迴流比

[拼音]：zhenkong dianzixue

[英文]：vacuum electronics

研究帶電粒子（電子、離子）在真空或氣體中運動時與場和物質相互作用的科學和技術，為電子學的一個基礎分支。它的研究內容涉及到相應的器件、儀器和裝置，以及有關的原理、材料和技術。真空電子器件利用靜電控制、電子群聚激勵高頻場、氣體放電的高通導能力、電子束掃描、攝像和顯示等原理，在電子儀器和裝置中起著整流、振盪、放大、調製、檢波、頻率控制和光電變換等作用。

高速電子束和離子束的有效波長比可見光波長短得多。因而，電子束和離子束具有較高的解析度，可用於觀察微細結構和作為探索來獲得表面資訊。在高真空條件下，應用電子束和離子束能進行無汙染的加工和焊接（見真空表面分析技術）。

適應真空電子工作環境的材料和工藝，是真空電子學的技術基礎（見真空電子器件材料、真空電子器件工藝）。帶電粒子與電磁場的互作用，電子、離子與表面互作用，電子發射，氣體放電和電子光學等方面的理論，形成真空電子學的理論基礎。

學科內容與發展簡史

電子源的發現

1883年T.A.愛迪生在試驗中發現熱電子發射現象。他在低真空電燈泡內引入一個金屬電極後，金屬電極接到熱燈絲正端時，在電極與燈絲之間就有電流流動；接到負極時，電流就停止。這就是愛迪生效應。1897年，J.J.湯姆遜進行了用電場和磁場來偏轉負離子的試驗，從兩種偏轉相反並平衡的關係中測量出電子的荷質比值。如果試驗放電管中負離子與電解液中一價離子的電荷相同，湯姆遜的粒子(負離子，即電子)的質量便為氫原子的質量的1/1840，他據此預測電子是小於原子的粒子。這項工作於1906年獲得諾貝爾獎金。1909年，R.A.密立根用油滴試驗測定了電子電荷。他在水平的電容器極板中噴入油滴，而油滴帶上由X射線所產生的離子。不加電場時測油滴下降速度；加電場時測油滴向上速度。這樣計算出的電荷值總是1.60×10

庫的整數倍。密立根因電子電荷測定和光電效應實驗而獲得1923年諾貝爾獎金。O.W.理查森應用熱力學理論推匯出熱電子發射理論（見電子發射）。熱物體內自由運動的電子，如果具有足夠大的動能以克服材料中正電荷的吸引力，則電子可達到物體表面並可從表面逸出。他為此獲得了1928年的諾貝爾獎金。

靜電控制電子管的發明

1896年，G.馬可尼發明無線電報遠距離傳送後，急需檢波器和放大器技術。1897年，J.A.弗萊明首先用方鉛礦、黃鐵礦石製成無線電訊號檢波器。1904年，弗萊明又利用愛迪生效應制出熱陰極二極體。用於檢波效能優於礦石檢波器，也可用作整流器。1906年，L.德福雷斯特申請三極體放大器的專利。這種三極體是在二極體中引入第三電極(控制柵)，它對陰柵電場有較大影響，陰極的效應通過柵孔而滲入陰柵區，從而產生放大效應。最初的三極體增益很低，1912年E.H.阿姆斯特朗利用再生（正反饋）迴路提高了放大器的增益之後，才得到應用。在正反饋時，三極體放大器可用作振盪器。此後，隨制管工藝和技術的改進，三極體的增益進一步提高，發展為實用的三極體。繼三極體後又研製成四極管（增加屏柵）、五極管（增加抑制柵）和其他的多電極管。

