Термоелектронні катоди

Термоелектронний катод повинний бути довговічним і забезпечувати стабільну емісію при можливо менших витратах енергії на розжарення. Поверхня катода не повинна руйнуватися від іонного бомбардування. Навіть у високому вакуумі є деяке число додатних іонів. Вони прискорено летять до катода. Чим вища анодна напруга, тим з більшою силою іони вдаряють у катод.

Економічність катода характеризується його ефективністю. Вона показує, який струм емісії можна отримати на 1 Вт потужності розжарення. У сучасних катодів у режимі неперервної роботи ефективність може складати від одиниць до сотень міліампер на ват.

Робоча температура в різних катодів знаходиться в межах від 700 до 2300 °С. Довговічність катода визначається терміном, після закінчення якого вихід електронів зменшується на 10%. Катоди мають довговічність від сотень до десятків тисяч годин.

При збільшенні робочої температури підвищується ефективність, і тому для підсилення емісії іноді трохи підвищують напругу розжарення, але при цьому скорочується довговічність.

Прості катоди, тобто катоди з чистих металів, виготовляють майже винятково з вольфраму (рідко з танталу) і мають пряме розжарення. Робоча температура вольфрамових катодів
(2100 – 2300) °С, що відповідає розжаренню до ясно-жовтого чи білого кольору. Довговічність цих катодів визначається ослабленням емісії через зменшення товщини катода внаслідок розпилення вольфраму.

Перевага вольфрамового катоду – стійкість емісії. Після тимчасового перегріву вона не зменшується. Стійкість вольфрамового катода до іонного бомбардування робить його особливо придатним для потужних ламп, які працюють з високими анодними напругами. Катоди з вольфраму застосовуються також у спеціальних електрометричних лампах, у яких важлива стабільність емісії. Основний недолік вольфрамового катода - низька ефективність (одиниці міліампер на ват). У наслідок високої температури інтенсивно випускаються теплові і світлові промені, на що даремно витрачається майже вся потужність розжарення.

У багатьох типів складних катодів на поверхню чистого металу наноситься активуючий шар, що забезпечує інтенсивну емісію при порівняно невисоких температурах. Перевага складних катодів - економічність. Вони мають ефективність до десятків і навіть сотень міліампер на ват. Робоча температура в деяких катодів складає 700 °С. Довговічність досягає тисяч і десятків тисяч годин. До кінця цього терміну знижується вихід електронів через зменшення кількості домішок, що активують, (наприклад, за рахунок їхнього випару). Деякі складні катоди забезпечують надвисоку емісію в імпульсному режимі, тобто протягом коротких (одиниці мікросекунд) проміжків часу, розділених значно більш тривалими паузами.

Основний недолік складних катодів - низька стійкість емісії. Вихід електронів знижується від тимчасового перегріву, що пояснюється випаром активуючих речовин при підвищеній температурі. Крім того, складні катоди руйнуються від іонного бомбардування, тому в лампах важливо підтримувати високий вакуум. Це досягається застосуванням спеціального газопоглинача (гетера).

Складні катоди можуть бути плівковими чи напівпровідниковими. До першого відноситься, наприклад, торований карбідний катод. Він представляє собою вольфрамовий дротик із плівкою торію і з домішками вуглецю. Активний шар цих катодів важко зруйнувати іонним бомбардуванням. Їх застосовують при анодних напругах до 15 кВ.

До напівпровідникового відноситься оксидний катод. У ньому на основу з нікелю чи вольфраму наноситься суміш оксидів лужноземельних металів - барію, кальцію і стронцію. В оксидного катода електронна емісія відбувається головним чином з атомів барію. Перегрів катода підсилює випар барію і знижує вихід електронів. Довговічність оксидного катода визначається тим, що оксидний шар поступово збіднюється атомами барію. Для хорошої роботи оксидного катода дуже важливим є високий вакуум, тому що оксидний шар руйнується від іонного бомбардування.

Щоб уникнути надмірного іонного бомбардування не можна допускати занадто високої анодної напруги при роботі катода в неперервному режимі.

Для оксидного катода небезпечний не тільки перегрів, але і недогрів, при якому можуть виникнути вогнища перегріву. Катод прямого розжарення при цьому нерідко "перегоряє", тобто поблизу одного з вогнищ перегріву основний метал катода плавиться. Це явище пояснюється наступними особливостями.

1. При підвищенні температури оксидного шару його електричний опір, як і опір всіх напівпровідників, зменшується.

2. Унаслідок великого опору оксидного шару його нагрівання струмом катоду є співмірне з нагріванням струмом розжарення.

3. Різні ділянки оксидного шару неоднакові за опором і емісійною здатністю.

Катодний струм розподіляється таким чином, що через ділянки з меншим опором і більшою емісійною здатністю проходять великі струми. На цих ділянках нагрів підсилюється, зменшується опір, збільшується вихід електронів і проходить подальше зростання струму. Таке явище спостерігається при недогріві, якщо катодний струм великий. Появі вогнищ перегріву також сприяє іонне бомбардування катоду.

При нормальному режимі розжарення і без перевантаження катодним струмом оксидний катод має велику довговічність. Його широко використовують у приймально-підсилювальних і генераторних лампах малої і середньої потужності, в електронно-променевих трубках, у лампах для імпульсної роботи і багатьох інших приладах.

Рис.10.6. Залежність емісії оксидного катода від тривалості анодного імпульсу

В імпульсному режимі емісія оксидного катода може бути в багато разів сильніша, ніж у режимі неперервної роботи. Вона відбувається під дією сильного зовнішнього електричного поля, тобто являє собою сполучення електростатичної емісії з термоелектронної. Однак з часом така емісія швидко слабшає (рис.10.6). Говорять, що надвисока емісія „отруює” оксидний катод. „Отруєння” припиняється, якщо катод "відпочине". Тоді він відновлює свою емісійну здатність і може знову дати на короткий час великий вихід електронів. Це пояснюється тим, що в оксидному шарі повинна нагромадитися достатня кількість електронів. Тривалість імпульсів емісійного струму звичайно не перевищує 20 мкс.

