X-PDF

Эмиттеры свободных электронов в электровакуумных приборах (термокатоды)

Поделиться статьей

1. Параметры термокатодов

Для образования потока свободных электронов в вакуумных или ионных приборах используются специальные электроды — катоды. Исключением в этом смысле являются лишь те электронные приборы, принцип действия которых основан на электронных явлениях, протекающих в твердых телах, например полупроводниковые диоды и триоды, фотосопротивления и др.

В соответствии с различными видами эмиссии катоды разделяются на термоэлектронные катоды, фотоэлектронные (катоды и вторично-электронные катоды. В большинстве электровакуумных и газонаполненных приборов используются термоэлектронные катоды, эмиссия с поверхности которых происходит в результате сообщения им тепловой энергии.

Основным параметром термоэлектронного катода является величина тока эмиссии с одного квадратного сантиметра его поверхности — эмиссионная способность катода, определяемая формулой:

. (1)

Величина , характеризующая эмиссионную способность катода, зависит от его физических свойств (коэффициент ), температуры Т и работы выхода , A 0 — постоянная величина, определяемая равенством:

, (2)

где h — постоянная Планка. Но экспериментальные значения плотности термоэлектронного тока плохо описываются формулой (1). Чтобы описать эти значения, необходимо коэффициент пропорциональности A 0 заменить другим коэффициентом — A 1, величина которого определяется экспериментально для каждого материала отдельно. Отличие экспериментальных коэффициентов A 1 от теоретического A 0 объясняется рядом причин. При выводе формулы (2) величину работы выхода считали не зависящей от температуры. В действительности же при нагревании тела, различающиеся по химическому составу и кристаллической структуре, расширяются по-разному из-за различия в величинах межатомных взаимодействий. При расширении расстояния между атомами увеличиваются (в разных материалах различно), поэтому работа выхода, уменьшающаяся с расширением тел, в разных материалах меняется с температурой различно. В табл. 1 представлены экспериментальные значения коэффициента A 1 для ряда простых материалов. Видно, что эти значения в зависимости от материала могут отличаться друг от друга примерно в 50 раз.

Кроме температуры, работа выхода может сильно зависеть от совершенства кристаллической решетки катода. Если в материале катода присутствует большое количество дефектов структуры, то работа выхода значительно уменьшается, а плотность термоэлектронного тока окажется значительно более высокой, чем значение, получаемое по теоретической формуле (1) с коэффициентом A 1 вместо A 0.

Табл. 1 Экспериментальные значения коэффициента A 1 для ряда

простых материалов

  Материал A 1,
Стронций  
Цезий  
Вольфрам  
Торий  
Тантал  
Платина  
Никель  
Кремний  

Вторым важным параметром является рабочая температура катода Т раб, определяющая наиболее эффективный тепловой режим катода. Величина Т раб выбирается из условий энергетического баланса, учитывающего получение тепловой энергии за счет подогрева катода, бомбардировки его электронами и ионами и др., а также расход энергии на излучение, нагрев держателей катода, испарение вещества, эмиссию электронов и т. д. Значения Т раб для термоэлектронных катодов лежат в пределах 1 000—2 800° К.

Очень важным эксплуатационным параметром является эффективность или экономичность катода, определяющая отношение тока эмиссии к мощности, подводимой к катоду для его подогрева:

. (3)

Здесь и — ток и напряжение накала соответственно. Согласно экспериментальным исследованиям сообщаемая катоду мощность расходуется в основном (около 70%) на излучение, мощность которого определяется законом Стефана-Больцмана:

. (4)

Здесь — коэффициент лучеиспускания, величина которого (обычно &lt .1) зависит от поверхности тела . = 5,67×10-12 вт/см2×град4, (постоянная Стефана-Больцмана) . Т — абсолютная температура.

Учитывая, что Рн» Ризл., можно (1) записать в виде

. (5)

Отсюда следует, что экономичность катода увеличивается с возрастанием его температуры.

Существенное значение для оценки эксплуатационных качеств катода имеет срок его службы, или долговечность. Наиболее употребительным критерием оценки долговечности катода является относительное уменьшение его тока эмиссии. Обычно эту величину измеряют некоторым средним для данного типа катода временем, в течение которого ток эмиссии уменьшается до 80% от номинального значения.

