A vákuumcsövekben és a gázcsövekben a forró katód vagy a termionos katód egy fűtött elektróda, amely termionos emisszióval elektronokat bocsát ki . Ellentétben áll a hideg katóddal , amelynek nincs fűtőeleme, és amely a mező által okozott emisszióra vagy a pozitív ionok bombázásából származó szekunder elektronok kibocsátására támaszkodik .
A forró katód fűtőeleme általában egy elektromos szál, amelyet a rajta áthaladó dedikált elektromos áram melegít . A forró katódok általában sokkal nagyobb teljesítménnyel rendelkeznek területegységenként, mint a hideg katódok, és sokkal több elektronot bocsátanak ki ugyanarra a területre. A forró katódoknak két típusa van: Közvetlenül fűtött katódban az izzószál a katód, és elektronokat bocsát ki. Közvetetten fűtött katódban az izzószál vagy a melegítő külön kibocsátó fémkatódot melegít.
Az 1920-as és 1960-as évektől kezdve sokféle elektronikai eszköz használt forró katódos vákuumcsöveket. Manapság a forró katódokat elektronforrásként használják fluoreszcens csövekben , vákuumcsövekben és elektronpisztolyokban, amelyeket katódsugárcsövekben és laboratóriumi berendezésekben, például elektronmikroszkópokban használnak .
A vákuumcsőben lévő katódelektróda olyan fémfelület, amely elektronokat bocsát ki a cső vákuumába. Mivel a negatív töltésű elektronok vonzódnak a fém atomjainak pozitív magjaihoz , általában a fém belsejében maradnak, és energiára van szükségük a távozáshoz. Ezt az energiát a fémből való kilépés munkájának nevezzük . Forró katódban a katód felülete elektronokat bocsát ki, ha izzószálzal , tűzálló fémből készült vékony huzallal melegítik, mint amilyen a volfrám , és amelyen áram áramlik. A katódot olyan hőmérsékletre melegítik, hogy az elektronok "elpárologjanak" a felületéről a cső üres terébe, ezt a folyamatot nevezzük termionos emissziónak .
Kétféle forró katód létezik:
Közvetlenül fűtött katód Ez a típusú katód, az izzószál maga alkotja a katódot, és közvetlenül bocsátja ki az elektronokat. Közvetlenül fűtött katódokat használtunk a korai vákuumcsövekben. Ma fluoreszcens csövekben és a legtöbb nagy teljesítményű vákuumcsőben használják őket. Közvetetten fűtött katód Az izzószál és a katód két külön elem, az izzószál felmelegíti az izzószálat körülvevő hengerből álló katódot, és ez a henger elektronokat bocsát ki. Közvetetten fűtött katódokat használnak a legtöbb alacsony teljesítményű vákuumcsőben. Például a legtöbb vákuumcsőben a katód egy nikkelcső, amelyet fém-oxidok borítanak. A belsejében lévő volfrámszál melegíti, és az izzószál által leadott hő elektronok kibocsátását okozza a bevonat külső felületéről. A közvetetten fűtött katód izzószálát általában melegítőnek nevezik .A közvetetten fűtött katód használatának fő oka az, hogy a vákuumcsövet meg kell szigetelni az izzószál elektromos potenciáljától, lehetővé téve a vákuumcsövek számára, hogy váltakozó áramot használjanak az izzószál melegítésére. Egy olyan cső, amelyben az izzószál a katód, az izzószál felületétől váltakozó elektromos mező befolyásolja az elektronok mozgását, és zümmögést vezet be a cső kimenetébe. Ez lehetővé teszi egy elektronikus eszköz összes csövének izzószálának megkötését és ugyanazon áramforrásból történő táplálását is, a katódok, amelyeket hővel képesek különböző potenciálokon lenni.
Az elektronkibocsátás javítása érdekében a katódokat általában vegyi anyagokkal kezelik, amelyek alacsony munkaterhelésű fémekből állnak. Ezek fémes réteget képeznek a felületen, amely több elektronot bocsát ki. A kezelt katódoknak kevesebb területre, alacsonyabb hőmérsékletre és kevesebb energiára van szükségük ugyanazon katódáram leadásához. Kezeletlen volfrámszál-elméletek, amelyeket az első vákuumcsőben 1400 ° C- ra melegítenek . Fehérre hevítették, hogy elegendő termionos emissziót hozzanak létre, míg a modern bevonattal ellátott katódok sokkal több elektronot termelnek egy adott hőmérsékleten, és csak 425–600 ° C-ra kell őket hevíteni.
