1.3.5. Полупроводниковые катоды

Полупроводниковый оксидный катод – это наиболее распространенный тип катода в электровакуумных приборах. Основание (керн) катода изготавливают из вольфрама или никеля. На поверхность керна наносят довольно толстое (20 – 100 мкм) покрытие, состоящее из смеси оксидов щелочноземельных металлов: бария, стронция, кальция, причем, оксиды образуются в уже собранной, но не откачанной лампе из углекислых солей (карбонатов) названных металлов, которые при нагревании разлагаются на оксиды и углекислый газ. В обычном, неактивированном состоянии оксиды являются диэлектриками. Активировка катода включает его нагрев до 1300 К в электрическом поле, создаваемом напряжением положительной полярности, поданным на анод лампы. При такой обработке часть оксидов восстанавливается до металла, и ионы этого металла частично перемещаются к поверхности катода, другой частью распределяются в толще оксидного слоя. Эти ионы выступают донорами, придавая оксиду свойства полупроводника с электронной проводимостью. Работа выхода электрона из такого полупроводникового катода мала (1 – 1,1 эВ), и значительная термоэлектронная эмиссия получается уже при температуре 1000 – 1100 К при эффективности катода от 60 до 100 мА/Вт.

Срок службы оксидного катода теоретически очень велик, так как определяется запасом щелочноземельных металлов, главным образом, бария, в оксидном слое. На практике срок службы большинства ламп и других ЭВП с оксидными катодами от 1500 до 3000 часов, у специальных долговечных ламп – до 10000 часов, в свое время для усилителей подводных кабелей связи изготавливались лампы, рассчитанные на срок службы до 100 000 часов.

В непрерывном режиме работы ток оксидного катода многократно меньше тока эмиссии. В импульсном режиме при длительности импульса 1 – 10 мкс и скважности более 1000 при повышенном анодном напряжении с обычных ламп получают большие анодные токи, при этом плотность тока эмиссии доходит до 100 А/см², в то время как в непрерывном режиме она не превышает 0,5 А/см².

1.3.6. Конструкции катодов и особенности их эксплуатации

Существуют два типа конструкций термоэлектронных катодов. В первой эмиттирующей электроны поверхностью является непосредственно нить накала – проволока или лента, нагреваемая током. Такой катод называют катодом с непосредственным накалом или катодом прямого накала. В другой конструкции проволока, нагреваемая током (подогреватель) помещается внутри полой металлической детали, наружная поверхность которой эмитирует электроны. Такой катод называют катодом косвенного накала, или подогревным.

Каждый тип катода имеет свои достоинства и недостатки. Катод прямого накала более экономичен, имеет меньшие массу и размеры, однако его поверхность на разных участках имеет разные потенциалы из-за того, что к нити накала приложено напряжение накала. Плотность тока, снимаемая с разных участков катода, также будет различной. Если цепь накала питается переменным током низкой частоты (обычно 50 Гц), температура катода изменяется с удвоенной частотой от максимальной до минимальной и обратно. Это явление выражено тем сильнее, чем меньше масса и размеры катода. Кроме того, при использовании лампы прямого накала неизбежна гальваническая связь между цепью катод – анод и цепью накала.

Катод косвенного накала менее экономичен, имеет большие размеры и массу, однако он электрически изолирован от подогревателя, а за счет большей тепловой инерции при подогреве от источника переменного тока практически не обнаруживает пульсаций тока катода с удвоенной частотой тока накала.

Величины напряжения накала для всех электровакуумных приборов стандартизованы. При централизованном питании изделий с ЭВП от промышленной сети переменного тока 220 В 50 Гц применяют приемно-усилительные (маломощные) лампы с напряжением накала 6,3 В, более мощные лампы имеют напряжение накала 12,6 – 30 В и токи накала от единиц до сотен ампер.

С точки зрения надежности электровакуумные приборы существенно уступают полупроводниковым приборам. Тому есть две причины. Первая в том, что любой ЭВП содержит детали, нагретые до высокой температуры: катод и подогреватель. Вторая причина: электровакуумный прибор помещен в оболочку, внутри которой должен быть глубокий вакуум, давление остаточных газов не должно превышать 10^-7мм рт. ст.

После включения питания электровакуумный прибор выходит на рабочий режим через некоторое время, необходимое для разогрева катода до рабочей температуры. Для миниатюрных ламп с катодами прямого накала это время измеряется секундами, для крупных ламп с катодами косвенного накала нужно большее время, иногда более одной минуты. При подаче напряжения накала на холодный подогреватель ток накала в начальный момент может до 20 раз превышать рабочий ток, происходит это вследствие зависимости удельного сопротивления материала подогревателя от температуры. Поэтому в цепях накала мощных ламп включают пусковые регуляторы тока. Для увеличения срока службы напряжения на электроды ламп подают после полного прогрева катода, особенно важно это для оксидных катодов.