Вакуумдық түтікшелерде катод түрлері

Кіріспе

Электродтың түрі

Вакуумдық және газға толы түтіктерде, ыстық катод немесе термоиондық катод – термоиондық эмиссия арқылы электрондарды шығару үшін қыздырылатын катод электроды. Бұл, жылыту элементі жоқ суық катодтан өзгеше. Жылыту элементі әдетте, одан жеке электр тогы өтетін электрлік жіп немесе спираль болып табылады. Ыстық катодтар, суық катодтарға қарағанда әлдеқайда жоғары қуат тығыздығына ие, бірдей беттен едәуір көп электрондарды шығарады. Суық катодтар өрістік электронды эмиссияға немесе оң иондардың бомбалауынан туындайтын екінші электронды эмиссияға сүйенеді және қыздыруды қажет етпейді. Ыстық катодтың екі түрі бар. Тікелей қыздырылатын катодта жіп немесе спираль өзі катод болып табылады және электрондарды шығарады. Ал күшті қыздырылатын катодта, қыздырғыш электрондарды шығаратын жеке металл катод электродын қыздырады. 1920-1960 жылдар аралығында көптеген электрондық құрылғыларда ыстық катодты вакуумдық түтіктер қолданылды. Бүгінде ыстық катодтар флуоресценттік шамдарда, вакуумдық түтіктерде, катодтық сәулелік түтіктерде және электрондық микроскоптар сияқты зертханалық жабдықта қолданылатын электрон көзі ретінде қолданылады.

Сипаттама

Вакуум түтігі немесе басқа вакуумдық жүйедегі катод электроды – түтіктің эвакуацияланған кеңістігіне электрондарды шығаратын металл беті. Теріс зарядталған электрондар металл атомдарының оң ядроларына тартылатындықтан, олар әдетте металдың ішінде қалады және одан шығу үшін энергия қажет. Бұл энергия металдың жұмыс функциясы деп аталады. Катодты температураға дейін қыздырады, нәтижесінде электрондар оның бетінен түтіктегі эвакуацияланған кеңістікке "қайнап" шығады, бұл процеске термиондық эмиссия деп аталады.

Оксидпен қапталған катодтар

Жанама қыздырылатын катодтың ең көп таралған түрі – оксидпен қапталған катод, онда никель катодтың беті эмиссияны арттыру үшін сілтілік жер металл оксидімен қапталған. Бұл мақсатта алғаш қолданылған материалдардың бірі барий оксиді болды; ол өте төмен жұмыс функциясы бар барийдің моноатомдық қабатын құрайды. Заманауи формулалар барий оксиді, стронций оксиді және кальций оксиді қоспасын пайдаланады. Тағы бір стандартты формула – 5:3:2 қатынаста барий оксиді, кальций оксиді және алюминий оксиді. Торий оксиді де қолданылуы мүмкін. Оксидпен қапталған катодтар шамамен 800-1000 °C температурада, қызғылт сары түсті қызып жұмыс істейді. Олар көптеген кішкентай шыны вакуумдық түтіктерде қолданылады, бірақ жоғары қуатты түтіктерде сирек қолданылады, себебі қаптама жоғары кернеуде катодты бомбалайтын оң иондармен бұзылады. Өндірістік ыңғайлылық үшін оксидпен қапталған катодтар көбінесе карбонаттармен қапталады, содан кейін олар қыздыру арқылы оксидтерге айналдырылады. Активация микротолқынды қыздыру, тікелей электр тогымен қыздыру немесе түтік ауасы тазаланатын машинада тұрғанда электронды бомбалау арқылы жүзеге асырылуы мүмкін, газдардың бөлінуі тоқтағанға дейін. Катод материалдарының тазалығы түтіктің қызмет ету мерзімі үшін маңызды. Катодты белсендіру процесінен кейін оксид катодтарының беткі қабаттарында барийдің мөлшері бірнеше он нанометрге дейін айтарлықтай артады. Оксид катодтарының қызмет ету ұзақтығын созылған экспоненциалдық функция арқылы бағалауға болады. Электронды эмиссия көздерінің сенімділігі жоғары жылдамдықты активатордың жоғары допингісімен айтарлықтай жақсартылады. Барий оксиді негізгі металдың кремний іздерімен әрекеттесіп, барий силикаты (Ba2SiO4) қабатын құрайды. Бұл қабаттың электрлік кедергісі жоғары, әсіресе үзілісті ток жүктемесі кезінде, және катодқа тізбектес кедергі ретінде әрекет етеді. Бұл, әсіресе, компьютерлік қолданыстарда қолданылатын түтіктер үшін қолайсыз, себебі олар ұзақ уақыт бойы ток өткізбей тұра алады. Барий қыздырылған катодтан сублимацияланып, жақын жердегі құрылымдарға жабысады. Электрондық түтіктер үшін, егер тор жоғары температураға ұшыраса және барийдің ластануы тордың өзінен электронды эмиссияны жеңілдетсе, қаптама қоспасына кальцийдің үлесі артырылады (кальций карбонатының 20% дейін). Филаменттің вольфрамына аз мөлшерде торий қосылады. Филамент шамамен 2400 °C температураға дейін қыздырылады, ал торий атомдары филамент бетіне жылжып, эмиссиялық қабатты құрайды. Филаментті көмірсутек атмосферасында қыздыру бетін көмірлендіреді және эмиссиялық қабатты тұрақтандырады. Торийленген филаменттер өте ұзақ қызмет етеді және жоғары кернеуде пайда болатын иондық бомбалауға төзімді, себебі жаңа торий үнемі бетке диффузияланып, қабатты жаңартады. Олар радио хабар таратушылар үшін барлық жоғары қуатты вакуумдық түтіктерде және кейбір жоғары сапалы үдеткіштерде қолданылады. Олардың қызмет ету мерзімі оксид катодтарынан ұзақ болады.

