空間行波管因為其高可靠、高效率、長壽命特性，一直是空間微波功率放大器的首選器件。陰極是其唯一的壽命限制因素，也是可靠性的重要影響因素。本文分析了覆膜陰極的工作機理，并結合壽命實驗結果對覆膜陰極的壽命特性進行分析，認為覆膜陰極雖然在壽命過程中，其活性發生持續改變;但工作電流保持穩定不變，只有在壽命末期才會發生明顯改變。陰極在壽命過程中，功函數將因為合金化程度、鋇的供應、工作溫度以及真空氣氛的影響發生持續改變。這些因素可通過工藝或設計進行優化，進而獲得理想的陰極壽命。

　　空間行波管被稱為“真空電子器件最后的前沿”。自1962年首次應用以來，一直以高可靠性和高的功率重量比而成為衛星通信系統的首選器件。對于空間應用的器件，其效率、可靠性和壽命成為最重要的技術指標，而這三項指標恰好都與陰極電子源密切相關。陰極的電子發射效率是整管整體效率的重要組成部分，陰極的可靠性和壽命是整管可靠性和壽命的主要限制因素之一。M 型陰極作為空間行波管的首選電子源，因為在普通鋇鎢陰極表面覆膜而使電子發射能力魔術性(Magic)提升而得名;自從其發明以來，逐漸成為各類大功率真空電子器件的首選，整管也就對M 型陰極提出了更高要求，迫切需要深刻理解其工作機理，明確其壽命演化規律。世界各國都針對M 型陰極開展了深入研究，在此我國航天技術快速發展的時刻，作為專業的陰極研究者有必要對M 型陰極的工作機理和壽命演化情況進行深入研究。

　　陰極發射機理

　　陰極的發射能力、可靠性以及壽命都與陰極的工作機理密切相關，因此，我們首先討論M 型陰極的工作機理。M 型鋇鎢陰極是當前真空電子器件使用最為頻繁的電子源，雖然經過幾代陰極工作者的不懈努力，但是其發射機理依然存在很多不明確的地方，但是我們相信，我們正在逐漸接近目標。電子從固體中進入真空中，需要克服固體表面勢壘，這層勢壘的存在確保固體以穩定形態存在。要克服勢壘就需要電子具有足夠的能量，這個勢壘被稱為逸出功，也被稱為功函數。M 型鋇鎢擴散陰極的基本組成結構包括作為框架的鎢海綿、發射活性物質三元鋁酸鹽以及表面的貴金屬膜層。常用M 型陰極的孔度一般為25±2%，活性物質為612摩爾比的鋁酸鹽，表面的膜層一般為單元貴金屬，或多元貴金屬，可能為銥，鋨或鋨銥鋁合金等。作為框架的鎢海綿，既是儲存活性物質的載體，也作為還原劑生成活性物質而參與電子發射。在高溫情況(高于800℃)鎢將與鋁酸鹽生成活性物質-鋇(Ba)，生成鋇將通過遷移，在陰極表面形成鋇覆蓋層，該覆蓋層就是電子發射的基石。采用鋁酸鹽的優點是鎢與鋁酸鹽的反應速度較“溫和”，在工作過程中能保持穩定的鋇生成速率，從而輸送到陰極表面，當然，陰極表面的鋇也具有與溫度密切相關的蒸發率，當生成速率與蒸發速率相平衡時，陰極表面就能維持比較穩定的鋇覆蓋率，從而獲得比較穩定的電子發射。可見鋇的覆蓋度與陰極電子發射能力密切相關。不同種類陰極的表面Ba覆蓋度具有很大的差別。普通鋇鎢陰極表面Ba覆蓋度最低，而覆膜陰極表面Ba的覆蓋度就要高很多，相應的電子發射能力也更高。正是因為膜層降低逸出功約0.2eV，極大提高了陰極發射能力。具體是如何降低逸出功，需要首先了解一下鋇鎢擴散陰極的工作機理。

　　結果與討論

　　從圖2 壽命實驗結果中可以看到，不管是1000℃，還是1020℃，或者不同的電流密度，陰極的工作電流都沒有發生明顯改變，雖然測試的工作電流數據有跳動，但是其趨勢沒有明顯的下降，基本保持穩定。如果根據此趨勢預測陰極命，則只能得到陰極壽命無限的結論。但是根據圖3壽命過程中測試的功函數變化趨勢，卻可以發現，經過了初期(約104　h)的功函數降低，活性改善后，功函數將表現出逐漸上升的趨勢，即最大發射電流密度逐漸降低。根據目前的變化趨勢，陰極工作在1000℃時，最大發射電流密度將在29.5×104　h降低到1A/cm2;而陰極工作在約1020℃時，陰極的最大發射電流密度將在11.5×104　h后降低到2A/cm2。根據陰極發射性能變化趨勢圖，可以發現陰極變化趨勢與溫度密切相關，這一定程度上與金屬鋨以及鋇的擴散速率有密切關系，從更深層次上說，正是鋨和鋇的擴散速率決定了陰極的性能演化;鋇的覆蓋度是陰極發射性能的決定性因素，但是決定鋇覆蓋度的因素有多個，包括表面合金化的程度，活性鋇的供應，真空氣氛，溫度等。合金化程度影響鋇與表面的吸附力的大小，溫度決定鋇的遷移速度和蒸發速率，氣氛影響鋇的消耗。這幾個因素共同決定了陰極性能在壽命過程中的演化。這與前文所討論的陰極發射機理非常一致。

　　結論

　　陰極作為唯一的消耗性部件，是真空電子器件壽命的唯一限制因素。在當前固態器件與真空器件競爭激烈的狀況下，真空電子器件要維持優勢，必須在工作機理、工藝技術方面持續提高。通過世界各個研究實體廣泛而深入的研究，M 型陰極工作機理正在逐漸清晰，其壽命表也更加明朗。但是各研究實體生產陰極的孔度、膜層情況、活性物質的種類各有不同，陰極的性能和壽命特性就各有不同。陰極壽命實驗表明，陰極預測壽命完全可滿足整管的需求，壽命過程中陰極的性能演化特性與相關文獻描述基本一致。陰極壽命演化特性表明，陰極的工作溫度，膜層的厚度，環境氣氛等都是壽命的決定性因素。因此，在空間行波管應用中，各方面必須精細考慮，多方兼顧。