В вакуумных трубок и наполненных газом трубок , А с горячим катодом или термокатод является катодом электрод , который нагревают , чтобы сделать ее испускают электроны за счет термоэлектронной эмиссии . В этом отличие от холодного катода , у которого нет нагревательного элемента. Нагревательный элемент обычно представляет собой электрическую нить накала, нагреваемую отдельным электрическим током, проходящим через нее. Горячие катоды обычно достигают гораздо более высокой плотности мощности, чем холодные катоды, излучающих значительно больше электронов с той же площади поверхности. Холодные катоды основаны на автоэлектронной эмиссииили вторичная электронная эмиссия при бомбардировке положительными ионами и не требуют нагрева. Есть два типа горячего катода. В катоде с прямым нагревом нить накала является катодом и испускает электроны. В катоде с косвенным нагревом нить накала или нагреватель нагревает отдельный металлический катодный электрод, который испускает электроны.
С 1920-х по 1960-е годы в самых разнообразных электронных устройствах использовались вакуумные лампы с горячим катодом. Сегодня горячие катоды используются в качестве источника электронов в люминесцентных ламп , вакуумных трубок , и электронных пушек , используемых в электронно - лучевых трубок и лабораторного оборудования , таких как электронные микроскопы .
Описание [ править ]
Катодный электрод в вакуумной трубке или другой вакуумной системе представляет собой металлическая поверхность , которая излучает электроны в эвакуированном пространство трубы. 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 вынуждается испускать электроны, нагревая ее с помощью нити накала , тонкой проволоки из тугоплавкого металла, такого как вольфрам, с током, протекающим через нее. [1] [2] Катод нагревается до температуры, при которой электроны «выкипают» с его поверхности в вакуумированное пространство в трубке, этот процесс называется термоэлектронной эмиссией . [1]
Есть два типа горячих катодов: [1]
- Катод с прямым нагревом
- В этом типе нить накала является катодом и напрямую излучает электроны. Катоды с прямым нагревом использовались в первых электронных лампах. Сегодня они используются в люминесцентных лампах и большинстве мощных передающих электронных ламп.
- Катод с косвенным нагревом
- В этом типе нить накала не является катодом, а нагревает отдельный катод, состоящий из металлического цилиндра, окружающего нить, и цилиндр излучает электроны. Катоды с косвенным нагревом используются в большинстве электронных ламп малой мощности. Например, в большинстве электронных ламп катодом является никелевая трубка, покрытая оксидами металлов. Он нагревается вольфрамовой нитью внутри, и тепло от нити заставляет внешнюю поверхность оксидного покрытия испускать электроны. [2] Нить накала катода с косвенным нагревом обычно называют нагревателем .
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 лампам использовать переменный ток для нагрева нити. В трубке, в которой катодом является сама нить накала, переменное электрическое поле от поверхности нити будет влиять на движение электронов и вносить гул в выходной сигнал трубки. Это также позволяет связывать нити 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 электронной эмиссии катоды обычно обрабатывают химическими веществами, 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 обеспечения того же катодного тока. Необработанные нити из торированного вольфрама, использовавшиеся в ранних вакуумных лампах (так называемые «яркие излучатели»), должны были быть нагреты до 2500 ° F (1400 ° C) до белого каления, чтобы произвести достаточное количество термоэлектронной эмиссии для использования, в то время как современные катоды с покрытием (так называемые «катоды с покрытием») тусклые эмиттеры ») производят гораздо больше электронов при заданной температуре, поэтому их нужно только нагреть до 800–1100 ° F (425–600 ° C). [1] [3]
Типы [ править ]
Катоды с оксидным покрытием [ править ]
Наиболее распространенным типом катода с косвенным нагревом является катод с оксидным покрытием, в котором поверхность никелевого катода имеет покрытие из оксида щелочноземельного металла для увеличения эмиссии. Одним из первых материалов, используемых для этого, был оксид бария ; он образует одноатомный слой бария с чрезвычайно низкой работой выхода. Более современные препараты используют смесь оксида бария, оксида стронция и оксида кальция . Другой стандартный состав - это оксид бария, оксид кальция и оксид алюминия в соотношении 5: 3: 2. Оксид ториятакже можно использовать. Катоды с оксидным покрытием работают при температуре около 800-1000 ° C, сильно нагреваясь. Они используются в большинстве небольших стеклянных вакуумных трубок, но редко используются в лампах большой мощности, потому что покрытие разрушается положительными ионами, которые бомбардируют катод и ускоряются высоким напряжением на трубке. [4]
Для удобства изготовления катоды с оксидным покрытием обычно покрывают карбонатами , которые затем превращаются в оксиды при нагревании. Активация может быть достигнута с помощью микроволнового нагрева , нагрева постоянным электрическим током или бомбардировки электронами, когда трубка находится на вытяжной машине, до тех пор, пока не прекратится выделение газов. Чистота катодных материалов имеет решающее значение для срока службы лампы. [5] Содержание Ba значительно увеличивается на поверхностных слоях оксидных катодов на глубину до нескольких десятков нанометров после процесса активации катода. [6] Срок службы оксидных катодов можно оценить с помощью растянутой экспоненциальной функции . [7]Живучесть источников электронной эмиссии значительно повышается за счет высокого уровня 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 ламп, используемых в компьютерных приложениях, где они могут оставаться без электрического тока в течение длительных периодов времени. [9]
Барий также сублимируется из нагретого катода и откладывается на близлежащих конструкциях. Для электронных ламп, где сетка подвергается воздействию высоких температур и загрязнение барием будет способствовать эмиссии электронов из самой сетки, в смесь для покрытия добавляется более высокая доля кальция (до 20% карбоната кальция). [9]
Боридные катоды [ править ]
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 . Также они устойчивы к отравлениям. Катоды из борида церия показывают меньшую скорость испарения при 1700 К, чем борид лантана, но становятся равными 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 ,электронная литография , электронно-лучевая сварка , рентгеновские трубки и лазеры на свободных электронах . Однако эти материалы обычно дороги.
