电子管原理及束射四极管KT88结构研究（电子管工作原理图）

 

一、引言电子管曾为人类开启了电子时代跟半导体器件相比，它透明的外壳、肉眼可观的尺寸，为我们普通爱好者探索它的秘密提供了方便本文以一款型号为KT88的束射四极管为例，记述一些研究结论二、电子管功放本人一台电子管功放，用来推动一对德国产老音箱EL80，中低音醇厚绵延，高音得益于EL80天蚕丝振膜的轻巧，甜脆灵动，丝般柔滑。

夜深人静时分，音乐缓缓流淌，橙黄色灯光清幽温润，渐渐的，思绪被沉浸了

图1基本上，玩电子管功放的，不仅仅于满足音乐，还有一份更为重要的情结，就是技术。如果能弄清一些原理，似乎可以把音乐听得更通透些。

图2该功放用了6个电子管，包括4种型号，从左往右分别是：电压放大管6N9P、稳压管WY2P、整流管5Z3P、功放管KT88电子管功放，总体上还是小众的20世纪60年代后，半导体晶体管及集成电路异军突起之后，电子管逐渐成为昨日黄花，在点亮了电子业界半个世纪后，电子管的微弱光芒，渐渐熄灭了。

但在音响领域，电子管以古典、醇厚、独特的风格，依然守着三分田地，甚至有发扬光大之趋势当然，在超高频、大功率领域，真空电子器件如陶瓷发射管、微波三极管和四极管、调频感应加热发射管，以及军事雷达、通信、电子对抗领域中的速调管、行波管、前向微波器件等，仍是不可替代的。

三、KT88电子管KT88是旁热式束射四极管，在电路中起低频（音频）功率放大作用最早由英国GEC公司于1957年为音响电子专门开发本人的一对KT88为俄罗斯生产KT88的参数为：灯丝电压6.3V，灯丝电流1.6A，阳极电压250V，阳极电流145mA。

最大阳极电压600V，最大阳极耗散功率42W，最大第二栅极耗散功率8W，最大阴极电流230mA

图3上图给出了一个小型电子管的结构剖视图，以及KT88的照片因网上找不到KT88的剖视图和实物拆解照片，我又不舍得敲掉一个管子，所以本文只能通过参照其他资料的示意图以及实物照片来洞悉KT88的内部结构了。

如右图b，为表述方便，用三层云母片及底座将结构划分成5层，再旋转不同角度，拍摄照片，然后进行分析经大致测量，5楼高度约1厘米，4楼约1.5厘米，3楼是主体，层高4厘米，2楼1.2厘米四、电子管基本工作原理。

从相关器件的发明顺序，大致可了解电子管的工作原理：灯泡：1854年，德国人亨利·戈培尔发明灯泡，这可算是最简单的真空器件了要让灯丝通电后升温发光，须将灯泡抽成真空，防止灯丝在高温下氧化阴极射线管：1878年，英国科学家克鲁克斯发明了阴极射线管。

阴极射线管是一个真空玻璃管，管内二侧安装了阴极和阳极，接上几万伏的高电压后，阴极会发射出一种“射线”，这种射线走直线，但在电场和磁场里会偏转方向，能在玻璃壳上产生荧光如果改变阳极材料和电压，可以在阳极靶上轰出了X射线。

英国人JJ汤姆生系统地研究了这种射线，1897年，他提出阴极射线是一种带电粒子，并取名为“电子”爱迪生效应：1883年，爱迪生在改良灯泡的灯丝时，尝试在灯泡中封入一个铜丝，竟然发现灯泡通电后，这根铜丝与灯丝间有微弱的电流。

尽管这种现象当时没有任何实用价值，但爱迪生为其申请了专利，并称为“爱迪生效应”实际上，这个微弱的电流就是热灯丝发射的电子流二极管：1904年，英国物理学家弗莱明发明了真空二极管现在看来，从爱迪生效应到二极管，只需在把铜丝做成极片再加上正电压就行，好像很简单。

但当时，一些理论未发展起来，也缺少应用需求后来，交流电的应用，以及无线电的发明，需要用到“整流”和“检波”，二极管就应运而生了二极管的“整流”和“检波”，实质上是把双向的交流信号变为单向的直流信号，即在信号的正半周时，热阴极向阳极发射电子，二极管导通；在信号的负半周时，电场反向，阳极无法向阴极发射电子，二极管截止。

