Электроды электровакуумных ламп

Электродами электровакуумных ламп являются катоды, аноды и сетки.

Катод лампы, эмиттирующий электроны, характеризуется следующими параметрами:

максимальной плотностью катодного тока,

эффективностью,

рабочей температурой,

долговечностью.

Катодным током является электронный поток, направленный от катода к другим электродам. Для увеличения долговечности электронной лампы максимальный катодный ток обычно значительно меньше полного эмиссионного тока катода.

Максимально допустимый катодный ток, приходящийся на единицу поверхности катода, эмиттирующего электроны, называется максимальной плотностью катодного тока, значение которой в современных электронных лампах 0,1-1 А/см².

Эффективность катода (мА/Вт) показывает ток его эмиссии в миллиамперах на один ватт мощности, затраченной на разогрев катода. Чем выше эффективность катода, тем больший ток эмиссии можно получать от него при меньшей затрате мощности в цепи накала. Эффективность катода составляет 2-100 мА/Вт.

Рабочая температура также определяет экономичность катода. Чем ниже рабочая температура катода, тем меньшая мощность требуется для его нагрева. Обычно рабочая температура 1000-2500°С.

Долговечность катода характеризуется временем, в течение которого катод может непрерывно работать, сохраняя свои важнейшие параметры в пределах установленных норм.

Термоэлектронные катоды (до 50 основных типов) по роду эмиттирующих поверхностей можно разделить на четыре группы:

металлические,

металлопленочные,

полупроводниковые,

сложные (металлополупроводниковые и

металлокерамические).

Металлические (или однородные) катоды неактивированные и наименее экономичные, но хорошо работают в сложных температурных условиях, обладают высокой стойкостью при бомбардировке их ионами остаточных газов под воздействием сильных электрических полей. Они применяются в мощных лампах и в тех случаях, когда требуется высокая стабильность параметров катода во времени. Для изготовления металлических катодов применяют металлы с высокой температурой плавления, обладающие хорошими механическими свойствами: прочностью, ковкостью, тягучестью. Наиболее распространенным типом металлического катода является вольфрамовый (рабочая температура 2500°С, температура плавления 3395°С). Реже материалом катода служит тантал и ниобий.

Металлопленочные катоды представляют собой металлические катоды, поверхность которых покрыта одним или несколькими слоями вещества, имеющего положительный заряд, который создает электрическое поле, уменьшающее работу выхода электронов. Наиболее распространенными металлопленочными катодами являются карбидированный и бариевовольфрамовый. Такие катоды экономичнее металлических, но уступают им в отношении стабильности параметров и механической прочности.

Полупроводниковые катоды обладают высокой эффективностью и находят широкое применение. В таких катодах основание покрыто относительно толстым слоем активного вещества с электропроводностью электронного типа. К полупроводниковым катодам относятся оксидный и ториево-оксидный катоды.

Сложные катоды являются

металлополупроводниковыми, выполненными на основе оксидных катодов, или

металлокерамическими.

Оксидные катоды делятся на две группы: первая - катоды из составной пористой структуры, пропитанной активной массой, и вторая - оксидно-никелевые катоды, полученные на основе прессования карбонатов и никелевого порошка с последующей обработкой и активированием.

Металлокерамические катоды изготовляют из порошков вольфрама, окиси тория и керамики путем прессования и спекания при высокой температуре.

По своей конструкции катоды могут быть прямого накала и подогревными. В катодах прямого накала нить накала является эмиттирующей поверхностью. Они применяются в лампах большой мощности и выполняются из проволоки или ленты, которым придают различную форму: нить, решетка, Л- или М-образная, спиральная, беличье колесо. Катоды прямого накала имеют малую массу и, следовательно, малую теплоемкость, так что время их разогрева относительно мало и эффективность их выше, чем у подогревных катодов. Особенностью катодов прямого накала является их неэквипотенциальность, т. е. изменение потенциала по длине нити вследствие падения напряжения от проходящего по ней тока. При питании катодов прямого накала переменным током неэквипотенциальность приводит к появлению фона переменного тока в анодной цепи лампы.

К недостаткам катодов прямого накала относится также малая площадь эмиттирующей поверхности и недостаточная жесткость конструкции. Катоды прямого накала выполняют металлическими и активированными торием или барием.

