利用微加工工藝提高空間行波管收集極效率

白春江，崔萬照,*，葉鳴，賀永寧

1.中國(guó)空間技術(shù)研究院 西安分院 空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710100 2.西安交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，西安 710049

利用微加工工藝提高空間行波管收集極效率

白春江1，崔萬照1,*，葉鳴2，賀永寧2

1.中國(guó)空間技術(shù)研究院 西安分院 空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710100 2.西安交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，西安 710049

針對(duì)二次電子發(fā)射系數(shù)對(duì)空間行波管收集極效率的影響，通過降低二次電子發(fā)射系數(shù)的方法，提高收集極的效率。并以無氧銅為例，使用化學(xué)刻蝕的方法對(duì)無氧銅樣片進(jìn)行表面處理，得到規(guī)則微孔陣列結(jié)構(gòu)。使用二次電子發(fā)射測(cè)試平臺(tái)對(duì)有無表面處理的無氧銅樣片進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果顯示，經(jīng)化學(xué)刻蝕處理后的樣片的最大二次電子發(fā)射系數(shù)由1.33減小到0.96，二次電子發(fā)射抑制效果明顯。將測(cè)得的兩個(gè)二次電子發(fā)射系數(shù)曲線用于空間行波管收集極的模擬設(shè)計(jì)中。選用已有的3個(gè)收集極結(jié)構(gòu)模型，使用模擬軟件進(jìn)行仿真并計(jì)算收集極效率。結(jié)果表明，3個(gè)收集極結(jié)構(gòu)模型的效率分別由原來的80.1%、57.5%、42.1%提高到82.55%、62.6%、59.2%。該結(jié)果對(duì)于空間行波管收集極的設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。

空間行波管；收集極；二次電子發(fā)射；無氧銅；化學(xué)刻蝕

行波管因其功率高、寬帶寬等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、廣播等系統(tǒng)，以及高功率微波武器研究、高能物理、電子對(duì)抗等各種電子設(shè)備中，是一種不可或缺的真空電子器件[1]。在衛(wèi)星系統(tǒng)中，由于衛(wèi)星系統(tǒng)在軌運(yùn)行能量有限的特點(diǎn)，使得效率對(duì)于空間行波管來說變得尤為重要[2-4]。甚至可以說，效率是空間行波管最重要的指標(biāo)參量。收集極作為空間行波管結(jié)構(gòu)的重要組成部分，它的效率也直接影響整個(gè)空間行波管的效率。因此，如何提高收集極的效率也是空間行波管研制過程中的關(guān)鍵問題。

通常的空間行波管中，通過增加收集極的電極數(shù)量，即采用多級(jí)降壓收集極[5-11]來提高收集極的效率。其主要原理是：多級(jí)降壓收集極在收集極內(nèi)形成適當(dāng)分布的靜電場(chǎng)，使經(jīng)過互作用后的電子注進(jìn)入收集極后按速度分類收集，使電子盡量“軟著陸”，在此過程中電子注的剩余能量再回饋給電源。采用多級(jí)降壓收集極，收集“工作完了”電子的能量，可以大幅度提高空間行波管的總效率。盡管如此，在各電極收集剩余電子的過程中不可避免地會(huì)發(fā)生電子打上收集極而產(chǎn)生二次電子發(fā)射的現(xiàn)象，從而降低了整體效率，同時(shí)也可能導(dǎo)致電子回流。二次電子電流回流到高頻互作用腔，會(huì)增加熱耗散功率，同時(shí)在高頻輸出窗產(chǎn)生額外的噪聲功率，更嚴(yán)重的后果是導(dǎo)致整管燒毀。

雖然通過增加收集極的電極數(shù)量可以增加收集極的效率，但是不可避免地增加了整個(gè)空間行波管的體積和質(zhì)量，而體積和質(zhì)量對(duì)于衛(wèi)星系統(tǒng)來說是彌足珍貴的。因此，要在保證體積和質(zhì)量不出現(xiàn)大的增加的前提下，提高空間行波管收集極效率，除了設(shè)計(jì)合理的降壓收集極，還需要考慮收集極材料的二次電子發(fā)射特性，通過各種方式盡可能減小材料的二次電子發(fā)射。

