Термокатоды, их назначение. Конструкция и классификация. Достоинства и недостатки каждого вида.

Термокатоды применяются во всех электровакуумных и электроннолучевых приборах, технологических и исследовательских установках. Они должны создавать как можно больший поток первичных электронов при наименьших затратах энергии в течение максимально долгого времени. Их принять характеризовать четырьмя параметрами:

- рабочей температурой ;

- плотностью тока эмиссии при рабочей температуре, связанной с рабочей температурой формулой Ричардсона – Дашмэна

- эффективностью , равной отношению рабочего тока к электрической мощности , затрачиваемой на подогрев катода,

- долговечностью , измеряемой в часах непрерывной эмиссии рабочего тока при рабочей температуре.

Из формулы Ричардсона – Дашмэна следует, что больший рабочий ток можно отобрать от термокатода, способного работать при более высокой температуре, либо обладающего меньшей работой выхода. Оба подхода используются при разработке реальных термокатодов.

По физико-химической природе эмитирующего материала термокатоды принято делить на следующие классы:

- тугоплавкие;

- торированные;

- оксидные;

- боридные;

- карбидные;

- редкоземельные.

Тугоплавкие термокатоды изготавливают из металлов с высокой температурой плавления – вольфрама W , тантала Ta , реже молибдена Мо . Конструктивно они представляют собой металлическую нить, разогреваемую омическим теплом при протекании электрического тока, поэтому их называют прямонакальными. Эмиссионные постоянные и работы выхода перечисленных металлов приведены в Таблице 2.1. Рабочие температуры тугоплавких термокатодов на 300 – 600К ниже температуры плавления, поэтому токи термоэмиссии оказываются весьма значительными, .

Главный недостаток прямонакальных тугоплавких термокатодов – невысокие экономичность и долговечность из-за больших затрат мощности на подогрев и испарения материала. Эффективность их обычно лежит в интервале , а долговечность не превышает .

Табл.2.1

Металл
W	4,55
Ta	4,19
Mo	4,20

Значительно лучшими параметрами обладают плёночные термокатоды. Их получают нанесением монослоя электроположительных атомов на эмиттирующую поверхность. Исторически первым катодом такого типа стал торированный катод – вольфрамовая нить, покрытая слоем атомов тория. Электроположительные атомы охотно отдают один из валентных электронов вольфраму. В результате на поверхности образуется искусственный двойной электрический слой, поле которого противоположно полю динамического двойного слоя (рис.2.1). Работа выхода торированного вольфрамового термокатода снижается до , что позволяет отбирать ток эмиссии при температуре .

Рис.2.1. Механизм снижения работы выхода плёночного

термокатода.

Оксидные катоды также относятся к плёночным, но происхождение слоя электроположительных атомов на их поверхности совершенно иное. Ещё в 1903 году немецкий физик Артур Венельт (1871 – 1944) обнаружил, что платиновая проволока, покрытая слоем карбоната кальция , обладает такой же эмиссией, что и W при . В дальнейшем был найден оптимальный состав смеси карбонатов и режимы их термообработки, обеспечивающие максимальную эмиссию. Катоды с оксидным эмиттирующим слоем подогреваются независимым электрическим нагревателем. Конструктивно они представляют собой цилиндр, на боковую поверхность или торец которого наносится слой карбонатов. В процессе термообработки карбонаты превращаются по реакции

в оксиды, которые спекаются в монолитный пористый слой. По зонной структуре он является полупроводником n – типа с широкой запрещённой зоной и малым электронным сродством . Столь малое значение сродства обусловлено образованием на поверхности оксидного монослоя электроположительных атомов . Работа выхода полупроводника n – типа, как отмечалось ранее, ненамного превышает величину электронного сродства, и составляет .

Оксидные термокатоды этого типа значительно эффективнее тугоплавких, а по долговечности значительно их превосходят (Табл.2.2)

Табл.2.2

Тип катода				Долговечность, ч
W	2700
W - Th	1900
BaO	1100

В 50-е – 60-е годы прошлого века для приборов СВЧ - электроники, электронных микроскопов и технологических установок были предложены термокатоды на основе боридов и карбидов переходных металлов и редкоземельных элементов. Катоды на основе монокристаллического гексаборида лантана при температуре обеспечивают токи эмиссии до . Гексаборидбариевые -катоды отдают токи до , но при этом и рабочая температура их равна . Работа выхода карбидных катодов достаточно велика, но зато они способны длительно работать при температурах, превышающих , отдавая токи эмиссии до . Эмиссионные параметры некоторых современных катодных материалов приведены в Табл. 2.3.

