Катоды

Любой электровакуумный прибор имеет электрод, предназначенный для испускания (эмиссии) электронов. Этот электрод называется катодом. Электрод, предназначенный для приема эмиттированных катодом электронов, называется анодом.

На анод подают более высокий и положительный относительно катода потенциал.

Катод должен отдавать с единицы поверхности большой ток эмиссии при возможно низкой температуре нагрева и обладать большим сроком службы. Нагрев катода в электровакуумном приборе производится протекающим по нему током.

Такие термоэлектронные катоды разделяются на две основные группы:

• катоды прямого накала,
• катоды косвенного накала (подогревные).

Катоды прямого накала представляют собой металлическую нить, которая непосредственно разогревается током накала и служит для излучения электронов (рис. 6, а).

Для того чтобы нить накала оставалась при разогреве в натянутом состоянии, применяют либо пружинящие держатели катода, либо нить накала растягивают вольфрамовыми пружинами, укрепленными на изоляторах. Рис. 6. Конструкции  катодов: а — прямого накала; б — косвенного накала (подогревного): 1 — нить накала; 2 — держатели катода;   3 — гильза; 4 — активный слой.

Поверхность излучения катодов прямого накала невелика, поэтому от них нельзя получить большой ток эмиссии. Малая теплоемкость нити не позволяет использовать для нагрева переменный ток. Кроме того, при нагреве переменным током температура катода не постоянна во времени, а следовательно, меняется во времени и ток эмиссии.

Положительным свойством катода прямого накала является его экономичность, которая достигается благодаря малому количеству тепла, излучаемого в окружающую среду вследствие малой поверхности катода.

Катоды прямого накала изготовляются из вольфрамовой и никелевой проволоки. Однако большая работа выхода (W₀ = 4,2÷4,5 в) определяет высокую рабочую температуру катода, вследствие чего катод становится неэкономичным. Для повышения экономичности катода вольфрамовую или никелевую проволоку (керн) «активируют» — покрывают пленкой другого элемента. Такие катоды называются активированными.

Если на поверхность керна нанесена электроположительная пленка (пленка из цезия, тория или бария, имеющих меньшую работу выхода, чем материал керна), то происходит поляризация пленки: валентные электроны переходят в керн, и между положительно заряженной пленкой и керном возникает разность потенциалов, ускоряющая движение электрона при выходе его из керна. Работа выхода катода с такой мономолекулярной электроположительной пленкой оказывается меньше работы выхода электрона как из основного металла, так и из металла пленки. При покрытии керна электроотрицательной пленкой, например кислородом, работа выхода катода увеличивается.

Подогревные катоды выполняются в виде никелевых гильз, поверхность которых покрывается активным слоем металла, имеющим малую работу выхода (рис. 6, б). Внутри катода помещается подогреватель— вольфрамовая нить или спираль, подогрев которой может осуществляться как постоянным, так и переменным током.

Для изоляции подогревателя от гильзы внутренность последней покрывается алундом (Аl₂O₃).

Подогревные катоды, благодаря их большой тепловой инерции, обычно питают переменным током, значительная поверхность гильзы обеспечивает большой эмиссионный ток. Подогревные катоды, однако, менее экономичны и разогреваются значительно дольше, чем катоды прямого накала.

• Типы катодов
• Режим работы катода

Катоды характеризуются следующими основными параметрами:

1. Удельной эмиссией, определяемой величиной тока с одного квадратного сантиметра эмиттирующей поверхности катода при нормальной рабочей температуре.

В электронных лампах с активированными катодами вместо удельной эмиссии часто пользуются параметром,называемым допустимой плотностью катодного тока. Этот параметр характеризуется током, который можно получить с одного квадратного сантиметра поверхности катода при нормальном (рабочем) напряжении накала. Работа при токах с катода, равных току эмиссии в этих лампах, приводит к разрушению поверхности слоя катода.

2. Эффективностью, равной величине тока эмиссии катода, приходящейся на одни ватт затраченной на накал мощности:

Н=I_э/P_н (12)

где I_э — ток эмиссии катода, ма; P_н  — мощность, затраченная в цепи накала, вт.

3. Сроком службы катода, измеряемым в часах и характеризующим время, в течение которого катод сохраняет необходимые эксплуатационные свойства. Для простых катодов считается, что уменьшение диаметра катода на 10% приводит к его гибели. Соответственно оценивается и срок их службы.

Срок службы активированных катодов определяется уменьшением площади покрытия катода активной пленкой (а следовательно, ухудшением основных параметров лампы) на 20%.

Для выбора оптимального режима работы катода необходимо знать зависимость тока эмиссии катода от его температуры. Непосредственное измерение температуры накаленного катода затруднительно, поэтому пользуются так называемой накальной или эмиссионной характеристикой катода — графически выраженными зависимостями тока накала или тока эмиссии от напряжения или тока накала (рис. 7, а).

Эмиссионную характеристику катода можно снять экспериментально при помощи схемы, показанной на рис. 7, б. Рис. 7. Эмиссионная и накальная характеристики катода (а) и схема для их снятия (б).

В схеме имеются две цепи: анодная и накальная. Контроль за напряжением накала производится вольтметром V1, непосредственно подключенным в катодную цепь; если необходимо знать ток накала, то в нее включают амперметр. При этом амперметр следует подсоединять к тому зажиму катода, через который проходят накальный и анодный токи в одном направлении: данный конец нити накала нагревается сильнее и работает в наиболее тяжелых тепловых условиях.

Величина тока накала определяется разностью показания амперметра и показания миллиамперметра, но уменьшенного вдвое (так как по этой части цепи проходит примерно половина анодного тока).

Поддерживая постоянным напряжение на аноде, снимают зависимость тока эмиссии от напряжения (или тока) накала. Эмиссионный ток появляется начиная с напряжения на катоде 1—1,5 в и резко возрастает при напряжениях накала, близких к нормальным (рабочим) значениям.

Характеристику I_н = ƒ(U_н) (см. рис. 7, а) следует снимать при разомкнутой анодной цепи. Накальная характеристика нелинейна, так как с повышением температуры катода его сопротивление увеличивается. При этом ток накала возрастает меньше, чем увеличивается напряжение накала.