Cathode chaude - Hot cathode
Dans les tubes à vide et les tubes remplis de gaz , une cathode chaude ou cathode thermionique est une électrode de cathode qui est chauffée pour la faire émettre des électrons en raison de l'émission thermionique . Cela contraste avec une cathode froide , qui n'a pas d'élément chauffant. L'élément chauffant est généralement un filament électrique chauffé par un courant électrique séparé le traversant. Les cathodes chaudes atteignent généralement une densité de puissance beaucoup plus élevée que les cathodes froides, émettant beaucoup plus d'électrons à partir de la même surface. Les cathodes froides reposent sur l'émission d'électrons de champ ou sur l' émission d' électrons secondaires par bombardement d'ions positifs et ne nécessitent pas de chauffage. Il existe deux types de cathode chaude. Dans une cathode directement chauffée , le filament est la cathode et émet les électrons. Dans une cathode chauffée indirectement , le filament ou l' élément chauffant chauffe une électrode de cathode métallique séparée qui émet les électrons.
Des années 1920 aux années 1960, une grande variété d'appareils électroniques utilisait des tubes à vide à cathode chaude. Aujourd'hui, les cathodes chaudes sont utilisées comme source d'électrons dans les lampes fluorescentes , les tubes à vide et les canons à électrons utilisés dans les tubes à rayons cathodiques et les équipements de laboratoire tels que les microscopes électroniques .
La description
Une électrode cathodique dans un tube à vide ou un autre système à vide est une surface métallique qui émet des électrons dans l'espace sous vide du tube. Puisque les électrons chargés négativement sont attirés par les noyaux positifs des atomes métalliques, ils restent normalement à l'intérieur du métal et ont besoin d'énergie pour le quitter. Cette énergie est appelée la fonction de travail du métal. Dans une cathode chaude, la surface de la cathode est amenée à émettre des électrons en la chauffant avec un filament , un fil mince de métal réfractaire comme le tungstène avec un courant qui la traverse. La cathode est chauffée à une température qui fait «bouillir» les électrons de sa surface dans l'espace évacué dans le tube, un processus appelé émission thermionique .
Il existe deux types de cathodes chaudes:
- Cathode chauffée directement
- Dans ce type, le filament lui-même est la cathode et émet directement les électrons. Des cathodes chauffées directement ont été utilisées dans les premiers tubes à vide. Aujourd'hui, ils sont utilisés dans les tubes fluorescents et la plupart des tubes à vide à transmission haute puissance.
- Cathode chauffée indirectement
- Dans ce type, le filament n'est pas la cathode mais chauffe plutôt une cathode séparée constituée d'un cylindre en tôle entourant le filament, et le cylindre émet des électrons. Des cathodes chauffées indirectement sont utilisées dans la plupart des tubes à vide de faible puissance. Par exemple, dans la plupart des tubes à vide, la cathode est un tube en nickel, revêtu d'oxydes métalliques. Il est chauffé par un filament de tungstène à l'intérieur, et la chaleur du filament fait émettre des électrons à la surface extérieure du revêtement d'oxyde. Le filament d'une cathode chauffée indirectement est généralement appelé chauffage .
La principale raison de l'utilisation d'une cathode chauffée indirectement est d'isoler le reste du tube à vide du potentiel électrique à travers le filament, ce qui permet aux tubes à vide d'utiliser un courant alternatif pour chauffer le filament. Dans un tube dans lequel le filament lui-même est la cathode, le champ électrique alternatif de la surface du filament affecterait le mouvement des électrons et introduirait un bourdonnement dans la sortie du tube. Il permet également aux filaments de tous les tubes d'un dispositif électronique d'être liés entre eux et alimentés par la même source de courant, même si les cathodes qu'ils chauffent peuvent être à des potentiels différents.
Pour améliorer l'émission d'électrons, les cathodes sont généralement traitées avec des produits chimiques, des composés de métaux à faible fonction de travail . Ceux-ci forment une couche métallique à la surface qui émet plus d'électrons. Les cathodes traitées nécessitent moins de surface, des températures plus basses et moins d'énergie pour fournir le même courant de cathode. Les filaments de tungstène thorié non traités utilisés dans les premiers tubes à vide (appelés "émetteurs brillants") devaient être chauffés à 1 400 ° C (2500 ° F), chauffés à blanc, pour produire une émission thermionique suffisante pour l'utilisation, tandis que les cathodes revêtues modernes (appelées " émetteurs sourds ") produisent beaucoup plus d'électrons à une température donnée, il suffit donc de les chauffer à une température comprise entre 425 et 600 ° C (800–1100 ° F).
