Частные уроки по физике

Торированный катод
При нормальных рабочих температурах вольфрамового катода (2 400 2 600° К) торированный вольфрам дает такую же эмиссию, как и чистый вольфрам, так как в его поверхности атомов тория нет.

Для получения активированного катода с высокой эмиссионной способностью торированный вольфрам подвергается термической обработке в следующем порядке: сначала проволоку нагревают в течение 0,5 1 min. до температуры 2 700 2 800° К; при такой температуре окись тория начинает разлагаться, причем восстанавливающийся из окиси металлический торий диффундирует на поверхность вольфрамовой проволоки.

Но при такой высокой температуре выходящие на поверхность вольфрама атомы тория сейчас же испаряются с нее. Поэтому после процесса восстановления, когда в толще проволоки создается запас свободного тория, следует провести процесс активирования катода, при котором катод нагревают в течение 15 -г- 20 min. до температуры порядка 2100° К, при которой восстановление тория прекращается, но свободный торий еще диффундирует на поверхность.

При температурах ниже 2 200° К скорость диффузии атомов тория на поверхность больше чем скорость их испарения, поэтому в результате поверхность вольфрама покрывается слоем металлического тория. Слой этот получается одноатомным потому, что при таких высоких температурах атомы тория держатся только на поверхности вольфрама, если же они окажутся на" поверхности тория (например, в случае двухатомного слоя), то силы сцепления оказываются слишком малыми и лишние слои тория испаряются.

Обработанный таким образом катод обладает гораздо большей эмиссией, чем чисто вольфрамовый. При нормальных рабочих температурах (I 800-f- 1 900° К) тарированный катод имеет эффективность Я = 20 50 mA W при сроке службы в 1 000 h и выше. Такая сравнительно низкая рабочая температура выбирается потому, что при более высоких температурах торий слишком быстро испаряется с поверхности и эмиссия катода падает, т. е. катод имеет слишком короткий срок службы.

Изменяя режим изготовления тарированного катода и рабочие условия его эксплуатации, можно изменять срок службы, например, удлинять его до 5 000 н- 6 000 h. Долговечность торированного катода уже не определяется уменьшением диаметра его, а зависит от наличия и состояния одноатомной пленки тория на поверхности.

Если эта пленка в процессе работы катода разрушается (под влиянием случайного перекала или каких-либо других причин), то, как говорят, катод "теряет эмиссию", т. е. величина эмиссии его падает до эмиссии чисто вольфрамового катода при рабочей температуре торированного катода, т. е. до очень малой величины. Эмиссионные свойства катода можно восстановить, производя вторично процесс активировки при температуре 2 100° К (иногда предварительно прокалив его до 2 700 2 800° К).

Повторные активировки катода можно производить до тех пор, пока не будут исчерпаны активные запасы окиси тория в толще катода, из которых получается металлический торий (до 5 6 (раз, со все уменьшающейся эффективностью). Из них главными являются чувствительность катода к условиям работы лампы, неустойчивость эмиссии и хрупкость. Торированный катод очень чувствителен к колебаниям температуры и к действию высокого анодного напряжения, так как в обоих случаях происходит разрушение одноатомной пленки тория на поверхности.

При повышении температуры пленка просто испаряется, а при действии высокого анодного напряжения атомы тория сбиваются с поверхности катода тяжелыми ионами, которые образуются в лампе за счет ионизации остатков газов, всегда имеющихся в лампе после ее изготовления. В обоих случаях наблюдается "потеря эмиссии" и катод приходится! снова активировать. Конструктивно торированный катод, как и вольфрамовый, выполняется в виде катода прямого накала и имеет форму прямолинейной нити или петли (в зависимости от формы электродов лампы).

Этот катод является усовершенствованием торированного катода с целью повышения устойчивости его эмиссионных свойств. Если карбидировку производить длительное время, то все вещество нити превратится в карбид вольфрама и нить станет чрезвычайно хрупкой; поэтому процесс прекращают, когда процентное содержание углерода в нити достигнет 0,2 2,5% (иногда и выше); об этом судят по увеличению электрического сопротивления нити.

