劉晉允，趙世柯，梁曉峰，于文杰，魏晶慧，于海兵，汪 洋

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十二研究所，北京 100015；2.普發(fā)真空技術(shù)（上海）有限公司，上海 200127）

0 引言

空間行波管是衛(wèi)星通訊系統(tǒng)中重要的功率放大器件，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、導(dǎo)航定位、微波遙感等領(lǐng)域[1-2]。由于產(chǎn)品在空間的不可維護(hù)性，保證空間行波管具有極低的漏率成為實(shí)現(xiàn)其高可靠、長(zhǎng)壽命的必要條件。四極質(zhì)譜儀是利用四極桿電場(chǎng)對(duì)不同質(zhì)荷比離子的篩選作用，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量分離，具有高靈敏度、高分辨率、體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)監(jiān)控示漏氣體離子流，四極質(zhì)譜儀可用于漏率小于10-12Pa·m3/s的超靈敏度檢漏[3-4]。目前一般商用檢漏儀檢漏下限為5×10-13Pa·m3/s，清華大學(xué)在2003年研制出我國(guó)第一臺(tái)靈敏度為10-15Pa·m3/s的檢漏儀[5]，2017年盧耀文等[6-7]研制出下限為10-16Pa·m3/s的檢漏儀。然而，在空間行波管實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，盡管所有零部件均通過(guò)了檢漏，但因空氣中的水氣、塵埃等常導(dǎo)致微小漏孔發(fā)生堵塞現(xiàn)象[8]，使得用再高靈敏度的儀器也無(wú)法檢出漏孔。另外，在電真空器件高溫排氣過(guò)程中，有缺陷的材料、焊縫等經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間烘烤后，也會(huì)發(fā)生漏氣。所以在電真空器件封離前，進(jìn)行超靈敏度檢漏是非常重要的[9-12]。

本文結(jié)合空間行波管的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，在排氣臺(tái)上測(cè)試四極質(zhì)譜儀的檢漏性能。期望為實(shí)現(xiàn)空間行波管的高可靠、長(zhǎng)壽命提供保障。

1 排氣系統(tǒng)

整管排氣是空間行波管封離前的最后一道工序，器件經(jīng)高溫烘烤使得在封離時(shí)內(nèi)部壓力達(dá)到超高真空10-8～10-7Pa。圖1為空間行波管烘烤排氣系統(tǒng)。

圖1 空間行波管烘烤排氣系統(tǒng)Fig.1 Baking exhaust system of space traveling wave tube

2 質(zhì)譜儀檢漏性能測(cè)試與可靠性驗(yàn)證

2.1 質(zhì)譜儀檢漏靈敏度測(cè)試

將漏率為1.8×10-8Pa·m3/s的標(biāo)準(zhǔn)漏孔接入排氣臺(tái)1個(gè)閥7對(duì)應(yīng)的工位，其余3個(gè)工位均密封。測(cè)試前，對(duì)排氣臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行高溫烘烤除氣。壓力達(dá)到10-7Pa后，開(kāi)質(zhì)譜儀，待壓力穩(wěn)定，且離子流穩(wěn)定后，關(guān)閉閥門(mén)1、2、3，可測(cè)得本底He離子流變化率X0。開(kāi)漏孔后，可測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)漏孔的He離子流變化率Xs。利用式（1）對(duì)質(zhì)譜儀靈敏度Qmin進(jìn)行計(jì)算[5]：

式中：Qs為標(biāo)準(zhǔn)漏孔漏率，Pa·m3/s；采用累積法檢漏時(shí)，X0為He離子流的本底增長(zhǎng)率，A/s；Xs為打開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)漏孔后的He離子流增長(zhǎng)率，A/s。

