什么是真空电子学?

什么是真空电子学?

[拼音]：zhenkong dianzixue

[外文]：vacuum electronics

研究带电粒子（电子、离子）在真空或气体中运动时与场和物质相互作用的科学和技术，为电子学的一个基础分支。它的研究内容涉及到相应的器件、仪器和设备，以及有关的原理、材料和技术。真空电子器件利用静电控制、电子群聚激励高频场、气体放电的高通导能力、电子束扫描、摄像和显示等原理，在电子仪器和设备中起着整流、振荡、放大、调制、检波、频率控制和光电变换等作用。

高速电子束和离子束的有效波长比可见光波长短得多。因而，电子束和离子束具有较高的分辨率，可用于观察微细结构和作为探索来获得表面信息。在高真空条件下，应用电子束和离子束能进行无污染的加工和焊接（见真空表面分析技术）。

适应真空电子工作环境的材料和工艺，是真空电子学的技术基础（见真空电子器件材料、真空电子器件工艺）。带电粒子与电磁场的互作用，电子、离子与表面互作用，电子发射，气体放电和电子光学等方面的理论，形成真空电子学的理论基础。

学科内容与发展简史电子源的发现

1883年T.A.爱迪生在试验中发现热电子发射现象。他在低真空电灯泡内引入一个金属电极后，金属电极接到热灯丝正端时，在电极与灯丝之间就有电流流动；接到负极时，电流就停止。这就是爱迪生效应。1897年，J.J.汤姆逊进行了用电场和磁场来偏转负离子的试验，从两种偏转相反并平衡的关系中测量出电子的荷质比值。如果试验放电管中负离子与电解液中一价离子的电荷相同，汤姆逊的粒子(负离子，即电子)的质量便为氢原子的质量的1/1840，他据此预测电子是小于原子的粒子。这项工作于1906年获得诺贝尔奖金。1909年，R.A.密立根用油滴试验测定了电子电荷。他在水平的电容器极板中喷入油滴，而油滴带上由X射线所产生的离子。不加电场时测油滴下降速度；加电场时测油滴向上速度。这样计算出的电荷值总是1.60×10


库的整数倍。密立根因电子电荷测定和光电效应实验而获得1923年诺贝尔奖金。O.W.理查森应用热力学理论推导出热电子发射理论（见电子发射）。热物体内自由运动的电子，如果具有足够大的动能以克服材料中正电荷的吸引力，则电子可达到物体表面并可从表面逸出。他为此获得了1928年的诺贝尔奖金。

静电控制电子管的发明

1896年，G.马可尼发明无线电报远距离发送后，急需检波器和放大器技术。1897年，J.A.弗莱明首先用方铅矿、黄铁矿石制成无线电信号检波器。1904年，弗莱明又利用爱迪生效应制出热阴极二极管。用于检波性能优于矿石检波器，也可用作整流器。1906年，L.德福雷斯特申请三极管放大器的专利。这种三极管是在二极管中引入第三电极(控制栅)，它对阴栅电场有较大影响，阴极的效应通过栅孔而渗入阴栅区，从而产生放大效应。最初的三极管增益很低，1912年E.H.阿姆斯特朗利用再生（正反馈）回路提高了放大器的增益之后，才得到应用。在正反馈时，三极管放大器可用作振荡器。此后，随制管工艺和技术的改进，三极管的增益进一步提高，发展为实用的三极管。继三极管后又研制成四极管（增加屏栅）、五极管（增加抑制栅）和其他的多电极管。

静电控制管用于高频振荡或放大时，随着频率增高会出现电子渡越时间效应，即电子渡越时间使得电流不是在阳极瞬时电压最低点时到达阳极，而是滞后于阳极电压最低点。这样就破坏了最佳工作状态，又造成功耗增加、输出功率降低。此外，当渡越时间为周期的二分之一时，振荡可能停止。因此，电子渡越时间限制了静电控制电子管的频率上限。当频率增加即波长缩短时，器件尺寸应相应缩小，但功率输出反比于频率的立方。在单位面积耗散恒定时，功率输出就受到频率增高的限制。1940年，这种器件的频率上限为1000兆赫；由于工艺技术的进步，1946年为4000兆赫。

