열음극

Hot cathode
전자를 방출하는 저압 수은 가스 방전 램프 내의 텅스텐 필라멘트.전자 방출을 증가시키기 위해 코일의 중앙 부분에 보이는 흰색 열전자 방출 혼합 코팅이 적용됩니다.일반적으로 바륨, 스트론튬 및 산화칼슘의 혼합물로 제조되는 코팅은 일반 사용 시 스퍼터링되어 결과적으로 램프 고장을 일으킵니다.

진공관 및 가스 충전관에서 열음극 또는 열음극은 열음극 방출로 인해 전자를 방출하도록 가열된 음극이다.이는 발열체가 없는 냉음극과는 대조적입니다.발열 소자는 일반적으로 전기 소자를 통과하는 별도의 전류에 의해 가열되는 전기 필라멘트입니다.핫 캐소드는 일반적으로 콜드 캐소드보다 훨씬 높은 전력 밀도를 달성하여 동일한 표면적에서 훨씬 더 많은 전자를 방출합니다.냉음극은 정이온 충격에 의한 전계 전자 방출 또는 2차 전자 방출에 의존하며 가열이 필요하지 않습니다.열음극에는 두 가지 유형이 있습니다.직접 가열된 음극에서 필라멘트는 음극이며 전자를 방출합니다.간접 가열된 음극에서 필라멘트 또는 히터는 전자를 방출하는 별도의 금속 음극 전극을 가열한다.

1920년대부터 1960년대까지 다양한 전자기기가 열음극 진공관을 사용했다.오늘날, 뜨거운 음극은 형광등, 진공관, 그리고 브라운관이나 전자 현미경과 같은 실험실 장비에 사용되는 전자총에서 전자원으로 사용된다.

묘사

ECC83 듀얼 3극 튜브에 2개의 간접 가열식 음극(주황색 히터 스트립)
간접 가열된 음극(주황색 튜브)이 있는 3극 진공 튜브의 컷어웨이 뷰(내부 히터 소자 표시)

진공관 또는 다른 진공계통의 음극전극은 전자를 관의 진공공간에 방출하는 금속표면이다.음전하를 띤 전자는 금속 원자의 양의 핵에 끌리기 때문에, 그들은 보통 금속 안에 머물며 [1]에너지를 필요로 합니다.이 에너지는 [1]금속의 기능이라고 불립니다.열음극에서 [1][2]음극표면은 전류가 흐르는 텅스텐 등의 내화금속 가는 와이어인 필라멘트로 가열함으로써 전자를 방출하도록 유도된다.음극은 표면에서 전자가 튜브의 진공 공간으로 '끓어내'도록 하는 온도까지 가열되는데, 이 과정을 열전자 [1]방출이라고 합니다.

핫 [1]캐소드에는 두 가지 유형이 있습니다.

직접 가열 음극
이 유형에서는 필라멘트 자체가 음극이며 전자를 직접 방출합니다.첫 번째 진공관에는 직접 가열된 음극이 사용되었습니다.오늘날, 그것들은 형광관과 대부분의 고출력 전달 진공관에 사용된다.
간접 가열 음극
이 타입에서는 필라멘트가 음극이 아니라 필라멘트를 둘러싼 판금통으로 이루어진 별개의 음극을 가열하여 전자를 방출한다.간접 가열식 음극은 대부분의 저전력 진공 튜브에 사용됩니다.예를 들어, 대부분의 진공 튜브에서 음극은 금속 산화물로 코팅된 니켈 튜브입니다.그것은 내부의 텅스텐 필라멘트에 의해 가열되며 필라멘트의 열로 인해 산화물 코팅의 외부 표면이 [2]전자를 방출합니다.간접 가열된 음극의 필라멘트는 보통 히터라고 불립니다.

간접 가열된 캐소드를 사용하는 주된 이유는 필라멘트를 가로지르는 전위로부터 진공 튜브의 나머지 부분을 분리하여 진공 튜브가 필라멘트를 가열하기 위해 교류 전류를 사용할 수 있도록 하기 위함입니다.필라멘트 자체가 음극인 튜브에서는 필라멘트 표면으로부터의 교류 전계가 전자의 이동에 영향을 미쳐 튜브 출력에 Hum을 도입합니다.또한 전자 장치의 모든 튜브에 있는 필라멘트를 함께 묶어 동일한 전류 소스에서 공급할 수 있습니다. 가열되는 음극은 전위가 다를 수 있습니다.

