利用自行設(shè)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)射的專用設(shè)備,分別對無氧銅片樣品與無氧銅MDC 進(jìn)行了離子束表面改性的工藝研究。結(jié)果表明,表面改性后無氧銅表面二次電子發(fā)射系數(shù)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(dá)、電子戰(zhàn)、衛(wèi)星通信和精確制導(dǎo)等武器裝備。近年來,對于行波管需求量增加,同時提出了更高要求,其中包括更高的整管效率。更高的整管效率不僅意味著降低行波管的功耗、減小電源的重量和體積,而且意味著提供改善器件可靠性和壽命的空間。這對于機(jī)載和空間行波管來說尤為重要,因為這類裝備的行波管不可避免的受到功耗和重量的限制。據(jù)報道,星載行波管整管效率提高一個百分點,經(jīng)濟(jì)效益高達(dá)三千萬美元 。國外報導(dǎo)的空間行波管最高效率已達(dá)到70%以上,國內(nèi)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(wèi)星通信系統(tǒng)的研究剛剛起步,發(fā)展空間行波管勢在必行。

　　國內(nèi)多從多級降壓收集極(MDC) 的電、熱結(jié)構(gòu)出發(fā)進(jìn)行仿真設(shè)計,改進(jìn)結(jié)構(gòu)確實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(zhǔn)確的模擬出真實情況。降低收集極材料的二次電子發(fā)射,與仿真計算相結(jié)合,也能起到相輔相成的效果。實際上,離開互作用區(qū)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(dǎo)熱率和導(dǎo)電率優(yōu)異的無氧銅,但無氧銅的二次電子發(fā)射系數(shù)高達(dá)1.3 ,而且在極寬的一次電子能量范圍內(nèi)都呈現(xiàn)出較高的二次電子發(fā)射系數(shù)。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(qū)。所以,一次電子到達(dá)收集極時不可避免地產(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(xiàn)在各級收集極附近,它們再次打到收集極上時則造成可觀的能量損耗,從而降低行波管收集極的效率,同時使管體溫度上升,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(jù)國外報道,采用石墨或碳涂層的無氧銅四級降壓收集極的整管效率可提高4.6 % ,而經(jīng)過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(shù)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(dāng)一次電子打到毛刺側(cè)面或底部時,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。由于無氧銅在金屬材料中具有優(yōu)異的導(dǎo)熱率、導(dǎo)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(shù)較高。降低或抑制其二次電子發(fā)射的一個方法是從無氧銅的表面形貌改性入手,從而避免在無氧銅上涂覆異質(zhì)材料(如石墨等) 。本文利用自行設(shè)計的離子束表面改性設(shè)備,對無氧銅樣品及無氧銅MDC 樣品進(jìn)行了工藝試驗,得到了初步實驗結(jié)果。

1、實驗設(shè)備

　　根據(jù)對國外離子束轟擊表面改性相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研,再結(jié)合已有的試驗裝置進(jìn)行實驗,首先進(jìn)行了無氧銅MDC 離子束轟擊表面改性設(shè)備的總體方案設(shè)計,然后通過工藝試驗調(diào)整和優(yōu)化離子源、鉬靶和樣品之間的距離,同時進(jìn)行樣品臺、加熱器、鉬靶及模具的計算與設(shè)計,在國內(nèi)首次研制出無氧銅MDC離子束表面改性的專用設(shè)備,如圖1所示 。

圖1 　離子束表面改性專用設(shè)備外型圖

2、實驗結(jié)果與討論

　　為了二次電子發(fā)射系數(shù)測試與優(yōu)化工藝參數(shù)的方便,在實驗中首先采用1 cm² 的無氧銅片作為測試樣品,然后在MDC上進(jìn)行試驗。下面分別介紹無氧銅樣片與MDC 的試驗結(jié)果。

2.1、無氧銅樣片

2.1.1、表面SEM 形貌

　　圖2 展示了無氧銅樣品表面的掃描電子顯微鏡照片,它顯示的是一個沒有處理過的高導(dǎo)無氧銅表面1000 倍的照片,放大后的照片說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(gòu)的形貌,毛刺的高度在3～15μm 范圍內(nèi),密度大于等于5 ×10⁷ / cm² 。圖4 顯示了低溫150 ℃時,正常工藝參數(shù)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程中起到重要的作用,過低的樣品溫度不能形成所需要的毛刺織構(gòu)。

圖2 　未處理過的無氧銅　　圖3 　表面改性過的無氧銅　　圖4 　低溫樣品表面形態(tài)