抑制行波管多級降壓收集極二次電子發(fā)射的工藝研究
利用自行設計制造的一臺抑制行波管多級降壓收集極(MDC) 二次電子發(fā)射的專(zhuān)用設備,分別對無(wú)氧銅片樣品與無(wú)氧銅MDC 進(jìn)行了離子束表面改性的工藝研究。結果表明,表面改性后無(wú)氧銅表面二次電子發(fā)射系數可以得到大幅度的降低,有效提高空間行波管MDC 的效率及整管效率。
行波管廣泛用于雷達、電子戰、衛星通信和精確制導等武器裝備。近年來(lái),對于行波管需求量增加,同時(shí)提出了更高要求,其中包括更高的整管效率。更高的整管效率不僅意味著(zhù)降低行波管的功耗、減小電源的重量和體積,而且意味著(zhù)提供改善器件可靠性和壽命的空間。這對于機載和空間行波管來(lái)說(shuō)尤為重要,因為這類(lèi)裝備的行波管不可避免的受到功耗和重量的限制。據報道,星載行波管整管效率提高一個(gè)百分點(diǎn),經(jīng)濟效益高達三千萬(wàn)美元 。國外報導的空間行波管最高效率已達到70%以上,國內空間行波管放大器的研制水平與國外有很大差距,目前我國Ka 及更高的毫米波段新型衛星通信系統的研究剛剛起步,發(fā)展空間行波管勢在必行。
國內多從多級降壓收集極(MDC) 的電、熱結構出發(fā)進(jìn)行仿真設計,改進(jìn)結構確實(shí)能挖掘出效率提高的潛力。但由于入口條件等的限制,還不能十分準確的模擬出真實(shí)情況。降低收集極材料的二次電子發(fā)射,與仿真計算相結合,也能起到相輔相成的效果。實(shí)際上,離開(kāi)互作用區的電子能量存在一定方式的分布,不同于階梯分布,并不可能都被MDC 有效收集。另外,MDC 的作用始終受限于收集極材料的二次電子發(fā)射。常用的收集極材料為導熱率和導電率優(yōu)異的無(wú)氧銅,但無(wú)氧銅的二次電子發(fā)射系數高達1.3 ,而且在極寬的一次電子能量范圍內都呈現出較高的二次電子發(fā)射系數。而收集極必須加上足夠高的電壓,以防電子回流進(jìn)入互作用區。所以,一次電子到達收集極時(shí)不可避免地產(chǎn)生大量二次電子,以及一定量的彈性散射的一次電子。這些帶能電子出現在各級收集極附近,它們再次打到收集極上時(shí)則造成可觀(guān)的能量損耗,從而降低行波管收集極的效率,同時(shí)使管體溫度上升,進(jìn)一步降低行波管的效率;大量低能二次電子的存在,還可能造成回流,增加熱耗散功率并形成噪聲。所以,抑制二次電子發(fā)射至關(guān)重要。根據國外報道,采用石墨或碳涂層的無(wú)氧銅四級降壓收集極的整管效率可提高4.6 % ,而經(jīng)過(guò)表面改性處理的四級降壓收集極的整管效率可提高4.9%。由此看出抑制二次電子發(fā)射的重要性。
二次電子的發(fā)射系數δ一方面取決于材料的性質(zhì),另一方面與材料表面的形貌密切相關(guān)。當一次電子打到毛刺側面或底部時(shí),產(chǎn)生的二次電子大部分被附近的毛刺所截獲,從而降低多級降壓收集極的δ。由于無(wú)氧銅在金屬材料中具有優(yōu)異的導熱率、導電率以及可加工和焊接性能,常被用做理想的收集極材料,不足的是它的二次電子發(fā)射系數較高。降低或抑制其二次電子發(fā)射的一個(gè)方法是從無(wú)氧銅的表面形貌改性入手,從而避免在無(wú)氧銅上涂覆異質(zhì)材料(如石墨等) 。本文利用自行設計的離子束表面改性設備,對無(wú)氧銅樣品及無(wú)氧銅MDC 樣品進(jìn)行了工藝試驗,得到了初步實(shí)驗結果。
1、實(shí)驗設備
根據對國外離子束轟擊表面改性相關(guān)文獻的調研,再結合已有的試驗裝置進(jìn)行實(shí)驗,首先進(jìn)行了無(wú)氧銅MDC 離子束轟擊表面改性設備的總體方案設計,然后通過(guò)工藝試驗調整和優(yōu)化離子源、鉬靶和樣品之間的距離,同時(shí)進(jìn)行樣品臺、加熱器、鉬靶及模具的計算與設計,在國內首次研制出無(wú)氧銅MDC離子束表面改性的專(zhuān)用設備,如圖1所示 。
圖1 離子束表面改性專(zhuān)用設備外型圖
2、實(shí)驗結果與討論
為了二次電子發(fā)射系數測試與優(yōu)化工藝參數的方便,在實(shí)驗中首先采用1 cm2 的無(wú)氧銅片作為測試樣品,然后在MDC上進(jìn)行試驗。下面分別介紹無(wú)氧銅樣片與MDC 的試驗結果。
2.1、無(wú)氧銅樣片
2.1.1、表面SEM 形貌
圖2 展示了無(wú)氧銅樣品表面的掃描電子顯微鏡照片,它顯示的是一個(gè)沒(méi)有處理過(guò)的高導無(wú)氧銅表面1000 倍的照片,放大后的照片說(shuō)明表面并不十分光滑,是研究中包含的其他樣品基底未做離子處理前的模樣。圖3 顯示了離子表面改性后織構的形貌,毛刺的高度在3～15μm 范圍內,密度大于等于5 ×107 / cm2 。圖4 顯示了低溫150 ℃時(shí),正常工藝參數下收集極表面幾乎未能形成毛刺。因此,樣品溫度在毛刺的形成過(guò)程中起到重要的作用,過(guò)低的樣品溫度不能形成所需要的毛刺織構。
圖2 未處理過(guò)的無(wú)氧銅 圖3 表面改性過(guò)的無(wú)氧銅 圖4 低溫樣品表面形態(tài)