Причины выхода катода из строя чрезвычайно разнообразны, и в зависимости от типа катода и условий его эксплуатации те или иные из них могут быть преобладающими или второстепенными. Одна из наиболее важных причин — это распыление активирующего катод вещества. Уменьшение эмиссии катода может произойти также в результате разрушения его бомбардирующими ионами, образования на поверхности окислов и химических.соединений, повышающих работу выхода, и т. д.

По конструктивному признаку все катоды можно разделить на две большие группы: прямого накала и подогревные. В первом случае ток накала I н протекает непосредственно по катоду, который одновременно является и подогревателем. Катоды прямого накала выполняются обычно в виде тонкой проволоки или ленты, которые изгибают в соответствии с формой других электродов плоской или цилиндрической конструкции. Катоды укрепляются на токоподводящих держателях и растягиваются пружинами, прикрепленными к изоляторам. Типовые конструкции катодов прямого накала показаны на рис. 3,а и б.

В катодах подогревных или, как их часто называют, косвенного накала подогреватель и собственно катод разделены. Конструкция подогревного катода впервые была предложена в 1918 г. А. А. Чернышевым. Нить подогревателя 1 (рис. 3,в), на которую нанесен слой изолирующего теплостойкого материала 2, помещается в металлический цилиндрик 3, внешняя поверхность которого покрывается активирующим слоем 4. Ток накала, протекая по подогревателю, разогревает его, и тепло сообщается собственно катоду. Подогревные катоды чаще всего имеют форму цилиндра, реже параллелепипеда. При цилиндрической конструкции эмитирующей поверхностью может быть как боковая поверхность цилиндра, так и его дно. Различные формы подогревных катодов показаны на рис. 3, г. Подогреватели могут быть V и W-образные для плоских катодов, спиральные — для цилиндрических катодов. Часто для устранения влияния магнитного поля, образуемого током накала, подогреватели выполняются в виде бифилярной спирали.

Рис. 1. Конструкции катодов: а — прямого накала для плоской системы электродов . б — прямого накала для цилиндрической системы . в — устройство подогревного катода . г — конфигурация подогревных катодов . 1 — нить подогревателя . 2 — изолирующее покрытие . 3 — металлический цилиндр . 4 — активирующий слой.

Преимущество подогревных катодов перед катодами прямого накала заключается главным образом в возможности их питания переменным током. Это значительно упрощает схемы источников напряжения накала.

Катоды прямого накала обычно требуют питания постоянным током, так как при использовании переменного тока промышленной частоты 50 гц температура и величина тока эмиссии меняются в такт с удвоенной частотой питающего напряжения, ив нагрузках электронных приборов появляется низкочастотный «фон».

По виду эмитирующей поверхности термоэлектронные катоды можно разделить на однородные металлические, активированные металлические, полупроводниковые и металло-полупроводниковые.

2 Однородные металлические термокатоды

Материал катода должен обладать малой работой выхода и достаточно высокой температурой плавления, так как от этих величин зависят эмиссионная способность и экономичность катода. Он должен быть также достаточно вязким, поскольку металлические катоды выполняются в виде тонкой проволоки . должен хорошо обезгаживаться, быть стойким к окислению и др. Удовлетворить этим, часто весьма противоречивым требованиям могут далеко не все металлы. Так, например, щелочноземельные металлы, обладая малой работой выхода, имеют весьма низкую температуру плавления, легко окисляются и. плохо поддаются механической обработке. Наилучшим образом большинству перечисленных требований удовлетворяют вольфрам, тантал, молибден, торий, рений и ниобий. Танталовые катоды из-за способности тантала легко адсорбировать газы почти не применяются. Рений является редким металлом, и получение его в больших количествах затруднительно. Редко встречаются также молибден и ниобий. Торий нашел весьма широкое применение для активирования катодов. Наиболее широко для изготовления катодов используется вольфрам, применявшийся и ранее в осветительных приборах.

Представленная информация была полезной?
ДА
58.67%
НЕТ
41.33%
Проголосовало: 963

Рабочая температура вольфрамовых катодов лежит обычно в пределах 2500—2700°К. Эмиссионная способность в зависимости от назначения катода может быть от 0,1 до 1,0 а/см 2. Эффективность вольфрамовых катодов низкая: Н =2¸14 ма/вт. Положительными «свойствами» вольфрамовых катодов являются постоянство тока эмиссии и устойчивость их против бомбардировки ионами. Вольфрамовые катоды используются в некоторых маломощных и мощных генераторных лампах, а также в специальных электрометрических лампах.

