真空電子器件陰極是在真空電子器件中用於產生電子發射的電極。按供給能量的方式劃分，陰極一般可分為熱陰極、次極發射陰極、光電陰極等。用強電場可使陰極表面勢壘降低、變窄，從而使電子逸出，這樣的發射體稱為場致發射陰極。真空電子器件要求陰極具有發射電流密度大、穩定、壽命長等性能。
基本介紹
- 中文名：真空電子器件陰極
- 外文名：Cathode for vacuum electronic device
- 解釋：用於產生電子發射的電極
- 優點：發射電流密度大穩定壽命長等性能
真空電子器件陰極,
真空電子器件陰極
熱陰極 包括純金屬陰極、碳化敷釷鎢陰極、氧化物陰極、鋇鎢陰極、硼化鑭陰極等。
純金屬陰極 通常用鎢絲加工而成。其發射電流穩定，不需激活，可暴露大氣，適用於可拆卸的器件，但工作溫度高。在 2500K時發射電流密度為幾百毫安/厘米2。
碳化敷釷鎢陰極 將含氧化釷鎢絲繞制的陰極，置於碳氫化合物蒸氣中處理而成。這種陰極機械強度差,但發射電流密度高，在1950～2000K時達幾安/厘米2。在良好的真空條件下，壽命可達幾千小時。主要用於大功率發射管。
氧化物陰極、海綿鎳陰極、粉敷鎳陰極 氧化物陰極是在基金屬（如鎳、鎢等）上用噴槍或其他方法塗敷一層由鹼土金屬碳酸鹽粉末及有機溶劑、粘結劑等組成的發射漿，然後在器件製造過程中進行分解激活，把碳酸鹽轉為發射電子的活性物質，形成良好的電子發射體。這種陰極工作溫度低（950～1150K），發射電流密度大（尤其在短脈衝狀態下），並易於大批生產，因而在收信管、顯像管等器件中得到廣泛套用。但是，由於多孔塗層脆弱疏鬆，電阻大，與基金屬結合又不夠牢固，易於發生塗層過熱打火和寬脈衝發射衰減等現象，直流發射難以超過1安/厘米2，使套用範圍受到限制。
海綿鎳陰極能克服上述缺點。製作時首先在鎳或鉬基金屬上燒結一層鎳海綿層，再將碳酸鹽塗料浸入海綿體中。這種陰極工作溫度比氧化物陰極高几十度，但活性物質儲備量大，金屬性較強，導電性能及導熱性能好，寬脈衝發射電流密度可達數安/厘米2，適用於工作條件較為苛刻的微波電子管。
粉敷鎳陰極製造工藝與普通氧化物陰極類似，只是先用化學汽相沉積的方法將所用的碳酸鹽顆粒表面局部包覆一層鎳膜。這就增強了塗層導電性和機械強度。工作溫度在1100K時,發射電流密度可達1安/厘米2。它的性能介於普通氧化物陰極與海綿鎳陰極之間。
鋇鎢陰極 由多孔鎢體和儲存於多孔體內的活性物質組成。活性物質可以用鋁酸鹽、鎢酸鹽、鈧酸鹽等。多孔鎢一般由鉬或鉭鈮基體固定。這種陰極外形尺寸可以控制得很精確。工作溫度在1200～1400K左右,雖然比海綿鎳陰極溫度高,卻可得到幾安～幾十安/厘米2的發射電流密度。由於發射電流密度大、金屬性強、壽命長，因而在微波電子管中得到廣泛套用。
此外，根據不同需要，活性物質可用氧化釔、氧化釷等，多孔體可用鉬、銥等難熔金屬或合金做成，也可在鋇鎢陰極表面蒸上一層銥、鋨等薄膜構成各類陰極變體。
硼化鑭陰極 一般用單晶或硼化鑭粉末熱壓而成。這種陰極在暴露大氣後在真空中再加熱到工作溫度即可恢復發射，適用於可拆式真空系統，如電子束加工設備中。稀土氧化物陰極,例如在銥絲上塗上一層氧化釔,可在低真空條件下使用。
場致發射陰極 電子束曝光機、電子顯微鏡等設備需要高亮度的細束斑電子源。這種陰極是用化學腐蝕或特殊工藝，將鎢絲加工成表面光滑的尖端。在強電場下，可獲得高達107安/厘米2的發射電流密度。單尖端場發射體用場發射顯微鏡，可以觀察發射表面的放大圖像，用於研究各種表面效應。但這種尖端因受到離子轟擊而容易損壞，即使在較高真空度下工作，壽命仍很短。
如將尖端陰極加熱變為“熱”場致發射狀態，則可在中等真空條件下穩定地工作。除鎢以外，六硼化鑭也是一種較實用的材料。
為了獲得大電流，將鎢針排成陣列（多尖端）或採用刀口形式,形成場致發射陣列陰極。在脈沖場發射X光管中，工作電壓幾百千伏時，陰極發射電流可達一千多安培。低壓（幾百伏）小電流場致發射陣列陰極能瞬時啟動且省電，有可能部分取代熱陰極電子源。
