專利名稱：一種用于行波管的金剛石-金屬復(fù)合式夾持桿及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于真空電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于行波管的金剛石-金屬復(fù)合式夾持桿部件及其制造方法。
背景技術(shù)：
行波管在衛(wèi)星通信、導(dǎo)航定位、雷達(dá)探測等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。而夾持夾持桿是螺旋線行波管中不可缺少的部件，并且一直是影響器件性能指標(biāo)的關(guān)鍵部件。對于許多行波管，特別是寬帶行波管而言，限制其功率輸出能力的最主要因素是高頻慢波系統(tǒng)的散熱能力，即螺旋線夾持桿的散熱能力。輸出段螺旋線的工作溫度，決定了行波管的工作性能，壽命和可靠性。隨著頻率的提高，特別是進(jìn)入毫米波段，連續(xù)波行波管的功率容量急劇下降。這是因?yàn)轭l率越高，行波管的電子注通道和高頻結(jié)構(gòu)越小，而高頻損耗隨頻率呈指數(shù)式 的增加。一般來說，連續(xù)波行波管的功率容量以頻率的平方的比例下降。所以螺旋線支撐結(jié)構(gòu)散熱能力的研究，一直是提高行波管輸出功率容量的主要方向。而起支撐和絕緣作用的介質(zhì)夾持桿的性能是一個關(guān)鍵因素。目前微波真空電子器件可用的介質(zhì)材料主要有熔融石英、氧化鋁、氮化硼，氮化鋁和氧化鈹?shù)?。但上述材料都存在不同的缺點(diǎn)。目前，螺旋線夾持桿最常用的材料為氧化鈹，它具有相對較高的熱導(dǎo)率和較低的介電常數(shù)。但是，氧化鈹已難于滿足毫米波行波管的要求，更不用說短毫米波行波管。此外，氧化鈹在粉末狀態(tài)下有劇毒，其使用正在被淘汰?？梢钥闯觯侥壳盀橹惯€沒有一種材料能完全、理想地滿足毫米波行波管對介質(zhì)夾持桿的要求。人工合成金剛石在已知的材料中不僅具有最高的熱導(dǎo)率和最低的微波介質(zhì)損耗，而且相對介電常數(shù)只有5. 5。據(jù)報道，如采用金剛石作夾持桿，預(yù)計(jì)的毫米波行波管螺旋線結(jié)構(gòu)的最大功率容量比采用氧化鈹夾持桿的螺旋線的最大功率容量高兩倍多。所以，金剛石作為介質(zhì)材料將具有多方面的優(yōu)勢，是理想的行波管夾持桿材料。然而，使用人工合成金剛石制作夾持桿存在以下問題。首先，優(yōu)質(zhì)的可用作夾持桿的金剛石的成本比較高。其次，纖細(xì)的金剛石夾持桿的強(qiáng)度相對較差，裝配難度較大，對于短毫米波更是如此。這些因素說明，單采用人工合成金剛石制作夾持桿，還有諸多不足之處。本發(fā)明針對以上一些問題，設(shè)計(jì)了一種用于行波管的金剛石-金屬復(fù)合式夾持桿。由于金剛石是生長在一定厚度的金屬基片上，所以達(dá)到累積厚度的金剛石生長的時間大為縮短，降低了成本；與此同時，金剛石依賴韌性較好的金屬作依托，加工后的細(xì)長夾持桿的強(qiáng)度明顯增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是，針對采用人工合成金剛石作螺旋線行波管的夾持桿將存在成本高、夾持桿強(qiáng)度低、裝配困難等不足之處，為了克服這些不足，就需要設(shè)計(jì)和制造一種用于行波管的金剛石-金屬材料復(fù)合式夾持桿，可以有效提高行波管，特別是毫米波和短毫米波行波管的螺旋線的散熱效率，從而提高行波管的輸出功率和效率。
本發(fā)明的目的是提供一種用于行波管的金剛石-金屬復(fù)合式夾持桿及其制造方法，為了實(shí)現(xiàn)這一目的，所采用的技術(shù)方案如下，一種用于行波管的金剛石-金屬復(fù)合式夾持桿，其特征在于，該夾持桿形狀為一根矩形截面長條桿料，沿桿的軸向平行并列著兩個層面，其一個層面為金屬基底，另一層面為緊附著在金屬基底上的金剛石。上述金剛石-金屬復(fù)合式夾持桿的制造方法按如下方法操作，a.按模擬計(jì)算確定金剛石-金屬復(fù)合式夾持桿的尺寸；b.選取導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)低的金屬基底材料；c.金屬基底表面加工；d.進(jìn)行形核；e.用化學(xué)沉積方法進(jìn)行金剛石生長；f.金剛石表面研磨；g.金剛石表面拋光；h.激光切割。所述的金屬基片，是能生長結(jié)合力強(qiáng)的金剛石、并且導(dǎo)熱率相對較高和熱膨脹系數(shù)較小的金屬材料；所述的形核工藝包括金剛石粉機(jī)械拋光法、金剛石粉超聲波處理法和負(fù)偏壓原位形核法；所述的化學(xué)氣相沉積的方法包括微波等離子體化學(xué)氣相沉積法、熱絲化學(xué)氣相沉積法和等離子體噴涂法；所述的研磨和拋光有二個目的，一個是使粗糙的金剛石表面形成光潔的表面，另一個是使金剛石得厚度達(dá)到設(shè)計(jì)要求；所述的激光切割加工成金剛石-金屬復(fù)合式夾持桿，是根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行加工。 本發(fā)明的有益效果是，生長金剛石的時間大為縮短，降低成本，夾持桿的強(qiáng)度增力口，行波管的輸出功率比使用氧化鈹夾持桿明顯提高。


