हॉट कैथोड

नलिका और गैस से भरी नलिका में, एक गर्म कैथोड या तापायनिक कैथोड इलेक्ट्रोड होता है जिसे तापायनिक उत्सर्जन के कारण इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन करने के लिए गर्म किया जाता है। यह एक ठंडे कैथोड के विपरीत है, जिसमें ताप तत्व नहीं होता है। ताप तत्व आमतौर पर एक विद्युत  संवाहक तार होता है जिसे एक अलग विद्युत प्रवाह द्वारा गर्म किया जाता है। गर्म कैथोड आमतौर पर ठंडे कैथोड की तुलना में बहुत अधिक शक्ति घनत्व प्राप्त करते हैं, समान सतह क्षेत्र से काफी अधिक इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन करते हैं। ठंडे कैथोड सकारात्मक आयन बमबारी से क्षेत्र इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन या द्वितीयक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन पर निर्भर करते हैं, और उन्हें ताप की आवश्यकता नहीं होती है। गर्म कैथोड दो प्रकार के होते हैं। सीधे गर्म कैथोड में, संवाहक तार कैथोड होता है और इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन करता है। अप्रत्यक्ष रूप से गर्म कैथोड में,  संवाहक तार या तापक एक अलग धातु  कैथोड इलेक्ट्रोड को गर्म करता है जो इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन करता है।

1920 के दशक से 1960 के दशक तक, विभिन्न प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों ने गर्म कैथोड निर्वात नलिका का उपयोग किया जाता है। आज, गर्म कैथोड का उपयोग प्रतिदीप्त दीप, निर्वात नलिका में इलेक्ट्रॉनों के स्रोत के रूप में किया जाता है, और कैथोड रे ट्यूबों में उपयोग की जाने वाली इलैक्ट्रॉन प्रक्षेपी और इलेक्ट्रॉन अणुवीक्षण यन्त्र  जैसे प्रयोगशाला उपकरण में उपयोग किया जाता है।

विवरण
निर्वात नलिका या अन्य निर्वात प्रणाली में कैथोड इलेक्ट्रोड एक धातु की सतह होती है जो ट्यूब के खाली स्थान में इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन करती है। चूँकि ऋणात्मक आवेशित इलेक्ट्रॉन धातु के परमाणुओं के धनात्मक नाभिक की ओर आकर्षित होते हैं, वे सामान्य रूप से धातु के अंदर रहते हैं और इसे छोड़ने के लिए ऊर्जा की आवश्यकता होती है। एक गर्म कैथोड में, कैथोड सतह को एक तंतु के साथ गर्म करके इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन करने के लिए प्रेरित किया जाता है, टंगस्टन जैसी दुर्दम्य धातु का एक पतला तार जिसके माध्यम से धारा प्रवाहित होती है। कैथोड को एक ऐसे तापमान पर गर्म किया जाता है जिसके कारण इलेक्ट्रॉनों को इसकी सतह से ट्यूब में खाली जगह में 'उबला हुआ' हो जाता है, एक प्रक्रिया जिसे  तापायनिक उत्सर्जन कहा जाता है

दो प्रकार के गर्म कैथोड हैं:

 सीधे गर्म कैथोड 

इसमें, तंतु ही कैथोड होता है और सीधे इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन करता है। पहले निर्वात नलिका में सीधे गर्म कैथोड का इस्तेमाल किया गया था। आज, उनका उपयोग प्रतिदीप्ति नलिका और अधिकांश उच्च-शक्ति संचारण निर्वात नलिका में किया जाता है।
 * अप्रत्यक्ष रूप से गर्म कैथोड: इस प्रकार में, तंतु कैथोड नहीं है, बल्कि एक अलग कैथोड को गर्म करता है जिसमें तंतु के चारों ओर धातु सिलेंडर की परत होती  है, और सिलेंडर इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन करता है। अप्रत्यक्ष रूप से गर्म कैथोड का उपयोग सबसे कम शक्ति वाली निर्वात नलिका में किया जाता है। उदाहरण के लिए, अधिकांशन निर्वात नलिका में कैथोड एक निकल नलिका होता है, जो धातु के आक्साइड के साथ लेपित होता है। इसके अंदर एक टंगस्टन तंतु द्वारा इसे गर्म किया जाता है, और तंतु से निकलने वाली गर्मी के कारण ऑक्साइड कोटिंग की बाहरी सतह इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन करती है। अप्रत्यक्ष रूप से गर्म कैथोड के तंतु को आमतौर पर तापक कहा जाता है।