电子群聚高频场微波管的发明

为了克服静电控制微波管所遇到的频率和功率限制，需要寻求新的原理。1920年E.巴克豪森和K.库尔茨将栅极加正电位，板极加零或小的负电位，利用电子围绕栅极来回渡越时间产生振荡，使频率不依赖于外回路。1938年，瓦里安兄弟发明了速调管。1939年发表了速调管、高频振荡器和放大器的论文，提出高频场对电子注的速度调制，引出电子注的密度调制的原理，这是通过场与电子注的互作用，使电子渡越时间从限制因素转变为有利因素。这是电子管原理上的一次突破。1939年，W.L.汉恩和S.拉莫提出电子注具有空间电荷波的概念，来解释速调管的工作原理。这推动了行波器件的诞生。1944年，R.康夫纳提出，当螺旋线慢波结构上的电磁波波速与电子注的电子速度接近相同时，应有强烈互作用的推理，制出了具有10分贝增益的行波器件，并于1946年发明了行波管。

1921年，A.W.赫耳制出最早的磁控管，并对同轴圆筒中轴向磁场作用下的直流磁控管中电子运动作了分析。1940年，英国人J.兰德尔和H.布特制出了第一只高功率（波长为10厘米，峰值功率为10千瓦）高效率脉冲多腔磁控管。这些微波管的高频结构尺寸都正比于波长，所以进入毫米波时，因尺寸太小，功率又受到限制。突破这一限制的新原理──电子回旋辐射放大的机理，由R.Q.特威斯在1958年提出。他推导了电磁波通过离化了的介质时的吸收系数，在某些条件下可以产生负吸收（即放大）。1974年，苏联Н.И.塞伊切夫等制出突破上述限制的回旋管（见毫米波与亚毫米波真空电子器件）。

充气管

将交流功率转换为直流功率的需要，推动了充气管的发展。充气管内充有气体或蒸气，其电特性主要由充入气体或蒸气在电子撞击下产生的电离所决定。电离生成的电子和离子参与导电，运动较慢的正离子抵消了电子所形成的负空间电荷，使充气管具有内阻低、通导电流大和管压降低的特点。

1913～1914年间，I.朗缪尔研究静电控制气体放电管，1929年，A.W.赫耳发明静电控制闸流管。第二次世界大战期间，雷达调制器需要着火快、恢复时间短的闸流管。1949年，H.H.威登伯格研制出充氢闸流管，其恢复时间约为静电控制闸流管的几分之一。

真空开关器件

真空间隙可以耐高压，又能通过金属电弧传导大电流。1935年，A.克林研究用于天线转换的真空换接器，50年代发展为电力线路上用的真空开关器件。60年代在真空间隙中加进触发电极的真空触发间隙是一种新发展起来的可控真空开关器件。这类器件通导时，性能类似于气体放电器件；不通导时，则具有真空的高绝缘能力。

摄像、显示、光电器件的发明

电子束扫描可以解决早期电视摄像机械扫描难于实现的高转换率所要求的高速度和高精度。1923年，V.K.兹沃雷金进行了电子束扫描与电荷储存相结合的研究，并于1934年制出第一只实用的储存型摄像管（光电析像管），它应用电子扫描和横向导电率低的光致电荷储存的图像靶。这是利用靶的光电发射作用原理制成的摄像管，虽然构造较复杂，但却是以后改进型摄像管的先驱。1950年，P.K.怀莫等应用光电导靶和慢速电子束制成结构简单，尺寸小的光导摄像管。采用特殊靶材时，光导摄像管可对红外线、紫外线和X射线摄像。

1897年，K.F.布劳恩用示波管制出第一台阴极射线示波器。这种示波管用气体放电来获得电子发射和形成电子束。1905年，A.威耐尔特在示波管内引入热阴极，管内填充 10～1帕的氢气，通过离子聚焦而获得长而细的电子束。要求示波管偏转功率低和能够快速书写，必须采用静电偏转，但静电偏转在低真空中工作情况不佳。1930年，兹沃雷金制出第一只高真空示波管。这标志着示波管的设计从此开始以电子光学为科学基础。

近代屏幕大、厚度薄的电视机，要求黑白显像管束流大和偏转角宽。1957年，L.E.斯维德隆等研究具有离子阱电子q的 110°显像管。随着排气和消气技术的改进，研制成不用离子阱的直电子q的显像管。1951年，H.B.劳报道了影孔罩式的三q彩色显像管。它的三个电子q为红、绿、蓝三色信号调制后打到有35.7万个圆孔的荫罩上，并指向相应颜色的荧光粉点而显示彩色图像。

