專利名稱：各向同性熱解石墨多級(jí)降壓收集極及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及真空電子技術(shù)領(lǐng)域，是一種各向同性熱解石墨多級(jí)降壓收集極及制造方法，可用于衛(wèi)星行波管。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星行波管作為末級(jí)功放，廣泛地用于通訊、導(dǎo)航定位、軍事測(cè)繪、微波遙感、電子偵察、數(shù)據(jù)傳輸?shù)扔行лd荷技術(shù)，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(shù)指標(biāo)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(dá)到一定限度后，很難再進(jìn)一步提高，此時(shí)效率的提高主要取決于收集極的回收效率。國(guó)外高效率行波管基本上都采用多級(jí)降壓收集極，采用多級(jí)降壓收集極技術(shù)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(dá) 85% 以上[參考文獻(xiàn)=Menninger W L,Benton R Τ, Choi M S，et al. 70% EfficientKu-Band and C-Band TffTs for Satellite Downlinks, IEEE Transactionson Electron Devices, 2005,52(5) :673-678]。高效率多級(jí)降壓收集極可以從兩個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)是從電子光學(xué)設(shè)計(jì)角度，對(duì)電子能量及分布、飛行軌跡進(jìn)行計(jì)算和模擬，為設(shè)計(jì)高回收效率的收集極結(jié)構(gòu)提供依據(jù)；另外一方面，從材料和工藝角度，選用二次級(jí)電子發(fā)射系數(shù)小的材料作為收集極電極，或者對(duì)電極表面進(jìn)行技術(shù)處理，提高回收效率。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定的情況下，要獲得更高的回收效率，收集極電極表面應(yīng)具有低的二次電子發(fā)射系數(shù)。高導(dǎo)無(wú)氧銅是應(yīng)用最廣泛的多級(jí)降壓收集極電極材料，但是其二次電子發(fā)身寸系數(shù)較高[參考文獻(xiàn)Curren A N andjensen K A, Secondary Electron Emission Characteristics ofIon-Textured Copper and High-Purity Isotropic Graphite Surfaces, NASA Technical Paper 2342(1984) ；Ebihara B T and Ramins P, Design, 1B107155Fabrication, and Performance of Small, Graphite DaprassedCoIlactors With 200-ff, Cff,8-18GHz Traveling-Wave Tubes, NASATechnical Paper 2693(1987)]。 采用離子束表面改性技術(shù)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(wú)氧銅表。但是，離子束表面改性需要專用工藝設(shè)備，工藝機(jī)理復(fù)雜，影響因素較多，導(dǎo)致處理過(guò)程控制難度較大。而且，對(duì)實(shí)際工件的處理還需要設(shè)計(jì)專門的工裝卡具，效果也受到一定限制。在長(zhǎng)時(shí)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(wèn)。