अप्रत्यक्ष रूप से गर्म कैथोड का उपयोग करने का मुख्य कारण शेष निर्वात नलिका को तंतु में विद्युत क्षमता से अलग करना है, जिससे निर्वात नलिका को तंतु को गर्म करने के लिए प्रत्यावर्ती धारा का उपयोग करने की अनुमति मिलती है। नलिका में जिसमें तंतु ही कैथोड होता है, तंतु सतह से वैकल्पिक विद्युत क्षेत्र इलेक्ट्रॉनों की गति को प्रभावित करेगा और नलिका प्रक्षेपण में ह्यूम को पेश करता है। यह एक इलेक्ट्रॉनिक उपकरण में सभी नलिका में तंतु को एक साथ बांधने और एक ही वर्तमान स्रोत से आपूर्ति करने की अनुमति देता है, भले ही वे जिस कैथोड को गर्म करते हैं वह अलग-अलग क्षमता पर हो सकता है।

इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन में सुधार करने के लिए, कैथोड को आमतौर पर रसायनों, धातुओं के यौगिकों के साथ कम कार्य समारोह के साथ व्यवहार किया जाता है। ये सतह पर एक धातु की परत बनाते हैं जो अधिक इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन करती है। उपचारित कैथोड को समान कैथोड धारा की आपूर्ति के लिए कम सतह क्षेत्र, कम तापमान और कम शक्ति की आवश्यकता होती है।प्रारंभिक निर्वात नलिका (जिसे "उज्ज्वल उत्सर्जक" कहा जाता है) में उपयोग किए जाने वाले अनुपचारित  थोरियायुक्त टंगस्टन तंतु को उपयोग के लिए पर्याप्त तापायनिक उत्सर्जन उत्पन्न करने के लिए 2500 °F (1400 °C), सफेद-गर्म तक गर्म किया जाना था, जबकि आधुनिक लेपित कैथोड (जिन्हें "उज्ज्वल उत्सर्जक" कहा जाता है) सुस्त उत्सर्जक") दिए गए तापमान पर कहीं अधिक इलेक्ट्रॉन उत्पन्न करते हैं, इसलिए उन्हें केवल 800-1100 °F (425-600 °C) तक गर्म करना पड़ता है।

 प्रकार 

ऑक्साइड-लेपित कैथोड्स
अप्रत्यक्ष रूप से गर्म कैथोड का सबसे आम प्रकार ऑक्साइड-लेपित कैथोड है, जिसमें निकल कैथोड सतह पर उत्सर्जन बढ़ाने के लिए क्षारीय पृथ्वी धातु ऑक्साइड का लेप होता है। इसके लिए इस्तेमाल की जाने वाली सबसे शुरुआती सामग्रियों में से एक बेरियम ऑक्साइड थी यह एक अत्यंत निम्न कार्य फलन के साथ बेरियम की एक एकपरमाणुक परत बनाता है। अधिक आधुनिक  सूत्रीकरण बेरियम ऑक्साइड, स्ट्रोंटियम ऑक्साइड और कैल्शियम ऑक्साइड के मिश्रण का उपयोग करते हैं। अन्य मानक सूत्रीकरण बेरियम ऑक्साइड, कैल्शियम ऑक्साइड और एल्यूमीनियम ऑक्साइड 5:3:2 के अनुपात में है। थोरियम ऑक्साइड का भी उपयोग किया जा सकता है। ऑक्साइड-लेपित कैथोड लगभग 800-1000 डिग्री सेल्सियस, नारंगी-गर्म पर काम करते हैं। वे सबसे छोटे ग्लास निर्वात नलिका में उपयोग किए जाते हैं, लेकिन उच्च-शक्ति नलिका में शायद ही कभी उपयोग किया जाता है क्योंकि लेपन को सकारात्मक आयनों द्वारा नीचा दिखाया जाता है जो कैथोड पर बमबारी करते हैं, जो नलिका पर उच्च वोल्टेज द्वारा त्वरित होता है।

