Совершенствование процессов откачки, формирования эмиссионных характеристик катодов и герметизации ЭВП

Среди изделий электронной техники особое место занимают электровакуумные и газоразрядные приборы большой мощности и электровакуумные приборы сверхвысокочастотной техники (ЭВП СВЧ). Современная российская электронная промышленность выпускает все классы электровакуумных и газоразрядных приборов, которые по техническим параметрам, не уступают лучшим зарубежным аналогам, а в ряде случаев даже превосходят их [1. 3]. Хотя полупроводниковая и лазерная электроника интенсивно развивается, применение мощных высокочастотных (ВЧ) и СВЧ ЭВП не только не потеряло свою актуальность, но превосходит по ряду параметров в радиои телепередатчиках, РЛС и других объектах военной, авиационно-космической, научно-исследовательской и производственной сфер деятельности и что особенно важно в наше время имеют значительно более низкую стоимость, чем указанные выше классы приборов, но требования к повышению качества и снижению трудоемкости изготовления ЭВП постоянно растут и проблемы повышения стабильности в работе и долговечности относятся к числу важнейших [4]. К примеру, в мощных генераторных лампах (МГЛ) высоковольтные пробои, как правило, вызывают сбои всей аппаратуры, поэтому, даже кратковременные сбои в работе приборов, особенно при передаче в импульсном режиме, крайне нежелателен. Несмотря на то, что ведутся постоянные работы по повышению надежности ЭВП, а требования качества постоянно растут, отказы мощных крупногабаритных приборов составляют значительный процент от общего числа отказов радиоэлектронной аппаратуры и достигнутый уровень оставляет желать лучшего [5].

Сочетание теоретического, конструкторского, технологического и эксплуатационного направлений позволят повысить надежность ЭВП. В плане технологии по повышению качества приборов наиболее важными являются работы по созданию новых режимов обработки ЭВП, разработки современного оборудования для их откачки, что позволит параллельно добиться повышения 8 качества приборов и снизить трудоемкость их изготовления.

При производстве электровакуумных приборов самыми важными ответственными и трудоемкими процессами являются откачка и герметизация, т. к. здесь окончательно закладываются основные характеристики СВЧ ЭВП: как. термовакуумные, электрические так и качественные. Способ откачки и метод герметизации оказывает существенное влияние на газовую среду в приборе и на его герметичность. Недостатками обычных технологий откачки являются значительная длительность процессов (иногда десятки часов) и трудности по их автоматизации, поэтому каждый прибор необходимо индивидуально обрабатывать и все же брак составляет высокий процент. К тому же откачное оборудование требует большие производственные площади, размеры которых увеличиваются соответственно программе выпуска приборов. Помимо выше сказанного применяемые способы откачки,. очистки, обезгаживания и герметизации ЭВП практически исчерпаны с точки зрения сокращения длительности откачки, интенсификации процессов, и повышения качества приборов. Откачное оборудование, ориентируемое на традиционную технологию откачки, эксплуатируются на некоторых предприятиях уже десятки лет и давно физически и морально устарели, а их замена на аналогичные, даже на автоматизированные комплексы, но со старой технологией экономически не рентабельно. Как известно, приборы на откачном посту находятся в более жестких тепловых и электрических режимах, поэтому естественно стремление сократить длительность откачки, что в свою очередь оказывает положительное влияние на качество приборов, повышает ресурсов гетеров и катодов и увеличивает срок службы материалов, не говоря уже об экономии энергоресурсов и сжижении себестоимости.

В связи с этим возникает задача по разработке и внедрению новых прогрессивных способов откачки, очистки, обезгаживания и герметизации, технологий и оборудования для откачки электронных приборов с применением методов, позволяющих интенсифицировать процессы откачки и существенно сократить их длительность при одновременном повышении качества. 9.

