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

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 исследования 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, 117−0,288 Т.

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 °C на величину:

ЛТ=700(Р — 0,23), где Р, Вт/см — удельная мощность, рассеиваемая внешними поверхностями пушки при нагреве катода. Научная новизна.

Впервые расчетным путем обоснована допустимая скорость подъема температуры обезгаживания ЭВП, где критерием выступает величина общего давления газа в области высоковакуумного преобразователя откачного поста. Показано, что величина максимально допустимого давления газа откачиваемого ЭВП зависит не только от конструкции откачного поста, но от геометрии откачиваемого объема ЭВП.

Исследован способ оценки качества обезгаживания отпаянного ЭВП, который заключается в определении количества адсорбированных газов поверхностями вакуумного объема по интегральной кривой откачки встроенного МЭН в процессе нагрева отпаянного ЭВП. На основе этих измерений рассчитывается количество адсорбированного газа.

Определено минимально необходимое время обезгаживания ЭВП в диапазоне температур 400.550°С.

Впервые проведена классификация течей ЭВП, что позволило разработать новую методику течеискания, повысив ее эффективность.

Исследованы причины, снижающие чувствительность течеискателя отпаянных ЭВП и показаны возможности устранения этих причин, разработан течеискатель отпаянных ЭВП повышенной чувствительности (3−10″ 12 м3Па/с).

Объяснена природа широкого диапазона динамической чувствительности течеискания отпаянных ЭВП, показаны возможности ее повышения.

Исследованы необходимые и достаточные условия герметизации течей ЭВП. Определена величина течи, которая не может быть надежно герметизирована.

Достоверность научных результатов и обоснованность научных положений подтверждается достаточно хорошим совпадением расчетов по откачке ЭВП, поиску и герметизации течей с экспериментальными исследованиями, получением воспроизводимых результатов при использовании различной технологической аппаратуры и методов исследования, опыта работы и применением новых технологических процессов при изготовлении ЭВП.

Апробация работы. Основные выводы и практические результаты работы доложены и обсуждены на 7 научно-технических семинарах, 6 научно-технических конференциях, 1 научно-практической конференции, по теме диссертации опубликовано 9 статей в научно-технических журналах, входящих в перечень ВАК, получено 4 патента на изобретение.

Внедрение результатов исследований.

В результате решения комплекса теоретических и экспериментальных исследований цель работы достигута: разработана методика построения технологического процесса откачки ЭВП среднего и высокого уровня мощности, спроектированы и изготовлены две оригинальные установки: по исследованию процессов газовыделения отпаянных ЭВП и современный течеискатель отпаянных ЭВП. Полученные результаты работы связаны с выполнением ОКР по приборам «Атлант», применяемых в РЛС С-300 и С-400, АЛТ для системы ГЛОНАСС.

К ЭВП, где применяется технология откачки, соответствующая научным положениям, относятся, как приборы серийно изготавливаемые, так и на стадии их проектирования: «Атлант», «Аттис», «Амарант», «Авалон», «Астрал», «КФ-3−1КМ», «КФ-3−2КМ», «Ки-2,45−200», «КФ-3−1К», «Шегарка», «Шатер», «Ширма», «Шарик», «УВИ-128», «УВИ-130», «УВИ-139», «Шпунт», «Вспышка», «ИФ-920», «Шейх-Х», «Шейх-С)», «Шарм», «Шип», «Штык», «Шиповник», «Шайба», АЛТ «Успех», «Алтаир-2» и другие.

Разработанные автором магнитные электроразрядные насосы полумаг-нетронного типа нашли применение в ЭВП «Алант», «КФ-3−1К», «КФ-3−1КМ», «Амарант», «Авалон», «К11−2,45−200», «КФ-3−2КМ», серии приборов по теме «Долговечность», и модернизированный МЭН диодного типа в АЛТ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Материал изложен на 147 страницах машинописного текста, содержит 68 рисунков и 19 таблиц, а также титульный лист, оглавление на 3 страницах, список литературы на 14 страницах (148 наименований). Общий объем диссертации составляет 209 страниц.

4.14. Выводы.

Разработанную методику построения технологического процесса откачки ЭВП среднего и высокого уровня мощности рекомендуется внедрять и на других предприятиях отрасли с учетом особенностей применения приборов. При этом необходимо:

— в процессе выбора режима обезгаживания соблюдать условия молекулярного течения газа с учетом, как размеров поста, так и ЭВП;

— выбирать длительность обезгаживания в соответствии с температурой;

— режим обработки КПУ в процессе обезгаживания следует вести с учетом удельной мощности, рассеиваемой внешними поверхностями пушки;

— контролировать результаты технологии по газовыделениям отпаянного ЭВП согласно предложенным методикам.