विनिर्माण सुविधा के लिए, ऑक्साइड-लेपित कैथोड आमतौर पर कार्बोनेट के साथ लेपित होते हैं, जिन्हें बाद में गर्म करके ऑक्साइड में बदल दिया जाता है। जब तक गैसों का उत्पादन बंद नहीं हो जाता, तब तक सूक्ष्मतरंगी तापन,  प्रत्यक्ष विद्युत धारा ताप, या इलेक्ट्रॉन बमबारी द्वारा सक्रियण प्राप्त किया जा सकता है। कैथोड सामग्री की शुद्धता नलिका जीवनकाल के लिए महत्वपूर्ण है। कैथोड सक्रियण प्रक्रिया के बाद, ऑक्साइड कैथोड की सतह परतों पर कई दसियों नैनोमीटर गहराई तक बीए सामग्री काफी बढ़ जाती है। ऑक्साइड कैथोड के जीवनकाल का मूल्यांकन एक विस्तारित घातांक प्रकार्य के साथ किया जा सकता है। उच्च गति प्रवर्तक के उच्च अपमिश्रण से इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन स्रोतों की उत्तरजीविता में काफी सुधार होता है।

बेरियम ऑक्साइड अंतर्निहित धातु में सिलिकॉन के निशान के साथ प्रतिक्रिया करता है, बेरियम सिलिकेट (Ba2SiO4) परत बनाता है। इस परत में उच्च विद्युत प्रतिरोध होता है, विशेष रूप से असंतत वर्तमान भार के तहत, और कैथोड के साथ श्रृंखला में एक अवरोधक के रूप में कार्य करता है। यह संगणक अनुप्रयोगों में उपयोग की जाने वाली नलिका के लिए विशेष रूप से अवांछनीय है, जहां वे विस्तारित अवधि के लिए चालू किए बिना रह सकते हैं।

बेरियम गर्म कैथोड से भी उर्ध्वपातित होता है, और आस-पास की संरचनाओं पर जमा होता है। इलेक्ट्रॉन नलिका के लिए, जहां ग्रिड उच्च तापमान के अधीन है और बेरियम संदूषण ग्रिड से ही इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन की सुविधा प्रदान करेगा, कोटिंग मिश्रण में कैल्शियम का उच्च अनुपात जोड़ा जाता है (कैल्शियम कार्बोनेट का 20% तक)।



 बोरिड कैथोड्स  लैंथेनम हेक्साबोराइड (LaB6) और सेरियम हेक्साबोराइड (CeB6) का उपयोग कुछ उच्च-वर्तमान कैथोड की लेपन के रूप में किया जाता है। हेक्साबोरिड 2.5 eV के आस-पास कम कार्य प्रकार्य दिखाते हैं। वे विषाक्तता के लिए भी प्रतिरोधी हैं। सेरियम बोराइड कैथोड लैंथेनम बोराइड की तुलना में 1700 K पर कम वाष्पीकरण दर दिखाते हैं, लेकिन यह 1850 K और उच्चतर के बराबर हो जाता है। कार्बन संदूषण के उच्च प्रतिरोध के कारण सेरियम बोराइड कैथोड में लैंथेनम बोराइड के जीवनकाल का डेढ़ गुना होता है। बोराइड कैथोड टंगस्टन की तुलना में लगभग दस गुना "उज्ज्वल" होते हैं और इनका जीवनकाल 10-15 गुना अधिक होता है। उनका उपयोग इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी, सूक्ष्मतरंग नली, इलेक्ट्रॉन किरण अश्मलेखन, एलेक्ट्रॉन पुंज वेल्डन, एक्स किरण नलिका और मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर में किया जाता है। हालांकि ये सामग्रियां महंगी होती हैं।