На сегодняшний день мало изучены вопросы, связанные с изучением физико-химических процессов эффективности удаления газов при откачке ЭВП, скорости удаления адсорбированных и растворенных газов, взаимное распределение примесей, разложения таких основных газосодержащих соединений, как поверхностные оксиды металлов, карбонатов и карбидов. Недостаточно изучено влияние газовой фазы на процессы, происходящие при откачке в электродах ЭВП, влияние газовой фазы на нестехиометрию активного вещества катода. Сомнительны также имеющиеся на сегодняшний день методы оперативного контроля, способные достоверно судить о результатах обработки прибора в ходе откачки. Вопрос чистоты рабочей газовой среды на качество и долговечность ЭВП, также является открытым.

Не достаточно изучены вопросы о предпочтительности того или иного метода герметизации и его влияния на остаточный вакуум и эмиссионные характеристики прибора.

Поэтому данная работа, целью которой является повышение качества ЭВП и уменьшение трудоемкости изготовления приборов за счет интенсификации процессов очистки, совершенствование процессов обезгаживания, формирования эмиссионных характеристик катодов и герметизации ЭВП — является актуальной.

Для достижения этой цели необходимо решить и исследовать следующие задачи:

1. Разработать обобщенную технологическую схему физико-химических процессов, происходящих в материалах прибора при его откачке.

2. Исследовать влияние степени очистки водорода на качество обезгаживания электродов и распределение примесей.

3. Исследовать влияние быстроты откачки из прибора и диффузии примесей кислорода и углерода на интенсивность газовыделения в процессе откачки ЭВП.

4. Исследовать динамику парциального состава газовой среды в приборе при его откачке.

5. Исследовать влияние парциального состава газовой фазы на формирование эмиссионных характеристик катодов.

6. Исследовать влияние экранирования катодов на характеристики приборов.

7. Исследовать влияние способов герметизации на электровакуумные характеристики приборов.

Методы исследований. В работе использованы методы вакуумной техники, масс-спектрометрические методы, металлография, исследования вакуумной плотности соединения, методы компьютерного моделирования, химической термодинамики и кинетики.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Газовыделение при откачке прибора с обработкой в водороде со.

7 0 степенью очистки не хуже 10″ и при давлении водорода менее 10 Па определяется диффузией кислорода с глубины 5−10 мкм, а при давлении водорода более 10″ Па лимитируются быстротой откачки из прибора и поверхностными процессами.

2. Условием активировки оксидосодержащих катодов является уменьшение давления кислорода ниже его давления, соответствующего минимуму общего давления над оксидомактивировка ВТК-катодов с токоотбором при температурах на 10−15% больше рабочих, времени порядка 4-х часов и давлении Н2 не более 10″ .

Па не влияет на толщину карбидированного слоя вольфрама в пределах допуска, а также запас тория в катоде и не уменьшает долговечности прибора по эмиссии.

3. При раздельной обработке оксидных катодов при камерной откачке их экранирование уменьшает напыление активного вещества на электроды и изоляторы, а также улучшает электрические характеристики приборов.

4. Герметизация приборов диффузионной клинопрессовой сваркой позволяет уменьшить силовое воздействие, увеличить быстроту.

II откачки, термовакуумные и электрические характеристики приборов. Научная новизна:

Разработаны модели процессов газовыделения кислорода и углерода, в том числе при обработке в водороде, учитывающие схему откачки водорода, схему напуска водорода, степень его очистки, а также диффузионные процессы примесей в электродах. Полученные модели позволяют определить парциальный состав газовой среды, парциальные потоки, степень очистки электродов, концентрации растворенных примесей, а также определить время достижения заданной степени обезгаженности прибора.

Построены модели обработки ВТКи оксидных катодов, позволяющие определять влияние парциального состава газовой фазы на динамику формирования эмиссионных характеристик катодов.

Установлено, что экранирование оксидного катода при камерной откачке позволяет улучшить электрические параметры приборов.

Установлено, что диффузионная сварка по клиновой схеме (там, где это позволяет конструкция прибора) позволяет получать вакуумплотные, термостойкие соединения, и способствует стабилизации электровакуумных характеристик ЭВП.

