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，對電極材料表面尖錐陣列微結(jié)構(gòu)層對二次電子發(fā)射性能的影響進行了有限元計算分析，進而提出了具有三維網(wǎng)絡結(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)壁受電子轟擊時引起二次電子的發(fā)射會直接影響著器件的性能。因此，電極材料必須根據(jù)器件性能要求進行合理選擇，或增強、或抑制二次電子的發(fā)射，從而達到器件性能的優(yōu)化。行波管是一種廣泛應用于雷達、通信、導航、探測、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系統(tǒng)，同時還要求具備高效率和高性能的失能電子收集系統(tǒng)。多級降壓收集極(Multistage　Depressed　Collectors，MDS)是在國內(nèi)外行波管中普遍采用的高效失能電子收集部件，通過減速電場的合理設(shè)計使失能電子的剩余能量返還給電源，實現(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的作用下可能造成嚴重的返流，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，為了實現(xiàn)MDC對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.mp99x.cn/)認為對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)電極材料研究進行了綜述，并著重對電極材料表面尖錐陣列微結(jié)構(gòu)層對二次電子發(fā)射性能的影響進行了細致的有限元計算分析，進而提出了具有三維網(wǎng)絡結(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)，定義為平均每個一次電子誘發(fā)的二次電子數(shù)。由于進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程的相互影響，金屬材料的二次電子發(fā)射系數(shù)往往會在某一入射電子能量時出現(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Au的二次電子發(fā)射系數(shù)�？梢钥闯�，金屬Mo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)異的導電、導熱、易加工、易封接等特性，無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Au的二次電子發(fā)射系數(shù)

　　但是，隨著空間行波管對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并不比無氧銅的來得低，主要是因為其活潑的化學性質(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%，但遠低于利用各向同性石墨材料加工的電極對整管效率的提高(約5%)。由于各向同性石墨純度高、價格低、加工簡單以及低的二次電子發(fā)射系數(shù)，曾被認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)多樣性的導電材料。由于無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氧銅襯底難以實現(xiàn)很好的結(jié)合，這對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，如通過氣相沉積得到的熱解石墨層，其石墨顆粒結(jié)晶學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，測得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(以無氧銅為襯底)，而遠高于無氧銅電極。

　　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)具有的高導電性密切相關(guān)。應該指出，近年來，隨著石墨烯材料研究的深入，人們測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

　　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。