При дальнейшем активировании атомы тория выходят на поверхность катода и образуют одноатомную пленку на карбиде вольфрама, который составляет теперь поверхностный слой катода. Но на карбиде вольфрама атомы тория, как показали исследования, держатся гораздо прочнее,, чем на чистом вольфраме, и скорость испарения их в этом случае в несколько раз меньше.

Поэтому рабочая температура карбидированного катода может быть взята порядка 1 950 2 000° К, т. е. выше, чем у торированного катода. Ток эмиссии при этом возрастает, вследствие чего эффективность такого катода достигает 50 70 mA W. Долговечность карбидироваиных катодов обычно составляет 1 000 h (иногда доходит до 3 000 h), причем активный слой тория гораздо менее чувствителен к перекалу катода и к действию высокого анодного напряжения, чем у торированного катода.

Это дало возможность применить карбидированный катод для работы в генераторных лампах малой и средней мощности а в некоторых типах мощных ламп, в которых анодное напряжение может достигать нескольких киловольт, а также в мощных усилительных лампах. Карбидированный катод, как и торированный, выполняется в виде катода прямого накала.

Оксидный катод. Оксидиым называется катод, состоящий из металлического сердечника (керна), покрытого слоем окислов щелочно-земельных металлов (BaO, SrO, СаО)и подвергнутого специальной термической и электрической обработке (активировке). Первые оксидные катоды были сконструированы в 1904 г., когда было обнаружено, что нанесенные на платиновую жесть окислы бария, стронция и кальция обладают очень высокой эмиссионной способностью при невысоких температурах ( 1 100° К).

Позже было установлено, что для получения высокой эмиссии необходимо, чтобы на поверхности катода, кроме окисей металлов, находился также металлический барий. Таким образом, в готовом виде активированный оксидный катод представляет собой металлическое основание, на котором располагается слой, содержащий окись бария (и других металлов) и металлический барий. Технология оксидных катодов довольно сложна. Кратко процесс изготовления катода сводится к следующему.

В качестве металлического сердечника применяется никель в виде проволоки или ленты или (в настоящее время чаще) сплавы типа "конель" (72% никеля, 18% кобальта, 7% железа и 3% титана), или бронзированный вольфрам. На этот сердечник наносится оксидное покрытие в виде пасты, состоящей из смеси порошков углекислых солей (карбонатов) щелочно-земельных металлов Ва,. Sr, Ca, жидкости, в которой эти порошкообразные соли взвешены для получения пасты, и какого-либо связующего вещества (биндера), которое связывает слой карбонатов после испарения жидкости.

Наносить на сердечник непосредственно окислы щелочноземельных металлов нельзя, так как они являются веществами очень нестойкими, сильно поглощающими влагу из воздуха, вследствие чего они разбухают и осыпаются с катода при непродолжительном хранении на воздухе. Хотя активность оксидного катода определяется в основном наличием бария, все же никогда не применяются покрытия, состоящие из одного карбоната бария, потому что при нагревании ВаСОз сплавляется и образует слишком .плотный оксид, не обладающий высокой эмиссией.

Нанесение оксидного слоя на сердечник может производиться или простым обмакиваниеы катода в оксидную массу с последующей сушкой, или опрыскиванием из пульверизатора, или механическим намазыванием, при котором проволока или лента протягивается через ряд ванночек с оксидной массой, или, наконец, способом катафореза, т. е. осаждения порошка из эмульсии на проволоку (при приложенном к ней потенциале относительно стенок сосуда с эмульсией.

После нанесения оксидной массы катод прокаливается до температуры 900°С (чтобы испарилась связывающая жидкость), и на поверхности сердечника остается "гонкий белый слой .карбона -тов. Затем катод монтируют в лампу и начинают соответствующую обработку его. Прежде всего катод прокаливают до " 1 600° К (под вакуумом), чтобы разложить .карбонаты и получить "а поверхности катода окислы металлов.


Спонсор публикации: