采用四極質(zhì)譜儀，對(duì)大功率速調(diào)管烘烤排氣過程中殘余氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，分析烘烤排氣過程中管內(nèi)件及氧化物陰極的出氣規(guī)律。結(jié)果表明：烘烤排氣過程中主要出現(xiàn)三個(gè)出氣高峰，依次出現(xiàn)在烘烤排氣溫度30，75，325℃；過程中排除氣體主要為H2O ，并含有少量CO 和H2 ；進(jìn)入烘烤排氣保溫區(qū)后，出氣量較小，且基本保持恒定；烘烤排氣結(jié)束后，殘余氣體含量微少，均低于1.2×10^-5 Pa ，為速調(diào)管提供了較好的高真空環(huán)境。

　　電真空器件中殘余氣體對(duì)器件的陰極發(fā)射性能、整管性能及壽命等有著非常重要影響。在實(shí)際工作中，不但要降低電真空器件中殘余氣體的量(真空度)，更要注意控制殘余氣體的質(zhì)(氣體成分)，即將對(duì)陰極有毒化作用的氣體壓強(qiáng)降低到臨界中毒壓強(qiáng)以下，甚至為零，而對(duì)陰極有激活作用的還原性氣體控制在一個(gè)最佳壓強(qiáng)范圍。通常，管內(nèi)殘余氣體在電子注作用下發(fā)生電離，產(chǎn)生的離子會(huì)引起離子聚焦、離子轟擊陰極和離子震蕩等物理現(xiàn)象，使陰極發(fā)射和高頻輸出功率下降。合理的烘烤和排氣(以下簡(jiǎn)稱烘排)工藝過程對(duì)減少速調(diào)管內(nèi)殘余氣體，保證速調(diào)管可靠工作尤為重要。

　　分析烘排過程中管內(nèi)出氣的成分及其分壓強(qiáng)對(duì)提高電真空器件的性能和質(zhì)量、改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和工藝具有重要的作用。殘余氣體質(zhì)差量高，往往是器件性能低劣，早期失效的主要原因之一，采用四極質(zhì)譜殘余氣體分析技術(shù)將有助于分析各種殘氣成分對(duì)器件性能和壽命的影響，有助于查明器件內(nèi)存在的放氣源，以便判斷陰極及各部件、烘排生產(chǎn)工藝規(guī)范是否科學(xué)合理，分析器件的質(zhì)量，作為檢測(cè)整管的手段。四極質(zhì)譜儀已成為高可靠、高穩(wěn)定、長(zhǎng)壽命的電真空器件所必備的診斷儀器。

　　本文在真空排氣臺(tái)上安裝四極質(zhì)譜儀，通過烘烤排氣過程中器件內(nèi)出氣過程的質(zhì)譜分析，對(duì)陰極及管內(nèi)材料出氣過程及成分研究和評(píng)價(jià)。

1、試驗(yàn)系統(tǒng)

　　本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由真空室、內(nèi)真空系統(tǒng)、外真空系統(tǒng)、烘烤系統(tǒng)、四極質(zhì)譜分析儀五部分組成。詳細(xì)組成零部件如圖1 所示。該設(shè)備專用于超高真空條件下的大功率速調(diào)管烘烤排氣及封離。

圖1 　用于殘余氣體質(zhì)譜分析的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

　　真空室有效工作空間Υ1000 mm ×2000 mm ，工件內(nèi)腔容積≤10 L。內(nèi)真空系統(tǒng)(工件內(nèi)真空)主要由兩臺(tái)機(jī)械泵、兩臺(tái)分子泵、一臺(tái)離子泵組成，極限真空度大于10^-8 Pa ，為防止真空系統(tǒng)對(duì)工件內(nèi)油氣污染，在機(jī)械泵前級(jí)加了兩臺(tái)冷阱。外真空系統(tǒng)主要由兩臺(tái)大抽速機(jī)械泵和一臺(tái)擴(kuò)散泵組成，極限真空度1 ×10^-3 Pa 。

　　四極質(zhì)譜儀連接到內(nèi)真空系統(tǒng)上，用于烘烤排氣過程中大功率速調(diào)管殘余氣體分析。四極質(zhì)譜儀不用磁鐵，性能指標(biāo)較高，是目前應(yīng)用最廣的一種小型動(dòng)態(tài)質(zhì)譜儀。可測(cè)量器件內(nèi)部氣體的組分和相應(yīng)的分壓強(qiáng)值。四極質(zhì)譜分析系統(tǒng)主要由以下部分構(gòu)成：超高真空機(jī)組、腔體(管道)及閥門、四極質(zhì)譜儀、采樣分析機(jī)構(gòu)、測(cè)試控制儀表等輔助裝置。

2、烘烤排氣過程中管內(nèi)出氣規(guī)律

　　大功率速調(diào)管由于其工作電壓高、陰極發(fā)射電流密度高、電子注功率高和容積大，其真空腔內(nèi)殘余氣體的成分及含量會(huì)影響其正常工作，甚至導(dǎo)致整管報(bào)廢。速調(diào)管主要通過烘烤排氣工序完成對(duì)陰極分解和激活，及腔內(nèi)真空環(huán)境獲得的。烘烤和排氣工序是速調(diào)管制備的最后一道工序，通過對(duì)速調(diào)管加熱和真空排氣，清除速調(diào)管工藝過程中的有機(jī)物，去除吸附在金屬和陶瓷材料表面的氣體，對(duì)陰極進(jìn)行分解和激活，獲得陰極、高壓絕緣和電子注傳輸所要求的高真空環(huán)境。

　　本實(shí)驗(yàn)選用S 波段大功率速調(diào)管進(jìn)行烘排過程中管內(nèi)出氣規(guī)律的分析研究。該速調(diào)管采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的氧化物陰極，陰極裝入速調(diào)管前經(jīng)過了電子槍預(yù)除氣工序，因此在整管烘烤排氣工序中陰極分解環(huán)節(jié)出氣較少，縮短了整管所需的烘排時(shí)間，減小陰極出氣對(duì)管內(nèi)環(huán)境的影響。如圖2 所示，為大功率速調(diào)管烘烤排氣過程中，殘余氣體成分及含量的變化。由圖中可以觀察出，在整個(gè)烘烤排氣過程中，H2O(M/ e =18)出氣量最大，其余出氣量從大到小依次為CO(M/e =28)，H2(M/ e =2)。O2 (M/ e =32)和CO2(M/ e =44)出氣量微小，可以忽略。

圖2 　烘排過程中出氣曲線

　　其中除CO 氣體外，其它氣體在整個(gè)烘排過程中出氣規(guī)律基本一致，主要出現(xiàn)三個(gè)氣峰，第一個(gè)氣峰發(fā)生在燈絲電壓、電流施加初期(燈絲電流7 A ，烘排溫度30 ℃)，隨著烘排溫度和陰極溫度的升高，當(dāng)溫度達(dá)到75 ℃時(shí)出現(xiàn)第二個(gè)氣峰，在325 ℃烘排溫度下，出現(xiàn)第三個(gè)也是最大的出氣峰，隨后器件內(nèi)出氣量逐漸降低，在450 ℃保溫期間，出氣量非常微小且基本保持恒定，未見明顯氣峰出現(xiàn)。烘排過程中，CO 出氣規(guī)律比較特殊，在升溫過程中，也產(chǎn)生了三個(gè)出氣峰，但出氣量并不大，進(jìn)入烘排保溫區(qū)后出現(xiàn)兩個(gè)較大的出氣高峰。

3、烘烤排氣過程中出氣峰分析

　　管內(nèi)殘余氣氛對(duì)氧化物陰極的影響分為中毒性氣氛、中性氣體氣氛、激活性氣氛三類。依據(jù)排氣過程中殘余氣氛含量、殘余氣氛對(duì)陰極作用等因素，重點(diǎn)對(duì)O2 、H2O 、CO2 、H2 、N2 等進(jìn)行分析。本文主要針對(duì)排氣過程中出現(xiàn)的三個(gè)氣峰、450 ℃保溫區(qū)、烘排完畢整管出爐前等五個(gè)時(shí)間段進(jìn)行重點(diǎn)殘氣分析，以分析出殘余氣體成分及其出氣規(guī)律。

　　速調(diào)管整管進(jìn)入高真空烘排氣臺(tái)后，開啟真空泵并檢漏，此時(shí)整管出氣量較大，真空度較低，所以不進(jìn)行升溫排氣，為保證陰極排氣質(zhì)量，防止管內(nèi)殘余氣體具有向陰極低溫區(qū)聚集導(dǎo)致陰極“中毒” ，需對(duì)燈絲施加電流電壓，使陰極區(qū)溫度升高。本實(shí)驗(yàn)首先對(duì)烘烤排氣過程中第一個(gè)出氣高峰進(jìn)行殘氣分析，此時(shí)燈絲電壓和電流達(dá)到烘排設(shè)定值，烘排爐內(nèi)溫度為30 ℃，超高真空規(guī)管測(cè)得真空度為1 ×10^-5 Pa ，四極質(zhì)譜分析如圖3(a)所示。該出氣峰氣體主要由于陰極電流和電壓升高，陰極分解產(chǎn)生而成，隨著燈絲電流電壓的升高，電子槍內(nèi)部溫度升高，陰極材料出氣量增加，主要出氣的質(zhì)量數(shù)分別為18 ，17 ，28 ，16 ，2 ，32 ，44 ，根據(jù)氣體典型質(zhì)譜圖，質(zhì)量數(shù)18 為H2O 峰，質(zhì)量數(shù)17 為OH+碎片峰；因無質(zhì)量數(shù)14 的N+碎片峰出現(xiàn)，所以質(zhì)量數(shù)28 應(yīng)主要為CO 氣峰，質(zhì)量數(shù)2 主要為H2 氣峰，16 為O2-峰，32 和44 出氣量較少，始終處于10-4量級(jí)，分別為O2 和CO2 峰。

　　與此同時(shí)，由于電子槍內(nèi)部溫度升高，結(jié)構(gòu)材料物理吸附和化學(xué)吸附氣體大量放出，以上因素綜合作用產(chǎn)生第一個(gè)出氣峰。隨著烘排溫度的升高，結(jié)構(gòu)零部件材料物理吸附氣體釋放，出現(xiàn)第二個(gè)出氣峰，氣峰氣體成分及含量如圖3(b)及表1 所示為，此時(shí)燈絲電壓電流為烘排設(shè)定值，爐內(nèi)溫度為75 ℃。經(jīng)過第二個(gè)烘排出氣高峰后，隨著烘排溫度的升高，出氣量緩慢增加，到爐內(nèi)溫度325 ℃時(shí)，達(dá)到第三個(gè)出氣高峰，此時(shí)氣峰氣體成分及含量如圖3(c)及表1 所示。

　　由圖表中可以看出，三個(gè)出氣峰氣體均主要為H2O ，并含有少量的H2 和CO ，及微量的O2 ，CO2 。烘排過程中的出氣主要包括陰極材料出氣和結(jié)構(gòu)材料出氣。試驗(yàn)速調(diào)管陰極采用氧化物陰極，該類陰極出氣量較大，主要由于該陰極表面氧化物在短暫的與空氣接觸過程中易吸附雜氣，如H2O 、CO2 、H2 等，且結(jié)構(gòu)疏松，吸氣量較大。陰極制備過程中，使用了銷棉等有機(jī)物，在前處理過程中，有機(jī)物分解產(chǎn)生的C ，烘排過程中在高真空高溫條件下與材料內(nèi)部的O原子結(jié)合形成CO 、CO2 等。

