В вакуумных и газонаполненных трубках горячий катод или термоэлектронный катод представляет собой катодный электрод, который нагревается, заставляя его испускать электроны за счет термоэлектронной эмиссии . В этом отличие от холодного катода , у которого нет нагревательного элемента. Нагревательный элемент обычно представляет собой электрическую нить , нагреваемую проходящим через нее отдельным электрическим током . Горячие катоды обычно обеспечивают гораздо более высокую плотность мощности, чем холодные катоды, излучая значительно больше электронов с той же площади поверхности. Холодные катоды основаны на автоэмиссии электронов или вторичной эмиссии электронов в результате бомбардировки положительными ионами и не требуют нагрева. Существует два типа горячего катода. В катоде прямого нагрева нить накала является катодом и испускает электроны. В катоде с косвенным нагревом нить или нагреватель нагревает отдельный металлический катодный электрод, который испускает электроны.
С 1920-х по 1960-е годы в самых разных электронных устройствах использовались вакуумные лампы с горячим катодом. Сегодня горячие катоды используются в качестве источника электронов в люминесцентных лампах , вакуумных трубках , а также электронных пушках, используемых в электронно-лучевых трубках и лабораторном оборудовании, таком как электронные микроскопы .
Катодный электрод в вакуумной трубке или другой вакуумной системе представляет собой металлическую поверхность, которая испускает электроны в вакуумированное пространство трубки. Поскольку отрицательно заряженные электроны притягиваются к положительным ядрам атомов металла, они обычно остаются внутри металла и требуют энергии, чтобы покинуть его. [1] Эта энергия называется работой выхода металла. [1] В горячем катоде поверхность катода вынуждена испускать электроны путем нагревания ее нитью накала , тонкой проволокой из тугоплавкого металла, такого как вольфрам , с протекающим через нее током. [1] [2] Катод нагревается до температуры, при которой электроны «выпариваются» с его поверхности в вакуумированное пространство трубки. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией . [1]
Существует два типа горячих катодов: [1]
Основная причина использования катода с косвенным нагревом заключается в том, чтобы изолировать остальную часть вакуумной трубки от электрического потенциала на нити накала, что позволяет вакуумным трубкам использовать переменный ток для нагрева нити. В лампе, в которой катодом является сама нить накала, переменное электрическое поле от поверхности нити будет влиять на движение электронов и вносить шум в выходной сигнал лампы. Это также позволяет связывать вместе нити накала во всех трубках электронного устройства и питать их от одного и того же источника тока, даже если катоды, которые они нагревают, могут иметь разные потенциалы.
Для улучшения эмиссии электронов катоды обычно обрабатывают химикатами, соединениями металлов с низкой работой выхода . Они образуют на поверхности металлический слой, который испускает больше электронов. Обработанные катоды требуют меньшей площади поверхности, более низких температур и меньшей мощности для обеспечения того же катодного тока. Необработанные торированные вольфрамовые нити, использовавшиеся в ранних электронных лампах (так называемые «яркие эмиттеры»), нужно было нагреть до 2500 °F (1400 °C), добела, чтобы произвести достаточную термоэмиссию для использования, в то время как современные катоды с покрытием (так называемые « тусклые эмиттеры») производят гораздо больше электронов при данной температуре, поэтому их нужно нагреть всего до 800–1100 °F (425–600 °C). [1] [3]
Наиболее распространенным типом катода косвенного нагрева является катод с оксидным покрытием, в котором поверхность никелевого катода имеет покрытие из оксида щелочноземельного металла для увеличения эмиссии. Одним из первых материалов, использовавшихся для этого, был оксид бария ; он образует одноатомный слой бария с чрезвычайно низкой работой выхода. В более современных составах используется смесь оксида бария, оксида стронция и оксида кальция . Другой стандартный состав — оксид бария, оксид кальция и оксид алюминия в соотношении 5:3:2. Также может быть использован оксид тория . Катоды с оксидным покрытием работают при температуре около 800–1000 °C и имеют оранжевую температуру. Они используются в большинстве небольших стеклянных вакуумных трубок, но редко используются в мощных лампах, поскольку покрытие разрушается под действием положительных ионов, бомбардирующих катод, ускоряемых высоким напряжением на трубке. [4]