靜電控制管用於高頻振盪或放大時，隨著頻率增高會出現電子渡越時間效應，即電子渡越時間使得電流不是在陽極瞬時電壓最低點時到達陽極，而是滯後於陽極電壓最低點。這樣就破壞了最佳工作狀態，又造成功耗增加、輸出功率降低。此外，當渡越時間為週期的二分之一時，振盪可能停止。因此，電子渡越時間限制了靜電控制電子管的頻率上限。當頻率增加即波長縮短時，器件尺寸應相應縮小，但功率輸出反比於頻率的立方。在單位面積耗散恆定時，功率輸出就受到頻率增高的限制。1940年，這種器件的頻率上限為1000兆赫；由於工藝技術的進步，1946年為4000兆赫。

電子群聚高頻場微波管的發明

為了克服靜電控制微波管所遇到的頻率和功率限制，需要尋求新的原理。1920年E.巴克豪森和K.庫爾茨將柵極加正電位，板極加零或小的負電位，利用電子圍繞柵極來回渡越時間產生振盪，使頻率不依賴於外迴路。1938年，瓦里安兄弟發明了速調管。1939年發表了速調管、高頻振盪器和放大器的論文，提出高頻場對電子注的速度調製，引出電子注的密度調製的原理，這是通過場與電子注的互作用，使電子渡越時間從限制因素轉變為有利因素。這是電子管原理上的一次突破。1939年，W.L.漢恩和S.拉莫提出電子注具有空間電荷波的概念，來解釋速調管的工作原理。這推動了行波器件的誕生。1944年，R.康夫納提出，當螺旋線慢波結構上的電磁波波速與電子注的電子速度接近相同時，應有強烈互作用的推理，製出了具有10分貝增益的行波器件，並於1946年發明了行波管。

1921年，A.W.赫耳製出最早的磁控管，並對同軸圓筒中軸向磁場作用下的直流磁控管中電子運動作了分析。1940年，英國人J.蘭德爾和H.布特製出了第一隻高功率（波長為10釐米，峰值功率為10千瓦）高效率脈衝多腔磁控管。這些微波管的高頻結構尺寸都正比于波長，所以進入毫米波時，因尺寸太小，功率又受到限制。突破這一限制的新原理──電子迴旋輻射放大的機理，由R.Q.特威斯在1958年提出。他推導了電磁波通過離化了的介質時的吸收係數，在某些條件下可以產生負吸收（即放大）。1974年，蘇聯Н.И.塞伊切夫等製出突破上述限制的迴旋管（見毫米波與亞毫米波真空電子器件）。

充氣管

將交流功率轉換為直流功率的需要，推動了充氣管的發展。充氣管內充有氣體或蒸氣，其電特性主要由充入氣體或蒸氣在電子撞擊下產生的電離所決定。電離生成的電子和離子參與導電，運動較慢的正離子抵消了電子所形成的負空間電荷，使充氣管具有內阻低、通導電流大和管壓降低的特點。

1913～1914年間，I.朗繆爾研究靜電控制氣體放電管，1929年，A.W.赫耳發明靜電控制閘流管。第二次世界大戰期間，雷達調製器需要著火快、恢復時間短的閘流管。1949年，H.H.威登伯格研製出充氫閘流管，其恢復時間約為靜電控制閘流管的幾分之一。

真空開關器件

真空間隙可以耐高壓，又能通過金屬電弧傳導大電流。1935年，A.克林研究用於天線轉換的真空換接器，50年代發展為電力線路上用的真空開關器件。60年代在真空間隙中加進觸發電極的真空觸發間隙是一種新發展起來的可控真空開關器件。這類器件通導時，效能類似於氣體放電器件；不通導時，則具有真空的高絕緣能力。

攝像、顯示、光電器件的發明

電子束掃描可以解決早期電視攝像機械掃描難於實現的高轉換率所要求的高速度和高精度。1923年，V.K.茲沃雷金進行了電子束掃描與電荷儲存相結合的研究，並於1934年製出第一隻實用的儲存型攝像管（光電析像管），它應用電子掃描和橫向導電率低的光致電荷儲存的影象靶。這是利用靶的光電發射作用原理製成的攝像管，雖然構造較複雜，但卻是以後改進型攝像管的先驅。1950年，P.K.懷莫等應用光電導靶和慢速電子束製成結構簡單，尺寸小的光導攝像管。採用特殊靶材時，光導攝像管可對紅外線、紫外線和X射線攝像。