Ефективність оксидного катода в імпульсному режимі складає 10⁴ мА/Вт. Імпульси катодного струму можуть доходити до одиниць і навіть десятків амперів. При коротких імпульсах катод майже не піддається іонному бомбардуванню, і тому допустима анодна напруга досягає (10-20) кВ.

Крім оксидних катодів останнім часом застосовуються складні катоди нових типів: торієво-оксидні, синтеровані (губчаті) та інш.

Катоди прямого розжарення являють собою дріт чи стрічку. Перевага таких катодів - простота побудови і можливість їх виготовлення для самих малопотужних ламп на струм розжарення 10 мА і менше.

Катод у вигляді тонкого дроту після вмикання розжарення швидко розігрівається (за час менший за 1 с), що дуже зручно. Недолік цих катодів - паразитні пульсації анодного струму при живленні ланцюга розжарення змінним струмом. Якщо, наприклад, струм розжарення має частоту 50 Гц, то в анодному струмі будуть пульсації з частотою 50, 100, 150 Гц і т.д.

Вони створюють перешкоди, спотворюючи і заглушаючи корисний сигнал. При слуховому прийомі ці пульсації проявляють себе характерним гудінням – фоном змінного струму. Є дві основні причини таких шкідливих пульсацій.

По-перше, у тонких катодів виникають пульсації температури, тому що маса і теплоємність цих катодів малі. Коли струм досягає амплітудного значення, температура найвища, а при переході струму через нуль температура найбільш низька (рис. 10.7). Частота пульсацій температури дорівнює подвоєній частоті струму розжарення. З такою же частотою пульсує емісія та анодний струм.

Друга причина фону змінного струму – нееквіпотенціальність поверхні катода. Різні точки поверхні катода прямого розжарення мають різні потенціали, і анодна напруга для цих точок різна. Тому при живленні катода змінним струмом анодна напруга пульсує з частотою струму розжарення.

Рис.10.7. Пульсації температури катоду прямого розжарення при живленні змінним струмом

Недолік ламп із тонкими катодами прямого розжарення - так називаний мікрофонний ефект. Він полягає в тому, що зовнішні механічні поштовхи викликають вібрацію катода. Це приводить до пульсацій анодного струму. За рахунок мікрофонного ефекту нерідко виникає акустична генерація. У цьому випадку звукові хвилі від гучномовця викликають механічні коливання лампи і відповідно коливання анодного струму, що після підсилення надходять у гучномовець. Звукові хвилі, які при цьому виникають, знову впливають на лампу. Відбувається генерація незатухаючих звукових коливань, що заглушають корисний сигнал.

Широко застосовуються катоди непрямого розжарення (підігрівні). Звичайно такий катод представляє собою нікелевий циліндр з оксидним поверхневим шаром. Усередину вмонтований вольфрамовий підігрівник (рис. 10.8). Для ізоляції від катода підігрівник покривається керамічною масою з оксиду алюмінію - алундом.

Головні переваги цих катодів - відсутність шкідливих пульсацій анодного струму при живленні ланцюга розжарення змінним струмом. Коливань температури практично відсутні тому, що маса, а отже і теплоємність у підігрівних катодів значно більша, ніж у катодів прямого розжарення. Катод непрямого розжарення має велику теплову інерцію. Від моменту вмикання струму розжарення до повного розігріву (остигання) катода потрібні десятки секунд. За чверть періоду (0,005 с при частоті 50 Гц) температура катода не встигає помітно змінитися тому емісія не пульсує.

Поверхня катода непрямого розжарення є еквіпотенціальною. Уздовж катода відсутній спад напруги від струму розжарення. Анодна напруга для всіх точок поверхні катода є сталою і пульсує при коливаннях напруги розжарення.

Рис.10.8. Катоди непрямого розжарення: а) - циліндричний; б) – дисковий

Перевага ламп із катодами непрямого розжарення – ослаблення мікрофонного ефекту. Маса катода порівняно велика, і його важко привести в стан коливань.

У порівнянні з катодами прямого розжарення катоди непрямого розжарення складніші, і їх важко сконструювати на дуже малі струми. Тому вони менш придатні для малопотужних економічних ламп, розрахованих на живлення від гальванічних елементів.

В апаратурі (наприклад, для двостороннього зв'язку), що працює з перервами і після чергового вмикання повинна відразу ж працювати, необхідно лампи з катодами непрямого розжарення підтримувати увесь час під розжаренням. Це приводить до зайвих витрат енергії і скороченню терміну служби ламп. У переносних радіостанціях з батарейним живленням застосовувати лампи із катодом непрямого розжарення незручно. Для економії енергії джерел живлення в цьому випадку необхідно вимикати розжарення ламп приймача при роботі передавача і навпаки. Але тоді після вмикання розжарення потрібно чекати (10 – 20) с, поки не розігріються катоди, що значно сповільнює зв'язок.

Нагріта алундова ізоляція між катодом і підігрівником не витримує високих напруг. Гранична напруга між катодом і підігрівником складає звичайно 100 В і лише для деяких ламп (200 – 300) В. У ряді схем катод і підігрівник мають дуже різні потенціали. Якщо їхня різниця перевищить граничну напругу, то може відбутися пробій ізоляції катоду - підігрівник і лампа вийде з ладу. Небезпека пробою зникає, якщо катод з'єднаний з одним з виводів підігрівника.