Катоды электронных ламп
Параметры катодов. Катод является важным элементом электронной лампы. Качество работы катода определяется его параметрами. Основные из них: максимальная плотность катодного тока, эффективность и рабочая температура катода, а также его долговечность.
Максимальная плотность катодного тока. Катодным током называют электронный поток, направленный от катода к другим электродам. В диоде катодный ток равен анодному. С целью увеличения долговечности электронной лампы обычно максимальный катодный ток устанавливают значительно меньше полного эмиссионного тока катода. Величина максимально допустимого катодного тока, приходящаяся на единицу поверхности катода, эмитирующего электроны, называется максимальной плотностью катодного тока. Современные катоды допускают максимальную плотность тока от 0,1 до 1,0 А/см2.
Эффективность катода показывает ток эмиссии катода, выраженный в миллиамперах, на один ватт электрической мощности, затраченной на разогрев катода:
, 
(1.4.)
где 
— максимальный ток эмиссии катода; 
и 
— ток и напряжение накала.
Эффективностью катода оценивается его экономичность. Чем выше эффективность катода, тем больший ток эмиссии можно получить от него при меньшей затрате мощности в цепи накала. Эффективность катодов лежит в пределах от 2 до 100 мА/Вт.
Рабочая температура катода. Чем ниже рабочая температура катода, тем меньшую энергию нужно затрачивать на его нагрев и тем он экономичнее. Температура катода в значительной степени определяет тепловой режим других электродов и баллона лампы. С этих двух точек зрения целесообразно применять катоды с низкой рабочей температурой. Рабочая температура катода составляет обычно 1000—2500 К.
Долговечность катода характеризуется временем, в течение которого катод может непрерывно работать, сохраняя свои важнейшие параметры в пределах установленных норм.
Типы катодов. Все многообразие термоэлектронных катодов, насчитывающее до 50 основных типов, по роду эмигрирующей поверхности можно разбить на следующие четыре группы: металлические, металлопленочные, полупроводниковые, сложные (металлополупроводниковые и металлокерамические).
Металлические катоды являются неактивированными. Они называются также однородными. Остальные катоды — активированные. На их поверхности имеется активный слой, который отличается по своему составу от основания (керна) катода и подвергается при изготовлении электронной лампы специальной обработке (активировке). У сложных катодов участки металла перемежаются с металлопленочной или с полупроводниковой структурой. Некоторые типы катодов изготовляются методами металлокерамики, т. е. путем прессования смеси компонентов при высокой температуре. Поэтому такие катоды называют металлокерамическими или керметкатодами.
Металлические катоды. Металлические катоды наименее экономичны, но они хорошо работают в сложных температурных условиях и обладают высокой стойкостью при бомбардировке их ионами остаточных газов под воздействием сильных электрических полей. Металлические катоды находят применение в мощных лампах и в тех случаях, когда требуется высокая стабильность параметров катода во времени, например, в электрометрических лампах. Для изготовления металлических катодов применяют металлы с высокой температурой плавления: вольфрам (
= 33950С), молибден ( = 2622°С), тантал и ниобий (оба = 2500°С).
Металл катода должен обладать хорошими механическими свойствами: прочностью, ковкостью, тягучестью. Перечисленным свойствам наилучшим образом удовлетворяет вольфрам. Реже используется тантал и ниобий.
Наиболее распространенным типом металлического катода является вольфрамовый. Из вольфрама легко изготовляются проволоки различных диаметров 0,014 
2 мм. Рабочая температура находится в пределах 2400 2600К. При таких температурах вольфрамовый катод имеет относительно малую скорость испарения, что дает возможность работать в пределах 500 2000 ч. Плотность эмиссионного тока при температуре катода 
= 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, пожалуй, единственный недостаток вольфрамового катода.
Основным достоинством вольфрамового катода является высокая стабильность термоэлектронной эмиссии. Такой катод не разрушается под действием электронной и ионной бомбардировки при высоких значениях энергии. Поверхность его гладкая и однородная. Это исключает возможность местных перегревов и искрений, которые являются причиной большой концентрации тока и выгораний отдельных участков катодов. К положительным качествам вольфрамового катода следует отнести также свойство паров вольфрама вступать в химические соединения с газами, остающимися в лампе после откачки, и тем самым осуществлять ее «жестчение». Вольфрамовые катоды применяются в мощных лампах, работающих при высоких анодных напряжениях (3—15 кВ).
