En los tubos de vacío y los tubos llenos de gas , un cátodo caliente o cátodo termoiónico es un electrodo de cátodo que se calienta para hacer que emita electrones debido a la emisión termoiónica . Esto contrasta con un cátodo frío , que no tiene un elemento calefactor. El elemento calefactor suele ser un filamento eléctrico calentado por una corriente eléctrica separada que lo atraviesa. Los cátodos calientes típicamente alcanzan una densidad de potencia mucho más alta que los cátodos fríos, emitiendo significativamente más electrones desde la misma área de superficie. Los cátodos fríos dependen de la emisión de electrones de campoo emisión secundaria de electrones por bombardeo de iones positivos, y no requieren calentamiento. Hay dos tipos de cátodos calientes. En un cátodo calentado directamente , el filamento es el cátodo y emite los electrones. En un cátodo calentado indirectamente , el filamento o calentador calienta un electrodo de cátodo metálico separado que emite los electrones.
Desde la década de 1920 hasta la de 1960, una amplia variedad de dispositivos electrónicos utilizaron tubos de vacío de cátodo caliente. Hoy en día, los cátodos calientes se utilizan como fuente de electrones en lámparas fluorescentes , tubos de vacío y cañones de electrones utilizados en tubos de rayos catódicos y equipos de laboratorio como microscopios electrónicos .
Descripción
Un electrodo de cátodo en un tubo de vacío u otro sistema de vacío es una superficie metálica que emite electrones al espacio evacuado del tubo. Dado que los electrones cargados negativamente son atraídos por los núcleos positivos de los átomos del metal, normalmente permanecen dentro del metal y requieren energía para dejarlo. [1] Esta energía se denomina función de trabajo del metal. [1] En un cátodo caliente, la superficie del cátodo es inducida a emitir electrones calentándola con un filamento , un alambre delgado de metal refractario como el tungsteno con corriente fluyendo a través de él. [1] [2] El cátodo se calienta a una temperatura que hace que los electrones se 'evaporen' de su superficie al espacio evacuado en el tubo, un proceso llamado emisión termoiónica . [1]
Hay dos tipos de cátodos calientes: [1]
- Cátodo calentado directamente
- En este tipo, el filamento en sí es el cátodo y emite los electrones directamente. Se utilizaron cátodos calentados directamente en los primeros tubos de vacío. Hoy en día, se utilizan en tubos fluorescentes y en la mayoría de los tubos de vacío transmisores de alta potencia.
- Cátodo calentado indirectamente
- En este tipo, el filamento no es el cátodo, sino que calienta un cátodo separado que consiste en un cilindro de chapa que rodea el filamento, y el cilindro emite electrones. Los cátodos calentados indirectamente se utilizan en la mayoría de los tubos de vacío de baja potencia. Por ejemplo, en la mayoría de los tubos de vacío, el cátodo es un tubo de níquel, recubierto con óxidos metálicos. Es calentado por un filamento de tungsteno en su interior, y el calor del filamento hace que la superficie exterior del recubrimiento de óxido emita electrones. [2] El filamento de un cátodo calentado indirectamente generalmente se llama calentador .
La razón principal para usar un cátodo calentado indirectamente es aislar el resto del tubo de vacío del potencial eléctrico a través del filamento, permitiendo que los tubos de vacío usen corriente alterna para calentar el filamento. En un tubo en el que el propio filamento es el cátodo, el campo eléctrico alterno de la superficie del filamento afectaría el movimiento de los electrones e introduciría zumbidos en la salida del tubo. También permite que los filamentos de todos los tubos de un dispositivo electrónico se unan y se suministren desde la misma fuente de corriente, aunque los cátodos que calientan pueden tener diferentes potenciales.
