Działanie próżniowej lampy elektronowej opiera się na ruchu elektronów pod wpływem pola elektrycznego wytworzonego w przestrzeni między elektrodami. W jaki sposób w lampie elektronowej pojawiają się wolne elektrony i pod działaniem jakich sił się poruszają?
     Elektrony w lampie elektronowej pojawiają się dzięki zjawisku emisji, czyli uwalnianiu się elektronów z powierzchni ciała stałego (metalu). Cechą charakterystyczną metali jest fakt, że znajdujące się w nich elektrony łatwo odłączają się od atomów przekształcając je w dodatnie jony. Elektrony te mogą się poruszać wewnątrz metalu z czym wiąże się jego dobre przewodnictwo elektryczne. O ile elektrony mogą się poruszać pomiędzy jonami siatki krystalicznej metalu, nie mogą się z niego swobodnie wydostać. Na powierzchni metalu powstają bowiem siły kierujące elektrony z powrotem do jego wnętrza.
     Elektrony mogą opuścić powierzchnię metalu tylko pod warunkiem, że posiadają odpowiednią energię. Jeśli energia elektronu jest zbyt mała, to elektron nie może opuścić powierzchni i spada na nią. W ten sposób w sąsiedztwie powierzchni tworzy się chmura elektronów obniżając jej potencjał. Elektrony, które opuszczają metal muszą więc przezwyciężyć pewną przeszkodę, z czym wiąże się dodatkowa energia. Każdy elektron opuszczający metal powoduje powstanie na nim ładunku dodatniego. W bezpośrednim sąsiedztwie powierzchni powstaje więc pole elektrostatyczne, które stara się zawrócić emitowane elektrony z powrotem w jej kierunku. Obie siły mają charakter lokalny i działają jedynie w bezpośrednim sąsiedztwie powierzchni metalu (pierwsza na odległości 3*10^-8cm, druga 10^-7cm). Doprowadzenie do uwalniania się elektronów wymaga więc energii potrzebnej do przezwyciężenia siły utrzymującej elektron w ciele stałym. Energię tą określamy przez tzw. pracę wyjścia. Wartość pracy wyjścia zależy od rodzaju metalu i jest rzędu kilku elektronowoltów.
     Istnieją cztery podstawowe  zjawiska prowadzące w konsekwencji do uwalniania elektronów z powierzchni metali:

1. emisja termoelektronowa (termoelektryczna),

2. emisja autoelektronowa ("zimna"),

3. emisja wtórna,

4. emisja fotoelektronowa.

Podstawowym zjawiskiem uwalniania elektronów wykorzystywanym w lampach jest emisja termoelektronowa. Źródłem swobodnych elektronów jest jedna z elektrod zwana katodą. W najprostszym przypadku katodą jest cienki metalowy drut. W metalu znajduje się dużo słabo związanych z atomami elektronów, które znajdują się w ciągłym ruchu chaotycznym. W zwykłej temperaturze szybkość elektronów i tym samym ich energia kinetyczna jest zbyt mała aby przezwyciężyć siły przeciwstawiające się ich emisji z metalu do otaczającej przestrzeni. Podczas nagrzewania metalu prędkość ruchu chaotycznego elektronów wzrasta i w pewnej  temperaturze, ściśle określonej dla każdego metalu staje się wystarczająca do opuszczenia powierzchni metalu. Elektrony są więc w stanie wykonać wspomnianą wcześniej pracę wyjścia. Wartości pracy wyjścia oznaczanej zwykle symbolem A_w i mierzonej w elektronowoltach (eV) dla przykładowych materiałów wykorzystywanych do budowy lamp elektronowych przedstawiono w tabeli.

Ponieważ elektrony posiadają różne prędkości w każdej temperaturze tylko pewna ich część posiada możliwość opuszczenia metalu. Im wyższa temperatura metalu tym większa liczba elektronów jest w stanie opuścić jego powierzchnię.  Aby uzyskać znaczącą liczbę wylatujących elektronów czyste metale należy podgrzać do bardzo wysokich temperatur rzędu dwóch tysięcy stopni (rys.1.).

Parametrem charakteryzującym emisję termoelektronową jest prąd emisji I_e, który zależy od liczby elektronów emitowanych z powierzchni katody w czasie jednej sekundy.

Katody

Katodą nazywamy elektrodę stanowiącą źródło elektronów w lampie. W zależności od rodzaju emisji katody możemy podzielić na:

• termokatody,

• katody zimne,

• katody wtórne i

• fotokatody.

Najbardziej popularnym typem katod stosowanych w lampach elektronowych są termokatody. Jakość każdej katody może być określona za pomocą następujących parametrów:

• efektywności,

• emisji jednostkowej i

• czasu pracy.

Efektywnością katody H nazywany jest stosunek całkowitego prądu emisji I_e do mocy wydatkowanej na żarzenie katody P_ż.
Emisją jednostkową nazywamy emisję elektronów przez 1cm² powierzchni katody. Mierzymy ją w A/cm² lum mA/cm².
Czas pracy (czas życia) katody t to czas, w ramach którego zdolności emisyjne katody umożliwiają normalne funkcjonowanie lampy elektronowej. Gwarantowane przez producentów czasy pracy lamp zawierają się od 500-2000 godzin do dziesiątków tysięcy godzin. Wymienione parametry katody zależą od temperatury. Na rys.2. przedstawiono przykładową zależność efektywności i czasu pracy od temperatury dla katody wolframowej.

Termokatody w zależności od zastosowanych do ich budowy materiałów można podzielić na trzy grupy. Pierwsza grupa to katody wykonane z czystego metalu. Najczęściej wykorzystywanym metalem jest wolfram, rzadziej tantal i niob. Typowa temperatura pracy katody wolframowej wykonanej z cienkiego drutu ma wartość 2400^oK, z grubszego drutu (średnica 1-2mm) około 2600^oK. W tych warunkach pracy efektywność katody wolframowej zawiera się w przedziale od 2 do 10 mA/W przy czasie pracy powyżej 1000 godzin. Druga grupa to katody metalowe niejednorodne, trzecia zaś, to katody tzw. tlenkowe.

[ciąg dalszy wkrótce]

Wszystkich zainteresowanych rozwojem internetowego kompendium wiedzy o lampach elektronowych i układach lampowych prosimy o zgłaszanie ewentualnych uwag i sugestii pocztą e-mail: waw@fonar.com.pl.

© 2000-2002 FonAr Sp. z o.o. e-mail: waw@fonar.com.pl