अन्य हेक्साबोराइड्स को भी नियोजित किया जा सकता है उदाहरण कैल्शियम हेक्साबोराइड, स्ट्रोंटियम हेक्साबोराइड, बेरियम हेक्साबोराइड, येट्रियम हेक्साबोराइड, गैडोलीनियम हेक्साबोराइड, समैरियम हेक्साबोराइड और थोरियम हेक्साबोराइड हैं।

थोरियायुक्त तंतु
सामान्य प्रकार का सीधे गर्म कैथोड, जिसका उपयोग अधिकांश उच्च शक्ति संचारण नलिका में किया जाता है, थोरियायुक्त टंगस्टन तंतु  है, जिसे 1914 में खोजा गया और 1923 में इरविंग लैंगमुइर द्वारा व्यावहारिक बनाया गया था। तंतु के टंगस्टन में थोड़ी मात्रा में थोरियम मिलाया जाता है। तंतु को लगभग 2400 डिग्री सेल्सियस पर सफेद-गर्म गर्म किया जाता है, और थोरियम परमाणु तंतु की सतह पर चले जाते हैं और उत्सर्जक परत बनाते हैं।हाइड्रोकार्बन वातावरण में तंतु को गर्म करने से सतह कार्बोराइज हो जाती है और उत्सर्जक परत स्थिर हो जाती है। थोरिययुक्त तंतु का जीवनकाल बहुत लंबा हो सकता है और उच्च वोल्टेज पर होने वाले आयन बमबारी के प्रतिरोधी होते हैं, क्योंकि ताजा थोरियम लगातार सतह पर फैलता है, परत को नवीनीकृत करता है। वे  रेडियो प्रेषित्र के लिए लगभग सभी उच्च-शक्ति निर्वात नलिका में और कुछ नलिका में हाई-फाई प्रवर्धक के लिए उपयोग किए जाते हैं। उनका जीवनकाल ऑक्साइड कैथोड की तुलना में अधिक लंबा होता है।

 थोरियम विकल्प 

थोरियम रेडियोधर्मिता और विषाक्तता के बारे में चिंताओं के कारण, विकल्प खोजने के प्रयास किए गए हैं। उनमें से एक जिरकोनीटेड टंगस्टन है, जहां थोरियम डाइऑक्साइड के बजाय जिरकोनियम डाइऑक्साइड का उपयोग किया जाता है। अन्य प्रतिस्थापन सामग्री लैंथेनम (III) ऑक्साइड, येट्रियम (III) ऑक्साइड, सेरियम (IV) ऑक्साइड और उनके मिश्रण हैं। 

 अन्य स्थूल 

सूचीबद्ध ऑक्साइड और बोराइड के अलावा, अन्य सामग्रियों का भी उपयोग किया जा सकता है। कुछ उदाहरण संक्रमण धातुओं के कार्बाइड और बोराइड हैं, उदाहरण ज़िरकोनियम कार्बाइड, हेफ़नियम कार्बाइड, टैंटलम कार्बाइड, हेफ़नियम डाइबोराइड और उनके मिश्रण है। समूह IIIB (स्कैंडियम, यट्रियम, और कुछ लैंथेनाइड्स, अक्सर गैडोलिनियम और समैरियम) और IVB (हैफ़नियम, ज़िरकोनियम, टाइटेनियम) से धातुओं को आमतौर पर चुना जाता है।

टंगस्टन के अलावा, अन्य दुर्दम्य धातुओं और मिश्र धातुओं का उपयोग किया जा सकता है, उदाहरण टैंटलम, मोलिब्डेनम और रेनियम और उनके मिश्र है।

इनके बीच रासायनिक प्रतिक्रिया को रोकने के लिए, अन्य सामग्री की  परत मूल धातु और उत्सर्जन परत के बीच रखी जा सकती है। सामग्री को उच्च तापमान के लिए प्रतिरोधी होना चाहिए, उच्च गलनांक और बहुत कम वाष्प दबाव होना चाहिए, और विद्युत प्रवाहकीय होना चाहिए। उपयोग की जाने वाली सामग्री हो सकती है उदाहरण  टैंटलम डाइबोराइड, टाइटेनियम डाइबोराइड, ज़िरकोनियम डाइबोराइड, नाइओबियम डाइबोराइड, टैंटलम कार्बाइड, ज़िरकोनियम कार्बाइड, टैंटलम नाइट्राइड और ज़िरकोनियम नाइट्राइड है।

