способ реставрации электровакуумных приборов с оксидным катодом

Формула изобретения

Способ реставрации электровакуумных приборов с оксидным катодом, включающий операции вскрытия оболочки, замены отказавших узлов и деталей, а также катодного узла и встроенных средств дооткачки, очистки внутренних поверхностей прибора, сборки, проведении термовакуумной обработки, герметизации и тренировки, осуществляемой одновременно с дооткачкой, отличающийся тем, что в качестве эмиттера заменяемого катодного узла используют губчатое покрытие, заполненное карбонатом щелочноземельных металлов с запасом его более 30 мг/см² и спрессованное внешним давлением до толщины не более 50% от исходной толщины губки, в качестве средства дооткачки используют встроенный магниторазрядный насос, обеспечивающий поглощение газов, выделяемых из арматуры и оболочки во время дооткачки, а саму дооткачку проводят с отбором тока с катода при температуре последнего, повышенной до 1050-1100°С, и температуре оболочки, соответствующей температуре ее в заданном режиме эксплуатации, в течение времени, определяемого улучшением вакуума в приборе до заданной величины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электронной технике, а конкретно к реставрации электровакуумных приборов с оксидными катодами, предпочтительно крупногабаритных СВЧ-приборов большой и средней мощности. Такие приборы являются дорогостоящими и проблема их ремонта или реставрации после выхода из строя была и остается актуальной.

Известны способы реставрации электровакуумных приборов с оксидным катодом, заключающиеся в том, что вскрывают отказавший прибор, заменяют катод и снова проводят всю термовакуумную обработку прибора [1]. Приборы, реставрированные по такому способу, если и достигают уровня требуемых параметров, практически всегда имеют меньшую долговечность, чем приборы, изготовленные по стандартной технологии.

Известен способ реставрации электровакуумных приборов с оксидным катодом, включающий операции анализа отказавшего прибора, очистки его от наружных загрязнений, вскрытия оболочки, замены отказавших узлов и деталей, а также катодного узла и встроенных средств дооткачки, очистки внутренних поверхностей прибора, сборки, проведения термовакуумной обработки, герметизации и тренировки, осуществляемой одновременно с дооткачкой [2, прототип]. Известный способ широко применяется к электронно-лучевым трубкам (ЭЛТ), в частности к телевизионным кинескопам, где оболочка стеклянная, а встроенные средства дооткачки представляют собой геттерные узлы (распыляемые - на основе бария или нераспыляемые - на основе титана или циркония).

Недостатком известного [2] способа является всегда более низкая долговечность реставрированного прибора по сравнению с новым прибором, выпускаемым заводом-изготовителем по техническим условиям. Это обусловлено невозможностью полностью очистить внутренние поверхности вскрытого прибора от загрязнений, возникших как при эксплуатации прибора до его отказа, так и при взаимодействии с атмосферой во время нахождения прибора во вскрытом состоянии и новой сборки вплоть до новой откачки. Эти загрязнения не всегда могут быть удалены при термовакуумной обработке реставрируемого прибора, так что во время его последующей эксплуатации (после реставрации) эти неудаленные загрязнения неизбежно будут попадать на катод, отравляя его. (Ввиду этих трудностей задача очистки при реставрации порой вообще не ставится, как в аналоге [1].) Для реставрируемых кинескопов проблема очистки внутренних поверхностей прибора усугубляется еще и наличием экрана с люминофором.

У электровакуумных приборов большой и средней мощности, в частности, рассматриваемых в настоящем изобретении приборов СВЧ, оболочка, как правило, металлокерамическая, в технологии откачки часто используется напуск водорода, отпай с вакуумного поста производится методом деформирования и перекусывания медного штенгеля, а в конструкции прибора в качестве средства дооткачки часто предусмотрен специальный малогабаритный магниторазрядный насос, по значению ионного тока которого можно судить о величине вакуума в отпаянном приборе. Сразу отметим, что при анализе технической литературы, в том числе патентной, нам не встретилось прямых упоминаний о реставрации СВЧ-приборов (кроме нашей статьи в журнале “Электроника: наука, технология, бизнес” №5, 2001 г., имеющей характер постановки проблемы). Поэтому даже просто в применении способа реставрации именно к СВЧ-приборам наше предложение представляется новым.

Техническим результатом настоящего изобретения является достижение реставрированным прибором долговечности, по крайней мере, не худшей, чем предусмотренная техническими условиями на этот прибор.

Технический результат достигается за счет того, что в способе реставрации, включающем операции вскрытия оболочки, замены отказавших узлов и деталей, а также катодного узла и встроенных средств дооткачки, очистки внутренних поверхностей прибора, сборки, проведения термовакуумной обработки, герметизации и тренировки, осуществляемой одновременно с дооткачкой, оксидный катод обычного типа заменяется на оксидный же катод, но с заведомо повышенным запасом активного вещества в эмиттере и этот запас предназначен для расходования исключительно в период дооткачки с целью очистки внутренних поверхностей прибора и обеспечения в нем высокого вакуума.

