專利名稱：一種石墨復合多級降壓收集極及制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及真空電子技術領域，具體的是用于衛(wèi)星行波管的一種石墨復合多級降 壓收集極及制造方法。
背景技術：
衛(wèi)星行波管作為末級功放，廣泛地用于通訊、導航定位、軍事測繪、微波遙感、電子 偵察、數據傳輸等有效載荷技術，是星載核心元器件。作為衛(wèi)星用行波管，高效率是其核心技術指標之一。行波管的效率主要決定于電 子效率和收集極的回收效率。電子效率達到一定限度后，很難再進一步提高，此時效率的 提高主要取決于收集極的回收效率。國外高效率行波管基本上都采用多級降壓收集極，采 用多級降壓收集極技術可將某些頻段行波管的效率提高到70%以上，收集極的回收效率可 達 85% 以上[參考文獻Menninger W L, Benton R Τ, Choi M S, et al. 70% Efficient Ku-Band and CBand TffTs for Satellite Downlinks, IEEE Transactions on Electron Devices,2005,52(5) :673-678]。高效率多級降壓收集極可以從兩個方面來實現一個是從電子光學設計角度，對 電子能量及分布、飛行軌跡進行計算和模擬，為設計高回收效率的收集極結構提供依據；另 外一方面，從材料和工藝角度，選用二次級電子發(fā)射系數小的材料作為收集極電極，或者對 電極表面進行技術處理，提高回收效率。在結構設計確定的情況下，要獲得更高的回收效率，收集極電極表面應具有低的 二次電子發(fā)射系數。高導無氧銅是應用最廣泛的多級降壓收集極電極材料，但是其二次電 子發(fā)身寸系數較高[參考文獻Curren A N and Jensen K A, Secondary Electron Emission Characteristics of Ion-Textured Copper and High-Purity Isotropic Graphite Surfaces，NASA Technical Paper 2342(1984) ；Ebihara B T and Ramins P，Design， Fabrication，and Performance of Small,Graphite Depressed Collectors With 200—W， CW,8-18GHz Traveling-Wave TubesjNASATechnicalPaper 洸93 (1987)]。釆用離子束表面 改性技術使其表面發(fā)生微米或亞微米尺度的粗化，可以顯著降低無氧銅表面的二次電子發(fā) 身寸系數[參考文獻:Ebihara B T and Ramins P, Design, Fabrication, and Performance of Small, Graphite Depressed Collectors With 200-ff, Cff,8-18GHz Traveling—Wave Tubes, NASA Technical Paper 2693(1987) ；Curren A N, Jensen K A and Roman R F, Secondary Electron Emission Characteristics of Molybdenum-Masked, Ion-Textured OFHC Copper, NASA Technical Paper 2967 (1990) ]0但是，離子束表面改性需要專用工藝 設備，工藝機理復雜，影響因素較多，導致處理過程控制難度較大。而且，對實際工件的處理 還需要設計專門的工裝卡具，效果也受到一定限制。在長時間工作的條件下其可靠性能否 滿足空間行波管的使用要求尚存在種種疑問。