空間行波管陰極壽命試驗(yàn)研究

邵文生，李季，于志強(qiáng)，程誠，張珂，王輝，王力山

北京真空電子技術(shù)研究所，北京 100015

空間行波管陰極壽命試驗(yàn)研究

邵文生*，李季，于志強(qiáng)，程誠，張珂，王輝，王力山

北京真空電子技術(shù)研究所，北京 100015

空間行波管是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中最重要的功率放大器，必須具有較長(zhǎng)的工作壽命?？臻g行波管的壽命主要受陰極壽命的制約，因此為了保證空間行波管的長(zhǎng)期在軌工作，需要開展大量的陰極壽命試驗(yàn)研究，并對(duì)陰極壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。共投入50支電子槍進(jìn)行壽命試驗(yàn)，累計(jì)進(jìn)行壽命試驗(yàn)1 823 080 h，最長(zhǎng)單管壽命試驗(yàn)時(shí)間65 411 h?；趬勖^程中的逸出功變化，建立了空間行波管陰極壽命預(yù)測(cè)模型。預(yù)測(cè)空間行波管陰極在960℃b(℃b為亮度溫度)支取1 A/cm2發(fā)射電流密度時(shí)壽命超過43年；在980℃b支取1 A/cm2時(shí)壽命超過22年；在1 000℃b支取1 A/cm2時(shí)壽命超過15年。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，空間行波管陰極可以滿足衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用的長(zhǎng)壽命要求。

空間行波管；陰極；逸出功；發(fā)射電流密度；壽命試驗(yàn)；壽命預(yù)測(cè)模型

空間行波管是通信衛(wèi)星不可缺少的有效載荷，是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中重要的高功率放大器。其特點(diǎn)是高效率、寬帶寬，工作頻率已經(jīng)覆蓋L、S、C、X、Ka、K、Ku、Q、V波段，因而不斷提高衛(wèi)星通信的信息傳輸能力。開展空間行波管的地面壽命試驗(yàn)研究是保證空間行波管長(zhǎng)期在軌應(yīng)用的前提。壽命試驗(yàn)?zāi)軌蚩陀^準(zhǔn)確地綜合檢驗(yàn)空間行波管的設(shè)計(jì)、材料及工藝的可靠性?？臻g行波管中的陰極組件是整個(gè)器件的電子發(fā)射源，壽命過程中陰極的活性物質(zhì)不斷消耗，因此陰極壽命是限制空間行波管壽命的關(guān)鍵因素。各國的空間行波管研究者首先特別關(guān)注陰極的可靠性，因而開展了大量的空間行波管陰極的壽命試驗(yàn)，并給出了預(yù)測(cè)模型。美國在20世紀(jì)80年代專門成立了擁有200試驗(yàn)工位的三軍陰極壽命試驗(yàn)中心，專門進(jìn)行陰極壽命試驗(yàn)；法國的Thales公司也建立了陰極壽命試驗(yàn)平臺(tái)，專門針對(duì)陰極的空間長(zhǎng)壽命應(yīng)用進(jìn)行試驗(yàn)，日本、俄羅斯的專業(yè)研究機(jī)構(gòu)或公司也建立了各自的壽命試驗(yàn)平臺(tái)[1-5]。從2006年開始，北京真空電子技術(shù)研究所逐步建立起了針對(duì)空間應(yīng)用的長(zhǎng)壽命陰極試驗(yàn)平臺(tái)。

1 陰極壽命試驗(yàn)情況

為了對(duì)陰極進(jìn)行壽命試驗(yàn)，設(shè)計(jì)并分批建立了陰極壽命試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)，該平臺(tái)能夠提供電子槍或整管進(jìn)行壽命試驗(yàn)所需要的電源，并能對(duì)歷史過程中的數(shù)據(jù)及試驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)記錄。對(duì)于電子槍或行波管，在陽極電壓及熱子功率穩(wěn)定的情況下，主要關(guān)注的是收集極電流。同時(shí)，該平臺(tái)還可對(duì)電子槍或行波管的收集極進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，利用風(fēng)冷方式對(duì)收集極進(jìn)行冷卻。

分批投入50支電子槍進(jìn)行壽命試驗(yàn)，累計(jì)進(jìn)行壽命試驗(yàn)1 823 080 h，最長(zhǎng)單管壽命試驗(yàn)時(shí)間65 411 h。50工位電子槍試驗(yàn)陰極溫度和電

