droite|vignette|200x200px| Filament de tungstène dans une lampe à décharge au mercure basse pression émettant des électrons. Pour augmenter l'émission thermoïonique, un revêtement blanc visible sur la partie centrale de la bobine est appliqué. Typiquement constitué d'un mélange d'oxydes de baryum, de strontium et de calcium, le revêtement est détruit au fur et à mesure de l'utilisation de la lampe, conduisant à sa défaillance.
Dans les tubes à vide et les tubes à gaz, une cathode chaude ou cathode thermoionique est une électrode chauffée afin d'émettre des électrons par émission thermoionique. Elle s'oppose à la cathode froide, qui ne possède pas d'élément chauffant, et qui repose sur une émission par effet de champ ou une émission d'électrons secondaires issue d'un bombardement par des ions positifs.
L'élément chauffant d'une cathode chaude est généralement un filament électrique chauffé par un courant électrique dédié le traversant. Les cathodes chaudes ont généralement une puissance par unité de surface beaucoup plus élevée que les cathodes froides, émettant beaucoup plus d'électrons pour la même surface. Il existe deux types de cathodes chaudes: dans une cathode chauffée directement, le filament est la cathode et émet les électrons. Dans une cathode chauffée indirectement, le filament ou un dispositif de chauffage chauffe une cathode métallique émettrice séparée.
Des années 1920 aux années 1960, une grande variété d'appareils électroniques utilisaient des tubes à vide à cathode chaude. Aujourd'hui, les cathodes chaudes sont utilisées comme source d'électrons dans les tubes fluorescents, les tubes à vide et les canons à électrons utilisés dans les tubes cathodiques et les équipements de laboratoire tels que les microscopes électroniques.
La description Une électrode cathodique dans un tube à vide est une surface métallique qui émet des électrons dans le vide du tube. Les électrons chargés négativement étant attirés par les noyaux positifs des atomes du métal, ils restent normalement à l'intérieur du métal et nécessitent de l'énergie pour le quitter. Cette énergie s'appelle le travail de sortie 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 fin en métal réfractaire comme du tungstène, traversé par un courantFerris, Clifford "Electron tube fundamentals" in . La cathode est chauffée à une température telle que les électrons «s'évaporent» de sa surface dans l'espace vide du tube, processus appelé émission thermoionique.
Il existe deux types de cathodes chaudes:
Cathode chauffée directement Ce type de cathode, le filament constitue lui-même la cathode et émet directement les électrons. Des cathodes directement chauffées ont été utilisées dans les premiers tubes à vide. Aujourd'hui, ils sont utilisés dans les tubes fluorescents et dans la plupart des tubes à vide pour forte puissance. Cathode chauffée indirectement Le filament et la cathode sont deux éléments distincts, le filament chauffe la cathode constituée d'un cylindre entourant le filament et ce cylindre émet les électrons. Les cathodes à chauffage indirect 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 recouvert d'oxydes métalliques. Il est chauffé par un filament de tungstène à l'intérieur, et la chaleur dégagée par le filament provoque l'émission d'électrons par la surface extérieure du revêtement. Le filament d'une cathode à chauffage indirect est généralement appelé heater.
La principale raison d'utiliser une cathode à chauffage indirect est d'isoler le reste du tube à vide du potentiel électrique du filament, permettant aux tubes à vide d'utiliser un courant alternatif pour chauffer le filament. Un tube dans lequel le filament est la cathode, le champ électrique alternatif provenant de la surface du filament affecterait le mouvement des électrons et introduirait un ronflement dans la sortie du tube. Cela permet également de lier les filaments de tous les tubes d'un appareil électronique et de les alimenter à partir d'une même source de courant, les cathodes qu'ils chauffent pouvant être à des potentiels différents. vignette| Luminescence d'une cathode chauffée directement dans un tétrode Eimac 4-1000A d'une puissance de 1 kW, dans un émetteur radio. Les cathodes chauffées directement fonctionnent à des températures plus élevées et produisent une lueur plus brillante. La cathode est derrière les autres éléments du tube et n'est pas visible. Pour améliorer l'émission d'électrons, les cathodes sont généralement traitées avec des produits chimiques, composés de métaux à faible travail de sortie. Ceux-ci forment une couche métallique sur la surface qui émet plus d'électrons. Les cathodes traitées nécessitent moins de surface, une température plus faible et moins d'énergie pour fournir le même courant cathodique. Les filaments en tungstène thoriés non traités utilisés dans les premiers tubes à vide devaient être chauffés à . Ils étaient chauffés à blanc pour produire une émission thermionique suffisante, tandis que les cathodes à revêtement moderne produisent beaucoup plus d'électrons pour une température donnée, et ne doivent être chauffées qu'à 425–600 °C.
Types de cathodes
Cathodes revêtues d'oxyde Le type le plus courant de cathode à chauffage indirect est la cathode revêtue d'oxyde, dans laquelle la surface de la cathode en nickel est revêtue d'oxyde d'un métal alcalino-terreux pour augmenter l'émission d'électrons. L'un des premiers matériaux utilisés était l'oxyde de baryum qui forme une couche monoatomique de baryum avec une fonction de travail extrêmement basse. 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 de 5: 3: 2. L'oxyde de thorium est également utilisé. Les cathodes revêtues d'oxydes fonctionnent à environ 800-1000 °C, et sont orange. Ils sont utilisés dans la plupart des petits tubes à vide en verre, mais rarement dans les tubes à forte puissance car le revêtement est dégradé par des ions positifs accélérés par la haute tension dans le tube Exigences d'électrode MA qui bombardent la cathode.
