Горячие катоды в вакуумных приборах: типы и применение.

Введение

Тип электрода

В вакуумных и газонаполненных лампах горячий катод, или термоэлектронный катод, – это катодный электрод, который нагревается для испускания электронов посредством термоэлектронной эмиссии. Это отличается от холодного катода, который не имеет нагревательного элемента. Нагревательный элемент обычно представляет собой электрическую нить, нагреваемую отдельным электрическим током, проходящим через неё. Горячие катоды обычно достигают значительно большей плотности мощности, чем холодные, испуская существенно больше электронов с той же площади поверхности. Холодные катоды полагаются на полевую эмиссию электронов или вторичную эмиссию электронов, вызванную бомбардировкой положительными ионами, и не требуют нагрева. Существуют 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 широкое применение в различных электронных устройствах находили вакуумные лампы с горячими катодами. Сегодня горячие катоды используются в качестве источника электронов в люминесцентных лампах, вакуумных лампах и электронных пушках, применяемых в кинескопах и лабораторном оборудовании, таком как электронные микроскопы.

Описание

Катодный электрод в вакуумной трубке или другой вакуумной системе — это металлическая поверхность, испускающая электроны в разреженное пространство трубки. Поскольку отрицательно заряженные электроны притягиваются к положительным ядрам атомов металла, они обычно остаются внутри металла и для выхода из него требуют определенной энергии. Эта энергия называется работой выхода электрона из металла. Катод нагревается до температуры, при которой электроны "выкипают" с его поверхности в разреженное пространство трубки, этот процесс называется термоэлектронной эмиссией.

Оксидные катоды

Наиболее распространенным типом косвенно нагреваемого катода является катод с оксидным покрытием, в котором поверхность никелевого катода имеет покрытие из оксида щелочноземельного металла для увеличения эмиссии. Одним из первых использованных материалов был оксид бария; он образует моноатомный слой бария с чрезвычайно низкой работой выхода. Более современные составы используют 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 использоваться оксид тория. Катоды с оксидным покрытием работают при температуре около 800–1000 °C, раскаляясь до оранжевого цвета. Они применяются в большинстве небольших стеклянных вакуумных ламп, но редко используются в мощных лампах, поскольку покрытие деградирует под воздействием положительных ионов, бомбардирующих катод и ускоряемых высоким напряжением в лампе. Для удобства производства катоды с оксидным покрытием обычно покрывают карбонатами, которые затем превращают в оксиды путем нагрева. Активация может быть достигнута микроволновым нагревом, нагревом прямым электрическим током или электронной бомбардировкой во время откачки лампы, до прекращения выделения газов. Чистота материалов катода критически важна для срока службы лампы. Содержание бария значительно возрастает в поверхностных слоях оксидных катодов, достигая нескольких десятков нанометров в глубину после активации катода. Срок службы оксидных катодов можно оценить с помощью функции растянутой экспоненты. Долговечность источников эмиссии значительно повышается при высокой концентрации быстрого активатора. Оксид бария реагирует со следами кремния в основном металле, образуя слой силиката бария (Ba₂SiO₄). Этот слой обладает высоким электрическим сопротивлением, особенно при непостоянной токовой нагрузке, и действует как последовательный резистор катоду. Это особенно нежелательно для ламп, используемых в компьютерных приложениях, где они могут оставаться без протекания тока в течение длительного времени. Барий также сублимирует с нагретого катода и осаждается на соседних элементах. Для электронных ламп, где сетка подвергается высоким температурам, а загрязнение барием может способствовать эмиссии электронов с самой сетки, в состав покрытия добавляют большее количество кальция (до 20% карбоната кальция). Небольшое количество тория добавляют к вольфраму нити накала. Нить накала нагревается до белого каления, примерно до 2400 °C, и атомы тория мигрируют на ее поверхность, образуя эмиссионный слой. Нагрев нити в атмосфере углеводородов насыщает поверхность углеродом и стабилизирует эмиссионный слой. Торированные нити могут иметь очень длительный срок службы и устойчивы к ионной бомбардировке, возникающей при высоких напряжениях, поскольку свежий торий постоянно диффундирует на поверхность, обновляя слой. Они используются почти во всех мощных вакуумных лампах для радиопередатчиков, а также в некоторых лампах для высококачественных усилителей. Их срок службы, как правило, превышает срок службы оксидных катодов.

