автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Исследование газосодержания электровакуумных приборов СВЧ среднего и высокого уровня мощности с целью снижения давления остаточных газов и сохранения вакуума в отпаянных приборах

61 12-5/3593

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ «НАУЧНО ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ «ИСТОК»

Экз. №

На правах рукописи

Корепин Геннадий Федосиевич

Исследование газосодержания электровакуумных приборов СВЧ среднего и высокого уровня мощности с целью снижения давления остаточных газов и сохранения вакуума в отпаянных приборах

Специальность 05.27.02 «Вакуумная и плазменная электроника»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный консультант д. т. н. Новоселец В. И.

Фрязино - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Сокращения..................................................................................5

Основные обозначения....................................................................5

Введение.......................................................................................6

Глава 1. Формирование атмосферы остаточных газов ЭВП СВЧ среднего и высокого уровня мощности......................................................22

1.1. Основные принципы откачки.........................................................22

1.2. Термическое обезгаживание материалов ЭВП.....................................27

1.3. Обезгаживание электродов электронной бомбардировкой......................32

1.4. Обезгаживание в среде водорода и других газов.................................34

1.5. Ионно-плазменная очистка электродов ЭВП........................................38

1.6. Способы снижения давления остаточных газов отпаянных ЭВП..............44

1.7. Современные задачи совершенствования технологии откачки мощных ЭВП СВЧ и приборов среднего уровня мощности.....................................49

1.8. Модель отпаянного прибора как динамической системы формирования атмосферы остаточных газов...............................................................50

1.9. Модель прибора и откачного поста как единого целого.........................55

1.10. Выводы..................................................................................59

Глава 2.Управление процессом откачки ЭВП......................................61

2.1. Измерение давлений и встроенный МЭН...........................................61

2.1.1. Перепад давлений между ЭВП и преобразователем откачного поста......61

2.1.2. Перепад давлений по ЭВП и эффективная быстрота откачки...............64

2.2. Контроль процесса откачки ЭВП и встроенный МЭН..........................72

2.2.1. Достаточность обезгаженности ЭВП и его отдельных узлов................72

2.2.2. Выбор и обоснование критериев откачки........................................81

2.3. Особенности процесса откачки......................................................82

2.3.1. Термическое обезгаживание ЭВП.................................................82

2.3.2. Минимальное время обезгаживания.............................................84

2.4. Выводы....................................................................................89

Глава 3. Исследования эффективности процесса откачки на разных

этапах технологического процесса.....................................................91

3.1. Определение эффективности процесса откачки отпаянного ЭВП.........91.

3.1.1. Проверка давления остаточных газов...................................................92

3.1.2. Исследование поверхностного содержания газов с непрерывным нагревом отпаянного ЭВП.........................................................................95

3.1.3. Исследование поверхностного содержания газов с циклическим нагревом КПУ отпаянного ЭВП...........................................................97

3.1.4. Исследование поверхностного содержания газов с нагревом отпаянного ЭВП и циклическим нагревом КПУ.....................................................100

3.2. Определение эффективности процесса обезгаживания отпаянного

ЭВП при высоковольтной тренировке..................................................104

3.2.1. Газовыделение в процессе предварительной высоковольтной тренировки....................................................................................105

3.2.2. Газовыделение в процессе динамической высоковольтной тренировки и настройки ЭВП.............................................................121

3.2.3. Определение основного вида газа в ЭВП с аномально высоким давлением остаточных газов..............................................................124

3.2.4. Практическое определение критического времени обезгаживания.......133

3.3. Выводы...................................................................................146

Глава 4. Технологический процесс откачки и течеисканияЭВП............148

4.1.Методика отработки технологии откачки.........................................148

4.2. Обезгаживание ЭВП...................................................................151

4.3. Высоковольтная тренировка ЭВП, откачанных по разным режимам обезгаживания................................................................................156

4.4. Особенности процесса откачки......................................................157

4.5. Обзор критериев процесса откачки ЭВП..........................................161

