书名：现代真空电子学原理及应用
ISBN：978-7-115-66251-4
本书由人民邮电出版社发行数字版。版权所有，侵权必究。
您购买的人民邮电出版社电子书仅供您个人使用，未经授权，不得以任何方式复制和传播本书内容。
我们愿意相信读者具有这样的良知和觉悟，与我们共同保护知识产权。
如果购买者有侵权行为，我们可能对该用户实施包括但不限于关闭该帐号等维权措施，并可能追究法律责任。
编 著 宫玉彬 王少萌 路志刚 张 平 等
责任编辑 贺瑞君
人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
邮编 100164 电子邮件 315@ptpress.com.cn
网址 http://www.ptpress.com.cn
读者服务热线：(010)81055410
反盗版热线：(010)81055315
本书共分为15章。第1章～第5章从真空环境切入，主要介绍真空电子学的发展历程、基础知识；第6章～第8章详细阐述真空电子学研究的新方法，以及基于真空电子学的高频率器件与高功率微波技术；第9章～第11章分别介绍先进制造工艺、新材料在真空电子学领域的应用，以及真空电子学中的新机制；第12章～第15章分别介绍真空电子学在生物医学工程与能源领域的应用，以及真空电子器件在微光夜视、通信与探测领域的应用。
本书适合真空电子学、电磁场与微波技术、太赫兹科学技术等相关领域的研究人员阅读，也适合电子通信类专业的研究生和高年级本科生参考。
真空电子学是一门理论与工程结合非常紧密的学科。自真空二极管问世以来，真空电子学领域不断有新的理论被提出，新的技术被发明。真空电子器件家族不断有新成员加入，在功率电磁波的产生与放大方面发挥了难以替代的作用。随着电磁波技术的新应用不断发展，真空电子器件的舞台也越来越大。美国瓦里安、加拿大CPI、日本东芝、法国泰雷兹等企业，长期引领现代真空电子器件技术的发展。我国在大功率真空电子器件的产品研发及制造工艺等方面起步较晚，器件的制造工艺、寿命、可靠性等方面与国外产品相比还有一定的差距。近年来，真空电子器件在小功率、低频率等领域还要面对半导体器件的强力竞争，市场对真空电子器件技术创新水平的要求也不断提升，高性能真空电子器件的创新周期快速缩短，因此，有必要系统地介绍真空电子器件的基本原理、新的发展趋势与技术、新的系统应用等，支持真空电子器件领域的人才快速成长，从而推动我国真空电子器件技术在不久的将来实现超越与引领。
本书力求回答如下问题：什么是真空电子器件？为何真空电子器件的结构如此复杂？为什么电子与电磁波可以发生能量交换，并实现电子的加速或电磁波的功率放大？如何实现电磁波的降速？不同类型真空电子器件的原理与结构有何异同？本书从真空电子器件的基础理论出发，详细地介绍作者团队在近30年的研究工作中探索过的真空电子器件创新机制、新型结构、新颖应用等相关内容，包括大功率真空电子器件的原理和设计要点，行波管的高频率、大功率、低电压、小型化等方面的创新机制和新型结构。随着科技的不断进步，先进制造工艺如激光烧蚀、三维（3D）打印等得到了快速发展，作者团队在真空电子器件的新工艺和新材料等方面进行了初步尝试，相关成果在本书中也有介绍。本书还对真空电子器件研制过程中的复杂工艺流程和解决方案进行总结，希望能够多方位、立体地展现真空电子器件的完整面貌，最后对真空电子器件的系统应用进行简略展望。本书的内容涉及面广，对真空电子器件的介绍力求全面。同时，本书各章相对独立，方便读者选择性地阅读。
参与本书编写工作的有宫玉彬教授、张平教授、王少萌教授、王战亮研究员、路志刚研究员、杨生鹏副教授、柳建龙副教授、许多博士等。此外，博士研究生董洋、郭靖宇、汪雨馨、杨友峰、王宇欣、段景瑞、田密等参与绘制了大部分图片，在此一并表示感谢。
