批產(chǎn)陰極發(fā)射電流穩(wěn)定性的研究

趙 請，王玉春，李志順

(南京三樂電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司，南京211800)

行波管作為真空電子器件的主要類型之一，在武器系統(tǒng)中起到了重要作用［1］。近年來隨著我國國防事業(yè)的迅猛發(fā)展，對行波管的需求量大幅增加，同時對器件性能的可靠性提出了更高的要求，為此我們對行波管的良品率進行了數(shù)據(jù)分析，分析結(jié)果顯示，在現(xiàn)有工藝條件下批產(chǎn)陰極發(fā)射電流不穩(wěn)定是影響批產(chǎn)器件良品率的關鍵因素之一。

陰極發(fā)射電流小與兩個方面有關［2-3］:一是陰極本身的問題(即內(nèi)因問題)，如陰極的發(fā)射能力、抗中毒能力、耐離子轟擊能力、可靠性和一致性等;另一方面是陰極的使用問題(即外因問題)，它與電子槍的結(jié)構(gòu)、管內(nèi)工作環(huán)境、處理工藝等是密不可分的。本文結(jié)合某批產(chǎn)產(chǎn)品制備過程中出現(xiàn)的陰極發(fā)射電流不穩(wěn)定的現(xiàn)象，從以上兩方面進行分析，尋找合適的方法提高陰極性能的穩(wěn)定性，保證器件的可靠性。

1 陰極本身的發(fā)射能力

在陰極的制備過程中，除了鎢海綿基體孔度的大小、孔分布均勻性以及鋁酸鹽的發(fā)射水平等因素影響陰極本身的發(fā)射水平外［4-7］，由于陰極現(xiàn)有的制造過程還不能全部達到程序化控制，會造成陰極的發(fā)射隨著生產(chǎn)批次有所波動。為了保證提供給管種使用的陰極能夠達到發(fā)射性能的要求，本文使用簡易二極管對批產(chǎn)陰極進行在線的抽樣性能檢測:通過測不同溫度下的二極管伏安特性［8］，求出相應的陰極拐點發(fā)射電流密度Ja，建立抽樣檢驗標準，借助抽樣檢測手段來保證陰極在管子上使用的一致性。

共對20批次的批產(chǎn)陰極進行抽樣檢測，1 050℃下電流密度Ja分布在2.0 A/cm2～3.0 A/cm2之間，其中Ja在2.0 A/cm2～2.5 A/cm2的有6個批次(30%)，在2.5 A/cm2以上的有14個批次(70%)，所對應的裝管良品率對比如表1所示。

表1 不同拐點發(fā)射電流密度所裝管子良品率對比

從表1可知，發(fā)射電流密度Ja=2.5 A/cm2～3.0 A/cm2的陰極所裝管子發(fā)射合格率遠遠超出了發(fā)射電流密度在Ja=2.0 A/cm2～2.5 A/cm2之間的。最終將此批產(chǎn)陰極抽樣檢測的標準定為:在陰極溫度達到1 050℃時，Ja≧2.5 A/cm2。按照此抽檢標準使用的陰極在裝管后的發(fā)射合格率提高了30%。因此通過建立陰極抽樣檢測方法，能夠提高陰極裝管使用時的發(fā)射良品率。

2 電子槍內(nèi)結(jié)構(gòu)對陰極發(fā)射性能的影響

陰極作為器件的心臟部件，其綜合性能需通過器件來體現(xiàn)。因此電子槍的狀態(tài)、環(huán)境對陰極性能有一定影響，其中表現(xiàn)尤為突出的是陰極與柵網(wǎng)之間的狀態(tài)變化對陰極發(fā)射性能的影響。

2.1 陰柵熱碰

行波管在測試過程中，有些異常管子每次開機時都要將燈絲電壓Uf在正常工作點的基礎上提高1 V～1.5 V老煉一段時間(正常工作點Uf=6.4 V±0.2 V)，發(fā)射電流才能夠滿足要求。為此，對這些異常管子作欠熱測試分析，如圖1所示。隨著燈絲電壓的下降，發(fā)射電流反而增加。

