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 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 pasa a través de él. Los cátodos calientes suelen alcanzar una densidad de potencia mucho mayor que los cátodos fríos, emitiendo significativamente más electrones desde la misma área de superficie. Los cátodos fríos dependen de la emisión de electrones de campo o la emisión de electrones secundarios del 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 de cátodo en un tubo de vacío u otro sistema de vacío es una superficie metálica que emite electrones en el espacio evacuado del tubo. Dado que los electrones cargados negativamente son atraídos por los núcleos positivos de los átomos de metal, 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, la superficie del cátodo se induce a emitir electrones calentándolo con un filamento , un alambre delgado de metal refractario como el tungsteno con corriente que fluye a través de él. [1] [2] El cátodo se calienta a una temperatura que hace que los electrones se "evaporen" 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 utilizar un cátodo calentado indirectamente 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 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 un zumbido en la salida del tubo. También permite que los filamentos de todos los tubos de un dispositivo electrónico se conecten entre sí y se alimenten 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 una función de trabajo baja . Estos forman una capa de metal en la superficie que emite más electrones. Los cátodos tratados requieren menos área de superficie, temperaturas más bajas y menos energía para suministrar la misma corriente de cátodo. 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 revestidos modernos (llamados "emisores apagados") producen muchos más electrones a una temperatura dada, por lo que solo 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 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 unos 800-1000 °C, 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 en el tubo. [4]
Para facilitar su fabricación, los cátodos recubiertos de óxido suelen estar recubiertos de 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 se puede evaluar con una función exponencial estirada . [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 períodos prolongados de tiempo. [9]
El bario también se sublima desde el cátodo calentado y se deposita en las estructuras cercanas. En el caso de los tubos electrónicos, donde la rejilla está sujeta 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 menor 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 de 10 a 15 veces más larga. 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; algunos ejemplos son 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.
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 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 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]
Debido a las preocupaciones sobre la radiactividad y toxicidad del torio, se han hecho esfuerzos para encontrar alternativas. Una de ellas es el tungsteno zirconiado, en el que se utiliza dióxido de zirconio 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 los carburos y boruros de metales de transición , por ejemplo , carburo de circonio , carburo de hafnio , carburo de tantalio , diboruro de hafnio y sus mezclas. Se suelen elegir 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, 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 ellos. El material tiene que 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 utilizados 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 tiene que alcanzar la temperatura necesaria para que estos tubos funcionen correctamente. Por eso, los dispositivos electrónicos más antiguos suelen necesitar un tiempo para "calentarse" después de encenderse; este fenómeno todavía se puede observar en los tubos de rayos catódicos de algunos televisores y monitores de ordenador modernos . El cátodo se calienta a una temperatura que hace que los electrones "salgan" de su superficie al espacio evacuado en el tubo, un proceso denominado emisión termoiónica . La temperatura necesaria 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 largo y estrecho de chapa metálica en el centro del tubo. El calentador consiste en un alambre fino o cinta, hecha de una aleación de metal de alta resistencia como el nicromo , similar al elemento calefactor de una tostadora pero más fino. Pasa por el centro del cátodo, a menudo enrollado sobre pequeños soportes aislantes o doblado en formas similares a horquillas para dar 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 de la funda del cátodo, el alambre queda expuesto. Los extremos del alambre están conectados eléctricamente a dos de los varios pines que sobresalen del extremo del tubo. Cuando la corriente pasa a través del alambre, se pone al rojo vivo y el calor irradiado golpea la superficie interior del cátodo, calentándolo. 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, a menudo, el cátodo se construye con el cable calefactor en contacto con él. El interior del cátodo está aislado por una capa de alúmina (óxido de aluminio). Este no es un buen aislante a altas temperaturas, por lo que los tubos tienen una clasificación para el voltaje máximo entre el cátodo y el calefactor, generalmente de solo 200 a 300 V.
Los calentadores requieren una fuente de energía de alto voltaje y baja corriente. Los tubos receptores en miniatura para equipos operados por línea utilizan del orden de 0,5 a 4 vatios para la energía del 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 radiodifusión pueden necesitar un kilovatio o más para calentar el cátodo. [14] El voltaje requerido es generalmente de 5 o 6 voltios de CA. Esto es suministrado por un 'devanado de calentador' 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 los 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 para la misma corriente, compartirían el voltaje de acuerdo con sus clasificaciones de calentador.
Los aparatos de radio que funcionaban con pilas utilizaban corriente continua para los calentadores (comúnmente conocidos como filamentos) y los tubos destinados a los aparatos de pilas estaban diseñados para utilizar la menor cantidad de energía de filamento necesaria, con el fin de ahorrar en el reemplazo de las pilas. 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.
En los casos en que las fugas o los campos parásitos del circuito del calentador 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 se consume en los calentadores. Los transistores no tienen ese requerimiento de energía, lo que suele ser una gran ventaja.
Las capas emisoras de los cátodos revestidos 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 el caso de los CRT, una luminosidad reducida.
Los electrodos activados pueden destruirse 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 liberados por desgasificación o migración desde los elementos de construcción. Esto da como resultado una disminución de la emisividad. Este proceso se conoce como envenenamiento del cátodo . Se tuvieron que desarrollar tubos de alta confiabilidad para el primer ordenador Whirlwind , con filamentos libres de trazas de silicio .
La degradación lenta de la capa emisora y la quema e interrupción repentinas del filamento son dos modos principales de falla de los tubos de vacío.