4.6. Результаты использования и внедрения разработанных технологических процессов откачки ЭВП.............................................163

4.7. Проблема течеискания отпаянных ЭВП..........................................168

4.8. Расчет требуемой чувствительности течеискателя.............................169

4.9. Методы поиска течей отпаянного ЭВП...........................................175

4.10. Классификация течей................................................................178

4.11. Условия герметизации течей.......................................................181

4.12. Исследование вакуумных характеристик ЭВП после процесса герметизации течей.........................................................................185

4.13. Полумагнетронный МЭН...........................................................187

4.14. Выводы..................................................................................189

Заключение....................................................................................191

Литература....................................................................................196

Сокращения

МЛК - многолучевой клистрон

ЭВП СВЧ - электровакуумный прибор сверхвысоких частот МЭН - магнитный электроразрядный насос ДМЭН - диодный магнитный электроразрядный насос ПМЭН - полумагнетронный магнитный электроразрядный насос КПУ - катодно - подогревательный узел

Основные обозначения 8р м3/с - быстрота действия в у казан ном ]-ом сечении вакуумной системы с1р м - диаметр)-го элемента вакуумной системы Ц, м3/с - проводимость ]-го участка вакуумной системы Р^ Па - давление газа в указанном ]-ом сечении вакуумной системы Т, К - температура Ь, м - длина трубопровода

А 2

А], м - площадь J-го отверстия М, кг/кмоль - молекулярная масса газа С, К - постоянная Сезерленда к=1,38-10 , Дж/К

- постоянная Больцмана к0, Па/А коэффициент пропорциональности между током МЭН и давлением О1,, м3Па/с -]-ый поток газа Ь с - время

аь к; - постоянные коэффициенты

Ь; а, м - линейные размеры трубопроводов

Н, м - периметр поперечного сечения трубопровода

Ър м - длина свободного пути атома или молекулы газа при ]-ой температуре (3 - коэффициент относительной токовой чувствительности манометра по пробному газу

а, Н/м - коэффициент поверхностного натяжения герметика р, кг/м3 - плотность насыщенного пара герметика

о

Рь кг/м - плотность жидкого герметика

6

Введение

Новые рубежи техники производства ЭВП СВЧ непосредственно связаны с требованиями их применения: увеличения мощности излучения, расширения рабочей полосы частот, снижения уровня шумов и уменьшения массы и габаритов, увеличения долговечности. Обеспечение многих требований зависят от состояния вакуума отпаянных ЭВП СВЧ.

Развитие науки и техники в настоящее время требует разработки и производства ЭВП СВЧ среднего и высокого уровня мощности, в которых применяются многолучевые потоки электронов.

Характерной особенностью конструкции современных мощных многолучевых клистронов (МЛК) является наличие большого количества узких пролетных каналов, и соответствующих мощных электронных пушек. Такая конструкция ЭВП создает трудности эвакуации газа через узкие пролетные каналы и проблему обработки пушек из-за большой мощности подогревателя катода.

Недостаточный уровень вакуума способствует процессам распыления катодов и снижает их долговечность. Повышенное давление стимулирует также процессы переноса материалов внутри ЭВП. Увеличенная концентрация остаточных газов приводит к рассеянию электронного потока и к ухудшению взаимодействия его с высокочастотным полем, что вызывает снижение выходной мощности и повышает уровень шумов.

Повышенный уровень адсорбированных газов на поверхностях электродов приводит к росту вероятности возникновения электрических пробоев между электродами, что недопустимо в работе радиолокационных станций (РЛС) и ускорителей заряженных частиц.

Обычно используемые критерии откачки дают сбой, так как количество поверхностных газов остается на достаточно высоком уровне, что препятствует нормальному функционированию ЭВП. Простое увеличение длительности и температуры обезгаживания не приводит к желаемому результату.

Продвижение в область коротких длин волн миллиметрового диапазона требует качественного изменения технологии откачки ЭВП [1.. .9].

