探索終極真空管

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1962年7月，Telstar1號衛星發射升空，這一巨大的飛躍拉開了全球互聯的序幕，成就了今日被我們視為理所當然的世界。Telstar 1號首次以空間中繼的方式實現了各大洲之間的實時電視畫面和電話傳輸，特別是緬因州安多弗市，以及英國和法國地面站之間的傳輸。如此長距離的傳輸得益於微波中繼器。這種中繼器的核心是外形小巧、功能強大的真空裝置，稱為行波管。當時，這種30釐米長、玻璃材質的電子管是唯一功率足夠進行跨大洋寬頻電視訊號傳輸的裝置。固態器件還不足已勝任這一任務。

半個多世紀後，行波管放大器依然統治著衛星通訊領域。你沒看錯——太空中的真空管依然承擔著高畫質衛星電視、衛星廣播的傳輸任務。

當然，與通訊衛星當年搭載的3.5瓦、4千兆赫放大器相比，2015年初發射的DirecTV-15衛星使用的數十個極為高效的微波放大器已經不可同日而語。最新一代行波管能在高達22千兆赫的頻率上輸出180瓦的功率，效率接近70%，額定壽命超過15年。雖然新舊微波放大器的基本功能相同，都是放大射頻訊號，但其他各個環節（設計、測試、材料和工藝）都發生了變化。

這就是我要闡述的觀點。60年來，在電腦、接收器和電源等領域，真空管都已讓位於固態器件，但真空技術依然不斷演進，延伸進入了新的領域。世界各地仍有一小部分專業技術精湛的工程師和科學家潛心研究這一技術，形成了價值數十億美元的產業。其原因在於，行波管和其他真空裝置在大功率微波源、毫米波和亞毫米波輻射上依然效能卓越（真空管還用於樂器和高階音響的放大器，但是這裡所討論的真空管是用於產生射頻波而不是音訊波）。此外，真空裝置的效率高、頻頻寬，能夠緊湊且可靠地工作。得益於製造方式，以及金屬和陶瓷的材質，行波管具有與生俱來抵禦輻射的能力（不同於固態器件），也能承受較為極端的溫度和機械條件。除衛星通訊外，行波管還廣泛應用於雷達、電子作戰和其他軍事系統。

從目前形勢看，我們對新型、具有潛在革命性的行波管（超緊湊和超高效的冷陰極行波管）的研究在2020年之前就能產出實用性的裝置。這是真空管發展史上令人激動的時刻，原因如下。

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時常有人攻擊真空管是老掉牙的古董裝置，很快就會被半導體取代，真空電子學大師羅伯特•S•西蒙斯（Robert S. Symons）對此回應說：“就算當時先發明瞭電晶體，真空管也肯定隨後便會問世。”站在西蒙斯一邊的人自然會同意真空管貢獻巨大，值得繼續開發，但遺憾的是很多人對這一技術依然抱有偏見。

原因不在於我們已經有了晶片，而是真空管的優勢到底是什麼？讓我們回顧一下真空管的構造。真空管的核心為射頻源，是採用固態或真空電子裝置的電源轉換器，用於將部分輸入電轉換成射頻功率。輸入功率是輸入電流和輸入電壓的乘積。行波管的執行電壓很高，一般從幾千伏至數十千伏不等，也就是說行波管僅需很小的電流就能產生很強的電子束。行波管確實需要大功率輸入才能執行，但是緊湊型高壓電子裝置的進步已經解決了這一問題。

相比而言，射頻源使用的固態器件的執行電壓很低，砷化鎵電源一般為8到10伏，氮化鎵電源最高約為70伏。因此，為了獲得大功率輸出，需要很高的電流，但這可能使晶片線路過熱。關鍵在於，例如為了達到一個300瓦行波管的輸出功率，需要多個固態器件共同工作，這不僅增加了結構複雜度和成本，而且所獲得的射頻源的效率最多也只是現代行波管的一半左右。