Конкретно, предлагается:

- в качестве эмиттера заменяемого катодного узла использовать губчатое покрытие, заполненное карбонатом щелочноземельных металлов с запасом его более 30 мг/см ², спрессованное внешним давлением до значения толщины не менее 50% толщины исходной губки,

- в качестве средства дооткачки использовать встроенный магниторазрядный насос, обеспечивающий поглощение газов, выделяемых из арматуры и оболочки во время дооткачки, а

- саму дооткачку проводить с отбором тока с катода при температуре последнего, повышенной до 1050-1100°С, и температуре оболочки, соответствующей температуре ее в заданном режиме эксплуатации, в течение времени, определяемого улучшением вакуума в приборе до заданной величины.

Таким образом, суть предложенного решения заключается в преднамеренном и сознательном использовании части запаса активного вещества катода для очистки внутренних поверхностей откачанного реставрированного прибора. В технологии, не рассчитанной на реставрацию, подобного использования материала катода не предусмотрено; наоборот, всегда стараются сохранить запас для обеспечения высокой долговечности прибора, для чего время выдержки при повышенных температурах оксидного катода (во время активирования и тренировки) ограничивают, предпочитая проблемы очистки решить на других этапах изготовления прибора. В частности, при подготовке прибора к сборке широко используют методы химической очистки и отжига деталей и узлов, хранение в чистых условиях, сборку проводят в условиях строжайшей вакуумной гигиены, при откачке используют такие операции, как длительный прогрев под печью, напуск водорода, плазменную очистку и др. Но решая задачу реставрации прибора СВЧ, особенно прибора мощного, т.е. крупногабаритного, имеющего к тому же сложную архитектуру объемов внутри прибора, очистить внутренние поверхности от загрязнений, возникших как во время предыдущей работы прибора и на этапах вскрытия и подготовки к реставрации, не всегда представляется возможным. Применение известных методов очистки, и прежде всего химических, если и возможно, то весьма затруднительно и трудоемко. Более того, если и удастся удалить загрязнения из “карманов” внутреннего строения прибора, то останется проблема - удалить из них отработанный очищающий раствор (травитель).

Понятно, что использование части запаса активного вещества катода не для целей долговечности логически приводит к тому, что для сохранения заданной долговечности запас активного вещества в катоде реставрируемого прибора должен быть повышен. Значит катоды прибора до реставрации и после нее принципиально не должны быть одинаковыми. Различие проходит не по габаритам узла, а именно по запасу активного вещества на катоде. Технологии повышения запаса известны (см., например, А.Б. Киселев Металлооксидные катоды электронных приборов. М.: изд. МФТИ. - 2002 г.), но обязательность применения их в реставрируемых приборах является одним из требований (отличительных признаков) заявленного технического решения.

Требование повышения запаса активного, т.е. полупроводникового по характеру вещества на поверхности катода неизбежно приводит к возрастанию электрического сопротивления слоя эмиттера, что нежелательно с точки зрения отбора эмиссионного тока. А чтобы снизить появившееся вредное следствие и понизить величину сопротивления, необходимо уменьшить пористость заполненного слоя, т.е. отпрессовать заполненное карбонатом покрытие. К тому же, опрессованные губчатые покрытия являются более стойкими к режиму обратной электронной бомбардировки, чем неопрессованные.

Опыт показывает, что в зависимости от технологии формирования губчатых структур оксидных катодов (гранулометрия порошков металла, чаще всего на основе никеля, режим спекания, режим внесения карбоната в образованный пористый губчатый слой) запас может быть достигнут в несколько десятков мг/см² . В традиционных губчатых оксидных катодах крупногабаритных приборов СВЧ применяются эмиттеры с запасом активного вещества не более 15...20 мг/см²; больший запас обычно пытаются избегать, т.к. он приводит к увеличению времени откачки. Мы, однако, с таким недостатком вынуждены мириться, поскольку нам запас нужен, как было выше сказано, для целей не только обеспечения катодной долговечности, а для иной цели - очистки внутренних поверхностей прибора, которую мы не можем осуществить иными способами.

Как показывает опыт, даже небольшое по сравнению с традиционной величиной повышение запаса уже приводит к повышению долговечности. Но чтобы ощутить заметный эффект, запас активного вещества в эмиттере надо создать на уровне свыше 30 мг/см². На чертеже приведены обобщенные данные наших исследований долговечности оксидных катодов при рабочих температурах 850 и 900°С. Начиная с запаса 30 мг/см² и выше, долговечность катода практически в два раза превышает долговечность традиционного губчатого оксидного катода (запас 10-20 мг/см²), обычно используемого в мощных электровакуумных приборах и обеспечивающего заданную по техническим условиям на прибор (ТУ) долговечность. А это значит, что используя для “посторонних” целей практически весь запас традиционного катода, мы останемся на уровне долговечности, требуемой по ТУ исходного прибора.

