钡钨储备式阴极（Barium-Tungsten Reservoir Cathode），也称为浸渍式阴极或储备型阴极，是热电子发射器件中一种高效、长寿命的阴极类型，广泛应用于高功率微波管、行波管（TWT）、磁控管、速调管等真空电子器件中。

一、基本结构

钡钨储备式阴极通常由以下几部分组成：

• 多孔钨基体：作为阴极的骨架，具有高熔点、良好机械强度和多孔结构。

• 活性物质（储存在孔隙中）：主要为含钡化合物（如 BaO、CaO、Al₂O₃ 的混合物，常见配方为 BaO·CaO·Al₂O₃，简称 B型或 M型浸渍材料）。

• 金属套筒或支撑结构：用于固定阴极并导电加热。

在工作前，阴极需经过高温“激活”处理（约 1100–1200°C），使活性物质扩散至表面，并在钨表面形成一层单原子层的钡膜（Ba monolayer），这是实现低逸出功的关键。

二、工作原理

1. 热激活过程：

   • 加热后，浸渍材料中的 BaO 与 W 发生还原反应：

     $$\text{BaO}+\text{W}\to \text{Ba (气)}+\text{WO}$$

     
     

   • 钡原子扩散到钨表面，形成覆盖层。

2. 降低逸出功：

   • 纯钨的逸出功约为 4.5 eV；

   • 钡覆盖后的逸出功可降至 1.8–2.0 eV，显著提升电子发射效率。

3. 自补充机制（“储备式”特点）：

   • 表面钡会因蒸发或离子轰击而损耗；

   • 多孔基体内部储存的钡化合物持续向外扩散，自动补充表面钡层，从而延长寿命。

三、优点

• 高发射电流密度：可达 10 A/cm² 以上（远高于纯钨阴极的 ~1 A/cm²）；

• 长寿命：可达数千至数万小时；

• 稳定性好：适用于脉冲和连续工作模式；

• 启动快：相比氧化物阴极，激活时间较短。

四、缺点与挑战

• 对真空度要求高：残余气体（尤其是氧气、水汽）会毒化钡层，导致性能衰减；

• 制造工艺复杂：需精确控制浸渍成分、孔隙率和烧结工艺；

• 成本较高：相比普通氧化物阴极更昂贵。

五、典型应用场景

• 卫星通信行波管（TWT）

• 雷达用磁控管和速调管

• 高能加速器电子源

• 工业微波加热设备

六、与其他阴极对比

总结

钡钨储备式阴极通过“内部储钡 + 表面自修复”的机制，在高可靠性、高功率电子发射领域占据不可替代的地位。尽管对真空环境和制造工艺要求严苛，但其优异的综合性能使其成为高端真空电子器件的首选阴极之一。