输出窗的二次电子的作用及其抑制措施

Ｃｈ ｎ ｓ ａ ｅ ｆ Ｓ ｉｎ ｅ ， ｉｉｇ １ ０ ９ Ｃｈｎ ） ｉｅｅＡｃ ｄ ｍｙｏ ｃｅ ｃ ｓ Ｂｅｊ ｎ ０ １ ０， ｉａ
Ａｂｓｒ ｃ ： ｔａ ｔ Ｔｈｉ ａ ｒｄｉｃ ｓ ｖ ｒｏ ａ ｔ ｒ ｓ ｐ ｐｅ ｓ ｕｓ ａ ｉ ｕｓ ｆ ｃ ｏ ｓ ｗｈｉｈ ｃ ｕ ｅ ｔ ｍａ ｅ ｏｆｍｉｒ ｗａ ｕｔ ｕｔｗｉ ｄ ｃ ａ ｓ ｈｅｄａ ｇ ｃ ｏ ｖｅ ｏ ｐ ｎ ｏｗ ｎｄ ａ ｉ ｉ ａ ｅ ｔ ｔｓ ｃ ｎｄ ｒ ｌ ｃ ｒ ｕｌｉ ｉａ ｉ ｎ ｉ ｈｅ ｍ ａｎ ｒ ａ ｏ ｎｄ ｃ ｔ ｈａ ｅ ｏ ａ ｙ ｅ ｅ ｔ ｏｎＳ ｍ ｔｐｌｃ ｔｏ ｓ ｔ ｉ ｅ ｓ ｎ． Ｉ ｈ ｅ ｈｎ ｃ ｌｍ ｅ ｓ ｒ ｓ ｗｈ ｃ ｕ ｎ ｔ ｅ ｔ ｃ ｉ ａ ａ ｕ ｅ ｉ ｈ ｓ ｐ－
ｃ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ａ ｎｅ ｒ ｐ ｔ ｒｎｇ ａ ｅ ｄｅ ｃ ｉ ｄ ｉ ｔ ｉ． ｈａ ａ ｔ ｒｓ ｉｓ ｏｆｍ ｇ ｔｏｎ ｓ ｕｔ ｅ ｉ ｒ ｓ ｒｂｅ ｎ ｄｅ ａ ｌ
Ｋｅ ｒ ｓ Ｓ ｃ ｎ ａ ｙ ｅｅ ｔｏ ｍｉｓｏ Ｍ ｕｔｐ ｉｒｅｆｃ ， ｅｅ ｔｉ ｌｓ ｙ ｗｏ ｄ ： ｅ ｏ ｄ ｒ ｌｃｒ ｎ ｅ ｓ ｉｎ， ｌｉｌ ｆｅ ｔ Ｄｉｌｃｒｃ ｏ ｓ ｅ
上 沉积 的技 术 。溅射 敷 膜 有 多 种形 式 ， 据 敷 膜 的 根 过 程 以及 电极 的结 构 、 对 位 置 ， 分 为二 极 溅 射 、 相 可 三极 （ 四极 ） 溅射 ， 磁控 溅 射 、 向靶 溅射 、 Ｃ 对 Ｅ Ｒ溅 射
等 。在这些 基本 的敷膜 分 类 基 础 上 进行 改 进 ， 可 又
摘 要 ： 述 了造 成微 波 输 出窗 损 坏 的各 种 因 素 ， 出 了 次级 电 子 的 倍 增 效 应 是 输 出 窗 损 坏 的 主 要 原 因 。 在 抑 制 次 级 电 子 论 指
发 射 的 工 艺 措 施 中 ， 细 介 绍 了氮 化 钛 薄膜 的 性 能 、 详 以及 磁 控溅 射 敷 膜 工 艺 的特 点 。
效 整管 中约 占略高 于 三 分 之 一 的 比例 ， 着平 均 功 随
率 和峰值 功 率 的大 幅 提 高 ， 出窗 的损 坏 现 象 越来 输
越 严重 ， 危害 愈来 愈显 著 ， 在 电子 所研 制 一 种 Ｓ 其 如
பைடு நூலகம்
电阻层 的损 耗产 生 外 ， 主要 是 由二 次 电子 倍 增 效 应 产 生 的 ， 次 电子倍 增效 应产 生 的 热量 是 前 者 的 ２ 二 Ｏ
强 。 电子轰 击 到 窗 上 将 其 动 能 以 热 和 光 的方 式 损
耗 ， 造成 窗 片 温 度 的局 部 急 剧 增 高并 出 现 “ 次 可 二 电子 倍 增 效 应 的 辉 光 ” 。最 后 在 强 电磁 场 和 热 应 力 的作 用下 ， 波 窗被 击 穿甚 至窗 片 炸裂 而 失 效 。 微
电子 又 吸 收 高 频 场 的能 量 ， 外 加 电 场 或 磁 场 的 在 作 用 下 ， 动 轨 迹 发 生 弯 曲 ， 回 来 轰 击 到 窗 片 运 又
