第六章 电真空材料

1、微波电真空器件国家级重点实验室微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院电子科技大学物理电子学院第一章第一章 微波电真空器件概论微波电真空器件概论主讲人：段兆云主讲人：段兆云 教授教授E-mail：微波电真空器件国家级重点实验室微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院电子科技大学物理电子学院6.1 发射材料发射材料1.简介电子发射的四种方式：热电子发射、场致电子发射、简介电子发射的四种方式：热电子发射、场致电子发射、光电子发射、二次级（次级）电子发射。这样就对应于四光电子发射、二次级（次级）电子发射。这样就对应于四种发射阴极。阴极被誉为电真空器件的种发射阴极。阴极被誉

2、为电真空器件的“心脏心脏”。光电子发射：光辐射物体。物体中的电子吸收了足够大的光电子发射：光辐射物体。物体中的电子吸收了足够大的光量子的能量后，就可以逸出场体。光量子的能量后，就可以逸出场体。次级电子发射：靠轰击物体表面并穿入物体内部的电子把次级电子发射：靠轰击物体表面并穿入物体内部的电子把动能传递给物体内的电子，使它们得到足够的能量而逸出。动能传递给物体内的电子，使它们得到足够的能量而逸出。第六章第六章 电真空材料电真空材料微波电真空器件国家级重点实验室微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院电子科技大学物理电子学院2.热电子发射和热阴极热电子发射和热阴极a.热电子发射现象热电

3、子发射现象早在早在1883年年Edison在白炽灯中另加一个电极，首次在真空在白炽灯中另加一个电极，首次在真空中观察到了热电子发射现象。当时把这一现象称之为中观察到了热电子发射现象。当时把这一现象称之为Edison-effect。Edison-effect的本质直到的本质直到1897年才被年才被Thomson揭露。热电子的发射电流密度随温度变化非常快。揭露。热电子的发射电流密度随温度变化非常快。实验数据在很大的范围内近似地符合下面的经验公式：实验数据在很大的范围内近似地符合下面的经验公式：其中其中a,b是两个实验常数。对于许多金属而言，是两个实验常数。对于许多金属而言，a值都很接值都很接近，但

4、近，但b值则不相同值则不相同。微波电真空器件国家级重点实验室微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院电子科技大学物理电子学院后来经过后来经过Richardson和和Dushman的更深入的研究和更精确的更深入的研究和更精确的推导，得到了的推导，得到了Richardson-Dushman eq. :微波电真空器件国家级重点实验室微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院电子科技大学物理电子学院微波电真空器件国家级重点实验室微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院电子科技大学物理电子学院 b.热阴极及其分类热阴极及其分类定义：利用能产生热电子发射的材料制成的

5、阴极叫热阴极。定义：利用能产生热电子发射的材料制成的阴极叫热阴极。a. 直热式阴极；直热式阴极；b. 间热式阴极。间热式阴极。按加热方式分按加热方式分:按材料不同分按材料不同分:a. 纯金属阴极：钨（纯金属阴极：钨（W），钼（），钼（Mo），钽（），钽（Ta）,铌（铌（Nb）等；等；b. 薄膜阴极：钍钨阴极，在钨表面形成一层钍原子薄膜；薄膜阴极：钍钨阴极，在钨表面形成一层钍原子薄膜；c. 氧化物阴极：是由钡（氧化物阴极：是由钡（Be）、锶（）、锶（Sr）、钙（）、钙（Ca）等碱）等碱土金属的氧化物混合体作为发射材料制成的阴极；土金属的氧化物混合体作为发射材料制成的阴极；d. 储备式阴极：钡钨阴

6、极。储备式阴极：钡钨阴极。微波电真空器件国家级重点实验室微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院电子科技大学物理电子学院简介钡钨阴极：简介钡钨阴极：因为钡钨阴极在微波电真空器件应用的最广泛，所以我以因为钡钨阴极在微波电真空器件应用的最广泛，所以我以此为例来介绍钡钨阴极的特点、制备等。此为例来介绍钡钨阴极的特点、制备等。1) 特点：特点：钡钨阴极就是利用海绵状钨的多孔性，即钨粒间有相当大钡钨阴极就是利用海绵状钨的多孔性，即钨粒间有相当大的间隙的钨体做成阴极，使大量活性物质储备在这样的阴的间隙的钨体做成阴极，使大量活性物质储备在这样的阴极钨体中，或者储备在钨体下面专门的小室中，钡原子

