Введение к работе
Актуальность проблемы. Традиционные представления о процессах формирования вакуумных и эмиссионных характеристик электровакуумных и газоразрядных приборов связаны с процессами обработки изделий на откач-ных постах и основаны преимущественно на эмпирических зависимостях газовыделения от технологических параметров. Режимы откачки выбираются методом проб и ошибок, причины брака и отказов приборов определяются на основе опыта и интуиции ввиду отсутствия четких физических критериев. Основным критерием эффективности и степени завершенности процесса откачки считается остаточное давление газов в приборе. В работах Черепнина Н В,, Пипко А.И., Розанова Л.Н., Єаксаганского Г,Л. и др, рассматриваются отдельные вопросы теории и технологии откачки. Ведутся работы по созданию высокоэффективных эмиттеров электронов. В работах Добрецова Л.Н., Никонова Б.П., Киселева А.Б., Мойжеса Б.Я, и др, в основном рассматриваются технологические аспекты изготовления катодов, Нет единых представлений о природе эмиссионных центров и механизмах работы эмиттеров. Проблема эффективного выявления причин брака, отказов, повышения процента выхода, долговечности, совершенствования конструкции и технологии приборов может быть решена только на основе рассмотрения системы прибор-катод-средства откачки как единой системы на всем жизненном цикле прибора, от изготовления до эксплуатации. Методы термодинамики, теории зародышеобразования и кинетики позволяют описать эту систему как единую многофазную многокомпонентную систему и определить влияние технологических и эксплуатационных параметров на состав фаз, в т, ч, газовой, направления фазовых реакций, работу выхода эмиттеров.
Подход, основанный на представлении о процессе откачки как о непрерывном процессе на всем жизненном цикле прибора, не рассматривался, Конструкторы приборов рассматривают в основном электромагнитные режимы работы приборов без учета всей совокупности физико-химических процессов, протекающих в процессе эксплуатации и изготовления приборов, Все недостатки конструкции проявляются в процессе освоения производства прибора, В процессе производства приборов технологов интересуют ответы на следующие вопросы: какие процессы и операции определяют различные виды брака в процессе изготовления, как выбрать оптимальный режим откачки, тренировки и испытаний при заданных исходных материалах и культуре производства и определить требования к материалам, какие критерии определяют завершенность отдельных операций, какие процессы определяют отклонения характеристик приборов от технических условий, их отказы и долговечность, какие критерии определяют возможность повторного использования узлов и деталей приборов при их реставрации и регенерации?
Общепринято считать, что целью откачки является получение достаточно низкого давления остаточных газов в полости прибора. Чем ниже остаточное давление, тем выше долговечность и лучше параметры прибора. Однако из этого правила часто бывают исключения: приборы уходят в брак или отказы-
вают даже при идеальном вакууме. Газовая фаза является лишь вторичным признаком, индикатором состояния твердых фаз, в частности, состояния эмит-терных структур Именно работа этих структур определяет качество прибора. Поэтому целью откачки является формирование эмиттерных структур заданного состава и создание условий для их работы в процессе эксплуатации прибора Зачастую неизвестно, какова должна быть структура эмиттера и как она себя ведет при эксплуатации Как выбрать оптимальные режимы обработки и активировки катода в реальном времени (в т ч в зависимости от состава газовой фазы)? Какие факторы и процессы определяют работоспособность и долговечность эмиттерных структур в процессе эксплуатации приборов? Для ответа на эти вопросы необходимо рассмотрение всей системы прибор-катод-средства откачки как единого целого В связи с этим создание теории откачки электронных приборов и анализ на ее основе процессов формирования вакуумных и эмиссионных характеристик приборов является актуальным
Целью работы является разработка принципов совершенствования технологии, конструкции и системного анализа причин брака и отказов приборов на основе квазиравновесного подхода к анализу физико-химических процессов формирования вакуумных и эмиссионных параметров электронных приборов Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи-
I. Разработать модель совместного выделения газообразующих примесей кислорода, углерода и водорода с учетом процессов переноса между электродами в процессе откачки и тренировки приборов, рассматривая прибор, катод и средства откачки как единую многокомпонентную многофазную систему Определить вакуумные критерии завершенности отдельных этапов процесса откачки.
