专利名称：各向同性热解石墨多级降压收集极及制造方法
技术领域：
本发明涉及真空电子技术领域，是一种各向同性热解石墨多级降压收集极及制造方法，可用于卫星行波管。
背景技术：
卫星行波管作为末级功放，广泛地用于通讯、导航定位、军事测绘、微波遥感、电子侦察、数据传输等有效载荷技术，是星载核心元器件。作为卫星用行波管，高效率是其核心技术指标之一。行波管的效率主要决定于电子效率和收集极的回收效率。电子效率达到一定限度后，很难再进一步提高，此时效率的提高主要取决于收集极的回收效率。国外高效率行波管基本上都采用多级降压收集极，采用多级降压收集极技术可将某些频段行波管的效率提高到70%以上，收集极的回收效率可达 85% 以上[参考文献=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]。高效率多级降压收集极可以从两个方面来实现一个是从电子光学设计角度，对电子能量及分布、飞行轨迹进行计算和模拟，为设计高回收效率的收集极结构提供依据；另外一方面，从材料和工艺角度，选用二次级电子发射系数小的材料作为收集极电极，或者对电极表面进行技术处理，提高回收效率。在结构设计确定的情况下，要获得更高的回收效率，收集极电极表面应具有低的二次电子发射系数。高导无氧铜是应用最广泛的多级降压收集极电极材料，但是其二次电子发身寸系数较高[参考文献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)]。 采用离子束表面改性技术使其表面发生微米或亚微米尺度的粗化，可以显著降低无氧铜表。但是，离子束表面改性需要专用工艺设备，工艺机理复杂，影响因素较多，导致处理过程控制难度较大。而且，对实际工件的处理还需要设计专门的工装卡具，效果也受到一定限制。在长时间工作的条件下其可靠性能否满足空间行波管的使用要求尚存在种种疑问。采用二次电子发射系数小的石墨类材料(各向同性石墨和热解石墨等)也可以获得高的回收效率，在此基础上再进行离子束改性处理可以获得更佳的实验效果[参考文献: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，由于普通压制石墨材料的结构一般比较疏松、含气量高、强度较低，在电子束的长期轰击下容易产生石墨微尘，致使收集极的绝缘性能难以保证。而各向异性热解石墨的制备工艺虽然与各向同性热解石墨类似，但其结构疏松(层状结构，层与层之间结合强度低，容易剥离而产生颗粒)、含气量高、焊接难度较大，难于整体应用。
发明内容
本发明的目的是公开一种各向同性热解石墨多级降压收集极及制造方法，以细晶致密的各向同性热解石墨为电极材料，经过加工、金属化、装配、焊接得到多级降压收集极， 可用于卫星行波管。该多级降压收集极电极，避免了普通压制石墨和各向异性热解石墨结构疏松、强度低、容易产生石墨粉尘的问题，保留了石墨类材料低二次电子发射特性，为高效率卫星行波管提供了新的技术支持。为达到上述目的，本发明的技术解决方案是一种各向同性热解石墨多级降压收集极，包括电极、过渡补偿金属环、电极引线、 绝缘瓷件、外套筒；其以各向同性热解石墨材料制作电极，过渡补偿金属环上固接电极引线后，再将各向同性热解石墨电极与过渡补偿金属环、绝缘瓷件、外套筒同心套置，固接而成单级降压收集极；电极引线由绝缘瓷件的引线孔中伸出；将多个单级降压收集极组装固接为多级降压收集极。所述的多级降压收集极，其所述各向同性热解石墨电极上，焊接区域覆有厚度为 5-15 μ m 的钛(Ti)层。所述的多级降压收集极，其所述过渡补偿金属环，为无氧铜材料加工而成，其厚度取决于收集极外径的尺寸，在0. 5-2mm之间；电极引线，为镍线。