3. Активированные металлические термокатоды

При изучении работы выхода электронов мы видели, что если нанести на керн катода тонкий слой другого, более электроположительного металла, то его работа выхода уменьшится. Это явление и лежит в основе работы активированных металлических катодов.

Первоначально были разработаны простейшие катоды этой группы: барированный и торированный. Барированные катоды не нашли широкого применения и практически не используются. Торированные катоды, так же как и барированные, очень чувствительны к ионной бомбардировке и быстро разрушаются при напряжениях анод — катод свыше 300 В. Рабочая температура тарированного катода 1700—1900°К . эффективность 25—50 ма/вт . работа выхода 2,6 эв. Эти катоды очень чувствительны к перекалу, при котором возникает интенсивное испарение тория с поверхности.

Модификацией тарированного катода является карбидированный катод. Эффективность карбидированных катодов достигает 60—70 ма/вт. Карбидированный катод отличается повышенной хрупкостью, что является его недостатком. Карбидированные катоды используются в генераторных лампах малой и средней мощности.

Современными металлическими активированными катодами являются: металлогубчатые камерные, или, как их иногда называют, Л-катоды (катоды Лемменса), металлогубчатые прутковые катоды, губчатые пропитанные, или импрегнированные, катоды, металлокерамические и др.

Устройство металлогубчатых катодов с плоской или цилиндрической эмитирующей поверхностью схематически показано на рис. 2. Во внутреннюю полость молибденового цилиндра помещается подогреватель. Внешняя камера заполняется активным веществом: химическими соединениями карбоната бария и стронция, окисью тория и др. Снаружи активное вещество отделяется от вакуума привариваемыми к молибденовому цилиндру пластиной или цилиндром из губчатого вольфрама или молибдена. Металлогубчатый катод активируют медленным нагреванием. При этом активное вещество разлагается, выделяемые газы откачиваются из баллона лампы, а окислы активаторов восстанавливаются при взаимодействии с вольфрамом. Атомы тория или бария диффундируют на поверхность губки и образуют на ней активный слой. Рабочая температура таких катодов 1100—1 700° К, эффективность достигает 10 а/вт, а максимальная плотность тока в импульсном режиме 300 а/см 2. Достоинствами металлогубчатых катодов являются стойкость к ионной бомбардировке и отравлению газами (после потери эмиссии в результате воздействия газов эмиссионные свойства катода быстро восстанавливаются), а также гладкая эмитирующая поверхность, что очень важно для работы СВЧ и электронно-лучевых приборов. Камерные катоды применяются в электронно-лучевых приборах, клистронах, магнетронах и других СВЧ-приборах.

Рис. 2. Устройство металлогубчатого катода. 1 — молибденовый цилиндр . 2 — вольфрамовая губка . 3— активное вещество.

Рис. 3. Устройство губчатого пропитанного катода.

Устройство губчатого пропитанного (импрегнированного) катода показано на рис. 3. Здесь нет специальной камеры для активного вещества . им пропитана сама вольфрамовая губка.

По сравнению с камерным пропитанный катод более прост по конструкции, равномернее нагревается и обладает большей экономичностью. Разновидностью губчатых катодов являются металлические катоды, изготовляемые путем спрессовывания или спекания смеси порошков металла (никель, вольфрам, железо) и карбонатов щелочноземельных металлов. По эмиссионным качествам металлокерамические катоды приближаются к металлогубчатым. Наиболее распространенным металлокерамическим катодом является вольфрамоториевый, применяемый в магнетронах, где его достоинства: стойкость к отравлению, гладкая поверхность, хорошая работа при высоких напряжениях и температуре и др.— имеют существенное значение.

4. Полупроводниковые и металлополупроводниковые термокатоды

Оксидный катод, относящийся к этой группе катодов, наиболее широко применяется в самых различных электронных и ионных приборах. Оксидный катод представляет собой никелевый или вольфрамовый керн с нанесенным слоем окислов бария, стронция и кальция. Наилучшими эмиссионными качествами обладают оксидные катоды, использующие никелевый керн с 4%, присадкой вольфрама.

