Кенотрон

Кенотрон — это двухэлектродная электронная лампа (диод) с вакуумным баллоном, предназначенная для выпрямления переменного тока высокого напряжения. Кенотроны относятся к классу ионных и газоразрядных приборов, однако в отличие от газотронов, работают в условиях высокого вакуума (остаточное давление газа не превышает 10⁻⁶ мм рт. ст.), что обеспечивает их высокую электрическую прочность и стабильность характеристик при напряжениях от нескольких киловольт до десятков киловольт. Основное применение кенотронов — в высоковольтных выпрямителях, источниках питания радиопередатчиков, рентгеновских аппаратов, ускорителей частиц и других устройств, требующих постоянного тока высокого напряжения.

История

Кенотрон был разработан в начале XX века как развитие вакуумных диодов, созданных Джоном Флемингом (1904 год) и усовершенствованных Ли де Форестом (1906 год). Первые кенотроны представляли собой стеклянные баллоны с двумя электродами — анодом и катодом, наполненные разреженным газом. Однако для работы при высоких напряжениях (свыше 10 кВ) требовался более глубокий вакуум, чтобы избежать пробоя и ионизации остаточного газа. В 1910-х годах, с развитием вакуумной техники (в частности, с использованием ртутных диффузионных насосов), стали возможны промышленные образцы кенотронов.

В 1920-х — 1930-х годах кенотроны широко применялись в радиопередатчиках, радиолокаторах и медицинской аппаратуре. В СССР производство кенотронов было налажено в 1930-х годах на заводах «Светлана» (Ленинград) и «Московский электроламповый завод». К середине XX века, с появлением полупроводниковых диодов (особенно кремниевых и германиевых), кенотроны начали вытесняться из большинства применений, однако в некоторых областях (например, в рентгеновской технике и мощных радиопередатчиках) они продолжали использоваться до 1970-х годов.

Устройство и принцип действия

Кенотрон состоит из герметичного баллона (стеклянного, металлического или керамического), внутри которого расположены два электрода:

Катод — источник электронов. В большинстве кенотронов используется подогревный катод (вольфрамовая нить, покрытая оксидным слоем для снижения работы выхода). Накал катода осуществляется переменным током низкого напряжения (обычно 2–6 В) через вводы, изолированные от баллона.
Анод — коллектор электронов. Изготавливается из тугоплавких металлов (вольфрам, молибден, никель) или графита, часто имеет ребристую или цилиндрическую форму для улучшения теплоотвода. Анод расположен на значительном расстоянии от катода (несколько миллиметров — сантиметров) для предотвращения пробоя.

Принцип действия основан на термоэлектронной эмиссии: нагретый катод испускает электроны, которые под действием положительного потенциала на аноде (относительно катода) движутся к аноду, создавая ток. При обратной полярности (отрицательный потенциал на аноде) электроны не достигают анода, и ток практически отсутствует. Таким образом, кенотрон пропускает ток только в одном направлении, выполняя функцию выпрямления.

Классификация

Кенотроны классифицируются по нескольким признакам:

По типу катода

С подогревным катодом — наиболее распространённый тип. Катод нагревается отдельной нитью накала. Обеспечивает стабильную эмиссию, но требует дополнительного источника питания накала.
С холодным катодом — используется в некоторых высоковольтных кенотронах (например, в рентгеновских трубках), где нагрев катода осуществляется за счёт бомбардировки ионами или электронами. Встречается редко из-за низкой эффективности.

По конструкции баллона

Стеклянные — классический тип, применялся в ранних моделях. Обеспечивает хорошую изоляцию, но хрупок.
Металлические — более прочные, часто с керамическими изоляторами. Используются в мощных промышленных кенотронах (например, серии КВ).
Керамические — современные высоковольтные кенотроны, устойчивые к высоким температурам и механическим нагрузкам.

По номинальному напряжению

Низковольтные — до 10 кВ (например, К-6, К-12).
Средневольтные — от 10 до 50 кВ (например, К-20, К-30).
Высоковольтные — свыше 50 кВ (например, К-50, К-100, К-150).

Характеристики

Основные параметры кенотронов, указываемые в технической документации:

Максимальное обратное напряжение (Uобр.макс) — наибольшее напряжение, которое кенотрон может выдержать в непроводящем направлении без пробоя. Для мощных кенотронов достигает 150–200 кВ.
Максимальный прямой ток (Iпр.макс) — наибольший средний ток, который кенотрон может пропускать в прямом направлении. Обычно от нескольких миллиампер до нескольких ампер.
Напряжение накала (Uн) — напряжение, подаваемое на нить накала (обычно 2–6 В).
Ток накала (Iн) — ток нити накала (от 0,5 до 10 А).
Падение напряжения в прямом направлении (Uпрям) — напряжение между катодом и анодом при протекании номинального тока. Обычно составляет 20–100 В.
Ёмкость между электродами — паразитная ёмкость, влияющая на частотные свойства.

Применение

Кенотроны использовались в следующих областях:

Радиопередатчики — в выпрямителях питания анодных цепей мощных ламп (например, в передатчиках «Комета», «Арктур»).
Рентгеновская техника — в источниках питания рентгеновских трубок (например, кенотроны К-100, К-150).
Медицинская аппаратура — в дефибрилляторах, рентгеновских установках.
Промышленные установки — в электрофильтрах, установках электронно-лучевой сварки, ускорителях частиц.
Научные исследования — в высоковольтных источниках питания для экспериментов по ядерной физике.

Примеры