Металлические и неметаллические катоды электронных и ионных приборов

Но такие  торированные катоды легко теряли эмиссию  от ионной бомбардировки   и пленка тория испарялась   даже   от   небольшого   перекала.   Сейчас    торированные катоды встречаются только    в    специальных  электрометрических

лампах.

рис. 1. Двойной электрический  слой на поверхности  плёночного катода.  
 

      В настоящее время имеют применение более устойчивые торированные карбидированные катоды. Они представляют собой торированные катоды, содержащие углерод. Последний, соединяясь с вольфрамом, образует на поверхности катода слой карбида вольфрама. Одноатомная пленка тория на этом слое не так легко испаряется.

      Действие  пленки тория объясняется тем, что  атомы тория отдают вольфраму  электроны и превращаются в положительные  ионы. В результате этого на поверхности катода образуется двойной электрический слой (рис.1). Электрическое поле этого слоя является ускоряющим для электронов, стремящихся выйти из металла, и работа выхода их уменьшается. Минимальная работа выхода получается именно при одноатомном слое активирующей примеси. В нормальных условиях на смену атомам тория, испаряющимся с поверхности, приходят атомы тория, диффундирующие из вольфрамовой проволочки. Долговечность такого катода определяется запасом тория.

      Карбидированные катоды работают при температуре 1900—2000°  К и имеют j_е = 0,7 - 1,5 а/см², H = 50 - 70 ма/вт. Активный слон этих катодов трудно разрушить ионной бомбардировкой. Поэтому их применяют в лампах, работающих при анодных напряжениях до 15 кв.

      Новые типы сложных катодов. Разработка более совершенных катодов непрерывно продолжается. В последнее время применяются катоды новых типов: бариево-вольфрамовые, ториево-оксидные и ряд других.

      Бариево-вольфрамовые катоды, или L-катоды, делают косвенного накала. Один из вариантов их устройства показан на рис.  На поверхности пористого вольфрама создается активирующая пленка бария и стронция. Пленка, испаряясь, пополняется за счет диффузии сквозь вольфрам атомов бария и стронция из таблетки окислов этих металлов. Такие катоды работают при температурах 1100—1600° К и имеют j_е = 1 - 10 а/см², Н =  10² - 10³ ма/вт. Они дают в импульсном режиме удельную эмиссию до 300 а/см^г и применяются в ионных приборах и триодах для сверхвысоких частот. Их преимуществом является стойкость при электронной и ионной бомбардировке.

      Ториево-оксидные катоды применяются в генераторных лампах и имеют слой окиси тория на вольфрамовом или танталовом основании. По другому способу их делают путем прессования (спекания) порошка окиси тория вместе с подогревающей проволокой. Эти катоды работают при температуре 1700—1900° К и в непрерывном режиме имеют Н = 300 - 2000 ма/вт. В импульсном режиме они дают удельную эмиссию до 30—50 а/см².

      В так называемых синтерированных катодах (иначе их называют губчатыми или сетчатыми) оксид наносится на никелевую губку или сетку. Сопротивление подобного катода значительно снижается и он гораздо меньше склонен к искрению и возникновению очагов перегрева. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

в) катоды прямого накала.

      Катоды  прямого накала представляют собой  проволоку круглого или прямоугольного сечения. Толщина ее бывает от 0,01 мм у самых маломощных ламп до 1—2 мм у мощных ламп. Короткие катоды делаются прямыми. Более длинные изгибаются в виде ломаной линии. В ионных приборах нередко катод имеет форму соленоида. Мощные катоды этих приборов изготовляют из ленты, изогнутой «гармошкой» или по винтовой линии (на ребро). На рис.2 показаны типичные конструкции катодов прямого накала электронных и ионных приборов.

      рис.2 Различные катоды прямого накала. 

      Достоинствами катодов прямого накала являются простота устройства и возможность их изготовления для самых маломощных ламп в виде тонких нитей на малый ток накала (порядка 10 ма и меньше). Катоды прямого накала применяются в мощных генераторных лампах, а также в лампах для маломощных переносных и передвижных радиостанций, питаемых от сухих батарей или аккумуляторов, так как в этих случаях важна экономия энергии источников тока.

