熱陰極

真空管やガス入り管において、熱陰極または熱電子陰極は、熱電子放出によって電子を放出するために加熱される陰極電極である。これは、加熱要素を持たない冷陰極とは対照的である。加熱要素は通常、別の電流が流れることによって加熱される電気フィラメントである。熱陰極は通常、冷陰極よりもはるかに高い電力密度を達成し、同じ表面積から大幅に多くの電子を放出する。冷陰極は、電界電子放出または陽イオン衝撃による二次電子放出に依存しており、加熱を必要としない。熱陰極には 2 種類ある。直接加熱陰極では、フィラメントが陰極であり、電子を放出する。間接加熱陰極では、フィラメントまたはヒーターが別の金属陰極電極を加熱し、そこから電子が放出される。

1920年代から1960年代にかけて、さまざまな電子機器に熱陰極真空管が使用されていました。今日では、熱陰極は蛍光灯、真空管、ブラウン管や電子顕微鏡などの実験装置に使用される電子銃の電子源として使用されています。

真空管やその他の真空システムにおける陰極電極は、管内の真空空間に電子を放出する金属表面である。負に帯電した電子は金属原子の正の原子核に引き付けられるため、通常は金属内部に留まり、そこから出るにはエネルギーが必要となる。 ^[1]このエネルギーは金属の仕事関数 と呼ばれる。 ^[1]熱陰極では、電流が流れるタングステンなどの耐火金属の細いワイヤであるフィラメント で加熱することで、陰​​極表面から電子が放出される。 ^{[1] [2]} 陰極は、表面から管内の真空空間に電子が「蒸発」する温度まで加熱される。このプロセスは熱電子放出と呼ばれる。^[1]

熱陰極には2つの種類がある: ^[1]

直熱陰極

このタイプでは、フィラメント自体が陰極となり、電子を直接放出し、金属酸化物でコーティングされています。直接加熱された陰極は、最初の真空管で使用されていました。今日では、蛍光管やほとんどの高出力送信真空管で使用されています。

間接加熱カソード

このタイプでは、フィラメントは陰極ではなく、フィラメントを取り囲む金属板の円筒からなる別の陰極を加熱し、円筒が電子を放出します。間接加熱陰極は、ほとんどの低電力真空管で使用されています。たとえば、ほとんどの真空管では、陰極は金属酸化物でコーティングされたニッケル管です。内部のタングステンフィラメントによって加熱され、フィラメントの熱によって酸化物コーティングの外側の表面から電子が放出されます。^[2] 間接加熱陰極のフィラメントは通常、ヒーターと呼ばれます。

間接加熱カソードを使用する主な理由は、真空管の残りの部分をフィラメントの電位から分離し、真空管が交流電流を使用してフィラメントを加熱できるようにすることです。フィラメント自体がカソードである真空管では、フィラメント表面からの交流電界が電子の動きに影響を与え、真空管の出力にハム音が発生します。また、これにより、電子デバイス内のすべての真空管のフィラメントを結び付けて、加熱するカソードの電位が異なっていても、同じ電流源から電力を供給することができます。

電子放出を改善するために、陰極は通常、仕事関数の低い金属化合物などの化学物質で処理される。これにより、表面に金属層が形成され、より多くの電子を放出する。処理された陰極は、同じ陰極電流を供給するのに必要な表面積が小さく、温度が低く、電力も少ない。初期の真空管で使用されていた未処理のトリエーテッドタングステンフィラメント（「ブライトエミッター」と呼ばれる）は、十分な熱電子放出を発生させるために、2500 °F（1400 °C）の白熱に加熱する必要があったが、現代のコーティングされた陰極（「ダルエミッター」と呼ばれる）は、所定の温度ではるかに多くの電子を生成するため、800–1100 °F（425–600 °C）に加熱するだけでよい。^{[1] [3]}

間接加熱式カソードの最も一般的なタイプは、ニッケルカソード表面にアルカリ土類金属酸化物のコーティングを施して放射を増加させた酸化物コーティングカソードである。このために使用された最も初期の材料の 1 つは酸化バリウムであり、これは極めて低い仕事関数を持つバリウムの単原子層を形成する。より現代的な配合では、酸化バリウム、酸化ストロンチウム、酸化カルシウムの混合物が使用される。別の標準的な配合は、酸化バリウム、酸化カルシウム、酸化アルミニウムを5:3:2 の比率で混合したものである。酸化トリウムも使用されることがある。酸化物コーティングカソードは、約 800～1000 °C で動作し、オレンジ色に熱くなる。これらはほとんどの小型ガラス真空管で使用されているが、高出力管ではほとんど使用されない。これは、チューブの高電圧によって加速され、カソードに衝突する正イオンによってコーティングが劣化するためである。^[4]