Также можно использовать другие гексабориды; примерами являются гексаборид кальция , стронция гексаборид , гексаборид бария , иттрия гексаборид , гадолиния гексаборид , самария гексаборид и торий гексаборид .
Торированные нити [ править ]
Распространенным типом катода с прямым нагревом, который используется в большинстве передающих трубок большой мощности, является торированная вольфрамовая нить накала, открытая в 1914 году и примененная Ирвингом Ленгмюром в 1923 году. [10] Небольшое количество тория.добавлен к вольфрамовой нити накала. Нить накаливания нагревается добела до температуры около 2400 ° C, и атомы тория мигрируют к поверхности нити и образуют излучающий слой. Нагревание 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 электронных лампах для радиопередатчиков и в некоторых лампах для усилителей Hi-Fi . Их срок службы обычно больше, чем у оксидных катодов. [11]
Альтернативы торию [ править ]
Из-за опасений по поводу радиоактивности и токсичности тория были предприняты усилия по поиску альтернатив. Один из них - циркониевый вольфрам, в котором вместо диоксида тория используется диоксид циркония . Другие запасные материалы лантан оксида (III) , иттрий (III) , оксид , церий (IV) , оксид и их смеси. [12]
Другие материалы [ править ]
Помимо перечисленных оксидов и боридов можно использовать и другие материалы. Некоторые примеры являются карбиды и бориды из переходных металлов , например циркония карбида , гафния карбида , карбида тантала , гафния диборид , а также их смеси. Металлы из групп IIIB ( скандий , иттрий и некоторые лантаноиды , часто гадолиний и самарий ) и IVB ( гафний , цирконий , титан) обычно выбираются. [12]
В дополнении к вольфраму, другие тугоплавкие металлы и сплавы могут быть использованы, например , тантал , молибден и рений и их сплавы.
Барьерный слой из другого материала может быть размещен между основным металлом и излучающим слоем, для ингибирования химической реакции между ними. Материал должен быть устойчивым к высоким температурам, иметь высокую температуру плавления и очень низкое давление пара, а также быть электропроводным. Материалы , используемые может быть , например , тантал диборид , диборид титан , цирконий диборид , ниобий диборид , карбид тантала , карбид циркония , нитрид тантала и нитрид циркония . [13]
Катодный нагреватель [ править ]
Катода нагреватель представляет собой нить нагревает провод , используемая для нагрева катода в вакуумной трубке или электронно - лучевой трубке . Катодный элемент должен достичь требуемой температуры, чтобы эти трубки функционировали должным образом. Вот почему более старой электронике часто требуется время, чтобы «прогреться» после включения; это явление все еще можно наблюдать в электронно-лучевых трубках некоторых современных телевизоров и компьютерных мониторов . Катод нагревается до температуры, при которой электроны «выкипают» с его поверхности в вакуумированное пространство в трубке, 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, сделанной из металлического сплава с высоким сопротивлением, такого как нихром , похожего на нагревательный элемент в тостере, но более тонкого. Он проходит через центр катода, часто свертываясь на крошечные изолирующие опоры или сгибаясь в форме шпильки, чтобы обеспечить достаточную площадь поверхности для выработки необходимого тепла. Типичные нагреватели имеют керамическое покрытие на проволоке. Когда он резко изгибается на концах катодной гильзы, провод обнажается. Концы провода электрически соединены с двумя из нескольких штырей, выступающих из конца трубки. Когда текущийпроходит через проволоку, он становится докрасна, и излучаемое тепло ударяется о внутреннюю поверхность катода, нагревая его. Красное или оранжевое свечение, исходящее от работающих вакуумных ламп, создается нагревателем.
В катоде не так много места, и катод часто состоит из провода нагревателя, соприкасающегося с ним. Катод изнутри изолирован 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.
