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En los tubos de vacío y los tubos llenos de gas , un cátodo caliente o termoiónico es un electrodo catódico que se calienta para 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 independiente que lo atraviesa. Los cátodos calientes suelen alcanzar una densidad de potencia mucho mayor que los cátodos fríos, emitiendo significativamente más electrones desde la misma superficie. Los cátodos fríos dependen de la emisión de electrones de campo o de la emisión de electrones secundarios por bombardeo de iones positivos, y no requieren calentamiento. Existen dos tipos de cátodo caliente. En un cátodo de calentamiento directo , el filamento es el cátodo y emite los electrones. En un cátodo de calentamiento indirecto , el filamento o calentador calienta un electrodo catódico metálico independiente que emite los electrones.
Desde la década de 1920 hasta la de 1960, una amplia variedad de dispositivos electrónicos utilizaban 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 empleados en tubos de rayos catódicos y equipos de laboratorio como microscopios electrónicos .
Descripción
Un electrodo catódico en un tubo de vacío u otro sistema de vacío es una superficie metálica que emite electrones al espacio vacío del tubo. Dado que los electrones con carga negativa son atraídos por los núcleos positivos de los átomos del metal, normalmente permanecen dentro del metal y requieren energía para salir de él. [ 1 ] Esta energía se denomina función de trabajo del metal. [ 1 ] En un cátodo caliente, la superficie del cátodo se induce a emitir electrones calentándola con un filamento , un hilo delgado de metal refractario como el tungsteno por el que circula corriente. [ 1 ] [ 2 ] El cátodo se calienta a una temperatura que provoca que los electrones se "desprendieran" de su superficie hacia el espacio vacío del tubo, un proceso denominado emisión termoiónica . [ 1 ]
Hay dos tipos de cátodos calientes: [ 1 ]
- Cátodo calentado directamente
- En este tipo, el filamento actúa como cátodo, emite los electrones directamente y está recubierto de óxidos metálicos. Los cátodos de calentamiento directo se utilizaron en los primeros tubos de vacío. Actualmente, se emplean 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 metálica que rodea el filamento, y el cilindro emite electrones. Los cátodos de calentamiento indirecto 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. Se calienta mediante 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 de calentamiento indirecto se suele llamar calentador .
La principal razón para usar un cátodo de calentamiento indirecto es aislar el resto del tubo de vacío del potencial eléctrico a través del filamento, lo que permite que los tubos de vacío utilicen corriente alterna para calentar el filamento. En un tubo donde el filamento mismo actúa como cátodo, el campo eléctrico alterno de la superficie del filamento afectaría el movimiento de los electrones e introduciría zumbido en la salida del tubo. Además, permite que los filamentos de todos los tubos de un dispositivo electrónico estén conectados entre sí y alimentados por la misma fuente de corriente, aunque los cátodos que calientan puedan estar a 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 metálica en la superficie que emite más electrones. Los cátodos tratados requieren menor superficie, temperaturas más bajas y menor potencia para suministrar la misma corriente catódica. Los filamentos de tungsteno toriado sin tratar utilizados en los primeros tubos de vacío (llamados "emisores brillantes") debían calentarse a 1370 °C (2500 °F) , al rojo vivo, para producir suficiente emisión termoiónica para su uso, mientras que los cátodos recubiertos modernos (llamados "emisores opacos") producen muchos más electrones a una temperatura dada, por lo que solo tienen que calentarse a 427-593 °C (800-1100 °F ) . [ 1 ] [ 3 ]
Tipos
Cátodos recubiertos de óxido