共工作原理参见下面两图：

图4

图55、三极管：1907年，美国科学家福雷斯特制造出第一支真空三极管。注意，美国人来了！此后，美国一直引领了整个世界！福雷斯特的发明无与伦比，只是当时人们不知道有什么用，以至于申请专利时被当作骗子。

图6 三极管原理三极管原理并不复杂，在二极管的阴极和阳极之间再加增加一个“控制栅极”，就形成了三极管因为控制栅极十分靠近阴极，栅极与阴极间施加负电场，阴极就不发射电子，栅极施加正电场，阴极就发射电子，而且可以通过控制栅极电压来控制电子束流的大小，从而实现“以小控大”的放大作用。

输入信号加在栅极上，放大后的信号从阳极输出6、四极管：从上图分析可知，三极管的阳极承担了“加速电子”和“信号输出”两个任务，但二者相互矛盾，即：加速电子时希望阳极电压稳定，但输出信号靠的就是阳极电压变化。

解决办法就是把这二个功能分开，阳极专门用于输出大信号，加速电子则另请高明：再增加一个叫栅极，即“帘栅极”或“屏栅极”，该栅极设置在控制栅与阳极之间，靠近控制栅工作时加上固定的正电压，专门负责加速电子如下图：。

图7 四极管工作原理7、五极管：四极管又有新问题：电子束在屏栅极（帘栅极）的加速下，打到阳极时动能很大，会从阳极中轰出“二次电子”，这些电子在阳极和屏栅极之间，不知道何去何从当然最终要看周边电极，谁电压高就往谁方向走。

在四极管中，阳极和帘栅极都是正电压区别是：帘栅极电压是固定的，但阳极电压是随输出信号高低变化的当阳极电压高时，电子仍旧返回阳极；但随着信号变化，阳极电压也可能会低于帘栅极，这时，二次电子毫不犹豫地飞向帘栅极。

这就坏了：减小了阳极电流，增加了帘栅极电流帘栅极目的是加速电子，又不需要收集电子，真正收集电子的是阳极，只能奔赴阳极的电子才能在阳极电路中形成输出电流，起到放大作用有人可能会说：没事，无非就是费点电嘛但这种“负阻效应”将在放大信号时引发严重失真及自激振荡，导致四极管根本无法使用。

还有可能会让帘栅极过热烧掉

图8 五极管解决办法是：再增加一个栅极！加在帘栅极与阳极之间，叫抑制栅极，并与阴极相接这样，帘栅极的加速电场，被抑制栅极隔开，二次电子回头一看，首先看见抑制栅极的零电位，没任何吸引力，只得乖乖地再飞回阳极。

发明了“五极管”，电子管技术才真正进入实用阶段五、束射四极管工作原理除了五极管，人们另辟蹊径，发明了“束射四极管”，也解决了二次电子的问题，主要应用在音频功放领域中。其结构如下图所示：

图9从结构上看，束射四极管没有使用抑制栅极，改用了“集束屏”，集束屏与五极管的抑制栅极相同，连接到阴极上，与阴极同电位普通电子管外圈阳极、中心阴极的结构，让阴极电子流任何角度都可以飞向阳极但在束射四极管中，加了集束屏，挡住了大半方向，电子只能通过集束屏的开口处飞向阳极面。

造成的效果是电子束流被压缩，从而大幅度提高了空间电子密度，这就是名称“束射四极管”的来历集束后后，密集的电子束在靠近阳极附近的空间时，依靠本身的空间电荷，形成了超过15V的电压降，一般二次电子能量一般不超过15V。

二次电子往阴极方向一看，附近空间中密密麻麻一堆负电子，帘栅极的加速电压根本就看不见，于是被这个空间负电压赶回了阳极当然，束射四极管，为了在帘栅－阳极之间形成高密度的空间电荷，设计上有以下特点：阴极扁平状，宽面朝向阳极，以发射更多电子。

适当增加帘栅－阳极间的距离，以在此积累更多的空间电荷对栅，即2个栅极的栅丝完全一一对齐，以减少帘栅截获电子同时让阴极出发的电子流，通过控制栅后被分割、压缩成片状，再顺利通过帘栅的栅丝间隙束射屏就像竖起的一堵墙，既约束电子束方向，又挡住二次电子从侧边绕回去的可能。

好，了解了束射四极管的工作原理，我们来欣赏一下KT88的内部结构，再分析一下结构及设计上的原理。六、KT88结构（4楼）前面提及，为了描述方便，将KT88从上到下分成5个楼层。下面先看4楼。