采用二次電子發(fā)射系數(shù)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(chǔ)上再進(jìn)行離子束改性處理可以獲得更佳的實(shí)驗(yàn)效果[參考文獻(xiàn):Ramins P and Curren A N, Performance ofTextured Carbon on Copper Electrode Multistage Depressed Collactorswith Medium-Power Traveling Wave tubes, NASA Technical Paper2665 (1986) ] 0但是，由于普通壓制石墨材料的結(jié)構(gòu)一般比較疏松、含氣量高、強(qiáng)度較低，在電子束的長(zhǎng)期轟擊下容易產(chǎn)生石墨微塵，致使收集極的絕緣性能難以保證。而各向異性熱解石墨的制備工藝雖然與各向同性熱解石墨類似，但其結(jié)構(gòu)疏松(層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間結(jié)合強(qiáng)度低，容易剝離而產(chǎn)生顆粒)、含氣量高、焊接難度較大，難于整體應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開(kāi)一種各向同性熱解石墨多級(jí)降壓收集極及制造方法，以細(xì)晶致密的各向同性熱解石墨為電極材料，經(jīng)過(guò)加工、金屬化、裝配、焊接得到多級(jí)降壓收集極， 可用于衛(wèi)星行波管。該多級(jí)降壓收集極電極，避免了普通壓制石墨和各向異性熱解石墨結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度低、容易產(chǎn)生石墨粉塵的問(wèn)題，保留了石墨類材料低二次電子發(fā)射特性，為高效率衛(wèi)星行波管提供了新的技術(shù)支持。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種各向同性熱解石墨多級(jí)降壓收集極，包括電極、過(guò)渡補(bǔ)償金屬環(huán)、電極引線、 絕緣瓷件、外套筒；其以各向同性熱解石墨材料制作電極，過(guò)渡補(bǔ)償金屬環(huán)上固接電極引線后，再將各向同性熱解石墨電極與過(guò)渡補(bǔ)償金屬環(huán)、絕緣瓷件、外套筒同心套置，固接而成單級(jí)降壓收集極；電極引線由絕緣瓷件的引線孔中伸出；將多個(gè)單級(jí)降壓收集極組裝固接為多級(jí)降壓收集極。所述的多級(jí)降壓收集極，其所述各向同性熱解石墨電極上，焊接區(qū)域覆有厚度為 5-15 μ m 的鈦(Ti)層。所述的多級(jí)降壓收集極，其所述過(guò)渡補(bǔ)償金屬環(huán)，為無(wú)氧銅材料加工而成，其厚度取決于收集極外徑的尺寸，在0. 5-2mm之間；電極引線，為鎳線。所述的多級(jí)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，絕緣瓷件的焊接面經(jīng)過(guò)金屬化工藝處理，并鍍有鎳(Ni)層。一種所述的多級(jí)降壓收集極的制造方法，其包括A)按設(shè)計(jì)要求制備各向同性熱解石墨電極、過(guò)渡補(bǔ)償金屬環(huán)；B)對(duì)各向同性熱解石墨電極做金屬化處理；C)將電極引線焊接在過(guò)渡補(bǔ)償金屬環(huán)上；D)對(duì)絕緣瓷件金屬化、鍍鎳與燒氫；E)單極組裝、焊接，得單極收集極成品；F)將多個(gè)單極收集極成品進(jìn)行整體組裝、焊接，得多極收集極成品。所述的制造方法，其所述A)步，包括步驟al采用高溫(2000°C以上)化學(xué)氣相沉積(CVD)方法制備各向同性熱解石墨；a2將al步所得的各向同性熱解石墨，放入模具中沖壓成型；B)步，包括步驟
