質譜儀在空間行波管生產中的超靈敏度檢漏應用

劉晉允，趙世柯，梁曉峰，于文杰，魏晶慧，于海兵，汪 洋

（1.中國電子科技集團公司第十二研究所，北京 100015；2.普發(fā)真空技術（上海）有限公司，上海 200127）

0 引言

空間行波管是衛(wèi)星通訊系統(tǒng)中重要的功率放大器件，廣泛應用于衛(wèi)星通訊、導航定位、微波遙感等領域[1-2]。由于產品在空間的不可維護性，保證空間行波管具有極低的漏率成為實現(xiàn)其高可靠、長壽命的必要條件。四極質譜儀是利用四極桿電場對不同質荷比離子的篩選作用，實現(xiàn)質量分離，具有高靈敏度、高分辨率、體積小、質量輕的優(yōu)點。通過監(jiān)控示漏氣體離子流，四極質譜儀可用于漏率小于10-12Pa·m3/s的超靈敏度檢漏[3-4]。目前一般商用檢漏儀檢漏下限為5×10-13Pa·m3/s，清華大學在2003年研制出我國第一臺靈敏度為10-15Pa·m3/s的檢漏儀[5]，2017年盧耀文等[6-7]研制出下限為10-16Pa·m3/s的檢漏儀。然而，在空間行波管實際生產過程中，盡管所有零部件均通過了檢漏，但因空氣中的水氣、塵埃等常導致微小漏孔發(fā)生堵塞現(xiàn)象[8]，使得用再高靈敏度的儀器也無法檢出漏孔。另外，在電真空器件高溫排氣過程中，有缺陷的材料、焊縫等經長時間烘烤后，也會發(fā)生漏氣。所以在電真空器件封離前，進行超靈敏度檢漏是非常重要的[9-12]。

本文結合空間行波管的實際生產過程，在排氣臺上測試四極質譜儀的檢漏性能。期望為實現(xiàn)空間行波管的高可靠、長壽命提供保障。

1 排氣系統(tǒng)

整管排氣是空間行波管封離前的最后一道工序，器件經高溫烘烤使得在封離時內部壓力達到超高真空10-8～10-7Pa。圖1為空間行波管烘烤排氣系統(tǒng)。

圖1 空間行波管烘烤排氣系統(tǒng)Fig.1 Baking exhaust system of space traveling wave tube

2 質譜儀檢漏性能測試與可靠性驗證

2.1 質譜儀檢漏靈敏度測試

將漏率為1.8×10-8Pa·m3/s的標準漏孔接入排氣臺1個閥7對應的工位，其余3個工位均密封。測試前，對排氣臺系統(tǒng)進行高溫烘烤除氣。壓力達到10-7Pa后，開質譜儀，待壓力穩(wěn)定，且離子流穩(wěn)定后，關閉閥門1、2、3，可測得本底He離子流變化率X0。開漏孔后，可測得標準漏孔的He離子流變化率Xs。利用式（1）對質譜儀靈敏度Qmin進行計算[5]：

式中：Qs為標準漏孔漏率，Pa·m3/s；采用累積法檢漏時，X0為He離子流的本底增長率，A/s；Xs為打開標準漏孔后的He離子流增長率，A/s。

圖2為不開漏孔時He離子流隨時間的增長曲線。由于抽氣通路關閉，系統(tǒng)內本底He的累積導致X0=2.4×10-16A/s。圖3為開漏孔后，He離子流隨時間的增長曲線。可以看出，標準漏孔He離子流變化率Xs=1.7×10-10A/s。

圖2 累積法測試的系統(tǒng)本底的He離子流變化Fig.2 Time dependent ion current of He background under accumulation mode

圖3 累積法測試的標準漏孔的He離子流變化Fig.3 Time dependent ion current of He under accumulation mode with a reference leak of 1.8×10-8Pa·m3/s

結合測試結果以及標準漏孔漏率Qs=1.8×10-8Pa·m3/s可知，在空間行波管實際生產過程中，利用質譜儀檢漏的靈敏度可達1.9×10-14Pa·m3/s，優(yōu)于一般商業(yè)檢漏儀約一個量級。

2.2 質譜儀檢漏的可靠性驗證

為驗證質譜儀檢漏的可靠性，實際測試了一支已確定漏氣的空間行波管。測試前，該管用商業(yè)檢漏儀未檢出漏。對該管進行正常的真空烘烤排氣處理，然后用累積法進行檢漏。漏率Ql由式（2）獲得[5]：

式中：Xl為漏氣行波管的He離子流增長率，A/s。

測試過程為：A時刻打開標準漏孔，選用系統(tǒng)平衡后的BC段進行離子流增長率擬合，得Xl=2.6×10-12A/s，結合標準漏孔漏率可得該空間行波管的漏率為2.8×10-10Pa·m3/s，測試結果如圖4所示。

