Производство источников света - Назначение и типы катодов

а) Общие сведения.

Катоды являются важнейшими конструктивными элементами газоразрядных ламп. Основное назначение катодов —  обеспечение необходимой для работы лампы эмиссии электронов. В со ответствии с назначением катоды характеризуются эмиссионной способностью, рабочей температурой, эффективностью и долговечностью.

В производстве источников света применяются два типа катодов — термоэлектронные (катоды дугового разряда) и «холодные» (катоды тлеющего разряда), отличающиеся механизмом получения электронной эмиссии.

Рис. 6.7. Катоды ламп дугового разряда низкого давления различных конструкций:
а — д — люминесцентных ламп, 1 — оксидированная биспираль или триспираль из вольфрамовой проволоки; 2 — внутренние звенья вводов (никель); 3 — лопаточка; 4 — отверстие штенгеля для откачки и наполнения лампы; 5 — тарелочка; 6 — внешние звенья вводов (медь, платинит); 7—штенгель; 8 — экран из никеля; е —вид биспирального (триспирального) катода в увеличенном масштабе]; ж — триспиральный катод бифилярного типа; з — оксидный катод блочного типа

Катоды дугового разряда приобретают необходимую для выхода электронов энергию при их нагреве до определенной рабочей температуры. Нагрев может осуществляться двумя способами: от постороннего источника тока — катоды с независимым накалом и за счет энергии, выделяемой на электродах в процессе самого разряда, — самокалящиеся катоды. В газоразрядных лампах дугового разряда применяются в основном самокалящиеся катоды.
В холодных катодах тлеющего разряда используется автоэлектронная эмиссия, возникающая при действии на их поверхность электрического поля очень высокой напряженности.
Термоэлектронные катоды, наиболее часто применяемые в источниках света, в зависимости от физико-химических свойств активной поверхности могут быть подразделены на оксидные, пленочные и однородные металлические.

б) Катоды дуговых ламп низкого давления.

В люминесцентных лампах применяются оксидные катоды на основе окислов щелочноземельных металлов. Конструктивно они представляют собой вольфрамовый керн в виде биспирали или триспирали, покрытый слоем оксида щелочноземельных металлов (рис. 6.7).
Спиральная конструкция керна позволяет удерживать на нем относительно большое количество эмигрирующего вещества (до 10— 15 мг) и достаточно быстро прогревать всю массу покрытия. Некоторые типы катодных узлов имеют специальные экраны различной формы. Экраны принимают на себя часть разрядного тока, предотвращая перегрев и распыление оксидного покрытия на опирали. Обычно экраны используются в мощных люминесцентных лампах (125 Вт и выше), в лампах с пониженным давлением защитного газа и в лампах, работающих на постоянном токе. Экраны изготавливают из никелевой проволоки или ленты, реже — из другого материала.          
Эмиссионные свойства оксидного катода определяются наличием в нем атомов бария. Окись стронция и окись кальция способствуют образованию более благоприятной кристаллической структуры оксидного покрытия. Широкое применение оксидного катода на основе окислов щелочноземельных металлов обусловлено целым рядом его достоинств:

1. большой плотностью тока эмиссии;
2. самой низкой среди термоэлектронных катодов рабочей температурой (800—1030 °C);
3. высокой эффективностью;
4. большой срок службы;
5. достаточная механическая прочность, хорошая воспроизводимость технических характеристик в массовом производстве и т. д.

К недостаткам оксидного катода данного типа можно отнести:

1. малую стойкость к перегреву, электронной и ионной бомбардировкам;
2. склонность к отравлению газами в активированном состоянии;
3. малую стойкость к воздействию сильных электрических полей;
4. склонность к образованию промежуточного запорного слоя между оксидом и керном, относительно малую стабильность эмиссии в течение срока службы и др.

в)   Катоды ртутных и металлогалогенных ламп высокого давления.

На рис. 6.8 показано несколько конструкций катодов ламп высокого и сверхвысокого давления. Как правило, катод состоит из двух деталей: керна и спирали.
Обычно катод представляет собой керн из торированного вольфрама в виде стержня, с надетой на него также вольфрамовой спиралью (однослойной или многослойной). Эмиттер размещается под спиралью между слоями ее витков. Увеличение запаса эмиттера достигается тем, что внутренняя спираль может быть навита с переменным шагом: в средней части большим, чем по краям.

