열음극

진공관 및 방전관에서 열음극() 또는 열전자 음극()은 열전자 방출로 인해 전자를 방출하도록 가열되는 캐소드 전극이다. 이는 발열체가 없는 냉음극관과는 대조적이다. 발열체는 일반적으로 별도의 전류가 흐르면서 가열되는 전기 필라멘트이다. 열음극은 일반적으로 냉음극보다 훨씬 높은 전력 밀도를 달성하여 동일한 표면적에서 훨씬 더 많은 전자를 방출한다. 냉음극관은 전계 전자 방출 또는 양이온 충격으로 인한 2차 전자 방출에 의존하며, 가열을 필요로 하지 않는다. 열음극에는 두 가지 유형이 있다. 직접 가열식 캐소드에서는 필라멘트 자체가 캐소드이며 전자를 방출한다. 간접 가열식 캐소드에서는 필라멘트 또는 히터가 전자를 방출하는 별도의 금속 캐소드 전극을 가열한다.

1920년대부터 1960년대까지 다양한 전자 장치에 열음극 진공관이 사용되었다. 오늘날 열음극은 형광등, 진공관, 브라운관 및 전자현미경과 같은 실험실 장비에 사용되는 전자총의 전자원으로 사용된다.

 설명 

진공관 또는 기타 진공 시스템의 캐소드 전극은 진공 상태의 튜브 공간으로 전자를 방출하는 금속 표면이다. 음전하를 띠는 전자는 금속 원자의 양전하를 띠는 원자핵에 끌리기 때문에, 일반적으로 금속 내부에 머무르며 금속을 떠나려면 에너지가 필요하다. 이 에너지를 금속의 일함수라고 한다. 열음극에서 캐소드 표면은 전류가 흐르는 텅스텐과 같은 내열 금속의 가는 선인 필라멘트로 가열하여 전자를 방출하도록 유도된다.Ferris, Clifford "Electron tube fundamentals" in 캐소드는 튜브 내부의 진공 공간으로 전자가 표면에서 '끓어 나와' 방출되는 열전자 방출이라는 과정이 일어나도록 온도가 가열된다.

열음극에는 두 가지 유형이 있다.
직접 가열식 캐소드 이 유형에서는 필라멘트 자체가 캐소드이며, 직접 전자를 방출하고 금속 산화물로 코팅되어 있다. 직접 가열식 캐소드는 최초의 진공관에 사용되었다. 오늘날에는 형광등과 대부분의 고출력 송신 진공관에 사용된다.
간접 가열식 캐소드 이 유형에서는 필라멘트가 캐소드가 아니라 필라멘트를 둘러싸는 판금 실린더로 구성된 별도의 캐소드를 가열하고, 실린더가 전자를 방출한다. 간접 가열식 캐소드는 대부분의 저전력 진공관에 사용된다. 예를 들어, 대부분의 진공관에서 캐소드는 금속 산화물로 코팅된 니켈 튜브이다. 내부의 텅스텐 필라멘트에 의해 가열되며, 필라멘트의 열은 산화물 코팅의 외부 표면에서 전자를 방출시킨다. 간접 가열식 캐소드의 필라멘트는 일반적으로 히터라고 불린다.

간접 가열식 캐소드를 사용하는 주된 이유는 진공관의 나머지 부분을 필라멘트 양단의 전위로부터 격리하여, 진공관이 교류를 사용하여 필라멘트를 가열할 수 있도록 하기 위함이다. 필라멘트 자체가 캐소드인 튜브에서는 필라멘트 표면에서 발생하는 교류 전기장이 전자의 움직임에 영향을 미쳐 튜브 출력에 험을 유발할 수 있다. 또한 전자 장치의 모든 튜브에 있는 필라멘트를 함께 연결하여 동일한 전류원에서 전력을 공급할 수 있도록 하며, 이들이 가열하는 캐소드는 서로 다른 전위에 있을 수 있다.

섬네일|무선 송신기에 있는 Eimac 4-1000A 1kW 전력 4극 진공관의 직접 가열식 캐소드 발광. 직접 가열식 캐소드는 더 높은 온도에서 작동하며 더 밝은 발광을 생성한다. 캐소드는 다른 튜브 요소 뒤에 있어 직접 보이지 않는다.

전자 방출을 개선하기 위해 캐소드는 일반적으로 낮은 일함수를 가진 금속의 화합물인 화학 물질로 처리된다. 이는 표면에 더 많은 전자를 방출하는 금속 층을 형성한다. 처리된 캐소드는 동일한 캐소드 전류를 공급하기 위해 더 적은 표면적, 더 낮은 온도 및 더 적은 전력을 필요로 한다. 초기 진공관에 사용된 미처리된 토륨 텅스텐 필라멘트("밝은 이미터"라고 불림)는 사용에 충분한 열전자 방출을 생성하기 위해 로 백열 상태로 가열해야 했지만, 현대의 코팅된 캐소드("둔한 이미터"라고 불림)는 주어진 온도에서 훨씬 더 많은 전자를 생성하므로 로만 가열하면 된다.