bl用不銹鋼擋卡將電極上非焊接區(qū)域遮擋起來(lái)；b2對(duì)電極上的焊接區(qū)域進(jìn)行真空離子鍍鈦(Ti)。所述的制造方法，其所述C)步，是在氫爐中，用焊料絲將Φ0. 3-0. 6mm的鎳絲釬焊在過(guò)渡補(bǔ)償金屬環(huán)上，作為電極的引線；升、降溫速率10-40°C /分鐘，焊接溫度高于指示焊料熔化溫度10-20°C，保溫1-5分鐘。所述的制造方法，其所述E)步，包括步驟1)按照單極組裝結(jié)構(gòu)要求，將各向同性石墨電極、過(guò)渡補(bǔ)償金屬環(huán)、絕緣瓷件、外套筒依次裝配在經(jīng)過(guò)黑化處理的不銹鋼模具上，在焊縫上安放Φ0. 4-0. 6mm焊料絲；2)再放入真空爐中，焊接溫度高于指示焊料熔化溫度20-40°C，升、降溫速率 10-20°C /分鐘，保溫1-5分鐘，得單極收集極成品。所述的制造方法，其所述F)步，包括步驟a)按照多級(jí)降壓收集極整體組裝結(jié)構(gòu)要求，在模具中，將多個(gè)經(jīng)E)步驟焊接好的單極收集極組裝成多級(jí)降壓收集極；b)再放入真空爐中焊接，焊接溫度高于指示焊料熔化溫度10-20°C，升、降溫速率10-20°C /分鐘，保溫1-5分鐘，得多級(jí)降壓收集極成品；c)檢測(cè)，確定合格品。所述的制造方法，其所述釬焊焊料絲為純Ag、Au-Cu或Ag-Cu共晶焊料；焊接真空氣氛，為焊料熔化時(shí)真空壓強(qiáng)< 3X10_3I^。本發(fā)明的一種各向同性熱解石墨多級(jí)降壓收集極及制造方法，其各向同性熱解石墨多級(jí)降壓收集極可用于衛(wèi)星行波管，可以在不降低其他性能指標(biāo)的條件下將衛(wèi)星行波管的總效率提高幾個(gè)百分點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明所用的各向同性熱解石墨斷口 SEM照片；圖2為本發(fā)明的各向同性熱解石墨多級(jí)降壓收集極結(jié)構(gòu)示意圖。圖示中的標(biāo)號(hào)說(shuō)明1.各向同性熱解石墨電極；2.過(guò)渡補(bǔ)償金屬環(huán)(無(wú)氧銅)； 3.電極引線；4.絕緣瓷件；5.外套筒。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的各向同性熱解石墨多級(jí)降壓收集極及制造方法，是以各向同性熱解石墨為電極材料，采用離子鍍膜技術(shù)對(duì)需焊接區(qū)域進(jìn)行金屬化處理，然后通過(guò)過(guò)渡補(bǔ)償金屬環(huán)與經(jīng)過(guò)金屬化的絕緣瓷件裝配、焊接起來(lái)，得到各向同性熱解石墨多級(jí)降壓收集極組件。本發(fā)明各向同性熱解石墨多級(jí)降壓收集極中的各向同性熱解石墨電極的制作1.采用高溫(2000°C以上)化學(xué)氣相沉積(CVD)方法制備各向同性熱解石墨具有致密的細(xì)晶結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，石墨晶粒無(wú)定向排列趨勢(shì)，表現(xiàn)為各向同性特征；2.將1步所得的各向同性熱解石墨，放入模具中沖壓成型；3.采用離子鍍膜技術(shù)對(duì)需要金屬化的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)熱解石墨的金屬化，金屬化厚度 (即鈦(Ti)層厚度)為5_15μπι;4.不需要金屬化的區(qū)域用不銹鋼制擋具遮擋。本發(fā)明的各向同性熱解石墨多級(jí)降壓收集極的制造方法，包括步驟
1.引線焊接在氫爐中，將Φ0. 3-0. 6mm的鎳絲(電極引線3)釬焊在過(guò)渡補(bǔ)償金屬環(huán)2上，作為電極的引線，升、降溫速率10-40°C /分鐘，焊接溫度高于指示焊料熔化溫度 10-20°C，保溫1-5分鐘。2.組裝與焊接(1)單極組裝與焊接(參見(jiàn)圖2所示)a)按照?qǐng)D2所示，將各向同性石墨電極1、過(guò)渡補(bǔ)償金屬環(huán)2、絕緣瓷件4、外套筒 5依次裝配在經(jīng)過(guò)黑化處理的不銹鋼模具上，在焊縫上安放Φ0. 4-0. 6mm焊料絲；b)氣氛為真空(焊料熔化時(shí)真空壓強(qiáng)<3父10_^!)，升、降溫速率10-201/分鐘， 焊接溫度高于指示焊料熔化溫度20-40°C，保溫1-5分鐘，得單極收集極成品。(2)整體組裝、焊接按照多級(jí)降壓收集極整體組裝結(jié)構(gòu)要求，在模具中，將多個(gè)經(jīng)步驟(1)焊接好的單極收集極組裝成多級(jí)降壓收集極后，放入真空爐中焊接。