圖1 某脈沖行波管的欠熱曲線

為進一步研究發(fā)生異?，F(xiàn)象的原因，將異常電子槍進行溫度試驗，數(shù)據(jù)顯示異常電子槍在工作點的溫度比正常電子槍溫度要低80℃～90℃。再將電子槍一步步解剖觀察其溫度變化情況，最終確定是因陰極與蔭影柵在熱狀態(tài)下發(fā)生接觸，將陰極的熱量過多地導走，造成電子槍的工作溫度偏低，表現(xiàn)在陰極上是在規(guī)定的工作點其發(fā)射電流不夠，需提高燈絲電壓才能滿足發(fā)射性能的要求。為此調(diào)整了陰極與蔭影柵的狀態(tài)解決了問題(如表2所示)。

表2 改動前后對比

2.2 陰柵在熱狀態(tài)下的距離變遠

眾所周知對于柵控行波管，考慮到金屬柵網(wǎng)在熱狀態(tài)下的膨脹的現(xiàn)象，裝配時會在冷態(tài)下預留距離，保證器件能夠正常使用。正常情況下，通過測量在加熱狀態(tài)下電子槍內(nèi)的陰極相對柵網(wǎng)的伸長距離(如圖2所示)，可知某行波管的陰極相對柵網(wǎng)的伸長距離在4.8 mil～5.7 mil(如表3所示)。而某只出現(xiàn)截止電壓高、脈沖電壓高的管子，在加熱狀態(tài)下其電子槍內(nèi)的陰極相對柵網(wǎng)只向前伸長了0.8 mil～1.2 mil(如表4所示)，導致管子在工作時其陰極與柵網(wǎng)之間的距離變遠，從而也會表現(xiàn)在需提高脈沖電壓其發(fā)射電流才能滿足要求。

圖2 電子槍內(nèi)陰極相對柵網(wǎng)的伸長示意圖

表3 正常情況下電子槍內(nèi)的陰極相對柵網(wǎng)的伸長情況

表4 異常情況下電子槍內(nèi)的陰極相對柵網(wǎng)的伸長情況

因此，在器件的裝配及前期流水過程中嚴格按照要求處理，消除由于外因?qū)﹃帢O性能影響的因素，保證器件的可靠性。

3 結(jié)論

(1)使用簡易二極管對批產(chǎn)陰極本身的發(fā)射能力進行在線的抽樣檢測，其標準定為:在陰極溫度達到1 050℃時，Ja≧2.5 A/cm2，使陰極提供給管種使用的發(fā)射良品率由52.9%提高至82.85%。

(2)陰柵熱碰將造成電子槍的工作溫度偏低，表現(xiàn)在陰極上將是在規(guī)定的工作點其發(fā)射電流不夠。

(3)管子在工作時其陰極相對柵網(wǎng)的距離變遠，會使脈沖電壓提高、發(fā)射電流變小。

通過研究影響批產(chǎn)陰極發(fā)射電流小的因素，更加清晰地認識到要想保證陰極的發(fā)射能力夠，不僅需要陰極工作者在陰極的制造工藝細節(jié)上進行研究，還需要使陰極在電子槍內(nèi)的配合上做出細致地考慮，從而提高陰極在批產(chǎn)過程中使用的良品率，保證器件的可靠性。

［1］郭開周.行波管研制技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008:1-2.

［2］吳金生.陰極［M］.清華大學綿陽分校真空教研組，1976:3.

［3］廖復疆，吳固基.真空電子技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1999:53.

［4］陰生毅，王宇.一種制備鎢海綿體的方法［P］.CN101091987.2006，6.

［5］李娜，邵文生，王輝.球形鎢粉應用于陰極基體的工藝研究［C］//第十七屆學術(shù)年會軍用微波管研討會，2009:578-582.

［6］李銳，張文丙，尙兵，等.鋇鎢陰極制備工藝探討［J］.真空電子技術(shù)，2008(6):44-48.

［7］王小霞，廖顯恒，羅積潤，等.鋁酸鹽結(jié)構(gòu)對陰極性能影響的初步探討［J］.電子與信息學報，2003，25(1):131-134.

［8］江劍平.陰極電子學與氣體放電原理［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1980:252-259.