En los tubos de vacío y los tubos llenos de gas , un cátodo caliente o cátodo 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 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. Hay dos tipos de cátodo caliente. 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 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 utilizados en tubos de rayos catódicos y equipos de laboratorio como microscopios electrónicos .
Un electrodo catódico 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 metálicos, normalmente permanecen dentro del metal y requieren energía para salir de él. [1] Esta energía se llama función de trabajo del metal. [1] En un cátodo caliente, se induce a la superficie del cátodo a emitir electrones calentándolo con un filamento , un alambre delgado de metal refractario como el tungsteno por el que fluye una corriente. [1] [2] El cátodo se calienta a una temperatura que hace que los electrones se "eliminen por ebullición" de su superficie hacia el espacio evacuado en el tubo, un proceso llamado emisión termoiónica . [1]
Hay dos tipos de cátodos calientes: [1]
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 filamento mismo es el cátodo, el campo eléctrico alterno de la superficie del filamento afectaría el movimiento de los electrones e introduciría un zumbido en la salida del tubo. También permite unir los filamentos de todos los tubos de un dispositivo electrónico y suministrarlos desde la misma fuente de corriente, aunque los cátodos que calientan puedan tener potenciales diferentes.
Para mejorar la emisión de electrones, los cátodos suelen tratarse con productos químicos, compuestos de metales con baja función de trabajo . 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 toriado 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 recubiertos modernos (llamados " emisores apagados") producen muchos más electrones a una temperatura determinada, por lo que sólo tienen que calentarse a 800-1100 °F (425-600 °C). [1] [3]
El tipo más común de cátodo calentado indirectamente es el cátodo recubierto de óxido, en el que la superficie del cátodo de níquel tiene una capa 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 unos 800-1000 °C, con un color naranja caliente. Se usan en la mayoría de los tubos de vacío de vidrio pequeños, pero rara vez se usan 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]
Para facilitar la fabricación, los cátodos recubiertos de óxido suelen estar recubiertos con carbonatos , que luego se convierten en óxidos mediante calentamiento. La activación se puede lograr mediante calentamiento por microondas , calentamiento con corriente eléctrica directa o bombardeo de electrones mientras el tubo se encuentra en la máquina extractora, hasta que cese 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 extendida . [7] La capacidad de 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 (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 largos períodos de tiempo. [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 sometida a altas temperaturas y la contaminación con 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]
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 vuelve igual a 1850 K y más. 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 entre 10 y 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; ejemplos son hexaboruro de calcio , hexaboruro de estroncio , hexaboruro de bario , hexaboruro de itrio , hexaboruro de gadolinio, hexaboruro de samario y hexaboruro de torio.
Un tipo común de cátodo calentado directamente, utilizado en la mayoría de los tubos transmisores de alta potencia, es el filamento de tungsteno torio , descubierto en 1914 y puesto en práctica 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 emisiva. Calentar el filamento en una atmósfera de hidrocarburos cementa la superficie y estabiliza la capa emisiva. 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 nuevo se difunde continuamente hacia la superficie, renovando la capa. Se utilizan en casi todas las válvulas de vacío de alta potencia para transmisores de radio y en algunas válvulas para amplificadores de alta fidelidad . Su vida útil tiende a ser más larga que la de los cátodos de óxido. [11]
Debido a las preocupaciones sobre la radiactividad y toxicidad del torio, se han realizado esfuerzos para encontrar alternativas. Uno de ellos es el tungsteno circonio, 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]
Además de los óxidos y boruros enumerados, también se pueden utilizar otros materiales. Algunos ejemplos son carburos y boruros de metales de transición , por ejemplo, carburo de circonio , carburo de hafnio , carburo de tantalio , 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 , titanio ). [12]
Además del tungsteno, se pueden utilizar otros metales y aleaciones refractarias , por ejemplo tantalio , 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 punto de fusión alto y una presión de vapor muy baja y ser conductor de electricidad. Los materiales usados pueden ser, por ejemplo , diboruro de tantalio , diboruro de titanio , diboruro de circonio , diboruro de niobio , carburo de tantalio , carburo de circonio , nitruro de tantalio y nitruro de circonio . [13]
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 catódico debe alcanzar la temperatura requerida para que estos tubos funcionen correctamente. Esta es la razón por la que los dispositivos electrónicos más antiguos a menudo necesitan algo de tiempo para "calentarse" después de encenderlos; 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 "salgan por ebullición" de su superficie hacia el espacio evacuado del tubo, un proceso llamado emisión termoiónica . La temperatura requerida para los cátodos recubiertos de óxido modernos es de alrededor de 800 a 1000 °C (1470 a 1830 °F).
El cátodo suele tener la forma de un cilindro de chapa de metal largo y estrecho en el centro del tubo. El calentador consiste en un alambre o cinta fino, hecho de una aleación metálica de alta resistencia como el nicrom , similar al elemento calefactor de una tostadora pero más fino. Pasa por el centro del cátodo y a menudo se enrolla sobre pequeños soportes aislantes o se dobla en forma de horquilla para proporcionar una superficie suficiente para producir el calor necesario. Los calentadores típicos tienen un revestimiento cerámico en el cable. Cuando se dobla bruscamente en los extremos de la funda del cátodo, el cable queda expuesto. Los extremos del cable están conectados eléctricamente a dos de los varios pasadores 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, calentándolo. El calentador produce el brillo rojo o naranja que se ve proveniente de los tubos de vacío en funcionamiento.
No hay mucho espacio en el cátodo y, a menudo, el cátodo 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 de solo 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 en línea del orden de 0,5 a 4 vatios para potencia de calentador; Los tubos de alta potencia, como los rectificadores o los tubos de salida, utilizan del orden de 10 a 20 vatios, y los tubos transmisores de transmisión pueden necesitar un kilovatio o más para calentar el cátodo. [14] El voltaje requerido suele ser de 5 o 6 voltios CA. Esto es suministrado por un 'devanado calentador' separado en el transformador de alimentación 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 en línea sin transformador, como el All American Five , es conectar todos los calentadores de tubo en serie a lo largo de la línea de suministro. Dado que todos los calentadores tienen la misma corriente, compartirían voltaje de acuerdo con sus clasificaciones de calentador.
Los aparatos de radio que funcionan 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 filamento 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 utilizaban menos de 50 mA para los calentadores, pero estos tipos se desarrollaron aproximadamente al mismo tiempo que los transistores que los reemplazaron.
Cuando las fugas o los campos perdidos del circuito del calentador podrían potencialmente acoplarse al cátodo, a veces se utiliza corriente continua para la energía del calentador. Esto elimina una fuente de ruido en circuitos sensibles de audio o instrumentación.
Los calentadores consumen la mayor parte de la energía necesaria para operar equipos de tubos de baja potencia. Los transistores no requieren tal requisito de potencia, lo que suele ser una gran ventaja.
Las capas emisivas 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 potencia reducida de los tubos, o en los CRT un brillo disminuido.
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 del cátodo . Para los primeros ordenadores Whirlwind hubo que desarrollar tubos de alta fiabilidad , con filamentos libres de trazas 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.