图10 固定杆4根：编号1－4，分布于四角，贯穿3层云母片，用于定位、固定阳极固定杆2根：编号A、B根，贯穿3层云母片，既起固定作用，也是阳极的电气通路注意：阴极到B杆中间有束射屏的第3个固定片，而到A杆之间没有。

云母片孔道2：靠近阳极固定杆A、B处，狭长且略弯折作用不详横向中心线上，从中心往外，分布着阴极、控制栅杆、帘栅杆、束射屏固定片控制栅杆顶部，焊接着一片金属片，90度折角，用于栅极的散热，及隔开阴极与屏栅杆。

为方便理解及描述，根据从实物照片中观察到的结构信息，绘制出KT88主体部件（对应3楼）的截面图，并自定义了一些名称。如下图：

图11定义阴极宽度方向为CD轴线，定义两个阳极固定杆方向为AB轴线依此编号4个固定杆最外面的阳极板（红色线），分左右两半对合起来，并在AB轴线上延长，焊在阳极杆上阳极板上受电子轰击位置，焊接了4个金属散热片（紫色）。

中心为扁平状阴极，向外依次是控制栅、帘栅、集束屏、阳极。造型均为长方形。下面以一个正对阳极固定杆A为0度视角，旋转电子管拍摄照片，逐一观察分析。

图120度视角：云母片看起来不圆，是因为此处玻璃外壳变小，拍摄时光线折射导致变形。可见阴极的扁平面，对向的AB阳极杆方向。

图13略微旋转一个角度，可看清左右2个金属片折耳，用于定位3楼的集束屏。

图14正对B杆，看清射束屏第3个耳朵，用一根导线与阴极焊接在一起。可参考图9电路图。

图15在90度仰视视角下，可以看清更多的结构：3层云母片，尺寸、开孔相同的，设计上一片顶三片，方便加工云母片1上有6个固定杆，其他开孔未使用根据云母片1的孔，可了解主体结构及尺寸云母片1四周多了4个固定弹片，用于整个组件在玻璃壳顶端的定位和固定。

云母片上2道狭长开孔（蓝色箭头），猜测作用可能为：组装时方便工具伸入去微调；热伸缩缝；气体分子通道（未查到资料，仅作猜测）透过云母片2下边与阳极板之间的有限缝隙，可观察到束射屏的极板的大小尺寸位置

图16270度视。所有固定杆都是穿过一个套管，套管固定在云母片上，为防止松动滑动，对套管进行了压焊。4号固定杆处可见压焊痕迹。

图17通电后，阴极被加热呈发红状态尽管这段阴极很短，但也可发射热电子，后面讲到的管壳上的蓝光，就是这部分阴极惹的祸3楼主体结构中，控制栅很靠近阴极，易被加热，造成热电子发射为帮控制栅散热，顶部及底部（4楼、2楼）的控制栅杆上，各焊接了2个散热片。

同时，这个散热片也可以挡住阴极打向帘栅杆的电子，减少漏电流七、KT88结构（3楼）3楼是电子管的主体，高度约为4厘米，提供了足够的空间来容纳阴极、2组栅极、束射屏极、阳极等电子管的主体部件，同时提供了电子束流的发射、控制、成形、抵达等工作空间。

外围包了一圈阳极，内部结构看不太清。我们只能通过几个圆孔、阳极板与上下云母片的缝隙、以及4楼2楼露出的部分，来洞悉其内部结构。

图18阳极板和散热片。散热片焊接在阳极板上，阳极板对合后焊接在阳极杆上。照片看不太清楚，绘制了一个示意图如下。

图19再换个角度观察阳极板和散热板，如下图：

图20两片阳极板叠合后，端部进行了折边，折边宽度约4毫米，角度约160度，可以通过底部的红色A框看清折边的细节由于折边的缘故，阳极板的内表面外翻，可见内表面与外表面光泽不一样，内表面没有涂层，显得光亮，而外表面涂覆散热涂层，质感明显要粗糙。

粉色色块标记的是散热片，该散热片的折边角度，可以通过底部的红色B框判断散热片上有6个点焊点下面来看阳极板上两侧的3个圆孔阳极板在CD轴线上，左右各开了3个圆孔，两边对称如果在一侧打光，另一侧就可以通过圆孔观察到内部结构。