El tipo más común de cátodo de calentamiento indirecto 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 operan a unos 800-1000 °C, alcanzando una temperatura de color naranja intenso. 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 del tubo. [ 4 ]
Para facilitar la fabricación, los cátodos recubiertos de óxido suelen recubrirse con carbonatos , que luego se convierten en óxidos mediante 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 extracción, 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 puede evaluarse con una función exponencial estirada . [ 7 ] La supervivencia de las fuentes de emisión de electrones mejora significativamente mediante un 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 (Ba₂SiO₄ ) . Esta capa presenta una alta resistencia eléctrica, especialmente bajo cargas de corriente discontinuas, y actúa como una resistencia en serie con el cátodo. Esto resulta particularmente indeseable para los tubos utilizados en aplicaciones informáticas, donde pueden permanecer sin conducir corriente durante largos periodos de tiempo. [ 9 ]
El bario también se sublima desde el cátodo calentado y se deposita en las estructuras cercanas. En los tubos electrónicos, donde la rejilla está sometida a altas temperaturas y la contaminación por bario facilitaría la emisión de electrones desde la propia rejilla, se añade una mayor proporción de calcio a la mezcla de recubrimiento (hasta un 20 % de carbonato de calcio). [ 9 ]
cátodos de boruro
El hexaboruro de lantano (LaB₆ ) y el hexaboruro de cerio (CeB₆ ) se utilizan como recubrimiento de algunos cátodos de alta corriente. Los hexaboruros presentan una baja función de trabajo, alrededor de 2,5 eV . También son resistentes al envenenamiento. Los cátodos de boruro de cerio muestran una menor tasa de evaporación a 1700 K que el boruro de lantano, pero se iguala a 1850 K y temperaturas superiores. Los cátodos de boruro de cerio tienen una vida útil una vez y media mayor que el boruro de lantano, debido a su mayor resistencia a la contaminación por carbono. Los cátodos de boruro son aproximadamente diez veces más brillantes que los de tungsteno y tienen una vida útil de 10 a 15 veces mayor. Se utilizan, por ejemplo, en microscopios electrónicos , tubos de microondas , litografía electrónica , soldadura por haz de electrones , tubos de rayos X y láseres de electrones libres . Sin embargo, estos materiales tienden a ser caros.
También se pueden emplear otros hexaboruros; por ejemplo, el hexaboruro de calcio , el hexaboruro de estroncio , el hexaboruro de bario , el hexaboruro de itrio , el hexaboruro de gadolinio , el hexaboruro de samario y el hexaboruro de torio .
Filamentos toriados
Un tipo común de cátodo de calentamiento directo, utilizado en la mayoría de los tubos transmisores de alta potencia, es el filamento de tungsteno toriado , descubierto en 1914 y perfeccionado por Irving Langmuir en 1923. [ 10 ] Se añade 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 iónico 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 mayor que la de los cátodos de óxido. [ 11 ]
Alternativas al torio
Debido a la preocupación por la radiactividad y la toxicidad del torio, se han realizado esfuerzos para encontrar alternativas. Una de ellas es el tungsteno zirconiado, donde se utiliza dióxido de circonio en lugar de dióxido de torio. Otros materiales de reemplazo son el óxido de lantano(III) , el óxido de itrio(III) , el óxido de cerio(IV) y sus mezclas. [ 12 ]
Otros materiales
Además de los óxidos y boruros mencionados, también se pueden utilizar otros materiales. Algunos ejemplos son los carburos y boruros de metales de transición , como el carburo de circonio , el carburo de hafnio , el carburo de tantalio , el diboruro de hafnio y sus mezclas. Generalmente se eligen metales de los grupos IIIB ( escandio , itrio y algunos lantánidos , a menudo gadolinio y samario ) y IVB ( hafnio , circonio y titanio ). [ 12 ]
Además del tungsteno, se pueden utilizar otros metales y aleaciones refractarias , como el tantalio , el molibdeno y el renio , así como sus aleaciones.