Для удобства производства катоды с оксидным покрытием обычно покрывают карбонатами , которые затем при нагревании превращаются в оксиды. Активация может быть достигнута путем микроволнового нагрева , нагрева постоянным электрическим током или бомбардировки электронами, пока трубка находится на вытяжной машине, до тех пор, пока не прекратится выделение газов. Чистота катодных материалов имеет решающее значение для срока службы трубки. [5] Содержание Ba значительно увеличивается в поверхностных слоях оксидных катодов до глубины нескольких десятков нанометров после процесса катодной активации. [6] Срок службы оксидных катодов можно оценить с помощью растянутой экспоненциальной функции . [7] Выживаемость источников электронной эмиссии значительно улучшается за счет высокого легирования высокоскоростного активатора. [8]
Оксид бария реагирует со следами кремния в основном металле, образуя слой силиката бария (Ba 2 SiO 4 ). Этот слой имеет высокое электрическое сопротивление, особенно при прерывистой токовой нагрузке, и действует как резистор последовательно с катодом. Это особенно нежелательно для ламп, используемых в компьютерах, где они могут оставаться не проводящими ток в течение длительного периода времени. [9]
Барий также сублимируется с нагретого катода и откладывается на близлежащих структурах. Для электронных ламп, где сетка подвергается воздействию высоких температур и загрязнение барием может способствовать эмиссии электронов из самой сетки, в смесь покрытия добавляется более высокая доля кальция (до 20% карбоната кальция). [9]
Гексаборид лантана (LaB 6 ) и гексаборид церия (CeB 6 ) используются в качестве покрытия некоторых сильноточных катодов. Гексабориды имеют низкую работу выхода, около 2,5 эВ . Они также устойчивы к отравлению. Катоды из борида церия демонстрируют меньшую скорость испарения при 1700 К , чем борид лантана, но при 1850 К и выше она становится равной. Срок службы катодов из борида церия в полтора раза превышает срок службы борида лантана из-за его более высокой устойчивости к загрязнению углеродом. Боридные катоды примерно в десять раз «ярче» вольфрамовых и имеют в 10-15 раз больший срок службы. Они используются, например, в электронных микроскопах , микроволновых трубках , электронной литографии , электронно-лучевой сварке , рентгеновских трубках и лазерах на свободных электронах . Однако эти материалы, как правило, дорогие.
Могут быть использованы и другие гексабориды; примерами являются гексаборид кальция , гексаборид стронция , гексаборид бария , гексаборид иттрия , гексаборид гадолиния, гексаборид самария и гексаборид тория.
Распространенным типом катода с прямым нагревом, используемым в большинстве передающих ламп большой мощности, является торированная вольфрамовая нить, открытая в 1914 году и использованная на практике Ирвингом Ленгмюром в 1923 году. [10] К вольфрамовой нити добавляется небольшое количество тория . . Нить нагревается до белого каления, примерно до 2400 °C, и атомы тория мигрируют к поверхности нити и образуют эмиссионный слой. Нагревание нити в атмосфере углеводородов приводит к науглероживанию поверхности и стабилизации эмиссионного слоя. Торированные нити могут иметь очень долгий срок службы и устойчивы к ионной бомбардировке, происходящей при высоких напряжениях, поскольку свежий торий постоянно диффундирует к поверхности, обновляя слой. Они используются почти во всех мощных электронных лампах для радиопередатчиков, а также в некоторых лампах для усилителей Hi-Fi . Их срок службы обычно больше, чем у оксидных катодов. [11]
Из-за опасений по поводу радиоактивности и токсичности тория были предприняты усилия по поиску альтернатив. Один из них — циркониевый вольфрам, где вместо диоксида тория используется диоксид циркония . Другими материалами-заменителями являются оксид лантана(III) , оксид иттрия(III) , оксид церия(IV) и их смеси. [12]
Помимо перечисленных оксидов и боридов, можно использовать и другие материалы. Некоторыми примерами являются карбиды и бориды переходных металлов , например карбид циркония , карбид гафния , карбид тантала , диборид гафния и их смеси. Обычно выбирают металлы групп IIIB ( скандий , иттрий и некоторые лантаноиды , часто гадолиний и самарий ) и IVB ( гафний , цирконий , титан ). [12]
Помимо вольфрама можно использовать и другие тугоплавкие металлы и сплавы, например тантал , молибден , рений и их сплавы.