所述的多级降压收集极，其所述绝缘瓷件，为95%、99%氧化铝(Al2O3)或氧化铍 (BeO)陶瓷，绝缘瓷件的焊接面经过金属化工艺处理，并镀有镍(Ni)层。一种所述的多级降压收集极的制造方法，其包括A)按设计要求制备各向同性热解石墨电极、过渡补偿金属环；B)对各向同性热解石墨电极做金属化处理；C)将电极引线焊接在过渡补偿金属环上；D)对绝缘瓷件金属化、镀镍与烧氢；E)单极组装、焊接，得单极收集极成品；F)将多个单极收集极成品进行整体组装、焊接，得多极收集极成品。所述的制造方法，其所述A)步，包括步骤al采用高温(2000°C以上)化学气相沉积(CVD)方法制备各向同性热解石墨；a2将al步所得的各向同性热解石墨，放入模具中冲压成型；B)步，包括步骤
bl用不锈钢挡卡将电极上非焊接区域遮挡起来；b2对电极上的焊接区域进行真空离子镀钛(Ti)。所述的制造方法，其所述C)步，是在氢炉中，用焊料丝将Φ0. 3-0. 6mm的镍丝钎焊在过渡补偿金属环上，作为电极的引线；升、降温速率10-40°C /分钟，焊接温度高于指示焊料熔化温度10-20°C，保温1-5分钟。所述的制造方法，其所述E)步，包括步骤1)按照单极组装结构要求，将各向同性石墨电极、过渡补偿金属环、绝缘瓷件、外套筒依次装配在经过黑化处理的不锈钢模具上，在焊缝上安放Φ0. 4-0. 6mm焊料丝；2)再放入真空炉中，焊接温度高于指示焊料熔化温度20-40°C，升、降温速率 10-20°C /分钟，保温1-5分钟，得单极收集极成品。所述的制造方法，其所述F)步，包括步骤a)按照多级降压收集极整体组装结构要求，在模具中，将多个经E)步骤焊接好的单极收集极组装成多级降压收集极；b)再放入真空炉中焊接，焊接温度高于指示焊料熔化温度10-20°C，升、降温速率10-20°C /分钟，保温1-5分钟，得多级降压收集极成品；c)检测，确定合格品。所述的制造方法，其所述钎焊焊料丝为纯Ag、Au-Cu或Ag-Cu共晶焊料；焊接真空气氛，为焊料熔化时真空压强< 3X10_3I^。本发明的一种各向同性热解石墨多级降压收集极及制造方法，其各向同性热解石墨多级降压收集极可用于卫星行波管，可以在不降低其他性能指标的条件下将卫星行波管的总效率提高几个百分点。
图1为本发明所用的各向同性热解石墨断口 SEM照片；图2为本发明的各向同性热解石墨多级降压收集极结构示意图。图示中的标号说明1.各向同性热解石墨电极；2.过渡补偿金属环(无氧铜)； 3.电极引线；4.绝缘瓷件；5.外套筒。
具体实施例方式本发明的各向同性热解石墨多级降压收集极及制造方法，是以各向同性热解石墨为电极材料，采用离子镀膜技术对需焊接区域进行金属化处理，然后通过过渡补偿金属环与经过金属化的绝缘瓷件装配、焊接起来，得到各向同性热解石墨多级降压收集极组件。本发明各向同性热解石墨多级降压收集极中的各向同性热解石墨电极的制作1.采用高温(2000°C以上)化学气相沉积(CVD)方法制备各向同性热解石墨具有致密的细晶结构(如图1所示)，石墨晶粒无定向排列趋势，表现为各向同性特征；2.将1步所得的各向同性热解石墨，放入模具中冲压成型；3.采用离子镀膜技术对需要金属化的区域实现热解石墨的金属化，金属化厚度 (即钛(Ti)层厚度)为5_15μπι;4.不需要金属化的区域用不锈钢制挡具遮挡。本发明的各向同性热解石墨多级降压收集极的制造方法，包括步骤