1905年，A.爱因斯坦提出光电发射理论。1910年J.P.埃尔斯特等制出第一只用氢化碱阴极的真空光电管。在可见光下，最大量子效率为1％。1929年，L.R.寇勒制出银氧铯光电阴极的光电管，它对可见光和近红外线敏感。1936年，P.高尔希利制出锑-铯光阴极的光电管，量子效率达25％。1955年，A.H.桑莫制出多碱化合物阴极的光电管，量子效率达40％。

次级发射的研究，导致了光电倍增管的诞生。用几百电子伏的电子撞击次级发射面，可以射出4～10个次级低速电子。1935年，V.K.兹沃雷金等人制出了最早的倍增管，利用正交的电场和磁场将电子从一个倍增级导致另一个倍增级。

1895年11月8日W.K.伦琴在进行高压气体放电试验时，发现氰化铂钡的屏面受激发光，由此发现了 X射线，并因此获得1901年诺贝尔奖金。

微观表面质谱分析仪器

1924年，L.V.德布罗意发表了电子具有波和粒子二重性的论文，质量波的波长λ＝h/mv(h是普朗克常数，mv为动量)，他为此获得了1929年诺贝尔奖金。1927年，C.J.戴维森和L.H.革末从单晶中发现电子衍射，G.P.汤姆逊从薄金箔中发现电子衍射，证实了德布罗意波。戴维森及汤姆逊获得了1937年诺贝尔奖金。

光学显微镜的分辨率只有1微米，而电子显微镜的分辨率可达0.3～1.0纳米。分辨率差异的根本原因，在于电子束具有较可见光更短的波长(可见光的波长约为0.5纳米，而100千伏电子的有效波长为0.0037纳米)。1933年，E.鲁斯卡制成第一台电子显微镜。利用电子激发元素产生的特征X射线，是化学分析的一种方式。微区分析的特点，是用细聚焦的电子束激发局部的区域，所得分辨率约为1微米。R.卡斯坦和A.古尼尔先后于1949和1950年将 X射线检测器联到具有静电透镜的电子显微镜上制成电子束探针，检测能力为100ppm，在10微米3的容积中相当于10


克。

离子束也可作为微观探索。1962年，卡斯坦等研制成一种离子探针，用氩或氧离子轰击样品，使样品发出二次离子，然后经过磁偏转质谱仪来分析次级离子，其检测能力可达一亿分之几。

1925年，P.-V.俄歇观察到用X射线激出的电子在威尔逊雾室中的踪迹。1953年，J.J.兰德用电子激发测量了电子的能量分布N(E)。1967年，E.J.谢布纳等证明低能电子衍射仪可以改装，用来测量能量分布。1967年，L.A.哈里斯证明，分辨率可用微分dN(E)/dE来改进。1969年，P.W.派尔姆伯格等用镜筒分析器，将检测速度提高了几个数量极。

用质谱仪来分析电子器件内残气成分，是研究真空电子器件寿命和阴极环境气氛的一个重要问题。1919年，F.W.阿斯顿首次进行了同位素的高精度质谱测定，获得了1922年的诺贝尔奖金化学奖。

1960年，W.D.戴维斯等应用离子在磁场中作圆运动的半径依赖于离子的质荷比值(m/e)的原理，制出90°扇形磁场偏转分析器。在此之前，1953年W.保尔等研制成最常用的高频四级场质谱仪。1951年H.桑末等应用质谱室中心形成离子，正交的磁场与高频电压使谐振的离子回旋加速的原理，报道了回旋质谱仪。

电子束、离子束和等离子体加工设备中利用电子束作热源的高真空设备，适合高纯度难熔金属和半导体加工技术的需要。这项技术具有不引入沾污和不受温度限制的能力（见电子束加工）。利用气体放电产生的等离子体中的离子，与被刻固体表面进行化学结合，可以进行等离子体刻蚀。1971年，H.厄尔文等申请用辉光放电产生可挥发反应物的刻蚀专利，最常用来刻蚀Si和SiO2，使其在CF4的放电中形成SiF4。

正离子轰击负电极时，可使电极中射出金属粒子的现象称为溅散。1932年，H.F.福鲁斯报道了用溅散过程在各种衬底上沉积很薄的金属膜的方法。此方法用于沉积光学介质膜和在玻璃、云母、陶瓷上沉积薄膜以制取电阻等其他用途。50年代中期，开始溅散定量测试的研究，G.K.魏纳及其同事们于1957、1961和1962年陆续发表了用 50～600电子伏惰性气体离子和汞离子溅散金属的详细数据。

