探索终极真空管
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1962年7月，Telstar1号卫星发射升空，这一巨大的飞跃拉开了全球互联的序幕，成就了今日被我们视为理所当然的世界。Telstar 1号首次以空间中继的方式实现了各大洲之间的实时电视画面和电话传输，特别是缅因州安多弗市，以及英国和法国地面站之间的传输。如此长距离的传输得益于微波中继器。这种中继器的核心是外形小巧、功能强大的真空设备，称为行波管。当时，这种30厘米长、玻璃材质的电子管是唯一功率足够进行跨大洋宽带电视信号传输的设备。固态器件还不足已胜任这一任务。
半个多世纪后，行波管放大器依然统治着卫星通信领域。你没看错——太空中的真空管依然承担着高清卫星电视、卫星广播的传输任务。
当然，与通信卫星当年搭载的3.5瓦、4千兆赫放大器相比，2015年初发射的DirecTV-15卫星使用的数十个极为高效的微波放大器已经不可同日而语。最新一代行波管能在高达22千兆赫的频率上输出180瓦的功率，效率接近70%，额定寿命超过15年。虽然新旧微波放大器的基本功能相同，都是放大射频信号，但其他各个环节（设计、测试、材料和工艺）都发生了变化。
这就是我要阐述的观点。60年来，在电脑、接收器和电源等领域，真空管都已让位于固态器件，但真空技术依然不断演进，延伸进入了新的领域。世界各地仍有一小部分专业技术精湛的工程师和科学家潜心研究这一技术，形成了价值数十亿美元的产业。其原因在于，行波管和其他真空设备在大功率微波源、毫米波和亚毫米波辐射上依然性能卓越（真空管还用于乐器和高端音响的放大器，但是这里所讨论的真空管是用于产生射频波而不是音频波）。此外，真空设备的效率高、频带宽，能够紧凑且可靠地工作。得益于制造方式，以及金属和陶瓷的材质，行波管具有与生俱来抵御辐射的能力（不同于固态器件），也能承受较为极端的温度和机械条件。除卫星通信外，行波管还广泛应用于雷达、电子作战和其他军事系统。
从目前形势看，我们对新型、具有潜在革命性的行波管（超紧凑和超高效的冷阴极行波管）的研究在2020年之前就能产出实用性的设备。这是真空管发展史上令人激动的时刻，原因如下。
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时常有人攻击真空管是老掉牙的古董设备，很快就会被半导体取代，真空电子学大师罗伯特•S•西蒙斯（Robert S. Symons）对此回应说：“就算当时先发明了晶体管，真空管也肯定随后便会问世。”站在西蒙斯一边的人自然会同意真空管贡献巨大，值得继续开发，但遗憾的是很多人对这一技术依然抱有偏见。
原因不在于我们已经有了芯片，而是真空管的优势到底是什么？让我们回顾一下真空管的构造。真空管的核心为射频源，是采用固态或真空电子设备的电源转换器，用于将部分输入电转换成射频功率。输入功率是输入电流和输入电压的乘积。行波管的运行电压很高，一般从几千伏至数十千伏不等，也就是说行波管仅需很小的电流就能产生很强的电子束。行波管确实需要大功率输入才能运行，但是紧凑型高压电子设备的进步已经解决了这一问题。
相比而言，射频源使用的固态器件的运行电压很低，砷化镓电源一般为8到10伏，氮化镓电源最高约为70伏。因此，为了获得大功率输出，需要很高的电流，但这可能使芯片线路过热。关键在于，例如为了达到一个300瓦行波管的输出功率，需要多个固态器件共同工作，这不仅增加了结构复杂度和成本，而且所获得的射频源的效率最多也只是现代行波管的一半左右。
