Enligt uttrycket för mättningsströmmen (ekvation C1.1) är elektronemissionen från en metall starkt beroende av temperaturen. Emissionen ökar med stigande temperatur, varför det bör vara lämpligt att välja högsta möjliga katodtemperatur, vilket även är lämpligt ur en annan synpunkt. Vid högre temperatur emitteras nämligen fler elektroner per watt glödeffekt än vi lägre temperatur. Förhållandet mellan elektronemissionen och den tillförda glödeffekten kallas katodens emissionsverkningsgrad (anges oftast i mA/W).
Den högsta temperatur man med hänsyn till smältpunkt och förångning kan tillåta för de olika metaller och andra material, som kan ifrågakomma, varierar inom vida gränser. Det är därför ej säkert, att metaller med lågt utträdesarbete alltid ställer sig gynnsamast. De kan ofta ej användas vid tillräckligt hög temperatur för att ge en god emissionsverkningsgrad. Vidare inverkar bearbetbarhet, hållbarhet och andra egenskaper på valet av katodmaterial.
Alkalimetallerna natrium, kalium, rubidium och cesium har balnd metallerna lägst utträdesarbete. Till följd av den läga smältpunkten och stora förångningshastigheten är de emellertid praktiskt oanvändbara som katodmaterial vi termisk emission. Kvar står metaller med mycket hög smältpunkt såsom volfram, tantal och molybden.
En annan viktig faktor är, hur metallen påverkas av gasrester, som trots hög evakuering ej kan avlägsnas. Gasrester av syre, koldioxid m.fl. kan blida kemiska föreningar med katodmaterialet, varvid emissionsförmågan minskas. Katodens livslängd kan även påverkas ogynnsamt av ädelgaser, som vid jonisation genom jonbombardemang lösgör atomer från katoden, så att denna snabbt förstörs.
Man använder numera i huvudsak tre olika katodtyper, ren volframkatod, torierad volframkatod (volframkatod med toriumbeläggning) och oxidkatod (barium- och strontiumoxidbelagd katod). De tre katodtypernas viktigaste egenskaper framgår av nedanstående tabell.
| Katodtyp |
Utträdes- arbete eV |
Normal ar- betstempera- tur °K |
Emissions- verknings- grad mA/W |
Lämpligt anodspännings- område V |
| Volfram Torierad volfram Oxidkatod (Ba=+SrO) |
4,52 2,63 0,5 - 1,5 |
2400-2600 1900 1000-1100 |
2-10 50-100 10-1000 |
>3500 750-5000 <750 |
a) Volframkatoden.
Volframkatoden påverkas ej nämnvärt av jonbombardemang, varför det viktigaste användningsområdet blir i rör med höga anodspänningar (likriktarrör, röntgenrör, större sändarrör).
Vissa gaser speciellt syre och vattenånga angriper volfram i varmt tillstånd, varför man måste ha gott vakuum. Emissionen påverkas även av vissa andra gaser, exempelvis kväve, medan däremot närvaron av kvicksilverånga eller ädelgaser spelar mycket liten roll.
Emissionsverkningsgraden är ganska liten. Den kan givetsvis höjas genom ökad temperatur, men därvid ökas förångningshastigheten, d.v.s. livslängden minskar. 2500 °K ger livslängder av storleksordningen 2000 timmar.
b) Torierade volframkatoden
I och för sig har torim alltför låg smältpunkt för att kunna användas som katodmaterial, men som ytbeläggning på en volframtråd ger torium mycket fördelaktiga emissionsegenskaper.
Å ena sidan har en torierad volframyta lägre utträdesarbete än volfram och torium var för sig, vilket förklaras så, att en tunn tybeläggning av torium åstadkommer ett elektriskt dipolskikt, riktat så, att frigöringen av elektroner underlättas. Å andra sidan bindes toriumbeläggningen så fast av basmetallen volfram, att förångningen av torium sker vida långsammare än från en ren toriumyta. Ytbeläggningens tjocklek uppgår normalt till c:a ett atomlager.
Vid framställning av torierade volframkatoder tillsättes torium (1 till 2%) i form av toriumoxid. Reduktionen av denna toriumsker först sedan röret monterats och undergår pumpning. Aktiveringen tillgår så, att kstoden under relativt kort tid upphettas till c:a 2800°K, varvid en del oxid inuti basmetallen reduceras till rent torium. Vid denna höga temperatur förångas det torium, som eventuellt diffunderar till ytan. Katoden hålles sedan vid c:a 2100°K. Diffusionshastigheten är nu alltjämt relativt stor, medan förångningshastigheten är relativt liten, varför ett atomärt toriumskikt ackumuleras på ytan. Normal arbetstempertur är c:a 1900°K. Ytterligare förbättrade egenskaper erhåller en torierad volframkatod genom s.k. karbonisering. Därvid omvandlas ytskiktet till volframkarbid, som i högre grad än ren volfram har förmågan att binda torium.