本文擬將半導(dǎo)體領(lǐng)域的化學(xué)刻蝕工藝應(yīng)用于行波管收集極設(shè)計(jì)中，通過紫外曝光與化學(xué)刻蝕方法相結(jié)合制作規(guī)則微孔結(jié)構(gòu)，以提高收集極的效率。

1 加工工藝

具有一定能量的初始電子入射到金屬表面后，可能被吸收，也可能發(fā)射出一個(gè)或多個(gè)二次電子。這些出射的二次電子，依據(jù)其產(chǎn)生的物理機(jī)制可以分為3類：彈性背散射電子(這類電子產(chǎn)生于初始電子與金屬表面原子的相互作用)，非彈性背散射電子(這類電子產(chǎn)生于初始電子進(jìn)入到金屬內(nèi)部之后與內(nèi)部固體原子的相互作用)，本征二次電子(這即是真正意義上的二次電子，產(chǎn)生于進(jìn)入到金屬內(nèi)部的初始電子與固體內(nèi)部電子的相互作用)。這3種出射電子之和便構(gòu)成了金屬材料總的二次電子發(fā)射系數(shù)(SEY)。

金屬二次電子發(fā)射系數(shù)[12-16]抑制的實(shí)現(xiàn)技術(shù)可以分為兩大類，第一類是表面改性處理，第二類是外加偏置場(chǎng)。其中第一類方法的使用效果更為明顯，應(yīng)用領(lǐng)域也更為廣泛。其主要機(jī)理是：引入特殊設(shè)計(jì)的表面結(jié)構(gòu)后，出射的二次電子將在表面附近發(fā)生多次碰撞而被再次吸收，從而達(dá)到抑制SEY的目的。

對(duì)于表面改性處理的方法，文獻(xiàn)[16]從理論和實(shí)驗(yàn)方面，對(duì)在樣片表面構(gòu)造微陷阱結(jié)構(gòu)，從而能夠降低二次電子發(fā)射特性的原因給出了詳細(xì)解釋。基于此研究結(jié)論，本文使用化學(xué)刻蝕工藝在無氧銅樣片表面構(gòu)造規(guī)則陣列結(jié)構(gòu)，并就其二次電子發(fā)射特性進(jìn)行研究。

在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，光刻工藝是一種成熟的實(shí)現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)的平面工藝方法，其典型工藝流程如圖1所示。首先，在試樣表面旋涂一定厚度的光刻膠；接著，用紫外光透過掩膜版對(duì)光刻膠進(jìn)行選擇性曝光，掩膜版上的透光區(qū)域?yàn)轭A(yù)先設(shè)計(jì)好的圖形；然后，用顯影劑將被曝光的光刻膠腐蝕掉，露出襯底表面，以便對(duì)試樣進(jìn)行選擇性化學(xué)刻蝕；最后，將剩余光刻膠去除后即在試樣表面得到與掩膜版設(shè)計(jì)一致的圖形(微結(jié)構(gòu)之間的間距為7 μm；微型圓柱的直徑是15 μm；高度為5 μm)。