圖3　氣峰時(shí)刻出氣質(zhì)譜圖

表1　氣峰時(shí)刻殘余氣體成分含量

　　在真空條件下，速調(diào)管中的結(jié)構(gòu)材料的出氣主要來自表面物理脫附的氣體和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體。速調(diào)管的結(jié)構(gòu)材料在空氣中儲(chǔ)存時(shí)，其吸附的氣體與環(huán)境中氣體達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，進(jìn)入真空環(huán)境后，這種動(dòng)態(tài)平衡被打破，結(jié)構(gòu)材料開始向真空環(huán)境中出氣，其中物理吸附的氣體與材料表面的結(jié)合力較弱，在常溫真空條件就能較容易的去除，而化學(xué)吸附氣體與材料表面原子為化學(xué)鍵結(jié)合，結(jié)合力較大，比物理吸附力強(qiáng)的多，因此常在烘烤環(huán)節(jié)中400 ℃較長(zhǎng)時(shí)間可去除，即在第三個(gè)氣峰附近放出。材料的放氣特性，與材料成分、純度、預(yù)處理方法、材料表面粗糙度及試驗(yàn)方法有密切關(guān)系。速調(diào)管主要金屬結(jié)構(gòu)均在氫氣保護(hù)條件下釬焊而成，且氫氣易于吸附于各種材料表面并滲入零件內(nèi)部，相對(duì)于其他氣體，

　　氫氣更容易脫附。對(duì)于金屬材料，不同氣體的脫附溫度和脫附活化能Ed 相差較大，其中氫氣分子的脫附溫度最低，為30 ～ 45 ℃，接近常溫。通常金屬表面都會(huì)生成厚度為10 ～ 1000 nm 的多孔性氧化膜，面積為1 cm2 ，厚100 nm 的氧化膜可以吸附相當(dāng)于100 個(gè)水分子層的水汽量。尤其是陰極表面疏松氧化物極易吸附大量水蒸汽。金屬部件在真空中加熱時(shí)，在200 ℃以內(nèi)主要是水和其他表面吸附物質(zhì)的脫附。達(dá)到200 ℃以上，處于氧化層中的吸附水及其他物質(zhì)開始釋放，釋放速率決定于其分子通過不同長(zhǎng)度和直徑的微孔或晶格與晶界的擴(kuò)散速率。

　　在烘烤溫度300 ～ 400 ℃時(shí)，這部分氣體(N2 ，O2 、CO2)快速放出，形成第三個(gè)出氣高峰。一部分水分子為高溫條件下，材料內(nèi)部H2 還原氧化物產(chǎn)生H2O 。

4、烘烤排氣過程中保溫區(qū)、烘排后殘氣分析

　　圖4(a)為烘排保溫18 h 后殘余氣體成分，具體含量如表2 所示。由圖表中所示，經(jīng)過18h 烘排后，管內(nèi)主要?dú)怏w含量較低且基本保持恒定，主要?dú)怏w為CO 。三個(gè)氣峰中主要的H2O 、H2 氣體均基本排氣完畢，含量均低于3 .165 ×10^-5 Pa 。圖4(b)為烘排結(jié)束，停油泵6 h 后管內(nèi)殘氣分析，此刻燈絲電壓電流為0 ，爐內(nèi)溫度72 ℃。由表2 所示，烘排結(jié)束后管內(nèi)真空度達(dá)4 .3 ×10^-8 Pa ，完全滿足微波管正常工作的10^-5 ～ 10^-6 Pa 真空度要求。管內(nèi)殘余氣體主要為微量的CO ，殘余氣體含量均低于速調(diào)管正常工作的臨界壓強(qiáng)值，不會(huì)影響整管的正常工作。進(jìn)行該分析后，即關(guān)四極質(zhì)譜儀、開爐出整管，因此此刻管內(nèi)殘氣分析直接反映了烘排后整管管內(nèi)真是殘氣成分和含量，直觀的反應(yīng)了該支電真空器件管內(nèi)真空環(huán)境。

圖4 　烘烤排氣保溫區(qū)管內(nèi)出氣質(zhì)譜圖及整管封離前殘氣質(zhì)譜圖

表2 　烘烤排氣保溫區(qū)殘余氣體成分及整管封離前殘氣成分

5、結(jié)論

　　(1)烘烤排氣過程中主要出現(xiàn)三個(gè)出氣高峰，依次出現(xiàn)在烘排溫度30 ，75 ，325 ℃過程中排除氣體主要為H2O ，并含有少量CO 和H2；

　　(2)進(jìn)入烘排保溫區(qū)后，出氣量基本保持恒定，且出氣量較小；

　　(3)烘排結(jié)束后，整管內(nèi)部真空度達(dá)4 .3 ×10^-8 Pa 殘余氣體含量均低于速調(diào)管正常工作的臨界壓強(qiáng)值，為速調(diào)管提供了非常好的高真空環(huán)境。