Виды электровакуумных структур и приборов, основные элементы. Термокатоды

Виды электровакуумных структур и приборов. Электровакуумные приборы (ЭВП) – электронные приборы, проводимость в которых осуществляется посредством электронов или ионов, движущихся между электродами через вакуум или газ.

Основу ЭВП составляют электровакуумные структуры (ЭВС), предназначенные для формирования и управления электронным потоком (или потоком ионов) с помощью электрических и магнитных полей. В зависимости от числа электродов ЭВС бывают диодные, триодные и многоэлектродные (тетродные, пентодные, гексодные и др.).

ЭВС реализуются в различного вида ЭВП:

- электронно-управляемых лампах (ЭУЛ), работа которых основана на управлении током, ограниченном пространственным зарядом, с помощью потенциалов электродов;

- электронно-лучевых приборах (ЭЛП), работа которых основана на управлении по интенсивности и положению одним или более электронными лучами;

- газоразрядных приборах (ГРП), характеристики которых определяются, в основном, ионизацией намеренно введенного газа или пара;

- электровакуумных приборах СВЧ (ЭВП СВЧ), в которых используется инерционные свойства электронов.

Основные элементы ЭВС. К числу основных элементов электровакуумных структур, которые могут быть использованы в зависимости от назначения ЭВС, относятся:

- баллон, в котором откачан воздух и размещаются внутренние элементы ЭВС;

- электроды – проводящие элементы, эмитирующие или собирающие электроны или ионы или управляющие их движением при помощи электрического поля;

- катод – электрод, являющийся источником требуемой электронной эмиссии;

- подогреватель катода, служащий для передачи тепла катоду косвенного накала или другому элементу;

- газопоглотитель (геттер) – вещество, помещаемое в баллон ЭВС, которое уменьшает или стабилизирует давление остаточного газа посредством химического или физического воздействия на него;

- анод – ускоряющий электрод, который обычно служит и выходным электродом, и основным коллектором электронов;

- коллектор – электрод, собирающий электроны или ионы;

- магнитная система, служащая для формирования электронных потоков или управления положением электронных потоков в пространстве.

Баллоны обычно выполняются из металла, стекла, керамики, металло-керамики и их сочетания. Степень вакуума внутри баллона составляет 10^-5 – 10^-6 Па. В качестве геттеров используются магний, цирконий, титан, торий. Барий. Аноды, коллекторы изготавливаются из никеля, меди, молибдена, тантала, графита, стали, а управляющие потоком электронов или ионов электроды (сетки) из никеля, молибдена или вольфрама. Охлаждение осуществляется либо естественным путем (за счет конвекции), либо принудительно воздушным, жидкостным, испарительным и контактным путями. В качестве катодов наибольшее применение находят термокатоды, в которых используется явление термоэлектронной эмиссии.

Термокатоды. Термоэлектронный катод явля­ется источником электронов в большинстве электровакуумных при­боров. Нагрев катода до необходимой рабочей температуры осуществляется либо постоянным электри­ческим током, либо переменным. В зависимости от способа про­пускания тока для нагрева катода различают катоды прямого и косвенного накала.

Катод прямого накала (рис.1) разогревается током, про­пускаемым непосредственно через катод, выполняемый в этом слу­чае в виде одной или нескольких соединенных между собой нитей или лент 1, имеющих выводы 2.

Катод косвенного накала (рис.2) нагревается от подог­ревателя, передающего тепловую энергию эмитирующей поверхно­сти катода. Обычно катоды изготовляются в виде цилиндра 1 с отдельным выводом 2. Роль подогревателя выполняет специальная нить накала 3 с выводами 4, размещаемая внутри цилиндра. Нить накала изолирована от катода и с этой целью обычно покрывает­ся теплостойким изолирующим составом - алундом.

Катоды прямого накала в большинстве случаев нельзя питать переменным током, так как ток эмиссии, определяемый темпера­турой катода, при питании переменным током изменяется во вре­мени так же, как и температура, т.е. с частотой, вдвое большей частоты переменного тока. Кроме того, при питании катода пря­мого накала переменным tоkom разность потенциалов между като­дом и электродами лампы изменяется во времени с частотой пита­ющего напряжения.

Отмеченные недостатки катода прямого накала устранены в катоде косвенного накала. Достоинством катода косвенного нака­ла является эквипотенциальность его поверхности. Однако при сравнении и оценке катодов следует учитывать то обстоятельство, что при использовании катода косвенного на­кала большое количество тепла уходит непроизводительно через большие неактивные поверхности, поэтому на нагрев такого ка­тода расходуется большая мощность. Иными словами, катод косвен­ного накала менее экономичен, чем катод прямого накала.