由于作者水平有限，书中难免有不足之处，恳请广大读者批评指正。
宫玉彬
2025年2月于成都
真空电子学是研究真空中与电子相关的物理现象的学科，主要研究领域包括荷电粒子的产生和操控、电磁波的传输与操控、荷电粒子与电磁波和物质的有条件相互作用等。从研究对象来讲，真空电子学涉及静电场、静磁场、电磁场、力、热等多物理场的深度融合；从功能实现来讲，真空电子学吸收、融合了材料、机械、固体物理、电磁场技术等多门学科的理论和方法。真空电子学是研究各类真空电子器件和粒子加速器等真空电子装置的基础。
真空电子学在现代科技领域（如无线电通信、微波技术、医学影像、粒子加速器、激光技术等）中有着广泛的应用。真空电子器件主要包括电子管、阴极射线管、微波管，以及涉及真空电子原理的光电子器件等，这些器件在不同领域中发挥着重要的作用。真空电子学的研究和应用对推动现代科技的发展具有重要意义，它不仅为通信、医疗、能源等领域提供了关键技术支持，还为科学研究提供了重要工具和手段。随着科技的不断进步和发展，真空电子学领域的研究也在不断深化和拓展，为人类社会的发展做出重要贡献。
真空电子学的创立，可以追溯至常被人们称为“电学世纪”的19世纪。这一时期的物理学硕果累累：电磁学得以建立，电磁波的存在得到实验证明；人们对电磁波谱也有了比较完整、统一的认识；电子和电子发射现象被发现。这些成就为真空电子学的研究与应用奠定了基础。
“真空”这个概念是在300多年前产生的。1643年，物理学家托里拆利做了这样一个实验：首先在一端密封的长玻璃管中注满汞，然后把玻璃管倒过来，插入一个盛有汞的槽内。这时发生了一个令托里拆利惊讶的现象：汞并不全都流入槽内，而是形成了一根汞柱，汞柱的顶端形成了一段真空。他测量了汞柱的高度，大约是760mm。他由此计算出1个标准大气压的数值，即在标准重力加速度下，高度为760mm的汞柱在单位面积上的压力。帕（Pa）是压强的单位，1Pa等于0.0075mmHg。
气体分子时刻处于杂乱无章的运动状态下，分子之间不断地发生着相互碰撞。在两次碰撞之间，分子自由飞过一段路程，称为自由程。两次碰撞之间的自由程各不相同，由此平均自由程的概念被提出。气体分子的平均自由程可以通过近似计算得到，在标准大气压下，气体分子的平均自由程很小，只有几十纳米；在
Pa下，平均自由程达5mm；当压强降到
Pa时，平均自由程更大，达到几十米！
虽然在高真空环境下气体分子的平均自由程很大，但是容器内气体分子的数量还是非常多的。以
Pa的真空为例：分子的平均自由程等于50cm，在1cm3的体积内，气体分子数为4万亿个！可以看出，所谓“真空”，并不是一个真正空虚的空间，里面还有大量的气体分子。但我们应该承认，在高真空下，容器里又是一个相当空虚的空间，气体分子可以自由运动，在器壁间往返多次才能遇到另一个气体分子。
在真空电子学中，“真空”指的是电子管或真空室内部气压非常低（几乎可以忽略不计）的状态。电子管或真空室中的气压通常非常接近零，这样可以减小电子与气体分子碰撞的可能性，从而保证电子的自由移动和传输。这种几乎无气体的环境有助于提高电子器件的性能和可靠性。真空相关的概念还包括真空度、真空密度、真空泵等。真空度表示一定空间内真空的程度，通常用压强或气体分子数来表示；真空密度则表示单位体积内的气体分子数；真空泵是将空气或其他气体抽取出来以获得真空状态的设备。截至本书成稿之日，人们已经研究出各种真空泵（如机械泵、扩散泵、离子泵、分子泵等），再加上一些辅助方法，可以获得Pa以下的高真空环境。
在真空电子学中，了解真空的性质和特点对设计和制造真空电子器件是至关重要的，因为真空环境会影响器件的性能和运行效果。因此，理解真空相关的概念是真空电子学研究和应用的基础。
