1.3.1. Параметры катодов

1. Рабочая температура Т_раб. Это температура эмиттирующей поверхности катода в нормальных рабочих условиях. Она в значительной мере определяет другие параметры катода и электровакуумного прибора в целом: плотность тока катода, расход мощности на его подогрев, срок службы ЭВП и т.д.

2. Удельная эмиссия: величина тока электронной эмиссии с единицы поверхности катода. Согласно формуле Дэшмана удельная эмиссия

J _eq=A T_раб ² exp(-b₀ /T_раб ).

3. Допустимая плотность тока катода. Для простых катодов она может достигать удельной эмиссии, для активированных и, особенно, полупроводниковых катодов она должна быть много меньше плотности тока эмиссии, иначе активный слой катода разрушится. В импульсном режиме работы допустимая плотность тока катода больше той же величины в непрерывном режиме.

4. Удельная мощность накала – это мощность накала, приходящаяся на единицу поверхности катода. На нагрев катода расходуется мощность, зависящая от температуры катода, свойств материала и размеров катода. При включении накала температура катода начинает повышаться, а по мере роста температуры растет мощность тепловых потерь, главным образом, на излучение, и за некоторое время (обычно десятки секунд) температура катода достигает установившегося значения. Еще одна составляющая потерь энергии катодом – на электронную эмиссию. Каждый электрон, покидающий катод, уносит энергию, равную сумме своей кинетической энергии и работы выхода. Поскольку средняя кинетическая энергия одного электрона равна 2kT, расход мощности накала на эмиссию

P_e=I_{eПредставляет собой}(e ₀ + 2kT)/e,

где e ₀ – работа выхода, эВ; е = 1,6*10^-19 Кл – заряд электрона, I_e – ток катода, А. Эта величина составляет от 2 до 7 процентов от мощности, потребляемой накалом лампы.

5. Эффективность катода. Это отношение тока эмиссии к мощности, затрачиваемой на нагрев катода:

H = I_e / P_н .

Эта величина одновременно характеризует эмиссионные свойства катода и определяет расходуемую на накал мощность. Для данного материала катода эффективность зависит только от температуры, возрастая по экспоненциальному закону при повышении температуры:

H = I_e /P_н const* T ^-2 exp(-b₀/T).

Использование катода при более высокой температуре выгодно, так как при этом ток эмиссии катода возрастает, а относительный расход мощности падает, однако снижается долговечность катода.

6. Долговечность катода. Иначе называется сроком службы. Важнейший параметр любого электровакуумного прибора. Представляет собой среднее время безотказной работы катода данного типа в определенных условиях. Отказ катода – наиболее частая причина отказа всего электровакуумного прибора.

Катоды из чистых неактивированные металлов отказывают обычно в результате механического повреждения (обрыва) нити накала. При высокой температуре металл нити испаряется, сечение нити уменьшается, причем, неравномерно. На тех участках, где сечение меньше, выделяется большая мощность, выше температура и интенсивнее испарение. В конце концов, нить накала разрывается из-за потери механической прочности.

Основная причина выхода из строя активированных катодов – уменьшение эмиссионной способности вследствие дезактивации поверхностного слоя. Лампа с дезактивированным слоем к использованию непригодна, хотя нить накала и сохраняет целостность. Из-за снижения эмиссии катода изменяются другие параметры прибора, и его использование в рабочем режиме становится невозможным. Поэтому долговечность или срок службы прибора определяют как время работы, в течение которого параметры прибора снижаются до 70 – 80 % начальных значений.

Долговечность электровакуумных приборов очень сильно зависит от температуры катода, то есть, от электрического режима нити накала. И повышение, и понижение тока (напряжения) накала от номинальных значений приводит к снижению срока службы лампы.