空间行波管输能窗组件贮存失效分析

王国建 赵 丽 陆玉新 田 宏 石文奇

①(中国科学院空天信息创新研究院 北京100190)

②(中国航天科工二院空间工程总体部 北京100854)

③(天津交通职业学院 天津300110)

1 引言

微波真空电子技术是一个历史悠久的研究领域，它包括微波电子学、材料技术、真空技术等学科[1,2]，因此我国将空间行波管列入“十一五”至“十三五”核心电子器件的重大专项课题。空间行波管作为一种重要的微波功率放大器，广泛地用于通信、导航定位、军事测绘、微波遥感、电子侦察、数据传输等卫星，是星载转发器的核心器件[3–5]。随着现代通信技术的发展，对空间行波管的寿命和性能等指标不断提出新的需求，这些需求主要表现在要求更长的寿命、更高的性能等[6,7]，这些需求进而对空间行波管的支撑技术的发展提出新的挑战和发展机遇[8,9]。在空间行波管制造过程中，零件储存是其工作的基础条件，零件污染不仅对电子注聚焦、输出功率、阴极发射、噪声电平有影响，而且会使管内真空变差[10,11]。另外，由于阴极制备工艺的不一致性，许多空间行波管的阴极工作在温度限制区，残余气体对这类器件的影响更为严重[1,12]。因此研究空间行波管零件存储条件具有十分重要的意义。

2 高频组件的储存

空间行波管主要由5个部分构成[13]：电子枪、输入输出组件、螺旋线慢波组件、磁聚焦系统和收集极，其结构如图1所示。

高频输能组件包括输入输出组件。需要放大的高频信号由输入装置进入行波管中，经过放大后的信号由输出装置送出。常见的输入输出装置有波导和同轴两种。一般在频率较低或功率较小且要求工作带宽较宽时采用同轴结构，反之，则采用波导结构。在实际应用中，有时会采用输入用同轴结构，输出用波导结构。

高频组件是空间行波管的主要部件之一，是管内传播高频电磁波的一种特殊传输装置，其中的输入输能装置和输出输能装置的陶瓷封接部位一般采用银铜焊料进行焊接。高频组件一般存放于真空柜中，真空柜的极限压强低于5×10–2Pa。存放一段时间后，组件表面出现了发黑现象，如图2所示。

从图2可以看出，发黑部位主要是进行陶瓷金属封接的银焊料。经过真空检漏实验，发现零件的气密性没有被破坏，说明高频组件仅是表面被硫化，还没有扩散到焊接面内部。

图1 空间行波管结构示意图

3 实验结果及分析

为了查明高频组件发黑的原因，利用扫描电镜对螺旋线进行了分析，图3给出了螺旋线发黑部位的表面的形貌和成分。

从图3的分析可以看出，真空柜中出现了硫元素，并与银焊料发生了反应，根据现场观察可知，真空柜中存在一些用于包装的橡胶套，因此怀疑硫元素来源于橡胶套。对真空柜中的橡胶套和未使用过的橡胶套进行了分析，结果如图4所示。

从图4可以看出，使用后和未使用橡胶套中硫元素发生了很大的变化，说明硫来源于橡胶套。生橡胶是一种受热易融化，开裂，耐磨性能差且质软的直链高分子聚合物，加硫之后在高温下可以使橡胶硫化，使得生胶中的部分碳碳双键打开与硫形成二硫键，硫化后的橡胶因为分子之间的交连，熔点提高而且强度增大，橡胶加硫是橡胶制作过程中不可或缺的一步。在化学中，二硫键是比较弱的化学键，在一定的条件下(如紫外线照射、加热等)会分解成单质的硫，另外硫化橡胶中也会残存一些单质硫[14]。

硫有多种同素异形体，化学性质比较活泼，既有还原性又有氧化性，能跟氢、氧、卤素(除碘外)、金属等大多数元素化合，生成共价型化合物或离子型化合物。硫在日常生活和工业生产中有很大的用途，主要用于橡胶、氟化工、造纸、食品工业、医药等工业。

图2 真空柜中存放的高频组件

图3 高频组件发黑部分的形貌和成分

为了进一步验证上述分析结果的正确性，进行了下述3组试验。(1)将表面状态良好银焊片放入没有橡胶套真空柜里，抽真空至5×10–2Pa，室温条件下，放置10天。(2)将银焊料和橡胶套一起放置于真空存储柜中，抽真空至5×10–2Pa，室温条件下，放置10天。(3)将银焊料和橡胶套一起放置于真空存储柜中，不抽真空，室温条件下，放置10天，取出3组试验样品，进行分析，结果如图5所示。

从图5可以看出，未放入橡胶套抽真空和放入橡胶套但未抽真空的真空柜中银焊料都没有变化。银焊料和橡胶套一起放入真空存储柜中并抽真空至5×10–2Pa，室温条件下，放置10天后，银焊料发生了变化。这些实验说明硫来源于橡胶套，但在大气状态下，橡胶套中的硫还是比较稳定的。在真空状态下，硫比较容易从橡胶套中升华进入真空柜中，在真空柜中弥漫了大量硫蒸气，这些硫蒸气与银焊料发生了化学反应形成Ag2S。

任何材料加热到一定温度时就会发生气化现象，即由液相或固相进入气相。在给定的温度下，一种物质的气态与其凝聚态(固态或液态)之间会在某一个压强下存在动态平衡。这个压强就是此物质在此温度下的饱和蒸气压。具有较高蒸气压的物质具有较高的蒸发速率。任何物质的蒸气压都随着温度非线性增加。表1给出了硫材料蒸汽压与温度的关系[15]。

图4 橡胶套的成分

图5 银焊料片表面成分

一般来说，材料在真空中只要加热到高于其饱和蒸气压以上时，均能迅速蒸发。而且材料以单原子形式蒸发进入气相[16]。从表1可以看出硫在真空条件下蒸发比在常压下容易得多，所需的蒸发温度大幅下降。在标准大气压下，硫必须加热到717 K(沸点)才能大量蒸发，因此在大气状态下，橡胶套中的硫是比较稳定的。然而在真空度10–2Pa的条件下，只需加热到328 K就可以大量蒸发，因此在真空状态下，硫是比较容易从橡胶套中升华进入真空柜中的，从而会在真空柜中弥漫大量硫蒸气，这些硫蒸气与银焊料发生了化学反应形成Ag2S。

表1 硫的温度与蒸气压的关系

综上分析可知橡胶套是导致高频组件在真空柜中贮存失效的原因，因此含硫的橡胶套不宜放入真空柜。

4 结论

高频组件是空间行波管的主要部件，是管内传播高频电磁波的重要传输部件，其中陶瓷封接部位一般采用银焊料焊接，它一般存放于真空柜中，真空柜的极限压强低于5×10–2Pa。存放一段时间后，组件表面出现了发黑现象。分析表明真空柜中放置的橡胶制品导致了高频组件银焊料焊接部位发生硫化，导致贮存失效。结合实验结果和理论分析表明，在标准大气压下，硫必须加热到717 K(沸点)才能大量蒸发，因此在大气状态下，橡胶套中的硫是比较稳定的。然而真空度在10–2Pa的条件下，只需加热到328 K就可以大量蒸发，因此在真空状态下，硫是比较容易从橡胶套中升华进入真空柜中的，会在真空柜中弥漫大量硫蒸气，这些硫蒸气与银焊料发生了化学反应形成Ag2S，因此含硫的橡胶套不宜放入真空柜。