Les types
Cathodes revêtues d'oxyde
Le type le plus courant de cathode chauffée indirectement est la cathode revêtue d'oxyde, dans laquelle la surface de la cathode en nickel a un revêtement d' oxyde de métal alcalino-terreux pour augmenter l'émission. L'un des premiers matériaux utilisés à cette fin était l' oxyde de baryum ; il forme une couche monoatomique de baryum avec une fonction de travail extrêmement faible. Des formulations plus modernes utilisent un mélange d'oxyde de baryum, d'oxyde de strontium et d' oxyde de calcium . Une autre formulation standard est l'oxyde de baryum, l'oxyde de calcium et l'oxyde d'aluminium dans un rapport 5: 3: 2. L'oxyde de thorium peut également être utilisé. Les cathodes revêtues d'oxyde fonctionnent à environ 800-1000 ° C, chaudes à l'orange. Ils sont utilisés dans la plupart des petits tubes à vide en verre, mais sont rarement utilisés dans les tubes à haute puissance car le revêtement est dégradé par des ions positifs qui bombardent la cathode, accélérés par la haute tension sur le tube.
Pour des raisons de commodité de fabrication, les cathodes revêtues d'oxyde sont généralement revêtues de carbonates , qui sont ensuite convertis en oxydes par chauffage. L'activation peut être réalisée par chauffage par micro-ondes, chauffage par courant électrique continu ou bombardement d'électrons pendant que le tube est sur la machine d'évacuation, jusqu'à ce que la production de gaz cesse. La pureté des matériaux de cathode est cruciale pour la durée de vie du tube. La teneur en Ba augmente considérablement sur les couches superficielles des cathodes d'oxyde jusqu'à plusieurs dizaines de nanomètres de profondeur, après le processus d'activation de la cathode. La durée de vie des cathodes d'oxyde peut être évaluée avec une fonction exponentielle étirée . La capacité de survie des sources d'émission d'électrons est considérablement améliorée par un dopage élevé de l'activateur haute vitesse.
L'oxyde de baryum réagit avec des traces de silicium dans le métal sous-jacent, formant une couche de silicate de baryum (Ba 2 SiO 4 ). Cette couche présente une résistance électrique élevée, notamment sous une charge de courant discontinue, et agit comme une résistance en série avec la cathode. Ceci est particulièrement indésirable pour les tubes utilisés dans les applications informatiques, où ils peuvent rester sans conducteur de courant pendant de longues périodes de temps.
Le baryum se sublime également à partir de la cathode chauffée et se dépose sur les structures voisines. Pour les tubes électroniques, où la grille est soumise à des températures élevées et une contamination au baryum faciliterait l'émission d'électrons de la grille elle-même, une plus grande proportion de calcium est ajoutée au mélange de revêtement (jusqu'à 20% de carbonate de calcium).
Cathodes de borure
L'hexaborure de lanthane (LaB 6 ) et l'hexaborure de cérium (CeB 6 ) sont utilisés comme revêtement de certaines cathodes à courant élevé. Les hexaborides montrent une faible fonction de travail, autour de 2,5 eV . Ils sont également résistants à l'empoisonnement. Les cathodes de borure de cérium présentent un taux d'évaporation plus faible à 1700 K que le borure de lanthane, mais il devient égal à 1850 K et plus. Les cathodes au borure de cérium ont une durée de vie une fois et demie supérieure à celle du borure de lanthane, en raison de sa plus grande résistance à la contamination par le carbone. Les cathodes au borure sont environ dix fois plus «brillantes» que celles en tungstène et ont une durée de vie 10 à 15 fois plus longue. Ils sont utilisés par exemple dans les microscopes électroniques , tubes à micro - ondes , lithographie par électrons , soudage par faisceau d'électrons , tubes à rayons X , et les lasers à électrons libres . Cependant, ces matériaux ont tendance à être coûteux.
D'autres hexaborures peuvent également être employés; Des exemples sont l' hexaborure de calcium , l' hexaborure de strontium , l' hexaborure de baryum , l' yttrium hexaborure , gadolinium hexaborure , samarium hexaborure et thorium hexaborure .