為了解真空管的工作原理，我們先看一下真空管的基本組成：一臺電子槍（電子槍的陰極經過加熱產生電子束，陽極將電子束加速至高速狀態，大多數情況下陰極附近的電子束控制柵電極，負責開啟和關閉陰極）；與電子束互動的電磁電路；一個集電極，用於捕獲射出互動電路的電子束；聚焦磁鐵，用於聚集在管內傳輸的電子束。前3個部分——電子槍、互動電路和集電極——位於高真空環境中（約10-8帕斯卡），而磁鐵位於真空管外部。我們將管體在高於500攝氏度的溫度下持續加熱超過24小時，以清潔管體內壁，排出殘留氣體，製造真空狀態。現代真空管的管壁已經摒棄了玻璃，轉而使用耐熱、耐腐蝕的金屬，如鎢和鉬，以及鑄鐵、高純度銅和高溫陶瓷。

真空管的工作原理如下：首先，電子槍透過互動電路中心射入電子束；行波管中最常見的電路呈螺旋狀。然後，需要放大的射頻訊號進入螺旋電路。由此產生的電磁波自螺旋電路向外傳播，對射入的電子束產生電磁力。首先進入螺旋電路的電子將沿電子束方向加速；半個週期後，進入的電子將減速。隨著電子束穿過電路，較快的電子將取代較慢的電子，從而形成成束的電子。

因此，起初進入螺旋電路的未調製電子束電流在訊號頻率上具有了射頻的組成部分。調製的電子束在螺旋電路中引起電磁場，電磁場進一步作用於電子；隨後螺旋電路中的訊號以指數形式放大——這就是我們獲得的訊號。但是，根據能量守恆原理，在射頻訊號放大的同時，電子束的動能會衰減，速度會下降。

即便如此，電子束透過電路時，通常也僅有約四分之一到三分之一的電子束能量轉換成射頻訊號，也就是說電子束透過電路後依然帶有很多能量。為了回收這部分動能，我們使用降壓集電極進一步降低電子束的速度。降壓集電極本質上是一系列電極，工作原理與混合動力汽車的再生制動器相似。現代空間行波管配備了四級或五級降壓集電極，能夠回收80%以上的電子束能量，使總體工作效率達到65%，甚至更高。集電極帶有散熱片，用於將真空管和衛星的熱量散發到寒冷的宇宙空間。固態器件從未使用過類似降壓集電極的元件。

由於真空管內是精確的低真空，電子束近乎完美地聚焦，因此電子束穿過電路時幾乎不會因為碰撞損失能量。相比而言，固態器件中的電子在半導體內遊走時會經受諸多碰撞，因此會在電晶體連線處和器件內部產生廢熱。散熱為何會成為大功率固態器件的最大挑戰之一也就不難明白了。與行波管相比，固態器件的效能更容易受工作溫度變化的影響。

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那麼自Telstar1號衛星的時代至今，是什麼因素造就了真空管在效能和效率上的巨大飛躍？在某種程度上，得益於運算設計、工程材料和精密加工上的進步，固態器件和真空器件在過去50年來一直在並行發展。

例如，計算機建模和模擬使工程師能夠對真空管的陰極、集電極以及二者間的所有部件進行建模，結果得出的原型可在第一時間進行測試，這在10年前是無法想象的。真空管設計師如今可以製造過去無法想象的多重電子束真空裝置，如諾斯洛普•格魯門公司的多重電子束行波管能夠在214千兆赫下產生驚人的50瓦脈衝功率。該行波管使用5個單獨的電子束，而非1個電子束，因此能夠在更低的電壓下工作，需要的磁聚焦強度更低。只需使用現代計算工具就可以瞭解產生聚焦、捕獲電子束和射頻能量轉換建模所涉及的複雜三維物理學。