为了解真空管的工作原理，我们先看一下真空管的基本组成：一台电子枪（电子枪的阴极经过加热产生电子束，阳极将电子束加速至高速状态，大多数情况下阴极附近的电子束控制栅电极，负责开启和关闭阴极）；与电子束交互的电磁电路；一个集电极，用于捕获射出交互电路的电子束；聚焦磁铁，用于聚集在管内传输的电子束。前3个部分——电子枪、交互电路和集电极——位于高真空环境中（约10-8帕斯卡），而磁铁位于真空管外部。我们将管体在高于500摄氏度的温度下持续加热超过24小时，以清洁管体内壁，排出残留气体，制造真空状态。现代真空管的管壁已经摒弃了玻璃，转而使用耐热、耐腐蚀的金属，如钨和钼，以及铸铁、高纯度铜和高温陶瓷。
真空管的工作原理如下：首先，电子枪通过交互电路中心射入电子束；行波管中最常见的电路呈螺旋状。然后，需要放大的射频信号进入螺旋电路。由此产生的电磁波自螺旋电路向外传播，对射入的电子束产生电磁力。首先进入螺旋电路的电子将沿电子束方向加速；半个周期后，进入的电子将减速。随着电子束穿过电路，较快的电子将取代较慢的电子，从而形成成束的电子。
因此，起初进入螺旋电路的未调制电子束电流在信号频率上具有了射频的组成部分。调制的电子束在螺旋电路中引起电磁场，电磁场进一步作用于电子；随后螺旋电路中的信号以指数形式放大——这就是我们获得的信号。但是，根据能量守恒原理，在射频信号放大的同时，电子束的动能会衰减，速度会下降。
即便如此，电子束通过电路时，通常也仅有约四分之一到三分之一的电子束能量转换成射频信号，也就是说电子束通过电路后依然带有很多能量。为了回收这部分动能，我们使用降压集电极进一步降低电子束的速度。降压集电极本质上是一系列电极，工作原理与混合动力汽车的再生制动器相似。现代空间行波管配备了四级或五级降压集电极，能够回收80%以上的电子束能量，使总体工作效率达到65%，甚至更高。集电极带有散热片，用于将真空管和卫星的热量散发到寒冷的宇宙空间。固态器件从未使用过类似降压集电极的组件。
由于真空管内是精确的低真空，电子束近乎完美地聚焦，因此电子束穿过电路时几乎不会因为碰撞损失能量。相比而言，固态器件中的电子在半导体内游走时会经受诸多碰撞，因此会在晶体管连接处和器件内部产生废热。散热为何会成为大功率固态器件的最大挑战之一也就不难明白了。与行波管相比，固态器件的性能更容易受工作温度变化的影响。
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那么自Telstar1号卫星的时代至今，是什么因素造就了真空管在性能和效率上的巨大飞跃？在某种程度上，得益于运算设计、工程材料和精密加工上的进步，固态器件和真空器件在过去50年来一直在并行发展。
例如，计算机建模和仿真使工程师能够对真空管的阴极、集电极以及二者间的所有部件进行建模，结果得出的原型可在第一时间进行测试，这在10年前是无法想象的。真空管设计师如今可以制造过去无法想象的多重电子束真空设备，如诺斯洛普•格鲁门公司的多重电子束行波管能够在214千兆赫下产生惊人的50瓦脉冲功率。该行波管使用5个单独的电子束，而非1个电子束，因此能够在更低的电压下工作，需要的磁聚焦强度更低。只需使用现代计算工具就可以了解产生聚焦、捕获电子束和射频能量转换建模所涉及的复杂三维物理学。
与此同时，精密加工上的进步使新的设计有了走出图纸、走进现实的可能。加利福尼亚大学戴维斯分校的研究人员使用高速微加工技术——刀具转速超过5万转/分，肉眼根本看不清——加工尺寸精度达到微米级的金属结构。这种精密的结构能产生如今最复杂的行波管通常所需的超高频率。在半导体产业方面，诺斯洛普•格鲁门和Teledyne Scientific公司的工程师已经在硅片上刻蚀出行波管。作为对微机电系统（MEMS）技术的拓展，美国海军研究实验室正利用紫外线光刻和电镀结合工艺制造用于毫米波行波管的高精度全金属结构。鉴于增材制造的进步，3D打印真空管组件离我们也没有那么远了。
