В вакуумных лампах и газонаполненных лампах горячий катод или термокатод — это катодный электрод, который нагревается, чтобы он испускал электроны за счет термоэлектронной эмиссии . Это контрастирует с холодным катодом , который не имеет нагревательного элемента. Нагревательный элемент обычно представляет собой электрическую нить , нагреваемую отдельным электрическим током, проходящим через него. Горячие катоды обычно достигают гораздо более высокой плотности мощности, чем холодные катоды, испуская значительно больше электронов с той же площади поверхности. Холодные катоды полагаются на автоэлектронную эмиссию или вторичную электронную эмиссию от бомбардировки положительными ионами и не требуют нагрева. Существует два типа горячих катодов. В катоде с прямым нагревом нить 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 трубки с горячим катодом. Сегодня горячие катоды используются в качестве источника электронов в люминесцентных лампах , вакуумных трубках и 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 вакуумное 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 побуждается испускать электроны путем нагрева ее нитью накала , тонкой проволокой из тугоплавкого металла, такого как вольфрам, с протекающим через нее током. [1] [2] Катод нагревается до температуры, которая заставляет электроны «испаряться» с его поверхности в вакуумное пространство в трубке, процесс называется термоэлектронной эмиссией . [1]
Существует два типа горячих катодов: [1]
Основная причина использования катода с косвенным нагревом — изоляция остальной части вакуумной трубки от электрического потенциала на нити накала, что позволяет вакуумным трубкам использовать переменный ток для нагрева нити накала. В трубке, в которой сама нить накала является катодом, переменное электрическое поле от поверхности нити накала будет влиять на движение электронов и вносить гул в выходной сигнал трубки. Это также позволяет нитям накала во всех трубках электронного устройства быть связанными вместе и питаться 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 металлический слой на поверхности, который испускает больше электронов. Обработанные катоды требуют меньшей площади поверхности, более низких температур и меньшей мощности для подачи того же катодного тока. Необработанные торированные вольфрамовые нити, используемые в ранних вакуумных лампах (называемые «яркими эмиттерами»), приходилось нагревать до 2500 °F (1400 °C), добела, чтобы произвести достаточную для использования термоионную эмиссию, в то время как современные покрытые катоды (называемые «тусклыми эмиттерами») производят гораздо больше электронов при заданной температуре, поэтому их нужно нагревать только до 800–1100 °F (425–600 °C). [1] [3]
Наиболее распространенным типом косвенно нагретого катода является катод с оксидным покрытием, в котором поверхность никелевого катода имеет покрытие из оксида щелочноземельного металла для увеличения эмиссии. Одним из самых ранних материалов, используемых для этого, был оксид бария ; он образует одноатомный слой бария с чрезвычайно низкой работой выхода. Более современные формулы используют смесь оксида бария, оксида стронция и оксида кальция . Другая стандартная формула - оксид бария, оксид кальция и оксид алюминия в соотношении 5:3:2. Также может использоваться оксид тория . Катоды с оксидным покрытием работают при температуре около 800-1000 °C, оранжево-горячие. Они используются в большинстве небольших стеклянных вакуумных трубок, но редко используются в мощных трубках, потому что покрытие разрушается положительными ионами, которые бомбардируют катод, ускоряясь высоким напряжением на трубке. [4]
Для удобства производства оксидные катоды обычно покрываются карбонатами , которые затем преобразуются в оксиды путем нагрева. Активация может быть достигнута путем микроволнового нагрева , нагрева постоянным электрическим током или электронной бомбардировки, 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 на поверхностных слоях оксидных катодов до нескольких десятков нанометров в глубину после процесса активации катода. [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 нижележащем 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 трубок, используемых в компьютерных приложениях, где они могут оставаться без проведения тока в течение длительных периодов времени. [9]
Барий также сублимируется из нагретого катода и осаждается на близлежащих структурах. Для электронных трубок, где сетка подвергается воздействию высоких температур, а 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 показывают низкую работу выхода, около 2,5 эВ . Они также устойчивы к отравлению. Катоды из борида церия показывают более низкую скорость испарения при 1700 К , чем борид лантана, но она становится равной при 1850 К и выше. Катоды из борида церия имеют в полтора раза больший срок службы, чем борид 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, дороги.
Могут использоваться и другие гексабориды; примерами являются гексаборид кальция , гексаборид стронция , гексаборид бария , гексаборид иттрия , гексаборид гадолиния, гексаборид самария и гексаборид тория.
Распространенным типом катода прямого нагрева, используемого в большинстве мощных передающих трубок, является торированная вольфрамовая нить, открытая в 1914 году и внедренная в практику Ирвингом Ленгмюром в 1923 году. [10] К вольфраму нити добавляется небольшое количество тория . Нить нагревается добела, примерно до 2400 °C, и атомы тория мигрируют на поверхность нити и образуют эмиссионный слой. Нагрев нити в углеводородной атмосфере науглероживает поверхность и стабилизирует эмиссионный слой. Торированные нити могут иметь очень долгий срок службы и устойчивы к ионной бомбардировке, которая происходит при высоких напряжениях, потому что свежий торий постоянно диффундирует к поверхности, обновляя слой. Они используются почти во всех мощных вакуумных лампах для радиопередатчиков и в некоторых лампах для усилителей hi-fi . Срок их службы, как правило, больше, чем у оксидных катодов. [11]
Из-за опасений по поводу радиоактивности и токсичности тория были предприняты попытки найти альтернативы. Одной из них является цирконированный вольфрам, где вместо диоксида тория используется диоксид циркония. Другими заменяющими материалами являются оксид лантана (III) , оксид иттрия (III) , оксид церия (IV) и их смеси. [12]
В дополнение к перечисленным оксидам и боридам могут использоваться и другие материалы. Некоторые примеры — карбиды и бориды переходных металлов , например , карбид циркония , карбид гафния , карбид тантала , диборид гафния и их смеси. Обычно выбирают металлы из групп IIIB ( скандий , иттрий и некоторые лантаноиды , часто гадолиний и самарий ) и IVB ( гафний , цирконий , титан ). [12]
Помимо вольфрама могут использоваться и другие тугоплавкие металлы и сплавы, например, тантал , молибден , рений и их сплавы.