與此同時，精密加工上的進步使新的設計有了走出圖紙、走進現實的可能。加利福尼亞大學戴維斯分校的研究人員使用高速微加工技術——刀具轉速超過5萬轉/分，肉眼根本看不清——加工尺寸精度達到微米級的金屬結構。這種精密的結構能產生如今最複雜的行波管通常所需的超高頻率。在半導體產業方面，諾斯洛普•格魯門和Teledyne Scientific公司的工程師已經在矽片上刻蝕出行波管。作為對微機電系統（MEMS）技術的拓展，美國海軍研究實驗室正利用紫外線光刻和電鍍結合工藝製造用於毫米波行波管的高精度全金屬結構。鑑於增材製造的進步，3D列印真空管元件離我們也沒有那麼遠了。

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工程材料也為真空管制造帶來了小規模的變革。我想很多人都沒聽過奈米氧化鈧摻雜鎢粉，但這種材料卻是真空管陰極取得數十年來最大發展的功臣。

如前文所述，陰極是真空管內電子束的來源或發射端。大多數真空管使用熱離子發射器，在加熱至約1000攝氏度時會產生豐富的電子流。（400攝氏度能夠把牛排烤焦。）最常見的陰極包括浸漬在多孔鎢基中的鋇混合物。加熱後，鋇混合物不斷擴散到表面，形成一層薄氧化層。這一氧化層具有所謂的“逸出功”，用於衡量電子從其中逸出的難度（用電子伏表示）。逸出功越低，發射電子所需的溫度越低，鋇的蒸發率越低，陰極的壽命因此越長。一般而言，逸出功每降低0.2電子伏，陰極壽命增加兩倍。如今陰極的逸出功約為2.0電子伏；覆蓋薄金屬表層會使逸出功降為1.8電子伏。

如今，陰極的工作溫度取決於其電流密度，即單位面積透過的電流量。謹慎控制空間行波管的電流密度能使陰極的壽命達到20年；通常，地面真空管的工作電流密度更高，因此使用壽命僅為7年。但是，真空管的設計者們一直在尋求能夠降低逸出功的材料，從而延長真空管的壽命。

因此，氧化鈧進入了研究人員的視野。多年來，研究人員已經瞭解鎢和氧化鈧製成的鈧酸鹽陰極擁有較低的逸出功，但是將這一想法轉化成可用的商業器件的嘗試始終無法成功。不過，北京工業大學的王亦曼和她的同事發現，由氧化鈧和鎢的奈米晶粉末製成的陰極具有活躍的電子發射能力，逸出功為1.43電子伏，使標準行波管陰極壽命延長了兩倍以上。這一進步使我們能在更高的電流密度下操作陰極，極大地簡化了高頻毫米波和亞毫米波真空管所需的細電子束聚焦程式。

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鈧酸鹽陰極已經具有非凡的效能，如果熱離子發射體用無須加熱的發射體代替，前景將更為誘人。這無疑是革命性的跨越。真空管工程師甚至為這種裝置想好了名字：冷陰極行波管。能夠在環境溫度工作的陰極將具有多種優勢：無需加熱器；陰極不會損耗；真空管無需預熱，可即開即用；無需過強的電流，因為發射器不受工作溫度的限制。此外，還可在陰極調製電子束的電流，如同在分米波電視發射機的大功率真空管中調製一樣，只不過如今將在微波頻率調製。冷陰極真空管將帶來新一代超緊湊、高保真、高效率的放大器，可用於小型衛星上的大功率、微型發射器等領域。

這也是研究人員數十年來潛心鑽研冷陰極行波管的原因。1966年，加州門洛帕克斯坦福國際研究所的查爾斯•斯賓特（Charles “Capp” Spindt）和肯尼斯•舒爾德斯（KennethShoulders）在他們的論文《微米級場致發射管研究》中首先討論了冷陰極行波管的優勢。

儘管在無須加熱的情況下發射電子束有多種多樣的方法，但是斯賓特和舒爾德斯在近50年前提出的方法還是最具前景的：場致發射。只須在發射器表面和真空管之間形成強電場就可實現場致發射。通常，由於室溫下金屬中的自由電子無法穿過金屬表面的勢壘，因此會被束縛在固體內。但是當金屬受到加熱時（如熱離子發射體），一些電子會獲得足夠的能量穿過勢壘。