Para mejorar la emisión de electrones, los cátodos suelen tratarse con productos químicos, compuestos de metales con una función de trabajo baja . Estos forman una capa de metal en la superficie que emite más electrones. Los cátodos tratados requieren menos superficie, temperaturas más bajas y menos energía para suministrar la misma corriente catódica. Los filamentos de tungsteno toriados sin tratar utilizados en los primeros tubos de vacío (llamados "emisores brillantes") tenían que calentarse a 2500 ° F (1400 ° C), al rojo vivo, para producir suficiente emisión termoiónica para su uso, mientras que los cátodos revestidos modernos (llamados " emisores apagados ") producen muchos más electrones a una temperatura determinada, por lo que solo tienen que calentarse a 800-1100 ° F (425-600 ° C). [1] [3]
Tipos
Cátodos recubiertos de óxido
El tipo más común de cátodo calentado indirectamente es el cátodo recubierto de óxido, en el que la superficie del cátodo de níquel tiene un recubrimiento de óxido de metal alcalinotérreo para aumentar la emisión. Uno de los primeros materiales utilizados para esto fue el óxido de bario ; forma una capa monoatómica de bario con una función de trabajo extremadamente baja. Las formulaciones más modernas utilizan una mezcla de óxido de bario, óxido de estroncio y óxido de calcio . Otra formulación estándar es óxido de bario, óxido de calcio y óxido de aluminio en una proporción de 5: 3: 2. También se puede utilizar óxido de torio . Los cátodos recubiertos de óxido funcionan a aproximadamente 800-1000 ° C, naranja-caliente. Se utilizan en la mayoría de los tubos de vacío de vidrio pequeños, pero rara vez se utilizan en tubos de alta potencia porque el recubrimiento se degrada por los iones positivos que bombardean el cátodo, acelerados por el alto voltaje en el tubo. [4]
Por conveniencia de fabricación, los cátodos recubiertos de óxido generalmente se recubren con carbonatos , que luego se convierten en óxidos por calentamiento. La activación puede lograrse mediante calentamiento por microondas , calentamiento por corriente eléctrica directa o bombardeo de electrones mientras el tubo está en la máquina de escape, hasta que cesa la producción de gases. La pureza de los materiales del cátodo es crucial para la vida útil del tubo. [5] El contenido de Ba aumenta significativamente en las capas superficiales de los cátodos de óxido hasta varias decenas de nanómetros de profundidad, después del proceso de activación del cátodo. [6] La vida útil de los cátodos de óxido se puede evaluar con una función exponencial estirada . [7] La capacidad de supervivencia de las fuentes de emisión de electrones se mejora significativamente mediante el alto dopaje del activador de alta velocidad. [8]
El óxido de bario reacciona con trazas de silicio en el metal subyacente, formando una capa de silicato de bario (Ba 2 SiO 4 ). Esta capa tiene una alta resistencia eléctrica, especialmente bajo carga de corriente discontinua, y actúa como una resistencia en serie con el cátodo. Esto es particularmente indeseable para los tubos utilizados en aplicaciones informáticas, donde pueden permanecer sin conducir corriente durante períodos de tiempo prolongados. [9]
El bario también se sublima del cátodo calentado y se deposita en las estructuras cercanas. Para los tubos de electrones, donde la rejilla está sujeta a altas temperaturas y la contaminación con bario facilitaría la emisión de electrones desde la propia rejilla, se agrega una mayor proporción de calcio a la mezcla de revestimiento (hasta un 20% de carbonato de calcio). [9]
Cátodos de boruro
El hexaboruro de lantano (LaB 6 ) y el hexaboruro de cerio (CeB 6 ) se utilizan como revestimiento de algunos cátodos de alta corriente. Los hexaboruros muestran una función de trabajo baja, alrededor de 2,5 eV . También son resistentes al envenenamiento. Los cátodos de boruro de cerio muestran una tasa de evaporación más baja a 1700 K que el boruro de lantano, pero se iguala a 1850 K y más. Los cátodos de boruro de cerio tienen una vida útil y media mayor que la del boruro de lantano, debido a su mayor resistencia a la contaminación por carbono. Los cátodos de boruro son unas diez veces más "brillantes" que los de tungsteno y tienen una vida útil entre 10 y 15 veces mayor. Se utilizan por ejemplo, en microscopios electrónicos , tubos de microondas , litografía de electrones , soldadura por haz de electrones , tubos de rayos X , y láseres de electrones libres . Sin embargo, estos materiales tienden a ser costosos.