The most common type of indirectly heated cathode is the oxide coated cathode, in which the nickel cathode surface has a coating of alkaline earth metal oxide to increase emission. One of the earliest materials used for this was barium oxide; it forms a monatomic layer of barium with an extremely low work function. More modern formulations utilize a mixture of barium oxide, strontium oxide and calcium oxide. Another standard formulation is barium oxide, calcium oxide, and aluminium oxide in a 5:3:2 ratio. Thorium oxide may be used as well. Oxide coated cathodes operate at about 800 1000 °C, orange hot. They are used in most small glass vacuum tubes, but are rarely used in high power tubes because the coating is degraded by positive ions that bombard the cathode, accelerated by the high voltage on the tube. For manufacturing convenience, the oxide coated cathodes are usually coated with carbonates, which are then converted to oxides by heating. The activation may be achieved by microwave heating, direct electric current heating, or electron bombardment while the tube is on the exhausting machine, until the production of gases ceases. The purity of cathode materials is crucial for tube lifetime. The Ba content significantly increases on the surface layers of oxide cathodes down to several tens of nanometers in depth, after the cathode activation process. The lifetime of oxide cathodes can be evaluated with a stretched exponential function. The survivability of electron emission sources is significantly improved by high doping of high‐speed activator. Barium oxide reacts with traces of silicon in the underlying metal, forming barium silicate (Ba2SiO4) layer. This layer has high electrical resistance, especially under discontinuous current load, and acts as a resistor in series with the cathode. This is particularly undesirable for tubes used in computer applications, where they can stay without conducting current for extended periods of time. Barium also sublimates from the heated cathode, and deposits on nearby structures. For electron tubes, where the grid is subjected to high temperatures and barium contamination would facilitate electron emission from the grid itself, higher proportion of calcium is added to the coating mix (up to 20% of calcium carbonate). A small amount of thorium is added to the tungsten of the filament. The filament is heated white hot, at about 2400 °C, and thorium atoms migrate to the surface of the filament and form the emissive layer. Heating the filament in a hydrocarbon atmosphere carburizes the surface and stabilizes the emissive layer. Thoriated filaments can have very long lifetimes and are resistant to the ion bombardment that occurs at high voltages, because fresh thorium continually diffuses to the surface, renewing the layer. They are used in nearly all high power vacuum tubes for radio transmitters, and in some tubes for hi fi amplifiers. Their lifetimes tend to be longer than those of oxide cathodes.

Торийдің баламалары

Торийдің радиоактивтілігі және уыттылығына қатысты алаңдаушылықтар туындағандықтан, баламаларын табуға күш салынып жатыр. Олардың бірі – цирконийленген вольфрам, онда торий диоксидінің орнына цирконий диоксиді қолданылады. Басқа ауыстыру материалдары: лантан(III) оксиді, иттрий(III) оксиді, церий(IV) оксиді және олардың қоспалары.

Басқа материалдар

Тізімделген оксидтер мен боридтерден басқа да материалдар қолданылуы мүмкін. Мысалы, өткіш металлдардың карбидтері мен боридтері, мысалы, цирконий карбиді, гафний карбиді, тантал карбиді, гафний дибориді және олардың қоспалары. Әдетте IIIB (скандий, иттрий және кейбір лантаноидтар, көбінесе гадолиний және самарий) және IVB (хафний, цирконий, титан) топтарына жататын металдар таңдалады.

