本文在概述金屬材料二次電子發(fā)射性能和用于行波管多級(jí)降壓收集極的低二次電子發(fā)射系數(shù)電極材料研究的基礎(chǔ)上，對(duì)電極材料表面尖錐陣列微結(jié)構(gòu)層對(duì)二次電子發(fā)射性能的影響進(jìn)行了有限元計(jì)算分析，進(jìn)而提出了具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的電極表面微結(jié)構(gòu)層概念，為構(gòu)建新型超低二次電子發(fā)射系數(shù)電極材料提出了思路。

　　在電真空器件中，電極表面或腔體內(nèi)壁受電子轟擊時(shí)引起二次電子的發(fā)射會(huì)直接影響著器件的性能。因此，電極材料必須根據(jù)器件性能要求進(jìn)行合理選擇，或增強(qiáng)、或抑制二次電子的發(fā)射，從而達(dá)到器件性能的優(yōu)化。行波管是一種廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、探測(cè)、以及空間電子技術(shù)領(lǐng)域中的重要微波功率器件。為提高行波管整管效率，不僅需要有高效率的高頻電子注互作用系統(tǒng)和高性能的電子光學(xué)系統(tǒng)，同時(shí)還要求具備高效率和高性能的失能電子收集系統(tǒng)。多級(jí)降壓收集極(Multistage　Depressed　Collectors，MDS)是在國(guó)內(nèi)外行波管中普遍采用的高效失能電子收集部件，通過(guò)減速電場(chǎng)的合理設(shè)計(jì)使失能電子的剩余能量返還給電源，實(shí)現(xiàn)在收集電極上的軟著陸，從而提高行波管的整管效率。但是，完全實(shí)現(xiàn)這種理想狀態(tài)是十分困難的，飛向電極表面的電子總可以通過(guò)與電極的碰撞產(chǎn)生一定量速度矢量背向電極表面的二次電子和背散射電子。這些電子在減速電場(chǎng)的作用下可能造成嚴(yán)重的返流，增加高頻熱耗散功率并形成噪聲，使行波管技術(shù)性能惡化。所以，為了實(shí)現(xiàn)MDC對(duì)失能電子的有效收集、有效抑制MDC電極二次電子發(fā)射，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)認(rèn)為對(duì)避免二次電子返流造成的行波管性能惡化是至關(guān)重要的。

　　本文對(duì)金屬材料二次電子發(fā)射性能和用于行波管收集極的低二次電子發(fā)射系數(shù)電極材料研究進(jìn)行了綜述，并著重對(duì)電極材料表面尖錐陣列微結(jié)構(gòu)層對(duì)二次電子發(fā)射性能的影響進(jìn)行了細(xì)致的有限元計(jì)算分析，進(jìn)而提出了具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的電極表面微結(jié)構(gòu)層概念，為構(gòu)建新型超低二次電子發(fā)射系數(shù)電極材料提出了思路。

1、材料本征二次電子發(fā)射性質(zhì)

　　早期的許多研究表明，金屬的本征二次電子發(fā)射行為決定于材料的化學(xué)組成、晶格結(jié)構(gòu)和電子能帶結(jié)構(gòu)，并隨一次電子能量的變化而變化。用于描述二次電子發(fā)射性質(zhì)的參數(shù)是二次電子發(fā)射系數(shù)，定義為平均每個(gè)一次電子誘發(fā)的二次電子數(shù)。由于進(jìn)入電極材料的一次電子在晶格中的穿透與二次電子在晶格內(nèi)的產(chǎn)生及其逃逸出電極表面等過(guò)程的相互影響，金屬材料的二次電子發(fā)射系數(shù)往往會(huì)在某一入射電子能量時(shí)出現(xiàn)最大值δm，其數(shù)值大小變化于1左右。金屬Li具有最小的δm(0.5)，而Pt具有最大的δm(1.8)。圖1所示為不同原子序數(shù)元素金屬相對(duì)Au的二次電子發(fā)射系數(shù)�？梢钥闯�，金屬M(fèi)o和Ti具有較低的二次電子發(fā)射系數(shù)，δm分別為0.43和0.35。相比之下，Cu的二次電子發(fā)射系數(shù)則要大得多("m =1.3)。盡管如此，由于優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、易加工、易封接等特性，無(wú)氧銅材料仍大量使用于包括行波管在內(nèi)的各種真空電子器件中。

