Podstawowe informacje o katodach stosowanych w lampach elektronowych

Źródłem elektronów w lampie jest zawsze katoda, lecz metody uzyskiwania emisji elektronów mogą być różne. Najpopularniejsza jest zdecydowanie katoda gorąca, tzw. termokatoda, gdzie źródłem promieniowanych elektronów jest wysoka temperatura - od 600 do 1200 stopni Celsjusza. Początkowo katodą był drucik wolframowy lub z innego trudnotopliwego metalu, identyczny jak żarniki w zwykłych żarówkach. Ma on jednak wadę - emituje tych elektronów bardzo niewiele na jednostkę powierzchni, i wymaga dostarczenia dużych mocy - należy go podgrzać do wysokiej temperatury, wyższej niż w innych rodzajach katod, dlatego też katoda wolframowa aby uzyskać zadaną wielkość emisji elektronów musi być większa (a dokładniej mieć większą powierzchnię) niż inne rodzaje katod i zużywa dużo więcej mocy na żarzenie

Poradzono sobie z tym pokrywając powierzchnię emitującą drucika różnymi materiałami: torem (katoda torowana), tlenkami baru i strontu lub innych metali alkalicznych (katoda tlenkowa) i innymi. Materiały te, w zależności od rodzaju mają w tej samej temperaturze nawet kilkunastokrotnie większą emisyjność z tej samej jednostki powierzchni w porównaniu do czystego wolframu. Tak więc, aby uzyskać taki sam prąd katody jak dla katody wolframowej w porównaniu z nią katody te mogą być mniejsze, i pracować w niższej temperaturze, dzięki czemu wymagają znacznie mniej mocy do żarzenia. Niestety katody te mają swoje wady, do najistotniejszych z nich należy ograniczona żywotność tych katod (do 15000 godzin pracy) spowodowana powolnym parowaniem cieniutkiej powierzchni aktywnej i jej "zatruwaniem" przez resztki gazów. Dodatkowo są bardzo wrażliwe na pracę w niewłaściwej temperaturze - za mała i za duża kilkukrotnie obniża ich żywotność. Drugą wadą jest to, że nie mogą pracować przy bardzo dużych wartościach napięć anodowych. Niemniej jednak, ze względu na swoje zalety są stosowane niemal wyłącznie w lampach odbiorczych (małej mocy) i w lampach nadawczych mniejszej mocy, a katoda torowana w lampach nadawczych dużej mocy.

Jeżeli element grzejny (drucik wolframowy, ewentualnie pokryty materiałem polepszającym emisję) jest jednocześnie elementem emitującym elektrony mówimy o katodzie bezpośrednio żarzonej, bo element grzejny bezpośrednio emituje elektrony. W sytuacji, gdy element grzejny tylko ogrzewa element emitujący elektrony (na ogół jest to rurka metalowa, wewnątrz której jest umieszczony drut grzejnika), ale jest od niej elektrycznie odizolowany, to mamy katodę żarzoną pośrednio. Umożliwia ona bezproblemowe żarzenie lamp prądem zmiennym, lub podłączenie katody lampy do innego potencjału niż napięcie żarzeia. Lampę żarzoną pośrednio jeżeli chcemy żarzyć prądem zmiennym, to zmienne napięcie żarzenia obecne na katodzie dodaje się do napięcia sygnału i generuje zakłócenia (przydźwięk)  w układzie, aby wyeliminować ten wpływ trzeba budować specjalne układy, a i tak nie zawsze się da wyeliminować go w pełni. W przypadku katody pośrednio żarzonej problem odpada - zmienne napięcie żarzące nie przedostaje się do odizolowanej katody, która może być podłączona do dowolnego potencjału stałego. Inną zaletą katod pośrednich jest możliwość wspólnego żarzenia kilku lamp, których katody są połączone do różnych napięć. Dla lamp żarzonych bezpośrednio żarzenie każdej lampy musiałoby mieć oddzielne zasilanie, co bardzo komplikuje układ. Wadą katod pośrednio żarzonych jest większa moc potrzebna do ich poprawnej pracy, jednak ich zalety powodują, że w przypadku lamp odbiorczych jest stosowana prawie wyłącznie. Wyjątkiem są tylko lampy przeznaczone do zasilania z baterii - baterie dają prąd stały, więc nie ma kłopotów z przydźwiękiem, a przy zasilaniu bateryjnym ważne jest oszczędzanie energii. Innym istotnym parametrem katod jest współczynnik wykorzystania katody - jest to stosunek maksymalnego dopuszczalnego prądu jaki katoda może emitować w czasie pracy do maksymalnego prądu możliwego do uzyskania przy danej temperaturze katody.