Строение оксидного катода схематически показано на рис. 4.

Рис. 4. Строение оксидного катода: 1 — металл . 2 — приконтактный слой . 3 — полупроводниковое покрытие . 4 — атомы чистого бария.

Поверхность металлического керна покрыта тонким приконтактным слоем. В случае никелевого керна с присадкой кремния приконтактный слой состоит из Ba2Si04. Далее следует оксидный слой, содержащий окислы Ва, Sr и Са. В результате восстановления окиси бария в узлах кристаллической решетки оксида образуются атомы свободного бария. Барий в этом случае представляет собой донаторную примесь, и оксидный слой превращается в полупроводник с электронной проводимостью. Часть атомов свободного бария диффундирует и на поверхности получается одноатомный слой, который при испарении пополняется за счет диффузии бария из глубины оксидного слоя. Поверхность оксидного катода обычно пористая, и плотность его зависит от способа нанесения оксида.

Работа выхода оксидного катода W0 = 1,1—1,3 эв, рабочая температура 950—1100° К, эффективность в непрерывном режиме 60—100 ма/вт.

Весьма ценным свойством оксидного катода является его способность к повышенной эмиссии в импульсном режиме. Если катод разогрет до рабочей температуры и имеется внешнее положительное электрическое поле, то в начальный момент времени наблюдается довольно большой ток эмиссии, величина которого в течение последующих 100—300 мксек уменьшается по экспоненциальному закону до номинального значения. Это явление можно объяснить следующим образом. В отсутствие атомов бария на поверхности катода в результате их непрерывной диффузии увеличивается, что и обусловливает значительный ток эмиссии в первый момент. В дальнейшем атомы бария, лишившиеся электронов и превратившиеся в положительные ионы, диффундируют из оксидного слоя к керну. B обратном направлении происходит диффузия атомов бария к поверхности. В установившемся режиме плотности потоков равны и ток эмиссии принимает номинальное значение. Эта способность оксидного катода широко используется для получения повышенных плотностей тока в импульсном режиме работы ламп, когда ток необходим лишь в течение небольшого времени, порядка нескольких микросекунд, а время между двумя импульсами тока составляет миллисекунды. В интервале между импульсами тока концентрация бария на поверхности увеличивается, и во время импульса плотность тока эмиссии достигает больших величин. Так, например, среднее значение плотности тока для оксидного катода составляет примерно 0,3 а/см 2 . в импульсном режиме средняя плотность тока 50 а/см 2 и более.

Наряду с достоинствами — высокая экономичность и большая плотность тока, особенно в импульсном режиме, — оксидному катоду свойственны недостатки. Испарение бария с поверхности катода приводит к загрязнению барием других электродов прибора, что увеличивает коэффициент вторичной эмиссии с их поверхности и может привести к нарушению работы прибора. Кроме того, оксидный катод весьма чувствителен к бомбардировке его ионами и поэтому не применяется в приборах с высокими напряжениями, где скорость бомбардирующих ионов велика. Поверхность оксидного слоя достаточно пористая, и концентрация атомов бария на поверхности различна. Вследствие этого на катоде образуются островки наиболее интенсивной эмиссии. Эти островки при протекании значительных токов сильно разогреваются, и в этих местах происходит наиболее интенсивное испарение бария, приводящее к разрушению оксидного слоя. Из-за неоднородности структуры оксидного слоя возможно также образование участков повышенного сопротивления. Падение напряжения на таких участках может оказаться достаточным для создания электрического поля, вызывающего пробой запорного слоя (искрение оксидного катода).

С целью устранения перечисленных недостатков разработан ряд модификаций оксидного катода. В оксидно-сетчатом катоде на поверхности керна укрепляется металлическая сетка, ячейки которой заполняются оксидом. Это позволяет несколько улучшить проводимость катода и, следовательно, уменьшить его искрение.

Рис. 5. Устройство трубчатого (а) и пластинчатого (б) катодов.

Другой модификацией являются трубчатые катоды, в которых оксидом заполняются никелевые трубочки диаметром 0,2¸0,4мм, плотно спрессованные и вмонтированные в молибденовую оправку (рис. 5,а). Эмитирующей поверхностью здесь служат открытые торцы трубок. В таком катоде имеется большой запас активного вещества и, кроме того, его проводимость больше.