而在場致發射場景中，在金屬表面施加向內的電場時，電子會受到向外的作用力，同時勢壘被削弱；隨著電場不斷增強，勢壘進一步減弱。為了達到行波管中的場致發射水平，勢壘必須降低至能使電子溢位的水平。從量子力學角度而言，電子透過“隧道”穿越了勢壘。為了獲得數量足夠的溢位電子，必須施加很強的電場，超過10億伏/米。相比而言，在雷暴中，本地電場達到2000伏/米就已經相當危險了。

那麼如何在不施加過高電壓的情況下獲得強電場呢？答案就在納米制造上。眾所周知，兩個電極距離越近，之間的電場越強。因此，如果將帶正電的柵電極（即模擬陰極發射的電極）和帶負電的柵電極之間的距離縮小到1微米以下，即可在發射器表面形成向內的強電場。我們還將發射器的效能縮小至奈米級，然後利用鋒銳的邊沿和尖端自然產生強電場，有點類似奈米級的避雷針。這樣就可獲得在100伏以下工作的場致發射陰極了。

迄今為止，以總髮射電流和電流密度衡量，效能最好的還是斯坦福國際研究所斯賓特、克里斯多夫•霍蘭（Christopher Holland）和保羅•斯庫貝爾（Paul Schwoebel）研製的裝置。他們研製的陰極由數萬個微米級鉬錐組成，堆積在面積約為1平方毫米的圓形矽基上。每個鉬錐都是一個電子發射器，2.5微米厚的二氧化矽絕緣層中為每個電子發射器刻蝕出井道，將其置於其中。絕緣層外的超薄金屬塗層作為場致發射陰極陣列的柵電極。

十多年來，我和同事大衛•威利（DavidWhaley）一直與斯坦福國際研究所的團隊合作，旨在將這一實驗室成果轉化成更加實用的裝置。主要的成就包括100瓦冷陰極行波管在4至6千兆赫頻率下首次執行，以及冷陰極首次產生100毫安電子束。威利和我研製的行波管透過冷陰極能產生超過15安培/平方釐米的電流密度，遠高於熱離子陰極常見的2安培/平方釐米。事實上，由於我們產生的電流密度很高，因此在推動電子束透過螺旋電路前必須將電子束放大而不是壓縮。

在發生電擊穿故障前，該陰極狀態良好地工作了一百五十多個小時。由於結構內的強電場和薄層柵電極，“易發生故障”一直是場致發射陰極的主要挑戰。柵電極和任何一個發射器錐發生短路都將燒燬整個發射器陣列，使裝置癱瘓。

此外，我們在斯坦福國際研究所的團隊開發出了能夠降低短路破壞作用的功能。透過在錐基和柵電極之間增加介電層（可以理解為盾牌），這種功能可以切斷電擊穿路徑。我所在的L-3電子裝置公司在行波管中測試了斯坦福國際研究所研發的陰極，在18千兆赫的頻率下產生了10瓦的功率，創下了冷陰極裝置工作頻率的新紀錄。測試顯示，新的陰極更能抵禦單個發射器的故障。

高工作電壓是行波管的另一個挑戰。雖然場致發射器陰極能夠在100伏左右發射電子，但若將電子束加速並聚焦，進而與螺旋電路產生互動，還需要高得多的電壓。但同時，還應避免產生高壓電弧，例如正極和場致發射器陰極之間的高壓電弧。我們還在尋找方法，防止遊離的離子返回，撞擊陰極閘電路和場致發射器尖端。我們在行波管上面安裝了靜電離子屏障，阻擋離子返回陰極。

雖然冷陰極行波管領域還需要完成許多工作，但我堅信，我們可以在5年內生產出實用的裝置。諸如我們的進展突顯了真空電子學的相關性和活力，即使再經過100年的發展亦是如此。也許，這也是為什麼美國國防部高階研究計劃局（DARPA）於2015年8月份宣佈了旨在進一步推進該領域發展的兩個新專案。真空技術不會沉寂，而將繼續打破效能瓶頸，開啟新的應用領域。

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