製造上の便宜上、酸化物コーティングされた陰極は通常炭酸塩でコーティングされ、加熱により酸化物に変換される。活性化は、管が排気機上にある間に、ガスの発生が止まるまでマイクロ波加熱、直流加熱、または電子衝撃によって達成される。陰極材料の純度は、管の寿命にとって極めて重要である。 ^[5]酸化物陰極の表面層では、陰極活性化プロセス後、深さ数十ナノメートルまで Ba 含有量が大幅に増加する。^{[6]酸化物陰極の寿命は}、引き伸ばされた指数関数で評価できる。^[7]電子放出源の耐久性は、高速活性剤の高ドーピングによって大幅に向上する。^[8]

酸化バリウムは下地金属中の微量のシリコンと反応し、バリウムケイ酸塩（Ba ₂ SiO ₄）層を形成する。この層は特に不連続電流負荷下では高い電気抵抗を持ち、陰極と直列の抵抗器として働く。これは特にコンピューター用途の真空管には望ましくない。なぜなら真空管は長時間電流を流さずに放置される可能性があるからである。^[9]

バリウムも加熱された陰極から昇華し、近くの構造物に堆積する。電子管の場合、グリッドは高温にさらされ、バリウム汚染によりグリッド自体からの電子放出が促進されるため、コーティング混合物にカルシウムのより高い割合（炭酸カルシウム最大20％）が添加される。^[9]

六ホウ化ランタン(LaB ₆ ) と六ホウ化セリウム(CeB ₆ ) は、一部の高電流カソードのコーティングとして使用されます。六ホウ化物は仕事関数が低く、約 2.5 eVです。また、被毒に対する耐性もあります。ホウ化セリウムカソードは、1700 Kではホウ化ランタンよりも蒸発率が低くなりますが、1850 K 以上で​​は同等になります。ホウ化セリウムカソードは、炭素汚染に対する耐性が高いため、ホウ化ランタンの 1.5 倍の寿命があります。ホウ化物カソードは、タングステン製のものより約 10 倍「明るく」、寿命は 10 ～ 15 倍長くなります。これらは、たとえば、電子顕微鏡、マイクロ波管、電子リソグラフィー、電子ビーム溶接、X 線管、自由電子レーザーなどで使用されます。ただし、これらの材料は高価になる傾向があります。

他の六ホウ化物も使用可能であり、例としては、六ホウ化カルシウム、六ホウ化ストロンチウム、六ホウ化バリウム、六ホウ化イットリウム、六ホウ化ガドリニウム、六ホウ化サマリウム、および六ホウ化トリウムが挙げられる。

ほとんどの高出力送信管で使用されている一般的なタイプの直接加熱陰極は、1914年に発見され、1923年にアーヴィング・ラングミュアによって実用化されたトリウムタングステンフィラメントです。 ^[10]フィラメントのタングステンには少量のトリウムが添加されています。フィラメントは約2400℃の白熱に加熱され、トリウム原子がフィラメントの表面に移動して放射層を形成します。炭化水素雰囲気でフィラメントを加熱すると、表面が炭化して放射層が安定します。トリウムフィラメントは寿命が非常に長く、高電圧で発生するイオン衝撃に耐性があります。これは、新しいトリウムが継続的に表面に拡散して層を更新するためです。これらは、ラジオ送信機のほぼすべての高出力真空管と、Hi-Fiアンプの一部の管で使用されています。酸化物陰極よりも寿命が長くなる傾向がある。^[11]

トリウムの放射能と毒性に関する懸念から、代替品を見つける努力がなされてきた。その一つがジルコニウム化タングステンであり、二酸化トリウムの代わりに二酸化ジルコニウムが使用される。他の代替材料としては、酸化ランタン(III)、酸化イットリウム(III)、酸化セリウム(IV)、およびそれらの混合物がある。^[12]

上記の酸化物やホウ化物に加えて、他の材料も使用できます。例としては、遷移金属の炭化物やホウ化物、例えば炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化タンタル、二ホウ化ハフニウム、およびそれらの混合物があります。通常、 IIIB族（スカンジウム、イットリウム、および一部のランタノイド、多くの場合ガドリニウムとサマリウム）およびIVB族（ハフニウム、ジルコニウム、チタン）の金属が選ばれます。^[12]

タングステンに加えて、タンタル、モリブデン、レニウムおよびそれらの合金など、他の耐火金属および合金も使用できます。

ベースメタルと発光層の間に他の材料のバリア層を配置して、これらの間の化学反応を阻止することができます。材料は高温に耐え、融点が高く、蒸気圧が非常に低く、導電性である必要があります。使用される材料には、例えば二ホウ化タンタル、二ホウ化チタン、二ホウ化ジルコニウム、二ホウ化ニオブ、炭化タンタル、炭化ジルコニウム、窒化タンタル、窒化ジルコニウムなどがあります。^[13]