Между основным металлом и эмиссионным слоем можно поместить барьерный слой из другого материала, чтобы ингибировать химическую реакцию между ними . Материал должен быть устойчивым к высоким температурам, иметь высокую температуру плавления и очень низкое давление пара, а также быть электропроводным. Используемыми материалами могут быть, например , диборид тантала , диборид титана , диборид циркония, диборид ниобия , карбид тантала , карбид циркония , нитрид тантала и нитрид циркония . [13]
Катодный нагреватель — это нагретая проволочная нить, используемая для нагрева катода в вакуумной трубке или электронно-лучевой трубке . Катодный элемент должен достичь необходимой температуры для правильной работы этих трубок. Вот почему старой электронике часто требуется некоторое время, чтобы «разогреться» после включения; это явление до сих пор можно наблюдать в электронно-лучевых трубках некоторых современных телевизоров и компьютерных мониторов . Катод нагревается до температуры, при которой электроны «выпариваются» с его поверхности в вакуумированное пространство трубки. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией . Температура, необходимая для современных катодов с оксидным покрытием, составляет около 800–1000 ° C (1470–1830 ° F).
Катод обычно имеет форму длинного узкого цилиндра из листового металла в центре трубки. Нагреватель состоит из тонкой проволоки или ленты, изготовленной из металлического сплава с высоким сопротивлением , такого как нихром , аналогичного нагревательному элементу в тостере , но более тонкого. Он проходит через центр катода, часто наматываясь на крошечные изолирующие опоры или сгибаясь в форме шпильки, чтобы обеспечить достаточную площадь поверхности для производства необходимого тепла. Типичные нагреватели имеют керамическое покрытие на проводе. Когда он резко согнут на концах катодной гильзы, проволока оголяется. Концы провода электрически соединены с двумя из нескольких штырей, выступающих из конца трубки. Когда ток проходит через провод, он раскаляется докрасна, и излучаемое тепло попадает на внутреннюю поверхность катода, нагревая его. Красное или оранжевое свечение, исходящее от работающих вакуумных ламп, создается нагревателем.
В катоде мало места, и катод часто изготавливается так, что провод нагревателя касается его. Внутренняя часть катода изолирована покрытием из оксида алюминия (оксида алюминия). Это не очень хороший изолятор при высоких температурах, поэтому лампы имеют номинальное максимальное напряжение между катодом и нагревателем, обычно всего от 200 до 300 В.
Нагревателям требуется источник питания низкого напряжения и сильного тока. Миниатюрные приемные трубки для сетевого оборудования мощностью порядка 0,5-4 Вт по мощности нагревателя; лампы высокой мощности, такие как выпрямители или выходные лампы, потребляют порядка 10–20 Вт, а передающие лампы вещания могут нуждаться в киловаттах или более для нагрева катода. [14] Требуемое напряжение обычно составляет 5 или 6 В переменного тока . Это обеспечивается отдельной «обмоткой нагревателя» на трансформаторе питания устройства , которая также подает более высокие напряжения, необходимые для пластин трубок и других электродов. Один из подходов, используемый в бестрансформаторных сетевых радио- и телевизионных приемниках, таких как All American Five , заключается в последовательном соединении всех ламповых нагревателей через линию питания. Поскольку все нагреватели рассчитаны на один и тот же ток, они будут распределять напряжение в соответствии с номиналами своих нагревателей.
В радиоприемниках с батарейным питанием для нагревателей использовался постоянный ток (широко известный как нити накаливания), а трубки, предназначенные для аккумуляторных комплектов, были спроектированы так, чтобы использовать как можно меньше энергии накаливания, чтобы сэкономить на замене батарей. Последние модели радиоприемников с лампами были построены на сверхминиатюрных лампах с током нагревателей менее 50 мА, но эти типы были разработаны примерно в то же время, что и транзисторы, которые заменили их.
Там, где поля утечки или рассеяния из цепи нагревателя потенциально могут быть связаны с катодом, для питания нагревателя иногда используется постоянный ток. Это устраняет источник шума в чувствительных аудио- или инструментальных цепях.
Большая часть энергии, необходимой для работы маломощного лампового оборудования, потребляется нагревателями. Транзисторы не требуют такой мощности, что часто является большим преимуществом.
Эмиссионные слои на катодах с покрытием со временем разрушаются медленно и гораздо быстрее, когда катод перегружен слишком большим током. Результатом является ослабление излучения и уменьшение мощности трубок, а в ЭЛТ - уменьшение яркости.
Активированные электроды могут быть разрушены при контакте с кислородом или другими химическими веществами (например , алюминием или силикатами ), которые либо присутствуют в виде остаточных газов, попадающих в трубку через утечки, либо выделяются в результате газовыделения или миграции из элементов конструкции. Это приводит к уменьшению излучательной способности. Этот процесс известен как катодное отравление . Для раннего компьютера Whirlwind пришлось разработать высоконадежные лампы с нитями накала, не содержащими следов кремния .
Медленная деградация эмиссионного слоя, внезапное возгорание и обрыв нити накала — два основных вида отказа электронных ламп.