 유형 
 산화물 코팅 캐소드 
가장 일반적인 간접 가열식 캐소드 유형은 산화물 코팅 캐소드이며, 여기서는 니켈 캐소드 표면에 알칼리 토금속 산화물 코팅이 되어 방출을 증가시킨다. 이를 위해 사용된 초기 재료 중 하나는 산화 바륨이었다. 이는 극히 낮은 일함수를 가진 바륨의 단일 원자층을 형성한다. 더 현대적인 제형은 산화 바륨, 산화 스트론튬 및 산화 칼슘의 혼합물을 활용한다. 또 다른 표준 제형은 산화 바륨, 산화 칼슘 및 산화 알루미늄을 5:3:2 비율로 혼합한 것이다. 산화 토륨도 사용될 수 있다. 산화물 코팅 캐소드는 약 800-1000°C, 즉 주황색으로 뜨거운 온도에서 작동한다. 이들은 대부분의 작은 유리 진공관에 사용되지만, 코팅이 튜브의 높은 전압에 의해 가속되는 양이온의 충격을 받아 손상되기 때문에 고출력 튜브에는 거의 사용되지 않는다.MA Electrode Requirements

제조 편의를 위해 산화물 코팅 캐소드는 일반적으로 탄산염으로 코팅되며, 이는 가열하여 산화물로 변환된다. 활성화는 마이크로파 가열, 직접 전류 가열 또는 튜브가 배기 장치에 있는 동안 전자 충격을 통해 가스 생성이 멈출 때까지 달성될 수 있다. 캐소드 재료의 순도는 튜브 수명에 결정적이다. 캐소드 활성화 공정 후 산화물 캐소드 표면층의 바륨 함량은 수십 나노미터 깊이까지 상당히 증가한다. 산화물 캐소드의 수명은 스트레치 지수 함수로 평가할 수 있다. 전자 방출원의 생존성은 고속 활성제의 고도 도핑으로 크게 향상된다.

산화 바륨은 아래 금속의 미량 규소와 반응하여 바륨 규산염(Ba2SiO4) 층을 형성한다. 이 층은 특히 불연속 전류 부하에서 높은 전기저항을 가지며, 캐소드와 직렬로 연결된 저항기 역할을 한다. 이는 컴퓨터 응용 프로그램에 사용되는 튜브의 경우 특히 바람직하지 않으며, 이들은 장시간 전류를 통하지 않고 유지될 수 있다.Electron Tube Design, Radio Corporation of America, 1962

바륨은 또한 가열된 캐소드에서 승화되어 주변 구조물에 증착된다. 그리드가 고온에 노출되고 바륨 오염이 그리드 자체에서 전자 방출을 촉진할 수 있는 전자 튜브의 경우, 코팅 혼합물에 더 높은 비율의 칼슘이 첨가된다(탄산 칼슘의 최대 20%).

섬네일|많이 사용된 5극 진공관의 G1 지지대 및 G1 와이어의 SEM 이미지, 캐소드에서 발생한 산화 바륨 오염(녹색)을 보여준다.

 보라이드 캐소드 
180px|right|섬네일|육붕화 란타넘 열음극
180px|right|섬네일|육붕화 란타넘 열음극
육붕화 란타넘 (LaB6)과 육붕화 세륨 (CeB6)은 일부 고전류 캐소드의 코팅으로 사용된다. 육붕화물은 약 2.5 eV의 낮은 일함수를 보인다. 또한 오염에 강하다. 육붕화 세륨 캐소드는 1700 K에서 육붕화 란타넘보다 낮은 증발률을 보이지만, 1850 K 이상에서는 동일해진다. 육붕화 세륨 캐소드는 탄소 오염에 대한 저항성이 높기 때문에 육붕화 란타넘의 수명보다 1.5배 길다. 보라이드 캐소드는 텅스텐 캐소드보다 약 10배 "밝고" 수명은 10~15배 길다. 이들은 예를 들어 전자현미경, 마이크로파 튜브, 전자빔 리소그래피, 전자빔 용접, X선 튜브 및 자유 전자 레이저에 사용된다. 그러나 이러한 재료는 고가인 경향이 있다.

다른 육붕화물도 사용될 수 있다. 예를 들어 육붕화 칼슘, 육붕화 스트론튬, 육붕화 바륨, 육붕화 이트륨, 육붕화 가돌리늄, 육붕화 사마륨 및 육붕화 토륨이 있다.