采用二次電子發(fā)射系數小的石墨類材料(各向同性石墨和熱解石墨等)也可以 獲得高的回收效率，在此基礎上再進行離子束改性處理可以獲得更佳的實驗效果[參考文獻Ramins P and Curren A N, Performance of Textured Carbon on Copper Electrode Multistage Depressed Collectors with Medium-Power Traveling Wave tubes, NASA Technical Paper2665 (1986) ] 0但是，由于普通壓制石墨材料的結構一般比較疏松、強度較 低，在電子束的長期轟擊下容易產生石墨微塵，致使收集極的絕緣性能難以保證。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是公開一種石墨復合多級降壓收集極及制造方法，通過在普通壓制 石墨表面沉積一層熱解石墨涂層，獲得石墨復合電極，經過金屬化、裝配、焊接得到多級降 壓收集極組件。該多級降壓收集極電極利用了石墨類材料低二次電子發(fā)射的特性，同時又 避免了普通壓制石墨強度低、容易產生石墨粉塵的問題，為高效率衛(wèi)星行波管的研制提供 了新的技術支持。為達到上述目的，本發(fā)明的技術解決方案是一種石墨復合多級降壓收集極，其在電極的普通壓制石墨基底上，位于電極的非 焊接區(qū)域，覆有一層熱解石墨涂層；金屬化的石墨基底焊接區(qū)域與金屬化的絕緣瓷件釬焊 焊接；依據需要，將多個石墨復合電極組裝成多級降壓收集極組件。所述的石墨復合多級降壓收集極，其所述熱解石墨涂層，厚度為10-50 μ m，采用化 學氣相沉積(CVD)工藝沉積在石墨基底的非焊接區(qū)域表面上。所述的石墨復合多級降壓收集極，其所述石墨基底的焊接區(qū)域金屬化，為真空離 子鍍工藝，金屬化層為金屬鈦(Ti)，厚度5-15 μ m。所述的石墨復合多級降壓收集極，其所述絕緣瓷件為95% 99%氧化鋁(Al2O3) 或氧化鈹(BeO)陶瓷；金屬化的絕緣瓷件，其焊接面的金屬化，為常規(guī)的高溫鉬-錳 (Mo-Mn)法金屬化工藝處理，表面鍍鎳(Ni)，厚度5-15 μ m。一種所述的石墨復合多級降壓收集極的制造方法，其包括步驟1)根據需要加工出多級普通壓制石墨電極；2)用普通壓制石墨材料加工遮擋卡具，以擋住不需要沉積熱解石墨涂層的區(qū)域 (與絕緣瓷件焊接區(qū)域及引線焊接區(qū)域)；3)將遮擋卡具裝在各個石墨電極上，進行沉積(CVD)熱解石墨涂層處理，涂層厚 度為 10-50ym ；4)對幻步得到的石墨復合電極做金屬化處理用不銹鋼遮擋卡具將電極上沉 積熱解石墨涂層的區(qū)域遮擋起來，進行真空離子鍍鈦(Ti)處理，鈦(Ti)層的厚度控制在 5-15 μ m ；5)對絕緣瓷件焊接面的金屬化用常規(guī)的高溫鉬-錳(Mo-Mn)法進行金屬化工藝 處理，然后表面鍍鎳(Ni)、燒氫；6)焊接a)釬焊焊料為純銅(Cu)、金-銅(Au-Cu)或銀-銅(Ag-Cu)共晶焊料；b)氣氛為真空，焊料熔化時真空壓強< 3X10_3pa ；c)進行電極與引線焊接后，再將電極引線另一端與絕緣瓷件焊接固定，得一石墨 復合電極單元；7)將多個6)步得到的石墨復合電極單元依軸向順序組裝起來后，套上無氧銅或
4蒙乃爾套筒，進爐焊接；接固后，自然冷卻，得成品。所述的制造方法，其所述2)步中，所述不需要沉積熱解石墨涂層的區(qū)域，為與絕 緣瓷件焊接區(qū)域及引線焊接區(qū)域，與絕緣瓷件焊接區(qū)域及引線焊接區(qū)域為石墨基底，沉積 熱解石墨涂層時，用石墨制卡具遮擋。所述的制造方法，其所述6)步中c)，是用銅(Cu)焊料絲將Φ 0.6mm的鎳絲焊在 已金屬化的石墨復合電極的引線孔上，升、降溫速率10-40°C /分鐘，焊接溫度高于指示焊 料熔化溫度10-40°C，保溫1-5分鐘；再用金-銅(Au-Cu)焊料絲將鎳絲的另一端與金屬 化的絕緣瓷件焊接起來，升、降溫速率10-20°C /分鐘，焊接溫度高于指示焊料熔化溫度 10-40°C，保溫1-5分鐘。所述的制造方法，其所述7)步中，是將多個組裝起來的石墨復合電極單元的外周 圓，裝上銀-銅(Ag-Cu)共晶焊料絲，套上無氧銅或蒙乃爾套筒，進爐焊接；氣氛為真空，焊 料熔化時真空壓強< 3X10_3Pa，升、降溫速率10-20°C /分鐘，焊接溫度高于指示焊料熔化 溫度10-40°C，保溫1-5分鐘。