Для обогревателей требуется источник питания с низким напряжением и высоким током. Миниатюрные приемные трубки для сетевого оборудования используют от 0,5 до 4 Вт для мощности нагревателя; Лампы высокой мощности, такие как выпрямители или выходные лампы, используют порядка 10–20 Вт, а лампам вещательного передатчика может потребоваться киловатт или более для нагрева катода. [14] Требуемое напряжение обычно составляет 5 или 6 вольт переменного тока . Это обеспечивается отдельной «обмоткой нагревателя» на трансформаторе источника питания устройства, который также обеспечивает более высокие напряжения, необходимые для пластин трубок и других электродов. Один из подходов, используемых в бестрансформаторных радио- и телевизионных приемниках, таких как All American Fiveзаключается в последовательном подключении всех трубчатых нагревателей через линию подачи. Поскольку все нагреватели рассчитаны на один и тот же ток, они будут разделять напряжение в соответствии с номиналами своих нагревателей.
Радиоприемники с батарейным питанием использовали питание постоянного тока для нагревателей (обычно называемых нитями накала), а трубки, предназначенные для батарейных комплектов, были разработаны с расчетом на использование минимально необходимой мощности нити накала, чтобы сэкономить на замене батарей. Последние модели ламповых радиоприемников были построены на сверхминиатюрных лампах, потребляющих 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 поля утечки или паразитные поля из цепи нагревателя потенциально могут быть связаны с катодом, для питания нагревателя иногда используется постоянный ток. Это устраняет источник шума в чувствительных звуковых или измерительных цепях.
Большая часть энергии, необходимой для работы маломощного трубного оборудования, потребляется нагревателями. Транзисторы не требуют такой мощности, что часто является большим преимуществом.
Режимы отказа [ править ]
Излучающие слои на покрытых катодах медленно разрушаются со временем и намного быстрее, когда катод перегружен слишком большим током. Результатом является ослабление излучения и уменьшение мощности ламп или уменьшение яркости ЭЛТ .
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 высвобождаемых в результате дегазации или миграции из элементов конструкции. Это приводит к снижению излучательной способности. Этот процесс известен как катодное отравление . Для первых компьютеров Whirlwind потребовалось разработать высоконадежные лампы с нитью без следов кремния .
Медленное разрушение излучающего слоя и внезапное горение и обрыв нити - два основных вида отказа электронных ламп.
Характеристики горячего катода передающей лампы [15] [ править ]
| Материал | Рабочая Температура | Эффективность выбросов | Удельная эмиссия |
|---|---|---|---|
| Вольфрам | 2500 К () | 5 мА / Вт | 500 мА / см 2 |
| Торированный вольфрам | 2000 К (1726c) | 100 мА / Вт | 5 А / см 2 |
| Оксидное покрытие | 1000 К | 500 мА / Вт | 10 А / см 2 |
| Алюминат бария | 1300 К | 400 мА / Вт | 4 А / см 2 |
См. Также [ править ]
- Измеритель ионизации горячей нитью
Ссылки [ править ]
- ^ a b c d e f Авадханулу, Миннесота; П.Г. Кширсагар (1992). Учебник инженерной физики для ВЕ, B.Sc . С. Чанд. С. 345–348. ISBN 978-8121908177.
- ^ a b Феррис, Клиффорд «Основы электронных ламп» в Whitaker, Jerry C. (2013). Справочник по электронике, 2-е изд . CRC Press . С. 354–356. ISBN 978-1420036664.
- ^ Джонс, Мартин Хартли (1995). Практическое введение в электронные схемы . Великобритания: Cambridge Univ. Нажмите . п. 49. ISBN 978-0521478793.
- ^ Требования к электродам MA
- ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2006-02-05 . Проверено 14 февраля 2006 .CS1 maint: archived copy as title (link)
- ^ BM Weon; и другие. (2003). «Повышение содержания Ba на поверхности оксидных катодов». Журнал вакуумной науки и техники В . 21 (5): 2184–2187. Bibcode : 2003JVSTB..21.2184W . DOI : 10.1116 / 1.1612933 .
- ^ BM Weon и JH Je (2005). «Растянутая экспоненциальная деградация оксидных катодов». Прикладная наука о поверхности . 251 (1–4): 59–63. Bibcode : 2005ApSS..251 ... 59W . DOI : 10.1016 / j.apsusc.2005.03.164 .
- ^ BM Weon; и другие. (2005). «Оксидные катоды для надежных источников электронов» . Журнал информационного дисплея . 6 (4): 35–39. DOI : 10.1080 / 15980316.2005.9651988 .
- ^ a b Конструкция электронной трубки, Radio Corporation of America, 1962 г.
- ^ Тернер, стр. 7-37
- ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2006-04-08 . Проверено 14 февраля 2006 .CS1 maint: archived copy as title (link)
- ^ a b Электронно-эмиссионные материалы и компоненты: Патент США 5911919
- ^ Термоэмиссионный катод: Патент США 4137476
- ^ Sōgo Okamura History of electron tubes, IOS Press, 1994 ISBN 90-5199-145-2, pp. 106, 109, 120, 144, 174
- ^ L.W. Turner,(ed), Electronics Engineer's Reference Book, 4th ed. Newnes-Butterworth, London 1976 ISBN 0408001682 pg. 7-36
External links[edit]
- John Harper (2003) Tubes 201 - How vacuum tubes really work, John Harper's home page
- Lankshear, Peter (July 1996). "Valve filament/heater voltages" (PDF). Electronics Australia. Retrieved 9 October 2017.