Jako katody pośrednio żarzone stosowane są w zasadzie wyłącznie katody tlenkowe, pozostałe rodzaje katod są katodami bezpośrednio żarzonymi. Ponadto różne rodzaje katod mają różne właściwości. Najprostszą technologicznie i jednocześnie mającą najgorsze parametry jest katoda wolframowa. Ma ona najwyższą temperaturę pracy ze wszystkich rodzajów katod - 2500K, charakteryzuje się najmniejszą emisyjnością na jednostkę powierzchni katody i na jeden wat mocy zużytej na żarzenie. Jednak bez żadnej szkody dla katody jej normalny prąd w czasie pracy może osiągać wartości bliskie maksymalnej możliwej emisji - współczynnik wykorzystania katody jest bliski jedności. Katoda wolframowa jest odporna na silne pola elektryczne - może pracować w lampach w których napięcie anody osiąga bardzo duże wartości - nawet powyżej 100kV, jest też jednocześnie w miarę trwała - jej trwałość jest ograniczona prędkością parowania wolframu z powierzchni i silnie zależy od temperatury - im większa temperatura tym mniejsza trwałość, ale za to większa emisyjność. W praktyce tak się dobiera temperaturę katody aby trwałość wynosiła kilka tysięcy godzin, jednak jeżeli nie jest wymagany duży prąd katody temperaturę można obniżyć - katoda wolframowa nie jest wrażliwa na niedożarzenie. Katoda wolframowa nie jest już praktyce używana - stosuje się ją tylko wtedy, gdy bardzo duże napięcia anodowe nie pozwalają na użycie katod o lepszych parametrach, albo w sytuacji gdy zalezny nam na pracy lampy z maksymalną możliwą emisją (nasycenie katody) - stosowane np. w lampach szumowych.

Katoda torowana jest w zasadzie odmianą katody wolframowej - jest to drucik wolframowy z niewielkim (1 - 2%) dodatkiem toru. Przez specjalne przygotowanie katody nazywane aktywowaniem tworzy się na powierzchni tego drucika cienka, kilkuatomowej grubości zaledwie warstwa toru, która sprawia że emisyjność takiej powierzchni gwałtownie rośnie, lecz współczynnik wykorzystania katody jest znacznie mniejszy - ok. 0,2 - 0,3. Tor odparowujący z powierzchni jest uzupełniany dyfuzją z głębi drucika. Katoda ta ma dużo lepsze parametry - emisyjność na jednostkę powierzchni i w stosunku do mocy żarzenia, ma też jednak wady: jest bardzo wrażliwa na zmianę temperatury pracy - w za wysokiej temperaturze warstwa toru szybciej paruje niż jest uzupełniana dyfuzją z głębi drucika, w za niskiej gwałtownie spada prędkość dyfuzji toru. Niewłaściwe żarzenie może spowodować znaczny spadek jej trwałości (zmiana napięcia żarzenie o kilka procent powoduje spadek trwałości o połowę), podobnie zanieczyszczenie powierzchni jonami i resztkami gazów. Z tego ostatniego względu katody torowane wymagają bardzo dobrej próżni w lampie i nie mogą pracować przy tak wysokich napięciach jak katody wolframowe, chociaż napięcie te osiągają wartości do 30kV. Katody te stosowane są głównie do lamp nadawczych i prostowniczych wysokonapięciowych (do 30kV), kiedyś również były stosowane do normalnych lamp odbiorczych.

