采用四極質譜儀，對大功率速調管烘烤排氣過程中殘余氣體進行實時檢測，分析烘烤排氣過程中管內件及氧化物陰極的出氣規律。結果表明：烘烤排氣過程中主要出現三個出氣高峰，依次出現在烘烤排氣溫度30，75，325℃；過程中排除氣體主要為H2O ，并含有少量CO 和H2 ；進入烘烤排氣保溫區后，出氣量較小，且基本保持恒定；烘烤排氣結束后，殘余氣體含量微少，均低于1.2×10^-5 Pa ，為速調管提供了較好的高真空環境。

　　電真空器件中殘余氣體對器件的陰極發射性能、整管性能及壽命等有著非常重要影響。在實際工作中，不但要降低電真空器件中殘余氣體的量(真空度)，更要注意控制殘余氣體的質(氣體成分)，即將對陰極有毒化作用的氣體壓強降低到臨界中毒壓強以下，甚至為零，而對陰極有激活作用的還原性氣體控制在一個最佳壓強范圍。通常，管內殘余氣體在電子注作用下發生電離，產生的離子會引起離子聚焦、離子轟擊陰極和離子震蕩等物理現象，使陰極發射和高頻輸出功率下降。合理的烘烤和排氣(以下簡稱烘排)工藝過程對減少速調管內殘余氣體，保證速調管可靠工作尤為重要。

　　分析烘排過程中管內出氣的成分及其分壓強對提高電真空器件的性能和質量、改進產品的設計和工藝具有重要的作用。殘余氣體質差量高，往往是器件性能低劣，早期失效的主要原因之一，采用四極質譜殘余氣體分析技術將有助于分析各種殘氣成分對器件性能和壽命的影響，有助于查明器件內存在的放氣源，以便判斷陰極及各部件、烘排生產工藝規范是否科學合理，分析器件的質量，作為檢測整管的手段。四極質譜儀已成為高可靠、高穩定、長壽命的電真空器件所必備的診斷儀器。

　　本文在真空排氣臺上安裝四極質譜儀，通過烘烤排氣過程中器件內出氣過程的質譜分析，對陰極及管內材料出氣過程及成分研究和評價。

1、試驗系統

　　本實驗系統主要由真空室、內真空系統、外真空系統、烘烤系統、四極質譜分析儀五部分組成。詳細組成零部件如圖1 所示。該設備專用于超高真空條件下的大功率速調管烘烤排氣及封離。

圖1 　用于殘余氣體質譜分析的實驗系統原理圖

　　真空室有效工作空間Υ1000 mm ×2000 mm ，工件內腔容積≤10 L。內真空系統(工件內真空)主要由兩臺機械泵、兩臺分子泵、一臺離子泵組成，極限真空度大于10^-8 Pa ，為防止真空系統對工件內油氣污染，在機械泵前級加了兩臺冷阱。外真空系統主要由兩臺大抽速機械泵和一臺擴散泵組成，極限真空度1 ×10^-3 Pa 。

　　四極質譜儀連接到內真空系統上，用于烘烤排氣過程中大功率速調管殘余氣體分析。四極質譜儀不用磁鐵，性能指標較高，是目前應用最廣的一種小型動態質譜儀。可測量器件內部氣體的組分和相應的分壓強值。四極質譜分析系統主要由以下部分構成：超高真空機組、腔體(管道)及閥門、四極質譜儀、采樣分析機構、測試控制儀表等輔助裝置。

2、烘烤排氣過程中管內出氣規律

　　大功率速調管由于其工作電壓高、陰極發射電流密度高、電子注功率高和容積大，其真空腔內殘余氣體的成分及含量會影響其正常工作，甚至導致整管報廢。速調管主要通過烘烤排氣工序完成對陰極分解和激活，及腔內真空環境獲得的。烘烤和排氣工序是速調管制備的最后一道工序，通過對速調管加熱和真空排氣，清除速調管工藝過程中的有機物，去除吸附在金屬和陶瓷材料表面的氣體，對陰極進行分解和激活，獲得陰極、高壓絕緣和電子注傳輸所要求的高真空環境。

