный слой окиси тория.

По сравнению с оксидными катодами из щёлочноземельных металлов ториево-оксидные катоды имеют следующие особен-

Такие катоды называют также синтерированными.

54

ности. Во-первых, после прокаливания в вакууме, осуществляе­ мого для удаления из них газа, они уже дают почти полную эмиссию, что значительно облегчает дальнейший процесс активи­ рования. Во-вторых, в ториево-оксидных катодах отсутствует запорный слой между слоем оксида и керном, вследствие чего эти катоды оказываются пригодными для работы в импульсных режимах при отборе с них больших плотностей импульсного то­ ка. Явление спада эмиссии в ториево-оксидных катодах практи­ чески не наблюдается для импульсов с длительностью до 100 мксек. В силу указанных свойств ториево-оксидные катоды особенно пригодны для импульсных электровакуумных прибо­ ров, в частности, импульсных магнетронов.

Интересной разновидностью описанного выше катода яв­ ляется металлокерамический ториево-оксидный катод. Этот сложный катод изготовляется посредством спекания смеси мел­ козернистых порошков вольфрама и окиси тория (около 96%W

нескольких минут, а при работе в магнетроне хорошо активи­ руется без дополнительного нагревания. Металлокерамический ториево-оксидный катод имеет сравнительно малую Термоэлек­ тронную эмиссию (0,5 а/см2 при Г=1600°К), но благодаря боль­ шому коэффициенту вторичной эмиссии, он даёт в импульсном магнетроне при этой рабочей температуре ток в 15 а/см2 (см. гл. 16). При этом катод устойчив к электронной и ионной бомбардировке и к воздействию остаточных газов, хорошо ра­ ботает при высоких анодных напряжениях, имеет малую склон­ ность к искрению. Металлокерамический ториево-оксидный ка­ тод предназначен в первую очередь для импульсных магнетро­ нов, а также для мощных генераторных ламп.

Параметры основных типов термоэлектронных катодов при­ ведены в табл. 3.1.

55

Продолжение

') В скобках указаны ориентировочные значения удельной эмиссии в импульсном режиме.

§3.3. Конструкции катодов

Всовременных электронных приборах применяются два типа конструкций катодов: катоды с непосредственным, или прямым накалом, в которых ток накала проходит непосредственно по проволоке, эмитирующей электроны, и катоды с косвенным на­ калом (подогревные катоды), в которых эмитирующая поверх­ ность разогревается при помощи специального электрического подогревателя.

Форма катода прямого накала зависит от его размеров и от конструкции других электродов. В лампах небольшой мощности с цилиндрическими анодом и сеткой катод делают в виде пря­ молинейной нити и помещают вдоль оси указанных электродов; нить укрепляют (приваривают) концами к держателям, которые используются в то же время для подведения тока накала к нити. При большой длине нити ей придают форму перевёрнутой бук­ вы «V», укрепляя верхнюю точку её на специальном держателе; обычно нить подвешивают на крючок спиральной пружинки (рис. 3.7а), которая служит, с одной стороны, для смягчения толчков, а с другой, натягивая всё время нить, не даёт ей прог­ нуться при удлинении вследствие нагрева.

При плоской конструкции анода обычной формой нити яв­ ляется V-образная в маленьких лампах и W-образная при длин* ных катодах в более мощных лампах (рис. 3.76). В последнем случае иногда от катода наружу делают три вывода, что позво­ ляет или использовать среднюю точку нити для подключения анодной цепи, или применить пониженное напряжение накала, включая половины нити параллельно.

56

В мощных усилительных и генераторных лампах с большим током эмиссии катоды должны иметь большую рабочую поверх­ ность. Для этой цели катоды прямого накала делают спираль­ ной формы,, применяя простую или двойную (типа бифилярной) спирали (рис. 3.7s и г), или устраивают катод в виде несколь­ ких, обычно параллельно включаемых петель, располагая их на общей ножке по окружности.

Конструкция держателей различна для разных ламп в зави­ симости от размеров и формы электродов и должна быть рассчи-

Изолятор

тана не только на поддержание постоянства формы катода при механических сотрясениях и нагреве, но и на противодействие (компенсацию) механическим усилиям, возникающим между нитью и анодом, когда последний заряжен до большого положи­ тельного потенциала. Подобные механические усилия возникают и между отдельными участками нити, когда по этим участкам, расположенным рядом, протекают сильные токи разного на­ правления (например, параллельные участки К-образной нити в мощных генераторных лампах), которые вызывают отталки­ вание этих участков и могут вызвать этим деформацию и раз­ рыв нити. С этими силами, действующими на участках нити, приходится особенно считаться при включении накала катода, который в холодном состоянии имеет очень малое сопротивле­ ние (для вольфрама в 12 -н 14 раз меньше рабочего) и в кото­ ром «пусковой» ток будет поэтому очень большим.

