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高放大因数μ冷阴极真空器件
    本发明是基于《88205266快电子真空器件》之上，对器件几何结构及控制栅〔3〕作出的改进，使质量指标进一步提高。

    电子管之放大因数μ只有百倍。本器件放大因数μ可随意设计。千倍万倍，实际可从1开始到无限大，放大因数μ等于1时，渗透率D亦等于1，此器件可看作带控制栅〔3〕的整流管。

    表征电子管工作状态的公式是屏流依赖于屏压3/2方的郎缪尔却尔特公式。其特征为公式推导过程中出现的三个积分常数都为零。器件相应的结构为热阴极即是电场的负极。这样，当热阴极发射出电子后，热阴极表面出现微正电位，此微正电位与刚离开热阴极表面之电子形成电极偶吸力，阻止电子远离，在热阴极表面附近形成一层空间电荷。此空间电荷抑制了电子管性能的提高。

    发明构思之出发点是针对消除空间电荷而作。

    我决定要改造电子管之愿望始于1984年春夏之交，申请件《88205266快电子真空器件》之构思是同年12月5日得出的，迟至88年5月5日才提出首项专利申请。申请件只提出了结构方案，当时还无力证明。提出申请后才开始论证工作。论证工作始于88年8月30日，到89年元月31日终于按出了新方案的屏流依赖于屏压3/2方公式之系数值。

    新公式一经建立后，感到有把握即转入常年探索设计计算，画屏族图。从3/2方公式看，此方案原来是真空器件之标准结构形式，所以屏族图完全可以根据公式计算求出全部所须数据，这是对一个探索者十分有利的方面，我根本无条件制样品实地测量。

    新公式与电子管公式不同处在于公式中之积分常数。新公式之三个积分常数，一个为零，C₂取极小值，C₁取极大值。

    新方案之基本结构为：一对外电路接于负载电源正负极之金属屏极：负屏极〔1〕、屏极〔4〕则于其间的空间内建立起加速电场，将敷有氧化镁发射膜之冷阴极〔2〕置于此对金属屏极间的加速电场中，由于加速电场地加速作用、空间电荷就不能存在。

    置于加速电场中冷阴极〔2〕之电子发射是基于器件外部电路中接于负载电源正负极上之积分电位器两端所建立之电位差之协同作用。积分常数C₁即为此电位差值，亦为R₁R₂比值。C₁可达三百亿以上。

    器件的发射方式必须是冷发射，根据电磁学教导，置于加速电场内之发射体若仍用传统之热阴极，则在器件内有无限大之发射电流，且不可控。

    由于新器件比电子管多了两个积分常数，又建立在冷发射基础上，故其几何结构与电子管有很大不同，改变几何结构就可作出极为优越之电气质量指标。指标G＝μ×S＞A×10¹⁰以上

    设计控制栅〔3〕时，一开始就感到难度很大，放大因数μ与摒蔽率σ矛盾尖锐，放大因数μ只算到两三千倍。勉强算到一万，摒蔽率σ达45％而且屏极〔4〕冷阴极〔2〕距离与控制栅〔3〕冷阴极〔2〕距离比值很大，指标降低。

    从传统栅极设计公式所表达的意义讲，要增加放大因数μ，其丝径要相应加粗，按传统说法，即是增加摒蔽率σ，摒蔽就是阻当，为何加大阻挡就可提高放大能力？姑且按此观点计算，放大因数μ增加不太多时屏流通道被加粗的丝径所密封堵塞。

    经多方面的论算，终于发现秘密所征：教科书上所述摒蔽系数σ，应该理解为控制系数σ。摒蔽之意义是横向的，阻挡的；而控制则是纵向的，与屏流方向平行的。放大器件是一个控制器件而不是一个简单的阀门。这就真空器件优于晶体管的关键结构所在简言之，欲要加大放大因数μ，则控制栅〔3〕对屏流的控制路径要适当加长。

    这就是当提高放大因数μ时，栅丝径会加粗的原因，以往栅极结构是用园形金属丝绕制的，园丝截面在横向纵向都相同。要增加放大因数μ，理应增加纵向尺寸，但横向尺寸亦同时增加了。于是：

    在要求高放大因数μ时，控制栅〔3〕探用簿宽之金属扁带制作，扁带之宽度平行于屏流方向，扁带之厚度取决于扁带自身之机械强度，在低放大因数μ时，园形栅丝亦可保留，因工艺较简。

    控制栅〔3〕对屏流控制路径延长，是否可获得高放大因数μ，在已有技术中可找到类比例子以资证明。如《46》号是早期直流双栅四极管，作三极管用，双栅各自独立。双栅並用时为高放大因数μ，其值65倍，第二栅与屏极相联时为低放大因数μ＝5.6倍。由于双栅之间有一定距离，若是密绕，将远大于65倍。

