Федеральное агентство по образованию ГОУ  ВПО 

Уральский Государственный Технический Университет  УГТУ-УПИ 

Краснотурьинский  филиал 

Кафедра материаловедения и ТКМ 
 
 
 
 
 

«Металлические  и неметаллические катоды электронных  и ионных приборов». 

Вариант № 16. 

Реферат. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Старший преподаватель                               Никонов Г.И. 

 Студент                    Смирнов А.С. 

Группа             Мт-23042КТ 
 
 
 
 
 
 
 

Краснотурьинск

2004

Оглавление.

1.  Общие  принципы устройства и работы  электровакуумных приборов -    3

II.  Параметры катодов - - - - - - - - - -    4

III. Классификация катодов (общие сведения):

   а) простые катоды - - - - - - - - -    6

б) сложные (активированные) катоды - - - - - -    7

в) катоды прямого накала - - - - - - - -    9

г) катоды косвенного накала -  - - - - - -  11

     IV. Применение катодов:

1. в электровакуумных приборах триодах (трехэлектродных лампах) - 13

    2) в ионных приборах - - - - - - - - -  15

    V. Библиографический список  - - - - - - - -  16 

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

I. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ УСТРОЙСТВА И РАБОТЫ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ.

      Приборы, принцип работы которых основан  на использовании потоков заряженных частиц, управляемых с помощью  электрических или магнитных полей, называют электронными.

      В электровакуумных приборах используется поток свободных электронов, испускаемых (эмиттируемых) нагретым до температуры около 1000 К металлическим катодом. Электроны движутся в вакуумированном баллоне (p~10^-4 Па) под действием электрического поля, созданного между катодом и другими электродами, служащими для управления электронным потоком и сбора электронов.

      Электровакуумные  приборы, в свою очередь, подразделяются по назначению на электронные лампы (триод, пентод и т. д.), электроннолучевые приборы (электроннолучевые трубки), сверхвысокочастотные (клистрон, магнетрон, лампа бегущей волны и т. д.) и фотоэлектронные приборы (фотоэлемент, фотоумножитель и т. д.).

      В ионных приборах используется атмосфера  инертных газов (неон, аргон, пары ртути  и т. п.). Электрические процессы в  них представляют собой разряд в газе, поэтому эти приборы называют также газоразрядными. Используются ионные приборы в основном в качестве реле, индикаторов. 

      Электровакуумными приборами называют приборы, в которых рабочее пространство, изолированное газонепроницаемой оболочкой, имеет высокую степень разрежения или заполнено специальной средой (парами или газами) и действие которых основано на использовании электрических явлений в вакууме или газе.  Под вакуумом следует понимать газ, в частности воздух, имеющий высокую степень разрежения.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

II. ПАРАМЕТРЫ КАТОДОВ.

      К катодам, дающим термоэлектронную эмиссию, предъявляют ряд требований. Катод  должен иметь эмиссию нужной величины при возможно меньшей затрате  энергии на накал. Важно, чтобы катод  был долговечным, т. е. чтобы срок его службы был достаточно большим. Необходимо иметь устойчивую (стабильную) эмиссию катода. Поверхность катода не должна разрушаться от ионной бомбардировки. Дело в том, что даже при высоком вакууме в лампе возникают в небольшом количестве положительные ионы. Электрическое поле заставляет их ускоренно лететь к катоду. Чем выше анодное напряжение, тем с большей силой ионы ударяют в катод.

      Для правильной эксплуатации катодов надо знать прежде всего напряжение накала U_H и ток накала I_н. Иногда также следует учитывать сопротивление нити накала R_н и мощность накала Р_н.

        Эти величины равны:

P_н = U_н/I_н

P_н= U_нI_н

      Надо  иметь в виду, что сопротивление  нити в нагретом состоянии значительно  больше, нежели в холодном.

      Различные типы катодов характеризуются следующими параметрами.

      Величиной, оценивающей экономичность катода, является эффективность катода Н. Она показывает ток эмиссии, приходящийся на 1 вт мощности накала:

Н = I_e/Р_н

      Обычно  H выражают в миллиамперах на ватт (ма/вт). У современных катодов в режиме непрерывной работы H может быть от единиц до сотен миллиампер на ватт.

      Удельная  эмиссия катода j_e, т. е. ток эмиссии с 1 см² поверхности катода в режиме непрерывной работы обычно бывает порядка десятых долей ампера на квадратный сантиметр.

      К параметрам катода относятся также  рабочая температура Т (в градусах абсолютной шкалы) и долговечность катода t (в часах), называемая иначе нормальным сроком службы. Рабочая температура у разных катодов бывает примерно от 1000 до 2600° К.

      Долговечность катода определяется не «перегоранием» нити, а сроком, по истечении которого эмиссия уменьшается на определенную величину, обычно на 10, а иногда на 20%. Таким образом, после нормального срока службы катод может еще работать, но с пониженной эмиссией. Лампы, отслужившие свой нормальный срок, во многих случаях заменяют. Но эти лампы можно еще с успехом использовать в менее ответственных случаях, например в аппаратуре учебного назначения. Катоды имеют долговечность от сотен до десятков тысяч часов.