무선 송신기의 Eimac 4-1000A 1kW 파워 4극관 내 직접 가열된 음극의 광선.직접 가열된 캐소드는 높은 온도에서 작동하며 더 밝은 빛을 냅니다.음극은 다른 튜브 요소 뒤에 있으며 직접 보이지 않습니다.

전자 방출을 개선하기 위해 음극은 일반적으로 작업 기능이 낮은 금속 화합물인 화학 물질로 처리됩니다.이것들은 표면에 더 많은 전자를 방출하는 금속층을 형성한다.처리된 음극은 동일한 음극 전류를 공급하기 위해 더 적은 표면적, 더 낮은 온도 및 더 적은 전력을 필요로 합니다.초기 진공관('밝은 발광체'라고 함)에 사용된 처리되지 않은 황토화 텅스텐 필라멘트는 사용하기에 충분한 열전자 방출을 생성하기 위해 2500°F(1400°C)까지 가열되어야 했으며, 반면 현대의 코팅된 음극('듀얼 발광체'라고 함)은 주어진 온도에서 훨씬 더 많은 전자를 생성하므로 800–1100°F까지만 가열하면 되었습니다.(425~600 °C).[1][3]

종류들

산화물 피복 음극

간접 가열 음극의 가장 일반적인 유형은 산화물 코팅 음극으로, 니켈 음극 표면에는 방출을 증가시키기 위해 알칼리 토류 금속 산화물이 코팅되어 있습니다.이것에 사용된 최초의 물질 중 하나는 산화 바륨이었다. 그것은 매우 낮은 작업 기능을 가진 바륨의 단원자층을 형성한다.보다 현대적인 제제는 산화바륨, 산화스트론튬 및 산화칼슘의 혼합물을 사용합니다.또 다른 표준 제제는 산화바륨, 산화칼슘 및 산화알루미늄으로 5:3:2 비율입니다.산화토륨도 사용할 수 있다.산화물 코팅 캐소드는 약 800-1000°C, 오렌지 핫에서 작동합니다.대부분의 작은 유리 진공 튜브에 사용되지만,[4] 고출력 튜브에는 거의 사용되지 않습니다. 왜냐하면 코팅이 음극에 충격을 주는 양이온에 의해 분해되고 튜브의 고전압에 의해 가속되기 때문입니다.

제조 편의를 위해 산화물 코팅된 캐소드는 일반적으로 탄산염으로 코팅된 다음 가열에 의해 산화물로 변환됩니다.가스 생산이 중단될 때까지 튜브가 배기 기계에 있는 동안 마이크로파 가열, 직류 가열 또는 전자 충격에 의해 활성화될 수 있습니다.음극 재료의 순도는 튜브 [5]수명에 매우 중요합니다.산화물 음극의 표면층에서 Ba 함량은 음극 활성화 과정 [6]후 수십 나노미터 깊이까지 크게 증가합니다.산화물 음극의 수명은 신장 지수 함수를 [7]사용하여 평가할 수 있습니다.전자방출원의 생존성은 [8]고속활성제의 높은 도핑에 의해 현저하게 향상된다.

산화바륨은 기초 금속의 실리콘 미량과 반응하여 규산바륨(BaSiO24)층을 형성합니다.이 층은 특히 불연속 전류 부하에서 높은 전기 저항을 가지며 음극과 직렬로 저항 역할을 합니다.이는 장기간 [9]전류를 통하지 않고 있을 수 있는 컴퓨터 애플리케이션에서 사용되는 튜브의 경우 특히 바람직하지 않습니다.

또한 바륨은 가열된 음극에서 승화되어 인근 구조물에 침전됩니다.그리드가 고온에 노출되고 바륨 오염이 그리드 자체에서 전자 방출을 촉진하는 전자관의 경우, 코팅 혼합물에 칼슘의 비율이 높아집니다([9]탄산칼슘의 최대 20%).