También se pueden emplear otros hexaboruros; ejemplos son hexaboruro de calcio , hexaboruro de estroncio , hexaboruro de bario , hexaboruro de itrio , hexaboruro de gadolinio , hexaboruro de samario , y torio hexaboruro .
Filamentos toriados
Un tipo común de cátodo calentado directamente, utilizado en la mayoría de los tubos de transmisión de alta potencia, es el filamento de tungsteno toriado , descubierto en 1914 y hecho práctico por Irving Langmuir en 1923. [10] Se agrega una pequeña cantidad de torio al tungsteno del filamento. . El filamento se calienta al rojo vivo, a unos 2400 ° C, y los átomos de torio migran a la superficie del filamento y forman la capa emisora. Calentar el filamento en una atmósfera de hidrocarburos carburiza la superficie y estabiliza la capa emisora. Los filamentos toriados pueden tener una vida útil muy larga y son resistentes al bombardeo de iones que se produce a altos voltajes, porque el torio fresco se difunde continuamente a la superficie, renovando la capa. Se utilizan en casi todos los tubos de vacío de alta potencia para transmisores de radio y en algunos tubos para amplificadores de alta fidelidad . Su vida útil tiende a ser más larga que la de los cátodos de óxido. [11]
Alternativas al torio
Debido a las preocupaciones sobre la radiactividad y toxicidad del torio, se han hecho esfuerzos para encontrar alternativas. Uno de ellos es el tungsteno zirconiado, en el que se utiliza dióxido de circonio en lugar de dióxido de torio. Otros materiales de reemplazo son óxido de lantano (III) , óxido de itrio (III) , óxido de cerio (IV) y sus mezclas. [12]
Otros materiales
Además de los óxidos y boruros enumerados, también se pueden usar otros materiales. Algunos ejemplos son carburos y boruros de metales de transición , por ejemplo, carburo de circonio , carburo de hafnio , carburo de tántalo , diboruro de hafnio y sus mezclas. Normalmente se eligen metales de los grupos IIIB ( escandio , itrio y algunos lantánidos , a menudo gadolinio y samario ) y IVB ( hafnio , circonio , titanio ). [12]
Además del tungsteno, se pueden utilizar otros metales y aleaciones refractarios , por ejemplo , tántalo , molibdeno y renio y sus aleaciones.
Se puede colocar una capa de barrera de otro material entre el metal base y la capa de emisión, para inhibir la reacción química entre estos. El material debe ser resistente a altas temperaturas, tener un alto punto de fusión y una presión de vapor muy baja, y ser eléctricamente conductor. Los materiales utilizados pueden ser, por ejemplo tántalo diboruro , diboruro de titanio , circonio diboruro , niobio diboruro , carburo de tántalo , carburo de circonio , nitruro de tántalo , y nitruro de zirconio . [13]
Calentador de cátodo
Un calentador de cátodo es un filamento de alambre calentado que se usa para calentar el cátodo en un tubo de vacío o tubo de rayos catódicos . El elemento del cátodo debe alcanzar la temperatura requerida para que estos tubos funcionen correctamente. Ésta es la razón por la que los aparatos electrónicos antiguos suelen necesitar algo de tiempo para "calentarse" después de encenderse; este fenómeno todavía se puede observar en los tubos de rayos catódicos de algunos televisores y monitores de computadora modernos . El cátodo se calienta a una temperatura que hace que los electrones sean "hervidos" de su superficie al espacio evacuado en el tubo, un proceso llamado emisión termoiónica . La temperatura requerida para los cátodos modernos recubiertos de óxido es de alrededor de 800–1,000 ° C (1,470–1,830 ° F).