Металлопленочные катоды. Эти катоды представляют собой металлическую поверхность, покрытую одним или несколькими слоями заряженного положительно вещества. Такой заряд создает внутреннее электрическое поле, уменьшающее работу выхода электронов. Распространенными представителями металлопленочных катодов являются карбидированный и бариево-вольфрамовый катоды.
При изготовлении карбидированного катода вольфрам с примесью окиси тория прокаливают в парах бензола. При этом на поверхности вольфрама образуется слой карбида вольфрама. Активирование заключается в выделении тория на слое карбида в виде одноатомной пленки (рис. 1.8). Сцепление тория с карбидом вольфрама оказывается более прочным, чем с вольфрамом. Теплота испарения тория с карбида вольфрама выше, чем непосредственно с вольфрама. Из-за этого карбидированный катод, работающий при = 2000К, не боится перегревов. По этой же причине карбидированный катод стоек к ионной бомбардировке при высоких анодных: напряжениях. Максимальная плотность катодного тока 
=0,7 1,5 А/см2, а эффективность катода – 
= 50 мА/Вт.
Карбидированный катод успешно применяется в мощных генераторных и усилительных лампах.
Серьезным недостатком карбидированного катода является его хрупкость, которая объясняется легированием вольфрама углеродом. Вследствие этого на катоде могут появиться микротрещины, нарушающие его однородность. Последнее приводит к местным перегревам и разрушению катода. Срок службы карбидированного» катода составляет около 1000 ч.
Бариево-вольфрамовый катод является пленочным термоэлектронным катодом. В нем пленка бария, активирующая поверхность, пористой вольфрамовой губки и разрушающаяся во время работы катода вследствие испарения, ионной бомбардировки и реакций с газами, выделяющимися из оболочки и деталей прибора, непрерывно возобновляется за счет поступления бария из специальной камеры с большим запасом активного вещества.
Устройство плоского торцового катода подогревной конструкции показано на рис. 1.9, Молибденовый цилиндр разделен перегородкой на две камеры разного объема. Верхняя камера закрыта соосным цилиндрическим стаканом из пористой вольфрамовой губки. Внутри камеры находится запас активного вещества. В нижней камере помещен подогреватель катода, выполненный из вольфрамовой проволоки. Наличие в катоде камеры с активным веществом дает основание называть его также камерным. Таблетка активного вещества состоит из смеси окислов бария и вольфрама и чистого бария. Вольфрамовая губка имеет поры диаметром порядка одного микрона. Через эти поры происходит диффузия бария на поверхность катода и миграция его по поверхности. Величина работы выхода бариево-вольфрамового катода составляет 1,56 эВ.
Как в статическом, так и в импульсном режимах катод обладает большой плотностью тока = 2 4 А/см2 и эффективностью = 50 мА/Вт.
Ценным свойством катода является его гладкая поверхность, что позволяет получить очень малые зазоры между электродами. Однородность сопротивления металлической губки предотвращает местные перегревы и разрушение катода. К недостаткам катода следует отнести интенсивные испарения бария с его поверхности, загрязнение барием других электродов, что приводит к нежелательным термоэлектронным токам с их поверхностей.
Полупроводниковые катоды. Это высокоэффективные катоды для ламп малой и средней мощности. Основание катода (керн) покрыто относительно толстым слоем активного вещества (20 — 100 мкм) с электропроводностью электронного типа. К полупроводниковым катодам относится оксидный и ториево-оксидный катоды. Оксидный катод является самым распространенным в электровакуумных приборах. Катоды этого типа эффективны и долговечны, они могут работать в непрерывном и импульсном режимах в течение тысяч и десятков тысяч часов. Устройство оксидного катода показано на рис. 1.10. Керн изготовляется из никеля, вольфрама или их сплавов с небольшим количеством присадок. Активный полупроводниковый слой образуется после ряда последовательно произведенных технологических операций, а промежуточный – в результате химических реакций присадок керна с веществами активного слоя. Повышенное сопротивление, которое имеет промежуточный слой, оказывает вредное влияние на работу оксидного катода.