      рис.3 Пульсация температуры  катода прямого накала при питании его  переменным током.

      Катод в виде тонкой нити после включения  накала быстро разогревается (за время менее 1 сек), что весьма удобно. Но большим недостатком этих катодов являются паразитные пульсации анодного тока при питании накала переменным током. Если, например, ток накала имеет частоту 50 гц, то в анодном токе будут пульсации с частотой 50, 100, 150 гц и т. д. Они создают большие помехи, искажая и заглушая полезные сигналы.

      При слуховом приеме эти пульсации проявляют  себя   характерным гудением —  «фоном переменного тока».

      Имеется несколько причин таких вредных  пульсаций. У тонких катодов возникает пульсация температуры, так как масса и теплоемкость этих катодов малы. Когда ток достигает амплитудного значения, температура - наивысшая, а при переходе тока через нуль —температура наиболее низкая (см. рис. 3). Частота пульсаций температуры равна удвоенной частоте тока накала. С такой же удвоенной частотой пульсируют эмиссия и анодный ток. Для более мощных массивных катодов это явление мало заметно.

      Второй  причиной фона переменного тока является неэквипотенциальность катода.

      Разные  точки катода прямого накала имеют разные потенциалы, и анодное напряжение для этих точек получается различным. Поэтому при питании катода переменным током анодное напряжение пульсирует с частотой тока накала, и возникает пульсация анодного тока. 
 

      рис.4 Изменение потенциала различных точек катода прямого накала при питании его переменным током . 

      На  схеме рис.4 показан случай, когда  напряжение накала равно 5 в, а анод имеет относительно точки общего минуса потенциал +100 в.  Амплитудное  значение напряжения накала равно 1,4×5»7 в Если потенциал правого конца катода принять за нулевой, то на левом конце потенциал будет изменяться от -7 до +7 в. Другие точки катода имеют промежуточные потенциалы.

      Например, у средней точки потенциал  ±3,5 в. Анодное напряжение постоянно и равно 100 в только для правого конца катода, а для левого конца оно изменяется на ±7 в, т.е. от 93 до 107 в. Для других точек катода анодное напряжение также меняется, но с меньшей амплитудой, например для средней точки от 96,5 до 103,5 в.

      Недостатком тонких катодов прямого накала является микрофонный эффект. Он состоит в том, что анодный ток пульсирует при механических со- трясениях лампы. Внешние толчки создают у катода прямого накала вибрации. Расстояние между катодом и другими электродами изменяется. Это и приводит к пульсации анодного тока.                                                            

      Микрофонный эффект при слуховом приеме проявляет  себя в виде характерного звона, переходящего иногда в воющий звук. При большом  усилении малейшее сотрясение лампы дает это неприятное явление. За счет микрофонного эффекта нередко возникает акустическая генерация. В этом случае звуковые волны от громкоговорителя создают механические колебания лампы и вызывают колебания анодного тока, которые после усиления попадают в громкоговоритель. Возникшие звуковые волны снова воздействуют на лампу. Получается генерирование незатухающих звуковых колебаний, заглушающих полезные сигналы. Для борьбы с микрофонным эффектом иногда ламповые панели укрепляют на резине или на пружинах и подключают гибкими мягкими проводами.

У более  мощных ламп с толстыми катодами микрофонный  эффект незначителен. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

г) КАТОДЫ КОСВЕННОГО НАКАЛА

      Широкое применение имеют катоды косвенного накала (подогревные). Обычно катод косвенного накала имеет никелевую трубку с оксидным слоем, внутрь которой вставлен вольфрамовый подогреватель, свернутый петлей (рис. Для изоляции от катода подогреватель покрывается массой из прокаленной окиси алюминия, называемой алундом. При значительной длине подогреватель изгибают несколько раз или скручивают по винтовой линии.

      В некоторых лампах катод сделан в  виде невысокого цилиндра с верхним  основанием, покрытым оксидом (рис. 5). Внутри цилиндра находится подогреватель с алундовой изоляцией, имеющий форму петли, свернутой спиралью. Эта конструкция напоминает миниатюрную электрическую плитку. Могут быть подогреватели и другой формы. Катоды косвенного накала, как правило, оксидные.