The most common type of indirectly heated cathode is the oxide coated cathode, in which the nickel cathode surface has a coating of alkaline earth metal oxide to increase emission. One of the earliest materials used for this was barium oxide; it forms a monatomic layer of barium with an extremely low work function. More modern formulations utilize a mixture of barium oxide, strontium oxide and calcium oxide. Another standard formulation is barium oxide, calcium oxide, and aluminium oxide in a 5:3:2 ratio. Thorium oxide may be used as well. Oxide coated cathodes operate at about 800 1000 °C, orange hot. They are used in most small glass vacuum tubes, but are rarely used in high power tubes because the coating is degraded by positive ions that bombard the cathode, accelerated by the high voltage on the tube. For manufacturing convenience, the oxide coated cathodes are usually coated with carbonates, which are then converted to oxides by heating. The activation may be achieved by microwave heating, direct electric current heating, or electron bombardment while the tube is on the exhausting machine, until the production of gases ceases. The purity of cathode materials is crucial for tube lifetime. The Ba content significantly increases on the surface layers of oxide cathodes down to several tens of nanometers in depth, after the cathode activation process. The lifetime of oxide cathodes can be evaluated with a stretched exponential function. The survivability of electron emission sources is significantly improved by high doping of high‐speed activator. Barium oxide reacts with traces of silicon in the underlying metal, forming barium silicate (Ba2SiO4) layer. This layer has high electrical resistance, especially under discontinuous current load, and acts as a resistor in series with the cathode. This is particularly undesirable for tubes used in computer applications, where they can stay without conducting current for extended periods of time. Barium also sublimates from the heated cathode, and deposits on nearby structures. For electron tubes, where the grid is subjected to high temperatures and barium contamination would facilitate electron emission from the grid itself, higher proportion of calcium is added to the coating mix (up to 20% of calcium carbonate). A small amount of thorium is added to the tungsten of the filament. The filament is heated white hot, at about 2400 °C, and thorium atoms migrate to the surface of the filament and form the emissive layer. Heating the filament in a hydrocarbon atmosphere carburizes the surface and stabilizes the emissive layer. Thoriated filaments can have very long lifetimes and are resistant to the ion bombardment that occurs at high voltages, because fresh thorium continually diffuses to the surface, renewing the layer. They are used in nearly all high power vacuum tubes for radio transmitters, and in some tubes for hi fi amplifiers. Their lifetimes tend to be longer than those of oxide cathodes.

Альтернативы торию

Из-за опасений, связанных с радиоактивностью и токсичностью тория, предпринимались попытки найти альтернативные материалы. Одним из них является цирконированный вольфрам, в котором диоксид циркония используется вместо диоксида тория. В качестве других заменителей рассматриваются оксид лантана(III), оксид иттрия(III), оксид церия(IV) и их смеси.

Другие материалы

Кроме указанных оксидов и боридов, могут использоваться и другие материалы. В качестве примеров можно привести карбиды и бориды переходных металлов, такие как карбид циркония, карбид гафния, карбид тантала, диборид гафния и их смеси. Обычно выбирают металлы из групп IIIB (скандий, иттрий и некоторые лантаноиды, в частности гадолиний и самарий) и IVB (гафний, цирконий, титан).

Катодная нагревательная установка

Катодный нагреватель – это нагреваемая проволочная нить, используемая для нагрева катода в вакуумной лампе или кинескопе. Для нормальной работы этих ламп катодный элемент должен достигать требуемой температуры. Поэтому старой электронике часто требуется некоторое время для "прогрева" после включения; это явление все еще можно наблюдать в кинескопах некоторых современных телевизоров и компьютерных мониторов. Катод нагревается до температуры, при которой электроны "выкипают" с его поверхности в разреженное пространство внутри лампы – этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Температура, необходимая для современных катодов с оксидным покрытием, составляет около [значение опущено]. Катод обычно имеет форму длинного узкого цилиндра из листового металла, расположенного в центре лампы. Нагреватель состоит из тонкой проволоки или ленты, изготовленной из высокоомного металлического сплава, такого как нихром, подобно нагревательному элементу тостера, но более тонкого. Он проходит через центр катода, часто наматываясь на крошечные изолирующие опоры или изгибаясь в форме, напоминающей шпильку, чтобы обеспечить достаточную площадь поверхности для выработки необходимого тепла. Типичные нагреватели имеют керамическое покрытие на проволоке. Когда проволока резко согнута на концах катодного баллончика, она остается открытой. Концы проволоки электрически соединены с двумя из нескольких контактов, выступающих из конца лампы. При прохождении тока через проволоку она раскаляется докрасна, и излучаемое тепло воздействует на внутреннюю поверхность катода, нагревая его. Красное или оранжевое свечение, наблюдаемое в работающих вакуумных лампах, исходит от нагревателя. Внутри катода мало места, поэтому он часто изготавливается с касанием нагревательной проволоки. Внутренняя поверхность катода изолирована покрытием из оксида алюминия (глинозема). Это не очень хороший изолятор при высоких температурах, поэтому для ламп указывается максимальное напряжение между катодом и нагревателем, обычно в пределах 200–300 В. Нагревателям требуется источник питания с низким напряжением и высоким током. Миниатюрные лампы для питания от сети используют мощность нагревателя в диапазоне 0,5–4 Вт; мощные лампы, такие как выпрямители или выходные лампы, потребляют 10–20 Вт, а для передающих ламп может потребоваться киловатт и более для нагрева катода. Требуемое напряжение обычно составляет 5 или 6 В переменного тока. Оно подается от отдельной "намотки нагревателя" на силовом трансформаторе устройства, который также обеспечивает более высокие напряжения, необходимые для пластин и других электродов ламп. Один из подходов, используемый в радио- и телевизионных приемниках без трансформаторов, таких как All American Five, заключается в последовательном соединении всех нагревателей ламп по цепи питания. Поскольку все нагреватели рассчитаны на один и тот же ток, они будут распределять напряжение в соответствии со своими номинальными характеристиками. Радиоприемники, работающие от батарей, использовали постоянный ток для питания нагревателей (обычно называемых нитями), а лампы, предназначенные для батарей, разрабатывались с минимальным потреблением мощности нити для экономии заряда батареи. Последние модели радиоприемников с лампами были построены с использованием субминиатюрных ламп, 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 утечка или посторонние поля от цепи нагревателя могут потенциально наводиться на катод, для питания нагревателя иногда используется постоянный ток. Это устраняет источник шума в чувствительных аудио- или измерительных схемах. Большая часть энергии, необходимой для работы маломощного лампового оборудования, потребляется нагревателями. Транзисторы не имеют таких требований к мощности, что часто является большим преимуществом.

