白春江，崔万照,*，叶鸣，贺永宁

1.中国空间技术研究院 西安分院 空间微波技术重点实验室，西安 710100 2.西安交通大学 电子与信息工程学院，西安 710049

利用微加工工艺提高空间行波管收集极效率

白春江1，崔万照1,*，叶鸣2，贺永宁2

1.中国空间技术研究院 西安分院 空间微波技术重点实验室，西安 710100 2.西安交通大学 电子与信息工程学院，西安 710049

针对二次电子发射系数对空间行波管收集极效率的影响，通过降低二次电子发射系数的方法，提高收集极的效率。并以无氧铜为例，使用化学刻蚀的方法对无氧铜样片进行表面处理，得到规则微孔阵列结构。使用二次电子发射测试平台对有无表面处理的无氧铜样片进行测量。测量结果显示，经化学刻蚀处理后的样片的最大二次电子发射系数由1.33减小到0.96，二次电子发射抑制效果明显。将测得的两个二次电子发射系数曲线用于空间行波管收集极的模拟设计中。选用已有的3个收集极结构模型，使用模拟软件进行仿真并计算收集极效率。结果表明，3个收集极结构模型的效率分别由原来的80.1%、57.5%、42.1%提高到82.55%、62.6%、59.2%。该结果对于空间行波管收集极的设计具有重要参考价值。

空间行波管；收集极；二次电子发射；无氧铜；化学刻蚀

行波管因其功率高、宽带宽等特点而广泛应用于雷达、通信、广播等系统，以及高功率微波武器研究、高能物理、电子对抗等各种电子设备中，是一种不可或缺的真空电子器件[1]。在卫星系统中，由于卫星系统在轨运行能量有限的特点，使得效率对于空间行波管来说变得尤为重要[2-4]。甚至可以说，效率是空间行波管最重要的指标参量。收集极作为空间行波管结构的重要组成部分，它的效率也直接影响整个空间行波管的效率。因此，如何提高收集极的效率也是空间行波管研制过程中的关键问题。

通常的空间行波管中，通过增加收集极的电极数量，即采用多级降压收集极[5-11]来提高收集极的效率。其主要原理是：多级降压收集极在收集极内形成适当分布的静电场，使经过互作用后的电子注进入收集极后按速度分类收集，使电子尽量“软着陆”，在此过程中电子注的剩余能量再回馈给电源。采用多级降压收集极，收集“工作完了”电子的能量，可以大幅度提高空间行波管的总效率。尽管如此，在各电极收集剩余电子的过程中不可避免地会发生电子打上收集极而产生二次电子发射的现象，从而降低了整体效率，同时也可能导致电子回流。二次电子电流回流到高频互作用腔，会增加热耗散功率，同时在高频输出窗产生额外的噪声功率，更严重的后果是导致整管烧毁。

虽然通过增加收集极的电极数量可以增加收集极的效率，但是不可避免地增加了整个空间行波管的体积和质量，而体积和质量对于卫星系统来说是弥足珍贵的。因此，要在保证体积和质量不出现大的增加的前提下，提高空间行波管收集极效率，除了设计合理的降压收集极，还需要考虑收集极材料的二次电子发射特性，通过各种方式尽可能减小材料的二次电子发射。

本文拟将半导体领域的化学刻蚀工艺应用于行波管收集极设计中，通过紫外曝光与化学刻蚀方法相结合制作规则微孔结构，以提高收集极的效率。

1 加工工艺

具有一定能量的初始电子入射到金属表面后，可能被吸收，也可能发射出一个或多个二次电子。这些出射的二次电子，依据其产生的物理机制可以分为3类：弹性背散射电子(这类电子产生于初始电子与金属表面原子的相互作用)，非弹性背散射电子(这类电子产生于初始电子进入到金属内部之后与内部固体原子的相互作用)，本征二次电子(这即是真正意义上的二次电子，产生于进入到金属内部的初始电子与固体内部电子的相互作用)。这3种出射电子之和便构成了金属材料总的二次电子发射系数(SEY)。