圖2為不開(kāi)漏孔時(shí)He離子流隨時(shí)間的增長(zhǎng)曲線。由于抽氣通路關(guān)閉，系統(tǒng)內(nèi)本底He的累積導(dǎo)致X0=2.4×10-16A/s。圖3為開(kāi)漏孔后，He離子流隨時(shí)間的增長(zhǎng)曲線?？梢钥闯觯瑯?biāo)準(zhǔn)漏孔He離子流變化率Xs=1.7×10-10A/s。

圖2 累積法測(cè)試的系統(tǒng)本底的He離子流變化Fig.2 Time dependent ion current of He background under accumulation mode

圖3 累積法測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)漏孔的He離子流變化Fig.3 Time dependent ion current of He under accumulation mode with a reference leak of 1.8×10-8Pa·m3/s

結(jié)合測(cè)試結(jié)果以及標(biāo)準(zhǔn)漏孔漏率Qs=1.8×10-8Pa·m3/s可知，在空間行波管實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，利用質(zhì)譜儀檢漏的靈敏度可達(dá)1.9×10-14Pa·m3/s，優(yōu)于一般商業(yè)檢漏儀約一個(gè)量級(jí)。

2.2 質(zhì)譜儀檢漏的可靠性驗(yàn)證

為驗(yàn)證質(zhì)譜儀檢漏的可靠性，實(shí)際測(cè)試了一支已確定漏氣的空間行波管。測(cè)試前，該管用商業(yè)檢漏儀未檢出漏。對(duì)該管進(jìn)行正常的真空烘烤排氣處理，然后用累積法進(jìn)行檢漏。漏率Ql由式（2）獲得[5]：

式中：Xl為漏氣行波管的He離子流增長(zhǎng)率，A/s。

測(cè)試過(guò)程為：A時(shí)刻打開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)漏孔，選用系統(tǒng)平衡后的BC段進(jìn)行離子流增長(zhǎng)率擬合，得Xl=2.6×10-12A/s，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)漏孔漏率可得該空間行波管的漏率為2.8×10-10Pa·m3/s，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 累積法測(cè)試的空間行波管的He離子流變化Fig.4 Time dependent ion current of He under accumulation mode with a Leaky Space TWTs

該漏氣空間行波管在前期未能檢出漏，分析認(rèn)為是因空氣中的水氣或塵埃將漏孔堵塞，造成了不漏的假象，但不漏是暫時(shí)的。經(jīng)高溫烘烤和抽氣，漏點(diǎn)暴露。維持該支空間行波管內(nèi)部真空，將外側(cè)暴露大氣24 h后，同樣采用累積法進(jìn)行檢漏，發(fā)現(xiàn)漏孔再次被堵上。接著又對(duì)其進(jìn)行第二次烘烤，漏點(diǎn)暴露。

由此可知，漏率為10-10Pa·m3/s量級(jí)的漏孔在大氣中非常容易堵塞。而烘烤可使水氣的張力下降，并加速蒸發(fā)。因此，可在空間行波管烘烤排氣后，在排氣臺(tái)上利用質(zhì)譜儀盡快對(duì)懷疑漏氣的行波管進(jìn)行檢漏。若無(wú)法確定是否漏氣，可對(duì)其進(jìn)行高溫烘烤，并重新檢漏核查。

2.3 排氣臺(tái)不同工作狀態(tài)下質(zhì)譜儀的檢漏靈敏度測(cè)試

因累積法為靜態(tài)測(cè)試方法，He離子流處于積累過(guò)程，漏孔的定位相對(duì)困難。另外，累積法測(cè)試過(guò)程須將抽氣通道關(guān)閉，而一般質(zhì)譜儀正常工作時(shí)，要求壓力低于5×10-2Pa。這導(dǎo)致在一些實(shí)際生產(chǎn)工作狀態(tài)下，質(zhì)譜儀的工作環(huán)境無(wú)法保證。所以，結(jié)合排氣臺(tái)的工作狀態(tài)，對(duì)不同動(dòng)態(tài)條件下質(zhì)譜儀的檢漏靈敏度進(jìn)行了測(cè)試。當(dāng)采用動(dòng)態(tài)法檢漏時(shí)，式（1）中X0為質(zhì)譜儀本底He離子流，A；Xs為被測(cè)漏孔的He離子流，A。