Filaments thoriés
Un type courant de cathode chauffée directement, utilisé dans la plupart des tubes de transmission de puissance élevée, est le filament de tungstène thorié , découvert en 1914 et mis en pratique par Irving Langmuir en 1923. Une petite quantité de thorium est ajoutée au tungstène du filament. Le filament est chauffé à blanc, à environ 2400 ° C, et les atomes de thorium migrent vers la surface du filament et forment la couche émissive. Le chauffage du filament dans une atmosphère d'hydrocarbure carbure la surface et stabilise la couche émissive. Les filaments thoriés peuvent avoir une très longue durée de vie et sont résistants au bombardement ionique qui se produit à des tensions élevées, car le thorium frais diffuse continuellement à la surface, renouvelant la couche. Ils sont utilisés dans presque tous les tubes à vide haute puissance pour émetteurs radio et dans certains tubes pour amplificateurs hi-fi . Leur durée de vie a tendance à être plus longue que celle des cathodes à oxyde.
Alternatives au thorium
En raison des préoccupations concernant la radioactivité et la toxicité du thorium, des efforts ont été faits pour trouver des alternatives. L'un d'eux est le tungstène zircone, où le dioxyde de zirconium est utilisé à la place du dioxyde de thorium. D' autres matériaux de remplacement sont lanthane (III) de l' oxyde , de l' yttrium (III) de l' oxyde , de cérium (IV) oxyde , et leurs mélanges.
Autres matériaux
En plus des oxydes et borures répertoriés, d'autres matériaux peuvent également être utilisés. Quelques exemples sont les carbures et les borures de métaux de transition , par exemple le carbure de zirconium , carbure de hafnium , carbure de tantale , le hafnium diborure , et leurs mélanges. Les métaux des groupes IIIB ( scandium , yttrium et certains lanthanides , souvent gadolinium et samarium ) et IVB ( hafnium , zirconium , titane ) sont généralement choisis.
En plus du tungstène, d'autres métaux et alliages réfractaires peuvent être utilisés, par exemple le tantale , le molybdène et le rhénium et leurs alliages.
Une couche barrière d'un autre matériau peut être placée entre le métal de base et la couche d'émission, pour empêcher la réaction chimique entre ceux-ci. Le matériau doit être résistant aux températures élevées, avoir un point de fusion élevé et une pression de vapeur très faible, et être électriquement conducteur. Les matériaux utilisés peuvent être par exemple du tantale du diborure , du diborure de titane , zirconium diborure , niobium diborure , carbure de tantale , le carbure de zirconium , le nitrure de tantale et le nitrure de zirconium .
Chauffage cathodique
Un élément chauffant de cathode est un filament de fil chauffé utilisé pour chauffer la cathode dans un tube à vide ou un tube à rayons cathodiques . L'élément cathodique doit atteindre la température requise pour que ces tubes fonctionnent correctement. C'est pourquoi les appareils électroniques plus anciens ont souvent besoin d'un certain temps pour «se réchauffer» après avoir été mis sous tension; ce phénomène peut encore être observé dans les tubes cathodiques de certains téléviseurs et moniteurs d'ordinateurs modernes . La cathode chauffe à une température qui fait «bouillir» les électrons de sa surface dans l'espace évacué dans le tube, un processus appelé émission thermionique . La température requise pour les cathodes revêtues d'oxyde modernes est d'environ 800 à 1 000 ° C (1 470 à 1 830 ° F).
La cathode se présente généralement sous la forme d'un long cylindre en tôle étroit au centre du tube. Le radiateur se compose d'un fil fin ou d'un ruban, fait d'un alliage métallique à haute résistance comme le nichrome , similaire à l' élément chauffant d'un grille - pain mais plus fin. Il traverse le centre de la cathode, souvent enroulé sur de minuscules supports isolants ou plié en forme d'épingle à cheveux pour donner une surface suffisante pour produire la chaleur requise. Les appareils de chauffage typiques ont un revêtement en céramique sur le fil. Lorsqu'il est fortement plié aux extrémités du manchon de cathode, le fil est exposé. Les extrémités du fil sont connectées électriquement à deux des plusieurs broches dépassant de l'extrémité du tube. Lorsque le courant passe à travers le fil, il devient rouge et la chaleur rayonnée frappe la surface intérieure de la cathode, la chauffant. La lueur rouge ou orange vue provenant du fonctionnement des tubes à vide est produite par le réchauffeur.