El cátodo suele tener la forma de un cilindro de chapa larga y estrecha en el centro del tubo. El calentador consiste en un alambre fino o cinta, hecho de una aleación de metal de alta resistencia como el nicrom , similar al elemento calentador en una tostadora pero más fino. Atraviesa el centro del cátodo, a menudo se enrolla en pequeños soportes aislantes o se dobla en formas en forma de horquilla para proporcionar suficiente área de superficie para producir el calor requerido. Los calentadores típicos tienen un revestimiento cerámico en el alambre. Cuando se dobla bruscamente en los extremos del manguito del cátodo, el cable queda expuesto. Los extremos del cable están conectados eléctricamente a dos de los varios pines que sobresalen del extremo del tubo. Cuando la corriente pasa a través del cable, se pone al rojo vivo y el calor irradiado golpea la superficie interior del cátodo y lo calienta. El resplandor rojo o naranja que se ve proveniente de los tubos de vacío en funcionamiento es producido por el calentador.
No hay mucho espacio en el cátodo, y el cátodo a menudo se construye con el cable calefactor tocándolo. El interior del cátodo está aislado por una capa de alúmina (óxido de aluminio). Este no es un muy buen aislante a altas temperaturas, por lo tanto, los tubos tienen una clasificación de voltaje máximo entre el cátodo y el calentador, generalmente solo de 200 a 300 V.
Los calentadores requieren una fuente de energía de baja tensión y alta corriente. Tubos receptores en miniatura para uso en equipos operados por línea del orden de 0,5 a 4 vatios para potencia del calentador; Los tubos de alta potencia, como los rectificadores o los tubos de salida, se utilizan en el orden de 10 a 20 vatios, y los tubos transmisores de transmisión pueden necesitar un kilovatio o más para calentar el cátodo. [14] La tensión requerida es generalmente de 5 o 6 voltios AC . Esto es suministrado por un 'devanado calefactor' separado en el transformador de suministro de energía del dispositivo que también suministra los voltajes más altos requeridos por las placas de los tubos y otros electrodos. Un enfoque utilizado en receptores de radio y televisión operados por línea sin transformador, como el All American Five, es conectar todos los calentadores de tubo en serie a través de la línea de suministro. Dado que todos los calentadores están clasificados con la misma corriente, compartirían el voltaje de acuerdo con sus valores nominales de calentador.
Los equipos de radio que funcionaban con baterías usaban energía de corriente continua para los calentadores (comúnmente conocidos como filamentos), y los tubos destinados a los juegos de baterías se diseñaron para usar la menor cantidad de energía de filamentos que fuera necesaria, para ahorrar en el reemplazo de la batería. Los modelos finales de receptores de radio equipados con tubos se construyeron con tubos subminiatura que usaban menos de 50 mA para los calentadores, pero estos tipos se desarrollaron aproximadamente al mismo tiempo que los transistores que los reemplazaron.
Donde las fugas o los campos perdidos del circuito del calentador podrían potencialmente estar acoplados al cátodo, a veces se usa corriente continua para la energía del calentador. Esto elimina una fuente de ruido en circuitos de instrumentación o audio sensibles.
Los calentadores consumen la mayor parte de la energía requerida para operar equipos de tubos de baja potencia. Los transistores no requieren tal potencia, lo que a menudo es una gran ventaja.
Modos de fallo
Las capas emisoras de los cátodos revestidos se degradan lentamente con el tiempo y mucho más rápidamente cuando el cátodo está sobrecargado con una corriente demasiado alta. El resultado es una emisión debilitada y una potencia reducida de los tubos, o en los CRT, un brillo reducido.