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工程材料也为真空管制造带来了小规模的变革。我想很多人都没听过纳米氧化钪掺杂钨粉，但这种材料却是真空管阴极取得数十年来最大发展的功臣。
如前文所述，阴极是真空管内电子束的来源或发射端。大多数真空管使用热离子发射器，在加热至约1000摄氏度时会产生丰富的电子流。（400摄氏度能够把牛排烤焦。）最常见的阴极包括浸渍在多孔钨基中的钡混合物。加热后，钡混合物不断扩散到表面，形成一层薄氧化层。这一氧化层具有所谓的“逸出功”，用于衡量电子从其中逸出的难度（用电子伏表示）。逸出功越低，发射电子所需的温度越低，钡的蒸发率越低，阴极的寿命因此越长。一般而言，逸出功每降低0.2电子伏，阴极寿命增加两倍。如今阴极的逸出功约为2.0电子伏；覆盖薄金属表层会使逸出功降为1.8电子伏。
如今，阴极的工作温度取决于其电流密度，即单位面积通过的电流量。谨慎控制空间行波管的电流密度能使阴极的寿命达到20年；通常，地面真空管的工作电流密度更高，因此使用寿命仅为7年。但是，真空管的设计者们一直在寻求能够降低逸出功的材料，从而延长真空管的寿命。
因此，氧化钪进入了研究人员的视野。多年来，研究人员已经了解钨和氧化钪制成的钪酸盐阴极拥有较低的逸出功，但是将这一想法转化成可用的商业器件的尝试始终无法成功。不过，北京工业大学的王亦曼和她的同事发现，由氧化钪和钨的纳米晶粉末制成的阴极具有活跃的电子发射能力，逸出功为1.43电子伏，使标准行波管阴极寿命延长了两倍以上。这一进步使我们能在更高的电流密度下操作阴极，极大地简化了高频毫米波和亚毫米波真空管所需的细电子束聚焦程序。
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钪酸盐阴极已经具有非凡的性能，如果热离子发射体用无须加热的发射体代替，前景将更为诱人。这无疑是革命性的跨越。真空管工程师甚至为这种设备想好了名字：冷阴极行波管。能够在环境温度工作的阴极将具有多种优势：无需加热器；阴极不会损耗；真空管无需预热，可即开即用；无需过强的电流，因为发射器不受工作温度的限制。此外，还可在阴极调制电子束的电流，如同在分米波电视发射机的大功率真空管中调制一样，只不过如今将在微波频率调制。冷阴极真空管将带来新一代超紧凑、高保真、高效率的放大器，可用于小型卫星上的大功率、微型发射器等领域。
这也是研究人员数十年来潜心钻研冷阴极行波管的原因。1966年，加州门洛帕克斯坦福国际研究所的查尔斯•斯宾特（Charles “Capp” Spindt）和肯尼斯•舒尔德斯（KennethShoulders）在他们的论文《微米级场致发射管研究》中首先讨论了冷阴极行波管的优势。
尽管在无须加热的情况下发射电子束有多种多样的方法，但是斯宾特和舒尔德斯在近50年前提出的方法还是最具前景的：场致发射。只须在发射器表面和真空管之间形成强电场就可实现场致发射。通常，由于室温下金属中的自由电子无法穿过金属表面的势垒，因此会被束缚在固体内。但是当金属受到加热时（如热离子发射体），一些电子会获得足够的能量穿过势垒。
而在场致发射场景中，在金属表面施加向内的电场时，电子会受到向外的作用力，同时势垒被削弱；随着电场不断增强，势垒进一步减弱。为了达到行波管中的场致发射水平，势垒必须降低至能使电子溢出的水平。从量子力学角度而言，电子通过“隧道”穿越了势垒。为了获得数量足够的溢出电子，必须施加很强的电场，超过10亿伏/米。相比而言，在雷暴中，本地电场达到2000伏/米就已经相当危险了。