 토륨 필라멘트 
대부분의 고전력 송신관에 사용되는 일반적인 유형의 직접 가열식 캐소드는 1914년에 발견되고 1923년 어빙 랭뮤어에 의해 실용화된 토륨 텅스텐 필라멘트이다.Turner page 7-37 필라멘트의 텅스텐에 소량의 토륨이 첨가된다. 필라멘트는 약 2400°C로 백열 상태로 가열되며, 토륨 원자는 필라멘트 표면으로 이동하여 방출층을 형성한다. 탄화수소 분위기에서 필라멘트를 가열하면 표면이 탄화되고 방출층이 안정화된다. 토륨 필라멘트는 매우 긴 수명을 가질 수 있으며 높은 전압에서 발생하는 이온 충격에 강하다. 이는 새로운 토륨이 지속적으로 표면으로 확산되어 층을 갱신하기 때문이다. 이들은 라디오 송신기용 거의 모든 고출력 진공관과 일부 하이파이 앰프용 튜브에 사용된다. 이들의 수명은 산화물 캐소드보다 긴 경향이 있다.

 토륨 대체재 
토륨의 방사능 및 독성 문제로 인해 대체재를 찾기 위한 노력이 있어왔다. 그 중 하나는 토륨 이산화물 대신 이산화 지르코늄을 사용하는 지르코늄 텅스텐이다. 다른 대체 재료로는 산화 란타넘(III), 산화 이트륨(III), 산화 세륨(IV) 및 이들의 혼합물이 있다.Electron emission materials and components: United States Patent 5911919

 기타 재료 
위에 나열된 산화물 및 보라이드 외에도 다른 재료도 사용할 수 있다. 몇 가지 예로는 전이 금속의 탄화물 및 보라이드가 있으며, 예를 들어 탄화 지르코늄, 탄화 하프늄, 탄화 탄탈럼, 이붕화 하프늄 및 이들의 혼합물이 있다. 일반적으로 IIIB 족 (스칸듐, 이트륨 및 일부 란타넘족, 종종 가돌리늄 및 사마륨)과 IVB 족 (하프늄, 지르코늄, 타이타늄) 금속이 선택된다.

텅스텐 외에도 탄탈럼, 몰리브데넘, 레늄 및 이들의 합금과 같은 다른 내열 금속 및 합금이 사용될 수 있다.

기초 금속과 방출층 사이에 다른 재료의 장벽층을 배치하여 이들 사이의 화학 반응을 억제할 수 있다. 이 재료는 고온에 강하고 융점이 높으며 증기압이 매우 낮아야 하고 전기 전도성이 있어야 한다. 사용될 수 있는 재료로는 예를 들어 이붕화 탄탈럼, 이붕화 타이타늄, 이붕화 지르코늄, 이붕화 니오브, 탄화 탄탈럼, 탄화 지르코늄, 질화 탄탈럼, 질화 지르코늄 등이 있다.Thermionic cathode: United States Patent 4137476

 캐소드 히터 
캐소드 히터는 진공관이나 브라운관의 캐소드를 가열하는 데 사용되는 가열된 와이어 필라멘트이다. 캐소드 요소는 이들 튜브가 제대로 작동하려면 필요한 온도에 도달해야 한다. 이것이 오래된 전자 기기들이 전원을 켠 후 "예열"하는 데 시간이 필요한 경우가 많았던 이유이며, 이 현상은 일부 최신 텔레비전 및 컴퓨터 모니터의 브라운관에서도 여전히 관찰될 수 있다. 캐소드는 열전자 방출이라는 과정에서 전자가 표면에서 '끓어 나와' 튜브 내부의 진공 공간으로 방출되도록 하는 온도로 가열된다. 현대 산화물 코팅 캐소드에 필요한 온도는 약 이다.

캐소드는 일반적으로 튜브 중앙에 있는 길고 가는 판금 실린더 형태이다. 히터는 토스터의 줄 발열과 유사하지만 더 가는, 니크롬과 같은 고전기저항 금속 합금으로 만들어진 미세한 와이어 또는 리본으로 구성된다. 이는 캐소드의 중앙을 통과하며, 종종 작은 절연 지지대에 코일로 감겨 있거나 필요한 열을 생성하기에 충분한 표면적을 제공하기 위해 머리핀 모양으로 구부러져 있다. 일반적인 히터는 와이어에 세라믹 코팅이 되어 있다. 캐소드 슬리브 끝에서 날카롭게 구부러지면 와이어가 노출된다. 와이어의 끝은 튜브 끝에서 튀어나온 여러 핀 중 두 개에 전기적으로 연결된다. 전류가 와이어를 통과하면 와이어가 붉게 달아오르고, 복사된 열이 캐소드 내부 표면에 부딪혀 캐소드를 가열한다. 작동하는 진공관에서 나오는 붉거나 주황색 빛은 히터에 의해 생성된다.