A közvetetten melegített katódok leggyakoribb típusa az oxiddal bevont katód, amelyben a nikkel-katód felületét alkáliföldfém- oxiddal vonják be az elektronkibocsátás növelése érdekében. Az egyik első felhasznált anyag a bárium-oxid volt, amely rendkívül alacsony működési funkciójú monoatomikus báriumréteget képez . Korszerűbb a stroncium-oxid és a kalcium-oxid bárium-oxid-keverékének keveréke . Egy másik standard készítmény a bárium-oxid, kalcium- oxid és alumínium-oxid 5: 3: 2 arányban, valamint tórium-oxidot is alkalmaznak. Az oxiddal bevont katódok körülbelül 800-1000 ° C-on működnek és narancssárgák. Ezeket a legtöbb kis üveg vákuumcsőben használják, de ritkán nagy teljesítményű csövekben, mert a bevonatot a csőben lévő nagyfeszültség által felgyorsított pozitív ionok lebontják, amelyek bombázzák a katódot.
Gyártásuk megkönnyítése érdekében az oxiddal bevont katódokat általában először karbonátokkal vonják be , amelyeket aztán melegítéssel oxidokká alakítanak. Az aktiválást mikrohullámú fűtéssel, egyenárammal történő fűtéssel vagy elektronbombázással érhetjük el; a cső a szivattyún van, amíg a gáztermelés le nem áll. A katódanyagok tisztasága döntő fontosságú a cső élettartama szempontjából. A katód aktiválási folyamat után a báriumtartalom a felületen drámai módon akár több tíz nanométer mélységig is megnő. Az oxidkatódok élettartama kiértékelt exponenciális függvénnyel értékelhető . Az elektronforrások élettartamát jelentősen javítja a nagy dózisú nagy sebességű aktivátor.
A bárium-oxid a szilícium nyomaival reagál az alatta lévő fémben, bárium-szilikát (Ba 2 SiO 4 ) réteget alkotva . Ennek a rétegnek nagy az elektromos ellenállása, különösen szakaszos áramterhelés esetén, és a katóddal soros ellenállást képez. Ez különösen nem kívánatos a számítástechnikában használt csöveknél, amelyek hosszú ideig áramvezetés nélkül is működhetnek.
A bárium szintén szublimál a fűtött katódból, és a közeli szerkezetekre telepedik. Elektroncsövek esetén, ha a rácsot magas hőmérsékletnek tesszük ki, és a bárium-szennyezés megkönnyíti az elektronok kibocsátását magából a rácsból, nagyobb arányban kalciumot adunk a bevonathoz (legfeljebb 20% kalcium-karbonát).
A lantán-hexaboridot (LaB 6 ) és a cérium-hexaboridot (CeB 6 ) használják bizonyos katódos nagyáramú bevonatokként. A hexaboridok gyenge, 2,5 eV körüli működési funkcióval rendelkeznek . Ellenállnak a mérgezésnek is. A cérium-borid-katódok alacsonyabb párolgási sebességet mutatnak 1700 K hőmérsékleten, mint a lantán-borid, de 1850 K felett egyenlővé válik. A cérium-borid-katódok élettartama másfélszer nagyobb, mint a lantán-boridé, köszönhetően a szén-szennyezéssel szembeni nagyobb ellenálló képességének . A borid-katódok körülbelül tízszer sugárzóbbak, mint a volfrám-katódok, és az élettartama 10-15-ször hosszabb. Használják például elektronmikroszkópokban , mikrohullámú csövekben , elektronnyaláb-litográfiában , elektronnyaláb- hegesztésben , röntgencsövekben és szabad elektronlézerekben . Ezek az anyagok azonban gyakran drágák.
Egyéb hexaborid is fel lehet használni, például a kalcium-hexaborid , a stroncium-hexaborid, a hexaborid bárium , a hexaborid ittrium , hexaborid gadolínium, a szamárium-hexaborid és tórium-hexaborid.