那么如何在不施加过高电压的情况下获得强电场呢？答案就在纳米制造上。众所周知，两个电极距离越近，之间的电场越强。因此，如果将带正电的栅电极（即模拟阴极发射的电极）和带负电的栅电极之间的距离缩小到1微米以下，即可在发射器表面形成向内的强电场。我们还将发射器的性能缩小至纳米级，然后利用锋锐的边沿和尖端自然产生强电场，有点类似纳米级的避雷针。这样就可获得在100伏以下工作的场致发射阴极了。
迄今为止，以总发射电流和电流密度衡量，性能最好的还是斯坦福国际研究所斯宾特、克里斯多夫•霍兰（Christopher Holland）和保罗•斯库贝尔（Paul Schwoebel）研制的设备。他们研制的阴极由数万个微米级钼锥组成，堆积在面积约为1平方毫米的圆形硅基上。每个钼锥都是一个电子发射器，2.5微米厚的二氧化硅绝缘层中为每个电子发射器刻蚀出井道，将其置于其中。绝缘层外的超薄金属涂层作为场致发射阴极阵列的栅电极。
十多年来，我和同事大卫•威利（DavidWhaley）一直与斯坦福国际研究所的团队合作，旨在将这一实验室成果转化成更加实用的设备。主要的成就包括100瓦冷阴极行波管在4至6千兆赫频率下首次运行，以及冷阴极首次产生100毫安电子束。威利和我研制的行波管通过冷阴极能产生超过15安培/平方厘米的电流密度，远高于热离子阴极常见的2安培/平方厘米。事实上，由于我们产生的电流密度很高，因此在推动电子束通过螺旋电路前必须将电子束放大而不是压缩。
在发生电击穿故障前，该阴极状态良好地工作了一百五十多个小时。由于结构内的强电场和薄层栅电极，“易发生故障”一直是场致发射阴极的主要挑战。栅电极和任何一个发射器锥发生短路都将烧毁整个发射器阵列，使设备瘫痪。
此外，我们在斯坦福国际研究所的团队开发出了能够降低短路破坏作用的功能。通过在锥基和栅电极之间增加介电层（可以理解为盾牌），这种功能可以切断电击穿路径。我所在的L-3电子设备公司在行波管中测试了斯坦福国际研究所研发的阴极，在18千兆赫的频率下产生了10瓦的功率，创下了冷阴极设备工作频率的新纪录。测试显示，新的阴极更能抵御单个发射器的故障。
高工作电压是行波管的另一个挑战。虽然场致发射器阴极能够在100伏左右发射电子，但若将电子束加速并聚焦，进而与螺旋电路产生互动，还需要高得多的电压。但同时，还应避免产生高压电弧，例如正极和场致发射器阴极之间的高压电弧。我们还在寻找方法，防止游离的离子返回，撞击阴极门电路和场致发射器尖端。我们在行波管上面安装了静电离子屏障，阻挡离子返回阴极。
虽然冷阴极行波管领域还需要完成许多工作，但我坚信，我们可以在5年内生产出实用的设备。诸如我们的进展突显了真空电子学的相关性和活力，即使再经过100年的发展亦是如此。也许，这也是为什么美国国防部高级研究计划局（DARPA）于2015年8月份宣布了旨在进一步推进该领域发展的两个新项目。真空技术不会沉寂，而将继续打破性能瓶颈，打开新的应用领域。
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在放大无线电频率信号方面，行波管独占鳌头。上图是现代行波管（上）和1950年的行波管（下）。在两种行波管中，都是阴极受热发射电子束，然后注入螺旋电路。
需要放大的射频信号在螺旋电路外沿电路产生电磁波，对进入电路的电子束产生作用力。电子束进入螺旋电路时未经调制，经调制后成为射频的组成部分。调制在螺旋电路外产生电磁场，电磁场作用于电子，射频信号因此呈指数级放大。
在现代行波管中，未转化成射频信号的电子束能量由降压集电极回收，原理与混合动力汽车的再生制动器相似，使整体效率达到65%，甚至更高。除此以外，设计、测试和加工工艺上的进步也使行波管继续领先于固态射频发射源。近期关于冷阴极行波管的研究还将带来革命性的真空管电子设备。
作者：Carter M. Armstrong
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