Применение традиционной технологии откачки однолучевых клистронов не приводит к достаточному уровню обезгаживания МЛК, что требует разработки новых подходов к технологическому процессу откачки. Близкие проблемы имеются у ламп бегущей волны (ЛБВ) и атомно-лучевых трубок (АЛТ), где каналы, по которым откачивается газ, имеют недопустимо большое сопротивление потоку газов.

Одной из причин низкого уровня обезгаживания ЭВП является недостаточный уровень знаний физико-химических процессов с участием поверхностных газов и газов вакуумного объема ЭВП, как при их изготовлении, так и при эксплуатации.

Процесс формирования газовой среды в ЭВП в основном происходит во время откачки. На этот процесс влияют не только детали прибора, но и условия формирования вакуума в средствах откачки. Обратный поток газа из трубопроводов откачного поста оказывает существенное влияние на состав остаточных газов в приборе и на наличие их в адсорбированном состоянии на стенках оболочки ЭВП [10,11].

Формирование газовой среды ЭВП не заканчивается процессом откачки, а продолжается и после ее. Состав этой среды зависит от последующих технологических операций. Газовая среда ЭВП является изменяющейся величиной и определяется, прежде всего, наличием газообразующих примесей во время процесса откачки и обезгаживания, а после откачки в основном адсорбированными газами на поверхностях вакуумного объема.

Газы, выделяющиеся в объем прибора в процессе его технологической обработки вступают во взаимодействие с материалами ЭВП, в первую очередь с наиболее горячими, что существенно в процессе обезгаживания. Сложность и неоднозначность процесса откачки ЭВП, а также физические принципы работы самого прибора приводят к необходимости установки в приборе МЭН в качестве неотъемлемой его части.

Использование МЭН особенно оправдано в высоковольтных приборах, где велика вероятность электрических пробоев, а также в ЭВП с мощными электронными пушками и большой выходной мощностью, приводящей к разогреву выходных элементов СВЧ-тракта и газовыделению. Применение насоса ускоряет поглощение газа. МЭН диодного типа имеют низкую быстроту откачки по аргону и обладают еще одним недостатком в виде аргонной нестабильности (периодически всплески давления аргона), что усиливает распыление катода из-за его бомбардировки тяжелыми ионами.

Как правило, наибольший интерес вызывают вопросы формирования газовой среды в процессе откачки. Процессы поглощения и выделения газа, протекающие в ЭВП СВЧ после отпайки приборов весьма сложны, и их динамика недостаточно изучена.

Важной составляющей формирования газовой среды отпаянных ЭВП является газ, оказавшийся в приборе в результате натекания. В настоящее время отыскание места течи представляет собой значительную трудность. Ограничение, прежде всего, связано с недостаточной чувствительностью те-чеискателей отпаянных ЭВП (5ТО"11 м3Па/с) без применения специальных средств (омегатрона или другого масс-спектрометрического преобразователя).

Натекающие приборы после обнаружения в них места течи могут быть герметизированы. На начало работы отсутствовали ясные и точные критериев, удостоверяющих достаточность герметизации течи и отсутствие или несущественное влияние герметизации на качество и надежность работы прибора. Не было и определенных критериев физического состояния герметика в канале течи и его соответствия величине и параметрам течи.

Таким образом, тема диссертации, цель которой - снижение давления остаточных газов и сохранение вакуума в отпаянных ЭВП является актуальной.

Диссертационная работа представляет собой решение этой научной задачи, так как в процессе ее выполнения были проведены оригинальные ис-

следования поверхностного газосодержания как в процессе откачки ЭВП, так и после его отпайки. Исследовано не только газосодержание ЭВП в процессе высоковольтной тренировки и настройки, но и даны оценка его динамики, конкретные рекомендации по использованию подобных исследований для оценки качества процессов откачки других ЭВП. Исследование газосодержания позволило сформулировать новые принципы построения технологического процесса откачки ЭВП через штенгель.

