某型裝備發(fā)射機速調管失效模式及改進措施

付強 張海偉 張傳軍 郭曉華 吳伊蒙

摘要：某型裝備發(fā)射機在末制導攻擊時多采用功率大、體積小、重量輕、增益高的多注速調管作為功率放大器件，但該型速調管故障率高發(fā)。本文從失效模式出發(fā)，建立失效分類圖，列舉了陰極中毒導致發(fā)射電流小、輸出功率下降快、腔體頻率偏移、柵流增大導致打火損壞等主要失效模式，開展原因分析，并給出改進措施。

關鍵詞：速調管；發(fā)射機；失效模式；改進措施；功率放大

Keywords：klystron；transmitter；failure mode；improvement measures；power amplification

1 概述

隨著現(xiàn)代軍事科學技術的迅猛發(fā)展，在主動制導導引頭研制中，已逐漸使用固態(tài)功率模塊或者相控陣天線技術替代多注速調管發(fā)射機系統(tǒng)。為使功率放大器件在功率大、體積小、重量輕、增益高等方面達到要求，近二十年來大量裝備使用的速調管發(fā)射機系統(tǒng)由于在使用維護、返修、大修中經常出現(xiàn)質量問題，需要不斷質量改進，完善工藝檢測方法，確保裝備使用可靠性及工作穩(wěn)定性。

某型裝備采用多注速調管發(fā)射機系統(tǒng)（見圖1），受服役年限增長、環(huán)境復雜變化、開機使用頻繁等因素影響，故障情況呈現(xiàn)規(guī)律演變。

2 失效模式

通過對速調管失效情況的匯總，對多注速調管存在的失效模式進行總結，并給出失效模式分類圖（見圖2）[1]。

故障模式包括：

1）速調管陰極中毒導致發(fā)射電流??；

2）自動優(yōu)化過程中速調管輸出功率下降快；

3）速調管腔體頻率偏移導致速調管輸出功率?。?/p>

4）柵流增大導致打火損壞。

3 失效原因分析

3.1 陰極中毒導致發(fā)射電流小

常規(guī)使用的速調管（如地面雷達應用的）通常帶有可以抽氣的鈦泵。當速調管工作時，同時對鈦泵加電，可將滲入速調管內的氣體吸除，維持管內真空度，保證速調管正常工作。但該型設備的多注速調管因使用環(huán)境特殊，不能帶鈦泵，即無法借助外部因素（如鈦泵）維持管內真空度，只能靠自身密閉性能來維持管內真空度。當陰極發(fā)射能力下降時，陰極工作在溫度限制區(qū)域，改變了電子注成形條件，將導致電子注通過率變差，又由于金屬表面出氣，速調管正離子濃度增加，也會導致電子注通過率變差。因此，對制管所需的各種材料和連接處的焊接效果提出了很高的要求[2]。

3.2 自動優(yōu)化過程中速調管輸出功率下降快

速調管單獨工作時雖然也有陰極發(fā)射電流下降問題，但只要輸入的功率達到速調管所需的最佳輸入功率，速調管就能夠穩(wěn)定地輸出功率。

自動優(yōu)化過程中速調管輸出功率下降快的原因：由于速調管的陰極發(fā)射電流從開機瞬間到穩(wěn)定工作時變化較大，在此期間導引頭主振源的輸出功率從最小到最大的快速掃描過程中，根據(jù)速調管的輸出功率的反饋來確定主振源的最佳輸出功率，此后主振源的輸出功率只在此功率值的附近進行小范圍調整。因自動優(yōu)化過程中速調管陰極發(fā)射電流一直在變化，主振源在快速掃描過程中所確定的輸出功率并不是速調管陰極發(fā)射電流穩(wěn)定時速調管所需的最佳輸入功率，再加上主振源的輸出功率只能在此功率值附近進行小范圍調整，因此導致速調管的輸出功率無法穩(wěn)定。

3.3 速調管腔體頻率偏移導致速調管輸出功率小

速調管在老煉測試過程中通過微調各腔體的頻率使速調管達到最佳的工作狀態(tài)。微調各腔體頻率通過安裝在調諧螺釘上的調諧螺套來實現(xiàn)，轉動調諧螺套時，調諧螺釘使調諧膜片產生變形，改變腔體尺寸從而實現(xiàn)改變腔體頻率的目的。

由于調諧螺釘和調諧螺套之間的配合不可避免地存在一定的回程差，經過外力的作用使得調諧螺釘?shù)臓顟B(tài)發(fā)生變化，就會導致腔體頻率偏移，使速調管輸出功率達不到最佳值。

3.4 柵流增大導致打火損壞

速調管工作原理框圖如圖3所示。速調管陰極使用過程中處于高溫狀態(tài)，長期多次加電后不可避免地會產生少量蒸散物，部分落到柵網上，導致陰極-柵極間耐壓下降，極端情況下可能導致陰柵打火，損壞柵網，使速調管無法正常工作。

另外，柵網和陰極罩均為薄壁金屬件，金屬一般為多晶體結構，由晶格組成，其性質與晶格結構類型和晶格常數(shù)密切相關。金屬在高溫狀態(tài)下，由于金屬原子動能的增加，逐步生成新的晶粒，形成新的組織，該過程稱為再結晶過程。再結晶結束后，新的晶粒充滿整個金屬體，若溫度繼續(xù)保持，新生成的晶粒由于大小不一將產生合并現(xiàn)象，導致晶格長大，金屬強度下降。