在真空电子器件中，从阴极发射的电子将在电场与磁场的作用下运动，在运动过程中，必须尽量避免与气体分子发生碰撞。所以，真空电子器件内应该保持足够高的真空度，也就是平均自由程应该大于管壳的尺寸。电子管的真空度通常优于Pa，即平均自由程大于几十米！此外，电子管的阴极属于活性表面，也需要在真空的环境下工作，以保证发射表面不受破坏，使电子管具有比较长的寿命。
真空电子学属于电子学，是研究电子在真空或广义真空环境中运动时与场和物质相互作用的学科，研究内容涉及相关的原理、材料和技术，以及相应的器件和设备等。真空电子学的开端可以追溯到19世纪末20世纪初，当时科学家们开始研究真空中电子的行为，电磁波和电子的发现为真空电子学的诞生奠定了基础。1858年，普吕克根据真空放电现象发现了阴极射线；1864—1865年，麦克斯韦预言了电磁波的存在，并提出了电磁波辐射理论和光的电磁波学说；1883年，爱迪生发现了灼热灯丝发射带负电粒子的现象，即爱迪生效应；1887年，赫兹用火花隙振荡器产生电磁辐射，证实了电磁波的存在；1897年，约瑟夫·约翰·汤姆孙研究认定阴极射线为带负电的粒子（电子）组成的流，标志着自由电子的发现。
有线通信和无线电通信的发展促进了真空电子学的诞生。1837年，莫尔斯发明了电报机；1876年贝尔发明了电话机，开创了人类电通信的历史；1895年，英国的马可尼和俄罗斯的波波夫分别进行了无线电波传播实验；1901年，马可尼的横贯大西洋的无线电报实验获得成功；1906年，费森登用调制无线电波发送音乐和讲话，完成了历史上最早的无线电广播实验。通信技术的日益发展迫切需要性能优良的信号源、检波器，这催生了电子管的发明。
1904年，英国的弗莱明发明了二极电子管（后文简称二极管），用作检波器，这是最早的电子管。1906年，美国的德福雷斯特发明三极电子管，它是能够产生和放大电磁波的有源器件，后来成为无线电装备的核心器件。电子管的发明拉开了电子科学技术新时代的序幕。
由于受到电子惯性、电极本身及其导线的分布阻抗的影响，基于静电控制原理的电子管工作频率的提高受到极大限制。20世纪20年代起，科研人员相继发明了磁控管、速调管和行波管等动态控制微波电子管。它们利用渡越时间效应使电子注群聚，利用谐振腔等分布参数电路代替集总参数电路，大大提高了器件的工作频率和功率。这些动态控制微波真空电子器件的发明和发展，大大推动了雷达、通信系统、广播系统和加速器等微波电子系统的发展。
由于受到器件尺寸、材料和工艺技术的限制，磁控管、速调管和行波管等微波真空电子器件在产生毫米波和更短波长电磁波方面遇到了很大困难。为了克服上述技术困难，1958—1959年，澳大利亚的特威斯、美国的施奈德和苏联的伽波诺夫分别独立地预测与提出了以电子在静磁场中做回旋运动的相对论效应为基础的电子回旋谐振受激辐射的机理。1965年，这一机理得到了实验证实。随后，苏联科学家利用电子回旋谐振受激辐射这一机理做出了回旋管，这也是第一个重点发展的电子回旋脉塞器件。由于在毫米波段及亚毫米波段表现出来的卓越性能，回旋管为毫米波、亚毫米波在雷达系统、毫米波通信、高功率微波系统、受控热核聚变等领域的应用起到了很大的推动作用，因此得到了世界各国的重视，并先后开展了回旋管的理论和应用研究。
在各种类型微波真空电子器件发展的同时，包括微波电子学、阴极电子学、电子光学、微波理论和技术、真空材料和工艺等学科和技术在内的真空电子学获得了快速发展，为解决电子注与高频电路相互作用、电子发射、电子注的形成和聚焦、高频互作用电路、器件的材料和焊接工艺等科学技术问题奠定了理论和技术基础。