G1 지지대 및 G1 와이어의 SEM 이미지, 음극에서 바륨 산화물 오염(녹색)을 나타내는 많이 사용되는 펜토드의 이미지.

붕화물 음극

란타넘 육붕화물 열음극
란타넘 헥사보라이드 핫캐소드

일부 고전류 캐소드의 코팅으로 란타넘 헥사보라이드(LaB6) 및 세륨 헥사보라이드(CeB6)를 사용한다.헥사보리드는 약 2.5eV의 낮은 작업 기능을 나타냅니다.그들은 또한 중독에 강하다.붕화세륨 캐소드는 붕화란탄보다 1700K에서 낮은 증발률을 보이지만 1850K 이상에서는 같아진다.붕화세륨 캐소드는 탄소 오염에 대한 저항성이 높기 때문에 붕화란탄의 수명보다 1.5배 더 길다.붕화물 캐소드는 텅스텐 캐소드의 약 10배 "밝고" 수명이 10배에서 15배 더 길다.전자 현미경, 마이크로파 튜브, 전자 리소그래피, 전자 빔 용접, X선 튜브 및 자유 전자 레이저 등에 사용됩니다.그러나 이 재료들은 비싼 경향이 있다.

다른 헥사보라이드도 사용할 수 있다.예를 들어 헥사보라이드 칼슘, 헥사보라이드 스트론튬, 헥사보라이드 바륨, 헥사보라이드 이트륨, 헥사보라이드 가돌리늄, 헥사보라이드 사마륨 및 헥사보라이드 토륨 등이 있다.

토륨 필라멘트

대부분의 고출력 전송관에 사용되는 직접 가열 음극의 일반적인 유형은 1914년에 발견되어 1923년에 [10]어빙 랭뮤어에 의해 실용화된 토륨 텅스텐 필라멘트입니다.필라멘트의 텅스텐에 소량의 토륨을 첨가한다.필라멘트는 약 2400°C에서 흰색으로 가열되고 토륨 원자는 필라멘트의 표면으로 이동하여 방사층을 형성한다.탄화수소 분위기에서 필라멘트를 가열하면 표면이 침탄되어 방사층이 안정화된다.Thoriated 필라멘트는 매우 긴 수명을 가질 수 있고 높은 전압에서 발생하는 이온 충격에 저항할 수 있습니다. 왜냐하면 신선한 토륨이 표면으로 계속 확산되어 층을 새로 만들기 때문입니다.이들은 거의 모든 무선 송신기용 고출력 진공관 및 일부 하이파이 앰프용 튜브에 사용됩니다.이들의 수명은 산화물 [11]음극보다 긴 경향이 있다.

토륨 대체물

토륨의 방사능과 독성에 대한 우려 때문에 대체물을 찾기 위한 노력이 이루어졌다.그 중 하나는 지르콘화 텅스텐으로, 이산화 토륨 대신 이산화 지르콘이 사용된다.기타 대체 재료는 산화랜턴(III) 산화이트륨(III) 산화이트륨(III) 산화세륨(Cerium)이다.IV) 산화물 및 그 혼합물.[12]

기타 자료

나열된 산화물 및 붕화물 외에 다른 물질도 사용할 수 있습니다.전이 금속의 탄화물 및 붕화물, 예를 들어 지르코늄 탄화물, 하프늄 탄화물, 탄탈 탄화물, 이보리화 하프늄 및 이들의 혼합물이다.IIIB 그룹(스칸듐, 이트륨 및 일부 란타늄, 종종 가돌리늄 및 사마륨)과 IVB(하프늄, 지르코늄, 티타늄)의 금속이 일반적으로 [12]선택됩니다.

텅스텐 외에 탄탈, 몰리브덴, 레늄 등 다른 내화금속 및 합금과 이들의 합금을 사용할 수 있다.