本發(fā)明的一種衛(wèi)星行波管用石墨復合多級降壓收集極及制造方法，可以將多級降 壓收集極電極的二次電子發(fā)射系數由目前無氧銅材料的1. 3降至0. 8左右(垂直入射的最 大值)。本發(fā)明的一種石墨復合多級降壓收集極，利用普通壓制石墨與熱解石墨的工藝相 容性(高溫CVD)，在普通壓制石墨表面沉積一層厚度為10-50 μ m的熱解石墨涂層，避免普 通壓制石墨表面產生石墨粉塵的問題，同時保留了電極表面的低二次電子發(fā)射特性。本發(fā)明的成功實施，可以在不降低其他性能指標的條件下將衛(wèi)星行波管的總效率 提高幾個百分點，為衛(wèi)星行波管的全面國產化提供強有力的技術支持。


圖1為本發(fā)明的一種石墨復合多級降壓收集極結構示意圖；其中1-絕緣瓷；2-熱解石墨涂層；3-普通石墨基底；4-引線瓷；圖2為本發(fā)明的熱解石墨涂層與普通壓制石墨基底的SEM照片；其中白色虛線以上為熱解石墨涂層；白色虛線以下為普通石墨基底。
具體實施例方式本發(fā)明的一種石墨復合多級降壓收集極及制造方法，是通過在普通壓制石墨表面 沉積一層熱解石墨涂層，獲得石墨復合電極，經過金屬化、裝配、焊接得到一個以熱解石墨 涂層為電極表面的多級降壓收集極組件。本發(fā)明的石墨復合多級降壓收集極(1)基底為普通壓制石墨，表面為熱解石墨涂層；(2)熱解石墨涂層采用化學氣相沉積(CVD)方法沉積，涂層厚度為10-50 μ m ；(3)不需要沉積熱解石墨涂層的區(qū)域用普通壓制石墨制遮擋卡具遮擋。本發(fā)明的石墨復合多級降壓收集極的制造方法(1)電極金屬化a)采用真空離子鍍金屬化工藝對電極的焊接區(qū)域進行金屬化處理，金屬化層為金屬鈦(Ti)，鍍層厚度5-15ym；b)在真空離子鍍時，電極表面的熱解石墨涂層區(qū)域采用不銹鋼制遮擋卡具遮擋。(2)釬焊焊接a)釬焊焊料為純銅(Cu)、金-銅(Au-Cu)或銀-銅(Ag-Cu)共晶焊料；b)焊接氣氛為真空，焊料熔化時真空壓強< 3X 10_3Pa ；c)引線焊接時的升、降溫速率為10_40°C /分鐘，其余10_20°C /分鐘。焊接溫度 高于指示焊料熔化溫度10-40°C，保溫時間1-5分鐘。本發(fā)明的多級降壓收集極電極利用了石墨類材料低二次電子發(fā)射的特性，同時又 避免了普通壓制石墨強度低、容易產生石墨粉塵的問題。實施例1.按圖1所示加工出普通壓制石墨電極(四極)。圖1中，絕緣瓷件(第一極)1、 熱解石墨涂層2、石墨基底3、引線(瓷)4。2.采用普通壓制石墨材料加工遮擋卡具，以擋住不需要沉積熱解石墨涂層的區(qū)域 (與絕緣瓷件焊接區(qū)域及引線焊接區(qū)域)。3.將遮擋卡具裝在各個電極上后，進行沉積(CVD)熱解石墨涂層處理，涂層厚度 控制在40-50 μ m。處理后電極的斷面如圖2所示。4.金屬化處理。用不銹鋼遮擋卡具將電極上沉積熱解石墨涂層的區(qū)域遮擋起來， 進行真空離子鍍鈦(Ti)處理，鈦(Ti)層的厚度控制在8-12 μ m。5.真空釬焊(1)引線焊接。用兩圈Φ0.4的銅(Cu)焊料絲將Φ0. 6mm的鎳絲焊在已金屬化電 極的引線孔上。升、降溫速率控制在35°C /分鐘，焊接溫度1090-1110°C，保溫2分鐘；(2)電極-絕緣瓷件焊接。用黑化不銹鋼模具對電極和已金屬化的95 % Al2O3絕緣 瓷環(huán)進行定位，在每個焊縫上安置一圈經高溫定型的Φ0. 6mm金-銅(Au80Cu20)焊料絲， 進爐焊接。升、降溫速率15°C /分鐘，焊接溫度900-920°C，保溫2分鐘；(3)按照圖1將各極組裝起來，引線從絕緣瓷環(huán)的引線孔中穿過，在每個瓷環(huán)的外 圓圓周上裝上兩圈Φ0. 5mm銀-銅(Ag-Cu)共晶焊料絲，套上無氧銅套筒，進爐焊接，升、降 溫速率15°C /分鐘，焊接溫度790-810°C，保溫2分鐘；(4)焊料熔化時爐內真空壓強保持在2. 5X 10 以下。按照上述工藝制造的多級降壓收集極各極之間及各極與外筒(地)之間的絕緣電 阻大于2500ΜΩ Q500V絕緣電阻表測量)，在某波段衛(wèi)星行波管上上管試驗驗證表明收集 極返流明顯減小，螺流也因此減小40 %左右。
權利要求