Для питания катода переменным током были созданы раз­ личные конструкции катода с «подогревом». При прямом накале катода переменным током всегда будет иметь место изменение температуры нити с частотой, равной удвоенной частоте питаю­ щего тока. Это изменение температуры проявляется тем слабее, чем больше масса нити, чем больше её тепловая инерция. По­ этому толстые нити (например, в мощных лампах), прогреваю­ щиеся и охлаждающиеся медленно, при накале переменным то­ ком имеют некоторую почти постоянную температуру и, следо-

57

■вательно, эмиссию постоянной величины. В усилительных же лампах тонкая нить успевает периодически охлаждаться, что вызывает колебания анодного тока по низкой частоте и, конеч­ но, создаёт в цепях приёмника мешающий приёму тон. Кроме того, при питании катода переменным током мешающий фон ■низкой частоты создаётся также под влиянием переменного маг­ нитного поля тока накала и переменной разности потенциалов на концах катода. Эти влияния устраняются в катодах с косвен­

ным подогревом.

Идея устройства подогревных катодов была предложена впервые в 1921 г. А. А. Чернышёвым. Эти катоды являются эк­ випотенциальными и имеют вследствие большой массы большую тепловую инерцию. Поэтому они вполне пригодны для питания ■их переменным током.

Очень распространёнными в наших лампах являются катоды

пензию, которой покрывают вольфрамовые проволоки, имеющие V-образную форму. После просушки эти проволоки вставляют (в качестве электрических грелок) в никелевую оболочку ци­ линдрического или плоского сечения, покрытую оксидным слоем. Большая стойкость при высоких температурах и возможность легко помещать не одну, а две и больше подогревных проволок позволяют эту конструкцию катода косвенного накала приме­ нять и в мощных лампах с большим током эмиссии.

Изготавливают также подогреватели в виде бифилярно на­ мотанной спирали из вольфрамовой проволоки, покрытой алундом (рис. 3.86); благодаря бифилярной намотке получается очень слабое магнитное поле тока накала.

Рис. 3.8

Так как собственно катодом, испускающим электроны, в по­ догревных конструкциях является оксидный слой, электрически не связанный с цепью накала (подогрева), то для замыкания на катод цепей анода и сетки лампы (для получения общей точки схемы) от никелевого цилиндра, покрытого активным слоем, де­ лается отдельный вывод.

58

Катоды косвенного накала изготовляют на напряжения на­ кала от 2 до 30 в и широко используют в усилительных лампах радиоприёмников, рассчитанных на полное питание от сетей как переменного, так и постоянного тока. Так как при питании при­ ёмника от сети постоянного тока 'понизить напряжение сети при помощи трансформаторов нельзя, то в этих приёмниках приме­ няют последовательное включение подогревателей катодов уси­

зуется то обстоятельство, что цепь накала и анодная цепь в по­ догревных катодах косвенного накала электрически разделены.

Кроме описанных, применяются и иные конструкции катодов косвенного накала, изображённые на рис. 3.8. Рисунок 3.8в по­ казывает устройство плоского катода косвенного накала с подо­ гревателем в виде плоской спирали, применяющегося в метал­ локерамических лампах; на рис. 3.8а показан катод косвенного накала, удобный для получения узких электронных пучков, тре­ бующихся в электронно-лучевых приборах.

Эффективность оксидных катодов косвенного накала полу­ чается всегда меньше, чем у оксидных катодов прямого накала. Из-за больших непроизводительных потерь тепла с неиспользуе­ мых для электронной эмиссии участков поверхности катода и подогревателя эффективность подогревных катодов не превы­ шает 30 -^-35 ма/вт.

Необходимая при питании катода переменным током большая тепловая инерция подогревных катодов требует некоторого вре­ мени на разогрев катода после включения тока накала, и, сле­ довательно, ток эмиссии устанавливается не сразу. Отметим, что это свойственно не только подогревным, но и катодам с пря­ мым накалом, если они обладают большой массой (т. е. имеют большой диаметр нити) и работают при низкой температуре на­ грева. Но у катодов косвенного накала тепловая инерция прояв­ ляется значительно сильнее, чем у катодов прямого накала. На

§ 3.4. Эксплуатация катодов

Источник электронов — накалённый катод — является наи­ менее надёжной деталью электровакуумных приборов. В като­ дах косвенного накала имеется ещё одна относительно ненадёж­ ная деталь — подогреватель, температура которого превышает температуру катода на 200 300°, а в металлокерамических то- риево-оксидных катодах — на 400 700°. В этих условиях подо­ греватель может выйти из строя как по причине перегорания, так и вследствие ухудшения изолирующих свойств алунда, ко­ торым он покрыт.

59