Для получения активного эмитирующего слоя составляют трехкомпонентную смесь из карбонатов бария, стронция и кальция в следующем весовом соотношении: BaCО3:SrCO3:CaCO3 = 50:45:5 % с растворителем и связующим веществом. Эту смесь наносят на керн катода. После сушки и прокалки при 
=280 °С катод монтируют в лампе и ставят ее на откачку. К концу откачки катод нагревается до температуры 1600°С. При такой температуре карбонаты разлагаются на окислы по формуле ВАСО3 
ВаО + СО2 (аналогичный 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 эмигрирующий слой. Далее катод активируют. При этом катод нагревают до температуры 1300К и подают на анод положительное напряжение.
В результате активирования восстанавливается чистый барий, который оказывается равномерно вкрапленным по всей толще активного слоя. Барий в данном случае является донорной примесью к окислам бария, стронция и кальция и обеспечивает эмитирующему слою электронную проводимость. Присутствие стронция способствует увеличению тока термоэлектронной эмиссии катода, а кальций влияет на его плотность и прочность.
Работа выхода оксидного катода составляет 1,1 эВ, что позволяет получать при температурах 900-1100 К плотность катодного тока в статическом режиме 0,5 А/см2 при высокой эффективности = 50-100 мА/Вт.
К недостаткам оксидного катода следует отнести: неоднородность сопротивления активного слоя, которая вызывает местные перегревы некоторых участков поверхности, большую концентрацию тока и выгорание этих участков. Неоднородность сопротивления особенно проявляется при недокале катода. Поэтому недокал (особенно при высоких анодных напряжениях) недопустим. Недостатком оксидного катода является также его шероховатость, что приводит к высоким градиентам потенциала на неровностях и, как следствие, – к слишком большому локальному отбору тока (искрению катода).
Как уже отмечалось, промежуточный слой катода обладает высоким сопротивлением. Здесь происходят значительное выделение тепла и нежелательные химические реакции, ухудшающие эмиссионную способность катода. Высокое сопротивление промежуточного слоя приводит к образованию разности потенциалов, которая отводит барий от поверхности к керну катода.'
Существенный недостаток катода - неустойчивая работа при высоких анодных напряжениях (более 3—5 кВ). При таких напряжениях ионная бомбардировка, а также искрение вследствие высокой напряженности поля у катода могут привести к разрушению активного слоя.
Оксидный катод обладает свойством резко увеличивать эмиссионную способность в импульсном режиме. При работе с импульсом длительностью 
< 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 тока до 100 А/см2. Такая высокая эмиссионная способность в импульсном режиме объясняется увеличением эмиссии электронов при воздействии на катод ускоряющего электрического поля. Работа с импульсами длительностью более 10 мкс приводит к «отравлению» катода и значительному спаду эмиссии. Процесс «отравления» заключается в связывании бария газами, выделяющимися из катода при прохождении значительного тока и из электродов. Дополнительным фактором, способствующим уменьшению эмиссии, является электрический отвод ионов бария к керну.
Ториево-оксидные катоды – высокотемпературные, работающие при = 1500 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 до 20 А/см2 в импульсном, устойчивы к «отравлению», искрению, распылению и электронно-ионной бомбардировке, легко активируются.
Керн катода изготовляют из тантала или молибдена. На керн наносят окись тория. Для улучшения сцепления керна с активным слоем на керн предварительно наносят губку из порошка тугоплавкого металла. Затем губка спекается с керном. После активирования покрытие становится полупроводником с электронной проводимостью.
Сложные катоды. Сложные катоды являются металлополупро-водниковыми, выполненными на основе оксидных катодов или металлокерамики. В металлополупроводниковых катодах с целью увеличения срока службы создается большой запас активного вещества. Керн катода имеет пористую губчатую структуру.
Губчатые оксидные катоды делятся на две группы. Первая труппа объединяет катоды из составной пористой структуры, пропитываемой активным веществом. Сюда относятся сетчатые, ячеистые, 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 активированием. Такие катоды имеют хорошую электропроводность, теплопроводность и ровную поверхность.
Сетчатый катод представляет собой никелевый керн с наваренной мелкоструктурной сеткой, ячейки которой заполнены оксидной массой или ее смесью с никелевым порошком.
Ячеистый катод напоминает пчелиные соты. Он состоит из большого числа никелевых трубок диаметром в несколько десятых долей 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 ламелей, пространство между которыми заполняется активным веществом. Возможен вариант армирования ламелей мелкоструктурной сеткой.