金属二次电子发射系数[12-16]抑制的实现技术可以分为两大类，第一类是表面改性处理，第二类是外加偏置场。其中第一类方法的使用效果更为明显，应用领域也更为广泛。其主要机理是：引入特殊设计的表面结构后，出射的二次电子将在表面附近发生多次碰撞而被再次吸收，从而达到抑制SEY的目的。

对于表面改性处理的方法，文献[16]从理论和实验方面，对在样片表面构造微陷阱结构，从而能够降低二次电子发射特性的原因给出了详细解释。基于此研究结论，本文使用化学刻蚀工艺在无氧铜样片表面构造规则阵列结构，并就其二次电子发射特性进行研究。

在半导体制造领域，光刻工艺是一种成熟的实现微纳米结构的平面工艺方法，其典型工艺流程如图1所示。首先，在试样表面旋涂一定厚度的光刻胶；接着，用紫外光透过掩膜版对光刻胶进行选择性曝光，掩膜版上的透光区域为预先设计好的图形；然后，用显影剂将被曝光的光刻胶腐蚀掉，露出衬底表面，以便对试样进行选择性化学刻蚀；最后，将剩余光刻胶去除后即在试样表面得到与掩膜版设计一致的图形(微结构之间的间距为7 μm；微型圆柱的直径是15 μm；高度为5 μm)。

通过使用上述工艺流程，在无氧铜样片表面形成了如图2所示的规则阵列结构。为了验证在无氧铜样片表面刻蚀的规则阵列结构在抑制二次电子发射上的效果，需要结合试验仪器对二次电子发射系数进行测量。由于无氧铜容易氧化且会在表面形成沾污，为了得到理想情况下无氧铜的二次电子发射系数，在测试之前，需要使用丙酮溶液对无氧铜样片进行超声清洗。使用本实验室研制的二次电子发射系数测试平台[16]，分别对刻蚀处理的无氧铜样片和没有刻蚀的无氧铜样片进行SEY测试。并将两组测试结果进行比较，比较结果见图3。

从测试结果可以看出，经过刻蚀处理的无氧铜样片的SEY值比没有处理的无氧铜样片的SEY低。其最大值由没有刻蚀处理的1.33下降到刻蚀处理后的0.96。经过刻蚀处理的无氧铜样片的整体SEY值都小于1，这意味着，电子轰击该样片表面，将不会产生二次电子发射。测试结果也表明，该刻蚀工艺确实能降低无氧铜的二次电子发射系数，且抑制二次电子发射效果明显。

2 收集极效率

空间行波管中收集极的主要功能就是收集参加完与高频场相互作用的电子注。而进行完互作用后，进入收集极的电子已经处于发散状态，且速度各不相同。当收集极收集这些电子的时候，就会发生电子轰击收集极材料表面的情况，也就可能发生二次电子发射，降低收集效率。所以说，收集极效率的高低直接影响到整个空间行波管的效率。

收集极的效率是空间行波管收集极的重要指标。关于收集极的仿真设计与计算可以借助大型商用电磁仿真软件进行。收集极效率也可以通过软件并结合相关计算公式获得。在收集极效率的仿真过程中，考虑到会有电子轰击材料表面发生二次电子发射的情况。因此，需要引入收集极材料的二次电子发射特性。

由于无氧铜正是制作空间行波管收集极的常用材料，本文使用将使用前文测得的无氧铜样片的二次电子发射系数特性用于收集极的效率计算。通过对收集极模型进行仿真，并提取相应仿真结果，即可计算得到收集极效率[7]。

收集极的效率为：

(1)

式中：Pcoll为收集极功率；Prec为回收功率。

回收功率计算公式为：

(2)

式中：V0为慢波系统上的电位；Ven为收集极各电极电位；Ien为收集极各电极电流；m为收集极的电极个数。

收集极功率计算公式为：

(3)

式中：PRF为射频输出功率。

3 模拟计算

为了验证提出的处理无氧铜表面的方法，对空间行波管收集极效率的影响情况。本文使用已有的3个收集极结构模型如图4所示，结合仿真软件进行仿真，并对仿真结果计算，获得空间行波管的收集极效率。