Катодты жылытқыш

Катодты қыздырғыш – вакуумдық түтікшеде немесе катодтық сәулелі түтікшеде катодты қыздыруға арналған қыздырылған сым. Бұл түтікшелердің дұрыс жұмыс істеуі үшін катод элементінің қажетті температураға жетуі керек. Сондықтан ескі электрондық құрылғылар қосылғаннан кейін «жылынуға» біраз уақыт қажет; бұл құбылысты кейбір қазіргі заманғы теледидарлар мен компьютерлік мониторлардың катодтық сәулелі түтікшелерінде әлі де байқауға болады. Катод температураға дейін қызып, оның бетінен электрондар түтікшедегі бос кеңістікке «қайнап» шығады, бұл процесс термиондық эмиссия деп аталады. Қазіргі заманғы оксидпен қапталған катодтар үшін қажетті температура шамамен 70-80 °C. Катод әдетте түтікшенің ортасындағы ұзын, тар металл жапырақ цилиндр түрінде болады. Қыздырғыш тостердегі қыздыру элементіне ұқсас, бірақ нәзік металл қорытпасынан, мысалы, нихромнан жасалған жіңішке сым немесе лентадан тұрады. Ол катодтың ортасынан өтеді, көбінесе кішкентай оқшаулағыш тіректерге оралады немесе қажетті жылуды өндіру үшін жеткілікті бетін беру үшін иықша тәрізді пішінге бүгіледі. Әдеттегі қыздырғыштардың сымы керамикалық қаптамамен қапталған. Катодты қаптаманың ұштарында тік бүгілген кезде сым ашыққа шығады. Сымның ұштары түтікшенің ұшынан шығып тұрған бірнеше штырғының екеуімен электрлік байланыста болады. Сым арқылы ток өткенде ол қызыл қызғылт түске енеді, ал сәулеленген жылу катодтың ішкі бетіне тиіп, оны қыздырады. Жұмыс істеп тұрған вакуумдық түтікшелерден шығатын қызыл немесе апельсин түсті жарқырау қыздырғыштан шығады. Катодта көп орын болмайды, сондықтан катод көбінесе қыздырғыш сымымен жанасып орналасады. Катодтың ішкі жағы алюминий оксиді (алюминий тотығы) қабатымен оқшауланады. Бұл жоғары температурада өте жақсы оқшаулағыш емес, сондықтан түтікшелер катод пен қыздырғыш арасындағы максималды кернеу үшін, әдетте 200-300 В дейін номиналдалады.

Қыздырғыштар төмен кернеулі, жоғары ток көзінен қуат алады. Желілік жабдықтарға арналған кішкентай қабылдағыш түтікшелері қыздыруға 0,5-4 Вт шамасында қуат қолданады; түзеуіштер немесе шығыс түтікшелері сияқты жоғары қуатты түтікшелер 10-20 Вт шамасында, ал тарату станцияларындағы түтікшелер катодты қыздыру үшін киловат немесе одан да көп қуатқа мұқтаж болуы мүмкін. Қажетті кернеу әдетте 5 немесе 6 вольт айнымалы ток болады. Бұл құрылғының қуат көзінің трансформаторындағы жеке «қыздыру орамы» арқылы қамтамасыз етіледі, ол сонымен қатар түтікшелердің пластиналары мен басқа электродтарына қажетті жоғары кернеуді де қамтамасыз етеді. Трансформаторсыз желілік радио және теледидар қабылдағыштарында қолданылатын бір тәсіл – барлық түтікшелердің қыздырғыштарын қорек желісіне қатарлап қосу. Барлық қыздырғыштардың номиналды тогы бірдей болғандықтан, олар кернеуді олардың қыздыру рейтингтеріне сәйкес бөліседі. Батареямен жұмыс істейтін радио қабылдағыштары қыздырғыштарға (көбінесе талшықтар деп аталады) тұрақты ток қуатын қолданды, ал батареялар жиынтығына арналған түтікшелер батареяны ауыстыруды үнемдеу үшін қажеттідей аз талшық қуатын пайдалануға арналған. Түтікшелермен жабдықталған радио қабылдағыштардың соңғы үлгілері жылытқыштар үшін 50 мА-дан аз қуатты субминиатюрлі түтікшелермен жасалды, бірақ бұл типтер оларды алмастырған транзисторлармен бір уақытта жасалды. Қыздырғыш тізбегінен ағып кету немесе шашыраған өрістер катодқа қосылуы мүмкін болған жағдайда, қыздыру үшін кейде тұрақты ток қолданылады. Бұл сезімтал аудио немесе өлшеу тізбектерінде шу көзін жояды. Төмен қуатты түтікшелік жабдықты пайдалану үшін қажетті қуаттың басым бөлігі қыздырғыштарда жұмсалады. Транзисторларда мұндай қуат талап етілмейді, бұл көбінесе үлкен артықшылық болып табылады.

Ақаулық режімдері

Жабылған катодтардағы эмиссиялық қабаттар уақыт өте келе баяу тозады, ал катодты тым көп токпен жүктегенде әлдеқайда жылдам. Соның салдарынан, құбырлардың қуаты және эмиссиясы әлсірейді немесе ЭЛТ-да жарықтылығы төмендейді. Белсенді электродтар оттегімен немесе басқа химиялық заттармен (мысалы, алюминий немесе силикаттар) жанасқанда бүлінуі мүмкін, олар қалдық газдар түрінде болуы, құбырға сызақтар арқылы енуі немесе құрылымдық элементтерден газ шығару немесе миграция арқылы бөлінуі мүмкін. Бұл эмиссияның төмендеуіне алып келеді. Бұл процеске катодтық улану деп аталады. Алғашқы Whirlwind компьютері үшін жоғары сенімді құбырлар жасау қажет болды, олардың жіптері кремний іздерінен мүлдем таза болуы керек еді. Эмиссиялық қабаттың баяу тозуы және жіптің кенеттен жануы мен жыртылуы – вакуумдық құбырлардың екі негізгі істен шығу түрі.