2 Исследовать процессы и разработать модели активирования и эмиссии оксидосодержащих термокатодов, в т. ч вольфрамовых торированных карби-дированных (ВТК), иттриевых, оксидных, алюминатных. Определить влияние температуры, состава газовой фазы и примесей на нестехиометрию и работу выхода оксидов в равновесном и неравновесном состояниях, выработать вакуумные критерии эмиссионной активности оксидов
3. Исследовать процессы и разработать модели активирования и эмиссии сплавных вторично-эмиссионных катодов при откачке и тренировке приборов с учетом исходного состояния сплава, фазовых и структурных превращений, диффузии по границам зерен и состава газовой фазы, в т ч при обработке в очищенном водороде Разработать конструкцию формоустойчивого металло-сплавного катода с оптимальным температурным режимом эксплуатации, оснастку и технологию его изготовления.
4 Разработать модель и конструкцию газовой системы, технологию откачки, наполнения водородом и испытания плазменно-пучковых приборов и мощных тиратронов, содержащих несколько газопоглотителей при разных температурах
5. Провести анализ причин брака и отказов электровакуумных и газоразрядных приборов и разработать рекомендации по их устранению.
б, Разработать способы и устройства для откачки приборов,,обеспечивающих повышение эффективности процесса, в т, ч, для откачки вакуумных дуго-гасительных камер (ВДК), Разработать технологию и оснастку для диффузионной сварки электродов ВДК из специальных материалов,
Методы и средства исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием методов химической термодинамики, кинетики, теории зародышеобразования,, зонной теории твердого тела. В экспериментальных исследованиях использовались методы металлографии, электронной и рентгеновской микроскопии и спектроскопии, зондовой туннельной и силовой сканирующей микроскопии ближнего поля.
Научные положения, выносимые на зашиту.
-
В сложных оксидах центрами эмиссии являются места выхода дислокаций, границы зерен и гетероструктур между нанокластерными выделениями оксида бария и матрицы, являющиеся местами сегрегации бария и образования квантовых ям, активирование оксидов обеспечивается снижением активности кислорода в приборе ниже активности на линии конгруэнтного состава оксида бария, а долговечность катодов определяется временем существования таких структур или увеличением активности кислорода выше активности на линии конгруэнтного состава,
-
Центрами эмиссии ВТК-катодов являются дефекты активированных включений оксида тория и границы гетероструктур оксид-карбид, являющиеся местами сегрегации тория, а долговечность таких катодов определяется скоростью реакции взаимодействия оксида тория с карбидом вольфрама о выделением СО, а также рекристаллизацией и охрупчиванием вольфрама,
-
Эмиссия сплавных катодов обеспечивается образованием и ростом зародышей ВаО на поверхности сплава при условии существования в сплаве интерметаллида Pd5Ba и отсутствия внутреннего окисления, причем источником кислорода является граница керна катода со сплавом. Содержание углерода в сплавных катодах с активностью более 0,3 способствует переходу оксида бария в интерметаллид и ухудшает соединение сплава с молибденовым керном вследствие образования хрупких карбидов. Оптимальный температурный режим работы и формоустойчивость сплавных катодов при эксплуатации обеспечиваются за счет крепления формоустойчивой втулки, плакированной эмит-терным материалом, по центральному выступу на керне катода и о цеіггров-кой по крайним выступам с регулируемой шириной (патент № 2231855),
-
Совмещение процесса термического обезгаживания прибора на от» качном посту с процессом напуска рабочего газа и повышение точности количества напущенного газа обеспечивается, если перед наполнением прибора газом в сечении напуска устанавливают стационарный поток газа Q s s, Р,, где S..P,- быстрота откачки и стационарное давление газа в сечении напуска, выдерживают в процессе откачки до стабилизации давления в сечении напуска газа на уровне Ре и герметизируют прибор, причем значение Рс и температуру поглотителей выбирают из условия установления двухфазного равновесия поглотитель - газ в приборе и откачной системе при заданных концентрациях га-
за в поглотителях или заданном количестве поглощенного в приборе газа (патент № 2195041)
-
Повышение процента выхода приборов со сплавными катодами достигается, если в процессе предварительной откачки прибор наполняют очищенным рабочим газом, дополнительную откачку на тренировочном стенде осуществляют при давлении рабочего газа и в электромагнитном режиме включения прибора, обеспечивающем температуру катода 0.7 - [ 1 от номинальной, а окончательную герметизацию проводят после повторной откачки на откачном посту, причем в качестве рабочего газа используют водород с примесью кислорода не более 10" ат %, давление рабочего газа при дополнительной откачке на тренировочном стенде регулируют за счет изменения мощности дополнительного или встроенного геттерного насоса, температуру катода при дополнительной откачке на тренировочном стенде регулируют за счет изменения мощности газового разряда в промежутке анод - катод путем изменения анодного напряжения, а окончательную герметизацию прибора проводят после дополнительной откачки одновременно с удалением дополнительного насоса (патент № 2185676).