1897年，K.F.布勞恩用示波管制出第一臺陰極射線示波器。這種示波管用氣體放電來獲得電子發射和形成電子束。1905年，A.威耐爾特在示波管內引入熱陰極，管內填充 10～1帕的氫氣，通過離子聚焦而獲得長而細的電子束。要求示波管偏轉功率低和能夠快速書寫，必須採用靜電偏轉，但靜電偏轉在低真空中工作情況不佳。1930年，茲沃雷金製出第一隻高真空示波管。這標誌著示波管的設計從此開始以電子光學為科學基礎。

近代螢幕大、厚度薄的電視機，要求黑白映象管束流大和偏轉角寬。1957年，L.E.斯維德隆等研究具有離子阱電子槍的 110°映象管。隨著排氣和消氣技術的改進，研製成不用離子阱的直電子槍的映象管。1951年，H.B.勞報道了影孔罩式的三槍彩色映象管。它的三個電子槍為紅、綠、藍三色訊號調製後打到有35.7萬個圓孔的蔭罩上，並指向相應顏色的熒光粉點而顯示彩色影象。

1905年，A.愛因斯坦提出光電發射理論。1910年J.P.埃爾斯特等製出第一隻用氫化鹼陰極的真空光電管。在可見光下，最大量子效率為1％。1929年，L.R.寇勒製出銀氧銫光電陰極的光電管，它對可見光和近紅外線敏感。1936年，P.高爾希利製出銻-銫光陰極的光電管，量子效率達25％。1955年，A.H.桑莫製出多鹼化合物陰極的光電管，量子效率達40％。

次級發射的研究，導致了光電倍增管的誕生。用幾百電子伏的電子撞擊次級發射面，可以射出4～10個次級低速電子。1935年，V.K.茲沃雷金等人制出了最早的倍增管，利用正交的電場和磁場將電子從一個倍增級導致另一個倍增級。

1895年11月8日W.K.倫琴在進行高壓氣體放電試驗時，發現氰化鉑鋇的屏面受激發光，由此發現了 X射線，並因此獲得1901年諾貝爾獎金。

微觀表面質譜分析儀器

1924年，L.V.德布羅意發表了電子具有波和粒子二重性的論文，質量波的波長λ＝h/mv(h是普朗克常數，mv為動量)，他為此獲得了1929年諾貝爾獎金。1927年，C.J.戴維森和L.H.革末從單晶中發現電子衍射，G.P.湯姆遜從薄金箔中發現電子衍射，證實了德布羅意波。戴維森及湯姆遜獲得了1937年諾貝爾獎金。

光學顯微鏡的解析度只有1微米，而電子顯微鏡的解析度可達0.3～1.0奈米。解析度差異的根本原因，在於電子束具有較可見光更短的波長(可見光的波長約為0.5奈米，而100千伏電子的有效波長為0.0037奈米)。1933年，E.魯斯卡製成第一臺電子顯微鏡。利用電子激發元素產生的特徵X射線，是化學分析的一種方式。微區分析的特點，是用細聚焦的電子束激發區域性的區域，所得解析度約為1微米。R.卡斯坦和A.古尼爾先後於1949和1950年將 X射線檢測器聯到具有靜電透鏡的電子顯微鏡上製成電子束探針，檢測能力為100ppm，在10微米3的容積中相當於10

克。

離子束也可作為微觀探索。1962年，卡斯坦等研製成一種離子探針，用氬或氧離子轟擊樣品，使樣品發出二次離子，然後經過磁偏轉質譜儀來分析次級離子，其檢測能力可達一億分之幾。