Рис. 6.8. Катоды ртутных дуговых ламп высокого и сверхвысокого давления переменного тока: а — катод ламп высокого давления; б — г — катоды ламп сверхвысокого давления; 1 — сердечник из торированного вольфрама; 2 —защитная вольфрамовая спираль; 3 — эмиттер; 4 —  блок эмиттера; 5 — газопоглотитель; 6 — активированная спираль в виде гитарной струны
Многослойная спираль применяется для предохранения активатора от высыпания и разрушения бомбардирующими заряженными частицами, поэтому внешняя защитная спираль навивается, плотно, виток к витку.
В катоде можно выделить две основные части: зажигающую (спираль) и рабочую (конец керна). Зажигающая часть служит для обеспечения зажигания разряда в лампе, который возникает на спирали, а затем переходит на торец керна катода. По принципу работы катоды этого типа относятся к пленочным и в настоящее время применяются наиболее широко в лампах высокого давления.
Работа пленочного катода основана на том, что на рабочей поверхности керна образуется мономолекулярная пленка активирующего вещества (бария, иттрия или тория). Активатор достигает рабочего конца керна в результате диффузии по поверхности, причем диффузия резко зависит от температуры. Температуру катода устанавливают при его разработке, изменяя диаметр керна, длину конца керна, выступающего над спиралью, диаметр проволоки, навиваемой в спираль и ее длину.
Поступление эмиттера на рабочий конец керна должно быть строго определенным, в количестве необходимом для образования монослоя. Недостаток или избыток активатора на рабочей части приводит к заметному увеличению распыления вольфрама или активатора.
Распыление и испарение материала катода в лампах высокой интенсивности в первую очередь опасно не истощением эмиттера, а его конденсацией на колбе. Темные налеты на колбе поглощают значительную долю излучения разряда, особенно в ультрафиолетовой части спектра. В лампах ДРЛ это, в частности, ухудшает возбуждение люминофора и уменьшает красное отношение лампы.

Рис. 6.9. Зависимости между размерами электродов, рабочей температурой и током дугового разряда

Соотношение между температурами верхнего торца катода Твк и зажигающей части Тсп при разных размерах катода, положении спирали на стержне и разрядным током иллюстрирует рис. 6.9.
Пленка активатора заметно понижает работу выхода вольфрама. Выбор активатора (эмиттера) определяется рабочей температурой катода и характером разряда в лампе (ртутной или с добавкой галогенидов) .
В ртутных лампах с относительно невысокой рабочей температурой катода (1300—4500 °C) преимущественно применяется эмиттер на основе окиси бария. В металлогалогенных и ртутных лампах с более высокой температурой катода применяется эмиттер на основе окиси иттрия или окиси тория. Иногда применяют смесь эмиттеров. Достоинством бария как эмиттера является то, что его окись при напылении на кварцевое стекло не создает темных непрозрачных пленок, как торий или иттрий, он обеспечивает высокую эмиссию при относительно низкой температуре катода и большую скорость образования монослоя на рабочем конце керна. Недостатком его является повышенная испаряемость при высоких температурах. Катоды, активированные окисью бария, не могут быть применены в металлогалогенных лампах из-за реакции галогенидов с окисью бария, приводящей к быстрому почернению стенок горелки.
Особенностью конструкций катодов ртутных ламп сверхвысокого давления большой мощности является их относительно большая масса, развитая поверхность для отвода избыточной теплоты и более тщательная обработка рабочей части катода для повышения устойчивости к действию большого разрядного тока. В частности, рабочая часть стержня катода часто выполняется из кованого или специально оплавленного вольфрама. Некоторые конструкции катодов этого типа показаны на рис. 6.10.

Рис. 6.10. Катоды ртутных ламп сверхвысокого давления переменного тока с короткой дугой:
а и б — катоды ламп мощностью до 1 кВт; в — катод с активирующей пастой; г — синтерированный катод с добавкой окиси тория; 1 — сердечник из торированного вольфрама; 2— защитная спираль из вольфрамовой проволоки; 3 — эмиттер; 4 — газопоглотитель; 5 — спираль для облегчения зажигания разряда; 6 — ввод; 7 — корпус электрода из спеченного вольфрама

Для некоторых ламп высокой интенсивности представляется перспективным использование спеченных катодов, например, конструкции в виде вольфрамового стержня с припеченной на определенном расстоянии втулки активатора (окиси тория, иттрия или др.).
В ряде конструкций ртутных ламп высокой интенсивности (например, ДРЛ) часто используют специальные поджигающие электроды.
г)   Катоды газовых ламп высокой интенсивности Газовые лампы высокой интенсивности не имеют периода разгорания, их рабочий режим устанавливается практически сразу после зажигания разряда в лампе.  Градиенты потенциалов в инертных газах в 3—5 раз ниже, чем в парах ртути при тех же условиях разряда. Поэтому ток оказывается во столько же раз выше, что предъявляет к катодам этих ламп повышенные требования. Другими особенностями газовых ламп, ужесточающими условия работы их катодов, являются высокое напряжение зажигания из-за больших начальных давлений газа и трудности стабилизации разряда и фиксации катодного пятна из-за сильной конвекции.
Катоды газовых ламп высокой интенсивности не имеют специальной зажигающей части. Они обычно представляют собой стержни  цилиндрической формы из кованого вольфрама с присадкой тория (например, марки ВТ-5). Конец стержня, обращенный к разряду, затачивается на конус или полусферу и тщательно обрабатывается (шлифуется, полируется).

