抑制行波管多级降压收集极二次电子发射的工艺研究(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京真空电子技术研究所大功率微波电真空器件技术国防 作者:白国栋

  利用自行设计制造的一台抑制行波管多级降压收集极(MDC) 二次电子发射的专用设备,分别对无氧铜片样品与无氧铜MDC 进行了离子束表面改性的工艺研究。结果表明,表面改性后无氧铜表面二次电子发射系数可以得到大幅度的降低,有效提高空间行波管MDC 的效率及整管效率。

  行波管广泛用于雷达、电子战、卫星通信和精确制导等武器装备。近年来,对于行波管需求量增加,同时提出了更高要求,其中包括更高的整管效率。更高的整管效率不仅意味着降低行波管的功耗、减小电源的重量和体积,而且意味着提供改善器件可靠性和寿命的空间。这对于机载和空间行波管来说尤为重要,因为这类装备的行波管不可避免的受到功耗和重量的限制。据报道,星载行波管整管效率提高一个百分点,经济效益高达三千万美元 。国外报导的空间行波管最高效率已达到70%以上,国内空间行波管放大器的研制水平与国外有很大差距,目前我国Ka 及更高的毫米波段新型卫星通信系统的研究刚刚起步,发展空间行波管势在必行。

  国内多从多级降压收集极(MDC) 的电、热结构出发进行仿真设计,改进结构确实能挖掘出效率提高的潜力。但由于入口条件等的限制,还不能十分准确的模拟出真实情况。降低收集极材料的二次电子发射,与仿真计算相结合,也能起到相辅相成的效果。实际上,离开互作用区的电子能量存在一定方式的分布,不同于阶梯分布,并不可能都被MDC 有效收集。另外,MDC 的作用始终受限于收集极材料的二次电子发射。常用的收集极材料为导热率和导电率优异的无氧铜,但无氧铜的二次电子发射系数高达1.3 ,而且在极宽的一次电子能量范围内都呈现出较高的二次电子发射系数。而收集极必须加上足够高的电压,以防电子回流进入互作用区。所以,一次电子到达收集极时不可避免地产生大量二次电子,以及一定量的弹性散射的一次电子。这些带能电子出现在各级收集极附近,它们再次打到收集极上时则造成可观的能量损耗,从而降低行波管收集极的效率,同时使管体温度上升,进一步降低行波管的效率;大量低能二次电子的存在,还可能造成回流,增加热耗散功率并形成噪声。所以,抑制二次电子发射至关重要。根据国外报道,采用石墨或碳涂层的无氧铜四级降压收集极的整管效率可提高4.6 % ,而经过表面改性处理的四级降压收集极的整管效率可提高4.9%。由此看出抑制二次电子发射的重要性。

  二次电子的发射系数δ一方面取决于材料的性质,另一方面与材料表面的形貌密切相关。当一次电子打到毛刺侧面或底部时,产生的二次电子大部分被附近的毛刺所截获,从而降低多级降压收集极的δ。由于无氧铜在金属材料中具有优异的导热率、导电率以及可加工和焊接性能,常被用做理想的收集极材料,不足的是它的二次电子发射系数较高。降低或抑制其二次电子发射的一个方法是从无氧铜的表面形貌改性入手,从而避免在无氧铜上涂覆异质材料(如石墨等) 。本文利用自行设计的离子束表面改性设备,对无氧铜样品及无氧铜MDC 样品进行了工艺试验,得到了初步实验结果。

1、实验设备

  根据对国外离子束轰击表面改性相关文献的调研,再结合已有的试验装置进行实验,首先进行了无氧铜MDC 离子束轰击表面改性设备的总体方案设计,然后通过工艺试验调整和优化离子源、钼靶和样品之间的距离,同时进行样品台、加热器、钼靶及模具的计算与设计,在国内首次研制出无氧铜MDC离子束表面改性的专用设备,如图1所示 。

离子束表面改性专用设备外型图

图1  离子束表面改性专用设备外型图

2、实验结果与讨论

  为了二次电子发射系数测试与优化工艺参数的方便,在实验中首先采用1 cm2 的无氧铜片作为测试样品,然后在MDC上进行试验。下面分别介绍无氧铜样片与MDC 的试验结果。

2.1、无氧铜样片

2.1.1、表面SEM 形貌

  图2 展示了无氧铜样品表面的扫描电子显微镜照片,它显示的是一个没有处理过的高导无氧铜表面1000 倍的照片,放大后的照片说明表面并不十分光滑,是研究中包含的其他样品基底未做离子处理前的模样。图3 显示了离子表面改性后织构的形貌,毛刺的高度在3~15μm 范围内,密度大于等于5 ×107 / cm2 。图4 显示了低温150 ℃时,正常工艺参数下收集极表面几乎未能形成毛刺。因此,样品温度在毛刺的形成过程中起到重要的作用,过低的样品温度不能形成所需要的毛刺织构。

未处理过的无氧铜表面改性过的无氧铜低温样品表面形态

图2  未处理过的无氧铜  图3  表面改性过的无氧铜  图4  低温样品表面形态

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