Катоди властивості та характеристики
Основні властивості катодів
Будь-який електровакуумний прилад має електрод, призначений для емісії електронів. Цей електрод називається катодом. Електрод, призначений прийому емітованих катодом електронів, називається анодом.
На анод подають вищий і позитивний щодо катода потенціал.
Катодповинен віддавати з одиниці поверхні великий струм емісії при можливо низькій температурі нагріву і мати великий термін служби. Нагрів катода в електровакуумному приладі проводиться струмом, що протікає по ньому.
Такі термоелектронні катоди поділяються на дві основні групи:
- катоди прямого розжарення,
- катоди непрямого розжарення (підігрівні).
Катодипрямого розжарення є металевою ниткою, яка безпосередньо розігрівається струмом розжарення і служить для випромінювання електронів (рис. 6, а).
Для того щоб нитка розжарювання залишалася при розігріві в натягнутому стані, застосовують пружні тримачі катода, або нитка розжарювання розтягують вольфрамовими пружинами, укріпленими на ізоляторах.
Мал. 6. Конструкції катодів: а - Прямого розжарення; б - непрямого розжарення (підігрівного): 1 - нитка розжарення; 2 - тримачі катода; 3 - гільза; 4 - активний шар.
Поверхня випромінювання катодів прямого розжарення невелика, тому їх можна отримати великий струм емісії. Мала теплоємність нитки не дозволяє використовувати для нагрівання змінний струм. Крім того, при нагріванні змінним струмом температура катода не постійна в часі, а отже, змінюється в часі та струм емісії.
Позитивною властивістю катода прямого розжарення є його економічність, яка досягається завдяки малій кількості тепла, що випромінюється в навколишнюсередовище внаслідок малої поверхні катода.
Катодипрямого розжарення виготовляються з вольфрамового та нікелевого дроту. Однак велика робота виходу (W0 = 4,2÷4,5) визначає високу робочу температуру катода, внаслідок чого катод стає неекономічним. Для підвищення економічності катода вольфрамовий або нікелевий дріт (керн) активують - покривають плівкою іншого елемента. Такі катоди називають активованими.
Якщо на поверхню керна нанесена електропозитивна плівка (плівка з цезію, торію або барію, що мають меншу роботу виходу, ніж матеріал керна), то відбувається поляризація плівки: валентні електрони переходять у керн, і між позитивно зарядженою плівкою та керном виникає різниця потенціалів, що прискорює рух електрона при виході з керна. Робота виходу катода з такою мономолекулярною електропозитивною плівкою виявляється меншою за роботу виходу електрона як з основного металу, так і з металу плівки. При покритті керна електронегативною плівкою, наприклад, киснем, робота виходу катода збільшується.
Підігрівні катоди виконуються у вигляді нікелевих гільз, поверхня яких покривається активним шаром металу, що має малу роботу виходу (рис. 6, б). Усередині катода міститься підігрівач - вольфрамова нитка або спіраль, підігрів якої може здійснюватися як постійним, так і змінним струмом.
Для ізоляції підігрівача від гільзи начинка останньої покривається алундом (Аl2O3).
Підігрівні катоди, завдяки їхній великій тепловій інерції, зазвичай живлять змінним струмом, значна поверхня гільзи забезпечує великий емісійний струм. Підігрівні катоди, проте, менш економічні і розігріваються значно довше, ніж катоди прямого розжарення.
Параметри тахарактеристики катодів
Катоди характеризуються такими основними параметрами:
1. Питомою емісією, яка визначається величиною струму з одного квадратного сантиметра емітуючої поверхні катода при нормальній робочій температурі.
В електронних лампах з активованими катодами замість питомої емісії часто користуються параметром, який називається допустимою щільністю катодного струму. Цей параметр характеризується струмом, який можна отримати з одного квадратного сантиметра поверхні катода при нормальній (робочій) напрузі напруження. Робота при струмах з катода, рівних струму емісії цих лампах, призводить до руйнування поверхні шару катода.
2. Ефективністю, що дорівнює величині струму емісії катода, що припадає на одні ват витраченої на напруження потужності:
де Iе - струм емісії катода, ма; Pн - потужність, витрачена в ланцюгу розжарення, вт.
3. Термін служби катода, що вимірюється в годинах і характеризує час, протягом якого катод зберігає необхідні експлуатаційні властивості. Для найпростіших катодів вважається, що зменшення діаметра катода на 10% призводить до його загибелі. Відповідно, оцінюється і термін їх служби.
Термін служби активованих катодів визначається зменшенням площі покриття катода активною плівкою (отже, погіршенням основних параметрів лампи) на 20%.
Для вибору оптимального режиму роботи катода необхідно знати залежність струму емісії від його температури. Безпосередній вимір температури розжареного катода важко, тому користуються так званою накальною або емісійною характеристикою катода - графічно вираженими залежностями струму розжарення або струму емісії від напруги або струму розжарення (рис. 7, а).
Емісійну характеристику катода можна знятиекспериментально з допомогою схеми, показаної на рис. 7, б.
Мал. 7. Емісійна і загальна характеристики катода (а) і схема їх зняття (б).
У схемі є два ланцюги: анодна та напружена. Контроль за напругою розжарювання проводиться вольтметром V1, безпосередньо підключеним до катодного ланцюга; якщо потрібно знати струм розжарення, то до неї включають амперметр. При цьому амперметр слід приєднувати до того затискача катода, через який проходять накальний і анодний струми в одному напрямку: даний кінець нитки напруження нагрівається сильніше і працює в найважчих теплових умовах.
Величина струму розжарення визначається різницею показання амперметра і показання міліамперметра, але зменшеного вдвічі (оскільки по цій частині ланцюга проходить приблизно половина анодного струму).
Підтримуючи постійним напругу на аноді, знімають залежність струму емісії від напруги (або струму) напруження. Емісійний струм з'являється починаючи з напруги на катоді 1-1,5 і різко зростає при напругах розжарення, близьких до нормальних (робочим) значень.
Характеристику Iн = ƒ(Uн) (див. рис. 7, а) слід знімати при розімкнутому анодному ланцюзі. Накальная характеристика нелінійна, оскільки з підвищенням температури катода його опір збільшується. При цьому струм розжарення зростає менше, ніж збільшується напруга розжарення.