空間行波管因?yàn)槠涓呖煽俊⒏咝�率、長(zhǎng)壽命特性，一直是空間微波功率放大器的首選器件。陰極是其唯一的壽命限制因素，也是可靠性的重要影響因素。本文分析了覆膜陰極的工作機(jī)理，并結(jié)合壽命實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)覆膜陰極的壽命特性進(jìn)行分析，認(rèn)為覆膜陰極雖然在壽命過(guò)程中，其活性發(fā)生持續(xù)改變;但工作電流保持穩(wěn)定不變，只有在壽命末期才會(huì)發(fā)生明顯改變。陰極在壽命過(guò)程中，功函數(shù)將因?yàn)楹辖鸹�程度、鋇的供應(yīng)、工作溫度以及真空氣氛的影響發(fā)生持續(xù)改變。這些因素可通過(guò)工藝或設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而獲得理想的陰極壽命。

　　空間行波管被稱為“真空電子器件最后的前沿”。自1962年首次應(yīng)用以來(lái)，一直以高可靠性和高的功率重量比而成為衛(wèi)星通信系統(tǒng)的首選器件。對(duì)于空間應(yīng)用的器件，其效率、可靠性和壽命成為最重要的技術(shù)指標(biāo)，而這三項(xiàng)指標(biāo)恰好都與陰極電子源密切相關(guān)。陰極的電子發(fā)射效率是整管整體效率的重要組成部分，陰極的可靠性和壽命是整管可靠性和壽命的主要限制因素之一。M 型陰極作為空間行波管的首選電子源，因?yàn)樵谄胀ㄤ^鎢陰極表面覆膜而使電子發(fā)射能力魔術(shù)性(Magic)提升而得名;自從其發(fā)明以來(lái)，逐漸成為各類(lèi)大功率真空電子器件的首選，整管也就對(duì)M 型陰極提出了更高要求，迫切需要深刻理解其工作機(jī)理，明確其壽命演化規(guī)律。世界各國(guó)都針對(duì)M 型陰極開(kāi)展了深入研究，在此我國(guó)航天技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)刻，作為專業(yè)的陰極研究者有必要對(duì)M 型陰極的工作機(jī)理和壽命演化情況進(jìn)行深入研究。

　　陰極發(fā)射機(jī)理

　　陰極的發(fā)射能力、可靠性以及壽命都與陰極的工作機(jī)理密切相關(guān)，因此，我們首先討論M 型陰極的工作機(jī)理。M 型鋇鎢陰極是當(dāng)前真空電子器件使用最為頻繁的電子源，雖然經(jīng)過(guò)幾代陰極工作者的不懈努力，但是其發(fā)射機(jī)理依然存在很多不明確的地方，但是我們相信，我們正在逐漸接近目標(biāo)。電子從固體中進(jìn)入真空中，需要克服固體表面勢(shì)壘，這層勢(shì)壘的存在確保固體以穩(wěn)定形態(tài)存在。要克服勢(shì)壘就需要電子具有足夠的能量，這個(gè)勢(shì)壘被稱為逸出功，也被稱為功函數(shù)。M 型鋇鎢擴(kuò)散陰極的基本組成結(jié)構(gòu)包括作為框架的鎢海綿、發(fā)射活性物質(zhì)三元鋁酸鹽以及表面的貴金屬膜層。常用M 型陰極的孔度一般為25±2%，活性物質(zhì)為612摩爾比的鋁酸鹽，表面的膜層一般為單元貴金屬，或多元貴金屬，可能為銥，鋨或鋨銥鋁合金等。作為框架的鎢海綿，既是儲(chǔ)存活性物質(zhì)的載體，也作為還原劑生成活性物質(zhì)而參與電子發(fā)射。在高溫情況(高于800℃)鎢將與鋁酸鹽生成活性物質(zhì)-鋇(Ba)，生成鋇將通過(guò)遷移，在陰極表面形成鋇覆蓋層，該覆蓋層就是電子發(fā)射的基石。采用鋁酸鹽的優(yōu)點(diǎn)是鎢與鋁酸鹽的反應(yīng)速度較“溫和”，在工作過(guò)程中能保持穩(wěn)定的鋇生成速率，從而輸送到陰極表面，當(dāng)然，陰極表面的鋇也具有與溫度密切相關(guān)的蒸發(fā)率，當(dāng)生成速率與蒸發(fā)速率相平衡時(shí)，陰極表面就能維持比較穩(wěn)定的鋇覆蓋率，從而獲得比較穩(wěn)定的電子發(fā)射。可見(jiàn)鋇的覆蓋度與陰極電子發(fā)射能力密切相關(guān)。不同種類(lèi)陰極的表面Ba覆蓋度具有很大的差別。普通鋇鎢陰極表面Ba覆蓋度最低，而覆膜陰極表面Ba的覆蓋度就要高很多，相應(yīng)的電子發(fā)射能力也更高。正是因?yàn)槟�層降低逸出功約0.2eV，極大提高了陰極發(fā)射能力。具體是如何降低逸出功，需要首先了解一下鋇鎢擴(kuò)散陰極的工作機(jī)理。