 कैथोड हीटर 

कैथोड तापक एक गर्म तार तंतु है जिसका उपयोग कैथोड को निर्वात नलिका या कैथोड किरण नलिका में गर्म करने के लिए किया जाता है। इन नलिका के ठीक से काम करने के लिए कैथोड तत्व को आवश्यक तापमान प्राप्त करना होता है। यही कारण है कि पुराने इलेक्ट्रॉनिक्स को चालू होने के बाद अक्सर "वार्म अप" करने के लिए कुछ समय की आवश्यकता होती है, यह घटना अभी भी कुछ आधुनिक चित्रपटल और संगणक दृश्यपटल के कैथोड किरण नलिका में देखी जा सकती है। कैथोड एक ऐसे तापमान तक गर्म होता है जिसके कारण इलेक्ट्रॉनों को इसकी सतह से ट्यूब में खाली जगह में 'उबला हुआ' हो जाता है, एक प्रक्रिया जिसे तापायनिक उत्सर्जन कहा जाता है। आधुनिक ऑक्साइड-लेपित कैथोड के लिए आवश्यक तापमान लगभग 800-1,000 डिग्री सेल्सियस (1,470-1,830 डिग्री फारेनहाइट) है।

कैथोड आमतौर पर नलिका के केंद्र में एक लंबी संकीर्ण शीट धातु सिलेंडर के रूप में होता है। तापक में एक महीन तार होता है, जो नाइक्रोम जैसे उच्च प्रतिरोध धातु मिश्र धातु से बना होता है, जो टोस्टर में ताप तत्व के समान होता है लेकिन महीन होता है। यह कैथोड के केंद्र से होकर गुजरता है, जिसे अक्सर छोटे रोधक समर्थन पर कुंडलित किया जाता है या आवश्यक गर्मी पैदा करने के लिए पर्याप्त सतह क्षेत्र देने के लिए हेयरपिन जैसी आकृतियों में मुड़ा हुआ होता है। विशिष्ट हीटरों में तार पर सिरेमिक कोटिंग होती है। जब यह कैथोड आवरण नली के सिरों पर तेजी से मुड़ा होता है, तो तार खुल जाता है। तार के सिरे विद्युत रूप से नलिका के अंत से उभरे हुए कई पिनों में से दो से जुड़े होते हैं। जब तार से धारा गुजरता है तो यह लाल गर्म हो जाता है, और विकिरणित ऊष्मा कैथोड की आंतरिक सतह से टकराती है, इसे गर्म करती है। ऑपरेटिंग निर्वात नलिका से आने वाली लाल या नारंगी चमक तापिक द्वारा निर्मित होती है।

कैथोड में ज्यादा जगह नहीं होती है, और कैथोड को अक्सर तापिक के तार को छूकर बनाया जाता है। कैथोड के अंदर एल्यूमिना (एल्यूमीनियम ऑक्साइड) के लेप से अछूता रहता है। यह उच्च तापमान पर बहुत अच्छा अवरोधक नहीं है, इसलिए नलिकाओं में कैथोड और तापिक के बीच अधिकतम वोल्टेज के लिए मान होता  है, आमतौर पर केवल 200 से 300 वी होता है।