高真空获得与量测设备仪器

1913年W.盖德应用高速旋转的圆盘的动量转移给被抽气体分子的原理发明了分子泵。50年代使用轴流级联的动片和静片组，制成涡轮分子泵（见真空获得技术）。

盖德于1915年制成扩散泵，1916年经I.朗缪尔改进，应用扩散泵能获得10-5帕的真空。扩散泵最初用汞，尔后用油作泵液，但油扩散泵的油蒸气反向流入被抽器件，会造成表面油污染。为此，真空系统常用一种无油的溅散离子泵。1937年F.M.潘宁观察到用磁场局限的直流放电具有抽气效应；但到1958年，L.D.霍耳才将几个潘宁室组合成实用的离子泵。

1961年，P.德拉帕尔塔等人提出一种最有效的锆铝消气剂（锆84％，铝16％）。利用这种非蒸散型消气剂表面吸附气体，然后向块内扩散获得抽气效能，从而制成另一种无油的非蒸散型消气剂泵。

低温泵是一项日趋重要的技术，其原理是利用超低温时的凝结和吸附来排气，其特点是排气表面位于排气室中，抽速不受排气管的限制，抽速要求越大越能显示低温泵的优点。低温泵很容易得到1000米3/秒的抽速。1961年美国的R.金等人提出一种实用的低温排气系统。

应用电子碰撞气体产生离子流，用离子流来量测真空度，是高真空测量的基本原理。1916年，O.E.布克来研制出能测10-6帕真空度的电离真空规。1947年，W.B.诺丁汉指出上限是由于X射线产生的光电子。1950年，R.T.贝亚得及D.阿尔波特将收集极的圆筒改为细线，以减少截获X射线而能测到10-8帕。

真空电子材料及工艺

从爱迪生发现热电子源后，需要有在高真空中耐高温工作的材料。1903年A.威耐尔特发现碱土金属的氧化物，能在1100K下有显著的发射电子能力，并于1906年用氧化物阴极装入整流管内。1909年，W.D.库利吉用粉末冶金法制取纯钨丝阴极，但需2300K高温才能发射电子。1934年，朗缪尔研制钍钨丝（钨中掺入0.5％～2％的钍）阴极，可将阴极温度降至2000K左右。由于阴极在高温工作时表面有蒸发及溅散损失，为了弥补这种损失，1950年H.J.莱门斯等提出储存式的L阴极，其结构是发射面为多孔的钨表面。钨表面下有钡锶碳酸物的储存。

在大功率广播发射管发展初期，须用无氧铜阳极与玻璃封接。1923年，W.G.豪斯基伯研究刀口封接方法。铜的薄刀口具有塑性流动，消除了铜与玻璃膨胀系数不匹配所引起的应力。1930年，H.斯高特研究能与硬玻璃封接的低膨胀系数的铁镍钴合金(可伐合金)。1934年，西门子等几家德国公司开始研究陶瓷与金属封接技术。陶瓷管壳较玻璃管壳具有更高的强度和耐高温的优点。

中国概况

中国真空电子技术的发展始于30年代，当时用进口材料制作收信管。50年代初，生产出五灯收音机中用的八脚收信管及部分中小功率发射管和充气管。1952年，高等学校建立相应的专业，并培养大批专业人才。1956年后已能成批生产小型收信管、中小功率发射管、大型发射管及充气管，并着手示波管和光电管的试制。1956～1967年的12年科学规划的实施，建立了研究所和工厂产品设计所。50年代末到60年代中，开始按用户要求研究和试制微波管和充气管。70年代初，开始用计算机进行电子q、正交场器件、互作用区的冷阴极起动和磁路等设计。70年代末研制出毫米波大功率回旋管等器件。由于电视工业的发展，从70年代起进行了黑白显像管和彩色显像管的试制。80年代初，已有现代化的工厂投产，成批生产彩色显像管。

为了使真空电子技术有扎实的基础，自50年代以来还进行了氧化物阴极、钡钨阴极和光电阴极的研究，并研制出回旋和四极场质谱仪，并用以分析阴极的环境气氛。研制 X射线光电子能谱仪、俄歇能谱仪和电子显微镜等，用以分析表面和剖面的化学成分、原子结构形貌。在真空结构材料方面，试制并生产无氧铜、钨、铝、可伐、玻璃、陶瓷、惰性气体、荧光粉和消气剂等。在制管技术方面，研究了玻璃、陶瓷与石英的封接技术，精密栅极制造，磁控管阳极挤压，零件部件钎焊、装架和检漏等。主要真空设备有真空炉、氢炉、真空泵、无油真空排气机组、电子束焊接机、真空镀膜机和真空量规等。测试设备有扫频测试设备和脉冲调制器等。