通過使用上述工藝流程，在無氧銅樣片表面形成了如圖2所示的規(guī)則陣列結(jié)構(gòu)。為了驗(yàn)證在無氧銅樣片表面刻蝕的規(guī)則陣列結(jié)構(gòu)在抑制二次電子發(fā)射上的效果，需要結(jié)合試驗(yàn)儀器對(duì)二次電子發(fā)射系數(shù)進(jìn)行測(cè)量。由于無氧銅容易氧化且會(huì)在表面形成沾污，為了得到理想情況下無氧銅的二次電子發(fā)射系數(shù)，在測(cè)試之前，需要使用丙酮溶液對(duì)無氧銅樣片進(jìn)行超聲清洗。使用本實(shí)驗(yàn)室研制的二次電子發(fā)射系數(shù)測(cè)試平臺(tái)[16]，分別對(duì)刻蝕處理的無氧銅樣片和沒有刻蝕的無氧銅樣片進(jìn)行SEY測(cè)試。并將兩組測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，比較結(jié)果見圖3。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，經(jīng)過刻蝕處理的無氧銅樣片的SEY值比沒有處理的無氧銅樣片的SEY低。其最大值由沒有刻蝕處理的1.33下降到刻蝕處理后的0.96。經(jīng)過刻蝕處理的無氧銅樣片的整體SEY值都小于1，這意味著，電子轟擊該樣片表面，將不會(huì)產(chǎn)生二次電子發(fā)射。測(cè)試結(jié)果也表明，該刻蝕工藝確實(shí)能降低無氧銅的二次電子發(fā)射系數(shù)，且抑制二次電子發(fā)射效果明顯。

2 收集極效率

空間行波管中收集極的主要功能就是收集參加完與高頻場(chǎng)相互作用的電子注。而進(jìn)行完互作用后，進(jìn)入收集極的電子已經(jīng)處于發(fā)散狀態(tài)，且速度各不相同。當(dāng)收集極收集這些電子的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生電子轟擊收集極材料表面的情況，也就可能發(fā)生二次電子發(fā)射，降低收集效率。所以說，收集極效率的高低直接影響到整個(gè)空間行波管的效率。

收集極的效率是空間行波管收集極的重要指標(biāo)。關(guān)于收集極的仿真設(shè)計(jì)與計(jì)算可以借助大型商用電磁仿真軟件進(jìn)行。收集極效率也可以通過軟件并結(jié)合相關(guān)計(jì)算公式獲得。在收集極效率的仿真過程中，考慮到會(huì)有電子轟擊材料表面發(fā)生二次電子發(fā)射的情況。因此，需要引入收集極材料的二次電子發(fā)射特性。

由于無氧銅正是制作空間行波管收集極的常用材料，本文使用將使用前文測(cè)得的無氧銅樣片的二次電子發(fā)射系數(shù)特性用于收集極的效率計(jì)算。通過對(duì)收集極模型進(jìn)行仿真，并提取相應(yīng)仿真結(jié)果，即可計(jì)算得到收集極效率[7]。

收集極的效率為：

(1)

式中：Pcoll為收集極功率；Prec為回收功率。

回收功率計(jì)算公式為：

(2)

式中：V0為慢波系統(tǒng)上的電位；Ven為收集極各電極電位；Ien為收集極各電極電流；m為收集極的電極個(gè)數(shù)。

收集極功率計(jì)算公式為：

(3)

式中：PRF為射頻輸出功率。

3 模擬計(jì)算

為了驗(yàn)證提出的處理無氧銅表面的方法，對(duì)空間行波管收集極效率的影響情況。本文使用已有的3個(gè)收集極結(jié)構(gòu)模型如圖4所示，結(jié)合仿真軟件進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真結(jié)果計(jì)算，獲得空間行波管的收集極效率。

選用的3個(gè)收集極模型都采用了4級(jí)降壓收集極。其具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。3個(gè)模型仿真過程使用的電子注的電壓和電流如表1所示。

編號(hào)電子注電壓/kV電子注電流/A模型128011模型2180.5模型3130.5

圖5為選擇的3個(gè)收集極模型在使用經(jīng)刻蝕處理的無氧銅樣片的二次電子發(fā)射特性數(shù)據(jù)進(jìn)行粒子跟蹤模擬時(shí)，每個(gè)收集極模型中電子的運(yùn)動(dòng)軌跡。從圖中可發(fā)現(xiàn)，采用多級(jí)降壓方法確實(shí)可以減少二次電子發(fā)射數(shù)量，增加回收的電子數(shù)量，從而有助于提高收集極的效率。