圖1　不同原子序數(shù)金屬相對(duì)Au的二次電子發(fā)射系數(shù)

　　但是，隨著空間行波管對(duì)性能和整管效率提出的新要求，獲得具有更低二次電子發(fā)射系數(shù)的材料用作MDC中的電極一直是人們所希望的。上世紀(jì)80年代末，人們研究了商品金屬鈦以及相關(guān)合金材料的二次電子發(fā)射特性。結(jié)果表明，未經(jīng)表面處理的金屬鈦二次電子發(fā)射系數(shù)δm并不比無(wú)氧銅的來(lái)得低，主要是因?yàn)槠浠顫姷幕瘜W(xué)性質(zhì)使電極表面極易氧化和吸附各種氣體分子，而經(jīng)氮化處理或與Zr和V 形成合金后，其二次電子發(fā)射系數(shù)則可得到20%～50%的降低。美國(guó)NASA 的Lewis研究中心P.Ramins等曾用金屬鈦制作MDC中的電極并直接測(cè)試行波管的整管效率的變化情況，發(fā)現(xiàn)與相同結(jié)構(gòu)和尺寸的無(wú)氧銅電極相比，鈦電極的使用可使行波管整管效率提高約2%，但遠(yuǎn)低于利用各向同性石墨材料加工的電極對(duì)整管效率的提高(約5%)。由于各向同性石墨純度高、價(jià)格低、加工簡(jiǎn)單以及低的二次電子發(fā)射系數(shù)，曾被認(rèn)為是小尺寸高性能行波管MDC的潛在使用材料。

　　碳是一種具有結(jié)構(gòu)多樣性的導(dǎo)電材料。由于無(wú)定形的炭黑具有極低的二次電子發(fā)射系數(shù)，人們將炭黑沉積在無(wú)氧銅電極表面，其MDC使行波管整管效率得到大幅度提高。但是，由于炭黑沉積層與無(wú)氧銅襯底難以實(shí)現(xiàn)很好的結(jié)合，這對(duì)MDC和行波管的可靠性與性能穩(wěn)定性是非常不利的。具有織構(gòu)化的各向異性石墨，如通過(guò)氣相沉積得到的熱解石墨層，其石墨顆粒結(jié)晶學(xué)c-軸相互平行，使材料宏觀上具有顯著的結(jié)構(gòu)和性能各向異性。P.Ramins等的研究結(jié)果表明，用熱解石墨制作MDC電極并使其c-軸盡可能垂直于電極表面時(shí)，測(cè)得MDC失能電子收集效率和行波管整管效率均僅次于沉積炭黑電極(以無(wú)氧銅為襯底)，而遠(yuǎn)高于無(wú)氧銅電極。

　　顯然，這種熱解石墨電極低的二次電子發(fā)射系數(shù)與石墨在其a-b面內(nèi)具有的高導(dǎo)電性密切相關(guān)。應(yīng)該指出，近年來(lái)，隨著石墨烯材料研究的深入，人們測(cè)得在硅襯底上的單層石墨烯具有比所有材料都低的二次電子發(fā)射系數(shù)，其δm約為0.1。

4、結(jié)束語(yǔ)

　　隨著高性能真空電子器件的發(fā)展，超低二次電子發(fā)射系數(shù)電極材料將會(huì)因技術(shù)需求而受到人們的重視。由于金屬材料本征二次電子發(fā)射特性在選擇上的局限性，在電極表面形成特定結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)層，通過(guò)有效調(diào)控一次電子和二次電子與微結(jié)構(gòu)的相互作用以提高二次電子的限域幾率，必將成為實(shí)現(xiàn)電極材料二次電子發(fā)射系數(shù)超低化的有效途徑之一。