Los electrodos activados pueden destruirse por contacto con oxígeno u otros productos químicos (por ejemplo , aluminio o silicatos ), ya sea presentes como gases residuales, ingresando al tubo a través de fugas o liberados por desgasificación o migración de los elementos de construcción. Esto da como resultado una emisividad disminuida. Este proceso se conoce como envenenamiento por cátodos . Se tuvieron que desarrollar tubos de alta confiabilidad para la primera computadora Whirlwind , con filamentos libres de rastros de silicio .
La degradación lenta de la capa emisiva y la quema e interrupción repentina del filamento son dos modos principales de falla de los tubos de vacío.
Características del cátodo caliente del tubo de transmisión [15]
Material | Temperatura de funcionamiento | Eficacia de emisión | Emisión específica |
---|---|---|---|
Tungsteno | 2500 K () | 5 mA / W | 500 mA / cm 2 |
Tungsteno toriado | 2000 K (1726c) | 100 mA / W | 5 A / cm 2 |
Recubierto de óxido | 1000 K | 500 mA / W | 10 A / cm 2 |
Aluminato de bario | 1300 K | 400 mA / W | 4 A / cm 2 |
Ver también
- Medidor de ionización de filamento caliente
Referencias
- ↑ a b c d e f Avadhanulu, MN; PG Kshirsagar (1992). Un libro de texto de la física de ingeniería para BE, B.Sc . S. Chand. págs. 345–348. ISBN 978-8121908177.
- ^ a b Ferris, Clifford "Fundamentos del tubo de electrones" en Whitaker, Jerry C. (2013). El Manual de Electrónica, 2ª Ed . Prensa CRC . págs. 354–356. ISBN 978-1420036664.
- ^ Jones, Martin Hartley (1995). Introducción práctica a los circuitos electrónicos . Reino Unido: Cambridge Univ. Presione . pag. 49. ISBN 978-0521478793.
- ^ Requisitos del electrodo MA
- ^ "Copia archivada" . Archivado desde el original el 5 de febrero de 2006 . Consultado el 14 de febrero de 2006 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
- ^ BM Weon; et al. (2003). "Realce de Ba en la superficie de cátodos de óxido". Journal of Vacuum Ciencia y Tecnología B . 21 (5): 2184–2187. Código bibliográfico : 2003JVSTB..21.2184W . doi : 10.1116 / 1.1612933 .
- ^ BM Weon y JH Je (2005). "Degradación exponencial estirada de cátodos de óxido". Ciencia de superficies aplicadas . 251 (1–4): 59–63. Código bibliográfico : 2005ApSS..251 ... 59W . doi : 10.1016 / j.apsusc.2005.03.164 .
- ^ BM Weon; et al. (2005). "Cátodos de óxido para fuentes de electrones fiables" . Revista de visualización de información . 6 (4): 35–39. doi : 10.1080 / 15980316.2005.9651988 .
- ^ a b Diseño de tubo de electrones, Radio Corporation of America, 1962
- ^ Turner página 7-37
- ^ "Copia archivada" . Archivado desde el original el 8 de abril de 2006 . Consultado el 14 de febrero de 2006 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
- ^ a b Materiales y componentes de emisión de electrones: Patente de Estados Unidos 5911919
- ^ Cátodo termoiónico: Patente de Estados Unidos 4137476
- ^ Historia de Sōgo Okamura de tubos de electrones , IOS Press, 1994 ISBN 90-5199-145-2 , págs. 106, 109, 120, 144, 174
- ^ LW Turner, (ed), Libro de referencia del ingeniero electrónico , 4ª ed. Newnes-Butterworth, Londres 1976 ISBN 0408001682 pág. 7-36
enlaces externos
- John Harper (2003) Tubes 201 - Cómo funcionan realmente los tubos de vacío , página de inicio de John Harper
- Lankshear, Peter (julio de 1996). " Voltajes de filamento / calentador de válvula " (PDF) . Electronics Australia . Consultado el 9 de octubre de 2017 .