真空电子器件的发展

真空电子器件的发展

聂大伟

身份证号：220702198208181014

摘要：本文讨论了真空电子器件进一步发展的前景、方向和技术路线图。指出真空电子器件的小型化和集成化对提高我国装备的性能和战斗能力有重要的作用。真空电子器件虽然有百年发展历史，但今天它仍然是处在发展中的一种器件，它和微电子、光电子和新材料科学的融合，不仅产生了新的器件，还将给装备带来新的性能和战斗能力。

关键词：小型化，微波，真空电子，集成

微波真空电子器件的工作原理给予它天然的优势，或者说是天然的生命力，其原理是真空中的电子注和周围介质的互作用产生微波。这种工作原理使得它可以工作在任意电压和任意电流条件下，即高文库 电压、大电流；中等电压、中等电流和低电压、低电流状态。因而微波真空电子器件的功率可以大到吉瓦、兆瓦、千瓦、百瓦；小到瓦和毫瓦。这个优点是半导体器件所不具备的。半导体器件的工作电压和其所用的材料密切相关。第三代半导体器件的工作电压，目前可达到50V，这就限制了它所能够达到的功率水平。真空电子器件的另一个优势是电子注中未用完的能量可以回收，使其具有高效率。以空间行波管为例，采用四级降压收集极，总效率可达到70%以上，这么高的效率是固态器件无法达到的。在宽带行波管（如6-18GHz）中，总效率也已达到40%以上。在同样波段，固态器件要达到40%以上是困难的。

真空电子器件中的电子速度可以达到相对论速度，决定了它可以获得更高的工作频率。近年来太赫兹器件的发展表明，真空电子器件工作频率已经达到1THz，170GHz时的输出功率可达到兆瓦级。

真空电子器件可以承受核辐射和其他电磁辐射的影响，因此它在空间装备中成为一个重要的器件。固态器件抗辐射的能力远低于真空电子器件。在现代高技术局部战争条件下，抗辐射能力是一个必须考虑的因素。

真空电子器件的这些优势就决定了它不可能被其他器件所取代。它在结构、可靠性、寿命上存在的问题，如体积大、高电压、打火、寿命等问题，一定会在进一步发展中得到解决。

一、微波真空电子器件的发展战略

微波真空电子器件的进一步发展方向是高功率、高频率、高可靠、高效率和小型化，即称之为“四高一小”。真空电子器件具有大功率、高频率、高效率，这是大家都公认的优点；目前显示出来的问题是易打火、寿命短、体积大、不适合有源相控阵体制使用；这些问题不是真空电子器件固有的“特性”，可以通过降低电压和改进工艺等措施来克服；真空电子器件的特点是能获得比固态器件更大的功率和效率；真空电子器件发展改进的方向就是要发挥它自身的优点，克服存在的缺点，满足装备的需求。 

真空电子器件将继续提高其输出功率，特别是在兆瓦级大功率速调管、回旋管和相对论器件方面为装备提供大功率微波发射能力的支持；如高功率电磁武器需要的微波功率源，输出功率要达到20GW或更高，为ITER提供的140GHz-170GHz兆瓦级回旋管正在国内外开发。在新频段开拓方面，将向毫米波和亚毫米波（太赫兹）频域发展，为装备提供更大带宽、更高通信速率、直接成像、精确探测等所需的功率源；空间行波管效率将提高到70%以上，宽带行波管效率也将提高到50%以上，为空间装备、电子战和无人机等装备提供大功率、高效率、高可靠器件。

微波真空电子器件的发展方向

近年来要重点发展的技术之一是解决微波波段应用的小型化器件问题。因为2/3的装备都工作在微波波段；毫米波波段虽然重要，但它传输距离有限，毫米波波段装备数量也有限。真空电子器件大功率、高效率和宽频带的特性，将更加有效地提高我国装备的性能和战斗能力。利用真空电子器件、固态器件和光电子器件三者的共同支持，才能构建先进的国防装备。