Практическая ценность:

Результаты работы могут быть использованы при откачке и разработке технологии обработки современных газоразрядных и электровакуумных приборов, обработки катодов и герметизации. Разработаны технологии откачки приборов типа ТГИ-2000 с обработкой в водородетехнология откачки MTJI типа ГУ-23А с использованием форсированных режимов обработки катода, что позволило улучшить качество приборов и снизить энергозатраты. Технологии прошли апробацию на ГНПП «Контакт». Разработанная методика и технология экранирования катода, которая позволяет добиться улучшения эмиссионных характеристик прибора. Цредложенный метод герметизации, обеспечивает высокое качество и надёжность соединения, обеспечивает сохранения высокого вакуума в приборах, позволяют исключить применение дорогостоящих.

12 волило улучшить качество приборов и снизить энергозатраты. Технологии тли апробацию на ГНПП «Контакт». Разработанная методика и технология «анирования катода, которая позволяет добиться улучшения эмиссионных эактеристик прибора. Предложенный метод герметизации, обеспечивает сокое качество и надёжность соединения, обеспечивает сохранения высокого суума в приборах, позволяют исключить применение дорогостоящих омежуточных материалов (припоев и флюсов) и уменьшить термосиловые здействия на прибор во время его герметизации. Разработан механизм пережима генгеля прибора в горячем состоянии для камерной откачки ЭВП.

Апробация работы:

По теме работы опубликовано 13 научных работ, материалы диссертации 1кладывались на научных конференциях и семинарах. Основные положения .боты докладывались на научно-практической конференции «Вакуумная ектроника сегодня и завтра. Прогнозы и реальность» Саратов 1998; «Вакуумная [ектроника сегодня и завтра» Саратов 1999; на международных научно-:хнических конференциях: «Актуальные проблемы электронного ашиностроения» Саратов 1998; «Вакуумная электроника сегодня и завтра, рогнозы и реальность»" Саратов 2000; «Вакуумная наука и техника», Гурзуф 300- «Проблемы управления и связи», Саратов 2000; «Актуальные проблемы тектронного приборостроения», Саратов 2000. Личное участие автора в этих аботах выразилось в постановке задачи, определение цели и методов сследований, проведении экспериментов, анализе и обобщении полученных езультатов и формировании научных выводов.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСОВ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА, СПОСОБОВ, СХЕМ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОТКАЧКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработана обобщенная технологическая схема физико-химических процессов на всех этапах при откачке мощных ЭВП СВЧ диапазона (п. 2.1, стр. 45).

2. На основании термодинамического анализа установлена количественная взаимосвязь влияния электродов при откачке и распределения кислорода между ними. Для ее оценки получено аналитическое выражение: со (Т, 11, сп, сс, V, т1, ш2, g) := ш2.

X СП.- -бш (Тп.~, 12) ¦ V., 12 о й й 12 = т! т2 х foCT. il, 12,&сс)-8Ш0(Т.2Л2)-У.2 ?2 = 1п1.

Определены условия очистки материалов электродов от температуры обез-гаживания в присутствии и без геттера (п. 2.2, стр. 51) и без него.

3. Предложена математическая модель для определения зависимости степени очистки водорода от материала очистителя водорода, его температуры и входного давления водорода в очиститель. Получено следующее выражение для определения степени очистки водорода (3 (п. 2.3, стр. 58).:

8ш (Тк, с18).

РСГз, 1,<18,ап):= а (Тз. 1, с1п).

СГМс).

Н20 ' з.

Рассчитана зависимость концентрации кислорода в материалах электродов при их обезгаживании от степени очистки водорода, температуры и материала трубки очистителя, а также от температуры обезгаживания электродов: ис,(1п) с (Те, Тб, I, ], д., с1):= 0 V б п к.

Н20.

Те, }).

4. Сравнение косвенной и проточной схем напуска водорода в прибор показало, что проточная схема не имеет преимуществ перед косвенной при давле.