      рис.5 Катоды косвенного накала. 

      Главным достоинством катодов косвенного накала является почти полное устранение вредных пульсаций при питании переменным током. Колебание температуры практически отсутствует, так как масса, а следовательно, и теплоемкость у этих катодов значительно больше; нежели у катодов прямого накала. Катод косвенного накала обладает большой тепловой инерцией. От момента включения тока накала до полного разогрева катод проходят десятки секунд. Столько же времени нужно и для остывания катода

      За  время четверти периода питающего  ток (0,005 сек при частоте 50 гц) температура катода не успевает заметно измениться и эмиссия получается постоянной. Примерный график изменения эмиссии при включении и выключении накала показан на рис. (см. рис.6)

      рис.6 Изменение эмиссии  при включении  и выключении накала у подогревного катода. 

      Катод косвенного накала является эквипотенциальным. Вдоль него нет падения напряжения от тока накала. Анодное напряжение для всех точек его поверхности одно и то же. Оно не пульсирует при колебаниях напряжения накала.

Следует заметить, что выступающие из катода концы подогревателя дают небольшую эмиссию. Это может быть причиной слабых пульсаций в анодном токе, поскольку температура и потенциал концов подогревателя меняются. Такая пульсация обнаруживается после большого усиления. Для ее уничтожения на катод подают постоянный отрицательный потенциал относительно подогревателя. Тогда создается тормозящее поле для электронов, испускаемых подогревателем.

      Достоинством  катодов косвенного накала является незначительный микрофонный эффект. Масса катода сравнительно велика, и его трудно привести в состояние колебаний.

      По  сравнению с  катодами  прямого  накала  катоды  косвенного накала имеют некоторые недостатки. Они  сложнее по конструкции обладают несколько меньшей эффективностью. Последнее объясняется потерями тепла с тех участков катода, которые не участвуют в эмиссии, а также тем, что температура  подогревателя должна быть несколько выше рабочей температуры катода. Катоды косвенного накала трудно сконструировать на очень малые токи и поэтому они менее пригодны для маломощных экономичных ламп, рассчитанных на питание от батарей.

      Большая тепловая инерция создает иногда неудобства. Например, в аппаратуре, которая работает с перерывами и  после очередного включения должна сразу же действовать, приходится лампы с катодами косвенного накала держать все время под накалом (в так называемом «дежурном режиме» или «режиме готовности»). Это приводит к лишней затрате энергии и сокращению срока службы ламп. В маломощных радиостанциях с батарейным питанием применение ламп с катодом косвенного накала неудобно. Для экономии энергии источников питания в этом случае надо выключать накал ламп приемника при работе передатчика и наоборот. Но тогда после включения накала надо ждать десятки секунд, пока разогреются катоды, что значительно замедляет связь.

      Необходимо  учитывать, что накаленная алундовая  изоляция между катодом и подогревателем не выдерживает высоких напряжений. Предельное допустимое напряжение между катодом и подогревателем Uк. пред. составляет обычно 100 в и лишь для некоторых ламп 200—300 в. В ряде схем катод и подогреватель имеют весьма различные потенциалы. Если разность этих потенциалов превысит Uк.пред. то может произойти пробой изоляции катод-подогреватель и лампа выйдет из строя. Опасность пробоя, конечно, отпадает, если катод соединен с одним из выводов подогревателя (см. рис. 14, б), так как тогда   Uк. пред. не превышает амплитудного значения напряжения накала. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

IV. Применение катодов:

1) в электровакуумных  приборах триодах  (трехэлектродных лампах)

      В отличие от диодов триоды имеют третий электрод — управляющую сетку, называемую обычно просто сеткой и расположенную между анодом и катодом. Она служит для электростатического управления анодным током. Если изменять потенциал сетки относительно катода, то будет изменяться электрическое поле и вследствие этого станет изменяться катодный ток лампы. В этом заключается управляющее действие сетки.