Термокатоды изготовляются либо из чистых металлов, либо из металлов, покрытых пленками инородного металла, либо из по­лупроводников. В зависимости от этого различают три основных типа катодов: металлические, пленочные и полупроводниковые.

Наибольшей работой выхода обладают металлические катоды, наименьшей - полупроводниковые катоды. Вследствие этого эмис­сионная способность катодов различна. Различие в физических свойствах материалов приводит к тому, что и многие другие важ­ные свойства катодов оказываются различными.

Типичным представителем металличе­ских катодов является вольфрамовый катод. Вольфрам имеет вы­сокую температуру плавления (-3700 К), обладает хорошей ков­костью и тягучестью, что позволяет изготовлять весьма тонкую и прочную проволоку для катодов прямого накала (порядка не­скольких микрометров). Недостатком вольфрама является его большая работа выхода ( ~ 4,6 эВ), а,следователно, и рабочая температура

Вольфрамовый катод конструктивно выполняется в виде като­да прямого накала, так как высокая температура, свойственная вольфрамовому катоду, делает нецелесообразным косвенный накал.

Кроме вольфрама для изготовления металлических катодов иногда используются молибден, тантал и ниобий, имеющие мень­шую работу выхода, но уступающие вольфраму в других свойствах. Так, например, при высоких температурах, молибден сильнее рас­пыляется, чем вольфрам, а тантал рекристаллизуется и становит­ся хрупким и ломким.

Пленочные катоды имеют меньшую работу выхода по сравнению с металлическими за счет создания на поверхности катода пленки электроположительных атомов. Представителями пленочных катодов являются, например, торированный карбидированный, барированный, металлогубчатый катоды. Работа выхода катодов ниже 2,63 эВ.

Пленочные катоды работают при более низ­кой рабочей температуре, чем металлические катоды, поэто­му является более экономичными.

Наиболее широкое распростране­ние в ЭВП получили полупроводниковые катоды, конструктивно выполненные в

виде металлического основания (керна) с нанесенным на него слоем окисей металлов и имеющие свойства электронного полупроводника. По этой причине такие катоды обычно называют оксидными.

Чаще всего используются окиси щелочно-земельных металлов - бария, стронция, кальция, причем главную роль в эмиссии элек­тронов играет окись бария. Внешняя работа выхода у оксидных катодов меньше, чем у металлических и пленочных, так как сила взаимодействия между вышедшим из полупроводника электроном и оставшимися в полупроводнике ионами (сила электрического взаимодействия) меньше. Кроме того, у них меньше и внутренняя работа выхода, а, следовательно, и полная работа выхода, которая составляет 1,1 – 1,3 эВ. Поэтому рабочая температура оксидного катода ниже, чем у металлического и пленочного, что и определяет их широкое применение в ЭВП. Конструктивно оксидные катоды выполняются как в виде прямого накала, так и в виде косвенного.

Параметры катодов. Оценка свойств термокатода производит­ся с помощью ряда показателей, называемых параметрами. К важ­нейшим параметрам катода относятся его рабочая температура, удельный ток эмиссии, эффективность и долговечность.

Рабочей температурой катода называют температуру, при номинальном напряжении накала (для пленочных и полупроводнико­вых катодов – это условие, когда работа выхода имеет наименьшее значение, для металлических – условие обеспечения достаточных тока эмиссии и долго­вечности). Это относится, как будет показано в дальнейшем, к.. Рабочая температура металлических катодов составля­ет 2300 - 2600 К, пленочных - 1800 - 2000 К и полупроводнико­вых - 900 - 1200 К.

Удельный ток эмиссии, определяемый отношением тока эмис­сии к площади катода, характеризует эмиссионную способность катода при рабочей температуре. Удельный ток эмиссии большин­ства используемых катодов составляет 100 - 1000 мА/см² . В от­дельных случаях некоторые полупроводниковые катоды позволяют получить в течение очень короткого времени (порядка несколь­ких микросекунд) удельную плотность тока эмиссии, в сотни раз превышающую указанные значения.

Экономичность катода характеризуется эффективностью, под которой понимается отношение тока эмиссии катода к мощности нагрева. Эффективность металлических катодов невелика и состав­ляет 4-14 мА/Вт. Более высокое значение соответствует более высокой температуре. Пленочные катоды имеют эффективность 30 -70 мА/Вт, а полупроводниковые - до 250 мА/Вт

Долговечность катода (срок службы) определяется временем, в течение ко­торого ток эмиссии сохраняет величину, не меньшую некоторой доли (обычно 70 – 80%) от первоначального (номинального) значения при одном и том же напряжении накала. Долговечность катодов изменяется в очень широких пределах - от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч часов. Среднее значение долговечности большинства катодов - 1000 часов.