1.引线焊接在氢炉中，将Φ0. 3-0. 6mm的镍丝(电极引线3)钎焊在过渡补偿金属环2上，作为电极的引线，升、降温速率10-40°C /分钟，焊接温度高于指示焊料熔化温度 10-20°C，保温1-5分钟。2.组装与焊接(1)单极组装与焊接(参见图2所示)a)按照图2所示，将各向同性石墨电极1、过渡补偿金属环2、绝缘瓷件4、外套筒 5依次装配在经过黑化处理的不锈钢模具上，在焊缝上安放Φ0. 4-0. 6mm焊料丝；b)气氛为真空(焊料熔化时真空压强<3父10_^!)，升、降温速率10-201/分钟， 焊接温度高于指示焊料熔化温度20-40°C，保温1-5分钟，得单极收集极成品。(2)整体组装、焊接按照多级降压收集极整体组装结构要求，在模具中，将多个经步骤(1)焊接好的单极收集极组装成多级降压收集极后，放入真空炉中焊接。真空压强 < 3 X10_3Pa，升、降温速率10-20°C /分钟，焊接温度高于指示焊料熔化温度10-20°C，保温 1-5分钟，得多级降压收集极成品。本发明的多级降压收集极电极利用了石墨类材料低二次电子发射的特性，同时又避免了普通压制石墨和各向异性热解石墨结构疏松、强度低、容易产生石墨粉尘的问题，为高效率卫星行波管的研制提供了新的技术支持。实施例1.按设计图纸要求加工出各向同性热解石墨电极1(四级)，外径统一为 Φ 32mm(公差-0. 06 -0. 02mm)。2.采用ICrlSNiOTi不锈钢加工遮挡卡具，以挡住不需要离子镀Ti的区域(与过渡补偿金属环2焊接区域)。3.将挡具装在各个各向同性热解石墨电极1上，进行离子镀Ti处理，金属化层厚度控制在8-10 μ m。4.过渡补偿金属环2的尺寸外径35mm(根据配合要求，公差确定为-0. 04 -0. 02mm)，内径32mm (公差范围确定为+0. 02 +0. 04mm)。5.绝缘瓷件4选用95 % Al2O3陶瓷，外径51mm(金属化后公差确定为-0. 05 -0. 02mm)，内径35mm(金属化后公差确定为+0. 02 +0. 05mm)，焊接区域高温 Mo-Mn法金属化、镀镍、烧氢够备用。6.外套筒5由无磁蒙乃尔材料加工而成，壁厚0. 8mm,内径为51mm(公差确定为 +0. 02 +0. 04mm)。7.装配焊接(1)引线3焊接用两圈Φ0. 3的Au80Cu20焊料丝将Φ0. 6mm的镍丝焊在过渡补偿金属环2的引线孔上。氢炉中焊接，升、降温速率控制不大于35°C /分钟，焊接温度 900-930°C，保温 1. 5 分钟。(2)电极1-过渡补偿金属环2-绝缘瓷件4-外套筒5的焊接用模具对电极1和外套筒5进行定位，在每个焊缝上安置一圈Φ0.6mm Ag-Cu共晶焊料丝，真空炉中焊接，焊料熔化时炉内真空压强保持在2. 5X 10 以下。升、降温速率15-20°C /分钟，焊接温度 800-820°C，保温 1. 5 分钟。(3)整体组装焊接按照组装结构要求将焊好的各极组装起来，引线3从绝缘瓷环4的引线孔中穿过，在两个电极外套筒5的外圆圆周上装上一圈Φ0.6πιπι Ag-Cu共晶焊料丝，真空炉中焊接，升、降温速率15_20°C /分钟，焊接温度790-810°C，保温1. 5分钟。
按照上述方法制造的多级降压收集极结构可靠性及绝缘性能均满足设计要求。
权利要求
1.一种各向同性热解石墨多级降压收集极，包括电极、过渡补偿金属环、电极引线、绝缘瓷件、外套筒；其特征在于，以各向同性热解石墨材料制作电极，过渡补偿金属环上固接电极引线后，再将各向同性热解石墨电极与过渡补偿金属环、绝缘瓷件、外套筒同心套置， 固接而成单级降压收集极；电极引线由绝缘瓷件的引线孔中伸出；将多个单级降压收集极组装固接为多级降压收集极。
2.如权利要求1所述的多级降压收集极，其特征在于，所述各向同性热解石墨电极上， 焊接区域覆有厚度为5-15 μ m的钛层。