Se puede colocar una capa barrera de otro material entre el metal base y la capa emisora para inhibir la reacción química entre ellos. El material debe ser resistente a altas temperaturas, tener un punto de fusión elevado y una presión de vapor muy baja, además de ser conductor eléctrico. Algunos ejemplos de materiales utilizados son el diboruro de tantalio , el diboruro de titanio , el diboruro de circonio , el diboruro de niobio , el carburo de tantalio , el carburo de circonio , el nitruro de tantalio y el nitruro de circonio . [ 13 ]
Calentador de cátodo
Un calentador de cátodo es un filamento de alambre calentado que se utiliza 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. Por eso, los aparatos electrónicos antiguos a menudo necesitan un tiempo para "calentarse" después de encenderse; este fenómeno aún 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 provoca que los electrones sean "ebullidos" de su superficie hacia el espacio vacío del tubo, un proceso llamado emisión termoiónica . La temperatura requerida para los cátodos modernos recubiertos de óxido es de alrededor de 800–1000 °C (1470–1830 °F) .
El cátodo suele tener la forma de un cilindro largo y estrecho de chapa metálica en el centro del tubo. El calentador consiste en un alambre o cinta fina, hecha de una aleación metálica de alta resistencia como el nicromo , similar a la resistencia de una tostadora pero más fina. Recorre el centro del cátodo, a menudo enrollada sobre pequeños soportes aislantes o doblada en forma de horquilla para proporcionar la superficie suficiente para producir el calor necesario. Los calentadores típicos tienen un recubrimiento cerámico en el alambre. Cuando se dobla bruscamente en los extremos del manguito del cátodo, el alambre queda expuesto. Los extremos del alambre están conectados eléctricamente a dos de los pines que sobresalen del extremo del tubo. Cuando la corriente pasa a través del alambre, este se pone al rojo vivo, y el calor irradiado incide sobre la superficie interna del cátodo, calentándolo. El brillo rojo o naranja que se observa en los tubos de vacío en funcionamiento es producido por el calentador.
El cátodo tiene poco espacio y, a menudo, se construye con el filamento calefactor en contacto directo con él. El interior del cátodo está aislado con una capa de alúmina (óxido de aluminio). Este material no es un buen aislante a altas temperaturas, por lo que los tubos tienen una tensión máxima nominal entre el cátodo y el filamento, generalmente de solo 200 a 300 V.
Los calentadores requieren una fuente de alimentación de bajo voltaje y alta corriente. Los tubos receptores miniatura para equipos que funcionan con la línea utilizan entre 0,5 y 4 vatios para la alimentación del calentador; los tubos de alta potencia, como los rectificadores o los tubos de salida, utilizan entre 10 y 20 vatios, y los tubos transmisores de radiodifusión pueden necesitar un kilovatio o más para calentar el cátodo. [ 14 ] El voltaje requerido suele ser de 5 o 6 voltios CA. Este se suministra mediante un devanado de calentador independiente en el transformador de la fuente de alimentación del dispositivo , que también suministra los voltajes más altos requeridos por las placas y otros electrodos de los tubos. Un método utilizado en receptores de radio y televisión que funcionan con la línea sin transformador, como el All American Five, consiste en conectar todos los calentadores de los tubos en serie a través de la línea de alimentación. Dado que todos los calentadores tienen la misma corriente nominal, compartirían el voltaje según sus características nominales.
Los receptores de radio que funcionaban con pilas utilizaban corriente continua para los filamentos (comúnmente conocidos como resistencias), y las válvulas diseñadas para estos aparatos se crearon para consumir la menor cantidad de energía posible, con el fin de ahorrar en el reemplazo de las pilas. Los últimos modelos de receptores de radio con válvulas se fabricaron con válvulas subminiatura que consumían menos de 50 mA para los filamentos, pero este tipo de válvulas se desarrollaron casi al mismo tiempo que los transistores, que las reemplazaron.
Cuando las fugas o los campos magnéticos parásitos del circuito calefactor podrían acoplarse al cátodo, a veces se utiliza corriente continua para alimentar el calentador. Esto elimina una fuente de ruido en circuitos de audio o instrumentación sensibles.
La mayor parte de la energía necesaria para el funcionamiento de equipos de válvulas de baja potencia es consumida por los filamentos. Los transistores no requieren tanta energía, lo que suele ser una gran ventaja.