表2為通過仿真計(jì)算得到的3個(gè)收集極模型的效率比較。從表中可以看出，使用經(jīng)過表面處理的SEY值，進(jìn)行仿真計(jì)算獲得的收集極效率都比使用沒有經(jīng)過表面處理的SEY值要高。且對(duì)于結(jié)構(gòu)模型3，收集極效率提高的最多，提高了17%。該計(jì)算結(jié)果表明，使用經(jīng)過刻蝕表面處理的SEY值，進(jìn)行仿真計(jì)算獲得的收集極效率明顯提高。

編號(hào)無表面處理表面處理模型180.182.55模型257.562.6模型342.159.2

4 結(jié)束語

本文提出了一種表面改性的處理方法。同時(shí)將此方法用于無氧銅樣片，并使用二次電子發(fā)射測(cè)試平臺(tái)，對(duì)樣片進(jìn)行SEY測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，這種表面處理方法能夠?qū)o氧銅樣片的SEY最大值由1.33降為0.96，對(duì)二次電子發(fā)射抑制效果明顯。最后，使用研究的無氧銅的二次電子發(fā)射特性，結(jié)合仿真軟件，對(duì)空間行波管的收集極模型效率進(jìn)行仿真研究。計(jì)算結(jié)果表明，使用經(jīng)過刻蝕表面處理的SEY值，進(jìn)行仿真計(jì)算獲得的收集極效率明顯提高。同時(shí)，也說明這種方法能有效提高空間行波管收集極的效率，因而對(duì)空間行波管收集極的設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

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(編輯：高珍)

Improving the efficiency of the collector of space traveling wave tube with micromachining technology

BAI Chunjiang1，CUI Wanzhao1,*，YE Ming2，HE Yongning2

1.NationalKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonSpaceMicrowave,ChinaAcademyofSpaceTechnology(Xi′an)，Xi′an710100，China2.SchoolofElectronicandInformationEngineering,Xi′anJiaotongUniversity，Xi′an710049,China

The secondary electron yield(SEY) has great influence on the efficiency of the collector of space traveling wave tube. Therefore,the efficiency of collector was improved by reducing the secondary electron yield of the material′s surface of collector.The OFHC copper sample was treated with chemical etching. After chemical etching, some micro-porous array structures were remained on the sample. Then the secondary electron yield of the sample was measured by the secondary electron yield measurement platform. And the result shows that comparing with the original sample which is not treated, the maximum of SEY decreases from 1.33 to 0.96. And the SEY is suppressed well. Then the SEY curves obtained from SEY measurement platform were used in the design of STWT collector. To study the influence of the SEY, three collector models were used to calculate the efficiency of the models with simulation software. It is verified that the efficiency of the three collectors are improved from 80.1%, 57.5%, 42.1% to 82.55%, 62.6%, 59.2%, respectively. The method discussed will be helpful for the STWT design.

space traveling wave tube；collector；secondary electron yield；oxygen-free high thermal conductivity copper；chemical etching

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0037

2016-08-31；

2017-02-16；錄用日期：2017-03-17；

時(shí)間：2017-03-21 15:43:42

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170321.1543.008.html

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(U1537211);國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(11675278)，國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51675421)

白春江(1984-)，男，工程師，276269546@qq.com,研究方向?yàn)榭臻g微波特殊效應(yīng)

*通訊作者：崔萬照(1975-)，男，研究員，cuiwanzhao@126.com，研究方向?yàn)榭臻g大功率微波技術(shù)

白春江,崔萬照,葉鳴,等.利用微加工工藝提高空間行波管收集極效率[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù), 2017,37(2)：61-65.BAICJ,CUIWZ,YEM,etal.Improvingtheefficiencyofthecollectorofspacetravelingwavetubewithmicromachiningtechnology[J].ChineseSpaceScienceandTechnology, 2017,37(2)：61-65(inChinese).

O462.2

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http://zgkj.cast.cn