电子管是一种最早出现的电信号放大器件。1904年，英国物理学家弗莱明在爱迪生效应的基础上制成了第一个电子管——灵敏检波二极管（见图1-1），标志着世界开始进入电子时代。这个二极管包括一个发射电子的灯丝和一个阳极。灯丝被加热到一定温度后，可以发射电子。阳极被放置在离灯丝不远处。灯丝和阳极都被置于真空中。当灯丝处于负电位，阳极处于正电位时，灯丝发射的电子将被阳极所吸引并收集，使连接此二极管的外电路导通。当灯丝处于正电位，而阳极处于负电位时，灯丝发射的电子将不能到达阳极，二极管不导通，因而外电路也不导通。此二极管被用于无线电通信系统作为检波器，极大地提高了系统的灵敏度和可靠性。
图1-1 弗莱明发明的二极管
1906年，美国发明家德福雷斯特在弗莱明二极管的灯丝和阳极之间放入了一个栅极，从而发明了三极电子管（见图1-2）。当栅极上存在小的电压变化时，阳极上可得到相应的大的电压变化，也就是说栅极上的电压信号被放大了。这是人类获得的第一个电子信号放大器。因此，许多人将三极电子管的发明看作电子工业真正的起点。三极电子管为人们打开了信号放大与调制的大门，成为20世纪初最伟大的发明之一。三极电子管的问世推动了无线电电子学的蓬勃发展。到1960年前后，国外的无线电工业年产约10亿个无线电电子管。电子管除了被应用于电话放大器、海上和空中通信，还广泛渗入家庭娱乐领域，将新闻、教育节目、文艺和音乐等播送到千家万户。就连飞机、雷达、火箭的发明和进一步发展，也有电子管的一臂之力。
图1-2 三极电子管
三极电子管的发明和改进使其能在射频波段提供几千瓦到几十千瓦的功率输出，为广播电台的建立提供了核心器件。1920年，西屋电气公司（Westinghouse Electric Corporation）在匹兹堡建立了第一个广播电视台，到1924年就有约500家广播电视台在美国建立。
阴极射线管（CRT）是另一类电子管，它利用电子在真空中的运动受电场和磁场控制，以及电子轰击荧光屏发光的原理，在荧光屏上再现被传输的图像。1930年，美国开始研究黑白电视，到20世纪40年代黑白电视开始试播，第二次世界大战以后得到了普及。
随着科技的发展，人们对生产机械的要求向体积越来越小的方向发展，而电子管的体积大，且在移动过程中容易损坏，于是人们开始寻找和开发可替代电子管的产品。后来，晶体管的出现使越来越多的机械不再使用电子管。晶体管的出现是人类在电子学方面一个大的飞跃。
微波管是一种用于产生、放大和调制微波信号的电子器件，它经历了4个关键阶段。
微波管的概念起源于20世纪初期的无线电技术研究。在这个阶段，人们开始意识到电子管可以用来生成和调制无线电频率信号。1904年，英国物理学家约翰·弗莱明发明了真空二极管（又称弗莱明管）。这是最早的电子管，能够实现电流的单向导通，为电子管技术的发展奠定了基础。1906年，美国发明家李·德福雷斯特在真空二极管的基础上增加了栅极，发明了真空三极管，实现了信号的放大功能。真空三极管的发明标志着电子管技术的重大突破，为后续微波管的发展提供了理论和技术支持。
随着理论研究的深入与雷达技术应用需求的增长，微波管的研究进入快速发展阶段，人们研制出了多种基于电子注与高频结构互作用的微波管。1921年，美国科学家阿尔伯特·赫尔发明了磁控管。这种器件能够高效产生微波信号，极大地提升了雷达的性能。1937年，美国发明家拉塞尔·瓦里安和西格德·瓦里安兄弟发明了速调管，早期应用于雷达和通信系统的微波信号放大。1943年，鲁道夫·康夫纳发明了行波管，实现了宽频带微波信号的放大。1946年，美国贝尔实验室改进了速调管结构，开发出反射速调管，应用于早期微波振荡器。1949年，返波管理论初步形成，后续由贝尔实验室等团队完善并通过实验验证，最终返波管成为毫米波和太赫兹信号源的核心器件。
