Cold cathode

A cold cathode^[1] is a cathode that is not electrically heated by a filament.^{[note 1]} A cathode may be considered "cold" if it emits more electrons than can be supplied by thermionic emission alone. It is used in gas-discharge lamps, such as neon lamps, discharge tubes, and some types of vacuum tube. The other type of cathode is a hot cathode, which is heated by electric current passing through a filament. A cold cathode does not necessarily operate at a low temperature: it is often heated to its operating temperature by other methods, such as the current passing from the cathode into the gas.

A cold-cathode vacuum tube does not rely on external heating of an electrode to provide thermionic emission of electrons. Early cold-cathode devices included the Geissler tube and Plucker tube, and early cathode-ray tubes. Study of the phenomena in these devices led to the discovery of the electron.

Neon lamps are used both to produce light as indicators and for special-purpose illumination, and also as circuit elements displaying negative resistance. Addition of a trigger electrode to a device allowed the glow discharge to be initiated by an external control circuit; Bell Laboratories developed a "trigger tube" cold-cathode device in 1936.^[2]

Many types of cold-cathode switching tube were developed, including various types of thyratron, the krytron, cold-cathode displays (Nixie tube) and others. Voltage regulator tubes rely on the relatively constant voltage of a glow discharge over a range of current and were used to stabilize power-supply voltages in tube-based instruments. A Dekatron is a cold-cathode tube with multiple electrodes that is used for counting. Each time a pulse is applied to a control electrode, a glow discharge moves to a step electrode; by providing ten electrodes in each tube and cascading the tubes, a counter system can be developed and the count observed by the position of the glow discharges. Counter tubes were used widely before development of integrated circuit counter devices.

フラッシュ管は、キセノンガスを充填した冷陰極管で、写真撮影用の強力な短パルス光を生成するため、または可動部品の動きを観察するためのストロボスコープとして使用される。

陰極は負極です。ガス放電ランプには、正極（陽極）と負極があります。これらの装置が交流電流で動作している場合、両方の電極が交互に陽極と陰極として機能します。

冷陰極は、熱電子放出を誘発するために加熱される熱陰極とは区別される。熱陰極放電管は、低圧ガスが充填された外殻と2つの電極で構成されている。熱陰極デバイスには、一般的な真空管、蛍光灯、高圧放電ランプ、真空蛍光ディスプレイなどがある。

冷陰極の表面では、二次電子が1より大きい比率で放出される（ブレークダウン）。陰極から放出された電子は、中性ガス分子と衝突する。衝突によって分子が励起されるだけの場合もあれば、電子がはじき出されて正イオンが生成される場合もある。元の電子と放出された電子は陽極に向かって進み、さらに多くの正イオンを生成する可能性がある（タウンゼント雪崩を参照）。結果として、陰極から放出される電子1個につき、最終的に陰極に衝突する複数の正イオンが生成される。衝突する正イオンの中には、二次電子を生成するものもある。陰極から放出される電子1個につき、平均してもう1個の電子を放出するのに十分な数の正イオンが陰極に衝突すると、放電は自己持続的になる。外部回路によって放電電流が制限される。冷陰極放電ランプは、熱陰極放電ランプよりも高い電圧を使用する。陰極付近に生じる強い電界によってイオンが加速され、陰極材料から自由電子が生成されるのに十分な速度になる。

低温の金属表面から自由電子を生成するもう一つのメカニズムは、電界放出である。これは、一部のX線管、電界放出型電子顕微鏡（FEM）、および電界放出型ディスプレイ（FED）で使用されている。

冷陰極には、電子放出を強化するために希土類コーティングが施されている場合がある。一部のタイプには、管を満たすガスの電離を開始するためのベータ線源が含まれている。 ^{[ 5 ]}一部の管では、陰極周辺のグロー放電は通常最小限に抑えられ、代わりに管を満たすいわゆる正の柱が存在する。^{[ 6 ] [ 7 ] [注2 ]}例としては、ネオンランプとニキシー管がある。ニキシー管も冷陰極ネオンディスプレイであり、インラインだがインプレーンではない表示装置である。

冷陰極管は通常、電流制限機構を備えた複雑な高電圧電源を使用します。管内に最初の空間電荷と最初のアーク放電を発生させるには非常に高い電圧が必要になる場合がありますが、管が加熱し始めると電気抵抗が低下し、ランプを流れる電流が増加します。この影響を相殺し、正常な動作を維持するために、電源電圧は徐々に下げられます。電離ガスを使用する管の場合、ガスが非常に高温のプラズマになり、電気抵抗が大幅に低下します。電流制限のない単純な電源で動作させると、この抵抗の低下により電源が損傷し、管の電極が過熱する可能性があります。

冷陰極型コンパクト蛍光灯（CFL）の点灯状態の写真

点灯した冷陰極CFL

冷陰極は、クロサトロンや水銀アーク管などの冷陰極整流器、および自動メッセージアカウンティングやその他の擬似スパークスイッチング用途などの冷陰極増幅器に使用されます。その他の例としては、サイラトロン、クリトロン、スプライトロン、イグニトロン管などがあります。

冷陰極の一般的な用途は、ネオンサインや、周囲温度が氷点下を大きく下回る可能性のあるその他の場所での使用です。ウェストミンスター宮殿のエリザベス・タワーでは、時計盤の裏側に冷陰極照明が使用されています。これは、寒冷時に時計が鳴り続けたり、鳴り止んだりすることが望ましくないためです。大型の冷陰極蛍光灯（CCFL）は過去に製造され、現在でも、形状が整い長寿命の直線光源が必要な場合に使用されています。2011年現在小型CCFLは、コンピュータやテレビの液晶ディスプレイのバックライトとして広く使用されてきた。LCDテレビにおけるCCFLの寿命は、使用環境における過渡的な電圧サージや温度レベルによって異なる。

CCFL技術はその効率性の高さから、室内照明にも応用されるようになった。コストは従来の蛍光灯と同程度だが、長寿命、目に優しい光、瞬時に最大出力で点灯し調光も可能であるなど、いくつかの利点がある。^{[ 8 ]}