Pour faciliter leur fabrication, les cathodes revêtues d'oxydes sont généralement recouvertes d'abord de carbonates, qui sont ensuite convertis en oxydes par chauffage. L'activation peut être réalisée par un chauffage par micro-ondes, par un chauffage via un courant électrique continu ou par bombardement d'électrons; le tube est sur pompe, jusqu'à ce que la production de gaz cesse. La pureté des matériaux cathodiques est cruciale pour la durée de vie du tube. Après le processus d'activation de la cathode, la teneur en baryum à la surface augmente considérablement jusqu'à plusieurs dizaines de nanomètres de profondeur. La durée de vie des cathodes à oxyde peut être évaluée avec une fonction exponentielle étirée. La durée de vie des sources d'électrons est significativement améliorée par un dopage élevé en activateur à grande vitesse.
L'oxyde de baryum réagit avec des traces de silicium dans le métal sous-jacent en formant une couche de silicate de baryum (Ba 2SiO 4). Cette couche a une résistance électrique élevée, en particulier sous une charge de courant discontinue, et constitue une résistance en série avec la cathode. Cela est particulièrement indésirable pour les tubes utilisés en informatique, qui peuvent rester sans conduire de courant pendant de longues périodesConception de tubes électroniques, Radio Corporation of America, 1962.
Le baryum se sublime également à partir de la cathode chauffée et se dépose sur les structures voisines. Pour les tubes électroniques, lorsque la grille est soumise à des températures élevées et que la contamination par le baryum facilite l'émission d'électrons par la grille elle-même, une proportion plus élevée de calcium est ajoutée au revêtement (jusqu'à 20% de carbonate de calcium).
Cathodes de borure droite|vignette|270x270px| Cathode chaude d'hexaborure de lanthane droite|vignette|224x224px| Cathodes chauds d'hexaborure de lanthane L'hexaborure de lanthane (LaB6) et l'hexaborure de cérium (CeB6) sont utilisés comme revêtement de certaines cathodes à fort courant. Les hexaborures présentent une fonction de travail faible, 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 au dessus de 1850 K. Les cathodes en borure de cérium ont une durée de vie une fois et demie supérieure à celle du borure de lanthane, grâce à sa plus grande résistance à la contamination au carbone. Les cathodes de borure sont environ dix fois plus émissives que celles en tungstène et ont une durée de vie 10-15 fois plus longue. Ils sont utilisés par exemple dans les microscopes électroniques, les tubes à micro-ondes, la lithographie à faisceau d'électrons, le soudage par faisceau d'électrons, les tubes à rayons X et les lasers à électrons libres. Cependant, ces matériaux sont souvent coûteux.
D'autres hexaborures peuvent également être utilisés, par exemple l'hexaborure de calcium, l'hexaborure de strontium, l'hexaborure de baryum, l'hexaborure d'yttrium, l'hexaborure de gadolinium, l'hexaborure de samarium et l'hexaborure de thorium.
Filaments thoriés Un type courant de cathode à chauffage direct, utilisé dans la plupart des tubes émetteurs de forte puissance, est le filament de tungstène thorié, découvert en 1914 et réalisé en pratique par Irving Langmuir en 1923Turner page 7-37. Une petite quantité de thorium est ajoutée au tungstène du filament. Le filament est chauffé vers et les atomes de thorium migrent à la surface du filament et forment la couche émissive. Le chauffage du filament dans une atmosphère d'hydrocarbures cémente la surface et stabilise la couche émissive. Les filaments thoriés peuvent avoir une très longue durée de vie et résister au bombardement ionique qui se produit à haute tension, car des nouveaux atomes de thorium se diffuse continuellement à la surface, renouvelant ainsi la couche. Ils sont utilisés dans presque tous les tubes à vide haute puissance pour les émetteurs radio et dans certains tubes pour amplificateurs hi-fi. Leur durée de vie a tendance à être plus longue que celle des cathodes revêtues d'oxyde.
Alternatives au thorium En raison d'inquiétudes concernant la radioactivité et la toxicité du thorium, des efforts ont été déployés pour trouver des solutions de remplacement. L'un d'eux est le tungstène zirconié, où le dioxyde de zirconium est utilisé au lieu du dioxyde de thorium. Les autres matériaux de remplacement sont l'oxyde de lanthane (III), l'oxyde d'yttrium (III), l'oxyde de cérium (IV) et leurs mélangesMatériaux et composants à émission d'électrons: brevet américain 5911919.
Autres matériaux En plus des oxydes et borures listés précédemment, d'autres matériaux peuvent également être utilisés tels que les carbures et les borures de métaux de transition, par exemple le carbure de zirconium, le carbure d'hafnium, le carbure de tantale, le diborure d'hafnium et leurs mélanges. Les métaux des groupes IIIB (scandium, yttrium et certains lanthanides, souvent du gadolinium et du samarium) et IVB (hafnium, zirconium, titane) sont généralement choisis.
En plus du tungstène, d'autres métaux et alliages réfractaires peuvent être utilisés, tels que le tantale, le molybdène et le rhénium et leurs alliages.