A cathode heater is a heated wire filament used to heat the cathode in a vacuum tube or cathode ray tube. The cathode element has to achieve the required temperature in order for these tubes to function properly. This is why older electronics often need some time to "warm up" after being powered on; this phenomenon can still be observed in the cathode ray tubes of some modern televisions and computer monitors. The cathode heats to a temperature that causes electrons to be 'boiled out' of its surface into the evacuated space in the tube, a process called thermionic emission. The temperature required for modern oxide coated cathodes is around
The cathode is usually in the form of a long narrow sheet metal cylinder at the center of the tube. The heater consists of a fine wire or ribbon, made of a high resistance metal alloy like nichrome, similar to the heating element in a toaster but finer. It runs through the center of the cathode, often being coiled on tiny insulating supports or bent into hairpin like shapes to give enough surface area to produce the required heat. Typical heaters have a ceramic coating on the wire. When it's bent sharply at the ends of the cathode sleeve, the wire is exposed. The ends of the wire are electrically connected to two of the several pins protruding from the end of the tube. When current passes through the wire it becomes red hot, and the radiated heat strikes the inside surface of the cathode, heating it. The red or orange glow seen coming from operating vacuum tubes is produced by the heater. There is not much room in the cathode, and the cathode is often built with the heater wire touching it. The inside of the cathode is insulated by a coating of alumina (aluminum oxide). This is not a very good insulator at high temperatures, therefore tubes have a rating for maximum voltage between cathode and heater, usually only 200 to 300 V.

Heaters require a low voltage, high current source of power. Miniature receiving tubes for line operated equipment use on the order of 0.5 to 4 watts for heater power; high power tubes such as rectifiers or output tubes use on the order of 10 to 20 watts, and broadcast transmitter tubes might need a kilowatt or more to heat the cathode. The voltage required is usually 5 or 6 volts AC. This is supplied by a separate 'heater winding' on the device's power supply transformer that also supplies the higher voltages required by the tubes' plates and other electrodes. One approach used in transformerless line operated radio and television receivers such as the All American Five is to connect all the tube heaters in series across the supply line. Since all the heaters are rated at the same current, they would share voltage according to their heater ratings. Battery operated radio sets used direct current power for the heaters (commonly known as filaments), and tubes intended for battery sets were designed to use as little filament power as necessary, to economize on battery replacement. The final models of tube equipped radio receivers were built with subminiature tubes using less than 50 mA for the heaters, but these types were developed at about the same time as transistors which replaced them. Where leakage or stray fields from the heater circuit could potentially be coupled to the cathode, direct current is sometimes used for heater power. This eliminates a source of noise in sensitive audio or instrumentation circuits. The majority of power required to operate low power tube equipment is consumed by the heaters. Transistors have no such power requirement, which is often a great advantage.

Режимы отказов

Излучающие слои на покрытых катодах медленно деградируют со временем, и значительно быстрее при перегрузке катода слишком высоким током. Это приводит к ослаблению эмиссии и снижению мощности ламп, или, в случае ЭЛТ, к уменьшению яркости. Активированные электроды могут быть разрушены при контакте с кислородом или другими химическими веществами (например, алюминием или силикатами), присутствующими в виде остаточных газов, проникающих в трубку через утечки, или выделяющимися в результате дегазации или миграции из конструкционных элементов. Это приводит к снижению эмиссионной способности. Этот процесс известен как катодное отравление. Для раннего компьютера Whirlwind потребовалось разработать высоконадежные лампы с нитями, свободными от следов кремния. Медленная деградация излучающего слоя и внезапное перегорание и обрыв нити – два основных вида отказов вакуумных ламп.