カソードヒーターは、真空管またはブラウン管内のカソードを加熱するために使用される加熱されたワイヤフィラメントです。これらの管が適切に機能するには、カソード要素が必要な温度に達する必要があります。古い電子機器は、電源を入れた後に「温まる」までに時間がかかることが多いのはこのためです。この現象は、最近のテレビやコンピューターモニターのブラウン管でもまだ見られます。カソードは、表面から管内の真空空間に電子が「沸騰」する温度まで加熱されます。このプロセスは熱電子放出と呼ばれます。現代の酸化物コーティングされたカソードに必要な温度は、約 800～1,000 °C (1,470～1,830 °F) です。

カソードは通常、管の中心にある細長い金属板の円筒形をしている。ヒーターはニクロムのような高抵抗金属合金でできた細いワイヤまたはリボンで構成されており、トースターの発熱体に似ているが、より細い。ヒーターはカソードの中心を通り、多くの場合、小さな絶縁サポートに巻き付けられていたり、必要な熱を生成するのに十分な表面積を確保するためにヘアピン状に曲げられている。一般的なヒーターはワイヤにセラミックコーティングが施されている。カソードスリーブの端でワイヤを鋭く曲げると、ワイヤが露出する。ワイヤの端は、管の端から突き出ているいくつかのピンのうちの2つに電気的に接続されている。電流がワイヤを通過すると、ワイヤは赤熱し、放射熱がカソードの内側表面に当たって加熱される。動作中の真空管から発せられる赤またはオレンジ色の輝きは、ヒーターによって生成される。

カソードにはスペースがあまりなく、ヒーター線がカソードに接した状態で作られることがよくあります。カソードの内側はアルミナ(酸化アルミニウム) のコーティングで絶縁されています。これは高温ではあまり良い絶縁体ではないため、チューブにはカソードとヒーター間の最大電圧の定格があり、通常は 200 ～ 300 V しかありません。

ヒーターには低電圧、大電流の電源が必要である。ライン駆動機器用の小型受信管は、ヒーター電力として約0.5～4ワットを使用する。整流器や出力管などの高出力管は、約10～20ワットを使用し、放送送信管は、カソードを加熱するために1キロワット以上を必要とする場合がある。^[14] 必要な電圧は通常、5ボルトまたは6ボルトのACである。これは、機器の電源トランスの別の「ヒーター巻線」によって供給され、このトランスは、管のプレートやその他の電極に必要なより高い電圧も供給する。All American Fiveなどのトランスレスライン駆動ラジオおよびテレビ受信機で使用されている1つの方法は、すべての管ヒーターを電源ライン全体に直列に接続することである。すべてのヒーターは同じ電流定格であるため、ヒーター定格に応じて電圧を共有することになる。

電池式ラジオは、ヒーター（一般にフィラメントと呼ばれる）に直流電力を使用しており、電池式ラジオ用の真空管は、電池交換の手間を省くために、フィラメント電力を必要最小限に抑えるように設計されていました。真空管式ラジオ受信機の最終モデルは、ヒーターに 50 mA 未満の超小型真空管を使用して構築されましたが、これらのタイプは、トランジスタがこれに取って代わったのとほぼ同時期に開発されました。

ヒーター回路からの漏れや漂遊磁場がカソードに結合する可能性がある場合、ヒーター電源に直流が使用されることがあります。これにより、敏感なオーディオ回路や計測回路のノイズ源が排除されます。

低電力真空管機器の動作に必要な電力の大部分はヒーターによって消費されます。トランジスタにはそのような電力が必要ないため、多くの場合、大きな利点となります。

コーティングされた陰極の発光層は、時間の経過とともにゆっくりと劣化しますが、陰極に高電流が流れすぎると、劣化がさらに早くなります。その結果、発光が弱まり、管の電力が低下し、CRT の輝度が低下します。

活性化電極は、残留ガスとして存在するか、漏れによって管内に入るか、またはガス放出または構成部品からの移動によって放出される酸素またはその他の化学物質（アルミニウム、ケイ酸塩など）との接触によって破壊される可能性があります。その結果、放射率が低下します。このプロセスは、陰極被毒として知られています。初期のWhirlwindコンピューターでは、シリコンの痕跡のないフィラメントを備えた信頼性の高い管を開発する必要がありました。

発光層の緩やかな劣化とフィラメントの突然の燃焼および中断は、真空管の 2 つの主な故障モードです。

• 熱フィラメントイオン化計

• ジョン・ハーパー (2003) 真空管 201 - 真空管の本当の仕組み、ジョン・ハーパーのホームページ
• Lankshear, Peter (1996 年 7 月)。「バルブフィラメント/ヒーター電圧」( PDF)。Electronics Australia。2017年10 月 9 日閲覧。