20世纪50年代起，微波管技术进入成熟阶段，应用领域迅速扩展：磁控管逐渐被广泛应用于微波炉、雷达和通信系统，速调管和行波管开始成为卫星通信、电视广播和科学研究中的重要器件，返波管则开始被应用于毫米波辐射源及其频谱分析系统。1957年，苏联发射第一颗人造卫星“斯普特尼克1号”，它的通信系统中采用了行波管，标志着微波管在空间通信中的首次应用。到了20世纪60年代，微波管技术进一步发展，特别是在高功率和宽频带领域；行波管成为卫星通信的核心器件，支持了全球通信网络的建设；速调管在粒子加速器和高能物理实验中得到广泛应用。随着核聚变研究的推进，需要频率更高（毫米波、太赫兹）和功率更高的微波源，而传统微波管无法满足需求，在此背景下，苏联科学家基于电子回旋脉塞机理发明了回旋管。
20世纪70年代，固态器件（如双极型晶体管、场效应晶体管和集成电路）的快速发展对微波管构成了挑战。在低功率领域，固态器件因体积小、功耗低、造价低、可集成的优势在诸多领域逐渐取代了微波管。尽管如此，微波管在高功率和高频率领域仍保持优势，特别是在雷达、卫星通信和科学研究中。20世纪80年代，微波管技术继续改进，应用领域进一步扩展。行波管和速调管在电子装备和空间通信中仍不可替代。磁控管在工业加热、医疗设备及家用微波炉中得到广泛应用。回旋管则开始应用于核聚变实验装置（如托卡马克）中的电子回旋共振加热。
20世纪90年代，微波管技术在高功率和特殊应用中继续发展。行波管和速调管在卫星通信、雷达等应用中占据重要地位。微波管在医疗设备（如癌症治疗中的微波热疗）和工业加热领域得到应用。进入21世纪，微波管技术进一步优化，应用领域更加多样化。例如，在粒子加速器[如欧洲核子研究中心（European Centre for Nuclear Research）的大型强子对撞机]中，速调管被用于提供高功率微波信号。在空间通信中，行波管放大器是卫星通信系统的核心部件。返波管在太赫兹通信、成像及光谱分析研究中发挥着重要作用。随着新材料、新工艺、新结构的发展，微波管在高频率、大功率、小型化的太赫兹源技术与应用领域正展现出新的潜力。
下面从速调管的发明来看微波管的崛起。起初，人们想要利用普通的栅控电子管来产生波长更短的振荡，或者在微波频率下进行放大。但是，一些原来没有料到的现象出现了：普通栅控电子管在频率提高时，输出功率迅速减小。进一步研究表明：电路和电子运动两个方面的问题导致栅控电子管在频率提高时性能变差。
（1）电路方面。栅控电子管通过金属电极和导线与外电路连接。任何一根金属导线都有一定的电感，并且电感与导线的长度和直径有关：导线越长，电感越大；导线越细，电感也越大。一根直径为1mm、长为3cm的导线，电感约为0.025μH。在频率低时，它的影响的确是微乎其微的。在1GHz频率下，这根导线的感抗则会高达157Ω。所以，栅控电子管里的导线在微波频率下会使电子管的输入电压和输出电压下降。此外，相隔一定距离的两块通电金属板之间具有一定的电容，栅控电子管工作时，各个电极之间也有一定的电容，叫作极间电容。栅控电子管的导线电感与极间电容一起决定了电子管的固有振荡频率。在这个频率下，栅控电子管的输入端等效于短路。如果向电子管输送的信号频率等于电子管固有振荡频率，信号就无法输入。
（2）电子运动方面。电子从一个电极到达另一个电极所需要的时间，叫作电子的渡越时间。在栅控电子管中，电子从阴极发出，经过栅极到达板极。在工作频率比较低时，信号的振荡周期比电子的渡越时间长得多，电子在飞越电极之间这段距离时，电极上的电压可以认为是恒定不变的。这时，可完全不必考虑电子渡越时间。当电子渡越时间与信号周期相等时，电子飞行途中电极上的电压已经改变了极性，所以电子并不是总向前飞。即使渡越时间缩短到信号周期的一半，如果在电子飞到中途时信号改变极性，那么电子的能量变化也会很小。只有当渡越时间小于信号周期的1/4时，才有大量的电子在信号场的作用下有效地输出它们的能量。显然，为了使栅控电子管能够在更高频率下工作，应该设法缩短电子渡越时间。缩短电子渡越时间有两种方法，一种方法是缩短电极之间的距离；另一种方法是让电子飞得更快些，这就要增大电极间的电压。这两种方法都存在一些限制，所以缩短渡越时间不能从根本上解决栅控电子管所遇到的困难。