理论上，视线会被集束屏遮挡（参见图19），但实际上，集束屏在此处开了竖直的、上下贯通的矩形孔，因此可看到内部的栅极、栅丝

图21上图分析了两层栅丝的结构和大致尺寸。下图右是通电时可见阴极发红。

图22总体上，经过上述分析，3楼内部结构大致理清主要还是集束屏的结构，无法直接观察到，靠有限信息推算，可能不是很正确到此，出现了一个问题：这些圆孔的作用是什么？里面集束屏开的矩形孔有什么用？看过其他电子管，也有这些孔。

如果说让人们看看里面的阴极栅极，这理由说不通猜测原因：内部集束屏散热？有网友知道的请留言告知这些孔，是否会让阴极电子通过并到达阳极呢？经分析，不太会：阴极是扁平的，从阴极到此孔，有2根栅极杆阻挡，电子无法绕过；

集束屏开的孔不是很宽，附近分布的零电位可以屏蔽外面阳极上的电场实际上，还有很一些杂散电子，通过内外两层孔一直打到了玻璃壳上，形成了蓝光下图是同一张照片，右边照片对蓝光作了强化仔细观察，可见蓝光是萦绕在玻壳上的，并有一定的形状。

正对玻壳的蓝光，形如“花生壳”或“糖葫芦”

下面分析一下蓝光的成因：上图中，从阳极圆孔往里可以望见阴极，那么，阴极的一些电子也会朝外发射出来考虑沿途有两重栅杆阻挡，因此不可能形成较大的电子束流阳极圆孔附近的区域，若对阴极来说是直线暴露可见的，那么这些区域会对阴极上的热电子产生电场吸引力。

这些电子到达圆孔边缘时，如果靠近阳极板的，则直接打上阳极板，形成阳极电流还有一部分离圆孔边缘稍远的，则依靠动能惯性，从边缘处飞出打到了玻璃外壳上，激发玻璃产生蓝光圆孔本身无电场，不会吸引电子只有掠过圆孔边缘处的电子，才会飞出来。

因此，玻壳上蓝光的形状，都与阳极孔洞、缝隙的边缘有关从阴极到与圆孔，再到玻壳，形成锥形光学放大关系，因此蓝光圈被放大了玻壳发光机理是：电子轰击玻璃，打入材料分子或原子，原子内部电子被激发到较高能级，稍后这些电子跃迁回原能级时，能量转为光子释放出来。

发蓝光与玻璃原子内部电子的固有能级有关花生壳蓝光带中间还有一条竖条状的蓝光带，这里，加速电子的电极是帘栅杆从图22中可见，黑色的帘栅杆，并未完全遮住阴极，帘栅杆加有250V的加速电压，因此一些电子会受到加速，掠过帘栅杆的边缘，再从圆孔中飞出轰击玻壳形成蓝光。

因栅杆是竖条状，蓝光带也是竖条状的下面再用一示意图，说明蓝光成因：

再看玻壳另一边一片蓝光的成因：

左图箭头所指处，阴极与阳极的缝隙边缘，构成电子光学路径，形成了右图方框中的蓝光蓝光多见于功率电子管，这些缝隙结构不同，蓝光形状也各不相同这种蓝光与管子本身的橙光一起，让电子管显得如梦如幻，煞是好看但蓝光对管子是不利的：一是形成无效电流，造成功耗增加；二是导致玻壳局部区域温度上升。

有的电子管采取在玻壳上喷涂碳的方法，来均衡吸收电子能量但我有点想不通，为什么不提高制造工艺，将这些圆孔、缝隙全部消除掉？它们有什么用？八、KT88结构（2楼）2楼是第3层云母片下面空间，主要是各电极及引脚线，如下图：

4个固定杆没有电气连接。2个阳极杆与引脚焊接。栅极挡板，作用与4楼的挡板相同。

上图，主要观察阴极与热子的结构。因为阴极是扁平状，热子需折叠多次并列，以形成对阴极的有效加热。下图是曙光厂生产KT88用的热子，可见折叠了4次。

下图是热子通电状态时的情形。阴极工作温度在800C－950C，热子温度更高，万一热子烧断了，整个电子管就报废了，因此热子质量要好，寿命要长。

九、KT88结构（5楼）5楼就一张照片，主要观察吸气剂结构。

十、小结本文以KT88束射四极管为例，介绍了一些电子管的结构及工作原理。本来要穿插一些纯理论的东西，但打公式太过复杂，留待以后另文再述。由于本人水平有限，所述有误之处，敬请指正。