Glühkathode

Eine Glühkathode ist eine beheizte Kathode (negativ geladene Elektrode) in Elektronenröhren und teilweise auch in Gasentladungsröhren. Sie funktioniert nach dem Prinzip des Edison-Richardson-Effektes und liefert freie Elektronen.

Glühende Kathoden in kleinen Senderöhren eines Amateurfunksenders

Röhre mit teilweise abgelöster Kathodenschicht

Beheizung

Es gibt zwei Arten der Heizung:

1. indirekte Heizung: Die 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.
2. 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.^[1] Meist werden jedoch sog. Oxidkathoden eingesetzt, die beispielsweise mittels einer Bariumoxid-Schicht^[1] besonders geringe Kathodentemperaturen ermöglichen (ca. 700–800 °C^[2]).

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 „Fermi-Schwanz“^[3] 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“.

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.

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} Hanno Krieger: Strahlungsquellen für Technik und Medizin. Vieweg +Teubner, 2005, ISBN 9783835100190, S. 49.
2. ↑ Nagamitsu Yoshimura: Vacuum technology: practice for scientific instruments. Springer, 2008, ISBN 9783540744320, S. 335.
3. ↑ Christian Gerthsen: Gerthsen Physik. Springer, 2003, ISBN 9783540026228, S. 886.