專利名稱：一種螺旋線行波管慢波組件及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及散熱能力強(qiáng)的螺旋線行波管 慢波組件。
背景技術(shù)：
在前幾年的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，充分顯示了先進(jìn)的電子技術(shù)在戰(zhàn)爭(zhēng)中的 重要作用，在這幾次戰(zhàn)爭(zhēng)中，多國部隊(duì)使用先進(jìn)的電子偵察設(shè)備和先 進(jìn)的電子干擾設(shè)備使伊拉克的電子偵察、干擾和通訊設(shè)備變成了 "聾 子"和"瞎子"，使多國部隊(duì)的飛機(jī)和人員傷亡極少。寬帶、高功率 行波管是在電子對(duì)抗、火控系統(tǒng)和通訊領(lǐng)域中起著關(guān)鍵作用的微波器 件，它的性能對(duì)這些軍用和民用系統(tǒng)具有決定性作用，慢波系統(tǒng)又是 決定行波管性能的關(guān)鍵部件，尋求寬帶、高效和導(dǎo)熱性能更好的慢波 結(jié)構(gòu)對(duì)滿足目前國防需要以及未來的軍事電子裝備至關(guān)重要。螺旋線 支撐結(jié)構(gòu)散熱能力的研究， 一直是提高連續(xù)波行波管輸出功率容量的 主要方向。其中起支撐和絕緣作用的介質(zhì)夾持桿的性能是關(guān)鍵因素。 與氧化鋁、氧化鈹及氮化硼相比，金剛石的性能要優(yōu)越得多。金剛石的導(dǎo)熱率大大高于目前常用的幾種介質(zhì)材料，尤其是IIa金剛石，在通常溫度下其導(dǎo)熱率比無氧銅高5倍，而且，除導(dǎo)熱性能外，金剛石的機(jī)械強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)、絕緣性能、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗等多種性 能均比上述材料優(yōu)良。美國早在上世紀(jì)七十年代，就開始金剛石夾持 桿的研究工作，他們對(duì)三種常用的氧化鈹、氮化硼和金剛石夾持桿的 熱導(dǎo)性能作了量化研究如它們的導(dǎo)熱率，以及陶瓷-金屬的界面熱阻隨溫度、壓力和表面光潔度的函數(shù)關(guān)系。研究的結(jié)論是應(yīng)用金剛石支撐的螺旋線結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到165W/in的功率容量；40-50GHz頻段 的螺旋線行波管能達(dá)到200W的連續(xù)波輸出功率。八十年代末，美國 休斯公司研制的953H空間行波管就是采用金剛石夾持的慢波系統(tǒng)。953H管的頻率18-20GHz，輸出功率IOOW，飽和增益42dB，電子效率 16. 9%,總效率54. 6。/。。雷聲公司在七十年代就開始在行波管輸出段用 立方體天然金剛石顆粒夾持以提高散熱性能的研究。美國著名的休斯 (Hughes)公司于1991年宣布他們成功研制了一只用金剛石片夾持 的K波段高性能大功率行波管953H，他們采用了昂貴的大顆粒天然 金剛石，將金剛石切片研磨成小片來組合成76mm長的矩形夾持桿， 該桿作為輸出段夾持桿，輸出段仍用BeO桿夾持，省去了中間段。該 管在高頻段上獲得了輸出功率大于75W，增益大于40db的優(yōu)良性能。目前國外還有一種鑲嵌金剛石的方法。使用CVD法在空心管的固 定位置上沉積金剛石，用微型的激光切割機(jī)將空心管上切成螺旋線結(jié) 構(gòu)，相當(dāng)于在螺旋線上鑲嵌了金剛石支撐塊，外部金屬管殼由兩部分 組成，直接裝配而成整體的慢波結(jié)構(gòu)。此方法消除了螺旋線與夾持桿 之間的接觸熱阻，大大提高了螺旋線慢波系統(tǒng)的散熱能力；無須因?yàn)?減小熱阻而對(duì)螺旋線施加國大的壓力，同時(shí)該方法避免了螺旋線在裝 配過程中的變形。不過，此方法很不容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)儀器設(shè)備要求相當(dāng) 嚴(yán)格，耗費(fèi)相當(dāng)大。但金剛石的價(jià)格非常昂貴，并且金剛石的加工非常困難，加工面 比較粗糙，而異形介質(zhì)夾持桿就更難加工。