7、就极钨体中，或者储备在钨体下面专门的小室中，钡原子就可以源源不断地沿着钨粒间的孔隙向表面扩散，从而使阴可以源源不断地沿着钨粒间的孔隙向表面扩散，从而使阴极保持稳定的发射。极保持稳定的发射。优点：优点：a.发射能力大，寿命长，耐离子轰击和抗中毒能力强，而发射能力大，寿命长，耐离子轰击和抗中毒能力强，而且在结构上有良好的机械且在结构上有良好的机械;b.强度、耐冲击、抗震动。强度、耐冲击、抗震动。微波电真空器件国家级重点实验室微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院电子科技大学物理电子学院缺点：缺点：a.阴极蒸发问题，影响阴极的使用寿命。阴极蒸发问题，影响阴极的使用寿命。2） 制备：制

8、备：关于浸渍式钡钨阴极和压制式钡钨阴极的制备过程，请同学关于浸渍式钡钨阴极和压制式钡钨阴极的制备过程，请同学们见教材们见教材P525526。下面我给大家介绍几个基本方法。下面我给大家介绍几个基本方法。a.激活：所谓的激活过程就是要使阴极产生超额钡原子。因激活：所谓的激活过程就是要使阴极产生超额钡原子。因为自由钡原子的存在以及足够多的钡原子扩散到阴极表面，为自由钡原子的存在以及足够多的钡原子扩散到阴极表面，才可能使阴极具有良好的发射能力。才可能使阴极具有良好的发射能力。b.老炼：把阴极在比工作温度稍高的温度下保持一定时间，老炼：把阴极在比工作温度稍高的温度下保持一定时间，同时支取电流，轰击其他电

9、极使之出气，让所出气体被新蒸同时支取电流，轰击其他电极使之出气，让所出气体被新蒸发的吸气剂吸收掉，使发射更加稳定。发的吸气剂吸收掉，使发射更加稳定。c.阴极中毒：受管内残余气体或残留物后作用，阴极的电子阴极中毒：受管内残余气体或残留物后作用，阴极的电子发射能力迅速下降。发射能力迅速下降。d.活性物质：能提供发射电子的物质。活性物质：能提供发射电子的物质。微波电真空器件国家级重点实验室微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院电子科技大学物理电子学院3.场致电子发射和场致发射阴极场致电子发射和场致发射阴极上面我们讲了热电子发射，但它存在如下的缺点：上面我们讲了热电子发射，但它存在如下

10、的缺点：需要消耗能量来加热发射体，而且效率低；需要消耗能量来加热发射体，而且效率低；阴极这种热的耗散会使周围的电极升温，引起放弃，阴极这种热的耗散会使周围的电极升温，引起放弃，蒸发加剧，从而又会引起打火、漏电，甚至极间短路；蒸发加剧，从而又会引起打火、漏电，甚至极间短路； 热电子发射热能利用率低，一般而言，不超过热电子发射热能利用率低，一般而言，不超过100A/cm2； 阴极工作需要一个预热时间，器件才能正常工作。阴极工作需要一个预热时间，器件才能正常工作。微波电真空器件国家级重点实验室微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院电子科技大学物理电子学院微波电真空器件国家级重点实验室

11、微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院电子科技大学物理电子学院但是场致电子发射还存在明显的缺点：但是场致电子发射还存在明显的缺点： 较高的工作电压；较高的工作电压；发射的总电流很小；发射的总电流很小；发射不够稳定；发射不够稳定；寿命不够长。寿命不够长。所以场致电子发射阴极在电真空器件中还远未其它实用化。所以场致电子发射阴极在电真空器件中还远未其它实用化。但是我的期望随着科技的进步，这些缺点会被逐步克服的！但是我的期望随着科技的进步，这些缺点会被逐步克服的！微波电真空器件国家级重点实验室微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院电子科技大学物理电子学院微波电真空器件国家级重点实验室微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院电子科技大学物理电子学院微波电真空器件国家级重点实验室微波电真空器件国家级重点实验室电子科技大学物理电子学院电子科技大学物理电子学院图图6-1钼尖锥钼尖