鋇鎢電極的電子發射機理研究

鋇鎢電極是真空電子器件（如大功率微波管、X射線管等）中廣泛應用的一種高性能熱電子發射陰極。其電子發射機理涉及複雜的物理化學過程，核心在於鋇（Ba）原子在多孔鎢基體表面的單原子層覆蓋。

1. 鋇鎢電極的基本結構與製備

多孔鎢基體：由燒結鎢粉形成的多孔結構。

浸漬活性物質：孔隙中浸漬鋇鹽。

啟動過程：在高溫和真空環境下加熱，活性物質分解產生自由鋇。

中鎢智造鋇鎢電極圖片

2. 鋇鎢電極的電子發射機理

鋇鎢陰極的高效發射核心在於鋇原子在鎢表面形成 “單原子偶極層”，顯著降低鎢的逸出功。

鋇具有極低的電離能（~5.21 eV），是強正電性元素。鋇原子吸附在鎢（W）表面時，其價電子會部分轉移到鎢的d帶空位上。鋇原子因失去電子成為正離子（Ba⁺），鎢表面因獲得電子帶負電，形成 “表面偶極層”。該偶極層產生的電場方向指向真空，抵消了金屬內部電子逸出所需克服的部分勢壘。

3. 鋇的供應與動態平衡

維持穩定的單原子層需要持續的鋇供應。

鋇的擴散路徑：浸漬鹽在高溫下持續分解產生鋇蒸氣，鋇蒸氣通過多孔鎢基體的孔隙擴散至發射表面，鋇原子吸附在鎢表面形成單原子層。

動態平衡：表面鋇原子會蒸發或與殘餘氣體反應而損失，內部鋇蒸氣不斷擴散補充，維持表面覆蓋度。

中鎢智造鋇鎢電極圖片

4. 影響鋇鎢電極電子發射性能的關鍵因素

4.1 孔隙結構：孔隙大小、連通性影響鋇擴散速率和均勻性。

4.2 浸漬鹽成分：

鋁酸鹽陰極（4BaO·CaO·Al₂O₃）：傳統可靠，鋇活性適中。

鈧酸鹽陰極（BaO-Sc₂O₃-W）：含納米鎢顆粒，提供更多擴散通道和吸附位點，具有更高發射電流密度和抗中毒能力。

4.3 工作溫度：溫度過低 → 鋇擴散慢，覆蓋不足；溫度過高 → 鋇蒸發過快，鹽消耗加速，壽命縮短。

4.4 真空環境：殘餘氣體（O₂, H₂O, CO₂）會與表面鋇反應生成氧化物、碳酸鹽，毒化陰極，導致逸出功升高、發射下降。