为了克服上面出现的困难，众多研究人员做了大量尝试。1937年美国的瓦里安兄弟制出了世界上第一个双腔速调管。图1-3所示为他们在1944年发表的双腔速调管振荡器。他们首先让电子注穿过一个加载高频信号的金属间隙，使之获得速度调制，然后让电子注漂移一段时间，在这期间，后出发的高速电子追上先出发的低速电子，形成电子群聚，这样就在电子注中产生了密度调制。受到密度调制的电子注具有显著的高频电流分量，当它通过第二个金属间隙时，高频电流会在间隙上激励起新的高频信号，这样电子注就将能量交给了高频场，完成放大或振荡的任务。其实最早提出电子注速度调制原理的是德国的奥斯卡和海尔。他们在1933年就提出了这种原理，可惜没有进行应用研究。
（a）双腔速调管的结构
（b）1944年的双腔速调管振荡器实物
图1-3 双腔速调管的结构和双腔速调管振荡器
图1-3（b）是1944年的双腔速调管振荡器实物，左边是电子枪，右边是收集极，两个空腔谐振器位于中心，通过同轴电缆连接以提供正反馈。连续波速调管的功率从几百瓦到几百千瓦的都有，脉冲速调管可以达到20MW峰值功率。多腔速调管的增益最高可达70dB（1000万倍）。多腔速调管被广泛用于雷达发射机和微波通信，还用于激励粒子加速器和介质加热。
多腔速调管由电子枪、聚焦线圈、高频输入谐振腔、中间谐振腔、高频输出谐振腔、各谐振腔之间的漂移管、收集极等部分组成（见图1-4）。
图1-4 多腔速调管的结构
高频信号由同轴线传送到输入谐振腔，在漂移管端部的隙缝上建立起高频场。当电子枪发射的电子注飞经隙缝时，如果这一瞬间隙缝上的是加速场，电子就被加速，反之，电子被减速。因此，在输入谐振腔隙缝，电子受到高频场的速度调制。飞过输入谐振腔隙缝以后，电子进入漂移管，在漂移过程中，被加速的电子赶上了被减速的电子，在电子注中形成密度调制。这个已经群聚的电子注在通过第二个谐振腔时，在谐振腔隙缝上建立起感应电压，使电子注进一步受到速度调制。为了提高速调管的增益，可以采用多个中间谐振腔。输出谐振腔与传输线（如波导或同轴线）耦合，经传输线把产生的功率送到需要的地方。
1939年，英国沿海建立了许多雷达站。采用定向发射的电磁波照射100多千米以外的空中目标，从反射的回波中获得敌机位置、方向和速度等有用信息。这就是最早建立的雷达探测系统。如何获得高功率微波源是制造雷达探测系统必须首先解决的问题。这些雷达站采用的是栅控电子管，工作波长大约为10m，能够产生相当大的脉冲功率。但是，雷达天线体积太大，探测精度不高。
英国物理学家布特和兰道尔看着这些雷达站，产生了创造一种微波管的念头。他们回到英国伯明翰大学以后，在1939年10月成立了微波管课题组，目标是产生波长为10cm或更短的电磁波。
1939年11月，一个崭新的设想萌发了：既然速调管和原始的磁控管都有优点，那么，能不能把这两种管子的优点结合在一起，同时又避免它们各自的缺点，创造一种新型微波管？他们设想的这种新型微波管，就是采用谐振腔的磁控管。随之而来的一个问题是：在这种磁控管里，用什么样的谐振腔？
布特和兰道尔在创造新型谐振腔时，仍从已有的知识出发。他们想起了赫兹在1887年所做的实验，实验中使用了简单的、开口的圆环谐振器。布特和兰道尔想到，把许多赫兹谐振器并排放在一起，变成一个开槽的圆柱形腔体，它一定也是一个谐振器！把一些这样的腔体放置在阴极的外围，能不能做出磁控管？