3.如权利要求1所述的多级降压收集极，其特征在于，所述过渡补偿金属环，为无氧铜材料加工而成，其厚度取决于收集极外径的尺寸，在0. 5-2mm之间；电极引线，为镍线。
4.如权利要求1所述的多级降压收集极，其特征在于，所述绝缘瓷件，为95%、99%氧化铝或氧化铍陶瓷，绝缘瓷件的焊接面经过金属化工艺处理，并镀有镍层。
5.一种如权利要求1所述的多级降压收集极的制造方法，其特征在于，包括A)按设计要求制备各向同性热解石墨电极、过渡补偿金属环；B)对各向同性热解石墨电极做金属化处理；C)将电极引线焊接在过渡补偿金属环上；D)对绝缘瓷件金属化、镀镍与烧氢；E)单极组装、焊接，得单极收集极成品；F)将多个单极收集极成品进行整体组装、焊接，得多极收集极成品。
6.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述A)，包括步骤al采用高温化学气相沉积方法制备各向同性热解石墨；a2将al步所得的各向同性热解石墨，放入模具中冲压成型；B)步，包括步骤bl用不锈钢挡卡将电极上非焊接区域遮挡起来；b2对电极上的焊接区域进行真空离子镀钛。
7.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述C)步，是在氢炉中，用焊料丝将 Φ 0. 3-0. 6mm的镍丝钎焊在过渡补偿金属环上，作为电极的引线；升、降温速率10_40°C /分钟，焊接温度高于指示焊料熔化温度10-20°C，保温1-5分钟。
8.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述E)步，包括步骤1)按照单极组装结构要求，将各向同性石墨电极、过渡补偿金属环、绝缘瓷件、外套筒依次装配在经过黑化处理的不锈钢模具上，在焊缝上安放Φ0. 4-0. 6mm焊料丝；2)再放入真空炉中，焊接温度高于指示焊料熔化温度20-40°C，升、降温速率10-20°C/ 分钟，保温1-5分钟，得单极收集极成品。
9.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述F)步，包括步骤a)按照多级降压收集极整体组装结构要求，在模具中，将多个经Ε)步骤焊接好的单极收集极组装成多级降压收集极；b)再放入真空炉中焊接，焊接温度高于指示焊料熔化温度 10-20°C，升、降温速率10-20°C /分钟，保温1-5分钟，得多级降压收集极成品；c)检测，确定合格品。
10.如权利要求6、7、8或9所述的制造方法，其特征在于，所述钎焊焊料丝为纯Ag、Au-Cu或Ag-Cu共晶焊料；焊接真空气氛，为焊料熔化时真空压强< 3X ；高温，为> 2000 "C。
全文摘要
本发明公开了一种各向同性热解石墨多级降压收集极及制造方法，涉及真空电子技术，可用于卫星行波管，石墨类材料具有低的二次电子发射系数，用在多级降压收集极上有利于提高回收效率，与普通压制石墨相比，各向同性热解石墨具有结构致密、强度高、含气量低等优点，更容易保证多级降压收集极的可靠性。本发明的方法包括各向同性热解石墨的加工、表面金属化与焊接，以及相应的多级降压收集极的制造工艺。本发明利用各向同性热解石墨的细晶、致密、强度高、含气量低等特点，避免了普通压制石墨及各向异性热解石墨的大部分弱点，同时可以保留石墨类材料低二次电子发射特性。
文档编号H01J23/027GK102568984SQ20101060653
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月27日 优先权日2010年12月27日
发明者刘柳萍, 樊会明, 肖东梅, 苏小保, 赵世柯, 马天军 申请人:中国科学院电子学研究所