A legtöbb nagy teljesítményű emissziós csőben használt közvetlen fűtött katód egyik tipikus típusa a toriális volfrámszál , amelyet 1914-ben fedeztek fel és Irving Langmuir készített a gyakorlatban 1923. évben. Az izzószál volfrámjához kis mennyiségű tóriumot adnak. Az izzószálat 2400 ° C körüli hőmérsékletre melegítik, és a tóriumatomok az izzószál felületére vándorolva alkotják a kibocsátó réteget. Az izzószál szénhidrogén atmoszférában történő melegítése cementálja a felületet és stabilizálja a kibocsátó réteget. A tóriumszálak nagyon hosszú élettartammal bírnak, és ellenállnak a nagyfeszültségű ionbombázásnak, mivel az új tóriumatomok folyamatosan diffundálnak a felszínre, megújítva ezzel a réteget. Szinte az összes nagy teljesítményű vákuumcsőben használják rádióadókhoz, és néhány csőben a hifi erősítőkhöz . Élettartamuk általában hosszabb, mint az oxiddal bevont katódoké.
A tórium alternatíváiA tórium radioaktivitásával és toxicitásával kapcsolatos aggályok miatt törekedtek alternatívák keresésére. Az egyik a cirkónium-volfrám, ahol a tórium-dioxid helyett cirkónium-dioxidot használnak. További alternatív anyagok a lantán (III) -oxid, az ittrium (III) -oxid , a cérium (IV) -oxid és ezek keverékei.
Amellett, hogy az oxidok és a boridok a fent felsorolt, más anyagok is használhatók, mint például karbidokat és boridok a átmeneti fémek , így például cirkónium-karbid, hafnium-karbidot , a tantál-karbid , a diborid d „hafnium és ezek keverékei. A fémek a csoportok IIIB ( szkandium , ittrium és egyes lantanidák , gyakran gadolínium és szamárium ) és IVB ( hafnium , cirkónium , titán ) általában úgy választjuk.
A volfrám mellett más tűzálló fémek és ötvözetek is alkalmazhatók, például tantál , molibdén és rénium és ötvözeteik.
Az alapul szolgáló fém és az emissziós réteg közötti kémiai reakció gátlásához egy másik anyagból álló gátló réteget lehet elhelyezni közöttük. Anyagának ellen kell állnia a magas hőmérsékletnek, magas olvadáspontú, nagyon alacsony gőznyomású és elektromosan vezető. Az alkalmazott anyagok lehetnek például tantál-diborid , titán-diborid , cirkónium-diborid , nióbium-diborid , tantál-karbid , cirkónium-karbid, tantál-nitrid és cirkónium-nitrid .
A katódot a vákuumcsőben vagy a katódsugárcsőben lévő izzószál segítségével melegítik . A katódnak el kell érnie egy bizonyos hőmérsékletet a megfelelő működéshez, ezért a régebbi elektronikus eszközöknek gyakran szükségük volt időre a "felmelegedésre" a bekapcsolás után; ezt a jelenséget különösen bizonyos televíziók és számítógépes monitorok katódsugárcsöveiben figyelték meg . A katódot olyan hőmérsékletre hevítették, amelynek hatására az elektronok kiléptek a felületéről a cső vákuumába, ezt a folyamatot nevezzük termionos emissziónak . A szükséges hőmérséklet a bevonat katódok modern-oxid 800, hogy 1000 ° C-on .
A katód általában hosszú hengeres fémlemez formájában van a cső közepén. A fűtési rendszer egy vékony szálból vagy szalagból áll, amely nagy elektromos ellenállású fémötvözetből , például nichromból áll , hasonlóan a kenyérpirító fűtőeleméhez , de vékonyabb. Átfut a katód közepén, és gyakran kisméretű szigetelő támaszokra tekercselik vagy hajtű alakra hajlítják, hogy elegendő felületet biztosítsanak a szükséges hő előállításához. A tipikus szálak kerámia bevonattal rendelkeznek. A katódhüvely végeinél erősen hajlítva a huzal látható. A vezeték végei villamosan vannak összekötve a cső végéből kilépő sok csap közül kettővel. Amikor az áram áthalad a vörösen fűtött huzalon, a kisugárzott hő eléri a katód belső felületét és felmelegíti. A működő vákuumcsöveken megfigyelhető piros vagy narancssárga fényt ez a fűtési rendszer eredményezi.