1.一種石墨復合多級降壓收集極，其特征在于，在電極的普通壓制石墨基底上，位于電 極的非焊接區(qū)域，覆有一層熱解石墨涂層；金屬化的石墨基底焊接區(qū)域與金屬化的絕緣瓷 件釬焊焊接；依據需要，將多個石墨復合電極組裝成多級降壓收集極組件。
2.如權利要求1所述的石墨復合多級降壓收集極，其特征在于，所述熱解石墨涂層，厚 度為10-50 μ m，采用化學氣相沉積工藝沉積在石墨基底的非焊接區(qū)域表面上。
3.如權利要求1所述的石墨復合多級降壓收集極，其特征在于，所述石墨基底的焊接 區(qū)域金屬化，為真空離子鍍工藝，金屬化層為金屬鈦，厚度5-15 μ m。
4.如權利要求1所述的石墨復合多級降壓收集極，其特征在于，所述絕緣瓷件為 95% 99%氧化鋁或氧化鈹陶瓷；金屬化的絕緣瓷件，其焊接面的金屬化，為常規(guī)的高溫 鉬-錳法金屬化工藝處理，表面鍍鎳，厚度5-15 μ m。
5.一種如權利要求1所述的石墨復合多級降壓收集極的制造方法，其特征在于，包括 步驟1)根據需要加工出多級普通壓制石墨基底；2)用普通壓制石墨材料加工遮擋卡具，以擋住不需要沉積熱解石墨涂層的區(qū)域；3)將遮擋卡具裝在各個石墨基底上，進行沉積熱解石墨涂層處理，涂層厚度為 10-50ym ；4)對幻步得到的石墨復合電極做金屬化處理用不銹鋼遮擋卡具將電極上沉積熱解 石墨涂層的區(qū)域遮擋起來，進行真空離子鍍鈦處理，鈦層的厚度控制在5-15μπι ；5)對絕緣瓷件焊接面的金屬化用常規(guī)的高溫鉬-錳法進行金屬化工藝處理，然后表 面鍍鎳、燒氫；6)焊接a)釬焊焊料為純銅、金-銅或銀-銅共晶焊料；b)氣氛為真空，焊料熔化時真空壓強<3X 10-3 ；c)進行電極與引線焊接后，再將電極引線另一端與絕緣瓷件焊接固定，得一石墨復合 電極單元；7)將多個6)步得到的石墨復合電極單元依軸向順序組裝起來后，套上無氧銅或蒙乃 爾套筒，進爐焊接；接固后，自然冷卻，得成品。
6.如權利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述2)步中，所述不需要沉積熱解石墨 涂層的區(qū)域，為與絕緣瓷件焊接區(qū)域及引線焊接區(qū)域，與絕緣瓷件焊接區(qū)域及引線焊接區(qū) 域為石墨基底，沉積熱解石墨涂層時，用石墨制卡具遮擋。
7.如權利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述6)步中c)，是用銅焊料絲將 Φ0. 6mm的鎳絲焊在已金屬化的石墨復合電極的引線孔上，升、降溫速率10-40°C/分鐘，焊 接溫度高于指示焊料熔化溫度10-40°C，保溫1-5分鐘；再用金-銅焊料絲將鎳絲的另一端 與金屬化的絕緣瓷件焊接起來，升、降溫速率10-20°C /分鐘，焊接溫度高于指示焊料熔化 溫度10-40°C，保溫1-5分鐘。
8.如權利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述7)步中，是將多個組裝起來的石墨 復合電極單元的外周圓，裝上銀-銅共晶焊料絲，套上無氧銅或蒙乃爾套筒，進爐焊接，升、 降溫速率10-20°C /分鐘，焊接溫度高于指示焊料熔化溫度10-40°C，保溫1-5分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種石墨復合多級降壓收集極及制造方法，涉及真空電子技術，是新型的可用于衛(wèi)星行波管的多級降壓收集極及其制造工藝。本發(fā)明的多級降壓收集極電極由普通壓制石墨基底和熱解石墨涂層構成，經金屬化、釬焊，裝配成多級降壓收集極組件。本發(fā)明充分利用了普通壓制石墨和熱解石墨的優(yōu)點，通過采用低二次電子發(fā)射系數的石墨電極材料提高多級降壓收集極的回收效率，進而提高行波管的總效率。本發(fā)明采用的工藝方法避免了因普通石墨強度低、顆粒結合力小而容易產生粉塵的缺點。
文檔編號H01J23/027GK102074438SQ20091024153
公開日2011年5月25日 申請日期2009年11月25日 優(yōu)先權日2009年11月25日
發(fā)明者劉柳萍, 蘇小保, 趙世柯 申請人:中國科學院電子學研究所