發(fā)明內(nèi)容為了解決螺旋線行波管慢波組件的散熱問題，本發(fā)明的目的是將 金剛石沉積在介質(zhì)夾持桿表面和螺旋線表面即避免了使用純金剛石 介質(zhì)夾持桿的上述缺點(diǎn)，彌補(bǔ)其他介質(zhì)夾持桿熱導(dǎo)率低的缺陷，為此， 提供一種將金剛石薄膜應(yīng)用于螺旋線行波管慢波組件及制備方法。為了實(shí)現(xiàn)所述的目的，本發(fā)明的第一方面，是提供螺旋線行波管 慢波組件制備方法，其技術(shù)方案如下步驟l:將清洗的介質(zhì)夾持桿和螺旋線放入金剛石沉積室內(nèi)；步驟2:將金剛石沉積在介質(zhì)夾持桿表面和螺旋線表面，形成具有 金剛石薄膜的介質(zhì)夾持桿和螺旋線；步驟3:將具有金剛石薄膜的介質(zhì)夾持桿和螺旋線及金屬管殼固定在裝架模具上；步驟4:將鍍有金剛石薄膜的介質(zhì)夾持桿和螺旋線擠入金屬管殼 內(nèi)，制成螺旋線行波管慢波組件。為了實(shí)現(xiàn)所述的目的，本發(fā)明的第二方面，是提供的螺旋線行波 管慢波組件，包括介質(zhì)夾持桿K螺旋線2、管殼3，管殼3的內(nèi)壁 與介質(zhì)夾持桿1的外壁連接，介質(zhì)夾持桿1內(nèi)壁與螺旋線2外壁連接，還包括第一金剛石薄膜4位于介質(zhì)夾持桿1表層中；第二金剛石薄膜5位于螺旋線2的表層中；第一金剛石薄膜4與第二金剛石薄膜5緊密連接。所述螺旋線2采用鉬螺旋線或金屬螺旋線制成。 . 所述介質(zhì)夾持桿1用氧化鋁、或氧化鈹、或氮化硼、或其它介質(zhì) 夾持桿制成。所述第一金剛石薄膜4與第二金剛石薄膜5的厚度為5,— 15jnm。 本發(fā)明的積極效果將金剛石沉積在介質(zhì)夾持桿表面和螺旋線表 面，即避免了使用純金剛石介質(zhì)夾持桿的上述缺點(diǎn)又彌補(bǔ)了其他介質(zhì) 夾持桿熱導(dǎo)率低的缺陷，將金剛石薄膜沉積在介質(zhì)夾持桿和螺旋線 上，提高慢波組件的散熱能力。這樣避免了金剛石夾持桿的加工難的 問題。因?yàn)榻饎偸浅?jiān)硬，因此，加工的金剛石夾持桿的表面比較 粗糙，精度也很難達(dá)到要求。而異型夾持桿的加工難度就更高，甚至 不可能，另一方面，采用夾持桿和螺旋線沉積金剛石薄膜的技術(shù)方案 降低產(chǎn)品價(jià)格。


圖l.傳統(tǒng)的螺旋線慢波結(jié)構(gòu)示意圖；圖2.本發(fā)明散熱能力強(qiáng)的螺旋線慢波結(jié)構(gòu)示意圖；具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明加以詳細(xì)說明，應(yīng)指出的是，所描述的 實(shí)施例僅旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。如圖2所示，為本發(fā)明的沉積金剛石薄膜的介質(zhì)夾持桿和螺旋線組成的散熱能力強(qiáng)的螺旋線慢波結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明用沉積金剛石薄 膜的介質(zhì)夾持桿1和沉積金剛石薄膜的螺旋線2與金屬管殼3組成慢波組件。包括介質(zhì)夾持桿l、螺旋線2、管殼3、第一金剛石薄膜4 和第二金剛石薄膜5，管殼3的內(nèi)壁與介質(zhì)夾持桿1表面上金剛石薄 膜4緊密接觸，介質(zhì)夾持桿1表面上金剛石薄膜4與螺旋線2外壁表 面上金剛石薄膜5緊密接觸，第一金剛石薄膜4位于介質(zhì)夾持桿1表 層中；第二金剛石薄膜5位于螺旋線2的表層中；第一金剛石薄膜4 與第二金剛石薄膜5緊密連接。螺旋線2采用鉬螺旋線或其它金屬螺 旋線。介質(zhì)夾持桿l用氧化鋁、或氧化鈹、或氮化硼、或其它介質(zhì)夾 持桿制成。對(duì)介質(zhì)夾持桿l、螺旋線2尺寸沒有特殊限定，可根據(jù)使 用要求設(shè)計(jì)。本發(fā)明的螺旋線慢波結(jié)構(gòu)，具體實(shí)施例的制備方法如下.-首先，對(duì)螺旋線2和介質(zhì)夾持桿1處理和清洗螺旋線2選擇鉬 材料，將鉬螺旋線放入氫氣爐中1100。C燒結(jié)40分鐘，以達(dá)到鉬螺旋 線定型和去除其表面氧化層的目的；將采用氧化鈹?shù)慕橘|(zhì)夾持桿1放 入馬弗爐中100CTC燒結(jié)60分鐘，這樣介質(zhì)夾持桿1表面的污物就會(huì) 被氧化而蒸發(fā)。然后將清洗的介質(zhì)夾持桿1和螺旋線2進(jìn)行金剛石微 粉噴砂毛化處理，這樣螺旋線介質(zhì)夾持桿l表面帶有金剛石微晶，并 將其放入金剛石沉積室內(nèi)；其次，利用微波PCVD法，將金剛石沉積在 介質(zhì)夾持桿1表面和螺旋線2表面；微波PCVD法采用微波發(fā)生器的 功率1000W，頻率2. 