流密度如表1所示。壽命試驗(yàn)曲線如圖1～圖8所示。壽命終了的判據(jù)是收集極電流降低到初始值的90%。

由圖1～圖8可見，4個(gè)樣本在960℃b(℃b表示亮度溫度)支取0.5 A/cm2進(jìn)行壽命試驗(yàn)38 240 h，未壽終；9個(gè)樣本在1 000℃b支取0.5 A/cm2進(jìn)行壽命試驗(yàn)63 240 h，未壽終；7個(gè)樣本在1 000℃b支取1 A/cm2進(jìn)行壽命試驗(yàn)63 240 h，未壽終；2個(gè)樣本在1 020℃b支取2 A/cm2進(jìn)行壽命試驗(yàn)，其中1個(gè)35 000 h壽終，另1個(gè)63 240未壽終；6個(gè)樣本在1 040℃b支取1 A/cm2進(jìn)行壽命試驗(yàn)，其中4個(gè)38 240 h未壽終，2個(gè)25 240 h未壽終；10個(gè)樣本在1 080℃b支取1 A/cm2進(jìn)行壽命試驗(yàn),4個(gè)25 240 h未壽終，6個(gè)11 240 h未壽終；4個(gè)樣本在1 080℃b支取4 A/cm2進(jìn)行壽命試驗(yàn)30 500 h壽終；2個(gè)樣本在1 120℃b支取1 A/cm2進(jìn)行壽命試驗(yàn)，分別在3 600 h和4 500 h壽終?？梢园l(fā)現(xiàn)圖中數(shù)據(jù)多有波動(dòng)，特別是1 080℃b支取4 A/cm2和1 120℃b支取1 A/cm2的波動(dòng)較大，部分原因是電源故障，中間經(jīng)過一些調(diào)整。為了反映真實(shí)的壽命試驗(yàn)情況，均未進(jìn)行任何數(shù)據(jù)處理。其整體變化趨勢(shì)是真實(shí)有效的，因此對(duì)其整體變化趨勢(shì)進(jìn)行了擬合，并繪出了擬合曲線。

表1 陰極壽命試驗(yàn)樣本參數(shù)

2 陰極壽命預(yù)測(cè)模型的建立

根據(jù)以上壽命試驗(yàn)結(jié)果，在以前研究[6-8]基礎(chǔ)上，提出了修訂的陰極壽命預(yù)測(cè)模型：在陰極壽命過程中，陰極表面的活性發(fā)射物質(zhì)不斷消耗，而活性發(fā)射物質(zhì)從陰極內(nèi)部到表面的擴(kuò)散速率逐漸下降，最后陰極表面逐漸不能維持一個(gè)有效的發(fā)射單原子層，陰極表面的逸出功增大，陰極的發(fā)射能力下降，下降到初始值的90%即壽命終了。測(cè)試了多個(gè)陰極樣本的有效逸出功隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)盡管在壽命初期很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，在電子槍中陰極的發(fā)射電流沒有明顯下降，但陰極的實(shí)際逸出功已經(jīng)開始發(fā)生變化，因此可以根據(jù)實(shí)際逸出功的變化趨勢(shì)來預(yù)測(cè)陰極的壽命。對(duì)試驗(yàn)曲線擬合發(fā)現(xiàn)，逸出功的大小隨時(shí)間呈指數(shù)曲線變化，把初始電流密度JL代入Richardson-Dushman方程，得到陰極初始逸出功，再把90%初始發(fā)射電流密度0.9JL代入Richardson-Dushman方程，得到陰極壽命終了時(shí)的逸出功，把初始逸出功和壽終時(shí)的逸出功代入指數(shù)變化曲線，即可得出陰極預(yù)測(cè)壽命。

以下用公式來詳細(xì)說明。壽命期間工作溫度為T，支取電流密度為JL，則根據(jù)Richardson-Dushman方程：

在壽命t過程中，通過測(cè)試欠熱特性曲線，得到實(shí)際功函數(shù)分布圖，發(fā)現(xiàn)實(shí)際逸出功的中心值按照指數(shù)規(guī)律增加：

式中：φ0(T)=φ0+αT，θ(T)=θ0+βT，φ0=-0.671 4，α=1.89×10-3，θ0=-2.380×10-5，β=1.870×10-8。當(dāng)有效逸出功的中心值φ(t)增加到使得J(t)=0.9JL時(shí)即壽命終止，所以壽命表達(dá)式為：

在T=960～1 120℃b范圍內(nèi)，上式可近似為：

據(jù)此模型，M型陰極960℃b支取0.5 A/cm2預(yù)測(cè)壽命超過50年；980℃b支取0.5 A/cm2預(yù)測(cè)壽命超過27年；1 000℃b支取0.5 A/cm2預(yù)測(cè)壽命超過18年；960℃b支取1 A/cm2預(yù)測(cè)壽命超過43年；980℃b支取1 A/cm2預(yù)測(cè)壽命超過22年；1 000℃b支取1 A/cm2預(yù)測(cè)壽命超過15年。不同電流密度下的壽命預(yù)測(cè)曲線見圖9。

3 討論

目前2個(gè)樣本在1020℃b支取2 A/cm2進(jìn)行壽命試驗(yàn)，其中1個(gè)35 000 h壽命終了，另1個(gè)63 240 h尚未壽終，預(yù)測(cè)壽命為76 000 h；4個(gè)樣本在1 080℃b支取4 A/cm2進(jìn)行壽命試驗(yàn)30 500 h壽命終了，預(yù)測(cè)壽命27 748 h，和實(shí)際壽命終了時(shí)間比較接近；2個(gè)樣本在1 120℃b支取1 A/cm2進(jìn)行壽命試驗(yàn)，分別在3 600 h和4 500 h壽命終了，而預(yù)測(cè)壽命為39 380 h，這兩者相差甚遠(yuǎn)；其余樣本均未壽命終了，沒有達(dá)到預(yù)測(cè)壽命，仍在繼續(xù)進(jìn)行壽命試驗(yàn)。