    控制栅〔3〕之具体安排，对平行板器件栅片排列与负屏极〔1〕屏极〔4〕平面垂直，平行排列或作井格形。对园柱器件栅片按园周幅射状排列或作成中空园环栅片，如散热片状套在冷阴极〔2〕外，亦可作成漏斗格形。井格漏斗格在相同螺距下放大因数μ更大或在相同放大因数μ下，栅片少些。对球环器件，栅片按对球心作幅射状排列，亦可作成漏斗格形，但后者工艺难度较大。

    放大器件结构设计有多种类型，用平行板结构，工艺较简，放大因数μ较低，十万倍已内阻剧增。从3/2方公式分析，最后项是关于放大因数μ的。要提高放大因数μ又要求低内阻，若积分常数C₁C₂均已越近极限，唯一可能是加大3/2方公式首项系数及几何结构项。用园柱结构。园柱首项系数比平行板大2π倍，几何结构项分母中有两个因子，一个是屏极半径，此值愈大时，跨导减少内阻增加。一个是屏极半径与阴极半径比值β，β因子在分母中是β²。当屏阴距不变，加大阴极半径，β的减少速度快于屏极增加速度。固此，3/2方公式值继续增加。此项利益对于热阴极电子管说是几乎利用不上的，因为热阴极之直径不能任意加大。但对冷阴极真空器件讲则不然。因为屏极〔4〕冷阴极〔2〕距离及屏极〔4〕冷阴极〔2〕距离与控制栅〔3〕冷阴极〔2〕距离比值可尽量缩小；冷阴极〔2〕又具有分佈结构特性，它的半径可随意加大。这样，屏极〔4〕冷阴极〔2〕距离不变，而冷阴极〔2〕半径继续增加时，3/2方公式几何结构项分母则愈小，器件质量指标继续增加。器件变成空心园环型。

    若再要提高器件质量指标，则用球环形，球环3/2方公式系数有4π倍利益，公式几何结构项分母中，屏极〔4〕冷阴极〔2〕比例数式子用π²。控制栅〔3〕若用平行于球轴，作幅射排列栅片有2π倍利益，若用漏斗格栅片亦有4π倍利益。但漏斗栅片工艺复杂。

    器件整体结构，可将两、三个部份同装于一个管泡内如一个放大部份加两个检波部份作成复单位管或推挽对管；亦可将单位器件分解为二分一，三分一，四分一或更小个局部，极限情况冷阴极〔2〕只用单条发射丝，控制栅〔3〕只用一对栅片。

    计算高放大因数μ时，若设螺距为1，控制系数πσ为3.78，此时，公式中分母1ncthπσ为0，放大因数μ有无限大值。

    积分电位器包括R₁R₂两部份，R₁可用到小于绝缘电阴值，R₂可小于十万分之一欧，实际是一段粗导线，如直径(φ2～φ4)×3导线或φ2～φ4金属园球。

    3/2方器件是非线性器件，若要消除失真，令放大因数μ为无限大，即输入输出特性曲线之中段与纵轴即输入轴平行，但此时器件内阻高，或器件体积大。

    冷阴极真空器件之屏族图上每一条栅压线都起自横轴之每个确定点，起点左侧无屏流，表明此种器件无零点漂移因素。

    冷阴极真空器件屏族图上存在一条二次谐失真为零的负载线。此负载线三次谐失真为1.5％，但三次谐在负载线上不对称，可用推挽电路抵消。此条负载线之屏效率：甲乙类约45～48％。甲类11～13％，用于推挽电路，屏至屏串联负载阻抗可设计在扬声器音圈阻抗范围内，不用输出变压器，供电源简单，对地对称。

    实施例1，型号用：μ180K7放大因数μ为180761倍。

    冷阴极〔2〕外缘直径选用16毫米，屏极〔4〕直径为：18.48毫米，电源电压12伏，积分常数C₁＝300亿。工作在甲乙₁类状态，工作点选在(11.96，·01583〕。工作点跨导S＝71521安/伏。内阻Ri＝2.53欧。屏至屏串联负载阻抗Ra＝6.1欧。输出功率为20瓦。工作点栅极灵敏度为-6.5833^-5伏，盒式磁头改用三个端子之金波输出，由磁带可直接推动此功率级，多余之放大力可留作负反馈用。扬声器之音圈应改用双线并绕作成有三个输入端子音圈直接作负载用，不用输出变压器。

    实施例2：型号用：μ3KK8放大因数μ＝3005403倍。

    作电压放大用。冷阴极〔2〕外缘直径选用5毫米直径，屏极〔4〕直径为6.646毫米，电源电压6伏，积分常数C₁＝400亿甲类工作状态，工作点跨导S＝20847安/伏，内阻Ri＝144欧。工作点栅极灵敏度为-9.48292^-7伏。

    附图：图1为平行板电极器件；图2为园柱电极栅片为沿纵轴作园周幅射状排列；图3为单冷发射丝，双栅片最简器件结构；图4为园柱或园环电极，栅片为中空园环片套征轴心上与纵轴垂直；图5为园环电极器件，图6为球环电极器件。