У подогревных катодов эмиттирующая поверхность и подогреватель отделены друг от друга и могут быть электрически не связаны между собой. Они имеют большую эмиттирующую поверхность и массу, что позволяет получить значительный эмиссионный ток и высокую тепловую инерцию. Однако время разогрева у них велико, а эффективность ниже, чем у катодов прямого накала. Потенциал подогревного катода одинаков по всей длине; фон переменного тока, обусловленный неэквипотенциальностью поверхности, здесь отсутствует. Подогреватели подогревательных катодов, изготовленные в виде спирали из вольфрама или сплава вольфрама с рением, помещают внутри катода. В качестве изолирующего материала применяют окись алюминия или окись бериллия.

Анод является коллектором электронов, которые отдают ему кинетическую энергию, полученную ими в ускоряющем поле лампы. При этом анод нагревается и, чтобы максимальная температура анода не превышала установленной для данной лампы величины, его охлаждают.

Существует пять способов охлаждения анода:

лучеиспускание через вакуум (анод находится внутри баллона),

теплопроводность через массивный вывод (анод находится внутри стеклянного или металлокерамического баллона, на его вывод надет радиатор),

воздушное,

водяное,

пароводяное.

В первом и втором способах охлаждение естественное, в остальных трех - принудительное потоком воздуха, воды или пара.

Предельно допустимая температура анода выбирается в зависимости от его материала, типа катода, способа охлаждения, газовыделения из анода и материала баллона лампы.

Максимальная мощность, рассеиваемая на аноде. Допустимая мощность, рассеиваемая на аноде, устанавливается в зависимости от допустимой температуры анода, его материала, охлаждаемой поверхности, цвета этой поверхности и способа охлаждения.

Материалом анодов в лампах с небольшими нагрузками служит никель и алюминированное железо, в лампах с большими нагрузками при естественном охлаждении - молибден, тантал и титан, при искусственном охлаждении - медь. В ионных приборах, кроме того, используют графит.

Конструктивно анодам электронных ламп придают цилиндрическую, эллиптическую и коробчатую формы.

Сетки электровакуумных ламп изготовляют

спиральными,

рамочными,

штампованными.

«Спиральные сетки навивают из проволоки различного диаметра на специальных автоматах и сваривают с траверсами (держателями) точечной сваркой. При изготовлении рамочных сеток на рамку натягивают проволоку очень малого диаметра (10 мкм); в результате жесткости таких сеток возможно достигать очень малых расстояний между электродами.

В электронных лампах число сеток может быть от одной до шести, и каждая из них имеет свое назначение и название. В зависимости от назначения сеток материалом для них может быть вольфрам, молибден, сплавы никеля и другие металлы.

Электроды электронных ламп помещаются в баллонах из стекла (натриевого, боросиликатного, свинцового, кварцевого), которое широко применяется благодаря своим физическим свойствам (малые теплопроводность и газовыделение) и низкой стоимости.

Применяют также комбинированные оболочки - металлостеклянные и металлокерамические. Для комбинированных оболочек используют сталь, медь, алюминий и титан, а керамические оболочки изготовляют из окиси алюминия, кремнезема, форстерита и стеатита. Недостатками стекла являются невысокая механическая прочность и термостойкость, вследствие чего стекло не выдерживает больших перепадов температур. Этих недостатков лишена металлокерамическая конструкция, имеющая малые диэлектрические потери, что очень важно при работе на СВЧ (сверхвысокие частоты).

Для поддержания в лампах высокого вакуума применяют геттер - поглотитель газов, выделяющихся из электродов при их нагреве или электронно-ионной бомбардировке. Наиболее распространенным геттером является барий, который, связывая остаточный газ, осаждается в виде окислов и чистого бария на стенках колбы, окрашивая ее в серовато-зеркальный цвет.

Колбы электронных ламп с электродами помещаются на цоколе. Схема соединения электродов со штырьками называется цоколевкой лампы и приводится в справочнике.

Миниатюрные и сверхминиатюрные лампы не имеют цоколя и выводы от электродов в них выполняют гибкими проводами, которые припаивают к соответствующим узлам схемы. При этом отсчет выводов ведется от цветной метки, поставленной на одном из выводов.