真空壓強(qiáng) < 3 X10_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10-20°C，保溫 1-5分鐘，得多級(jí)降壓收集極成品。本發(fā)明的多級(jí)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(shí)又避免了普通壓制石墨和各向異性熱解石墨結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度低、容易產(chǎn)生石墨粉塵的問(wèn)題，為高效率衛(wèi)星行波管的研制提供了新的技術(shù)支持。實(shí)施例1.按設(shè)計(jì)圖紙要求加工出各向同性熱解石墨電極1(四級(jí))，外徑統(tǒng)一為 Φ 32mm(公差-0. 06 -0. 02mm)。2.采用ICrlSNiOTi不銹鋼加工遮擋卡具，以擋住不需要離子鍍Ti的區(qū)域(與過(guò)渡補(bǔ)償金屬環(huán)2焊接區(qū)域)。3.將擋具裝在各個(gè)各向同性熱解石墨電極1上，進(jìn)行離子鍍Ti處理，金屬化層厚度控制在8-10 μ m。4.過(guò)渡補(bǔ)償金屬環(huán)2的尺寸外徑35mm(根據(jù)配合要求，公差確定為-0. 04 -0. 02mm)，內(nèi)徑32mm (公差范圍確定為+0. 02 +0. 04mm)。5.絕緣瓷件4選用95 % Al2O3陶瓷，外徑51mm(金屬化后公差確定為-0. 05 -0. 02mm)，內(nèi)徑35mm(金屬化后公差確定為+0. 02 +0. 05mm)，焊接區(qū)域高溫 Mo-Mn法金屬化、鍍鎳、燒氫夠備用。6.外套筒5由無(wú)磁蒙乃爾材料加工而成，壁厚0. 8mm,內(nèi)徑為51mm(公差確定為 +0. 02 +0. 04mm)。7.裝配焊接(1)引線3焊接用兩圈Φ0. 3的Au80Cu20焊料絲將Φ0. 6mm的鎳絲焊在過(guò)渡補(bǔ)償金屬環(huán)2的引線孔上。氫爐中焊接，升、降溫速率控制不大于35°C /分鐘，焊接溫度 900-930°C，保溫 1. 5 分鐘。(2)電極1-過(guò)渡補(bǔ)償金屬環(huán)2-絕緣瓷件4-外套筒5的焊接用模具對(duì)電極1和外套筒5進(jìn)行定位，在每個(gè)焊縫上安置一圈Φ0.6mm Ag-Cu共晶焊料絲，真空爐中焊接，焊料熔化時(shí)爐內(nèi)真空壓強(qiáng)保持在2. 5X 10 以下。升、降溫速率15-20°C /分鐘，焊接溫度 800-820°C，保溫 1. 5 分鐘。(3)整體組裝焊接按照組裝結(jié)構(gòu)要求將焊好的各極組裝起來(lái)，引線3從絕緣瓷環(huán)4的引線孔中穿過(guò)，在兩個(gè)電極外套筒5的外圓圓周上裝上一圈Φ0.6πιπι Ag-Cu共晶焊料絲，真空爐中焊接，升、降溫速率15_20°C /分鐘，焊接溫度790-810°C，保溫1. 5分鐘。
按照上述方法制造的多級(jí)降壓收集極結(jié)構(gòu)可靠性及絕緣性能均滿足設(shè)計(jì)要求。
權(quán)利要求
1.一種各向同性熱解石墨多級(jí)降壓收集極，包括電極、過(guò)渡補(bǔ)償金屬環(huán)、電極引線、絕緣瓷件、外套筒；其特征在于，以各向同性熱解石墨材料制作電極，過(guò)渡補(bǔ)償金屬環(huán)上固接電極引線后，再將各向同性熱解石墨電極與過(guò)渡補(bǔ)償金屬環(huán)、絕緣瓷件、外套筒同心套置， 固接而成單級(jí)降壓收集極；電極引線由絕緣瓷件的引線孔中伸出；將多個(gè)單級(jí)降壓收集極組裝固接為多級(jí)降壓收集極。
2.如權(quán)利要求1所述的多級(jí)降壓收集極，其特征在于，所述各向同性熱解石墨電極上， 焊接區(qū)域覆有厚度為5-15 μ m的鈦層。
3.如權(quán)利要求1所述的多級(jí)降壓收集極，其特征在于，所述過(guò)渡補(bǔ)償金屬環(huán)，為無(wú)氧銅材料加工而成，其厚度取決于收集極外徑的尺寸，在0. 5-2mm之間；電極引線，為鎳線。
4.如權(quán)利要求1所述的多級(jí)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，絕緣瓷件的焊接面經(jīng)過(guò)金屬化工藝處理，并鍍有鎳層。