Режим поиска течи определяется величиной и характером течи в соответствии с их классификацией, геометрическими особенностями канала течи. В процессе поиска течей следует воспользоваться комплексом предложении по совершенствованию методики поиска течей. Рекомендуется внедрение те-чеискателя отпаянных ЭВП на других предприятиях отрасли.

При использовании новых разрабатываемых или внедряемых новых герметиков следует, прежде чем использовать герметик, проверить его на соответствие условиям применения по всему предложенному комплексу испытаний. Не рекомендуется герметизации течей больших 2−10″ 7 м³ Па/с, так как существует риск проникновения герметика в вакуумный объем ЭВП.

Магнитный электроразрядный насос полумагнетронного типа может быть рекомендован к применению там, где требуется:

— повышенная быстрота откачки аргона и необходимо устранение аргонной нестабильности;

— большой запас активного вещества;

— экранировка керамического вывода насоса от напылений;

— более высокая быстрота действия разрядной ячейки по сравнению с ДМЭН, у которого размеры разрядной ячейки аналогичны ПМЭН.

Заключение

.

В связи с необходимостью создания ЭВП СВЧ среднего и высокого уровня мощности и повышения их эффективности в части обеспечения вакуумных условий их работы проведены исследования формирования газосодержания: процессов откачки и обезгаживания, предварительной высоковольтной тренировки, настройки, течеискания отпаянных ЭВП, герметизации течей, поддержания сверхнизких давлений ЭВП. В исследованиях использовался комплексный подход формирования газосодержания от процессов откачки до создания условий обеспечения вакуума при эксплуатации ЭВП.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработана методика построения оптимального технологического процесса откачки и обезгаживания ЭВП высокого и среднего уровня мощности, что позволило снизить поверхностное газосодержание в 20. .50 раз.

2. Установлено что быстрота подъема температуры обезгаживания ЭВП ограничивается необходимостью создания одинаковых условий обезгаживания всех конструктивных элементов ЭВП и определяется обеспечением режима молекулярного течения газа во всех элементах конструкции ЭВП на всех этапах обезгаживания.

3. Установлено, что быстрота подъема температуры обезгаживания ЭВП зависит не только от проводимости вакуумной системы откачного поста и штенгеля ЭВП, но и от проводимостей и габаритных размеров конструктивных элементов откачиваемого ЭВП.

4. Доказано, что если соблюдение молекулярного течения газа контролируется по величине установленного давления газа при температуре 293К, показываемого преобразователем давления откачного поста, то режим молекулярного течения газа ЭВП автоматически обеспечивается при повышенной температуре и учета температурной транспирации не требуется.

5. Показано упрощенным расчетом и подтверждено практическими исследованиями, что в процессе обезгаживания ЭВП по динамике изменения давления газа может быть установлена последовательная смена известных механизмов газовыделения. Доказано практическими исследованиями, что время смены механизмов газовыделения зависит от свойств материалов и качества подготовки прибора к процессу откачки, что требует увеличения необходимого времени обезгаживания ЭВП в 1,5 раза относительно средней величины критического времени, соответствующего времени перехода механизмов газовыделения.

6. Доказано экспериментально, что для каждой температуры существует минимальное время обезгаживания, ниже которого его эффективность снижается. На основании исследования смены механизмов определено минимально необходимое время обезгаживания в диапазоне температур 400.550°С. Минимально время, гарантирующее достаточность обезгаживания ЭВП СВЧ с жидкостной системой охлаждения составляет: при 400 °C — 15 часов, 450 °C -11 часов, 500 °C — 8 часов, 550 °C — 6 часов.

7. Доказано экспериментально, что удельная мощность величиной не более 0.23 Вт/см, рассеиваемая внешними поверхностями пушки от накальной цепи подогревателя при термовакуумной обработке катода в процессе высокотемпературного обезгаживания прибора, которая соответствует температуре внешних поверхностей пушки не выше 110 °C, не приводит к повышенному газовыделению в процессе высоковольтной тренировки прибора, если максимальная температура обезгаживания ЭВП не превышает 500 °C.