1925年，P.-V.俄歇觀察到用X射線激出的電子在威爾遜霧室中的蹤跡。1953年，J.J.蘭德用電子激發測量了電子的能量分佈N(E)。1967年，E.J.謝布納等證明低能電子衍射儀可以改裝，用來測量能量分佈。1967年，L.A.哈里斯證明，解析度可用微分dN(E)/dE來改進。1969年，P.W.派爾姆伯格等用鏡筒分析器，將檢測速度提高了幾個數量極。

用質譜儀來分析電子器件內殘氣成分，是研究真空電子器件壽命和陰極環境氣氛的一個重要問題。1919年，F.W.阿斯頓首次進行了同位素的高精度質譜測定，獲得了1922年的諾貝爾獎金化學獎。

1960年，W.D.戴維斯等應用離子在磁場中作圓運動的半徑依賴於離子的質荷比值(m/e)的原理，製出90°扇形磁場偏轉分析器。在此之前，1953年W.保爾等研製成最常用的高頻四級場質譜儀。1951年H.桑末等應用質譜室中心形成離子，正交的磁場與高頻電壓使諧振的離子迴旋加速的原理，報道了迴旋質譜儀。

電子束、離子束和等離子體加工裝置中利用電子束作熱源的高真空裝置，適合高純度難熔金屬和半導體加工技術的需要。這項技術具有不引入沾汙和不受溫度限制的能力（見電子束加工）。利用氣體放電產生的等離子體中的離子，與被刻固體表面進行化學結合，可以進行等離子體刻蝕。1971年，H.厄爾文等申請用輝光放電產生可揮發反應物的刻蝕專利，最常用來刻蝕Si和SiO2，使其在CF4的放電中形成SiF4。

正離子轟擊負電極時，可使電極中射出金屬粒子的現象稱為濺散。1932年，H.F.福魯斯報道了用濺散過程在各種襯底上沉積很薄的金屬膜的方法。此方法用於沉積光學介質膜和在玻璃、雲母、陶瓷上沉積薄膜以製取電阻等其他用途。50年代中期，開始濺散定量測試的研究，G.K.魏納及其同事們於1957、1961和1962年陸續發表了用 50～600電子伏惰性氣體離子和汞離子濺散金屬的詳細資料。

高真空獲得與量測裝置儀器

1913年W.蓋德應用高速旋轉的圓盤的動量轉移給被抽氣體分子的原理髮明瞭分子泵。50年代使用軸流級聯的動片和靜片組，製成渦輪分子泵（見真空獲得技術）。

蓋德於1915年製成擴散泵，1916年經I.朗繆爾改進，應用擴散泵能獲得10-5帕的真空。擴散泵最初用汞，爾後用油作泵液，但油擴散泵的油蒸氣反向流入被抽器件，會造成表面油汙染。為此，真空系統常用一種無油的濺散離子泵。1937年F.M.潘寧觀察到用磁場侷限的直流放電具有抽氣效應；但到1958年，L.D.霍耳才將幾個潘寧室組合成實用的離子泵。

1961年，P.德拉帕爾塔等人提出一種最有效的鋯鋁消氣劑（鋯84％，鋁16％）。利用這種非蒸散型消氣劑表面吸附氣體，然後向塊內擴散獲得抽氣效能，從而製成另一種無油的非蒸散型消氣劑泵。

低溫泵是一項日趨重要的技術，其原理是利用超低溫時的凝結和吸附來排氣，其特點是排氣表面位於排氣室中，抽速不受排氣管的限制，抽速要求越大越能顯示低溫泵的優點。低溫泵很容易得到1000米3/秒的抽速。1961年美國的R.金等人提出一種實用的低溫排氣系統。

應用電子碰撞氣體產生離子流，用離子流來量測真空度，是高真空測量的基本原理。1916年，O.E.布克來研製出能測10-6帕真空度的電離真空規。1947年，W.B.諾丁漢指出上限是由於X射線產生的光電子。1950年，R.T.貝亞得及D.阿爾波特將收集極的圓筒改為細線，以減少截獲X射線而能測到10-8帕。

