阴极分解和激活工艺对磁控管频谱主副瓣比的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)甘肃省微波电子工程技术研究中心 作者:张桂荣

  通过对阴极分解温度和激活温度的合理控制,不仅使阴极的活性和发射稳定性得到显著提高,而且使管内电极除气更加彻底,改善了互作用空间电子云的分布状态,有效提高磁控管的工作稳定度,使磁控管频谱主副瓣比提高到12dB(平方率)以上。

  磁控管频谱主副瓣比直接影响到雷达接收机的噪声,影响磁控管频谱主副瓣比的因素除了有设计(结构的合理性)、工艺(阴阳极对中度,管内真空度)、阴极性能(发射大小及稳定度)因素以外,还有调制脉冲(脉冲宽度、重复频率、前沿上升时间)、磁场(磁场畸变,分布不均)、负载(负载适配、负载不稳)、测试信号(取样的失真率)等因素。对于处于稳定工作状态的磁控管,频谱主副瓣比达到8~12dB(平方率检波,下同)并不困难,然要进一步提高就需要深入研究了。工程实践发现,排气工艺对磁控管频谱主副瓣比具有一定影响,适当提高分解和直流冲击(电子激活)过程的阴极温度,能够使磁控管频谱主副瓣比达到12dB以上。

  文中以C波段气象雷达用某型号同轴磁控管为例进行论述。该型号磁控管(下称磁控管)的阴极为海绵镍氧化物阴极。为了对磁控管阴极温度进行准确控制,有必要采用实验法测定出磁控管热丝电流与阴极表面温度的关系。图1是利用光学高温计测定的热丝电流与阴极表面温度曲线。

热丝电流与阴极表面温度曲线

图1 热丝电流与阴极表面温度曲线

1、提高阴极分解温度

  1.1、方案1-1

  考虑到抽气速率和生产效率问题,初步确定,阴极分解时真空度维持在10-3~10-4Pa之间。从碱土金属碳酸盐分解温度与离解压力曲线(图2所示)可以看出,碳酸钡的离解压力最小,所以确定阴极分解的最低温度应在750~850℃。参照从图1可知,热丝电流最高应加至5.5~5.8A。

碳酸盐离解压力与温度曲线

图2 碳酸盐离解压力与温度曲线

  按此方案进行阴极分解,排气后的磁控管在不同测试状态下的频谱主副瓣比测试数据见表1。频谱如图3所示。

表1 方案1-1的磁控管频谱主副瓣比测试数据

方案1-1的磁控管频谱主副瓣比测试数据

方案1-1的磁控管频谱主副瓣比实测图片

图3 方案1-1的磁控管频谱主副瓣比实测图片

  1.2、方案1-2

  将分解时的真空度提高一个数量级,使之维持在10-4~10-5Pa之间,根据图2可知,最低分解温度应提高到850~950℃。参照图1可知此时热丝电流最高应加至5.8~6.6A。按此方案进行阴极分解,排气后的磁控管在不同测试状态下的频谱主副瓣比测试数据见表2。频谱如图4所示。

表2 方案1-2的磁控管频谱主副瓣比测试数据

方案1-2的磁控管频谱主副瓣比测试数据

方案1-2的磁控管频谱主副瓣比实测图片

图4 方案1-2的磁控管频谱主副瓣比实测图片

  测试结果表明,适当提高阴极分解温度能使磁控管频谱主副瓣比得到一定程度的提高。这是因为,从氧化物阴极分解的反应式可以看出:

方案2-2的磁控管频谱主副瓣比测试数据

  影响反应向右进行的关键因素就是温度的提高和CO2的去除。适当提高分解温度和真空度,可使碳酸盐得到充分分解,有利于产生充足的活性钡原子,使阴极的发射性能达到最佳状态。另一方面,分解温度的提高,有利于分解得的到氧化物迅速形成共晶体,使阴极获得更加良好的发射性能。这样,磁控管工作稳定度进一步提高了,频谱主副瓣比也就提高了。目前,超高真空排气台在分解中提供10-7Pa以上的真空度已不成问题,这为分解温度的提高提供了可能。另外,提高分解温度,可以缩短分解时间,这对提高生产效率也是有利的。

  值得注意的是,分解温度并非越高越好。随着分解温度的升高,碳酸盐分解所得到的氧化物的蒸发量也会增加,使阴极发射能力下降,所以提高分解的同时,就要相应缩短分解时间。分解温度升高,热丝温度也要提得更高,这就极易造成热丝绝缘层的短路,甚至烧断热丝。分解温度过高,过早生成的氧化物共晶体将会阻止活性钡原子的继续产生。若分解温度达到基金属熔点,就会使基金属过量蒸发沉积在阴极表面,使涂层被沾污及造成漏电。一般来说,阴极分解温度不宜超过1050℃。

2、提高直流冲击(电子激活)温度

  考虑磁控管寿命问题(理论设计寿命2000h),冲击过程中真空度保持在10-7~10-8Pa之间,冲击时阴极温度取800~900℃,参照图1,热丝电流应加5.6~6.2A。

  2.1、方案2-1

  冲击时将阴极温度控制在800℃,相应的热丝电流加至5.6A。按此方案完成直流冲击,排气后的磁控管在不同测试状态下的频谱主副瓣比测试数据如表2所示,频谱如图4所示。

  2.2、方案2-2

  将冲击时的阴极温度提高到900℃,此时热丝电流应加至6.2A。

  按此方案完成直流冲击,排气后的磁控管在不同测试状态下的频谱主副瓣比测试数据见表3。频谱如图5所示。

表3 方案2-2的磁控管频谱主副瓣比测试数据

方案2-2的磁控管频谱主副瓣比测试数据

方案2-2的磁控管频谱主副瓣比实测图片

图5 方案2-2的磁控管频谱主副瓣比实测图片

  测试结果表明,适当提高直流冲击的阴极温度能使磁控管的频谱主副瓣比得到进一步提高。冲击中发现,提高阴极温度,阳极电流增加,管内放气更加厉害,冲击时间得到缩短。这是因为,阴极温度的提高,使阴极涂层晶格中的离子动能增强,运动加剧,钡离子向基金属运动,得到电子被中和成自由钡原子,扩散至涂层中的钡原子数量增加,阴极活性提高,因而阳极电流增加。

  同时,更多的氧离子向涂层表面运动,失去电子形成氧气溢出涂层表面。更为重要的是,阴极温度的增加,电子对管内阳极结构表面(尤其是靠近阴极的阳极)轰击更加剧烈,使阳极表面吸附的气体及氧化物得到更为彻底地“脱附”,因而管内放气更加厉害。这些气体和污物被抽走,进一步改善了阴极工作环境。另外,阴极温度的提高,对于避免因轰击电极大量放出的气体使阴极中毒也是有利的。阴极温度的提高,加速了阴极“电子激活”和气体“脱附”进程,因而冲击时间有所缩短,这也有利于生产效率的提高。

  当然,直流冲击中,为了避免阴极活性物质和基金属的大量蒸发,阴极温度最高不应超过950 ℃。而且,真空度不应下降太厉害,若放气过大,可逐渐提高热丝电流或直流电压,直至真空度上升。

3、结论

  频谱主副瓣比是磁控管工作稳定度的一种反映,在磁控管的排气过程中,合理选取分解和直流冲击的阴极温度,将使阴极分解更加充分,电极除气更加彻底,对于提高阴极活性和减少杂质离子轰击,避免引起阴极溅射和中毒,改善互作用空间电子云的分布状态均十分有利,有效提高磁控管工作稳定度,使频谱主副瓣比提高到12dB(平方率)以上。

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