采用四極質(zhì)譜儀，對(duì)大功率速調(diào)管烘烤排氣過程中殘余氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，分析烘烤排氣過程中管內(nèi)件及氧化物陰極的出氣規(guī)律。結(jié)果表明：烘烤排氣過程中主要出現(xiàn)三個(gè)出氣高峰，依次出現(xiàn)在烘烤排氣溫度30，75，325℃；過程中排除氣體主要為H2O ，并含有少量CO 和H2 ；進(jìn)入烘烤排氣保溫區(qū)后，出氣量較小，且基本保持恒定；烘烤排氣結(jié)束后，殘余氣體含量微少，均低于1.2×10^-5 Pa ，為速調(diào)管提供了較好的高真空環(huán)境。

　　電真空器件中殘余氣體對(duì)器件的陰極發(fā)射性能、整管性能及壽命等有著非常重要影響。在實(shí)際工作中，不但要降低電真空器件中殘余氣體的量(真空度)，更要注意控制殘余氣體的質(zhì)(氣體成分)，即將對(duì)陰極有毒化作用的氣體壓強(qiáng)降低到臨界中毒壓強(qiáng)以下，甚至為零，而對(duì)陰極有激活作用的還原性氣體控制在一個(gè)最佳壓強(qiáng)范圍。通常，管內(nèi)殘余氣體在電子注作用下發(fā)生電離，產(chǎn)生的離子會(huì)引起離子聚焦、離子轟擊陰極和離子震蕩等物理現(xiàn)象，使陰極發(fā)射和高頻輸出功率下降。合理的烘烤和排氣(以下簡稱烘排)工藝過程對(duì)減少速調(diào)管內(nèi)殘余氣體，保證速調(diào)管可靠工作尤為重要。

　　分析烘排過程中管內(nèi)出氣的成分及其分壓強(qiáng)對(duì)提高電真空器件的性能和質(zhì)量、改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和工藝具有重要的作用。殘余氣體質(zhì)差量高，往往是器件性能低劣，早期失效的主要原因之一，采用四極質(zhì)譜殘余氣體分析技術(shù)將有助于分析各種殘氣成分對(duì)器件性能和壽命的影響，有助于查明器件內(nèi)存在的放氣源，以便判斷陰極及各部件、烘排生產(chǎn)工藝規(guī)范是否科學(xué)合理，分析器件的質(zhì)量，作為檢測(cè)整管的手段。四極質(zhì)譜儀已成為高可靠、高穩(wěn)定、長壽命的電真空器件所必備的診斷儀器。

　　本文在真空排氣臺(tái)上安裝四極質(zhì)譜儀，通過烘烤排氣過程中器件內(nèi)出氣過程的質(zhì)譜分析，對(duì)陰極及管內(nèi)材料出氣過程及成分研究和評(píng)價(jià)。

1、試驗(yàn)系統(tǒng)

　　本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由真空室、內(nèi)真空系統(tǒng)、外真空系統(tǒng)、烘烤系統(tǒng)、四極質(zhì)譜分析儀五部分組成。詳細(xì)組成零部件如圖1 所示。該設(shè)備專用于超高真空條件下的大功率速調(diào)管烘烤排氣及封離。

圖1 　用于殘余氣體質(zhì)譜分析的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

　　真空室有效工作空間Υ1000 mm ×2000 mm ，工件內(nèi)腔容積≤10 L。內(nèi)真空系統(tǒng)(工件內(nèi)真空)主要由兩臺(tái)機(jī)械泵、兩臺(tái)分子泵、一臺(tái)離子泵組成，極限真空度大于10^-8 Pa ，為防止真空系統(tǒng)對(duì)工件內(nèi)油氣污染，在機(jī)械泵前級(jí)加了兩臺(tái)冷阱。外真空系統(tǒng)主要由兩臺(tái)大抽速機(jī)械泵和一臺(tái)擴(kuò)散泵組成，極限真空度1 ×10^-3 Pa 。