真空電子材料及工藝

從愛迪生髮現熱電子源後，需要有在高真空中耐高溫工作的材料。1903年A.威耐爾特發現鹼土金屬的氧化物，能在1100K下有顯著的發射電子能力，並於1906年用氧化物陰極裝入整流管內。1909年，W.D.庫利吉用粉末冶金法制取純鎢絲陰極，但需2300K高溫才能發射電子。1934年，朗繆爾研製釷鎢絲（鎢中摻入0.5％～2％的釷）陰極，可將陰極溫度降至2000K左右。由於陰極在高溫工作時表面有蒸發及濺散損失，為了彌補這種損失，1950年H.J.萊門斯等提出儲存式的L陰極，其結構是發射面為多孔的鎢表面。鎢表面下有鋇鍶碳酸物的儲存。

在大功率廣播發射管發展初期，須用無氧銅陽極與玻璃封接。1923年，W.G.豪斯基伯研究刀口封接方法。銅的薄刀口具有塑性流動，消除了銅與玻璃膨脹係數不匹配所引起的應力。1930年，H.斯高特研究能與硬玻璃封接的低膨脹係數的鐵鎳鈷合金(可伐合金)。1934年，西門子等幾家德國公司開始研究陶瓷與金屬封接技術。陶瓷管殼較玻璃管殼具有更高的強度和耐高溫的優點。

中國概況

中國真空電子技術的發展始於30年代，當時用進口材料製作收信管。50年代初，生產出五燈收音機中用的八腳收信管及部分中小功率發射管和充氣管。1952年，高等學校建立相應的專業，並培養大批專業人才。1956年後已能成批生產小型收信管、中小功率發射管、大型發射管及充氣管，並著手示波管和光電管的試製。1956～1967年的12年科學規劃的實施，建立了研究所和工廠產品設計所。50年代末到60年代中，開始按使用者要求研究和試製微波管和充氣管。70年代初，開始用計算機進行電子槍、正交場器件、互作用區的冷陰極起動和磁路等設計。70年代末研製出毫米波大功率迴旋管等器件。由於電視工業的發展，從70年代起進行了黑白映象管和彩色映象管的試製。80年代初，已有現代化的工廠投產，成批生產彩色映象管。

為了使真空電子技術有紮實的基礎，自50年代以來還進行了氧化物陰極、鋇鎢陰極和光電陰極的研究，並研製出迴旋和四極場質譜儀，並用以分析陰極的環境氣氛。研製 X射線光電子能譜儀、俄歇能譜儀和電子顯微鏡等，用以分析表面和剖面的化學成分、原子結構形貌。在真空結構材料方面，試製並生產無氧銅、鎢、鋁、可伐、玻璃、陶瓷、惰性氣體、熒光粉和消氣劑等。在制管技術方面，研究了玻璃、陶瓷與石英的封接技術，精密柵極製造，磁控管陽極擠壓，零件部件釺焊、裝架和檢漏等。主要真空裝置有真空爐、氫爐、真空泵、無油真空排氣機組、電子束焊接機、真空鍍膜機和真空量規等。測試裝置有掃頻測試裝置和脈衝調製器等。

與鄰近學科的相互關係

真空電子學與物理學關係密切。真空的獲得，涉及氣體分子速度分佈及其在管道中運動的氣體分子運動學。充氣器件中的物理現象，涉及到電子碰撞氣體的電離、複合，以及等離子體等氣體放電。熱陰極發射、光電發射、氣體電離與激發態以及熒光粉的發光等現象，涉及到原子能級結構。電子在電場和磁場中的運動軌跡、偏轉和聚焦、涉及電子光學。微波管的諧振腔、高頻結構中的場模式和場分佈，涉及電磁理論。