캐소드 내부에는 공간이 많지 않아 히터 와이어가 캐소드에 닿도록 제작되는 경우가 많다. 캐소드 내부는 산화 알루미늄 (알루미늄 산화물) 코팅으로 절연되어 있다. 이는 고온에서 매우 좋은 절연체는 아니므로, 튜브에는 캐소드와 히터 사이의 최대 전압 등급이 있으며, 일반적으로 200~300V에 불과하다.

히터는 저전압, 고전류 전력원을 필요로 한다. 라인 구동 장비용 소형 수신 튜브는 히터 전력으로 약 0.5~4와트를 사용하고, 정류기 또는 출력 튜브와 같은 고출력 튜브는 약 10~20와트를 사용하며, 방송 송신기 튜브는 캐소드를 가열하는 데 1킬로와트 이상이 필요할 수 있다.Sōgo Okamura History of electron tubes, IOS Press, 1994 , pp. 106, 109, 120, 144, 174
필요한 전압은 일반적으로 5 또는 6볼트 교류이다. 이는 장치 전원 공급 장치 변압기의 별도 '히터 권선'에서 공급되며, 이 변압기는 튜브의 플레이트 및 기타 전극에 필요한 더 높은 전압도 공급한다. 올 아메리칸 파이브와 같은 변압기 없는 라인 구동 라디오 및 텔레비전 수신기에서 사용되는 한 가지 접근 방식은 모든 튜브 히터를 공급 라인에 직렬로 연결하는 것이다. 모든 히터는 동일한 전류 등급을 가지므로, 히터 등급에 따라 전압을 공유한다.

배터리 구동 라디오 세트는 히터(일반적으로 필라멘트라고 불림)에 직류 전력을 사용했으며, 배터리 세트용 튜브는 배터리 교체를 절약하기 위해 가능한 한 적은 필라멘트 전력을 사용하도록 설계되었다. 튜브 장착 라디오 수신기의 최종 모델은 히터에 50mA 미만을 사용하는 초소형 튜브로 제작되었지만, 이러한 유형은 트랜지스터가 이를 대체할 무렵에 개발되었다.

히터 회로의 누설 또는 부유 전장이 캐소드에 결합될 수 있는 경우, 때때로 직류가 히터 전력으로 사용된다. 이는 민감한 오디오 또는 계측 회로의 노이즈 원을 제거한다.

저전력 튜브 장비를 작동하는 데 필요한 대부분의 전력은 히터에 의해 소비된다. 트랜지스터는 그러한 전력 요구 사항이 없으므로, 이는 종종 큰 장점이다.

 고장 모드 
코팅된 캐소드의 방출층은 시간이 지남에 따라 천천히 저하되며, 캐소드가 너무 높은 전류로 과부하될 경우 훨씬 더 빠르게 저하된다. 그 결과 튜브의 방출력이 약화되고 전력이 감소하거나, 브라운관에서는 밝기가 감소한다.

활성화된 전극은 잔류 가스로 존재하거나, 누설을 통해 튜브로 유입되거나, 구성 요소에서 탈기 또는 이동에 의해 방출되는 산소 또는 기타 화학 물질(예: 알루미늄 또는 규산염)과의 접촉으로 파괴될 수 있다. 이는 방출 효율 감소를 초래한다. 이 과정을 캐소드 중독이라고 한다. 초기 Whirlwind 컴퓨터를 위해 규소 흔적이 없는 필라멘트를 가진 고신뢰성 튜브가 개발되어야 했다.

방출층의 느린 저하와 필라멘트의 갑작스러운 소손 및 단선은 진공관의 두 가지 주요 고장 모드이다.

 송신관 열음극 특성 
 재료L.W. Turner,(ed), Electronics Engineer's Reference Book, 4th ed. Newnes-Butterworth, London 1976  pg. 7-36 작동 온도 방출 효율 비방출 텅스텐 2500 K() 5 mA/W 500 mA/cm2 토륨 텅스텐 2000 K(1726c) 100 mA/W 5 A/cm2 산화물 코팅 1000 K 500 mA/W 10 A/cm2 바륨 알루미늄산염 1300 K 400 mA/W 4 A/cm2

 같이 보기 
 열 필라멘트 이온화 게이지

 각주 

 외부 링크 
 John Harper (2003) Tubes 201 - How vacuum tubes really work, John Harper's home page

분류:진공관
분류:전극
분류:기체방전등
분류:가속물리학