Электронная лампа

Но если электроны летают в металле в различных направлениях, да еще с громадными скоростями (до 100 км/сек), то они, вероятно, вылетают и за пределы тела? На самом деле этого не происходит. Те скорости, которыми электроны обладают в нормальных условиях, недостаточны для их вылета из металла во внешнее пространство. Для этого нужны гораздо большие скорости.
Электронная эмиссия.
Каким же способом можно увеличить скорость движения электронов? Если нагревать металл, то скорость движения электронов возрастет и может достичь предела, когда электроны начнут вылетать в пространство (рис. 1). Например, для чистого вольфрама она равна 1 270 км/сек. Такой скорости электроны достигают при нагреве вольфрама до 2 000° и выше (здесь и дальше температура указана в градусах Кельвина).
Испускание нагретым металлом электронов называется термоэлектронной эмиссией. Ее можно уподобить испарению жидкостей. При низких температурах испарения не происходит или оно очень мало. С повышением температуры испарение увеличивается. Бурное испарение начинается по достижении точки кипения. Для получения термоэлектронной эмиссии металл надо нагреть. Удобнее всего нагревать его электрическим током. В электронных лампах нагреваемому металлу придают вид тонких нитей, накаливаемых электрическим током. Нити эти называются нитями накала, а нагревающий их электрический токтоком накала.

Мы упоминали о том, что для получения эмиссии надо нагреть металл до очень высокой температуры — примерно до 2 000° и даже выше. Такую температуру выдерживает далеко не каждый металл, большинство металлов при такой высокой температуре плавится. Поэтому нити накала можно делать только из очень тугоплавких металлов, обычно их делают из вольфрама.
В первых образцах электронных ламп применялись чисто вольфрамовые нити накала. При температуре, нужной для получения эмиссии, вольфрамовые нити накаливались до белого свечения, отчего и произошло между прочим название «лампа». Однако такая «иллюминация» обходится очень дорого. Чтобы накалить нить лампы до белого каления, нужен сильный ток. Маленькие приемные лампы с чисто вольфрамовой нитью накала потребляли ток накала в полампера. Но скоро был найден путь уменьшения тока накала. Исследования показали, что если покрыть вольфрам некоторыми другими металлами или их окислами, то вылет электронов облегчается. Для вылета требуются меньшие скорости, следовательно, требуется и меньший нагрев нити, значит, такая нить будет потреблять меньший ток накала. Современные оксидированные
нити накала работают при температуре около 700—900° С, т. е. при мало заметном оранжево-красном накале. В связи с этим удалось снизить ток накала примерно в 10—20 раз. В практических схемах нити накала всегда соединяют с отрицательным полюсом (минусом) основного источника питания, почему они и называются катодами.
Катоды.
Раскаленная нить не всегда служит непосредственным излучателем электронов. Иногда она используется только в качестве источника тепла, с помощью которого разогревается другое металлическое тело, являющееся источником нужных для работы лампы электронов. Иначе говоря, функции подогрева и излучения электронов не всегда бывают объединены.
Если катод выполнен в виде тонкой нити, ее удобно питать постоянным током от гальванических элементов или от аккумулятора, так как для ее накала требуется небольшой ток. Но для питания переменным током тонкие нити накала не годятся.
Для нормальной работы электронных приборов надо, чтобы катод все время изучал 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 ток 100 раз в секунду (дважды в течение каждого периода) достигает наибольшей величины и столько же раз уменьшается до нуля. Очевидно, что и температура нити накала будет испытывать колебания в соответствии с изменениями величины тока, а вместе с тем будет изменяться и количество излучаемых электронов.
Правда, вследствие тепловой инерции нить не успеет полностью охладиться 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 ламп.
Решение этого вопроса дала реализация предложения нашего ученого А. А. Чернышева об устройстве подогревного катода. В настоящее время такие катоды применяют во всем мире.
В подогревном катоде нить накала не является источником излучения электронов. Непосредственный излучатель электронов лишь подогревается ею. Отсюда и произошло название «подогревный» катод. Масса излучателя делается достаточно большой, для того чтобы он не успевал охладиться во время уменьшения величины подогревающего тока. Такие катоды не могут давать эмиссию немедленно после включения тока накала. Их разогрев занимает примерно от 15 до 30 сек.
Конструкции подогревных катодов бывают различными, но принцип их устройства в общем одинаков. В современпых конструкциях ламп нить подогревателя 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 — катодом. У таких катодов имеются три вывода — два от концов подогревающей нити и один от излучателя. Первые два называются выводами нити накала, а третий — выводом катода.
Цилиндрическая форма подогревного катода наиболее распространена, но не является единственной. В электроннолучевых трубках, с которыми мы встретимся позже, применяют катод в форме стаканчика, дно которого снаружи покрыто оксидом.
Если излучателем электронов является сама нить накала, то такой катод называют катодом прямого накала, если же нить только подогревает излучатель, то подобное устройство называют катодом косвенного подогрева или косвенного накала.
Вакуум.

Каждый, кто видел электронную лампу, знает, что она заключена в стеклянный или металлический баллон, из которого выкачан воздух. Внутри баллона воздух чрезвычайно разрежен. Давление воздуха на поверхности земли равно примерно 760 мм рт. cm., а давление воздуха внутри даже меньше, т. е. примерно в 10 млрд. раз меньше (рис. 2). Такую степень разреженности называют высоким вакуумом (вакуум по-русски значит пустота). Для чего нужен вакуум в электронной лампе?    Во-первых, он нужен для сохранения нити накала. Если бы нить накала, нагретая почти до тысячи градусов, находилась в воздухе, то она бы очень скоро перегорела. Нагретые тела быстро окисляются кислородом воздуха. Во-вторых, вакуум нужен для беспрепятственного движения вылетающих из нити электронов. Надо, чтобы они не встречали на своем пути никаких препятствий. Воздух же является таким препятствием. Молекулы газов, входящих в состав воздуха, в несметном количестве окружают нить накала и препятствуют полету электронов. Для того чтобы уменьшить возможность столкновения электронов с частицами газов, воздух внутри баллона разрежают. Особую роль в создании вакуума играют так называемые геттеры, или поглотители. Дело в том, что при производстве ламп невозможно довести вакуум в них до требуемой степени при помощи насосов. Таким путем производят разрежение воздуха в лампе до одной тысячной или сотой миллиметра ртутного столба. А для достижения более высокого разрежения в лампе распыляют вещество, которое обладает способностью жадно поглощать газы. Таким свойством обладают, например, металлы: магний, барий и некоторые соединения. Чтобы распылить геттер в лампе со стеклянной оболочкой, к ней подносят катушку, питаемую током высокой частоты. Укрепленная на никелевой пластинке внутри лампы таблетка геттера раскаляется и испаряется. Пары ее оседают на стекле и образуют тот серебристый цвет.