　　本實驗選用S 波段大功率速調管進行烘排過程中管內出氣規律的分析研究。該速調管采用復合結構的氧化物陰極，陰極裝入速調管前經過了電子槍預除氣工序，因此在整管烘烤排氣工序中陰極分解環節出氣較少，縮短了整管所需的烘排時間，減小陰極出氣對管內環境的影響。如圖2 所示，為大功率速調管烘烤排氣過程中，殘余氣體成分及含量的變化。由圖中可以觀察出，在整個烘烤排氣過程中，H2O(M/ e =18)出氣量最大，其余出氣量從大到小依次為CO(M/e =28)，H2(M/ e =2)。O2 (M/ e =32)和CO2(M/ e =44)出氣量微小，可以忽略。

圖2 　烘排過程中出氣曲線

　　其中除CO 氣體外，其它氣體在整個烘排過程中出氣規律基本一致，主要出現三個氣峰，第一個氣峰發生在燈絲電壓、電流施加初期(燈絲電流7 A ，烘排溫度30 ℃)，隨著烘排溫度和陰極溫度的升高，當溫度達到75 ℃時出現第二個氣峰，在325 ℃烘排溫度下，出現第三個也是最大的出氣峰，隨后器件內出氣量逐漸降低，在450 ℃保溫期間，出氣量非常微小且基本保持恒定，未見明顯氣峰出現。烘排過程中，CO 出氣規律比較特殊，在升溫過程中，也產生了三個出氣峰，但出氣量并不大，進入烘排保溫區后出現兩個較大的出氣高峰。

3、烘烤排氣過程中出氣峰分析

　　管內殘余氣氛對氧化物陰極的影響分為中毒性氣氛、中性氣體氣氛、激活性氣氛三類。依據排氣過程中殘余氣氛含量、殘余氣氛對陰極作用等因素，重點對O2 、H2O 、CO2 、H2 、N2 等進行分析。本文主要針對排氣過程中出現的三個氣峰、450 ℃保溫區、烘排完畢整管出爐前等五個時間段進行重點殘氣分析，以分析出殘余氣體成分及其出氣規律。

　　速調管整管進入高真空烘排氣臺后，開啟真空泵并檢漏，此時整管出氣量較大，真空度較低，所以不進行升溫排氣，為保證陰極排氣質量，防止管內殘余氣體具有向陰極低溫區聚集導致陰極“中毒” ，需對燈絲施加電流電壓，使陰極區溫度升高。本實驗首先對烘烤排氣過程中第一個出氣高峰進行殘氣分析，此時燈絲電壓和電流達到烘排設定值，烘排爐內溫度為30 ℃，超高真空規管測得真空度為1 ×10^-5 Pa ，四極質譜分析如圖3(a)所示。該出氣峰氣體主要由于陰極電流和電壓升高，陰極分解產生而成，隨著燈絲電流電壓的升高，電子槍內部溫度升高，陰極材料出氣量增加，主要出氣的質量數分別為18 ，17 ，28 ，16 ，2 ，32 ，44 ，根據氣體典型質譜圖，質量數18 為H2O 峰，質量數17 為OH+碎片峰；因無質量數14 的N+碎片峰出現，所以質量數28 應主要為CO 氣峰，質量數2 主要為H2 氣峰，16 為O2-峰，32 和44 出氣量較少，始終處于10-4量級，分別為O2 和CO2 峰。

　　與此同時，由于電子槍內部溫度升高，結構材料物理吸附和化學吸附氣體大量放出，以上因素綜合作用產生第一個出氣峰。隨著烘排溫度的升高，結構零部件材料物理吸附氣體釋放，出現第二個出氣峰，氣峰氣體成分及含量如圖3(b)及表1 所示為，此時燈絲電壓電流為烘排設定值，爐內溫度為75 ℃。經過第二個烘排出氣高峰后，隨著烘排溫度的升高，出氣量緩慢增加，到爐內溫度325 ℃時，達到第三個出氣高峰，此時氣峰氣體成分及含量如圖3(c)及表1 所示。

