利用自行設計制造的一臺抑制行波管多級降壓收集極(MDC) 二次電子發射的專用設備,分別對無氧銅片樣品與無氧銅MDC 進行了離子束表面改性的工藝研究。結果表明,表面改性后無氧銅表面二次電子發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,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。據報道,星載行波管整管效率提高一個百分點,經濟效益高達三千萬美元 。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、熱結構出發進行仿真設計,改進結構確實能挖掘出效率提高的潛力。但由于入口條件等的限制,還不能十分準確的模擬出真實情況。降低收集極材料的二次電子發射,與仿真計算相結合,也能起到相輔相成的效果。實際上,離開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射。常用的收集極材料為導熱率和導電率優異的無氧銅,但無氧銅的二次電子發射系數高達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射系數。而收集極必須加上足夠高的電壓,以防電子回流進入互作用區。所以,一次電子到達收集極時不可避免地產生大量二次電子,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,抑制二次電子發射至關重要。根據國外報道,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射的重要性。

　　二次電子的發射系數δ一方面取決于材料的性質,另一方面與材料表面的形貌密切相關。當一次電子打到毛刺側面或底部時,產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射系數較高。降低或抑制其二次電子發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,對無氧銅樣品及無氧銅MDC 樣品進行了工藝試驗,得到了初步實驗結果。

1、實驗設備

　　根據對國外離子束轟擊表面改性相關文獻的調研,再結合已有的試驗裝置進行實驗,首先進行了無氧銅MDC 離子束轟擊表面改性設備的總體方案設計,然后通過工藝試驗調整和優化離子源、鉬靶和樣品之間的距離,同時進行樣品臺、加熱器、鉬靶及模具的計算與設計,在國內首次研制出無氧銅MDC離子束表面改性的專用設備,如圖1所示 。

圖1 　離子束表面改性專用設備外型圖

2、實驗結果與討論

　　為了二次電子發射系數測試與優化工藝參數的方便,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上進行試驗。下面分別介紹無氧銅樣片與MDC 的試驗結果。

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,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。

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