तापिक को कम वोल्टेज, बिजली के उच्च वर्तमान स्रोत की आवश्यकता होती है। तापिक की शक्ति के लिए 0.5 से 4 वाट के क्रम पर रेखा-संचालित उपकरणों के उपयोग के लिए लघु प्राप्त नलिका उच्च शक्ति नलिका जैसे  शोधक या प्रक्षेपण नलिका 10 से 20 वाट के क्रम में उपयोग करते हैं, और प्रसारण प्रेषित्र नलिका को कैथोड को गर्म करने के लिए एक किलोवाट या अधिक की आवश्यकता हो सकती है। आवश्यक वोल्टेज आमतौर पर 5 या 6 वोल्ट एसी होता है। यह उपकरण के बिजली आपूर्ति परिवर्तक पर एक अलग ' तापिक विसर्पी' द्वारा आपूर्ति की जाती है जो नलिका की लेपन और अन्य इलेक्ट्रोड द्वारा आवश्यक उच्च वोल्टेज की आपूर्ति भी करती है। परिवर्तक रहित लाइन-संचालित रेडियो और चित्रपटल प्राप्तकर्ता जैसे ऑल अमेरिकन फ़ाइव में उपयोग किया जाने वाला एक दृष्टिकोण सभी नलिका तापिक को आपूर्ति रेखा में श्रृंखला में जोड़ना है। चूंकि सभी तापिक को एक ही धारा पर मान किया गया है, वे अपनी तापिक मान के अनुसार वोल्टेज साझा करेंगे।

बैटरी से चलने वाले रेडियो समुच्चय तापिक (आमतौर पर तंतु के रूप में जाना जाता है) के लिए प्रत्यक्ष-वर्तमान शक्ति का उपयोग करते हैं, और बैटरी समुच्चय के लिए अभिप्रेत नलिका को बैटरी प्रतिस्थापन पर किफायत करने के लिए आवश्यकतानुसार कम तंतु शक्ति के रूप में उपयोग करने के लिए डिज़ाइन किया गया था। नलिका से लैस रेडियो प्राप्तकर्ता के अंतिम मॉडल तापिक के लिए 50 एमए से कम का उपयोग करके  अतिलघु नलिका के साथ बनाए गए थे, लेकिन इन प्रकारों को लगभग उसी समय विकसित किया गया था जब प्रतिरोधान्तरित्र  ने उन्हें बदल दिया था।

जहां तापिक परिपथ से रिसाव या भटके हुए क्षेत्रों को संभावित रूप से कैथोड से जोड़ा जा सकता है, कभी-कभी तापिक की शक्ति के लिए प्रत्यक्ष धारा का उपयोग किया जाता है। यह संवेदनशील श्रव्य या यंत्र विन्यास परिपथ में शोर के स्रोत को समाप्त करता है।

कम बिजली वाले नलिका उपकरण को संचालित करने के लिए आवश्यक अधिकांश बिजली की खपत तापिक द्वारा की जाती है।  प्रतिरोधान्तरित्र को बिजली की ऐसी कोई आवश्यकता नहीं होती है, जो अक्सर एक बड़ा फायदा होता है।

विफलता नीति
लेपित कैथोड पर उत्सर्जक परतें समय के साथ धीरे-धीरे कम हो जाती हैं, और जब कैथोड बहुत अधिक धारा के साथ अतिभारित हो जाता है तो बहुत तेज़ी से घटता है। परिणाम कमजोर उत्सर्जन और नलिका की कम शक्ति, या सीआरटी में कम चमक है।

सक्रिय इलेक्ट्रोड ऑक्सीजन या अन्य रसायनों (जैसे एल्यूमीनियम, या सिलिकेट्स) के संपर्क से नष्ट हो सकते हैं, या तो अवशिष्ट गैसों के रूप में मौजूद होते हैं, लीक के माध्यम से नलिका में प्रवेश करते हैं, या निर्माण तत्वों से  गैस निष्क्रमण या  प्रवसन द्वारा जारी किए जाते हैं। इससे उत्सर्जन में कमी आती है। इस प्रक्रिया को कैथोड विषाक्तता के रूप में जाना जाता है। प्रारंभिक बवंडर संगणक के लिए उच्च-विश्वसनीयता नलिका को विकसित किया जाना था, जिसमें तंतु सिलिकॉन के निशान से मुक्त थे।

उत्सर्जन परत की धीमी गिरावट और अचानक जलने और तंतु का रुकावट निर्वात नलिका के दो मुख्य विफलता मोड हैं।

यह भी देखें

 * हॉट तंतु आयनीकरण गेज

बाहरी संबंध

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