      Параметры j_e, H, t и Т данного типа катода взаимно связаны. При увеличении рабочей температуры повышаются удельная эмиссия и эффективность катода, но снижается его долговечность и возникает вредный перегрев других электродов. Катоды могут работать в разных режимах. Если необходимо получить большую эмиссию, то нередко устанавливают несколько повышенный накал. Конечно, при этом сокращается долговечность катода. А если требуется возможно больший срок службы катода, то иногда накал можно сделать пониженным. При этом получается проигрыш в эмиссии и эффективности.

      Чтобы срок службы катода не уменьшался, следует  поддерживать постоянным напряжение, а не ток накала, т. е. контролировать накал по вольтметру, а не по амперметру. Катод прямого накала или подогреватель с течением времени становится тоньше, сопротивление его растет, а масса уменьшается. Если ток будет прежним, то возрастет мощность накала (I_н)²R_н и наступит перекал. Если же постоянно напряжение накала, то при увеличенном сопротивлении мощность накала станет меньше. А это и нужно для того, чтобы нагреваемая проволока, ставшая более тонкой, не перекаливалась. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

III. Классификация катодов (общие сведения): 

а) ПРОСТЫЕ КАТОДЫ.

      Простые катоды, т. е. катоды из чистых металлов, делаются почти исключительно из вольфрама (редко из тантала) и имеют прямой накал.

      Вольфрам  — тугоплавкий металл с температурой плавления 3600° К. Рабочая температура  вольфрамовых катодов бывает 2400—2600°  К, что соответствует накалу до светло-желтого  или белого цвета. Удельная эмиссия получается 0,2—0,7 а/см², а эффективность — 2-10 ма/вт.

        Меньшие величины соответствуют более низкой температуре. Долговечность этих катодов может быть до нескольких тысяч часов. Она определяется понижением эмиссии за счет уменьшения толщины катода вследствие распыления вольфрама.

      Главным достоинством вольфрамового катода является устойчивость его эмиссии. При постоянном накале эмиссия лишь постепенно снижается в течение срока службы катода. А за короткие промежутки времени изменения эмиссии практически отсутствуют. После временного, не очень длительного перекала эмиссия не уменьшается. Конечно, сильный перекал опасен, так как катод может расплавиться  («перегореть»).

      Длительный  перекал значительно сокращает  долговечность вольфрамового катода. Увеличение напряжения накала лишь на 5% уменьшает срок службы в 2 раза, понижение накала на 5%, наоборот, дает увеличение срока службы вдвое.

      Вольфрамовый  катод не разрушается и не снижает  эмиссии от ударов ионов. Стойкость  вольфрамового катода к ионной бомбардировке делает его особенно пригодным для мощных ламп, работающих с высокими анодными напряжениями. Катоды из вольфрама применяются также в специальных электрометрических лампах, в которых важно постоянство эмиссии. У ламп с вольфрамовым катодом испаряющиеся частички вольфрама образуют на поверхности баллона слой, поглощающий газы и улучшающий вакуум.

      Основной  недостаток вольфрамового катода —  низкая эффективность. Из всех катодов он наименее экономичен. Эмиссия у него сравнительно мала. Зато вследствие высокой температуры интенсивно излучаются тепловые и световые лучи, на что бесполезно расходуется почти вся мощность накала. Именно это послужило толчком к созданию более экономичных сложных катодов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

б) СЛОЖНЫЕ (АКТИВИРОВАННЫЕ) КАТОДЫ

      Сложные катоды могут иметь различное  устройство. У многих типов катодов  на поверхность чистого металла  наносится активирующий слой, который  уменьшает работу выхода и позволяет  получать большую эмиссию при  сравнительно невысоких температурах.

      Главным достоинством сложных катодов является их экономичность. Они обладают эффективностью до десятков и даже сотен миллиампер на ватт. Удельная эмиссия у них  такого же порядка, как у вольфрамовых катодов (0,1—1,5 а/см²). Рабочая температура у некоторых типов катодов составляет 1000° К. Долговечность доходит до тысяч и даже до десятков тысяч часов. К концу этого срока происходит понижение эмиссии от уменьшения количества активирующих примесей, например за счет их испарения. Некоторые типы сложных катодов дают сверхвысокую эмиссию в импульсном режиме, т. е. в течение коротких промежутков времени (порядка микросекунд), разделенных друг от друга значительно более длительными паузами.

      Основным  недостатком сложных катодов  является невысокая устойчивость эмиссии. Эти катоды снижают эмиссионную способность при временном перекале, что объясняется испарением активирующих веществ при повышенной температуре. В зависимости от длительности перекала возможна частичная или почти полная потеря эмиссии. Эмиссия сложных катодов всегда совершает некоторые беспорядочные изменения. Они наблюдаются и у вольфрамового катода, но в ничтожной степени. Сложные катоды теряют также эмиссию от ионной бомбардировки. Для уменьшения возможности ионизации в лампах со сложными катодами важно поддерживать очень высокий вакуум. Это достигается применением специального газопоглотителя (геттера).

      Сложные катоды могут быть пленочные и полупроводниковые. К первым относится, например, торированный карбидированный катод. А наиболее распространенным полупроводниковым катодом является оксидный. .

      Торированные  карбидированные  катоды. Вольфрамовые проволочки с одноатомной пленкой тория на поверхности были первыми сложными   катодами.