上 ， 出更 多 的 二 次 电子 ， 此 形 成 恶 性 循 环 ， 打 如 电 子 的 数 目按 指 数 形 式 迅 速 增 加 ， 成 强 大 的 电 流 ， 构
２ １－０ ０１ ３
２ ２ 磁 控溅 射敷膜 性 能特点 ．
＞
（ ∞ Ｍ ｉ
电子 所 目前采 取 的敷膜工 艺措 施是 进行 磁控 溅
射 敷膜 。溅 射敷膜 指 的是 在 一定 的真 空 度 下 ， 用 利
荷 能离 子轰 击靶 材表 面 ， 被 轰 击 出 的离 子 在 基 片 使
括机 械应 力 和热应 力 ） 造 成窗 片破 裂 。在许 多情 况 ， 下 ， 出窗 的损坏 往 往 是 多 方 面 的原 因综 合 作 用 的 输 结果 ， 以 区分 损 坏属 于 哪种 类 型 。通 过 合 理 的设 难 计、 选择 高质 量 的窗 片 和 在 测试 线 路 上 加 装 保 护 装 置， 可避 免 窗 因击 穿 而损坏 ， 过合 理 的封接 和与 外 通 部 波导 的 正 确 连 接 窗 上 的机 械 应 力 也 可 以避 免 产 生 。 目前主 要 的问 题 是 热应 力 ， 窗 中心 到 边 缘 的 当 温 度梯 度造 成 的热 张 应 力 超过 窗 片 的机 械 强度 时 ，
的 电子 （ １ ， 些 电子 在 高频 场 的加 速 下轰 击 到 图 ）这 窗 片 上 ， 于 窗 片 的 二 次 电 子 发 射 系 数 ＞ １ 由
（ ７ 氧 化 铝 的二 次 电子发 射 系 数 大约 为 ８ ２ ， ９ ． ） 就
会 打 出 比一次 电子 多 倍 的 二 次 电子 ， 出 的二 次 打
射膜 要 比蒸镀 膜 附着强 度大 。
２ ３ 敷 膜 工艺参 数 ．
２ 抑 制 工 艺 措 施
２ １ 氮化 钛 的性 能特点 ．
电子所 的敷膜 设备 是 Ｊ Ｄ－０ Ｓ ５ ０型 高真 空磁 控溅 射 敷膜 机 ， 溅 射源 是锥 形 环状磁 控 溅射 源 （ 其 ｓ枪 ） ， Ｓ 一枪 溅 射 源 具 有 冷 却 效 果 好 ， 大 允 许 的功 率 密 最 度高 ， 靶材利 用 率 高 等优 点 。靶 阴极 的 散 热靠 锥 形 环 的外 圆 与冷却 套 的 内 圆相 接 触 ， 当阴 极 靶材 受 溅 射 发热 时 ， 是膨 胀 的 ， 圆与 水 冷套 挤 得 非 常 紧 ， 靶 外 这 样传 热好 ， 这种 方 式 允 许进 一 步 提 高 靶 的功 率 密 度 ， 实 际功 率 密度 可达 ４ ｃ （ 它源 型 靶表 其 ５ｗ／ｍ 其 面 的功率密 度达 到’Ｏｗ／ｍ 就有一 定 的 困难 ） 它 ３ ｃ ，
ｅ 溅射 时 ， Ｖ； 离靶 的钛原 子 动能约 为 １ Ｖ） 所 以溅 ０ｅ ，
反 射 ， 窗 片 处 的 场 强 大 大 增 强 。输 出 窗 片 是 绝 使
缘 介 质 ， 料 表 面 电 阻 很 大 ， 累 的 电 荷 不 易 泄 漏 材 积
出去 ， 成 窗 片 表 面 的 充 电 ， 生 很 高 的 附 加 场 造 产
此 进行 讨论 。
的一 些 游 离 电子 或 窗 片在 高 频 场 强 下 形 成 场 发 射
１ 失 效 分 析
输 出窗 的损 坏 的类 型 主 要有 两 种 ， 是 窗 片 处 一 的场 强过 高 ， 造成 介 质 击 穿 ， 片 上 剧 烈 的 电击 穿 ， 窗 会 造成 局 部 的介质 熔化 ； 其二 是 窗片 上应 力过 大 （ 包