Между основным металлом и эмиссионным слоем может быть помещен барьерный слой из другого материала, чтобы препятствовать химической реакции между ними. Материал должен быть устойчивым к высоким температурам, иметь высокую температуру плавления и очень низкое давление паров, 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]
Нагреватель катода — это нагретая проволочная нить, используемая для нагрева катода в вакуумной или электронно-лучевой трубке . Катодный элемент должен достичь требуемой температуры, чтобы эти трубки функционировали должным образом. Вот почему старой электронике часто требуется некоторое время для «разогрева» после включения; это явление все еще можно наблюдать в электронно-лучевых трубках некоторых современных телевизоров и компьютерных мониторов . Катод нагревается до температуры, которая заставляет электроны «выкипать» с его поверхности в вакуумированное пространство в трубке, процесс, называемый 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 сплава металла с высоким сопротивлением , такого как нихром , похожего на нагревательный элемент в тостере, но тоньше. Он проходит через центр катода, часто будучи намотанным на крошечные изолирующие опоры или согнутым в форме шпильки, чтобы обеспечить достаточную площадь поверхности для получения необходимого тепла. Типичные нагреватели имеют керамическое покрытие на проводе. Когда он резко сгибается на концах катодной гильзы, провод обнажается. Концы провода электрически соединены с двумя из нескольких штырей, выступающих из конца трубки. Когда ток проходит через провод, он становится раскаленным докрасна, и излучаемое тепло ударяет по внутренней поверхности катода, нагревая его. Красное или оранжевое свечение, видимое при работе вакуумных трубок, создается нагревателем.
В катоде не так много места, и катод часто изготавливается с нагревательным проводом, касающимся его. Внутренняя часть катода изолирована покрытием из оксида алюминия (окиси алюминия). Это не очень хороший изолятор при высоких температурах, поэтому трубки имеют номинал для максимального напряжения между катодом и нагревателем, обычно всего 200–300 В.
Нагреватели требуют низковольтного, сильноточного источника питания. Миниатюрные приемные трубки для оборудования с линейным управлением используют порядка 0,5–4 Вт для мощности нагревателя; мощные трубки, такие как выпрямители или выходные трубки, используют порядка 10–20 Вт, а вещательным передающим лампам может потребоваться киловатт или больше для нагрева катода. [14] Требуемое напряжение обычно составляет 5 или 6 вольт переменного тока . Оно подается отдельной «обмоткой нагревателя» на трансформаторе питания устройства , который также подает более высокие напряжения, необходимые пластинам ламп и другим электродам. Один из подходов, используемых в бестрансформаторных линейных радио- и телевизионных приемниках, таких как All American Five, заключается в последовательном подключении всех нагревателей трубок через линию питания. Поскольку все нагреватели рассчитаны на один и тот же ток, они будут делить напряжение в соответствии с номиналами своих нагревателей.
Радиоприемники на батарейном питании использовали постоянный ток для нагревателей (обычно называемых нитями накала), а трубки, предназначенные для батарейных наборов, были разработаны для использования как можно меньшего количества энергии нити накала, чтобы сэкономить на замене батареек. Последние модели радиоприемников на ламповом питании были построены с использованием сверхминиатюрных ламп, использующих менее 50 мА для нагревателей, но эти типы были разработаны примерно в то же время, что и транзисторы, которые их заменили.
В тех случаях, когда утечка или блуждающие поля из цепи нагревателя могут потенциально быть связаны с катодом, для питания нагревателя иногда используется постоянный ток. Это устраняет источник шума в чувствительных аудио- или инструментальных цепях.
Большая часть мощности, необходимой для работы маломощного лампового оборудования, потребляется нагревателями. Транзисторы не имеют такой потребности в мощности, что часто является большим преимуществом.
Эмиссионные слои на покрытых катодах медленно деградируют со временем, и гораздо быстрее, когда катод перегружен слишком высоким током. Результатом является ослабление эмиссии и снижение мощности трубок или, в случае ЭЛТ, снижение яркости.
Активированные электроды могут быть разрушены при контакте с кислородом или другими химическими веществами (например , алюминием или силикатами ), либо присутствующими в виде остаточных газов, попадающих в трубку через утечки, либо выделяющимися путем дегазации или миграции из элементов конструкции. Это приводит к снижению излучательной способности. Этот процесс известен как отравление катода . Для раннего компьютера Whirlwind пришлось разработать трубки высокой надежности с нитями, свободными от следов кремния .
Медленная деградация эмиссионного слоя и внезапное перегорание и обрыв нити накала — два основных вида отказов электронных ламп.