8. Показано, что если удельная мощность, рассеиваемая всеми поверхностями пушки от накальной цепи подогревателя превышает 0,23 Вт/см, то необходимо снизить температуру обезгаживания ЭВП перед термовакуумной обработкой катода, при этом величина снижения температуры ЭВП определяу ется степенью превышения удельной мощности 0,23 Вт/см. Условия снижения температуры обезгаживания распространяются на ЭВП, у которых электронные пушки имеют внешнюю поверхность керамического изолятора не экранированную снаружи ее металлическим экраном.

9. Установлено, что при использовании активных конкурирущих газов, облегчающего процесс откачки ЭВП, в частности водорода, необходимо учитывать физико-химические процессы, происходящие не только в приборе, но и в средствах откачки и вакуумной системы откачного поста. Определена максимальная величина давления водорода при обезгаживании прибора (1,33−10″ Па), при коотором не происходит повышение давления остаточных газов отпаянного ЭВП.

10. Доказано, что выбором режима потока водорода в процессе откачки и обезгаживания ЭВП можно управлять парциальным давлением водорода в пределах одного порядка, как в вакуумной системе откачного поста, в том числе после окончания подачи потока водорода, так и отпаянном ЭВП.

11. Обоснована расчетом и доказана практически целесообразность оценки поверхностного содержания газов вакуумного объема ЭВП нагревом отпаянного ЭВП при температуре 140±-20°С в течение 4±1 часов и измерения количества этих газов с помощью встроенного МЭН. Результаты измерений показывают эффективность процесса откачки и обезгаживания ЭВП любой мощности.

12. Доказано, что одним из объективных критериев эффективности обезгаживания отпаянного ЭВП является величина газовыделения, возникающая в процессе предварительной высоковольтной тренировки пробоями, контролируемая по величине тока МЭН. Чем ниже величина газовыделения, тем эффективнее процесс откачки и обезгаживания ЭВП и меньше частота возникновения пробоев.

13. Впервые разработана классификация течей отпаянных ЭВП и оптимизирована методика их поиска, что позволило снизить в 1,5.2 раза время течеи-скания.

14. Исследованы и показаны условия и пути дальнейшего повышения чувствительности течеискателей отпаянных ЭВП на основе встроенных МЭН, которые в основном определяются уровнем стабилизации напряжения источника питания МЭН, низким уровнем шумов измерительной аппаратуры малых токов, обеспечением условий стабилизации тока разряда МЭН, высоким уровнем сопротивления изолятора вывода МЭН.

15. Спроектирован и изготовлен течеискатель отпаянных ЭВП на современной элементной базе, имеющий чувствительность 3−10″ 12 м3Па/с в режиме по.

15 3 иска течи методом обдува пробным газом и до 5−10″ м Па/с в циклическом режиме поиска течи.

16. Доказано упрощенным расчетом и показано практически, что динамическая чувствительность течеискания зависит не только от параметров самого течеискателя и объема ЭВП, но от геометрических параметров канала течи.

17. Впервые разработан и внедрен в производство отечественный магнитный электроразрядный насос полумагнетронного типа с быстротой действия 0,001 м3/с. В 1,6 раза увеличена быстрота действия МЭН АЛТ при неизменных габаритах и массе насоса.

18. Доказано расчетом и показано практически, что герметизация течей.

7 3 больших 2−10″ м Па/с не гарантирует отсутствие проникновения герметика в вакуумный объем ЭВП через канал течи. Сформулированы требования к разработке нового поколения герметиков в зависимости от областей их применения.

19. Показаны условия герметизации течей и требования к герметикам и герметизируемым материалам течей. Разработаны рекомендации улучшения условий герметизации течей при изменении внешних условий: давления и температуры. Заданы требования к разработке нового поколения герметиков в зависимости от областей их применения.

20. На основе результатов исследования разработаны эффективные технологические процессы совмещенного обезгаживания КПУ и оболочки ЭВП, как в атмосфере водорода, так и без него. К приборам, в которых использованы полностью или частично научные положения, относятся, как ЭВП серийно изготавливаемые, так и на стадии их проектирования (более 30 типов), в частности:

Атлант", «Аттис», «Амарант», «Авалон», «Астрал», КФ-3−1КМ, КФ-3−2КМ, Ки-2,45−200, КФ-3−1К, «Шегарка», «Шатер», «Ширма», «Шарик», УВИ-128, УВИ-130, УВИ-139, «Шпунт», «Вспышка», ИФ-920, «Шейх-Х», «Шейх-С)», «Шарм», «Шип», «Штык», «Шиповник», «Шайба», «Удача», «Успех-5″, СД-109-ЗАМ», «СД-109-ЗБМ», Алтаир-2.