　　四極質(zhì)譜儀連接到內(nèi)真空系統(tǒng)上，用于烘烤排氣過程中大功率速調(diào)管殘余氣體分析。四極質(zhì)譜儀不用磁鐵，性能指標(biāo)較高，是目前應(yīng)用最廣的一種小型動(dòng)態(tài)質(zhì)譜儀。可測(cè)量器件內(nèi)部氣體的組分和相應(yīng)的分壓強(qiáng)值。四極質(zhì)譜分析系統(tǒng)主要由以下部分構(gòu)成：超高真空機(jī)組、腔體(管道)及閥門、四極質(zhì)譜儀、采樣分析機(jī)構(gòu)、測(cè)試控制儀表等輔助裝置。

2、烘烤排氣過程中管內(nèi)出氣規(guī)律

　　大功率速調(diào)管由于其工作電壓高、陰極發(fā)射電流密度高、電子注功率高和容積大，其真空腔內(nèi)殘余氣體的成分及含量會(huì)影響其正常工作，甚至導(dǎo)致整管報(bào)廢。速調(diào)管主要通過烘烤排氣工序完成對(duì)陰極分解和激活，及腔內(nèi)真空環(huán)境獲得的。烘烤和排氣工序是速調(diào)管制備的最后一道工序，通過對(duì)速調(diào)管加熱和真空排氣，清除速調(diào)管工藝過程中的有機(jī)物，去除吸附在金屬和陶瓷材料表面的氣體，對(duì)陰極進(jìn)行分解和激活，獲得陰極、高壓絕緣和電子注傳輸所要求的高真空環(huán)境。

　　本實(shí)驗(yàn)選用S 波段大功率速調(diào)管進(jìn)行烘排過程中管內(nèi)出氣規(guī)律的分析研究。該速調(diào)管采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的氧化物陰極，陰極裝入速調(diào)管前經(jīng)過了電子槍預(yù)除氣工序，因此在整管烘烤排氣工序中陰極分解環(huán)節(jié)出氣較少，縮短了整管所需的烘排時(shí)間，減小陰極出氣對(duì)管內(nèi)環(huán)境的影響。如圖2 所示，為大功率速調(diào)管烘烤排氣過程中，殘余氣體成分及含量的變化。由圖中可以觀察出，在整個(gè)烘烤排氣過程中，H2O(M/ e =18)出氣量最大，其余出氣量從大到小依次為CO(M/e =28)，H2(M/ e =2)。O2 (M/ e =32)和CO2(M/ e =44)出氣量微小，可以忽略。

圖2 　烘排過程中出氣曲線

　　其中除CO 氣體外，其它氣體在整個(gè)烘排過程中出氣規(guī)律基本一致，主要出現(xiàn)三個(gè)氣峰，第一個(gè)氣峰發(fā)生在燈絲電壓、電流施加初期(燈絲電流7 A ，烘排溫度30 ℃)，隨著烘排溫度和陰極溫度的升高，當(dāng)溫度達(dá)到75 ℃時(shí)出現(xiàn)第二個(gè)氣峰，在325 ℃烘排溫度下，出現(xiàn)第三個(gè)也是最大的出氣峰，隨后器件內(nèi)出氣量逐漸降低，在450 ℃保溫期間，出氣量非常微小且基本保持恒定，未見明顯氣峰出現(xiàn)。烘排過程中，CO 出氣規(guī)律比較特殊，在升溫過程中，也產(chǎn)生了三個(gè)出氣峰，但出氣量并不大，進(jìn)入烘排保溫區(qū)后出現(xiàn)兩個(gè)較大的出氣高峰。

3、烘烤排氣過程中出氣峰分析

　　管內(nèi)殘余氣氛對(duì)氧化物陰極的影響分為中毒性氣氛、中性氣體氣氛、激活性氣氛三類。依據(jù)排氣過程中殘余氣氛含量、殘余氣氛對(duì)陰極作用等因素，重點(diǎn)對(duì)O2 、H2O 、CO2 、H2 、N2 等進(jìn)行分析。本文主要針對(duì)排氣過程中出現(xiàn)的三個(gè)氣峰、450 ℃保溫區(qū)、烘排完畢整管出爐前等五個(gè)時(shí)間段進(jìn)行重點(diǎn)殘氣分析，以分析出殘余氣體成分及其出氣規(guī)律。