Губчатый катод получают спеканием никелевого порошка. Активное оксидное вещество втирают в поры губки.
Металлокерамические катоды изготовляют из порошков вольфрама и окиси тория методами металлокерамики, т. е. путем прессования смеси компонентов и спекания полученной заготовки при высокой температуре. В результате получается высокоэффективный катод с плотностью тока 0,5 А/см2 при рабочей температуре = 1600 К. В импульсном режиме плотность тока достигает 15 А/см2. Катод устойчив к электронно-ионной бомбардировке и искрению, поэтому хорошо работает при высоких анодных напряжениях. Эти качества обусловливают его применение в импульсных 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 эмитирующей поверхностью. Они применяются, главным образом, в лампах большой мощности и выполняется из проволоки и лент, которым придается различная форма (рис. 1.11).
Катоды прямого накала имеют малую массу и, следовательно, малую теплоемкость. Это обусловливает относительно малое время их разогрева и повышенную по сравнению с подогревными катодами эффективность.
Особенностью рассматриваемых катодов является их неэквипотенциальность, т. е. изменение потенциала по длине нити вследствие падения напряжения, создаваемого протекающим по ней током. При питании катодов прямого накала переменным током неэквипотенциальность приводит к появлению фона переменного тока в анодной цепи лампы. К недостаткам катодов прямого накала следует отнести также малую площадь эмитирующей поверхности и недостаточную жесткость конструкции. Катоды прямого накала могут выполняться из чистого металла и активированными барием или торием.
Подогревные катоды характеризуются тем, что их эмитирующая поверхность и подогреватель отделены друг от друга и могут быть не связаны между собой электрически. Устройство подогревных катодов показано на рис. 1.12. Эти катоды изготовляются только активированными. Они имеют большую эмитирующую поверхность и большую массу. Первое позволяет получить большой эмиссионный ток, а второе обеспечивает высокую тепловую инерцию и малый фон переменного тока, появляющийся в лампе с изменением температуры при питании катода переменным током. Однако время разогрева у них больше, а эффективность ниже, чем у катодов прямого накала. Потенциал подогревного катода одинаков по длине, поэтому фон переменного тока, обусловленный неэквипотенциальностыо поверхности, здесь отсутствует.
Ценным свойством подогревных катодов является хорошая формоустойчивость. Это позволяет работать с малыми зазорами между электродами.
Подогреватели подогревных катодов изготовляются из вольфрама или сплава вольфрама с рением. В качестве изолирующего вещества используется окись алюминия или окись бериллия. Окись алюминия — алунд применяется для низкотемпературных подогревателей, а смесь окиси алюминия и окиси бериллия — для высокотемпературных, Алундовая изоляция не является совершенной. Ее удельное сопротивление при комнатной температуре равно 1015 Ом-см. При рабочей температуре оно резко снижается. Между катодом и подогревателем имеется ток утечки. Для устранения пробойных явлений максимальное напряжение между подогревателем 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, которую они получили в ускоряющем поле лампы. Отдача энергии сопровождается нагреванием анода. Для того чтобы максимальная температура анода не превышала установленной для данной лампы величины, анод охлаждают. Возможны пять способов охлаждения анода:
– лучеиспусканием через вакуум (анод находится внутри баллона);
– 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 последних трех – принудительное потоком воздуха, воды или пара.
Предельно допустимая температура анода. Выбор предельно допустимой температуры зависит от материала анода, типа катода, способа охлаждения, газовыделения из анода и материала баллона лампы. При низкотемпературных катодах (ТК<1500 К) и естественном охлаждении предельно допустимая температура анода Та = 650 К. Превышение этой температуры приводит к нежелательному подогреву катода, чрезмерному выделению газа из анода и перегреву баллона. В лампах с высокотемпературным катодом (Тк >500 К) нагрев анода допускается до 1000 1500 К. При воздушном охлаждении предельно допустимая температура анода составляет 150°С, при водяном – 60 80°С, а при пароводяном – 100°С.
Максимальная мощность, рассеиваемая на аноде. На анод в одну секунду падает п электронов. Каждый электрон имеет среднюю энергию, обусловленную анодным напряжением 
. Эта энергия равна 
. Тогда на аноде рассеивается мощность:
, (1.5)
где 
— анодный ток; — анодное напряжение.