Рис. 6.11. Катоды газовых ламп постоянного тока с короткой дугой СВД различной мощности:
а — катод дампы мощностью 500 Βт; б — катод дампы 0,5—5 кВт (1 — сердечник из торированного вольфрама; 2 — муфта из спеченного вольфрама с присадками; 3 — муфта из молибдена для сварки с цилиндрическим фольговым вводом); а — камерный электрод газовых ламп переменного тока с короткой дугой СВД на токи свыше 40—50 А (1 — трубка из вольфрама; 2 — пробка; 3 — блок активного вещества; 4 — оплавленная рабочая часть электрода; 5 — отверстие)

В лампах на большие токи на катод надевается муфта из спеченного вольфрамового порошка.
Катоды ламп с короткой дугой переменного тока изготавливают из торированного вольфрама с крупнокристаллической структурой, или же применяют так называемые камерные катоды с блоком активатора, помещаемого внутри специальной камеры стержня.
Некоторые конструкции катодов ламп рассматриваемого типа приведены на рис. 6.11.

д) Катоды импульсных ламп.

Работа импульсных ламп протекает в режиме повторяющихся одиночных импульсов с интервалом не менее 1 с (фотоосветительные лампы) или с более высокой частотой повторения импульсов (стробоскопы). Это приводит к интенсивному распылению их катодов. Материал катодов и их конструкция оказывают существенное влияние на долговечность, энергию и частоту вспышек и другие параметры импульсных ламп, причем требования, предъявляемые к катодам импульсных ламп, являются противоречивыми.  С одной стороны, для облегчения зажигания разряда в лампах должны применяться активированные катоды с малой работой выхода и нагретые до достаточно высоких температур. С другой стороны, для предотвращения неуправляемых пробоев и возможного перехода работы лампы в режим непрерывного горения эмиссионная способность и температура катодов не должны быть высокими.
В большинстве случаев катоды импульсных ламп имеют стержневую конструкцию. Для их изготовления применяют прутки из сплава вольфрам — никель — барий марки ВНБ-3, концу катода придают полусферическую форму. Размеры катодов рассчитывают так, чтобы их рабочая температура не превышала 800—900 °C.
Катоды мощных ламп из торированного вольфрама с большим содержанием окиси тория (например, марки ВТ-50 или ВТ-80).

Рис. 6.12. Холодные катоды ламп тлеющего разряда:
а — на токи до 20 мА; б —  на токи 100 мА; 1 — цилиндрический электрод; 2 —  втулка; 3 — донышко цилиндра; 4 — стеклянная трубка; 5 — внутренние звенья вводов; 6 — цоколь; 7 — стеклянная лопатка; 8 — место припайки выводов к цоколю
В маломощных лампах в качестве катода используется конец молибденового стержня, который впаивается в стеклянную колбу и является вводом в лампу. В лампах, рассчитанных на большие энергии вспышек, на конец молибденового катода надевается вольфрамовая спираль. Катоды активизируются пленкой калия или цезия путем испарения специальной таблетки в процессе вакуумной обработки лампы.
В неоновых стробоскопах низкого напряжения катод имеет форму никелевой чашечки с запрессованной в нее смесью углекислого цезия и порошка никеля. Спекание и активировка катода производится во время откачки путем прогрева токами высокой частоты и разрядом на постоянном токе в готовой лампе.
е) «Холодные» катоды ламп тлеющего разряда. Главной отличительной особенностью работы катодов ламп тлеющего разряда является их интенсивная бомбардировка положительно заряженными ионами из области разряда. Это вызывается большим падением катодного потенциала в таких лампах и может привести в свою очередь к довольно быстрому распылению материала катода. Поэтому катоды ламп тлеющего разряда имеют ряд отличий от катодов других газоразрядных ламп (рис. 6.12).
В лампах катодного свечения форма и размеры катодов выбираются исходя из требуемой формы и размеров светящейся поверхности, потребляемой мощности, напряжения зажигания и некоторых других  требований. Обычно их выполняют в виде штампованных пластин из алюминия, никеля, сплава железа с никелем или молибдена. Для снижения напряжения зажигания разряда пластины покрываются тонким слоем активирующих веществ, уменьшающих работу выхода: цезием, окислами щелочноземельных металлов и др. После активирования такие катоды обеспечивают плотность тока до 250 А/м².
В лампах тлеющего разряда с положительным столбом (газосветные трубки) катоды обычно представляют собой цилиндры с донышком, изготовленные из низкоуглеродистой стали. Открытым концом такой цилиндрический катод обращен к области разряда и эмиссия электронов происходит с внутренней поверхности цилиндра. Для улучшения эмиссионных свойств на эмиттирующую поверхность иногда наносят активный слой окислов щелочноземельных металлов. Выход испаряющегося вещества активного покрытия возможен только через открытый конец цилиндра, поэтому оказывается сравнительно небольшим. Для уменьшения катодного распыления материала цилиндров его острые края завальцовываются или зашлифовываются. В некоторых случаях на край цилиндра надевают стеклянную или керамическую предохранительную втулку. Катоды обеспечивают плотность тока 10— 30 А/м² и срок службы — несколько тысяч часов.