　　速調(diào)管整管進(jìn)入高真空烘排氣臺(tái)后，開啟真空泵并檢漏，此時(shí)整管出氣量較大，真空度較低，所以不進(jìn)行升溫排氣，為保證陰極排氣質(zhì)量，防止管內(nèi)殘余氣體具有向陰極低溫區(qū)聚集導(dǎo)致陰極“中毒” ，需對(duì)燈絲施加電流電壓，使陰極區(qū)溫度升高。本實(shí)驗(yàn)首先對(duì)烘烤排氣過程中第一個(gè)出氣高峰進(jìn)行殘氣分析，此時(shí)燈絲電壓和電流達(dá)到烘排設(shè)定值，烘排爐內(nèi)溫度為30 ℃，超高真空規(guī)管測(cè)得真空度為1 ×10^-5 Pa ，四極質(zhì)譜分析如圖3(a)所示。該出氣峰氣體主要由于陰極電流和電壓升高，陰極分解產(chǎn)生而成，隨著燈絲電流電壓的升高，電子槍內(nèi)部溫度升高，陰極材料出氣量增加，主要出氣的質(zhì)量數(shù)分別為18 ，17 ，28 ，16 ，2 ，32 ，44 ，根據(jù)氣體典型質(zhì)譜圖，質(zhì)量數(shù)18 為H2O 峰，質(zhì)量數(shù)17 為OH+碎片峰；因無質(zhì)量數(shù)14 的N+碎片峰出現(xiàn)，所以質(zhì)量數(shù)28 應(yīng)主要為CO 氣峰，質(zhì)量數(shù)2 主要為H2 氣峰，16 為O2-峰，32 和44 出氣量較少，始終處于10-4量級(jí)，分別為O2 和CO2 峰。

　　與此同時(shí)，由于電子槍內(nèi)部溫度升高，結(jié)構(gòu)材料物理吸附和化學(xué)吸附氣體大量放出，以上因素綜合作用產(chǎn)生第一個(gè)出氣峰。隨著烘排溫度的升高，結(jié)構(gòu)零部件材料物理吸附氣體釋放，出現(xiàn)第二個(gè)出氣峰，氣峰氣體成分及含量如圖3(b)及表1 所示為，此時(shí)燈絲電壓電流為烘排設(shè)定值，爐內(nèi)溫度為75 ℃。經(jīng)過第二個(gè)烘排出氣高峰后，隨著烘排溫度的升高，出氣量緩慢增加，到爐內(nèi)溫度325 ℃時(shí)，達(dá)到第三個(gè)出氣高峰，此時(shí)氣峰氣體成分及含量如圖3(c)及表1 所示。

　　由圖表中可以看出，三個(gè)出氣峰氣體均主要為H2O ，并含有少量的H2 和CO ，及微量的O2 ，CO2 。烘排過程中的出氣主要包括陰極材料出氣和結(jié)構(gòu)材料出氣。試驗(yàn)速調(diào)管陰極采用氧化物陰極，該類陰極出氣量較大，主要由于該陰極表面氧化物在短暫的與空氣接觸過程中易吸附雜氣，如H2O 、CO2 、H2 等，且結(jié)構(gòu)疏松，吸氣量較大。陰極制備過程中，使用了銷棉等有機(jī)物，在前處理過程中，有機(jī)物分解產(chǎn)生的C ，烘排過程中在高真空高溫條件下與材料內(nèi)部的O原子結(jié)合形成CO 、CO2 等。