Другим альтернативным способом решения является безштенгельная откачка ЭВП, но для ее реализации требуются условия массового или серийного производства. Для сложной многофункциональной продукции разной по физическим и геометрическим параметрам такой способ не подходит. Но и любой способ откачки не отменяет индивидуальных особенностей конструкции ЭВП, учет которых представлен в диссертационной работе.

К началу работ не был достоверно определен режим откачки и обезга-живания, гарантирующий такой уровень адсорбированных газов, при котором, давление газа ЭВП после завершения электрического пробоя было бы меньше 10"4 Па, чтобы быстро восстановить функции прибора. Для решения проблемы использован комплексный подход, учитывающий не только откачку и обезгаживание, но и особенности эксплуатации и технологической обработки ЭВП после проведения процесса откачки.

Целью диссертационной работы явилось исследование физических механизмов формирования газосодержания откачиваемых и отпаянных ЭВП и на этой основе построение научно обоснованной методики по разработке технологического процесса откачки ЭВП СВЧ среднего и высокого уровня мощностей, определение условий герметизации течей и повышения чувствительности течеискателей отпаянных ЭВП.

Основные задачи исследований: - исследование действующих технологических процессов откачки различных типов ЭВП (клистроны, магнетроны, ЛБВ, АЛТ);

- исследование поверхностного газовыделения отпаянных ЭВП в процессе высоковольтной тренировки, настройки ЭВП и при термической активации выделения газа;

- определение причин аномального повышения давления остаточного газа отпаянных ЭВП и возможностей снижения этого давления;

- теоретический расчет режима течения газа ЭВП в процессе его откачки, в том числе во время подъема температуры и обработки КПУ;

- на основе уточненных физических представлений разработка базовой методики построения технологического процесса откачки ЭВП;

- исследование процесса герметизации течей отпаянных ЭВП и определение условия их герметизации;

- разработка конструкции миниатюрного МЭН, исключающего появление аргонной нестабильности.

Объект исследований - ЭВП СВЧ среднего и высокого уровня мощности: клистроны, ЛБВ, магнетроны, АЛТ. Предмет исследования:

- процессы откачки в части уточнения режимов быстроты подъема температуры обезгаживания, времени выдержки при температуре обезгаживания, времени обработки КПУ, времени снижения температуры;

- процессы газовыделения отпаянного ЭВП на разных этапах технологического процесса.

Направлениями исследования являются:

- научные и методологические основы построения процесса откачки ЭВП СВЧ среднего и высокого уровня мощности, исходя из условий их применения;

- методы исследования и контроля достаточности обезгаживания отпаянных ЭВП;

- обеспечение минимальной чувствительности течеискания отпаянных ЭВП с использованием в качестве преобразователя давления МЭН - <10"п м3Па/с;

- определение критериев необходимости и достаточности условий герметизации течей ЭВП, требований к герметикам и герметизируемым материалам;

- расширение областей применения МЭН как в области исследований физических процессов, протекающих в ЭВП СВЧ, так и для технологических целей, в первую очередь для формирования атмосферы остаточных газов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Максимально допустимая скорость подъема температуры обезгаживания ЭВП определяется необходимостью достижения режима молекулярного течения газа в элементах конструкции ЭВП для создания одинаковых условий термовакуумной обработки элементов на всех этапах обезгаживания.

2. Минимально необходимое время обезгаживания (^безг, ч) ЭВП СВЧ среднего и высокого уровня мощности в диапазоне температур 673... 823 (Т, К) определяется по формуле:

+ лЗ, 117-0,00288Т

Чюезг ' и

3. Показателем эффективности обезгаживания ЭВП является количество газа, поглощенного МЭН в процессе нагрева отпаянного ЭВП при температуре 140±20°С в течение 4±1ч.

4. Для предотвращения недопустимого газовыделения при высоковольтной тренировке отпаянного ЭВП СВЧ температура обезгаживания прибора перед обработкой катода снижается относительно 500°С на величину:

ЛТ=700(Р - 0,23),

где Р, Вт/см