모재와 발광층 사이에 다른 재료의 장벽층을 배치하여 이들 사이의 화학반응을 억제할 수 있다.재료는 고온에 강하고 녹는점이 높고 증기 압력이 매우 낮아야 하며 전기 전도성이 있어야 합니다.사용하는 재료는 예를 들어 이보라이드 탄탈, 이보라이드 티타늄, 이보라이드 지르코늄, 이보라이드 니오브, 탄탈 카바이드, 탄탈 카바이드 지르코늄, 질화 탄탈,[13] 질화 지르코늄 등이다.

음극 히터

음극 히터는 진공관 또는 음극선관에서 음극에 열을 가하는 데 사용되는 열선 필라멘트입니다.이러한 튜브가 제대로 작동하려면 음극 요소가 필요한 온도에 도달해야 합니다.이것이 오래된 전자제품이 전원을 켠 후 "난기"에 시간이 걸리는 이유입니다. 이러한 현상은 일부 최신 TV와 컴퓨터 모니터의 브라운관에서 여전히 관찰될 수 있습니다.음극은 열전자 방출이라고 불리는 과정인 전자가 표면에서 튜브의 진공 공간으로 '끓어 나오게' 하는 온도로 가열됩니다.최신 산화물 코팅 캐소드에 필요한 온도는 약 800–1,000°C(1,470–1,830°F)입니다.

음극은 보통 튜브 중앙에 길고 좁은 판금 원통 형태로 되어 있습니다.히터는 니크롬과 같은 고저항 금속 합금으로 만들어진 가는 와이어 또는 리본으로 구성되어 있으며, 토스터의 발열 소자와 유사하지만 미세합니다.이것은 음극의 중앙을 통과하며, 종종 작은 절연 지지대에 감겨 있거나 필요한 열을 생성하기에 충분한 표면적을 제공하기 위해 머리핀과 같은 모양으로 구부려집니다.일반적인 히터는 와이어에 세라믹 코팅이 되어 있습니다.캐소드 슬리브의 끝에서 급격히 구부러지면 와이어가 노출됩니다.와이어의 단부는 튜브의 단부에서 돌출된 여러 핀 중 두 개에 전기적으로 연결됩니다.전류가 와이어를 통과하면 빨간색으로 뜨거워지고 복사된 열이 음극의 내부 표면에 닿아 가열됩니다.작동 중인 진공 튜브에서 발생하는 빨간색 또는 주황색 광택은 히터에 의해 생성됩니다.

음극에는 공간이 많지 않으며, 음극은 종종 히터 와이어가 닿아 만들어집니다.음극 내부는 알루미나(산화 알루미늄) 코팅으로 절연됩니다.이것은 고온에서는 그다지 좋은 절연체가 아니기 때문에 튜브는 음극과 히터 사이의 최대 전압에 대한 정격(보통 200~300V)을 가집니다.

히터는 저전압 고전류 전원을 필요로 합니다.라인 작동 기기용 미니어처 수신관은 히터 전력용으로 0.5~4와트, 정류기나 출력관 등의 고출력관은 10~20와트, 브로드캐스트 송신관은 음극 가열에 [14]1킬로와트 이상이 필요할 수 있습니다.필요한 전압은 보통 5V 또는 6V AC입니다.이는 장치의 전원 공급 변압기에 있는 별도의 '히터 권선'을 통해 공급되며, 튜브 플레이트 및 기타 전극에 필요한 더 높은 전압을 공급합니다.All American Five와 같은 변압기 없는 라인 작동 라디오 및 텔레비전 수신기에서 사용되는 한 가지 방법은 공급 라인을 가로질러 모든 튜브 히터를 직렬로 연결하는 것입니다.모든 히터의 정격 전류가 동일하기 때문에 히터 정격에 따라 전압을 분배합니다.

배터리 작동식 라디오 세트는 히터(일반적으로 필라멘트로 알려져 있음)에 직류 전력을 사용했으며 배터리 세트용 튜브는 배터리 교체 비용을 절약하기 위해 필요한 만큼 필라멘트 전력을 적게 사용하도록 설계되었다.튜브가 장착된 라디오 수신기의 최종 모델은 히터에 사용되는 50mA 미만의 초소형 튜브로 제작되었지만, 이러한 타입은 그것들을 대체하는 트랜지스터와 거의 동시에 개발되었습니다.