窗 就会 开裂 ， 上 的热 量 除 了有介 质损 耗 和 封 接 处 窗
系统 的频 带 、 率 容 量 、 靠 性 和 寿 命 具 有 重 要 作 功 可
用 。一方 面 它要 允 许 高频 能量 通 过 ， 另一 方 面要 保
证微 波 电真 空器件 内部 良好 的气 密性 。微 波输 出 窗
细节 有待 于研 究 ， 一 般 认 为 是 离靶 的溅 射 原 子 与 但
反应 气体 在基 片上进 行 反应而 形成 。
甚 至 会 引 起 低 气 压 下 的 放 电 。与 此 同 时 ， 子 的 电 轰 击 还会 使 窗 片 释 放 出 大 量 的 气 体 ， 成 了 管 子 造
内部 真 空状 况 的 恶 化 ， 加 了 起 弧 的可 能 性 ， 成 增 形
关 键 词 ： 级 电 子 ； 增 效应 ； 质 损 耗 次 倍 介 中图分类号 ：Ｎ ０ Ｔ １３ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：０ ２ ８ ３ （０ １ ０ — ０ ５ － ０ １ ０ － ９ ５ ２ １ ）３ ０ ９ ３
输 出窗是 大 功 率 速调 管 的关 键 部 件 ， 器 件 和 对
的好 坏是 决 定大 功 率 速 调 管 寿命 的 重要 因素 之 一 ，
很 多速调 管 往往 由于 输 出 窗 的破 损 而报 废 ， 电子 在
所研 制 生产 的大 功 率 速 调 管 中 ， 均 输 出 功率 大 于 平
１ ｗ 时 ， Ｏｋ 因输 出窗 的 损坏 导 致 整 管 报 废 在所 有失
进 一步 分化 为很 多 的敷膜 方式 。如果 在工 作室 中混 入 反应 气体 Ｏ ， 等 可得 到靶 材 的 氧化 物 、 Ｎ 氮化 物
图 １ 次 级 电 子 倍 增 不 意 图
等化合 物薄 膜 ， 成反 应 溅 射 。电子 所 敷 一层 氮 化 形
钛 薄 膜 的方 式 ， 就属 于反 应 磁 控 溅 射 。关 于 反应 溅 射 中氮化钛 薄 膜 的形 成 过 程 ， 目前 仍 有 很 多 的 机 理
ｐ ｅ ｓ ｔ ｅ ｅ ｉｓｏ ｆ ｔ ｅ ｓ ｃ ｎ ａ ｙ ｅ ｅ ｔｏ ｒ ｓ ｈ ｍ ｓ ｉ ｎ ｏ ｈ ｅ ｏ ｄ ｒ ｌ ｃ ｒ ｎ，ｔ ｅ ｐ ｒｏ ｍａ ｃ ｆ ｔｔ ｎ ｕ ｎ ｔ ｉ ｅ ｆ ｍ ｓ ａ ｄ ｔ ｅ ｐ ｏ ｅ ｓ ｈ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｏ ｉａ ｉ ｍ ｉｒｄ ｉ ｎ ｈ ｒ ｃ ｓ ｌ
・
工 艺 与 应 用
・
输 出窗 的 二 次 电子 的作 用及 其 抑 制措 施
郑 晓 阳 ， 永清 张
（ 国科 学 院 电子 学研 究所 中 国科 学 院高 功率 微 波 源 与 技 术 重 点 实 验 室 ， 京 １ ０ ９ ） 中 北 ０ １０
Ｔ ｅＳ ｃ ｎ ａｙｌｌｃｒ ｎＥ ｓｉｎ ｏ ｅＫｌｓｒｎ ｔｕ ｈ ｅｏ ｄ ｒ ｅｔｏ ｍｉ ｏ ｆｔ ｙｔｏ＇ Ｏｕｐ ｔ ￣ ｓ ｈ ｓ
～
波 段高 平均 功率 脉 冲速 调管 过 程 中 ， 生 产整 管 ２ 共 ２ 支 ， 中 因输 出窗 的 损 坏失 效 的有 １ 其 ４支 ， 既 造 成 这 了巨大 的 经济损 失 ， 又影 响 了制 管任 务 的进度 。