　　結(jié)果與討論

　　從圖2 壽命實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看到，不管是1000℃，還是1020℃，或者不同的電流密度，陰極的工作電流都沒(méi)有發(fā)生明顯改變，雖然測(cè)試的工作電流數(shù)據(jù)有跳動(dòng)，但是其趨勢(shì)沒(méi)有明顯的下降，基本保持穩(wěn)定。如果根據(jù)此趨勢(shì)預(yù)測(cè)陰極命，則只能得到陰極壽命無(wú)限的結(jié)論。但是根據(jù)圖3壽命過(guò)程中測(cè)試的功函數(shù)變化趨勢(shì)，卻可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)了初期(約104　h)的功函數(shù)降低，活性改善后，功函數(shù)將表現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì)，即最大發(fā)射電流密度逐漸降低。根據(jù)目前的變化趨勢(shì)，陰極工作在1000℃時(shí)，最大發(fā)射電流密度將在29.5×104　h降低到1A/cm2;而陰極工作在約1020℃時(shí)，陰極的最大發(fā)射電流密度將在11.5×104　h后降低到2A/cm2。根據(jù)陰極發(fā)射性能變化趨勢(shì)圖，可以發(fā)現(xiàn)陰極變化趨勢(shì)與溫度密切相關(guān)，這一定程度上與金屬鋨以及鋇的擴(kuò)散速率有密切關(guān)系，從更深層次上說(shuō)，正是鋨和鋇的擴(kuò)散速率決定了陰極的性能演化;鋇的覆蓋度是陰極發(fā)射性能的決定性因素，但是決定鋇覆蓋度的因素有多個(gè)，包括表面合金化的程度，活性鋇的供應(yīng)，真空氣氛，溫度等。合金化程度影響鋇與表面的吸附力的大小，溫度決定鋇的遷移速度和蒸發(fā)速率，氣氛影響鋇的消耗。這幾個(gè)因素共同決定了陰極性能在壽命過(guò)程中的演化。這與前文所討論的陰極發(fā)射機(jī)理非常一致。

　　結(jié)論

　　陰極作為唯一的消耗性部件，是真空電子器件壽命的唯一限制因素。在當(dāng)前固態(tài)器件與真空器件競(jìng)爭(zhēng)激烈的狀況下，真空電子器件要維持優(yōu)勢(shì)，必須在工作機(jī)理、工藝技術(shù)方面持續(xù)提高。通過(guò)世界各個(gè)研究實(shí)體廣泛而深入的研究，M 型陰極工作機(jī)理正在逐漸清晰，其壽命表也更加明朗。但是各研究實(shí)體生產(chǎn)陰極的孔度、膜層情況、活性物質(zhì)的種類(lèi)各有不同，陰極的性能和壽命特性就各有不同。陰極壽命實(shí)驗(yàn)表明，陰極預(yù)測(cè)壽命完全可滿足整管的需求，壽命過(guò)程中陰極的性能演化特性與相關(guān)文獻(xiàn)描述基本一致。陰極壽命演化特性表明，陰極的工作溫度，膜層的厚度，環(huán)境氣氛等都是壽命的決定性因素。因此，在空間行波管應(yīng)用中，各方面必須精細(xì)考慮，多方兼顧。