批产阴极发射电流稳定性的研究

赵 请，王玉春，李志顺

(南京三乐电子信息产业集团有限公司，南京211800)

行波管作为真空电子器件的主要类型之一，在武器系统中起到了重要作用［1］。近年来随着我国国防事业的迅猛发展，对行波管的需求量大幅增加，同时对器件性能的可靠性提出了更高的要求，为此我们对行波管的良品率进行了数据分析，分析结果显示，在现有工艺条件下批产阴极发射电流不稳定是影响批产器件良品率的关键因素之一。

阴极发射电流小与两个方面有关［2-3］:一是阴极本身的问题(即内因问题)，如阴极的发射能力、抗中毒能力、耐离子轰击能力、可靠性和一致性等;另一方面是阴极的使用问题(即外因问题)，它与电子枪的结构、管内工作环境、处理工艺等是密不可分的。本文结合某批产产品制备过程中出现的阴极发射电流不稳定的现象，从以上两方面进行分析，寻找合适的方法提高阴极性能的稳定性，保证器件的可靠性。

1 阴极本身的发射能力

在阴极的制备过程中，除了钨海绵基体孔度的大小、孔分布均匀性以及铝酸盐的发射水平等因素影响阴极本身的发射水平外［4-7］，由于阴极现有的制造过程还不能全部达到程序化控制，会造成阴极的发射随着生产批次有所波动。为了保证提供给管种使用的阴极能够达到发射性能的要求，本文使用简易二极管对批产阴极进行在线的抽样性能检测:通过测不同温度下的二极管伏安特性［8］，求出相应的阴极拐点发射电流密度Ja，建立抽样检验标准，借助抽样检测手段来保证阴极在管子上使用的一致性。

共对20批次的批产阴极进行抽样检测，1 050℃下电流密度Ja分布在2.0 A/cm2～3.0 A/cm2之间，其中Ja在2.0 A/cm2～2.5 A/cm2的有6个批次(30%)，在2.5 A/cm2以上的有14个批次(70%)，所对应的装管良品率对比如表1所示。

表1 不同拐点发射电流密度所装管子良品率对比

从表1可知，发射电流密度Ja=2.5 A/cm2～3.0 A/cm2的阴极所装管子发射合格率远远超出了发射电流密度在Ja=2.0 A/cm2～2.5 A/cm2之间的。最终将此批产阴极抽样检测的标准定为:在阴极温度达到1 050℃时，Ja≧2.5 A/cm2。按照此抽检标准使用的阴极在装管后的发射合格率提高了30%。因此通过建立阴极抽样检测方法，能够提高阴极装管使用时的发射良品率。

2 电子枪内结构对阴极发射性能的影响

阴极作为器件的心脏部件，其综合性能需通过器件来体现。因此电子枪的状态、环境对阴极性能有一定影响，其中表现尤为突出的是阴极与栅网之间的状态变化对阴极发射性能的影响。

2.1 阴栅热碰

行波管在测试过程中，有些异常管子每次开机时都要将灯丝电压Uf在正常工作点的基础上提高1 V～1.5 V老炼一段时间(正常工作点Uf=6.4 V±0.2 V)，发射电流才能够满足要求。为此，对这些异常管子作欠热测试分析，如图1所示。随着灯丝电压的下降，发射电流反而增加。

图1 某脉冲行波管的欠热曲线

为进一步研究发生异常现象的原因，将异常电子枪进行温度试验，数据显示异常电子枪在工作点的温度比正常电子枪温度要低80℃～90℃。再将电子枪一步步解剖观察其温度变化情况，最终确定是因阴极与荫影栅在热状态下发生接触，将阴极的热量过多地导走，造成电子枪的工作温度偏低，表现在阴极上是在规定的工作点其发射电流不够，需提高灯丝电压才能满足发射性能的要求。为此调整了阴极与荫影栅的状态解决了问题(如表2所示)。

表2 改动前后对比

2.2 阴栅在热状态下的距离变远

众所周知对于栅控行波管，考虑到金属栅网在热状态下的膨胀的现象，装配时会在冷态下预留距离，保证器件能够正常使用。正常情况下，通过测量在加热状态下电子枪内的阴极相对栅网的伸长距离(如图2所示)，可知某行波管的阴极相对栅网的伸长距离在4.8 mil～5.7 mil(如表3所示)。而某只出现截止电压高、脉冲电压高的管子，在加热状态下其电子枪内的阴极相对栅网只向前伸长了0.8 mil～1.2 mil(如表4所示)，导致管子在工作时其阴极与栅网之间的距离变远，从而也会表现在需提高脉冲电压其发射电流才能满足要求。

图2 电子枪内阴极相对栅网的伸长示意图

表3 正常情况下电子枪内的阴极相对栅网的伸长情况

表4 异常情况下电子枪内的阴极相对栅网的伸长情况

因此，在器件的装配及前期流水过程中严格按照要求处理，消除由于外因对阴极性能影响的因素，保证器件的可靠性。

3 结论

(1)使用简易二极管对批产阴极本身的发射能力进行在线的抽样检测，其标准定为:在阴极温度达到1 050℃时，Ja≧2.5 A/cm2，使阴极提供给管种使用的发射良品率由52.9%提高至82.85%。

(2)阴栅热碰将造成电子枪的工作温度偏低，表现在阴极上将是在规定的工作点其发射电流不够。

(3)管子在工作时其阴极相对栅网的距离变远，会使脉冲电压提高、发射电流变小。

通过研究影响批产阴极发射电流小的因素，更加清晰地认识到要想保证阴极的发射能力够，不仅需要阴极工作者在阴极的制造工艺细节上进行研究，还需要使阴极在电子枪内的配合上做出细致地考虑，从而提高阴极在批产过程中使用的良品率，保证器件的可靠性。

［1］郭开周.行波管研制技术［M］.北京:电子工业出版社，2008:1-2.

［2］吴金生.阴极［M］.清华大学绵阳分校真空教研组，1976:3.

［3］廖复疆，吴固基.真空电子技术［M］.北京:国防工业出版社，1999:53.

［4］阴生毅，王宇.一种制备钨海绵体的方法［P］.CN101091987.2006，6.

［5］李娜，邵文生，王辉.球形钨粉应用于阴极基体的工艺研究［C］//第十七届学术年会军用微波管研讨会，2009:578-582.

［6］李锐，张文丙，尙兵，等.钡钨阴极制备工艺探讨［J］.真空电子技术，2008(6):44-48.

［7］王小霞，廖显恒，罗积润，等.铝酸盐结构对阴极性能影响的初步探讨［J］.电子与信息学报，2003，25(1):131-134.

［8］江剑平.阴极电子学与气体放电原理［M］.北京:国防工业出版社，1980:252-259.