选用的3个收集极模型都采用了4级降压收集极。其具体结构如图4所示。3个模型仿真过程使用的电子注的电压和电流如表1所示。

编号电子注电压/kV电子注电流/A模型128011模型2180.5模型3130.5

图5为选择的3个收集极模型在使用经刻蚀处理的无氧铜样片的二次电子发射特性数据进行粒子跟踪模拟时，每个收集极模型中电子的运动轨迹。从图中可发现，采用多级降压方法确实可以减少二次电子发射数量，增加回收的电子数量，从而有助于提高收集极的效率。

表2为通过仿真计算得到的3个收集极模型的效率比较。从表中可以看出，使用经过表面处理的SEY值，进行仿真计算获得的收集极效率都比使用没有经过表面处理的SEY值要高。且对于结构模型3，收集极效率提高的最多，提高了17%。该计算结果表明，使用经过刻蚀表面处理的SEY值，进行仿真计算获得的收集极效率明显提高。

编号无表面处理表面处理模型180.182.55模型257.562.6模型342.159.2

4 结束语

本文提出了一种表面改性的处理方法。同时将此方法用于无氧铜样片，并使用二次电子发射测试平台，对样片进行SEY测试。测试结果显示，这种表面处理方法能够将无氧铜样片的SEY最大值由1.33降为0.96，对二次电子发射抑制效果明显。最后，使用研究的无氧铜的二次电子发射特性，结合仿真软件，对空间行波管的收集极模型效率进行仿真研究。计算结果表明，使用经过刻蚀表面处理的SEY值，进行仿真计算获得的收集极效率明显提高。同时，也说明这种方法能有效提高空间行波管收集极的效率，因而对空间行波管收集极的设计具有重要的参考价值。

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(编辑：高珍)

Improving the efficiency of the collector of space traveling wave tube with micromachining technology

BAI Chunjiang1，CUI Wanzhao1,*，YE Ming2，HE Yongning2

1.NationalKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonSpaceMicrowave,ChinaAcademyofSpaceTechnology(Xi′an)，Xi′an710100，China2.SchoolofElectronicandInformationEngineering,Xi′anJiaotongUniversity，Xi′an710049,China

The secondary electron yield(SEY) has great influence on the efficiency of the collector of space traveling wave tube. Therefore,the efficiency of collector was improved by reducing the secondary electron yield of the material′s surface of collector.The OFHC copper sample was treated with chemical etching. After chemical etching, some micro-porous array structures were remained on the sample. Then the secondary electron yield of the sample was measured by the secondary electron yield measurement platform. And the result shows that comparing with the original sample which is not treated, the maximum of SEY decreases from 1.33 to 0.96. And the SEY is suppressed well. Then the SEY curves obtained from SEY measurement platform were used in the design of STWT collector. To study the influence of the SEY, three collector models were used to calculate the efficiency of the models with simulation software. It is verified that the efficiency of the three collectors are improved from 80.1%, 57.5%, 42.1% to 82.55%, 62.6%, 59.2%, respectively. The method discussed will be helpful for the STWT design.

space traveling wave tube；collector；secondary electron yield；oxygen-free high thermal conductivity copper；chemical etching

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0037

2016-08-31；

2017-02-16；录用日期：2017-03-17；

时间：2017-03-21 15:43:42

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170321.1543.008.html

国家自然科学基金重点项目(U1537211);国家自然科学基金面上项目(11675278)，国家自然科学基金面上项目(51675421)

白春江(1984-)，男，工程师，276269546@qq.com,研究方向为空间微波特殊效应

*通讯作者：崔万照(1975-)，男，研究员，cuiwanzhao@126.com，研究方向为空间大功率微波技术

白春江,崔万照,叶鸣,等.利用微加工工艺提高空间行波管收集极效率[J].中国空间科学技术, 2017,37(2)：61-65.BAICJ,CUIWZ,YEM,etal.Improvingtheefficiencyofthecollectorofspacetravelingwavetubewithmicromachiningtechnology[J].ChineseSpaceScienceandTechnology, 2017,37(2)：61-65(inChinese).

O462.2

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http://zgkj.cast.cn