Катоды из чистых металлов

Для получения достаточно большого потока электронов из металла, его необходимо сильно нагреть. Однако при этом материал катода сильно испаряется и долговечность катода снижается. Поэтому лишь немногие металлы и сплавы пригодны для изготовления катодов. В первую очередь к ним относится вольфрам. Вольфрамовые катоды до недавнего времени широко применялись в мощных высоковольтных лампах, в настоящее время они полностью вытеснены пленочными и полупроводниковыми катодами, имеющими высокую эффективность.

Пленочные катоды

Эмиссионная способность металла может быть существенно увеличена путем нанесения на его поверхность тонкой пленки металла, имеющего меньшую работу выхода. Такие катоды называют пленочными. Примером является карбидированный катод из вольфрама с примесью окиси тория (0,5 – 2%). Поверхностный слой катода состоит из карбида вольфрама, покрытого тонкой пленкой атомов тория, диффундирующего при активировании на поверхность из толщины катода. Слой карбида вольфрама повышает стойкость и долговечность катода, так как на поверхности этого слоя атомы тория держатся прочнее, чем на поверхности чистого вольфрама.

Атомы тория, отдав свои валентные электроны атомам вольфрама, имеющего большую работу выхода, торий располагается на поверхности катода в виде положительных ионов. Между слоем ионов и поверхностью катода создается ускоряющее электрическое поле. Поэтому работа выхода электронов у такого катода меньше, чем у чистого тория, а эффективность значительно выше, чем у вольфрамового катода.

Карбидированный катод при рабочей температуре 1950-2000 К имеет эффективность до 50-70 мА/ВТ и плотность тока эмиссии до 1,5 А/см2. Активированный слой карбидированного катода достаточно стоек и не разрушается под действием ионной бомбардировки при напряжениях анода до 10-15 кВ. однако карбидированный вольфрам более хрупок, чем чистый; он имеет склонность покрываться трещинами при многократном нагреве и охлаждениях вследствие разницы температурных коэффициентов расширенного вольфрама и карбида вольфрама.

Ресурс работы карбидированного катода определяется не перегоранием нити катода, а истощением активного слоя его поверхности.

Полупроводниковые катоды

Из полупроводниковых катодов наибольшее распространение получил оксидный катод. Оксид, представляющий собой смесь окислов бария и стронция, а иногда и кальция, наносится на никелевое или вольфрамовое основание. В кристаллической решетке оксида, состоящей из двухвалентных положительных ионов металла и отрицательных ионов кислорода, равномерно распределены атомы чистого бария, которые образуются во время активирования катода за счет термической диссоциации, электролиза и химического взаимодействия окиси тория с вольфрамом и его присадками. Энергетические уровни валентных электронов бария лежат в запрещенной зоне оксида, вблизи дна зоны проводимости. Поэтому барий является для оксида донорной примесью, превращающей его из диэлектрика в полупроводник с электронной проводимостью. Работа выхода электронов из оксида составляет 1,1-1,2 (эВ). Благодаря такой малой работе выхода оксидный катод обладает хорошей термоэлектронной эмиссией уже при сравнительно небольшом нагреве. На эмиссию оксидного катода оказывает сильное влияние ускоряющего поля анода. Вследствие значительного электрического сопротивления оксидного слоя и его низкой теплопроводности наблюдается подогрев оксидного слоя током эмиссии, а при больших токах – даже перегрев, сопровождающийся самопроизвольным ростом тока, и в конечном счете выходом катода из строя. Разновидностью полупроводниковых катодов является ториево-оксидный катод, у которого активный слой состоит из окиси тория. Он имеет высокую допустимую плотность тока(до 4 А/см²) и устойчивость к воздействию сильных электрических полей.

Аноды

Анод может иметь во время работы высокую температуру вследствие разогрева за счет электронной бомбардировки. Если количество электронов, падающих на анод в единицу времени равно n^t , то мощность, выделяемая на аноде электронами

Анод, нагретый до некоторой температуры, сам излучает мощность в соответствие с уравнением Стефана-Больцмана:

Здесь - коэффициент лучеиспускания анода ,

Т – температура анода, П_изл– излучающая поверхность анода.

Типы диодов:

Кенотроны – для выпрямления переменного тока.

Двуханодные кенотроны (до 500В).

Высокочастотные диоды (детектирование, модуляция, преобразование частоты).

СВЧ - диоды (малая емкость анод – катод, небольшое время пролета, обеспечивающее возможность большим сближением электродов, малая индуктивность выводов)

Устройство и принцип действия триода.

Т рех электродная лампа представляет собой вакуумный прибор, у которого между анодом и катодом помещен имеющий вид спирали или решетки электрод, называемый сеткой. Анод имеет положительный относительно катода потенциал, а сетка отрицательный. Результирующее поле у катода этой лампы складывается из ускоряющего поля анода и тормозящего или ускоряющего поля сетки.

Таким образом, ток анода зависит не только от напряжения на аноде, но и от напряжения на сетке. При отрицательном напряжении на сетке ее поле тормозит вылетающие из катода электроны, благодаря чему уменьшается поток электронов проходящих на анод и соответственно уменьшается анодный ток. Возможность управления анодным током путем изменения напряжения сетки является основной особенностью триода. Важное преимущество триода заключается в том, что управление током в этой лампе происходит практически безинерционно, так как электроны имеющие малую массу приобретают под действием электрического поля большую скорость и преодолевают междуэлектродное пространство за очень короткое время.

Мощность, затрачиваемая в сеточной цепи на управление анодным током значительно меньше мощности переменной составляющей тока в анодной цепи, следовательно триод обладает способностью усиливать электрические колебания.