Även under normala driftförhållanden förångas toriumskiktet sakta och rörets emission nedgår. Emissionen kan dock återställas genom en ny aktiveringsprocess. En dylik regenerering, utan ingrepp i röret, är icke möjlig med katoder av andra slag.
Torierad volframkatoder påverkas menligt av jonbombardemang och deras användning begränsas därför till rör med anodspänningar mindre än c:a 5000 volt.
c) Oxidkatoden
Nästan alla mottagarrör och även mindre sändarrör utförs med oxidkatod, som uppvärmes direkt eller indirekt (se nedan). Indirekt uppvärming är vanligast. Tillverkningen av en indirekt upphettad oxidkatod tillgår på ungefär följande sätt.
Man sprutar en emulsion av barium- och strontiumkarbonat i ett ytterst tunt lager på ett litet nickelrör, vilket monteras på katodplats inuti rörkolven tillsammans med övriga elektroddetaljer. Kolven evakueras med hjälp av en högvakuumpump, och det metalliska innanmätet uppvärmes till rödglödgning i och för gasutdrivning. Samtidigt överhettas katoden (c:a 1400 °K) genom att lämplig ström sändes genom den i nikelröret monterade glödtråden. Därvid reduceras karbonaten till oxid och den bildade gasen (CO2) bortgår under pumpningen. Sedan koldioxiden avgått tillslutes rörkolven. Nickelröret täckes i detta fabrikationsstadium av ett oxidlager.
För att rörets vacuum skall bli bättre inbygges i rörets kolv ett s.k. getter, som utgöres av en mindre mängd lättflyktig metall, upplagd på en metalltallrik vid sidan av elektrodsystemet. Vanliga gettermaterial är magnesium och barium. Efter kolvens tillslutning förångas gettermetallen. Metallångan kondenseras på kolvens insida och inkapslar därvid gasresterna. När kolven är av glas uppstår en blank s.k. getterspegel. Om luft kommer in i röret, mattas spegeln eller blir mjölkvit. Elektroduppvärmningen och getterförångningen åstadkommes genom att en spole, som för hög radiofrekvent ström, placeras runt röret. Stark virvelström induceras då i rörets metalldelar och värmeutvecklingen höjer temperaturen.
Katoden måste nu aktiveras. Aktiveringsprocessen består i att katoden under åtskilliga minuter körs vid övertemperatur (1000 - 1500 °K). Katoden hålles sedan under en längre tidsperiod vid en lägre temperatur samtidigt som anodspänning pålägges. Under denna process ökar emissionen snabbt till stora värden, beroende på att barium diffunderar till katodytan, där det inbäddas i oxiden. Det är dessa bariumpartiklar i katodytan, som vid uppvärming ger stark emission.
Oxidkatodernas utträdesarbete är påfallande lågt jämfört med volframkatoderna. Vid normal drifttemperatur c:a 1050 °K kan emissionsverkningsgraden uppgå till 1000 mA/W glödeffekt. Oxidskiktet är känsligt för jonbombardemang, varför anodspänningen normalt begränsas till c:a 750V.
Oxidkatoder har egenskapen att under korta tidsintervall (några microsekunder) kunna emittera mycket stora elektronmängder, något som speciellt i högeffektmagnetroner (en rörtyp i radartekniken) är av stor betydelse. I ett dylikt rör är kanske medelströmmen endast 10 mA medan däremot pulsströmmen (=strömmen under en kort tidsrymd) kan uppgå till 10 till 20A.
Som förut nämts kan en katod uppvärmas direkt eller indirekt. Typiska direktupphettade katoder visas i principskissen fig. C1.16. Volframkatoder och torierade volframkatoder är alltid av denna typ liksom vissa typer av oxidkatoder, som har det emitterande skiktet anbragt på en glödtråd eller glödkropp. De flesta oxidkatoder är av indirekt typ (se typiska pricipskissser fig. C1.17). Katoden består av en metallcylinder (oftast nickel) belagd med oxid på sätt, som ovan beskrivits. Inuti cylindern placeras glödtråden, en bifilär trådspiral av volfram, som isoleras från katodcylindern genom ett lager sintrad aluminiumoxid. Temperaturfallet mellan glödtråd och katod är ett par hundra grader eller mera. I vissa fall anses en dylik "snabbkatods" elektriska isolering mellan glödtråd och katod icke vara betryggande (i normala smårör tillåtes 100 volt mellan glödtråd och katodcylinder), utan man tillgriper en keramisk isoleringskapsel mellan glödtråd och katod. Därigenom ökas emellertid värmetrögheten starkt och därmed väntetiden för full emission efter glödtrådens inkoppling. Isolationen mellan glödtråd och katod anses normalt tillfredställande, om isolationsresistansen uppgår till 10 megaohm vid normal arbetstemperatur. Hos den indirekt upphettade katoden är katodytan väsentligen en ekvipotentialyta och vidare är värmetrögheten så stor, att glödtråden kan matas med växelspänning utan risk för temperaturpulsationer och därav förorsakade brumstörningar.
 |
 |
| Fig. C1.16 |
Fig. C1.17 |
link >