Табл.2.3

Материал катода
	3,0
		-	-	-
		-
			-	-
Моно- (100)		-

Долговечность катодов определяется главным образом скоростью термического испарения эмитирующего слоя либо скоростью его распыления бомбардирующими ионами. Эти процессы прогнозируемы. Современные маломощные термокатоды устойчиво работают до 100000 часов. Долговечность мощных термокатодов не превышает 10000 часов. Рекордную долговечность продемонстрировал катод мощного тетрода на радиостанции Лос-Анджелеса. После 80000 часов работы он был признан вполне годным и помещён на хранение в ЗИП.

Сократить срок службы термокатода может внезапная потеря эмиссии. Это может произойти по причине его механического разрушения либо вследствие “отравления”. Отравлением термокатода называется осаждение на эмитирующую поверхность монослоя электроотрицательных атомов. Наиболее опасным отравителем является кислород. Он способен захватывать электроны из катода и образовывать, таким образом, поверхностный двойной электрический слой, поле которого совпадает по направлению с полем динамического двойного слоя (рис. 2.2). Вследствие этого работа выхода сильно увеличивается. Например, монослой кислорода на вольфраме повышает работу выхода до ! Преодолеть такой потенциальный барьер при у электрона нет никаких шансов. Поэтому предотвращение “отравления”– важнейшая задача при проектировании и изготовлении термокатодов.

Рис. 2.2. Энергетическая диаграмма “отравленного” термокатода

7. Вакуумный диод. Конструктивная схема включения характеристики.

8. Закон степени 3/2.

Токи в вакууме ограниченные пространственным зарядом. Закон «трех вторых»

При больших плотностях тока термоэлектронной эмиссии на вольт-амперную характеристику существенное влияние оказывает объемный отрицательный заряд, возникающий между катодом и анодом. Этот объемный отрицательный заряд препятствует достижению вылетевшим из катода электронам анода. Таким образом, ток анода оказывается меньше, чем ток эмиссии электронов с катода. При приложении к аноду положительного потенциала дополнительный потенциальный барьер у катода, создаваемый объемным зарядом, понижается и анодный ток растет. Такова качественная картина влияния пространственного заряда на вольт-амперную характеристику термодиода. Теоретически этот вопрос был исследован Ленгмюром в 1913 г.

Вычислим при ряде упрощающих предположений зависимость тока термодиода от приложенной между анодом и катодом внешней разности потенциалов и найдем распределение поля, потенциала и концентрации электронов между анодом и катодом при учете пространственного заряда.

Рис. 14. К выводу закона "трех вторых"

Допустим, что электроды диода плоские. При небольшом расстоянии между анодом и катодом d их можно считать бесконечно большими. Начало координат поместим на поверхности катода, а ось X направим перпендикулярно этой поверхности в сторону анода (рис. 14). Температуру катода будем поддерживать постоянной и равной Т. Потенциал электростатического поля j, существующего в пространстве между анодом и катодом, будет функцией только одной координаты х. Он должен удовлетворять уравнению Пуассона

, (20)

здесь r – объемная плотность заряда; n – концентрация электронов; j, r и n являются функциями координаты х.

Учитывая, что плотность тока между катодом и анодом

а скорость электрона v можно определить из уравнения

,

где m – масса электрона, уравнение (20) можно преобразовать к виду

, . (21)

Это уравнение надо дополнить граничными условиями

, . (22)

Эти граничные условия следуют из того, что потенциал и напряженность электрического поля у поверхности катода должны обращаться в нуль. Умножая обе части уравнения (21) на dj/dx, получим

. (23)

Учитывая, что

(24а)

и , (24b)

запишем (23) в виде

. (25)

Теперь можно проинтегрировать обе части уравнения (25) по х в пределах от 0 до того значения x, при котором потенциал равен j. Тогда, учитывая граничные условия (22) получим

(26)

или

. (27)

Интегрируя обе части (27) в пределах от х =0, j =0 до х =1, j=V_a, получим

. (28)

Возведя обе части равенства (28) в квадрат и выражая плотность тока j из а согласно (21), получим

, (29)

где

. (30)

Формула (29) называется "законом трех вторых" Ленгмюра.

