什么是真空电子器件阴极?

什么是真空电子器件阴极?

[拼音]：zhenkong dianzi qijian yinji

[外文]：cathode for vacuum electronic device

在真空电子器件中用于产生电子发射的电极。按供给能量的方式划分，阴极一般可分为热阴极、次极发射阴极、光电阴极等。用强电场可使阴极表面势垒降低、变窄，从而使电子逸出，这样的发射体称为场致发射阴极。真空电子器件要求阴极具有发射电流密度大、稳定、寿命长等性能。

热阴极

包括纯金属阴极、碳化敷钍钨阴极、氧化物阴极、钡钨阴极、硼化镧阴极等。

纯金属阴极

通常用钨丝加工而成。其发射电流稳定，不需激活，可暴露大气，适用于可拆卸的器件，但工作温度高。在 2500K时发射电流密度为几百毫安／厘米2。

碳化敷钍钨阴极

将含氧化钍钨丝绕制的阴极，置于碳氢化合物蒸气中处理而成。这种阴极机械强度差，但发射电流密度高，在1950～2000K时达几安／厘米2。在良好的真空条件下，寿命可达几千小时。主要用于大功率发射管。

氧化物阴极、海绵镍阴极、粉敷镍阴极

氧化物阴极是在基金属（如镍、钨等）上用喷q或其他方法涂敷一层由碱土金属碳酸盐粉末及有机溶剂、粘结剂等组成的发射浆，然后在器件制造过程中进行分解激活，把碳酸盐转为发射电子的活性物质，形成良好的电子发射体。这种阴极工作温度低（950～1150K），发射电流密度大（尤其在短脉冲状态下），并易于大批生产，因而在收信管、显像管等器件中得到广泛应用。但是，由于多孔涂层脆弱疏松，电阻大，与基金属结合又不够牢固，易于发生涂层过热打火和宽脉冲发射衰减等现象，直流发射难以超过1安／厘米2，使应用范围受到限制。

海绵镍阴极能克服上述缺点。制作时首先在镍或钼基金属上烧结一层镍海绵层，再将碳酸盐涂料浸入海绵体中。这种阴极工作温度比氧化物阴极高几十度，但活性物质储备量大，金属性较强，导电性能及导热性能好，宽脉冲发射电流密度可达数安/厘米2，适用于工作条件较为苛刻的微波电子管。

粉敷镍阴极制造工艺与普通氧化物阴极类似，只是先用化学汽相沉积的方法将所用的碳酸盐颗粒表面局部包覆一层镍膜。这就增强了涂层导电性和机械强度。工作温度在1100K时，发射电流密度可达1安／厘米2。它的性能介于普通氧化物阴极与海绵镍阴极之间。

钡钨阴极

由多孔钨体和储存于多孔体内的活性物质组成。活性物质可以用铝酸盐、钨酸盐、钪酸盐等。多孔钨一般由钼或钽铌基体固定。这种阴极外形尺寸可以控制得很精确。工作温度在1200～1400K左右，虽然比海绵镍阴极温度高，却可得到几安～几十安／厘米2的发射电流密度。由于发射电流密度大、金属性强、寿命长，因而在微波电子管中得到广泛应用。

此外，根据不同需要，活性物质可用氧化钇、氧化钍等，多孔体可用钼、铱等难熔金属或合金做成，也可在钡钨阴极表面蒸上一层铱、锇等薄膜构成各类阴极变体。

硼化镧阴极

一般用单晶或硼化镧粉末热压而成。这种阴极在暴露大气后在真空中再加热到工作温度即可恢复发射，适用于可拆式真空系统，如电子束加工设备中。稀土氧化物阴极，例如在铱丝上涂上一层氧化钇，可在低真空条件下使用。

场致发射阴极

电子束曝光机、电子显微镜等设备需要高亮度的细束斑电子源。这种阴极是用化学腐蚀或特殊工艺，将钨丝加工成表面光滑的尖端。在强电场下，可获得高达107安/厘米2的发射电流密度。单尖端场发射体用场发射显微镜，可以观察发射表面的放大图像，用于研究各种表面效应。但这种尖端因受到离子轰击而容易损坏，即使在较高真空度下工作，寿命仍很短。

如将尖端阴极加热变为“热”场致发射状态，则可在中等真空条件下稳定地工作。除钨以外，六硼化镧也是一种较实用的材料。

为了获得大电流，将钨针排成阵列（多尖端）或采用刀口形式，形成场致发射阵列阴极。在脉冲场发射X光管中，工作电压几百千伏时，阴极发射电流可达一千多安培。低压（几百伏）小电流场致发射阵列阴极能瞬时启动且省电，有可能部分取代热阴极电子源。