圖3　氣峰時(shí)刻出氣質(zhì)譜圖

表1　氣峰時(shí)刻殘余氣體成分含量

　　在真空條件下，速調(diào)管中的結(jié)構(gòu)材料的出氣主要來自表面物理脫附的氣體和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體。速調(diào)管的結(jié)構(gòu)材料在空氣中儲(chǔ)存時(shí)，其吸附的氣體與環(huán)境中氣體達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，進(jìn)入真空環(huán)境后，這種動(dòng)態(tài)平衡被打破，結(jié)構(gòu)材料開始向真空環(huán)境中出氣，其中物理吸附的氣體與材料表面的結(jié)合力較弱，在常溫真空條件就能較容易的去除，而化學(xué)吸附氣體與材料表面原子為化學(xué)鍵結(jié)合，結(jié)合力較大，比物理吸附力強(qiáng)的多，因此常在烘烤環(huán)節(jié)中400 ℃較長時(shí)間可去除，即在第三個(gè)氣峰附近放出。材料的放氣特性，與材料成分、純度、預(yù)處理方法、材料表面粗糙度及試驗(yàn)方法有密切關(guān)系。速調(diào)管主要金屬結(jié)構(gòu)均在氫氣保護(hù)條件下釬焊而成，且氫氣易于吸附于各種材料表面并滲入零件內(nèi)部，相對(duì)于其他氣體，

　　氫氣更容易脫附。對(duì)于金屬材料，不同氣體的脫附溫度和脫附活化能Ed 相差較大，其中氫氣分子的脫附溫度最低，為30 ～ 45 ℃，接近常溫。通常金屬表面都會(huì)生成厚度為10 ～ 1000 nm 的多孔性氧化膜，面積為1 cm2 ，厚100 nm 的氧化膜可以吸附相當(dāng)于100 個(gè)水分子層的水汽量。尤其是陰極表面疏松氧化物極易吸附大量水蒸汽。金屬部件在真空中加熱時(shí)，在200 ℃以內(nèi)主要是水和其他表面吸附物質(zhì)的脫附。達(dá)到200 ℃以上，處于氧化層中的吸附水及其他物質(zhì)開始釋放，釋放速率決定于其分子通過不同長度和直徑的微孔或晶格與晶界的擴(kuò)散速率。

　　在烘烤溫度300 ～ 400 ℃時(shí)，這部分氣體(N2 ，O2 、CO2)快速放出，形成第三個(gè)出氣高峰。一部分水分子為高溫條件下，材料內(nèi)部H2 還原氧化物產(chǎn)生H2O 。

4、烘烤排氣過程中保溫區(qū)、烘排后殘氣分析

　　圖4(a)為烘排保溫18 h 后殘余氣體成分，具體含量如表2 所示。由圖表中所示，經(jīng)過18h 烘排后，管內(nèi)主要?dú)怏w含量較低且基本保持恒定，主要?dú)怏w為CO 。三個(gè)氣峰中主要的H2O 、H2 氣體均基本排氣完畢，含量均低于3 .165 ×10^-5 Pa 。圖4(b)為烘排結(jié)束，停油泵6 h 后管內(nèi)殘氣分析，此刻燈絲電壓電流為0 ，爐內(nèi)溫度72 ℃。由表2 所示，烘排結(jié)束后管內(nèi)真空度達(dá)4 .3 ×10^-8 Pa ，完全滿足微波管正常工作的10^-5 ～ 10^-6 Pa 真空度要求。管內(nèi)殘余氣體主要為微量的CO ，殘余氣體含量均低于速調(diào)管正常工作的臨界壓強(qiáng)值，不會(huì)影響整管的正常工作。進(jìn)行該分析后，即關(guān)四極質(zhì)譜儀、開爐出整管，因此此刻管內(nèi)殘氣分析直接反映了烘排后整管管內(nèi)真是殘氣成分和含量，直觀的反應(yīng)了該支電真空器件管內(nèi)真空環(huán)境。

圖4 　烘烤排氣保溫區(qū)管內(nèi)出氣質(zhì)譜圖及整管封離前殘氣質(zhì)譜圖

表2 　烘烤排氣保溫區(qū)殘余氣體成分及整管封離前殘氣成分

5、結(jié)論

　　(1)烘烤排氣過程中主要出現(xiàn)三個(gè)出氣高峰，依次出現(xiàn)在烘排溫度30 ，75 ，325 ℃過程中排除氣體主要為H2O ，并含有少量CO 和H2；

　　(2)進(jìn)入烘排保溫區(qū)后，出氣量基本保持恒定，且出氣量較小；

　　(3)烘排結(jié)束后，整管內(nèi)部真空度達(dá)4 .3 ×10^-8 Pa 殘余氣體含量均低于速調(diào)管正常工作的臨界壓強(qiáng)值，為速調(diào)管提供了非常好的高真空環(huán)境。