히터 회로의 누출 또는 부유 필드가 잠재적으로 음극에 결합될 수 있는 경우, 히터 전력에 직류가 사용되기도 합니다.이것에 의해, 기밀성이 높은 오디오 또는 계측 회선의 노이즈의 발생원이 배제됩니다.

저전력 튜브 장비를 작동시키는 데 필요한 전력의 대부분은 히터에 의해 소비됩니다.트랜지스터에는 이러한 전력 요건이 없으며, 이는 종종 큰 이점입니다.

장애 모드

코팅된 음극의 방사층은 시간이 지남에 따라 천천히 저하되며, 음극이 너무 높은 전류로 과부하되면 훨씬 더 빨리 저하됩니다.그 결과 CRT의 밝기 저하와 방출 감소가 발생합니다.

활성 전극은 잔류 가스로 존재하는 산소 또는 기타 화학 물질(예: 알루미늄 또는 규산염)과의 접촉으로 파괴되거나 누출을 통해 튜브로 유입되거나 구성 요소에서 외부 가스 또는 이동으로 방출될 수 있습니다.그 결과 방사율이 감소합니다.이 프로세스를 음극 포이즈닝이라고 합니다.초기 Whirlwind 컴퓨터를 위해 실리콘 흔적이 없는 필라멘트를 갖춘 고신뢰성 튜브를 개발해야 했습니다.

방사층의 느린 열화와 필라멘트의 갑작스러운 연소 및 중단은 진공관의 두 가지 주요 고장 모드입니다.

송신관 열음극 특성[15]

재료. 동작 온도 배출 효과 비배출량
텅스텐 2500K() 5 mA/W 500 mA/cm2
토륨화 텅스텐 2000 K(1726c) 100 mA/W 5 A/cm2
산화물 코팅 1000 K 500 mA/W 10 A/cm2
알루민산바륨 1300 K 400 mA/W 4 A/cm2

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b c d e f Avadhanulu, M.N.; P.G. Kshirsagar (1992). A Textbook Of Engineering Physics For B.E., B.Sc. S. Chand. pp. 345–348. ISBN 978-8121908177.
  2. ^ a b Ferris, Clifford "전자관 기초" in
  3. ^ Jones, Martin Hartley (1995). A Practical Introduction to Electronic Circuits. UK: Cambridge Univ. Press. p. 49. ISBN 978-0521478793.
  4. ^ MA 전극 요건
  5. ^ "Archived copy". Archived from the original on 2006-02-05. Retrieved 2006-02-14.{{cite web}}: CS1 maint: 제목으로 아카이브된 복사(링크)
  6. ^ B. M. Weon; et al. (2003). "Ba enhancement on the surface of oxide cathodes". Journal of Vacuum Science and Technology B. 21 (5): 2184–2187. Bibcode:2003JVSTB..21.2184W. doi:10.1116/1.1612933.
  7. ^ B. M. Weon and J. H. Je (2005). "Stretched exponential degradation of oxide cathodes". Applied Surface Science. 251 (1–4): 59–63. Bibcode:2005ApSS..251...59W. doi:10.1016/j.apsusc.2005.03.164.
  8. ^ B. M. Weon; et al. (2005). "Oxide cathodes for reliable electron sources". Journal of Information Display. 6 (4): 35–39. doi:10.1080/15980316.2005.9651988.
  9. ^ a b 1962년 미국 라디오 협회 전자관 설계
  10. ^ Turner 페이지 7-37
  11. ^ "Archived copy". Archived from the original on 2006-04-08. Retrieved 2006-02-14.{{cite web}}: CS1 maint: 제목으로 아카이브된 복사(링크)
  12. ^ a b 전자 방출 물질 및 구성 요소:미국 특허 5911919
  13. ^ 열전자 음극:미국 특허 4137476
  14. ^ 소고 오카무라 전자관 역사, IOS 프레스, 1994 ISBN 90-5199-145-2, 페이지 106, 109, 120, 144, 174
  15. ^ L.W. Turner, (ed), 전자 기술자 참고서, 제4판Newnes-Butterworth, London 1976 ISBN 0408001682 페이지 7-36

외부 링크