　　由圖表中可以看出，三個出氣峰氣體均主要為H2O ，并含有少量的H2 和CO ，及微量的O2 ，CO2 。烘排過程中的出氣主要包括陰極材料出氣和結構材料出氣。試驗速調管陰極采用氧化物陰極，該類陰極出氣量較大，主要由于該陰極表面氧化物在短暫的與空氣接觸過程中易吸附雜氣，如H2O 、CO2 、H2 等，且結構疏松，吸氣量較大。陰極制備過程中，使用了銷棉等有機物，在前處理過程中，有機物分解產生的C ，烘排過程中在高真空高溫條件下與材料內部的O原子結合形成CO 、CO2 等。

圖3　氣峰時刻出氣質譜圖

表1　氣峰時刻殘余氣體成分含量

　　在真空條件下，速調管中的結構材料的出氣主要來自表面物理脫附的氣體和化學反應產生的氣體。速調管的結構材料在空氣中儲存時，其吸附的氣體與環境中氣體達到動態平衡，進入真空環境后，這種動態平衡被打破，結構材料開始向真空環境中出氣，其中物理吸附的氣體與材料表面的結合力較弱，在常溫真空條件就能較容易的去除，而化學吸附氣體與材料表面原子為化學鍵結合，結合力較大，比物理吸附力強的多，因此常在烘烤環節中400 ℃較長時間可去除，即在第三個氣峰附近放出。材料的放氣特性，與材料成分、純度、預處理方法、材料表面粗糙度及試驗方法有密切關系。速調管主要金屬結構均在氫氣保護條件下釬焊而成，且氫氣易于吸附于各種材料表面并滲入零件內部，相對于其他氣體，

　　氫氣更容易脫附。對于金屬材料，不同氣體的脫附溫度和脫附活化能Ed 相差較大，其中氫氣分子的脫附溫度最低，為30 ～ 45 ℃，接近常溫。通常金屬表面都會生成厚度為10 ～ 1000 nm 的多孔性氧化膜，面積為1 cm2 ，厚100 nm 的氧化膜可以吸附相當于100 個水分子層的水汽量。尤其是陰極表面疏松氧化物極易吸附大量水蒸汽。金屬部件在真空中加熱時，在200 ℃以內主要是水和其他表面吸附物質的脫附。達到200 ℃以上，處于氧化層中的吸附水及其他物質開始釋放，釋放速率決定于其分子通過不同長度和直徑的微孔或晶格與晶界的擴散速率。

　　在烘烤溫度300 ～ 400 ℃時，這部分氣體(N2 ，O2 、CO2)快速放出，形成第三個出氣高峰。一部分水分子為高溫條件下，材料內部H2 還原氧化物產生H2O 。

4、烘烤排氣過程中保溫區、烘排后殘氣分析

　　圖4(a)為烘排保溫18 h 后殘余氣體成分，具體含量如表2 所示。由圖表中所示，經過18h 烘排后，管內主要氣體含量較低且基本保持恒定，主要氣體為CO 。三個氣峰中主要的H2O 、H2 氣體均基本排氣完畢，含量均低于3 .165 ×10^-5 Pa 。圖4(b)為烘排結束，停油泵6 h 后管內殘氣分析，此刻燈絲電壓電流為0 ，爐內溫度72 ℃。由表2 所示，烘排結束后管內真空度達4 .3 ×10^-8 Pa ，完全滿足微波管正常工作的10^-5 ～ 10^-6 Pa 真空度要求。管內殘余氣體主要為微量的CO ，殘余氣體含量均低于速調管正常工作的臨界壓強值，不會影響整管的正常工作。進行該分析后，即關四極質譜儀、開爐出整管，因此此刻管內殘氣分析直接反映了烘排后整管管內真是殘氣成分和含量，直觀的反應了該支電真空器件管內真空環境。

圖4 　烘烤排氣保溫區管內出氣質譜圖及整管封離前殘氣質譜圖

表2 　烘烤排氣保溫區殘余氣體成分及整管封離前殘氣成分

5、結論

　　(1)烘烤排氣過程中主要出現三個出氣高峰，依次出現在烘排溫度30 ，75 ，325 ℃過程中排除氣體主要為H2O ，并含有少量CO 和H2；

　　(2)進入烘排保溫區后，出氣量基本保持恒定，且出氣量較小；

　　(3)烘排結束后，整管內部真空度達4 .3 ×10^-8 Pa 殘余氣體含量均低于速調管正常工作的臨界壓強值，為速調管提供了非常好的高真空環境。