等离子体场致发射体或爆发式发射体

利用等离子体场致发射或爆发式发射的一种发射体。这种发射体用金属箔制成。在极强的脉冲电场(约5×109伏／厘米)作用下，隧道效应发射的电子很快使发射体表面上的微小尖端烧毁（爆发），并在表面附近形成浓的等离子体。等离子体与发射表面相互作用，使发射电流急剧增大，在几十皮秒内产生106安的发射电流。这种场发射体免除了尖端发射体对超高真空环境的严格要求，对发射体尺寸的要求也大大降低。通常在 10-2～10-3 帕的高真空环境下，即使是平面电极，在纳秒或皮秒时间内也可提供巨大的脉冲电流。

光电发射阴极

用以评价光电阴极性能的主要特性，有积分灵敏度（每1流明的光产生的微安数，即微安／流明）、量子输出（每个光子产生的平均电子数）、光电灵敏度（发射电子的电荷与光子的能量之比，即库／焦或安／瓦）、光谱特性(光电流与照射光波长的关系)和暗电流（光电阴极的热发射电流）等。

光电发射阴极的光谱特性曲线存在一个或两个峰，其长波阈决定于阴极材料的光电逸出功，而短波限受实际器件中光窗透过性能的限制。

在光电倍增管、摄像管、变像管等器件中须用光电发射阴极。常用的是复杂光电阴极，如锑铯阴极。通常在真空中把锑蒸发到衬底上，然后使锑膜暴露于铯蒸气中生成锑铯化合物，再经氧敏化处理即可得到高灵敏度的阴极。它对可见光和紫外光都很灵敏，用于一般光电管。银氧铯光电阴极的工艺过程有蒸银、银层氧化、二次蒸银、铯化及热处理、蒸银敏化和氧敏化等。虽然工艺复杂，但其光电发射的阈频率低，因而用于红外光电器件中。缺点是暗电流大。锑钾钠铯多碱光电阴极制造的关键是在一定气氛和温度下，经过复杂的处理过程生成一定结构组成的晶体，然后进行铯激活处理。它有很高的灵敏度，可见光区光谱特性较均匀，红光与红外响应好，在微光摄像管中得到应用。对可见光灵敏的实用光电阴极还有铋银氧铯、钠钾锑和钾铯锑等阴极。

紫外光电阴极是对波长在 1050～3500┱范围内某一波段辐射敏感而产生光电子发射的阴极。这类阴极主要有碘化铯阴极，碲铯阴极。金属金、钯和镁在近紫外也有一定的光电子发射效率，多用在一些可拆卸的动态系统中。紫外光电子发射通常受到发射体的光电阈和透射窗的限制，因此都是在较窄波长范围内灵敏。

新出现的负电子亲合势光电阴极，主要由Ⅲ-Ⅴ族元素化合物材料(如砷化镓)经铯、氧激活处理而成。这种阴极的制造工艺较复杂，要求较高的晶体外延技术，严格的激活工艺等。但其量子效率高、暗发射小、电子能量分布集中、有扩展到长波区的潜力。在光电倍增管及成像器件中已得到应用。

次级发射阴极

电子倍增器、正交场放大管、某些天线开关管等器件中的次级发射阴极，一般使用纯金属（如铂）。纯金属的次级发射系数不大，但稳定性好，寿命长。

在中小功率真空电子器件中，一般采用合金次级发射阴极，如铍铜、银镁、铜铝镁等。材料经过氧化处理（活化），在表面形成适当的氧化层，便可得到较大的次级发射系数。用射频溅射方法在不锈钢基片上沉积细颗粒金－氧化镁厚膜阴极，其导电性能较好，次级发射系数比纯金属大得多，在细束大电流密度轰击下寿命较长，有可能用于高功率微波电子管中。

几乎所有的实用光电阴极（例如锑铯和银氧铯光电阴极）都是良好的次级发射体，因此也被用在光电倍增管中作为次级发射极。

负电子亲和势阴极次级发射系数可达100以上，如磷化镓，已用在电子倍增器中。

经表层还原的铅玻璃是电子倍增系统次级发射体的良好材料之一。它的次级发射系数在2～4之间，对应的初电子能量是300～400电子伏。用它制成单通道电子倍增器，增益极高。输入一个量子，可以形成含有多达108个电子的脉冲。可以用于探测电子、质子、离子、远紫外线和X射线等。如制成多通道电子倍增极，则可用于像增强器。

参考书目

刘学慤：《阴极电子学》，科学出版社，北京，1980。