199 ниях водорода менее 1 Па (п. 2.4, стр. 65).

5. Определено влияние быстроты откачки на газовыделение кислорода при обработке ЭВП в водороде и в вакууме. Получено выражение для определения времени достижения заданной концентрации примеси кислорода в электродах (п. 2.5, стр. 70): т.п. лЧ.^(ТоДЛ)-1п (^(То.11"сп"У"])) + кЗ (ТкД5)-с1(ТоД1,сп, Уо) к1(1>Н2,То, 11, У) А (РИ[2,ТоД1,У, сп, с15).

При обработке ЭВП в водороде установлено, что с увеличением температуры при заданной концентрации кислорода в электродах давление паров воды уменьшается, а время достижения этого давления увеличивается.

6. Определена взаимозависимость диффузии кислорода из электродов и газовыделения при откачке с обработкой в водороде (п. 2.6, стр. 77) и зависимость диффузии кислорода и углерода при обезгаживании ЭВП в вакууме (п. 2.7 стр. 83). Показано, что при обработке материалов, как в вакууме, так и в водороде происходит преимущественно приповерхностное обезгажива-ние. Получены уравнения, позволяющие определять концентрацию примесей кислорода и углерода при обезгаживании в вакууме и в среде водорода. Определено значение давления водорода в приборах для конкретных вакуумных систем, выше которого увеличение быстроты откачки из прибора не определяет время обезгаживания ЭВП.

7. Для оксидных катодов определен минимум давления кислорода при разных температурах активировки. По разработанной модели определена степень активировки оксидных катодов от давления кислорода (п. 2.10, стр. 103). Для ВТК-катодов установлено, что время полного разложения ТЮ2 при рабочей температуре катода значительно больше заданной долговечности приборов по эмиссии (п. 2.10, стр. 103). Экспериментальные исследования парциального состава газовой среды подтверждают правильность предложенных моделей.

8. Для экранирования оксидного катода при камерной откачке на время акти.

200 вировки предложены схемы расположения экранов и рассчитаны их размеры предложены схемы расположения экранов и рассчитаны их размеры. Установлено улучшение характеристик прибора по электрической прочности и эмиссии катода при экранировании (п. 3.3.2, стр. 160).

9. Теоретическими и экспериментальными исследованиями способов герметизации (холодной сваркой, пайкой и диффузионной сваркой) определено: давление, парциальный состав газовой среды и их влияние на эмиссионные характеристики приборов. Показана предпочтительность применения диффузионной сварки для герметизации ЭВП (п. 3.4 стр. 165).

10.Установлены основные параметры режима герметизации ЭВП с оболочкой из стали Х18Н10Т заглушкой из меди MB диффузионной сваркой по клиновой схеме (температура 450 °C, вакуум 10″ Па, время 1 минута, минимальный угол заточки клина 35°), обеспечивающие герметизацию приборов с минимальными деформациями. Показано, что газовыделение и усилие герметизации ЭВП по этим режимам меньше, чем при герметизации приборов холодной сваркой или пайкой (п. 2.13 стр., п. 3.5, стр. 119).

11.С использованием разработанных моделей разработана и внедрена технология откачки прибора ТГИ-2000 с интенсификацией процесса откачки обработкой в водородеусовершенствована технология откачки мощной генераторной лампы ГУ-23А. Разработанные технологии сокращают цикл откачки в 2−5 раз при улучшении остаточного вакуума в приборах (п. 4.1, стр. 184, п.

4.2, стр. 186).

12.Разработан внутрикамерный передвижной механизм пережима штенгеля в горячем состоянииустройство для герметизации заглушкой прибора при гнездовой откачке и устройство для герметизации мощных ЭВП СВЧ с оболочкой из нержавеющей стали диффузионной сваркой по клиновой схеме (п.

4.3, стр. 188, п. 4.4, стр. 192, п. 4.5, стр. 195).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.