他们把自己的设计付诸实践，首先于1939年11月做出了第一个阳极块，随后制成了第一个连续波磁控管。经过反复的试验，终于在这种谐振腔磁控管中产生了很大的微波功率，微波功率辐射到实验室里，把氖泡点亮了！经过测量，第一个谐振腔磁控管所产生的微波信号的波长是9.8cm，功率达到400W。后来，经过进一步的重大改进。1940年，在装有波长为10cm的磁控管的实验雷达被制造出来了。因此，磁控管的发明是使雷达跨进微波波段的关键一步。如今，人们使用的微波炉中就采用了磁控管。当前流行的多腔磁控管如图1-5所示。
图1-5 多腔磁控管
在几种主要的微波管中，行波管出现得最晚。虽然原始的行波管在1943年就已经被制造出来，但是，真正实用的管子到20世纪50年代初期才投入使用。虽然对第二次世界大战来说，行波管是姗姗来迟了，但是战后它在雷达、通信、电视、广播等方面大显身手。今天，行波管的产值占了所有微波管总产值的一半以上。
康夫纳在1909年生于奥地利维也纳。他原在奥地利攻读建筑学，1934年到英国伦敦继续深造，后来从事建筑师的职业。1941年，有人为康夫纳谋求了一份工作，即在英国伯明翰大学研究电子管。为了提升速调管放大器的灵敏度，康夫纳开始如饥似渴地涉猎电子管方面的知识。他读遍了阴极射线管的著作，查阅了当时已经发布的速调管和磁控管的文献，认真地思考这些电子管的工作原理，还研究了电子管中的电子渡越时间效应。一年后，他提出了一种新的方案：让高频场和电子前进的速度一致，使电子在向前飞行的全部时间内都与高频场发生作用。
为了达到降低电磁波传播速度的目的，康夫纳提出了原始的螺旋线结构。他花了许多个日夜来研究这种电子与高频场连续的相互作用可能产生的结果，进行了一系列的分析、计算，最终证明用螺旋线结构可以使输入功率得到放大。1943年，康夫纳研究的管子在一次实验加电后，从螺旋线输出的功率比输入功率大了约40%。功率放大约40%，这在今天看来是微不足道的，但对刚刚出世的新原理来说，是一个可喜的苗头！
后来，康夫纳的行波管得到了稳定的放大，功率增益达到10倍，已经高于他们原来制作的速调管。康夫纳又对管子的频带宽度进行了测试，发现在他所用的信号源的60MHz范围内，行波管都能稳定地工作。康夫纳意识到，行波管的放大特点是频带宽度。至此，一种宽带的新型微波管——行波管诞生了。
今天，人们已能创造各种波长的行波管，波长从1m到300μm（对应的频率为300MHz到1THz），有的行波管能达到8个倍频程带宽，有的增益可以达到60dB（100万倍），大功率行波管的脉冲功率可达兆瓦级，连续波功率达几十千瓦。
行波管由电子枪、慢波结构（Slow Wave Structure，SWS）、输入和输出装置、收集极和聚焦系统等部分组成（见图1-6）。
图1-6 行波管的结构
电子枪用来产生一个高直流能量的电子注，电子注进入慢波结构中。同时，高频信号经输入装置进入慢波结构。在慢波结构中，高频信号以与电子注近乎相同的速度前进，两者的速度一般等于自由空间中电磁波速度（光速）的2%～10%。中、小功率行波管可以采用宽频带的螺旋线、环杆线等慢波结构，大功率行波管通常采用耦合腔慢波线。电子注与慢波结构中的高频场发生连续的相互作用，使电磁波在慢波线里按指数规律迅速增长。输入信号被放大后经输出装置送到管外微波系统。电子注从慢波线出来以后，被收集极收集。聚焦系统的功能是使电子注在保持所需要的截面形状和尺寸下顺利通过慢波线，完成与高频场的相互作用。行波管的聚焦磁场可由线圈或永久磁铁来提供。
行波管具有增益大、频带宽、噪声低等优点，在雷达、通信、导航、遥测等领域得到广泛应用。