A katódban nincs sok hely, és a katód gyakran hozzáér a fűtővezetékhez. A katód belseje alumínium- oxid (alumínium-oxid) bevonattal van szigetelve, amely magas hőmérsékleten nem túl jó szigetelő. Ezért a csövek maximális feszültséggel rendelkeznek a katód és a fűtőszál között, általában 200-300 V.
A fűtési rendszerek alacsony feszültséget és nagy áramot igényelnek. A miniatűr vevőcsövek fűtésre 0,5–4 watt nagyságrendben, a nagy teljesítményű csövek, például az egyenirányítók vagy a kimeneti csövek 10–20 wattos nagyságrendben fogyasztanak, és a műsorszóráshoz sugárzó csöveknél a katód felmelegítéséhez kilowatt vagy annál nagyobb mennyiségre lehet szükség. A szükséges feszültség általában 5 vagy 6 volt AC . Ezek áramellátását külön csévéléséhez az eszköz hálózati transzformátor , amely ellátja a magasabb feszültség szükséges a cső lemezek és más elektródák. A transzformátor nélküli rádió- és televíziókészülékeknél, például az All American Five-nál alkalmazott egyik megközelítés az, hogy az összes fűtőcsövet sorosan köti össze az elektromos vezetéken. Mivel minden fűtési rendszer ugyanazt az áramerősséget használta, specifikációjuk szerint megosztották a feszültséget.
Az akkumulátorral működtetett rádióberendezések egyenáramú energiát használtak a fűtőelemekhez (amelyeket általában szálaknak neveznek), és az alkalmazott csöveket úgy tervezték, hogy a lehető legkevesebb izzószálat fogyasztják, hogy minimalizálják az elemcseréket. A csövekkel felszerelt rádióvevők későbbi modelljeit szubminiatűr csövekkel építették, amelyek fűtéshez kevesebb mint 50 mA-t használtak, de ezeket a modelleket nagyjából egyidőben fejlesztették ki a tranzisztorokkal, amelyek helyettesítették őket.
Ha fennáll az a veszély, hogy interferenciát okozhat a fűtőkör és a katód összekapcsolása, néha egyenáramot használnak a fűtőszál ellátására. Ez kiküszöböli a zajforrást az audio áramkörökben vagy az érzékeny műszerekben.
A csövek alacsony teljesítményű üzemeltetéséhez szükséges energia nagy részét a fűtési rendszer használja fel. A tranzisztoroknak nincs ilyen igényük, ami gyakran nagy előny.
A bevont katódok kibocsátó rétege fokozatosan, és sokkal gyorsabban bomlik le, ha a katódot túl nagy áram keresztezi. Ennek eredményeként alacsonyabb az elektronkibocsátás és csökken a csőteljesítmény , vagy csökken a fényerő a CRT-kben .
Az aktivált elektródák oxigénnel vagy más vegyi anyagokkal (pl. Alumínium vagy szilikátok ) érintkezve romolhatnak . Gázként jelen lehetnek a csőbe szivárgás útján, vagy felszabadulhatnak a munkadarabok gáztalanításával vagy migrációjával. Ez a katódmérgezésnek nevezett folyamat alacsonyabb emissziót eredményez. Az első Whirlwind számítógéphez nagy megbízhatóságú csöveket kellett kifejleszteni , szilícium nyomoktól mentes szálakkal .
A vákuumcső meghibásodásának két fő forrása a kibocsátó réteg lassú lebomlása és az izzószál hirtelen kiégése.
Felszerelés | Üzemi hőmérséklet | Kibocsátás hatékonysága | Konkrét kérdés |
---|---|---|---|
Volfrám | 2500 K | 5 mA / W | 500 mA / cm 2 |
Torziós volfrám | 2000 K | 100 mA / W | 5 A / cm 2 |
Oxid réteg | 1000 K | 500 mA / W | 10 A / cm 2 |
Bárium-aluminát | 1300 K | 400 mA / W | 4 A / cm 2 |