Modos de fallo
Las capas emisoras de los cátodos recubiertos se degradan lentamente con el tiempo, y mucho más rápidamente cuando el cátodo se sobrecarga con una corriente demasiado alta. El resultado es una emisión debilitada y una disminución de la potencia de los tubos, o en el caso de los tubos de rayos catódicos, una disminución del brillo.
Los electrodos activados pueden dañarse por contacto con oxígeno u otros productos químicos (por ejemplo, aluminio o silicatos ), ya sea presentes como gases residuales, que ingresan al tubo a través de fugas o que se liberan por desgasificación o migración desde los elementos de construcción. Esto resulta en una disminución de la emisividad. Este proceso se conoce como envenenamiento del cátodo . Para la primera computadora Whirlwind , fue necesario desarrollar tubos de alta fiabilidad con filamentos libres de trazas de silicio .
La degradación gradual de la capa emisora y la quema repentina e interrupción del filamento son dos de los principales modos de fallo de los tubos de vacío.
Características del cátodo caliente del tubo transmisor
Véase también
Referencias
- 1 2 3 4 5 6 Avadhanulu, MN; PG Kshirsagar (1992). Un libro de texto de física de ingeniería para BE, B.Sc. S. Chand. págs. 345–348 . ISBN 978-8121908177.
- 1 2 Ferris, Clifford «Fundamentos de los tubos electrónicos» en Whitaker, Jerry C. (2013). The Electronics Handbook, 2.ª ed . CRC Press . págs. 354–356 . ISBN 978-1420036664.
- ↑ Jones, Martin Hartley (1995). Introducción práctica a los circuitos electrónicos . Reino Unido: Cambridge Univ. Press . pág. 49. ISBN 978-0521478793.
- ↑ Requisitos de los electrodos MA
- ↑ "Tecnología de tubos" . Archivado del original el 5 de febrero de 2006. Consultado el 14 de febrero de 2006 .
- ↑ BM Weon; et al. (2003). "Mejora de Ba en la superficie de cátodos de óxido". Journal of Vacuum Science and Technology B . 21 (5): 2184– 2187. Bibcode : 2003JVSTB..21.2184W . doi : 10.1116/1.1612933 .
- ↑ BM Weon y JH Je (2005). "Degradación exponencial extendida de cátodos de óxido". Applied Surface Science . 251 ( 1– 4): 59– 63. Bibcode : 2005ApSS..251...59W . doi : 10.1016/j.apsusc.2005.03.164 .
- ↑ BM Weon; et al. (2005). "Cátodos de óxido para fuentes de electrones confiables" . Journal of Information Display . 6 (4): 35– 39. doi : 10.1080/15980316.2005.9651988 .
- 1 2 Diseño de tubos electrónicos, Radio Corporation of America, 1962
- ↑ Turner página 7-37
- ↑ "Dentro de un tubo de vacío" . Archivado del original el 8 de abril de 2006. Consultado el 14 de febrero de 2006 .
- 1 2 Materiales y componentes de emisión de electrones: Patente de Estados Unidos 5911919
- ↑ Cátodo termoiónico: Patente de Estados Unidos 4137476
- ↑ Sōgo Okamura Historia de los tubos de electrones , IOS Press, 1994 ISBN 90-5199-145-2, págs. 106, 109, 120, 144, 174
- ↑ LW Turner, (ed.), Electronics Engineer's Reference Book , 4.ª ed. Newnes-Butterworth, Londres, 1976 ISBN 0408001682pág. 7-36
Enlaces externos
- John Harper (2003) Tubos 201 - Cómo funcionan realmente los tubos de vacío , página principal de John Harper
- Lankshear, Peter (julio de 1996). " Voltajes del filamento/calentador de la válvula " (PDF) . Electronics Australia . Consultado el 9 de octubre de 2017 .
- Electrodos
- lámparas de descarga de gas
- tubos de vacío
- Física de aceleradores