45GHz，在放電管抽到真空度為6. 5x 10—2Pa時(shí)， 可以通入CH4 (1-10%) ， H20 (0-7%) ， H2等混合氣體。氣體流量為15cm7s， 壓力為13-530Pa，放電管的溫度為600-900。C,沉積時(shí)間5-15小時(shí)， 膜厚5-15微米。第三將介質(zhì)夾持桿1和螺旋線2及金屬管3殼固定 在裝架模具上；最后，利用冷擠壓法,熱擠壓法或無變形熱擠壓等方 法，將介質(zhì)夾持桿1和螺旋線2擠入金屬管殼3內(nèi)，制成螺旋線2行 波管慢波組件。本發(fā)明可以把慢波組件工作過程中，螺旋線2局部的熱量通過介 質(zhì)夾持桿1和螺旋線2表面的高熱導(dǎo)率第一金剛石薄膜4和第二金剛 石薄膜5迅速傳遞到金屬管殼3，從而避免了螺旋線2局部溫度過高而造成螺旋線2放氣或燒毀。本發(fā)明從理論和實(shí)驗(yàn)上研究了鍍上5微米銅和金膜的螺旋線組成 的慢波組件的散熱性能，結(jié)果表明鍍膜的螺旋線2組成的慢波組件的散熱性能提高了百分之十左右，因此，鍍制了第一金剛石薄膜4和第 二金剛石薄膜5的螺旋線2和介質(zhì)夾持桿1組成的慢波組件的散熱性 能會(huì)得到極大提高。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍 并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)， 可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此， 本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1. 一種螺旋線行波管慢波組件的制備方法，其特征在于，制備步驟如下步驟1將清洗的介質(zhì)夾持桿和螺旋線放入金剛石沉積室內(nèi)；步驟2將金剛石沉積在介質(zhì)夾持桿表面和螺旋線表面，形成具有金剛石薄膜的介質(zhì)夾持桿和螺旋線；步驟3將具有金剛石薄膜的介質(zhì)夾持桿和螺旋線及金屬管殼固定在裝架模具上；步驟4將鍍有金剛石薄膜的介質(zhì)夾持桿和螺旋線擠入金屬管殼內(nèi)，制成螺旋線行波管慢波組件。
2、 一種螺旋線行波管慢波組件，包括介質(zhì)夾持桿(1)、螺旋線 (2)、管殼(3)，管殼(3)的內(nèi)壁與介質(zhì)夾持桿(1)的外壁連接，介質(zhì)夾持桿(1)內(nèi)壁與螺旋線(2)外壁連接，其特征在于還包括 第一金剛石薄膜(4)位于介質(zhì)夾持桿(1)表層中； 第二金剛石薄膜(5)位于螺旋線(2)的表層中； 第一金剛石薄膜(4)與第二金剛石薄膜(5)緊密連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的組件，其特征在于，螺旋線(2)采用鉬螺旋線或金屬螺旋線制成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的組件，其特征在于，介質(zhì)夾持桿(1)用氧化鋁、或氧化鈹、或氮化硼、或其它介質(zhì)夾持桿制成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的組件，其特征在于，所述第一金剛石 薄膜(4)與第二金剛石薄膜(5)的厚度分別為5pm—15)Lmi。
全文摘要
本發(fā)明公開一種螺旋線行波管慢波組件及制備方法，方法包括步驟將清洗的介質(zhì)夾持桿和螺旋線放入金剛石沉積室內(nèi)；將金剛石沉積在介質(zhì)夾持桿表面和螺旋線表面形成金剛石薄膜；將具有金剛石薄膜的介質(zhì)夾持桿和螺旋線及金屬管殼固定在裝架模具上并擠入金屬管殼內(nèi)。組件，包括介質(zhì)夾持桿、螺旋線、管殼、第一金剛石薄膜、第二金剛石薄膜。將金剛石沉積在介質(zhì)夾持桿表面和螺旋線表面，彌補(bǔ)了其他介質(zhì)夾持桿熱導(dǎo)率低的缺陷，提高慢波組件的散熱能力，解決了金剛石夾持桿加工難和價(jià)格昂貴的問題。
文檔編號(hào)H01J9/00GK101271803SQ200710064600
公開日2008年9月24日 申請(qǐng)日期2007年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月21日
發(fā)明者劉濮鯤, 劉燕文, 勇 韓 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所