Использованы материалы: Цыганова Л. Электронные лампы. "Радио", 1959. - N6. - P.31-35.
Электронные лампы
Работа электронной лампы основана на движении электронов в вакууме - под действием электрического поля в пространстве между электродами.
Каким же образом получаются в электронной лампе свободные электроны и под действием каких сил они движутся?
Источником свободных электронов в лампе является один из ее электродов, называемый катодом; в простейшем случае катод представляет собой тонкую металлическую проволоку. В металле имеется много слабо связанных с атомами электронов, которые находятся в постоянном хаотическом движении. Однако при обычных температурах скорость электронов, а значит и их кинетическая энергия, недостаточны для преодоления сил, препятствующих их вылету из металла во внешнее пространство.
При нагревании металла скорость хаотического движения электронов увеличивается и при известной температуре, вполне определенной для каждого металла, она становится достаточной для преодоления силы притяжения положительно заряженного ядра и электроны получают возможность покидать поверхность металла. Поскольку не все электроны имеют одинаковые скорости, при каждой температуре только некоторая часть электронов разгоняется до скорости, достаточной для вылета. Чем выше температура металла, тем большее количество электронов способно покинуть его поверхность. Чтобы начался вылет электронов в заметных количествах, чистые металлы необходимо нагревать примерно до 2000° К (рис. 1)
Явление испускания электронов раскаленными металлами называется термоэлектронной эмиссией. Величина ее характеризуется током эмиссии Ie, который зависит от числа электронов, вылетающих с поверхности катода в течение одной секунды. Это явление используется в работе электронных ламп, ионных приборов (газотроны и тиратроны) и электронно-лучевых трубок.
Электроны могут уйти с поверхности катода, только если они обладают необходимой для этого энергией. Если электрон не обладает такой энергией, то он не может уйти от поверхности катода и снова падает на катод. Таким образом вокруг катода образуется электронное облако, снижающее его потенциал. Электронам, вылетающим из поверхности катода, приходится двигаться в тормозящем поле и на это затрачивается определенная энергия. Кроме того, каждый электрон, покинувший катод, вызывает появление положительного заряда на поверхности катода. То есть в непосредственной близости от поверхности катода образуется электростатическое поле, которое удерживает вылетевший электрон, стремится вернуть его в начальное положение. Обе силы являются сугубо поверхностными и действуют лишь в непосредственной близости от поверхности катода (первая на расстоянии 3*10 -8 см, а вторая - 10 -7 см). Чтобы преодолеть их действие и покинуть поверхность катода электрон должен совершить работу вылета, равную для большинства металлов 2-5 э. В. (электрон - вольт).
Катоды.
Качество любого катода определяется следующими его параметрами: эффективностью, удельной эмиссией и долговечностью.
Эффективностью катода Н называется отношение полного тока эмиссии Ie к мощности, расходуемой на накал катода Рн:
Удельной эмиссией катода называется электронная эмиссия с 1 см2 поверхности. Измеряется она в A/см2 и мА/см2.
Долговечность (срок службы) катода t определяется временем его работы, в течение которого эмиссионный ток обеспечивает нормальное действие лампы. Гарантированный заводом срок службы различных приборов колеблется в пределах от 500-2000 до нескольких десятков тысяч часов.
Все перечисленные параметры катода имеют резкую зависимость от температуры его поверхности. Зависимость эффективности и долговечности катода (вольфрамового) от температуры показана на рис. 2.
Применяющиеся в настоящее время катоды можно разделить на три группы.
К первой группе относятся чистометаллические катоды. Чаще всего для большинства чистометаллических катодов применяют вольфрам, реже тантал и ниобий. Учитывая зависимость H и t от температуры (рис. 2) рабочую температуру вольфрамового катода из тонкой проволоки выбирают равной 2400° К, а из проволоки большого диаметра (1-2 мм) -2600" К. При таком режиме работы эффективность вольфрамовых катодов колеблется от 2 до 10 мА/Вт при долговечности свыше 1000 час. Основным недостатком вольфрамовых катодов является их низкая экономичность.
Ко второй группе относятся активированные металлические катоды (торированные, карбидированные). Торированные катоды работают при меньшей температуре (1700-1900°К) и обладают значительно большей эффективностью (25-40 мА/Вт) чем вольфрамовые.
Более современным, чем торированный является карбидированный катод. Рабочая температура карбидированных катодов 1950-2000° К, а эффективность их достигает 50-70 мА/Вт.
Наиболее совершенными в настоящее время считаются катоды третьей группы, в которую входят оксидные и бариевые катоды.
В большинстве электровакуумных приборов применяются оксидные катоды. Рабочая температура оксидного катода равна 1000-1200° К, а эффективность его - 60-100 мА/Вт.
Высокой эффективностью (70-120 мА/Вт), обладает и бариевый катод, причем рабочая температура его не превышает 750-900° К. Однако, он очень чувствителен к ионной бомбардировке, и поэтому не может работать в лампах с высоким анодным напряжением.