微波管是用于产生和放大微波频率范围高频信号的真空电子器件,电子枪是微波管的心脏,其功能是产生和形成一定形状的电子注。电子枪的电流-温度曲线、阴极发射性能和导流系数等性能参数只能待形成整管后在热测环节进行验证。若电子枪的电性能指标不合格,则只能对整管进行返工,调整工艺参数重新制备电子枪组件,严重影响微波管的制备。

微波管电子枪真空除气系统是集真空抽气与电子枪形成整管前的性能测试于一体的抽气系统,既能实现电子枪的清洁真空的环境,又能对电子枪的温度、膨胀参数和快速启动等性能进行测量。

一、微波管电子枪的真空抽气系统

微波管电子枪的真空抽气系统由真空系统电控系统以及台架结构组成。

图1 微波管电子枪真空除气系统三维模型图

  • 真空系统:分为主真空系统和辅助真空系统,主真空系统以直联泵为前级泵,分子泵和离子泵作为主抽泵,阀门选用CC-200超高真空插板阀,管道上设有放气阀和真空规;辅助真空系统是由直联泵、电磁阀和金属角阀组成,用于真空系统的预抽,可对每个工位分别进行预抽真空或放气,实现两个工位独立或同时工作。
  • 电控系统:控制系统是为容置于两工位上的微波管电子枪提供电流电压及真空系统的操作控制系统。

二、真空系统的设计计算

微波管电子枪真空系统的设计是根据微波管电子枪的技术指标和性能要求,确定真空系统的基本结构,选取合理的真空获得设备、管道、阀门等真空元件。既要实现超高真空度下电子枪高温除气,又能进行温度和膨胀量等参数测量的功能。其真空系统原理图如图2所示。

图2 真空系统原理图

1 前级泵抽气时间的计算

假定直联泵的Φ35mm连接管道长2m>20D=0.7m,属于长管,且抽速为14L/s。当管路内平均压力高于20Pa时,气体流态为粘滞流,当管路内平均压力为2~20Pa时,气体流态为粘滞-分子流,因此采用分段计算法计算抽气时间,根据真空设计手册计算可得,直联泵抽气抽到2Pa时所需时间为1.7min。

2. 真空系统的有效抽速

分子泵与离子泵作为真空系统的主抽泵,主要用于保持容器的工作真空度。分子泵的抽速为1200L/s,其进气口连接管路通径为DN200,长度为380mm;离子泵的抽速为1000L/s,其进气口连接管路通径为DN200,长度为1000mm。根据相关公式可得分子泵的有效抽速为626L/s,离子泵的有效抽速为1070L/s,在分子泵和离子泵的共同开启的情况下,真空系统的有效抽速约为1065L/s。

3.真空系统极限真空度计算

真空室的极限真空度远低于真空抽气机组的极限真空度。在泵有效抽速一定的条件下,可以近似认为真空室的极限真空正比于真空室的漏气和出气。因此,根据相关公式可计算出微波管电子枪真空除气系统空载时所能达到的极限真空度为1.2×10-7Pa。

三、控制系统

微波管电子枪真空除气系统的控制系统包括真空计、分子泵电源、稳压电源、离子泵电源、灯丝电源及触摸屏,其控制原理图如图3所示。

图3 微波管电子枪真空除气系统的控制系统原理图

工控机通过串行口与复合真空计连接获取真空度值,并以其中较低真空度值为判断依据。通过操作触控面板上的开关、电源旋钮及插板阀和放气阀的开启对电子枪组件进行升温、保温使材料充分欲蒸散从而达到真空除气目的;分别运用测温仪和膨胀观察系统获得伏安特性曲线和电子枪膨胀系数;根据数据测试结果调节电子枪总装整管之前的工艺参数以满足设计和工艺技术要求。

四、真空系统的实际测量

图4表示三类电子枪温度、真空度与电流之间的关系曲线。图5表示电子枪快速热启动曲线。表1表示电子枪热膨胀量测试数据。由此可以看出该真空抽气系统可以实现温度监控、膨胀参数测量和快速启动等性能测试的要求。

图4 三类电子枪电流、温度与真空度之间的关系曲线

图5 电子枪快速热启动曲线

表1 电子枪热膨胀量测试数据

五、结论

本文设计的微波管电子枪真空除气系统已在研制任务中投入使用,系统极限真空度优于2×10-7Pa,结构设计合理,性能优良。

双工位真空除气系统可获取电子枪灯丝电流、温度及真空度的关系曲线,有效地对电子枪性能(温度、膨胀量和快速启动等)进行检验,提高电子枪的研制效率。适用于不同型号的电子枪,在微波管研制过程中显示出重要的应用价值和意义。

原文发表于《真空》杂志2019年第1期,本文有所删减。