5.一種如權(quán)利要求1所述的多級(jí)降壓收集極的制造方法，其特征在于，包括A)按設(shè)計(jì)要求制備各向同性熱解石墨電極、過(guò)渡補(bǔ)償金屬環(huán)；B)對(duì)各向同性熱解石墨電極做金屬化處理；C)將電極引線焊接在過(guò)渡補(bǔ)償金屬環(huán)上；D)對(duì)絕緣瓷件金屬化、鍍鎳與燒氫；E)單極組裝、焊接，得單極收集極成品；F)將多個(gè)單極收集極成品進(jìn)行整體組裝、焊接，得多極收集極成品。
6.如權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述A)，包括步驟al采用高溫化學(xué)氣相沉積方法制備各向同性熱解石墨；a2將al步所得的各向同性熱解石墨，放入模具中沖壓成型；B)步，包括步驟bl用不銹鋼擋卡將電極上非焊接區(qū)域遮擋起來(lái)；b2對(duì)電極上的焊接區(qū)域進(jìn)行真空離子鍍鈦。
7.如權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述C)步，是在氫爐中，用焊料絲將 Φ 0. 3-0. 6mm的鎳絲釬焊在過(guò)渡補(bǔ)償金屬環(huán)上，作為電極的引線；升、降溫速率10_40°C /分鐘，焊接溫度高于指示焊料熔化溫度10-20°C，保溫1-5分鐘。
8.如權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述E)步，包括步驟1)按照單極組裝結(jié)構(gòu)要求，將各向同性石墨電極、過(guò)渡補(bǔ)償金屬環(huán)、絕緣瓷件、外套筒依次裝配在經(jīng)過(guò)黑化處理的不銹鋼模具上，在焊縫上安放Φ0. 4-0. 6mm焊料絲；2)再放入真空爐中，焊接溫度高于指示焊料熔化溫度20-40°C，升、降溫速率10-20°C/ 分鐘，保溫1-5分鐘，得單極收集極成品。
9.如權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述F)步，包括步驟a)按照多級(jí)降壓收集極整體組裝結(jié)構(gòu)要求，在模具中，將多個(gè)經(jīng)Ε)步驟焊接好的單極收集極組裝成多級(jí)降壓收集極；b)再放入真空爐中焊接，焊接溫度高于指示焊料熔化溫度 10-20°C，升、降溫速率10-20°C /分鐘，保溫1-5分鐘，得多級(jí)降壓收集極成品；c)檢測(cè)，確定合格品。
10.如權(quán)利要求6、7、8或9所述的制造方法，其特征在于，所述釬焊焊料絲為純Ag、Au-Cu或Ag-Cu共晶焊料；焊接真空氣氛，為焊料熔化時(shí)真空壓強(qiáng)< 3X ；高溫，為> 2000 "C。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種各向同性熱解石墨多級(jí)降壓收集極及制造方法，涉及真空電子技術(shù)，可用于衛(wèi)星行波管，石墨類材料具有低的二次電子發(fā)射系數(shù)，用在多級(jí)降壓收集極上有利于提高回收效率，與普通壓制石墨相比，各向同性熱解石墨具有結(jié)構(gòu)致密、強(qiáng)度高、含氣量低等優(yōu)點(diǎn)，更容易保證多級(jí)降壓收集極的可靠性。本發(fā)明的方法包括各向同性熱解石墨的加工、表面金屬化與焊接，以及相應(yīng)的多級(jí)降壓收集極的制造工藝。本發(fā)明利用各向同性熱解石墨的細(xì)晶、致密、強(qiáng)度高、含氣量低等特點(diǎn)，避免了普通壓制石墨及各向異性熱解石墨的大部分弱點(diǎn)，同時(shí)可以保留石墨類材料低二次電子發(fā)射特性。
文檔編號(hào)H01J23/027GK102568984SQ20101060653
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月27日
發(fā)明者劉柳萍, 樊會(huì)明, 肖東梅, 蘇小保, 趙世柯, 馬天軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所