Для повышения, стойкости оксидного катода против ионной бомбардировки применяются ламельные, или пластинчатые, катоды, устройство которых показано на рис. 5,б. Оксидным слоем покрываются только боковые стенки ламелей, на которые предварительно укрепляется никелевая сетка. Внешнее поле, проникая между ламелями, способствует движению эмитированных электронов от катода. Ионы, попадая в пространство между ламелями, не оказывают влияния на оксидное покрытие, так как градиент поля в направлении боковых поверхностей невелик.

Хорошими эмиссионными качествами обладают оксидно-бариевые и окси дно-тор левые катоды на спеченном сердечнике. Такие катоды отличаются высокой стойкостью против ионной бомбардировки и отравления газами, хорошо восстанавливают эмиссию после отравления и допускают плотности тока в непрерывном режиме до 2 а/см 2.

5. Эксплуатация термоэлектронных катодов

Основными эксплуатационными показателями служат ток I н или напряжение U н накала, номинальные значения, которых соответствуют рабочей температуре катода. Зависимость I н = f (U н) (рис. 6) называется накальной характеристикой. Нелинейность характеристики свидетельствует о том, что сопротивление катода при его разогреве увеличивается. Поэтому для некоторых типов катодов (например, вольфрамового) целесообразно при включении увеличивать ток накала постепенно, устанавливая номинальное значение I н по мере разогрева катода.

Рис. 6. Накальная характеристика катода.

Температурный режим катода можно контролировать с помощью амперметра или вольтметра, регистрируя значения I н и U н. Первый метод менее употребителен, так как в процессе эксплуатации диаметр катода прямого накала или подогревателя в катодах косвенного накала уменьшается и сопротивление их увеличивается. Если поддерживать постоянным ток накала, то долговечность катода уменьшается, так как к концу срока он будет работать с перегревом.

Чаще всего накал катода контролируют вольтметром. Долговечность катода при этом увеличивается в 2—3 раза по сравнению с первым методом, хотя в конце срока он работает в режиме недокала и с пониженной эффективностью.


Поделиться статьей
Автор статьи
Анастасия
Анастасия
Задать вопрос
Эксперт
Представленная информация была полезной?
ДА
58.67%
НЕТ
41.33%
Проголосовало: 963

или напишите нам прямо сейчас:

Написать в WhatsApp Написать в Telegram

ОБРАЗЦЫ ВОПРОСОВ ДЛЯ ТУРНИРА ЧГК

Поделиться статьей

Поделиться статьей(Выдержка из Чемпионата Днепропетровской области по «Что? Где? Когда?» среди юношей (09.11.2008) Редакторы: Оксана Балазанова, Александр Чижов) [Указания ведущим:


Поделиться статьей

ЛИТЕЙНЫЕ ДЕФЕКТЫ

Поделиться статьей

Поделиться статьейЛитейные дефекты — понятие относительное. Строго говоря, де­фект отливки следует рассматривать лишь как отступление от заданных требований. Например, одни


Поделиться статьей

Введение. Псковская Судная грамота – крупнейший памятник феодального права эпохи феодальной раздробленности на Руси

Поделиться статьей

Поделиться статьей1. Псковская Судная грамота – крупнейший памятник феодального права эпохи феодальной раздробленности на Руси. Специфика периода феодальной раздробленности –


Поделиться статьей

Нравственные проблемы современной биологии

Поделиться статьей

Поделиться статьейЭтические проблемы современной науки являются чрезвычайно актуальными и значимыми. В связи с экспоненциальным ростом той силы, которая попадает в


Поделиться статьей

Семейство Первоцветные — Primulaceae

Поделиться статьей

Поделиться статьейВключает 30 родов, около 1000 видов. Распространение: горные и умеренные области Северного полушария . многие виды произрастают в горах


Поделиться статьей

Вопрос 1. Понятие цены, функции и виды. Порядок ценообразования

Поделиться статьей

Поделиться статьейЦенообразование является важнейшим рычагом экономического управления. Цена как экономическая категория отражает общественно необходимые затраты на производство и реализацию туристского


Поделиться статьей

или напишите нам прямо сейчас:

Написать в WhatsApp Написать в Telegram
Заявка
на расчет