速調管電子槍的陰極罩工作時處于1000℃以上的高溫狀態(tài)，有利于再結晶現(xiàn)象的產生。長時間的高溫工作使晶格長大到一定程度后，在機械應力及熱應力作用下將導致零件沿晶界邊緣開裂，引起陰極-柵極短路。該故障模式也是影響速調管貯存及使用壽命的重要原因之一。

4 改進控制措施

4.1 陰極中毒的改進措施

該速調管整體由金屬陶瓷材料焊接而成，必須保證其具有一定的真空度條件速調管才能正常工作。各零部件裝配焊接成型后都應通過高精度真空檢漏儀嚴格檢漏，以保證焊縫質量；增加控制手段，優(yōu)化排氣工藝，提高排氣后管內真空度；通電老練時，制定合理優(yōu)選方案，延長測試老練時間，通過貯存進行速調管內真空度變化情況檢驗，定期進行電老練[3]。

4.2 自動優(yōu)化功率下降快

根據(jù)速調管工作特性，在發(fā)射機系統(tǒng)中設計有自動優(yōu)化回路，對主振源激勵信號經速調管放大后送往環(huán)形器的探測信號使用檢波二極管進行檢波，并將該檢波信號經放大后送往數(shù)字比較器，通過與前時刻數(shù)值或額定數(shù)值進行比較，進而調整主振源激勵信號的能量，閉環(huán)自動優(yōu)化回路。該回路在發(fā)射機系統(tǒng)開機后的t時間內完成優(yōu)化工作，并對優(yōu)化后數(shù)據(jù)進行存儲，隨后通過調用工作曲線轉入優(yōu)化回路的跟蹤狀態(tài)[4]。但在少數(shù)情況下，存在速調管和主振源工作匹配性原因，導致自動優(yōu)化功率下降快。具體改進方法為：

1）將速調管和主振源配合工作，重新調整速調管的帶寬和所需的最佳輸入功率，改變速調管的工作狀態(tài)，使其與主振源配合工作時性能得到改進，以修正此問題。

2）在進行速調管狀態(tài)固化時，適當增加速調管所需的最佳輸入功率，降低速調管增益，增加速調管的帶寬，提高速調管工作的穩(wěn)定性。將速調管的增益降低3～5dB，速調管-1dB帶寬調寬到10%左右，以此增加速調管的匹配性。

3）通過針對速調管陰極進行的大量試驗驗證工作，證明提高速調管陰極的工作溫度有利于降低陰極發(fā)射電流的變化幅度。故可嘗試進行燈絲電壓的調整，使速調管工作性能得到一定程度的提升，以滿足發(fā)射機系統(tǒng)工作要求。

4.3 頻偏導致功率下降

速調管工作點頻偏與發(fā)射功率降低的現(xiàn)象一致，均為輸出信號功率低，其最大的區(qū)別是工作點偏移可通過調試腔體上的調諧螺釘調至正常工作狀態(tài)。早期產品為了適應整機需要，速調管的帶寬不能調得很寬，容易導致速調管的腔體頻率偏移，從而影響速調管的輸出功率。隨著技術水平的提高，后期產品可以適當增加速調管的帶寬，帶寬增加后，在工作點附近輸出功率不會明顯受頻率變化的影響。

4.4 陰柵打火導致速調管損壞

陰柵打火的主要原因為：該型速調管采用的調制方式為柵極調制，柵極離陰極距離近，陰極為直流高壓，容易發(fā)生打火現(xiàn)象，極易損壞速調管；速調管的金屬電極表面存在許多微米級的微突起，其局部電場可能增加幾十至上百倍，當超過擊穿電壓時將引發(fā)真空擊穿；速調管燈絲溫度過高，使陰極表面覆膜蒸散速度過快，蒸散物附著在金屬電極表面時，會導致電極的耐壓性降低，容易引發(fā)打火；陰極表面覆膜蒸散導致陰極耐壓性降低，引發(fā)陰極擊穿；陰極發(fā)出的電子轟擊陽極，陽極局部溫度過高，導致陽極發(fā)生擊穿[5]。

陰極蒸散具有以下特點：一是初期蒸散量大，隨時間會緩慢下降并穩(wěn)定；二是隨工作溫度的提高蒸散量上升。為此采取措施：一是增加陰極預處理工藝，待陰極蒸散量穩(wěn)定后再裝管；二是控制熱絲電流，減少蒸散量；三是通過老練剔除柵流超標的產品。

晶格增大導致零件老化破損的問題目前還沒有有效的解決措施，但該過程長期而緩慢，目前僅出現(xiàn)3例，失效時使用時間均超過10年。因此，該失效模式不會導致速調管早期失效，可以滿足整機大修期的使用要求。

5 結束語

速調管是某型裝備導引頭發(fā)射機系統(tǒng)重要分組件之一，掌握其失效模式和故障排除方法對裝備的日常維護和定期維修具有重要的指導意義。

本文通過對多注速調管失效模式進行分析，建立故障樹，對制定改進措施起了非常重要的指導作用。同時認識到，在同類裝備的國產化研制中，需要加強檢漏技術方法研究，并側重研究速調管與主振源的匹配性和兼容性問題。

參考文獻

[1]丁耀根.大功率速調管的設計制造和應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010：455-458.

[2]電子管設計手冊編輯委員會編.大功率速調管設計手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1979：226-267.

[3]機械設計手冊編委會.機械設計手冊[M].機械工業(yè)出版社，2005.

[4]董樹義.微波測量技術[M].北京：北京理工大學出版社，1990.

[5]張永清，丁耀根.用于大功率微波器件的新型薄膜衰減材料[J].真空電子技術，2004（3）：20-22.