Najpopularniejszym rodzajem katod jest katoda tlenkowa. Jest to rdzeń metalowy, najczęściej niklowy, pokryty warstwą tlenków zapewniających odpowiednie własności emisyjne. Katoda może być wykonana jako bezpośrednio żarzona - powierzchnia drucika oporowego stanowiącego żarnik jest pokryta wartswą tlenków (np. w lampie AZ1) lub pośrednio - katoda jest rurką  pokrytą tlenkami wewnątrz której znajduje się odizolowany od niej żarnik (np. AC2). W czasie pracy tlenki rozkładają się na powierzchni katody tworząc cieniutką kilkuatomową warstwę aktywną. Atomy które odparują z powierzchni są podobnie jak w katodzie wolframowej uzupełniane dyfuzją z głębszych warstw. Katoda ta ma doskonałe własności emisyjne - charakteryzuje się bardzo dużą emisyjnością, dużą sprawnością - potrzebuje stosunkowo małej mocy żarzenia do uzyskania odpowiedniego prądu katody, oraz niską temperarurą pracy - ok. 1100K. Jest też znacznie mniej wrażliwa na niewłaściwą temperaturę - różnica 5% mocy żarzenia nie wpływa znacząco na jej trwałość. Niestety, katoda tlenkowa jest za to bardzo wrażliwa na zatruwanie jonami, do tego jeżeli jony te mają dużą energię (w sytuacji gdy napięcie anodowe osiąga duże wartości) wnikają one głęboko w warstwę tlenków niszcząc jej strukturę, dlatego napięcia anodowe lamp z katodą tlenkową nie mogą przekraczać 2kV. Inną niekorzystną cechą jest obecność tzw. oporności skrośnej - jest to oporność warstwy tlenków pomiędzy emitującą powierzchnią a metalowym podłożem - może osiągać wartości kilkuset omów na cm² powierzchni!. Zatrucie katody jonami powoduje dodatkowo silny wzrost tej oporności. Ze względu na istnienie oporności skrośnej współczynnik wykorzystania katody jest bardzo niewielki - nawet 0.01. Oporność ta pojawia się dopiero po pewnej chwili (kilku mikrosekund) przy poborze dużego prądu z katody, więc katody te mogą pracować impulsowo osiągając chwilowo dużo większy prąd niż przy pracy ciągłej, jednak po takim impulsie musi nastąpić czas przerwy w którym katoda się regeneruje. Jeżeli katoda oddaje zbyt duży prąd przy pracy ciągłej na oporności skrośnej odkłada się pewne napięcie, co powoduje powstanie w tej warstwie silnego pola elektrycznego (warstwa ta jest bardzo cienka, więc nawet niewielkie napięcie wytworzy bardzo silne pole). Jeżeli pole to będzie zbyt silne to nastąpi przebicie warstwy tlenków, widoczny będzie przy tym błysk, oraz zostanie wytworzona pewna ilość gazów (jest to widoczne często w lampie prostowniczej jeżeli wyjście zasilacza jest zwarte). Wyładowanie takie nie niszczy katody, ale zmniejsza żywotność lampy ze względu na emisję gazu. Pomimo swoich wad katody tlenkowe są stosowane do praktycznie wszystkich lamp odbiorczych i nadawczych małej mocy, mają trwałość rzędu kilku tysięcy godzin w normalnym wykonaniu, a w wykonaniu specjalnym (specjalne tlenki, inna technologia redukująca opór skrośny itp) kilkadziesiąt tysięcy a nawet powyżej stu tysięcy godzin pracy.

Drugim dość powszechnie używanym rodzajem katod jest fotokatoda - emisja elektronów powstaje na skutek oświetlenia powierzchni katody światłem o odpowiedniej długości fali. Wydajność tej katody jest bardzo mała, zależy liniowo od jej rozmiarów i natężenia światła, stosowana jest wszędzie tam, gdzie trzeba zmierzyć jasność oświetlenia, albo tylko wykryć fakt oświetlenia lub nieoświetlenia przedmiotu (fotokomórka).

Ostatnim powszechniej spotykanym rodzajem katod jest katoda wtórna. Emisja z tej katody zachodzi pod wpływem bombardowania jej odpowiednio szybkimi elektronami, które uderzając o jej powierzchnię wybijają z niej nowe elektrony. Potrafi ona wzmacniać prąd (ale nie moc!), gdyż jeden elektron padający może wybić kilka elektronów wtórnych, oczywiście łączna energia tych elektronów nie może być większa od energii elektronu wybijającego. Katoda tego typu była stosowana dawniej w lampach odbiorczych, tzw. lampach o emisji wtórnej w celu uzyskania ich specjalnych parametrów, m.in. dużego wzmocnienia, oraz w krotnikach fotoelektrycznych, inaczej nazywanych fotopowielaczami.

Strona główna