Il n'y a pas beaucoup de place dans la cathode et la cathode est souvent construite avec le fil chauffant qui la touche. L'intérieur de la cathode est isolé par un revêtement d' alumine (oxyde d'aluminium). Ce n'est pas un très bon isolant à des températures élevées, par conséquent, les tubes ont une tension maximale entre la cathode et le réchauffeur, généralement de 200 à 300 V.
Les appareils de chauffage nécessitent une source d'énergie basse tension et à courant élevé. Tubes récepteurs miniatures pour utilisation en ligne de l’ordre de 0,5 à 4 watts pour la puissance de chauffage; les tubes haute puissance tels que les redresseurs ou les tubes de sortie utilisent de l'ordre de 10 à 20 watts, et les tubes émetteurs de diffusion peuvent avoir besoin d'un kilowatt ou plus pour chauffer la cathode. La tension requise est habituellement de 5 ou 6 volts AC . Ceci est fourni par un «enroulement chauffant» séparé sur le transformateur d' alimentation de l'appareil qui fournit également les tensions plus élevées requises par les plaques des tubes et d'autres électrodes. Une approche utilisée dans les récepteurs de radio et de télévision sans transformateur, tels que le All American Five, consiste à connecter tous les tubes chauffants en série sur la ligne d'alimentation. Puisque tous les appareils de chauffage sont évalués au même courant, ils partageraient la tension en fonction de leurs cotes de chauffage.
Les postes de radio à piles utilisaient une alimentation à courant continu pour les appareils de chauffage (communément appelés filaments), et les tubes destinés aux ensembles de batteries étaient conçus pour utiliser aussi peu de puissance de filament que nécessaire, afin d'économiser sur le remplacement de la batterie. Les modèles finaux de récepteurs radio équipés de tubes ont été construits avec des tubes subminiatures utilisant moins de 50 mA pour les radiateurs, mais ces types ont été développés à peu près en même temps que les transistors qui les ont remplacés.
Là où des fuites ou des champs parasites du circuit de chauffage pourraient potentiellement être couplés à la cathode, le courant continu est parfois utilisé pour l'alimentation du chauffage. Cela élimine une source de bruit dans les circuits audio ou d'instrumentation sensibles.
La majorité de l'énergie requise pour faire fonctionner l'équipement à tubes de faible puissance est consommée par les appareils de chauffage. Les transistors n'ont pas une telle exigence de puissance, ce qui est souvent un grand avantage.
Modes de défaillance
Les couches émissives sur les cathodes revêtues se dégradent lentement avec le temps, et beaucoup plus rapidement lorsque la cathode est surchargée par un courant trop élevé. Le résultat est une émission affaiblie et une puissance diminuée des tubes, ou dans les CRT une luminosité diminuée.
Les électrodes activées peuvent être détruites par contact avec de l' oxygène ou d'autres produits chimiques (par exemple de l' aluminium ou des silicates ), soit présents sous forme de gaz résiduels, entrant dans le tube par des fuites, soit libérés par dégazage ou migration des éléments de construction. Il en résulte une émissivité diminuée. Ce processus est connu sous le nom d' empoisonnement de la cathode . Des tubes à haute fiabilité ont dû être développés pour les premiers ordinateurs Whirlwind , avec des filaments exempts de traces de silicium .
La dégradation lente de la couche émissive et la combustion soudaine et l'interruption du filament sont les deux principaux modes de défaillance des tubes à vide.
Caractéristiques de la cathode chaude du tube émetteur
| Matériel | Température de fonctionnement | Efficacité des émissions | Emission spécifique |
|---|---|---|---|
| Tungstène | 2500 K () | 5 mA / W | 500 mA / cm 2 |
| Tungstène thoréalisé | 2000 K (1726c) | 100 mA / W | 5 A / cm 2 |
| Revêtu d'oxyde | 1 000 K | 500 mA / W | 10 A / cm 2 |
| Aluminate de baryum | 1300 K | 400 mA / W | 4 A / cm 2 |
Voir également
Les références
Liens externes
- John Harper (2003) Tubes 201 - Comment fonctionnent vraiment les tubes à vide , page d'accueil de John Harper
- Lankshear, Peter (juillet 1996). " Tensions de filament / chauffage de vanne " (PDF) . Electronique Australie . Récupéré le 9 octobre 2017 .