圖I為一根矩形截面金剛石-金屬的復(fù)合式夾持桿示意圖；圖2為生長金剛石的金屬基片不意圖；圖3為金剛石-金屬的復(fù)合式夾持桿的制造工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式參照圖1，表不一根矩形截面金剛石-金屬復(fù)合式夾持桿的不意圖。圖中，I為表面拋光的金剛石，它的表面貼緊被夾持的螺旋線，2為鑰金屬基底。作為用于一種行波管的實(shí)際應(yīng)用例子，金剛石-金屬的復(fù)合式夾持桿的長是52mm,高O. 7mm,寬O. 2mm,金剛石的厚度為O. 2mm;采用Mo做金屬基底。參照圖2,表不生長金剛石的金屬基底不意圖。圖中，I為金剛石，2為厚度O. 5mm、直徑60mm的鑰基底。鑰基底表面先用金剛石粉進(jìn)行機(jī)械拋光形核，然后采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積方法生長金剛石，金剛石的厚度約為O. 3_，然后研磨和拋光金剛石，最后用激光切割加工成圖I所示的金剛石-金屬復(fù)合式夾持桿。參照圖3，表示金剛石-金屬的復(fù)合式夾持桿的制造流程圖，圖中表示按照以下步驟進(jìn)行操作a.通過模擬計(jì)算確定金剛石-金屬復(fù)合式夾持桿的尺寸；b.選取導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)低的金屬基底材料鑰，將鑰材料加工成厚度O. 5mm，直徑60_的基片作為金屬基底；c.在金屬基底的面上進(jìn)行機(jī)械加工(拋光)d.表面形核，密度為IxlO8 IxlO9CnT2 ；e.置入微波等離子體化學(xué)氣相設(shè)備，進(jìn)行金剛石生長，生長工藝參數(shù)為微波功率2600W，CH4/H2質(zhì)量流量比l/300sccm，氣壓110托，基片溫度900°C ；f.金剛石表面進(jìn)行研磨并減??；g.金剛石表面進(jìn)行拋光,使其厚度達(dá)到O. 2mm ;h.利用激光切割設(shè)備，將拋光后的金剛石-Mo片按設(shè)計(jì)要求加工成夾持桿。夾持桿是行波管管殼和螺旋線之間的一個重要部件，通常是由導(dǎo)熱率高、微波損耗小的介質(zhì)材料加工制成。高頻損耗在螺旋線中產(chǎn)生的熱量，主要通過夾持桿傳導(dǎo)到管殼上而散發(fā)出去，以降低螺旋線的工作溫度。如上所述，金剛石是一種理想的夾持桿材料，但制造成本高，加工后的纖細(xì)金剛石夾持桿的強(qiáng)度不夠高。本發(fā)明旨在針對以上問題，設(shè)計(jì)了一種用于行波管的金剛石-金屬復(fù)合的夾持桿，金剛石是直接生長在金屬 基片上的。
權(quán)利要求
1.一種用于行波管的金剛石-金屬復(fù)合式夾持桿，其特征在于，該夾持桿形狀為一根矩形截面長條桿料，沿桿的軸向平行并列著兩個層面，其一個層面為金屬基底，另一層面為緊附著在金屬基底上的金剛石。
2.一種按權(quán)利要求I所述的金剛石-金屬復(fù)合式夾持桿的制造方法，按如下方法操作，a.按模擬計(jì)算確定金剛石-金屬復(fù)合式夾持桿的尺寸；b.選取導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)低的金屬基底材料；c.金屬基底表面加工；d.進(jìn)行形核；e.用化學(xué)沉積方法進(jìn)行金剛石生長；f.金剛石表面研磨；g.金剛石表面拋光；h.激光切割。
全文摘要
一種用于行波管的金剛石-金屬復(fù)合式夾持桿及其制造方法，屬于真空電子技術(shù)領(lǐng)域，作為行波管高頻結(jié)構(gòu)中的一個部件，金剛石-金屬復(fù)合式夾持桿由人工合成的金剛石和金屬基底構(gòu)成，該部件制造的方法是首先在金屬基片表面形成金剛石晶核，接著使用化學(xué)氣相沉積方法人工合成一層金剛石，然后研磨和拋光金剛石表面，最后用激光切割加工成金剛石-金屬復(fù)合式夾持桿。生長金剛石的時間大為縮短，降低成本，夾持桿的強(qiáng)度增加，行波管的輸出功率比使用氧化鈹夾持桿明顯提高。
文檔編號H01J23/12GK102867716SQ20121033259
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月10日
發(fā)明者丁明清, 陳波, 馮進(jìn)軍 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第十二研究所