Этот закон справедлив для электродов произвольной формы. От формы электродов зависит выражение для численного коэффициента. Полученные выше формулы позволяют вычислить распределения потенциала, напряженности электрического поля и плотности электронов в пространстве между катодом и анодом. Интегрирование выражения (26) в пределах от х =0 до того значения, когда потенциал равен j, приводит к соотношению

, (31)

т.е. потенциал меняется пропорционально расстоянию от катода х в степени 4/3. Производная dj/dx характеризует напряженность электрического поля между электродами. Согласно (26), величина напряженности электрического поля Е ~ х ^1/9. Наконец, концентрация электронов

(32)

и, согласно (31) n (x)~ (1/ x)^2/9.

Рис 15. Влияние объемного заряда на распределение потенциала между анодом и катодом при разных значениях анодного напряжения

Зависимости j (х), Е (х) и n (х) приведены на рис. 15. Если х →0, то концентрация устремляется к бесконечности. Это является следствием пренебрежения тепловыми скоростями электронов у катода. В реальной ситуации при термоэлектронной эмиссии электроны покидают катод не с нулевой скоростью, а с некоторой конечной скоростью эмиссии. В этом случае анодный ток будет существовать даже в том случае, если вблизи катода имеется небольшое обратное электрическое поле. Следовательно, объемная плотность заряда может измениться до таких значений, при которых потенциал вблизи катода уменьшится до отрицательных значений (рис 16). При увеличении анодного напряжения минимум потенциала уменьшается и приближается к катоду (кривые 1 и 2 на рис. 16). При достаточно большом напряжении на аноде минимум потенциала сливается с катодом, напряженность поля у катода становится равной нулю и зависимость j (х) приближается к (29), рассчитанной без учета начальных скоростей электронов (кривая 3 на рис. 16). При больших анодных напряжениях пространственный заряд почти полностью рассасывается и потенциал между катодом и анодом меняется по линейному закону (кривая 4, рис. 16).

Рис 16. Влияние объемного заряда на распределение потенциала между анодом и катодом

Рис.17. Распределение потенциала при расчете плотности тока по формуле (33)

Таким образом, распределение потенциала в межэлектродном пространстве при учете начальных скоростей электронов значительно отличается от того, который положен в основу идеализированной модели при выводе закона "трех вторых". Это приводит к изменению и зависимости плотности анодного тока. Расчет, учитывающий начальные скорости электронов, для случая распределения потенциала, показанного на рис. 17, и для цилиндрически электродов дает следующую зависимость для полного тока термоэлектронной эмиссии I (I = jS, где S – площадь поперечного сечения термотока):

. (33)

Параметры x_m и V_m определяются видом зависимости j (х), смысл их понятен из рис. 17. Параметр х_m равен расстоянию от катода, на котором потенциал достигает своего минимального значения = V_m. Множитель C (x_m), кроме x_m, зависит от радиусов катода и анода. Уравнение (33) справедливо при небольших изменениях анодного напряжения, т.к. и х_m и V_m, как это обсуждалось выше, зависят от анодного напряжения.

Таким образом, закон "трех вторых" не имеет универсального характера, он справедлив лишь в сравнительно узком интервале напряжений и токов. Однако он является наглядным примером нелинейного соотношения между силой тока и напряжением электронного прибора. Нелинейность вольт-амперной характеристики является наиболее важной особенностью многих элементов радио- и электротехнических схем, включая элементы твердотельной электроники.

9. Вакуумный триод. Конструкция, принцип действия, схема включения, назначение.

10. Пентод. Конструкция, принцип действия, схема включения, назначение.

11. Тетрод. Конструкция, принцип действия, схема включения, назначение.

12. Электронно-лучевые приборы. Конструкция, принцип действия, схема включения, назначение.

13. Электронно-лучевая трубка с электростатическим отклонением луча. Осциллографическая трубка.

14. Электронно-лучевая трубка с электромагнитным отклонением луча.

Дата добавления: 2015-08-18