Glühkathode
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Eine Glühkathode ist eine beheizte Kathode (negativ geladene Elektrode) in Elektronenröhren und teilweise auch in Gasentladungsröhren. Sie funktioniert nach dem Prinzip der Glühemission (Edison-Richardson-Effekt) und liefert freie Elektronen.
[Bearbeiten] Beheizung
Es gibt zwei Arten der Heizung:
- indirekte Heizung
Glühkathoden werden bei diesen Verfahren durch einen gesonderten und elektrisch von der Kathode isolierten Heizstromkreis mit einer Wolfram-Glühwendel erhitzt. Die Keramik-isolierte Wendel befindet sich in einem Metallröhrchen (oft aus Nickel), welches die Oxidkathoden-Schicht trägt.
- direkte Heizung
Die Kathode wird durch den Heizdraht selbst gebildet. Der Heizleiter kann ein Draht oder ein Band sein. Er kann zwischen Federn gespannt oder gewendelt (freitragend) sein.
Um die erforderliche Temperatur der Glühkathode gering zu halten, werden auf der Kathodenoberfläche Materialien eingesetzt, die eine geringe Austrittsarbeit haben, z. B. Rhenium oder Thorium-dotiertes Wolfram. Meist werden jedoch sog. Oxidkathoden eingesetzt, die mittels einer Barium-Oxid-Schicht besonders geringe Kathodentemperaturen ermöglichen (ca. 700...800 °C).
[Bearbeiten] Funktion
Die Elektronen in der Glühkathode haben eine Fermi-Geschwindigkeitsverteilung. Mit Zunahme der Kathoden-Temperatur werden dabei die Elektronen im Mittel schneller. Die besonders schnellen Elektronen aus dem sogenannten „Fermischwanz“ der Geschwindigkeitsverteilung haben genügend Energie, um die Austrittsarbeit in das Vakuum leisten zu können. Im Gegensatz zu Kaltkathoden, bei denen die Elektronen durch sehr starke Felder aus der Kathode gerissen werden, ist bei einer Glühkathode die maximale Menge der austretenden Elektronen nur von der Temperatur und den Materialeigenschaften abhängig. Um trotzdem den Kathodenstrom regulieren zu können, wird die Kathode in der Regel im so genannten raumladungsbeschränkten Bereich betrieben. Dabei werden nicht alle Elektronen von der Kathode abgesaugt - die Kathode ist von einer negativ geladenen Elektrode (Gitter oder Wehneltzylinder) umgeben. Viele Elektronen verweilen dann lange über der Kathode und bilden eine „virtuelle Kathode“ aus. Die virtuelle Kathode ist ein Bereich negativer Raumladung, aus der die Elektronen zu emittieren scheinen. Für den Elektronenstrom im Vakuum nicht benötigte „überflüssige“ Elektronen werden wieder zurück in die Kathode „gedrückt“.
[Bearbeiten] Anwendung
- indirekt beheizte Oxidkathoden in Kathodenstrahlröhren und anderen Elektronenröhren
- direkt beheizte Oxidkathoden in Leuchtstofflampen, Vakuum-Messgeräten, Fluoreszenzanzeigen und Gleichrichterröhren
- direkt beheizte Metallkathoden
- z. B. thorierte Wolframkathoden in Magnetrons und Senderöhren
- so genannte „Haarnadelkathoden“ im Elektronenmikroskop und im Kathodolumineszenzmikroskop
Glühkathoden stellen einen wesentlichen, die Lebensdauer begrenzenden Faktor bei Elektronenröhren und Leuchtstofflampen dar. Hat eine Glühkathode ihre Fähigkeit, Elektronen bei der vorgesehenen Temperatur zu emittieren, verloren, ist sie „taub“.
Oxidkathoden lassen sich aber häufig noch einmal „munter“ machen, indem man sie bei extremer Beheizung stark elektrisch belastet. Schmutz, der die Oberfläche der Kathode „vergiftet“, also die Austrittsarbeit erhöht, wird dabei von der Kathode herunter gerissen.