電漿場致發射體或爆發式發射體 利用電漿場致發射或爆發式發射的一種發射體。這種發射體用金屬箔製成。在極強的脈衝電場(約5×109伏/厘米)作用下，隧道效應發射的電子很快使發射體表面上的微小尖端燒毀（爆發），並在表面附近形成濃的電漿。電漿與發射表面相互作用,使發射電流急劇增大,在幾十皮秒內產生106安的發射電流。這種場發射體免除了尖端發射體對超高真空環境的嚴格要求，對發射體尺寸的要求也大大降低。通常在 10-2～10-3帕的高真空環境下，即使是平面電極，在納秒或皮秒時間內也可提供巨大的脈衝電流。
光電發射陰極 用以評價光電陰極性能的主要特性，有積分靈敏度（每1流明的光產生的微安數,即微安/流明）、量子輸出（每個光子產生的平均電子數）、光電靈敏度（發射電子的電荷與光子的能量之比，即庫/焦或安/瓦）、光譜特性(光電流與照射光波長的關係)和暗電流（光電陰極的熱發射電流）等。
光電發射陰極的光譜特性曲線存在一個或兩個峰，其長波閾決定於陰極材料的光電逸出功，而短波限受實際器件中光窗透過性能的限制。
在光電倍增管、攝像管、變像管等器件中須用光電發射陰極。常用的是複雜光電陰極，如銻銫陰極。通常在真空中把銻蒸發到襯底上，然後使銻膜暴露於銫蒸氣中生成銻銫化合物，再經氧敏化處理即可得到高靈敏度的陰極。它對可見光和紫外光都很靈敏，用於一般光電管。銀氧銫光電陰極的工藝過程有蒸銀、銀層氧化、二次蒸銀、銫化及熱處理、蒸銀敏化和氧敏化等。雖然工藝複雜，但其光電發射的閾頻率低，因而用於紅外光電器件中。缺點是暗電流大。銻鉀鈉銫多鹼光電陰極製造的關鍵是在一定氣氛和溫度下，經過複雜的處理過程生成一定結構組成的晶體，然後進行銫激活處理。它有很高的靈敏度，可見光區光譜特性較均勻，紅光與紅外回響好，在微光攝像管中得到套用。對可見光靈敏的實用光電陰極還有鉍銀氧銫、鈉鉀銻和鉀銫銻等陰極。
紫外光電陰極是對波長在 1050～3500┱範圍內某一波段輻射敏感而產生光電子發射的陰極。這類陰極主要有碘化銫陰極，碲銫陰極。金屬金、鈀和鎂在近紫外也有一定的光電子發射效率，多用在一些可拆卸的動態系統中。紫外光電子發射通常受到發射體的光電閾和透射窗的限制，因此都是在較窄波長範圍內靈敏。
新出現的負電子親合勢光電陰極,主要由Ⅲ-Ⅴ族元素化合物材料(如砷化鎵)經銫、氧激活處理而成。這種陰極的製造工藝較複雜,要求較高的晶體外延技術,嚴格的激活工藝等。但其量子效率高、暗發射小、電子能量分布集中、有擴展到長波區的潛力。在光電倍增管及成像器件中已得到套用。
次級發射陰極 電子倍增器、正交場放大管、某些天線開關管等器件中的次級發射陰極，一般使用純金屬（如鉑）。純金屬的次級發射係數不大,但穩定性好,壽命長。
在中小功率真空電子器件中，一般採用合金次級發射陰極，如鈹銅、銀鎂、銅鋁鎂等。材料經過氧化處理（活化），在表面形成適當的氧化層，便可得到較大的次級發射係數。用射頻濺射方法在不鏽鋼基片上沉積細顆粒金－氧化鎂厚膜陰極，其導電性能較好，次級發射係數比純金屬大得多，在細束大電流密度轟擊下壽命較長，有可能用於高功率微波電子管中。
幾乎所有的實用光電陰極（例如銻銫和銀氧銫光電陰極）都是良好的次級發射體，因此也被用在光電倍增管中作為次級發射極。
負電子親和勢陰極次級發射係數可達100以上,如磷化鎵，已用在電子倍增器中。
經表層還原的鉛玻璃是電子倍增系統次級發射體的良好材料之一。它的次級發射係數在2～4之間，對應的初電子能量是300～400電子伏。用它製成單通道電子倍增器,增益極高。輸入一個量子，可以形成含有多達108個電子的脈衝。可以用於探測電子、質子、離子、遠紫外線和X射線等。如製成多通道電子倍增極,則可用於像增強器。
參考書目
劉學愨：《陰極電子學》，科學出版社，北京，1980。