圖4 累積法測試的空間行波管的He離子流變化Fig.4 Time dependent ion current of He under accumulation mode with a Leaky Space TWTs

該漏氣空間行波管在前期未能檢出漏，分析認為是因空氣中的水氣或塵埃將漏孔堵塞，造成了不漏的假象，但不漏是暫時的。經高溫烘烤和抽氣，漏點暴露。維持該支空間行波管內部真空，將外側暴露大氣24 h后，同樣采用累積法進行檢漏，發(fā)現(xiàn)漏孔再次被堵上。接著又對其進行第二次烘烤，漏點暴露。

由此可知，漏率為10-10Pa·m3/s量級的漏孔在大氣中非常容易堵塞。而烘烤可使水氣的張力下降，并加速蒸發(fā)。因此，可在空間行波管烘烤排氣后，在排氣臺上利用質譜儀盡快對懷疑漏氣的行波管進行檢漏。若無法確定是否漏氣，可對其進行高溫烘烤，并重新檢漏核查。

2.3 排氣臺不同工作狀態(tài)下質譜儀的檢漏靈敏度測試

因累積法為靜態(tài)測試方法，He離子流處于積累過程，漏孔的定位相對困難。另外，累積法測試過程須將抽氣通道關閉，而一般質譜儀正常工作時，要求壓力低于5×10-2Pa。這導致在一些實際生產工作狀態(tài)下，質譜儀的工作環(huán)境無法保證。所以，結合排氣臺的工作狀態(tài)，對不同動態(tài)條件下質譜儀的檢漏靈敏度進行了測試。當采用動態(tài)法檢漏時，式（1）中X0為質譜儀本底He離子流，A；Xs為被測漏孔的He離子流，A。

利用上節(jié)中漏率為2.8×10-10Pa·m3/s的空間行波管進行動態(tài)檢漏測試。圖5為排氣臺在七種不同工作狀態(tài)下的He離子流變化曲線。表1給出了七種工作狀態(tài)下的動態(tài)檢漏靈敏度。

圖5 漏率為2.8×10-10Pa·m3/s的空間行波管在排氣臺不同工作狀態(tài)下的He離子流變化Fig.5 Time dependent ion current of He under seven different dynamic modes with a leaky Space TWTs of 2.8×10-10Pa·m3/s

表1 排氣臺在不同工作狀態(tài)下的動態(tài)檢漏靈敏度Tab.1 The leak detection sensitivity under seven different dynamic modes

比較狀態(tài)1～4與狀態(tài)5～7，后三組工作狀態(tài)下的檢漏靈敏度相較前四組高了近一個量級。即分子泵閥1打開相較關閉狀態(tài)，漏孔引起的He離子流變化量非常小。這是因為示漏氣體He會被分子泵抽走，沒能被質譜儀采集到。比較狀態(tài)5、6和狀態(tài)7的測試結果可看出，離子泵閥3關閉較打開狀態(tài)的靈敏度高出約半個量級。同樣是因為分流現(xiàn)象，導致He大部分被離子泵組抽走。由于離子泵組較分子泵組對惰性氣體的抽氣能力要弱，所以分流作用對狀態(tài)1～4的影響要小。若放氣點為A，工作狀態(tài)為7時，不考慮器壁的吸附作用，He均經過質譜儀被泵抽走，此時檢漏靈敏度非常高，達到8.3×10-12Pa·m3/s。若同時打開閥1（狀態(tài)3），結合管道流導預估（閥1管道DN100，閥2管道DN35）僅有約1/30的氣體流經質譜儀。此時檢漏靈敏度降為3.1×10-10Pa·m3/s。綜上，動態(tài)檢漏時，應盡可能在工作狀態(tài)7下進行。

3 結論

本文針對空間行波管微小漏孔常發(fā)生堵塞的問題，結合空間行波管的實際生產過程，建立了器件封離前的超靈敏度檢漏方法，對其檢漏性能及可靠性進行了測試與驗證。主要結果表明：（1）在排氣臺上利用質譜儀檢漏可靠，靈敏度達到1.9×10-14Pa·m3/s，可對器件經烘烤后出現(xiàn)的漏孔進行定位。為完成高可靠空間行波管的封離提供有效保障；（2）采用動態(tài)檢漏時，檢漏下限可達8.3×10-12Pa·m3/s。若以檢漏為目的安裝質譜儀時，應考慮氣體的分流問題，有必要單獨設置一路經過質譜儀的抽氣通道；（3）漏率在10-10Pa·m3/s量級的漏孔在大氣中易被堵塞，烘烤可使漏點暴露。在實際生產中，可對無法確定是否漏氣的器件進行烘烤，重新檢漏核實。