按上述預(yù)測(cè)模型繪出lnt和1/T的關(guān)系曲線如圖10所示，可以看出只有在高溫段(T>1 100℃b)它們的關(guān)系才接近直線，即滿足Arrhenius方程，在低溫段(T<1 100℃b)出現(xiàn)明顯的偏離，而且顯示出溫度對(duì)陰極壽命的影響更劇烈。這就說明，按照目前的逸出功隨壽命時(shí)間指數(shù)增加的模型，陰極在低溫段的加速因子比Arrhenius方程定義的加速因子還要大。

另外，根據(jù)Arrhenius 方程，陰極壽命與發(fā)射電流密度并沒有顯性關(guān)系；但是，發(fā)射電流密度與工作溫度密切相關(guān)，更大發(fā)射電流密度就需要更高的工作溫度。因此該模型在低溫大電流密度情況下(如960℃b支取16 A/cm2)和高溫小電流密度1 120℃b支取0.5 A/cm2)的預(yù)測(cè)明顯不合理，陰極在某一溫度下的零場(chǎng)發(fā)射電流密度由Richardson-Dushman公式?jīng)Q定，實(shí)際應(yīng)用的發(fā)射能力通過測(cè)試陰極伏安特性曲線的拐點(diǎn)電流密度確定，即實(shí)際上在960℃b支取的16 A/cm2的電流密度是不可能的；在1 160℃b支取0.5 A/cm2的電流密度也沒有必要。該模型合理的應(yīng)用范圍應(yīng)是低溫小電流密度和高溫大電流密度，即受到空間電荷電流密度限制。空間行波管的應(yīng)用范圍往往在較低溫度和較小電流密度范圍，因此該預(yù)測(cè)模型對(duì)空間行波管陰極的壽命預(yù)測(cè)是有意義的。

陰極壽命試驗(yàn)耗時(shí)費(fèi)力，和國外相比在樣本數(shù)和試驗(yàn)時(shí)間上還有較大差距。目前投入的50只陰極樣本基本覆蓋正常的和加速的工作溫度、電流密度。大部分壽命尚未終了，這是正常的結(jié)果，需要繼續(xù)試驗(yàn)直到壽命結(jié)束。預(yù)測(cè)模型將根據(jù)實(shí)際壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的完善和修正。

4 結(jié)束語

本文報(bào)道了北京真空電子技術(shù)研究所的空間行波管陰極壽命試驗(yàn)結(jié)果?；趬勖^程中的逸出功按照指數(shù)變化的規(guī)律，建立了空間行波管陰極壽命預(yù)測(cè)模型。該模型可以有效指導(dǎo)空間行波管長(zhǎng)壽命陰極的工程應(yīng)用，預(yù)測(cè)陰極在不同工作溫度和不同電流密度下的壽命。該預(yù)測(cè)模型表明，在空間行波管的低溫小電流密度負(fù)荷下，北京真空電子技術(shù)研究所的陰極預(yù)測(cè)壽命超過15年，可以滿足空間行波管的工程應(yīng)用需求。

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(編輯：高珍)

Study on life-test of M-type impregnated cathode for space TWT

SHAO Wensheng*, LI Ji, YU Zhiqiang, CHENG Cheng, ZHANG Ke, WANG Hui, WANG Lishan

BeijingVacuumElectronicsResearchInstitute,Beijing100015，China

Space travelling wave tube(STWT) with long life plays an important role on the power amplifier for satellite communication system. The life of the STWT is mainly restricted by the cathode life. In order to ensure that the STWT can have a long in-orbit operating time, it is necessary to carry out plenty experimental researches on the life of STWT cathode, and to predict the life of the STWT cathode.The accumulating life-test time is 1 823 080 hours for 50 electron guns, the longest life-test time is over 65 411 hours. The life prediction model was built on the basis of the change of the work function during the life time. The predicting life is more than 43 years when the cathode is drawn a current density of 1 A/cm2at 960℃b(℃b:brightness temperature), it is more than 22 years at 980℃b,and it is more than 15 years at 1 000℃b. The predicting life shows that the long life STWT cathode can meet the requirements of the satellite communication system.

space TWT;cathode;work function;emission current density;life-test;life prediction model

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0035

2016-08-31；

2017-01-18；錄用日期：2017-03-17；

時(shí)間：2017-03-21 15:44:07

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170321.1544.010.html

邵文生，李季，于志強(qiáng),等.空間行波管陰極壽命試驗(yàn)研究[J].中國空間科學(xué)技術(shù)，2017,37(2)：103-107.SHAOWS,LIJ,YUZQ,etal.Studyonlife-testofM-typeimpregnatedcathodeforspaceTWT[J].ChineseSpaceScienceandTechnology, 2017，37(2):103-107(inChinese).

TN124

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http://zgkj.cast.cn

*通訊作者：邵文生(1971-3)，男，研究員,13681397483@139.com，研究方向?yàn)殛帢O電子學(xué)