真空電子學與電子學的其他專業也有多方面的關係。微波管的高頻場分佈與模式分析，微波管的測試和微波管產生的微波能的應用，涉及電磁場理論及微波技術專業。應用真空電子器件進行訊號振盪和放大，可作為雷達、通訊、電視廣播和導航的發射機，因此，又涉及雷達、通訊、導航、電視和廣播等專業。使用微波管的電子對抗干擾機和偵察接收機，又與電子對抗有關。還有積體電路和微電子技術工藝上所用的電子束曝光機，等離子體刻蝕機，離子注入機，質量控制及機理研究用的掃描電鏡和俄歇能譜儀等，均屬真空電子裝置，都與真空電子學有較密切的關係。

與社會經濟的關係

真空電子技術產品在國民經濟中有廣泛的用途。大功率的長波和短波發射管的發展，提供了本地區廣播和遠洋廣播的可能性；電視則是在攝像管、映象管和超短波發射管制出後發展起來的。將電視送到全球是依靠地面站和衛星上的微波管傳送訊號而實現的。

通訊、雷達和導航關係到交通和郵電事業。在G.馬可尼的實驗之前，通訊採用有線電裝置。而採用大功率發射管的無線電通訊技術，就能將電報送過大洋。用磁控管制成的雷達，配備在海輪及客機上，能探測冰山和雪雨雲而保障安全。近代飛機能在雲上飛行或夜航，就是使用微波管制成的航路監視雷達進行導航的緣故。

應用大功率發射管產生的高頻能，適用於熔鍊金屬或進行金屬表面的熱處理。應用微波管產生的微波能，適用於介質表皮下的深層加熱。這兩種能量在工業生產上有廣泛的用途，微波能與高頻能還可用於醫療，以產生熱療效能。在發達國家中微波爐已用於家庭烹飪。

真空電子學的成就，也為科學研究提供了必需的儀器和裝置。高能加速器是應用微波能轉換為電子或質子動能而連續加速的原理製成的，高能加速器須用真空泵和真空量規，供給微波能有速調管，為速調管供給電源的有充氫閘流管等。

用微波管制成的射電望遠鏡可以發現某些天體輻射出的大量射頻能量。電子顯微鏡的解析度遠優於光學顯微鏡，因而促進了生物和冶金學的進一步發展。表面分析儀器，不僅可用以進行陰極和真空擊穿等研究，同樣也是積體電路、金屬物理和催化劑研究的手段。

真空電子器件還與國防有密切關係。1940年，磁控管曾為防止夜間轟炸起了作用。此後，微波管又廣泛用於搜尋、跟蹤、火控雷達和電子戰用的干擾機及偵察接收機。

主要問題和展望

真空電子器件的發展，是從長波、短波、超短波到微波（一般指分米、釐米波）和正在開拓的毫米波，並有向亞毫米波發展的趨勢。一個趨向是改進迴旋管的振盪管和放大管；另一個趨向是研究常規微波管毫米波管新的高頻結構，使之更利於精密加工。

在向亞毫米波段發展的研究中，人們正在進行自由電子鐳射器的研究，其中有一類是受激喇曼散射型鐳射器，採用1～10兆電子伏的加速器，預期可工作於毫米波至近紅外線範圍。這種鐳射器用週期磁場將相對論速度的電子注扭擺，以形成泵浦電磁波。此入射的電磁波散射成為反向傳播的電磁波和電子密度波。

60年代出現了微觀和表面分析儀器。利用科學手段研究材料和工藝問題的材料科學，將會使人們比40年代時只擁有巨集觀觀察手段的經驗途徑更好地研究有關機理和控制質量。這種手段已用於研究陰極、攝像靶、二次發射體及真空擊穿現象。

參考書目

T.Mulvey， R.K.Webster， Modern Physical Techniques in Material Technology， OxfordUniversityPress， Oxford， 1974.

H.A.Steinherz， Handbook of High VacuumEngineering， ReinboldPubl.Corp.， NewYork， 1963.