-
Граничными условиями при газовыделении, газопоглощении и переносе примесей в процессе откачки являются условия термодинамического равновесия между газовой фазой и приповерхностными слоями электродов прибора, представляющего собой многокомпонентную многофазную систему, а условием свободного испарения оксидов является конгруэнтный состав приповерхностных слоев
Научная новизна работы На основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований, внедрения результатов работы в производство решена важная народнохозяйственная проблема по разработке научной теории процессов откачки электронных приборов и получены следующие новые научные результаты
1. Впервые прибор рассматривается как единая многокомпонентная многофазная система, что позволяет определить условия переноса примесей, роста фаз, критерии активирования катодов и обезгаживания электродов
-
Определены термодинамические характеристики и состав газовой фазы, твердых растворов кислорода, водорода и углерода, а также их соединений с металлами на основе фундаментальных уравнений термодинамики в предположении, что мольная доля компонентов является степенной функцией активности, а коэффициенты пропорциональности и показатели степеней являются функциями температуры Предложен метод самосогласованного расчета парциальных термодинамических свойств фаз переменного состава
-
Определены состав (степень нестехиометрии), работа выхода и эмиссионные свойства оксидосодержащих катодов по известному составу и термодинамическому характеру химических форм в газовой фазе Определена зависимость составляющих работы выхода оксидосодержащих катодов от активности кислорода в приборе и температуры Определены вакуумные критерии эмиссионной активности оксидосодержащих катодов
4, Разработаны модели эмиссии оксидосодержащих, сплавных и ВТК-
катодов, определена природа эмиссионных центров, работп выхода и эмисси
онные токи та дефектов и гетероструктур в равновесном и неравновесном (при
наличии внешних напряжений) состояниях. Определены условия образования
зародышей оксида бария, их роста и травления в сложных оксидах и сплавных
катодах, в т, ч, при внутреннем окислении сплава, с учетом поверхностной,
упругой энергии и энергии центров зарождения. Проведены исследования пал
ладий-бариевых катодов методом сканирующей зондовой микроскопии/
5, Разработана модель процесса наполнения рабочим газом газоразряд
ных и плазменно-пучковых приборов с несколькими газопоглотителями, нахо
дящимися при разных температурах, а также равновесная и динамическая, мо
дели газовой системы плазменно-пучковых приборов.
Практическая ценность работы. На основе разработанной теории процессов откачки выработаны критерии определения причин брака и отказов приборов, вакуумные критерии эмиссионной активности катодов и степени завершенности отдельных операций процесса откачки. Разработаны способы и устройства для откачки, повышающие эффективность процесса. Разработана конструкция металлосплавного катода, обеспечивающая оптимальный температурный режим при эксплуатации, а также оснастка для изготовления сплавных катодов и контактов ВДК с помощью диффузионной сварки.
Реализация результатов работы.
Результаты работы использованы при: 1) разработке технологии и оборудования для откачки и испытания плазменно-пучковых ЛБВ; 2) освоении производства изделий типа ТГИ-1000, ТГИ-2500, ТГИ-5000, ГУ-43, ГУ-49, ГИ-57, ГИ-19 и др.; 3) совершенствовании технологии, анализе причин брака и отказов амплитронов МИУ-Зб, МИУ-37, магнетронов МИУ-262, ЛБВ типов УВ-29 и УВ-420; 4) разработке технологии и оборудования для бесштенгельной откачки вакуумных дугогасителышх камер; 5) разработке технологии и оснастки для диффузионной сварки электродов ВДК и сплавных катодов; б) проведении работ по федеральной целевой программе РАСУ «Развитие электроники в России на 2001-2005 гг.», по программам Минвуза РФ и областной инвестиционной программе. Разработанные технологии и оборудование внедрены на ФЕУП «НЛП «Контакт» в серийном производстве,
Апробаиия работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения» 1998 -2006 гг,, «Проблемы управления и связи», 2000 г., «Вакуумная наука и техника» 1999 - 2006 гг., Proceeding of the Fourth International Vacuum Electron Sources Conference, Saratov, July 15-19, 2002.
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 120 работ, в том числе одна монография и 14 авторских свидетельств и патентов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, приложения и содержит 385 страниц машинописного текста, 268 рисунков, список использованной литературы из 224 наименований.
