4.1.3. Способы нагрева катодов.

По способу нагрева катоды подразделяются на два вида: катоды прямого накала - (ток накала проходит непосредственно через катод; и б) косвенного накала (подогреваемые) - это катоды, нагреваемые специальными подогревателями за счет теплопроводности, лучеиспускания, электронной бомбардировки или высокочастотного нагрева.

Рис. 6.2. Катоды электронных ламп прямого накала: б) катод прямого накала с выводом от средней точки.

Катоды прямого накала – это преимущественно металлические, пленочные и оксидные катоды. Геометрическая форма катодов прямого накала зависит от общей конструкции и назначения электровакуумного прибора и может иметь различную форму. Например, при цилиндрической форме анода и управляющих электродов катод делается в виде прямолинейной нити, натянутой с помощью держателей. В лампах с плоской конструкцией анодов и управляющих электродов катоды изготавливают в виде V, W, Ω –образной формы (рис. 6.2). В некоторых случаях катоды изготавливают не из проволоки круглого сечения, а из плоской ленты. Это увеличивает рабочую поверхность катода и позволяет получать больший ток эмиссии. Достоинство таких катодов – простота устройства и возможность их изготовления для самых маломощных ламп на ток накала ≤ 10 мА.

Нагрев до рабочей температуры, как правило, постоянным током. При нагреве таких катодов переменным током ввиду их малой тепловой инерции (масса и теплоемкость материала малы) неизбежна пульсация температуры на эмитирующей поверхности, приводящая к пульсации плотности тока эмиссии с удвоенной частотой тока накала, (увеличивается при амплитудных значениях и уменьшается при нулевых значениях тока накала). При этом потенциалы в различных точках эмитирующей поверхности катода переменные а, следовательно, разность потенциалов между этими точками и другими электродами также оказывается переменной, что вызывает дополнительные пульсации тока электронного прибора с частотой тока накала. Пульсации тока создают помехи, искажая полезный сигнал. Например, если электровакуумный прибор является радиолампой, то пульсации проявляются в характерном гудении – фоне от переменного тока.

В радиолампах с тонкими катодами пульсации тока могут возникать также, за счет микрофонного эффекта – механических колебаний возникающих при действии звуковых волн от громкоговорителя и внешних механических воздействий. При постоянном воздействии звуковых волн возможна генерация незатухающих звуковых колебаний заглушающих полезный сигнал.

В ряде случаев прямонакальные катоды мощных ламп, изготовляют из проволоки большого диаметра (1-2) мм, и придают им, W-образную форму используя среднюю точку (рис. 6.2,б) для компенсации. Такие катоды допускают накал переменным током, так как потенциалы точек катода, равноудаленных от средней точки равны и противоположны по знаку.

Наиболее широкое применение в мощных электронных лампах получил, так называемый решётчатый катод (рис. 7.2) с развитой эмиссионной поверхностью. Цилиндрическая поверхность выполнена из бифилярно навитых торированных вольфрамовых проволочных спиралей (1), сваренных в местах пересечения витков. К основаниям проволочного цилиндра приварены металлические диски (2), к которым, в свою очередь, привариваются крепежные траверзы (3). Такая конструкция, благодаря малой массе, имеет малую тепловую инерцию, а, следовательно, катод способен отдавать полный ток эмиссии электронов через короткое время после включения накала.

Рис.7.2. Прямонакальный решетчатый катод.

Катоды косвенного накала (подогревные) по сравнению с катодами прямого накала конструктивно сложнее и их трудно изготовить на очень маленькие токи. Наиболее простые катоды данного типа представляют собой никелевый цилиндр с оксидным поверхностным (эмитирующим) слоем (рис 8.2). Внутрь вставлен вольфрамовый подогреватель, изолированный от катода керамикой из алунда ( -Al₂O₃). Такой тип нагрева катода называется кондуктивным либо контактным. Кондуктивные нагреватели с алундовым изолятором используют только в катодах, работающих при невысоких температурах. Причиной этого является интенсивное взаимодействие вольфрама с оксидом алюминия. В качестве изолятора в ряде случаев применяют керамику из оксида иттрия (Y₂O₃) которая при температурах ≥1800 К, хотя и взаимодействует с вольфрамом, но относительно медленно.

Для катодов косвенного накала работающих в области высоких температур наиболее распространен тип нагревателя с электронным накалом. В этом случае нить нагревателя играет роль внутреннего вспомогательного катода. Электроны, эмитированные с нити, ускоряясь за счет высокого напряжения (1-3) кВ приложенного между нитью и основным катодом, бомбардируют основной катод, вызывая его разогрев. Катод с таким нагревателем наиболее экономичен, поскольку потребляемая мощность вводится при удобном соотношении тока и напряжения и выделяется непосредственно в рабочем катоде. Например, для разогрева полупроводникового катода с площадью 50 см² с мощностью накала 4кВт обычный нагреватель должен иметь параметры 40 В×100 А, что требует мощных (сильноточных) вводов в вакуумный баллон. При электронном накале для той же мощности 2 кВ×2 А сильноточные вводы не нужны, а с точки зрения схемотехники, такое соотношение предпочтительнее. Основной недостаток данного способа нагрева это дополнительный высоковольтный источник питания и, естественно, необходимость в высоковольтной и более высокоомной изоляции. Существенные конструктивные затруднения, если анод электронно-вакуумного прибора заземлен. В этом случае при подаче высокого напряжения

Рис. 8.2. Устройство сложных катодов: а) плоский; б) цилиндрический; в) цилиндрический прямого накала; г) цилиндрический импрегнированный катод косвенного нагрева.

на катод все «накальные» источники и цепи оказываются под высоким потенциалом относительно корпуса (земли). Вспомогательный катод, как правило, из вольфрама работает при высокой температуре и ввиду сильного испарения имеет малый срок службы.

Главное достоинство катодов косвенного накала это отсутствие вредных пульсаций при нагреве переменным током. Поверхность катодов косвенного накала эквипотенциальна. Вдоль катода нет падения напряжения от тока накала. Анодное напряжение для всех точек поверхности катода одно и то же и не пульсирует при колебаниях напряжения накала. Ввиду большой массы микрофонный эффект сводится к минимуму