真空电子器件的工作原理是利用电子注和场的相互作用，将电子注的动能转化成微波或放大信号的能量。该原理的最大优点是它能适应大功率器件工作，也能适应小功率器件工作；也就是说，它可以工作在高电压、大电流；也可以工作在低电压、小电流；或者是电压与电流的任何组合状态。其结构适合于采用各种介质材料，也适合各种加工方式。正是这种结构上的适应性和灵活性，使得真空电子器件百年发展以来，没有出现严格的分代概念。固态器件之所以要分代，因为新一代器件的发展，必须建立在新一代材料的基础上。发展新材料的目的在于提高器件的工作电压。固态器件目前只能工作在低电压、大电流状态；第三代半导体器件依赖于GaN材料，因为GaN器件的工作电压比GaAs器件的工作电压高，它输出的功率必然大于GaAs器件。由此可以预期，下一代半导体材料，无论是什么材料，它所形成器件的工作电压一定高于GaN器件。新材料的发展是一件困难的事情，需要时间和技术。

对真空电子器件 而言，小型化、大功率，只需要解决结构问题，其难度要小得多。

真空电子器件的小型化主要针对下述几方面的应用需求：一是有源相控阵天线系统，包括星载、机载、舰载、地面装备都可能应用这种系统，这就要求器件横向尺寸小于工作波长的1/2；二是电子战系统，多波束干扰机要求器件小型化，机载、星载干扰系统也要求器件小型化；三是诱饵设备或系统，它在机载、舰载及地面都有大量需求；四是无人机系统，无人机在现代战争中将会越来越重要，其装备将包括小型雷达、干扰机、通信设备、侦察设备等。

三、真空在电真空器件中的应用 

由于各种电真空器件的工作原理是基于电场、磁场来控制电子在空间的运动借以达到放大、振荡、显示图象等目的。因此避免电子与气体分子间的碰撞，保证电子在空间的运动规律，防止发射热电子的阴极氧化中毒，把电子器件内抽成不同电真空器件所要求的不同真空度、保证电子器件的正常工作，是绝对必要的。 

真空科学与航天技术密切相关的主要环节来至于空间的环境模拟，因为运载火箭、人造卫星、载人飞船、空间站、宇宙探测器以及航天飞机等各种空间飞行器，在空间飞行的过程中、都是在宇宙的自然真空中进行的。因此他们除了直接的受到空间真空环境的影响外，还要受到太阳辐射、各种带电粒子及温度的影响。这些因素将造成材料性能的改变或损伤；仪器灵敏度的失灵，从而会破坏这些飞行器的工作，甚至会造成宇航员的伤亡。

随着科学技术的发展、特别是近年来计算机和微电子学、生物工程、材料科学、表面科学、航天和航海工程等高技术科学的发展，对真空科学要求越来越高。真空科学做为这些高技术发展不可缺少的技术必将起到更加重要的作用。例如，在目前微电子学及其纳米级电子材料和元器件的发展中。对真空系统不仅要求采用高真空、超高真空和真空气氛清洁无油，而且要求耐腐蚀、耐粉尘。 为了适应这些要求，在真空获得设备中制造各种于式泵、耐腐蚀泵，进一步发展磁悬浮式分子泵和能够避免强磁场及等离子体对涡输分子泵金属转子产生涡流发 热的用陶瓷做成转子的新型分子泵，是很必要的。在真空测量方面，我国与国外也存在较大的差距，主要表现在真空规管的结构，电子线路的设计，集成电路和自动换挡及数字显示等新技术的采用上。因此尽快的改变我国真空测量仪器的现状，促进这一技术向多用化、自动化及体积小、外形美等方面发展，也是一个重要的问题。此外，追赶当前国际上在极高真空测量和特殊条件下的真空测量颈域中的先进水平、也是我国真空工作者一项责无旁贷的艰巨任务。