Но при запасах активного вещества свыше 30 мг/см², толщина слоя губки становится сравнительно большой, часть пор в ней (особенно в прикерновой области) остается незаполненной, сопротивление слоя возрастает, так что прессование слоя эмиттера с повышенным запасом становится необходимостью, обеспечивая “обволакивание” кристаллов активного вещества металлом губки и “раздавливание” ненужных закрытых пор. Повышая давление прессования, можно дойти до предела текучести материала керна, т.е. до наинизшего значения сопротивления. Однако это будет связано с очень большими сложностями в изготовлении инструмента для прессования. Особой необходимости в этой минимальной величине нет; в принципе, вполне можно ограничиться величиной, контролируемой по заметному уменьшению толщины спрессованного слоя. При установлении сдавливания больше, чем вполовину, начинают сказываться трудности с пресс-формами. Исходя из соображений оптимальной эффективности технологии, этой величиной уменьшения толщины слоя при прессовании целесообразно ограничиться.

Традиционный режим обработки прибора на откачном посту с заданным уровнем максимально допустимого давления в период разложения карбонатов можно особо и не корректировать, хотя для ускорения можно установить и несколько менее жесткий уровень этого максимально допустимого давления. Практически это означает уровень до 10^-3 Па в приборе. (В таких режимах откачки желательно применять технологию с напуском водорода в откачиваемый прибор). Но согласно предложенному изобретению основное внимание следует уделить режиму дооткачки, т.е. после отпайки прибора с поста. Согласно предлагаемому техническому решению при включенном магниторазрядном насосе необходимо повысить температуру катода до значений 1050-1100°С и выдержать не 1-2 минуты, как это имеет место при традиционном режиме обработки на откачном посту, а 10-30 минут, да еще с отбором электронного тока с катода на токоприемные электроды. При этом температура оболочки прибора конечно повысится, однако режим токоотбора следует выбрать таким, чтобы это повышение температуры оболочки было близким к значению, допустимому в нормальном эксплуатационном режиме прибора. Таким образом, проводя дооткачку в отпаяном приборе и соблюдая описанный температурно-токовый режим, мы осуществляем финишную очистку и электродов, и оболочки. Заметим, что значения максимальной температуры в 1050-1100°С находятся на уровне температур, граничных для условий конгруэнтного испарения компонентов из оксидного катода на основе двойного и тройного растворов окислов щелочноземельных металлов. Прогрев при температурах свыше указанных значений приведет к существенной потере окиси бария из твердого раствора окислов ЩЗМ, составляющих активное покрытие катода, и, соответственно, к ухудшению эмиссионных покрытий к эмиттера.

Подчеркнем, что поскольку на реставрируемом приборе обязательно предусмотрен магнитный электроразрядный насос, то его ионный ток является параметром вакуума в дооткачиваемом приборе. Время выдержки катода в режиме перекала при дооткачке определяется временем, когда выделившиеся газы будут откачаны магниторазрядным насосом. Указанные выше 10-30 минут перекала являются ориентировочными. Точное значение времени перекала определяется именно откачкой магнитным электроразрядным насосом. Понятно, что поскольку длительное время перекала нежелательно, целесообразно устанавливать на реставрируемый прибор магниторазрядный насос достаточной мощности, способный справиться с выделяющимися газами. Таким образом, при реставрации предлагается использовать не только более мощный по запасу катод, но и решать вопрос о необходимости замены магниторазрядным насосом на возможно более мощный по скорости откачки.

Предложенный способ прошел испытания на ряде мощных приборов СВЧ. Наибольшее число реставраций пришлось на приборы магнетронного типа.

Рассмотрим один из конкретных примеров. Реставрировались магнетроны с выходной мощностью 5 кВт, рассчитанные по ТУ на долговечность в 3000 час. Главной чертой реставрации была замена двух узлов: губчатый оксидный катод, предусмотренный ТУ на прибор, был заменен на катод с запасом карбонатов в 40-50 мг/см²; был сменен и магниторазрядный насос.

При откачке приборы обрабатывались согласно традиционному для них режиму при поддержании максимально допустимого давления водорода в приборе 2-10^-3 Па. Дооткачка производилась при температуре катода 1050-1070°С магниторазрядным насосом, имеющим скорость откачки 0,5 л/сек, в течение времени тренировки 8 часов, за которые вакуум улучшился до значения, выше 10^-5 Па. Четыре таких прибора, отреставрированных по предложенному способу, были поставлены в радиолокационную аппаратуру и проработали в ней более 20 тыс. часов.

Таким же образом были отреставрированы ряд мощных генераторных ламп с плоскими катодами и импульсных усилительных клистронов с катодами сферической формы. Во всех случаях получено превышение долговечности реставрированных приборов над приборами того же типа, выпускавшихся по своим ТУ.

Таким образом, предложенный способ осуществим, работоспособен и обеспечивает безусловный положительный эффект.

Источники информации

1. Shmitz W. Патент Великобритании №1213420.

2. М.В. Герасимович. Довiдник з електронно-променевих приладiв. Киiв: Технiка. - 1991, стр. 73-85.