除了上述器件，还有很多其他类型的真空电子器件，如电子注管、光电管、X射线管等。
显像管是电子注管的一种，它通过电子注扫描荧光屏，将电信号转换为可见光图像，常在电视、显示器等设备中使用。
光电管是基于光电子发射现象，将光信号转换为电信号的器件，可用于光电探测、太阳能电池等领域，实现光信号的检测和能量转换。
X射线管是一种能够产生X射线的真空电子器件。它主要由阴极、阳极和高真空的玻璃管壳或金属管壳组成。阴极通常是由加热丝和发射电子的灯丝构成，当阴极被加热时，灯丝会发射出电子。阳极一般是由高原子序数的金属制成的靶面，当电子在高电压的作用下从阴极加速飞向阳极，并撞击阳极靶面时，由于电子会突然减速，高速电子的部分动能会被转化为X射线辐射出来。在医疗领域，X射线管是医生的得力助手。它能够发射出穿透力极强的X射线，帮助医生清晰地看到人体内部的骨骼、器官等，为准确诊断疾病提供关键依据。从骨折的检测到肺部疾病的筛查，从牙科的诊断到肿瘤的定位，X射线管在医疗诊断中发挥着不可替代的作用。在工业领域，X射线管同样表现出色。它可以用于检测材料的内部缺陷，如检测金属铸件中的气孔、裂纹等，确保工业产品的质量和安全性。在航空航天、汽车制造、建筑等行业，X射线管能够帮助工程师及时发现潜在问题，提高产品的可靠性和耐久性。
真空电子器件在电子技术的发展历程中发挥了重要作用，现在依然扮演着重要角色。
真空电子器件自诞生以来，不断推动着科技的进步。早期的电子管开启了电子时代的大门，为无线电通信、广播和早期计算机的发展立下汗马功劳。行波管、速调管等微波电子管在雷达、卫星通信等领域发挥了关键作用，实现了高频率、高功率的信号传输和处理。显像管等电子注管带来了生动的图像显示，丰富了人们的娱乐和信息获取方式。X射线管在医学诊断和工业探伤中成为不可或缺的工具，让人们能够透视物体内部结构，为疾病诊断和质量检测提供了有力手段。
现在真空电子器件的作用依旧不可小觑。在科学研究（如高能物理实验）中，真空电子器件可用于产生高强度的电子注，助力科学家探索微观世界的奥秘；在通信领域，虽然固态器件发展迅速，但在一些特定的高频率、大功率应用场景，真空电子器件仍具有独特优势，确保了通信的稳定和高效。此外，在工业领域，真空电子器件在材料加工、精密测量等方面持续发挥作用，推动着工业技术的不断升级。总之，真空电子器件以其独特的性能和价值，继续为人类的科技进步和社会发展贡献着力量。
[1] 刘盛纲. 微波电子学导论[M]. 北京: 国防工业出版社, 1985.
[2] 王文祥. 微波工程技术[M]. 2版. 北京: 国防工业出版社, 2014.
[3] 廖复疆. 真空电子技术[M]. 2版. 北京: 国防工业出版社, 2008: 48-60.
[4] 柯学. 电子管的使命[M]. 北京: 科学普及出版社, 1983.
[5] 沙波什尼科夫. 电子管及离子管[M]. 班冀超, 等译. 北京: 高等教育出版社，1956.
[6] FLEMING J A. The oscillation valve[J]. Proceedings of the Royal Society of London, 1908, 80(541): 458-467.
[7] CRAFT S. Emperor of the airwaves: a biography of Lee De Forest[M]. West Lafayette: Purdue University Press, 1994.
[8] STOKES J. 70 Years of radio tubes and valves[M]. New York: Prompt Publications, 1985.