与邻近学科的相互关系

真空电子学与物理学关系密切。真空的获得，涉及气体分子速度分布及其在管道中运动的气体分子运动学。充气器件中的物理现象，涉及到电子碰撞气体的电离、复合，以及等离子体等气体放电。热阴极发射、光电发射、气体电离与激发态以及荧光粉的发光等现象，涉及到原子能级结构。电子在电场和磁场中的运动轨迹、偏转和聚焦、涉及电子光学。微波管的谐振腔、高频结构中的场模式和场分布，涉及电磁理论。

真空电子学与电子学的其他专业也有多方面的关系。微波管的高频场分布与模式分析，微波管的测试和微波管产生的微波能的应用，涉及电磁场理论及微波技术专业。应用真空电子器件进行信号振荡和放大，可作为雷达、通信、电视广播和导航的发射机，因此，又涉及雷达、通信、导航、电视和广播等专业。使用微波管的电子对抗干扰机和侦察接收机，又与电子对抗有关。还有集成电路和微电子技术工艺上所用的电子束曝光机，等离子体刻蚀机，离子注入机，质量控制及机理研究用的扫描电镜和俄歇能谱仪等，均属真空电子设备，都与真空电子学有较密切的关系。

与社会经济的关系

真空电子技术产品在国民经济中有广泛的用途。大功率的长波和短波发射管的发展，提供了本地区广播和远洋广播的可能性；电视则是在摄像管、显像管和超短波发射管制出后发展起来的。将电视送到全球是依靠地面站和卫星上的微波管传送信号而实现的。

通信、雷达和导航关系到交通和邮电事业。在G.马可尼的实验之前，通信采用有线电设备。而采用大功率发射管的无线电通信技术，就能将电报送过大洋。用磁控管制成的雷达，配备在海轮及客机上，能探测冰山和雪雨云而保障安全。近代飞机能在云上飞行或夜航，就是使用微波管制成的航路监视雷达进行导航的缘故。

应用大功率发射管产生的高频能，适用于熔炼金属或进行金属表面的热处理。应用微波管产生的微波能，适用于介质表皮下的深层加热。这两种能量在工业生产上有广泛的用途，微波能与高频能还可用于医疗，以产生热疗效能。在发达国家中微波炉已用于家庭烹饪。

真空电子学的成就，也为科学研究提供了必需的仪器和设备。高能加速是应用微波能转换为电子或质子动能而连续加速的原理制成的，高能加速须用真空泵和真空量规，供给微波能有速调管，为速调管供给电源的有充氢闸流管等。

用微波管制成的射电望远镜可以发现某些天体辐射出的大量射频能量。电子显微镜的分辨率远优于光学显微镜，因而促进了生物和冶金学的进一步发展。表面分析仪器，不仅可用以进行阴极和真空击穿等研究，同样也是集成电路、金属物理和催化剂研究的手段。

真空电子器件还与国防有密切关系。1940年，磁控管曾为防止夜间轰炸起了作用。此后，微波管又广泛用于搜索、跟踪、火控雷达和电子战用的干扰机及侦察接收机。

主要问题和展望

真空电子器件的发展，是从长波、短波、超短波到微波（一般指分米、厘米波）和正在开拓的毫米波，并有向亚毫米波发展的趋势。一个趋向是改进回旋管的振荡管和放大管；另一个趋向是研究常规微波管毫米波管新的高频结构，使之更利于精密加工。

在向亚毫米波段发展的研究中，人们正在进行自由电子激光器的研究，其中有一类是受激喇曼散射型激光器，采用1～10兆电子伏的加速，预期可工作于毫米波至近红外线范围。这种激光器用周期磁场将相对论速度的电子注扭摆，以形成泵浦电磁波。此入射的电磁波散射成为反向传播的电磁波和电子密度波。

60年代出现了微观和表面分析仪器。利用科学手段研究材料和工艺问题的材料科学，将会使人们比40年代时只拥有宏观观察手段的经验途径更好地研究有关机理和控制质量。这种手段已用于研究阴极、摄像靶、二次发射体及真空击穿现象。

参考书目

T.Mulvey， R.K.Webster， Modern Physical Techniques in Material Technology， Oxford UniversityPress， Oxford， 1974.H.A.Steinherz， Handbook of High Vacuum Engineering， Reinbold Publ.Corp.， New York， 1963.