Для того чтобы температура анода не превышала допустимую, необходимо выполнение неравенства:
. (1.6)
Величина допустимой мощности, рассеиваемой на аноде, устанавливается в соответствии с допустимой температурой анода и зависит от его материала, охлаждаемой поверхности, цвета этой поверхности и типа охлаждения. Условие (1.6) должно строго выполняться при расчетах и эксплуатации. Невыполнение его может привести к газовыделению и «отравлению» катода, перегреву последнего, а также к перегреву баллона и растрескиванию его спаев и соединений.
Удельное лучеиспускание анода. Аноды ламп, находящиеся в баллоне и не имеющие мощных выводов с радиатором, охлаждаются в основном за счет лучеиспускания. Отвод тепла теплопроводностью через выводы и крепежные детали составляет доли процента или единицы процентов и им по сравнению с лучеиспусканием можно пренебречь. Удельное лучеиспускание анода определяется по закону Стефана—Больцмана:
Вт/см2, (1.7)
где 
— коэффициент лучеиспускания, зависящий от цвета излучающей поверхности (для абсолютно черного тела =1); 
—постоянная Стефана—Больцмана, равная 
; 
— температура внешней среды, К.
Полная мощность радиации 
, где 
— поверхность анода, за исключением поверхности, обращенной к катоду.
Равновесное состояние устанавливается при такой температуре, когда мощность тепловой радиации равна мощности, рассеиваемой на аноде. Пренебрегая значением , так как 
, получаем, что установившуюся температуру анода можно определить по следующей формуле:
. (1.8.)
Из этой формулы следует, что для снижения 
нужно увеличивать коэффициент лучеиспускания и площадь излучающей поверхности . Для улучшения лучеиспускания поверхность анодов чернят (никель белый = 0,2, никель черненый науглероженный = 0,6), а для увеличения площади излучения с помощью пескоструйной обработки ее делают матовой. Иногда анод выполняют сетчатым, что улучшает также и охлаждение сеток.
Величина допустимой удельной мощности рассеяния на аноде зависит также и от типа охлаждения. Для никеля черненного при естественном охлаждении допустимая удельная мощность рассеяния анода составляет 3 8 Вт/см2. Для меди при воздушном принудительном охлаждении эта величина равна 50 Вт/см2, а при водяном – достигает 300 Вт/см2.
В лампах с небольшими нагрузками наибольшее применение имеет никель и алюминированное железо, в лампах с большими, нагрузками при естественном охлаждении применяют молибден, тантал и титан, при искусственном охлаждении – медь. В ионных приборах, кроме того, используется графит. Среди материалов для анода особое место занимает титан. Он хорошо поглощает остаточные газы и применяется в металлокерамических лампах с высокотемпературными катодами. На рис. 1.13 изображены сечения наиболее распространенных конструкций анодов электронных ламп малой мощности.
Сетки электронных ламп. Сетки электронной лампы выполняют спиральными (рис. 1.14.а), рамочными (рис. 1.14.6) или штампованными (рис. 1.14.е). Спиральные сетки навивают из проволоки различного диаметра (наименьший диаметр до 50 мкм) на специальных автоматах сваривают с траверсами (держателями) точечной сваркой. Минимальный шаг навивки составляет 0,1 мм. Для изготовления рамочных сеток на рамку натягивают проволоку малого диаметра (до 10 мкм). Эти сетки благодаря своей жесткости позволяют получать очень малые расстояния между электродами.
В электронных лампах число сеток может быть от одной до шести. Сетки имеют различные названия и назначения. Наиболее распространены управляющая, экранирующая и защитная сетки. Управляющая сетка с помощью электрического поля управляет величиной анодного тока; экранирующая сетка экранирует анод от катода; защитная сетка защищает лампу от нежелательных процессов 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, испаряемое катодом (барий, окись бария).
Обычно управляющую сетку выполняют из вольфрамовой или молибденовой проволоки. В ряде случаев для снижения тока термоэлектронной эмиссии ее покрывают золотом или платиной, имеющими большую работу выхода. Для траверс управляющих сеток в большинстве случаев используют медные сплавы, обладающие высокой теплопроводностью и поэтому хорошо отводящие тепло.
