Как уже отмечалось, в большинстве ламповых приборов нужный для их работы поток электронов получается путем нагревания металлического проводника электрическим током до такой температуры, при которой начинается электронная эмиссия. Способ нагревания проводника не имеет принципиального значения: важно лишь металл до нужной температуры, но практически проще и удобней всего произвести нагрев, пропуская по проводнику электрический ток.
Такой проводник обычно представляет собой сравнительно тонкую металлическую проволоку, помещенную внутри баллона, из которого откачан воздух. Проволоку называют по аналогии с обычными осветительными электролампами нитью накала. Концы нити накала выводят из баллона наружу для соединения с источником электрического тока.
Электронная эмиссия из чистого металла начинается при температуре порядка 2000°С. Такую температуру выдерживает, не плавясь, далеко не каждый металл. Следовательно, для изготовления нити накала нужно выбрать очень тугоплавкий металл. Кроме того, выбор металла нити накала определяется еще его способностью вытягиваться в тонкие нити. Толщина нити накала очень важна: чем толще нить, тем больший потребуется ток для ее накала.
Из всех металлов наиболее подходящим для нитей накала оказался вольфрам. Вольфрам дает хорошую электронную эмиссию при температуре 2000°С – 2000°С – при температуре белого каления. Такой нагрев в вакууме вольфрам выдерживает в течении очень долгого времени, чем обеспечивается большой срок службы лампы. Первые электронные приборы – радиолампы с вольфрамовыми нитями накала и стеклянными баллонами – во время работы ярко светили, почему их и назвали «лампами». Это название удержалось за ними до сих пор, несмотря на то, что некоторые современные радиолампы совсем не светят, иногда имеют металлический непрозрачный баллон и по внешнему виду совсем не похожи на лампы.
Чисто вольфрамовые нити накала дают удовлетворительную эмиссию, но их накал обходится довольно дорого. Наиболее экономичные электронные приборы с наливаемой нитью из чистого вольфрама потребляли ток накала около половины ампера.
В результате ряда исследований были найдены способы резкого увеличения эмиссионной способности нагретой нити или, как говорят, способы ее активирования – повышения ее активности в отношении излучения электронов.
Один из первых способов активирования нити накала заключался в добавлении к вольфраму небольшой примеси другого металла – тория. Такие нити получили название торированных.
Торированные нити уже при температуре около 1500°С – 1600°С давали такую же эмиссию, как число чисто вольфрамовые при температуре, превышающей 2000°С.
Однако у торированных нитей был крупный недостаток: даже при очень небольшом перекале нити торий быстро улетучивался и нить теряла свою способность давать большую эмиссию при малом накале. Про такую гнить говорят, что она потеряла эмиссию: нить цела, накаливается, но не излучает электроны.
Вскоре было найдено, что покрытие нити накала тонким слоем бария дает большую эмиссию, чем при торировании. Бариевые нити давали хорошую эмиссию при еще меньшем накале, чем торированные. Но они также отличались тем, что теряли эмиссию при перекале.
Потом стали изготавливать оксидированные нити накала, которые получили наибольшее распространение. У них была вольфрамовая основа, которая покрывается оксидами – соединениями окислов некоторых щелочноземельных металлов (бария, стронция). Оксидные покрытия обладают способностью весьма значительно облегчать вылет электронов из металла. Нити обработанные таким образом, обеспечивают вполне достаточную эмиссию уже при температуре около 700°С – 900°С, т. е. при малозаметном оранжево-красном накале. Естественно, что уменьшение температуры нагрева позволяет расходовать ток меньшей величины, т.е. повышает экономичность питания нити. Следует отметить, и то, что при снижении температуры можно делать нити более тонкими, сохраняя при этом достаточно большой срок службы. Если же нить накалывается до очень высокой температуры, то ее нельзя делать слишком тонкой, потому что при высокой температуре, соответствующей белому накалу, металлы интенсивно распыляются, что сокращает срок службы нити.
Малый ток накала оксидированной нити дает возможность применять в качестве ее основы не только вольфрам, но и менее тугоплавкие и более дешевые металлы, например никель.
Нить накала только что рассмотренного типа является в электронно-вакуумных лампах излучателем электронов. В практических схемах использования этих приборов эти излучатели всегда соединяются с отрицательным полюсом (минусом) основного источника питания, почему они и называются катодами. Поэтому нить накала, служащую для излучения электронов, можно называть катодом.
Но нужно отметить, что раскаленная нить не всегда служит непосредственным излучателем электронов. Иногда она используется только в качестве источника тепла, помощью которого разогревается другое металлическое тело, являющееся уже источником нужных для работы лампы электронов. Иначе говоря, функции подогрева и излучения электронов не всегда бывают объединены, т.е. нить накала не всегда бывает катодом.