利用上節(jié)中漏率為2.8×10-10Pa·m3/s的空間行波管進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢漏測(cè)試。圖5為排氣臺(tái)在七種不同工作狀態(tài)下的He離子流變化曲線。表1給出了七種工作狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)檢漏靈敏度。

圖5 漏率為2.8×10-10Pa·m3/s的空間行波管在排氣臺(tái)不同工作狀態(tài)下的He離子流變化Fig.5 Time dependent ion current of He under seven different dynamic modes with a leaky Space TWTs of 2.8×10-10Pa·m3/s

表1 排氣臺(tái)在不同工作狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)檢漏靈敏度Tab.1 The leak detection sensitivity under seven different dynamic modes

比較狀態(tài)1～4與狀態(tài)5～7，后三組工作狀態(tài)下的檢漏靈敏度相較前四組高了近一個(gè)量級(jí)。即分子泵閥1打開(kāi)相較關(guān)閉狀態(tài)，漏孔引起的He離子流變化量非常小。這是因?yàn)槭韭怏wHe會(huì)被分子泵抽走，沒(méi)能被質(zhì)譜儀采集到。比較狀態(tài)5、6和狀態(tài)7的測(cè)試結(jié)果可看出，離子泵閥3關(guān)閉較打開(kāi)狀態(tài)的靈敏度高出約半個(gè)量級(jí)。同樣是因?yàn)榉至鳜F(xiàn)象，導(dǎo)致He大部分被離子泵組抽走。由于離子泵組較分子泵組對(duì)惰性氣體的抽氣能力要弱，所以分流作用對(duì)狀態(tài)1～4的影響要小。若放氣點(diǎn)為A，工作狀態(tài)為7時(shí)，不考慮器壁的吸附作用，He均經(jīng)過(guò)質(zhì)譜儀被泵抽走，此時(shí)檢漏靈敏度非常高，達(dá)到8.3×10-12Pa·m3/s。若同時(shí)打開(kāi)閥1（狀態(tài)3），結(jié)合管道流導(dǎo)預(yù)估（閥1管道DN100，閥2管道DN35）僅有約1/30的氣體流經(jīng)質(zhì)譜儀。此時(shí)檢漏靈敏度降為3.1×10-10Pa·m3/s。綜上，動(dòng)態(tài)檢漏時(shí)，應(yīng)盡可能在工作狀態(tài)7下進(jìn)行。

3 結(jié)論

本文針對(duì)空間行波管微小漏孔常發(fā)生堵塞的問(wèn)題，結(jié)合空間行波管的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，建立了器件封離前的超靈敏度檢漏方法，對(duì)其檢漏性能及可靠性進(jìn)行了測(cè)試與驗(yàn)證。主要結(jié)果表明：（1）在排氣臺(tái)上利用質(zhì)譜儀檢漏可靠，靈敏度達(dá)到1.9×10-14Pa·m3/s，可對(duì)器件經(jīng)烘烤后出現(xiàn)的漏孔進(jìn)行定位。為完成高可靠空間行波管的封離提供有效保障；（2）采用動(dòng)態(tài)檢漏時(shí)，檢漏下限可達(dá)8.3×10-12Pa·m3/s。若以檢漏為目的安裝質(zhì)譜儀時(shí)，應(yīng)考慮氣體的分流問(wèn)題，有必要單獨(dú)設(shè)置一路經(jīng)過(guò)質(zhì)譜儀的抽氣通道；（3）漏率在10-10Pa·m3/s量級(jí)的漏孔在大氣中易被堵塞，烘烤可使漏點(diǎn)暴露。在實(shí)際生產(chǎn)中，可對(duì)無(wú)法確定是否漏氣的器件進(jìn)行烘烤，重新檢漏核實(shí)。