Так, например, если катод выполнен в виде тонкой нити, то такую нить удобно питать постоянным током от гальванических элементов или от аккумулятора, так как для ее накала требуется небольшой ток; катод оказывается экономичным.
Но для питания переменным током тонкие нити накала не годятся.
Для нормальной работы радиоэлектронных ламп надо, чтобы катод все время излучал одинаковое количество электронов. Для этого его температура должна поддерживаться строго постоянной. При питании нити от батарей или аккумуляторов это условие выполняется. Но при питании нити переменным током оно уже не может быть соблюдено. Переменный осветительный ток частотой 50 Гц 100 раз в секунду меняет свою величину и направление (дважды в течении каждого периода). 100 раз в секунду ток достигает наибольшей величины и столько же раз уменьшается до нуля. Совершенно очевидно, что и температура нити накала будет испытывать колебания в соответствии с изменениями величины тока, а вместе с тем будет изменятся и количество излучаемых электронов.
Правда, вследствие тепловой инерции нить не успевает полностью охладится в те мгновения, когда ток переходит через нулевое значение, но все же колебания ее температуры и величины электронной эмиссии оказываются очень заметными. Это обстоятельство не позволяло раньше пользоваться таким удобным источником тока, как осветительная сеть, для питания электронных приборов, в которых использовалась тепловая эмиссия электронов. Многочисленная попытка сделать нить накала пригодной для нагрева переменным током путем увеличения ее толщины были мало успешны. Полное решение этого вопроса дала лишь реализация предложения А. А. Чернышева об устройстве подогревного катода.
Катоды подогрева применяются в радиоэлектронных лампах и по сегодняшний день.
В подогревных катодах нить накала сама по себе уже не является источником, излучающим электроны. Непосредственный излучатель электронов изолирован от нити и лишь подогревается ею. Отсюда и произошло название «подогревный» катод. Масса излучателя делается достаточно большой для того, чтобы он не успевал охладится во время уменьшения величины подогревающего тока. Само собой понятно, что такие катоды не могут давать эмиссию немедленно после включения тока накала. Им необходимо время для разогрева.
Конструкции подогревных катодов бывают различными, но принцип их устройства в общем одинакова. В старых конструкциях подогреватель выполнялся в виде керамической трубочки диаметром около миллиметра с двумя сквозными каналами по ее длине. В эти каналы пропускается подогревная нить. В более современных конструкциях слой теплостойкой изоляции наносится непосредственно на нить подогревателя.
Для этого нить обмазывают составом, который после соответствующей обработки затвердевает, покрывая подогреватель теплостойкой оболочкой, обладающей достаточно хорошими изоляционными свойствами при высокой температуре. На подогреватель надевается цилиндрик из никеля, покрытый снаружи слоем оксида, являющийся собственно излучателем электронов, или катодом. У таких катодов имеются три вывода – два от концов подогревающей нити и один от излучателя. Первые два обычно называются выводами нити накала, а третий – выводом катода. Эмиссия подогревного катода совершенно равномерна.
Цилиндрическая форма подогревного катода наиболее распространена, но не является единственной. В некоторых современных электронных лампах применяются катоды торцового типа, в форме стаканчика, дно которого снаружи покрыто оксидом. Такие катоды применяются, в частности, у «маячковых» ламп и электронно-лучевых трубок, с которыми мы встретимся позже.
Если излучателем электронов является сама нить накала, то такой катод иногда называют катодом прямого накала; если же нить только подогревает излучатель, то подобное устройство часто называют катодом косвенного подогрева или косвенного накала.
Нагретый до нужной температуры катод излучает электроны. Однако если этот катод помещается под давлением нормальным или близким к нормальному, то вылетевшие из катода электроны встречаются с колоссальным количеством окружающих катод молекул и атомов газа и практически не могут пролететь в такой среде сколько-нибудь значительное расстояние. Использовать вылетевшие электроны в подобных условиях нельзя. Поэтому излучающие катоды помещают в специальные баллоны – стеклянные или металлические, из которых откачан воздух или в которых, как говорят, создан вакуум.
Современные технические средства не позволяют полностью откачать газ из баллонов, но все же достижимые степени вакуума вполне достаточны для нормальной работы электронных ламп. Обычно разрежение газов в баллонах радиоэлектронных ламп достигает 10-7мм рт. ст., что соответствует давлению, в 10 млрд. раз меньше атмосферного. В среде столь разреженного газа электроны распространяются практически беспрепятственно. При движении внутри лампы не больше чем один электрон из миллиона встречается на своем пути с молекулой газа.
