電子注分析的測(cè)量方法

1．引言

　　隨著半導(dǎo)體工業(yè)的高速發(fā)展，半導(dǎo)體器件因其體積小、能耗低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代了大部分電子管器件，但在現(xiàn)代無線電工程系統(tǒng)中，大功率、超高頻電子器件仍占有不可取代的地位。在電臺(tái)和雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)中，磁控管、速調(diào)管、行波管、EBS管等大功率高頻電子發(fā)射管是不可缺少的核心器件。在這類器件中，最重要的組成部分是電子注，它的主要功能是在與電磁場(chǎng)相互作用過程中，將電源能量轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l振蕩能量。一個(gè)發(fā)射系統(tǒng)的質(zhì)量主要取決于電子發(fā)射管的性能，而電子發(fā)射管的射頻性能、頻率捷變性能、散熱性能以及功率、增益、效率等都取決于電子注的性能。因此，研究電子注的結(jié)構(gòu)和參量，分析電子注的截面尺寸及橫截面上的電流密度分布、脈動(dòng)、各電子層的運(yùn)動(dòng)軌跡及各個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)軌跡等，對(duì)于提高電子發(fā)射管的性能有著重要意義。電子注分析系統(tǒng)就是根據(jù)上述要求設(shè)計(jì)和研制的，該系統(tǒng)可對(duì)電子注的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，可完成電子注各種參數(shù)的全面測(cè)量。

2．電子注分析系統(tǒng)工作原理

　　電子注分析系統(tǒng)工作原理如圖1所示。該系統(tǒng)主要由待測(cè)電子槍、收集極、XYZ三坐標(biāo)精密移動(dòng)工作臺(tái)、電流放大器、A／D轉(zhuǎn)換器以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)組成。待測(cè)電子槍是電子注發(fā)射系統(tǒng)，由燈絲、陰極、調(diào)制陽極（或控制柵）和聚焦極組成，電子槍經(jīng)陰極發(fā)射一束電子流，通過調(diào)制陽極（或控制柵）的調(diào)制，再經(jīng)聚焦極形成電子注。收集極和XYZ三坐標(biāo)精密移動(dòng)工作臺(tái)是電子注分析系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件。為精確分析電子注結(jié)構(gòu)和各參數(shù)的特性，必須測(cè)量電子注總束流、電子注不同截面上各點(diǎn)的電流、電流密度分布以及截面積尺寸和沿軸向變化的分布規(guī)律等參數(shù)。為滿足測(cè)量要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了入口直徑分別為0．1mm和20mm的兩個(gè)法拉第杯作為收集極。采用大口徑收集極測(cè)量電子注總束流，可使電子注全部裝入收集極，防止電子從入口處逸出；采用小口徑收集極測(cè)量電子注電流密度分布，可使電子注截面上采樣點(diǎn)增加以提高測(cè)量精度。在收集極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，應(yīng)考慮因電子注進(jìn)入其內(nèi)部后電子束流轟擊其表面而產(chǎn)生二次電子發(fā)生和防止反射電子逸出。收集極在三維空間三個(gè)坐標(biāo)方向上的運(yùn)動(dòng)由XYZ三坐標(biāo)精密移動(dòng)工作臺(tái)來完成。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量要求發(fā)出指令，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密移動(dòng)工作臺(tái)坐標(biāo)軸帶動(dòng)收集極在三維空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)并獲取采樣信息。收集極輸出的電子流經(jīng)電流放大和A／D轉(zhuǎn)換后輸入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，獲得電子注參量和工作特性，并打印數(shù)據(jù)、表格和曲線。

圖1　電子注分析系統(tǒng)工作原理圖

3．三坐標(biāo)精密移動(dòng)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)

　　三坐標(biāo)精密移動(dòng)工作臺(tái)是整個(gè)電子注分析系統(tǒng)的核心部分，也是設(shè)計(jì)難度最大的部分。在測(cè)量電子注截面積尺寸、電流密度分布以及電子注沿軸向特性分布時(shí)，收集極在三維空間內(nèi)逐點(diǎn)采樣的間距保持性、采樣均勻性、收集極在空間的定位精度等技術(shù)指標(biāo)完全取決于三坐標(biāo)精密移動(dòng)工作臺(tái)的性能。此外，真空度的高低對(duì)電子注性能影響很大，當(dāng)真空度低于1.33×10^{－3時(shí)，電子注軸線附近會(huì)形成嚴(yán)重的離子積累效應(yīng)及離子與電子的中和現(xiàn)象，致使電子槍陰極中心產(chǎn)生離子斑，離子斑的存在會(huì)使電子注表現(xiàn)出明顯的非層流性和強(qiáng)烈的發(fā)散性，使電子注中的電流密度分布及橫向速度分布發(fā)生顯著變化，陽極截獲電子增加，從而大大影響器件性能。因此，在電子注分析系統(tǒng)中，電子槍、收集極以及三坐標(biāo)精密移動(dòng)工作臺(tái)必須工作在真空度為1．33×10－5的環(huán)境中，這就要求三坐標(biāo)精密移動(dòng)工作臺(tái)在保證測(cè)量范圍、運(yùn)動(dòng)精度和工作穩(wěn)定性的前提下，必須布局合理、結(jié)構(gòu)緊湊，最大限度地減小體積，這就為設(shè)計(jì)增加了難度。三坐標(biāo)精密移動(dòng)工作臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)如下：}

　　X坐標(biāo)方向行程：0～30mm；相鄰測(cè)量點(diǎn)采樣間距：0.05mm；誤差：0.005mm。

　　Y坐標(biāo)方向行程：0～30mm；相鄰測(cè)量點(diǎn)采樣間距：0.05mm；誤差：0.005mm。

　　Z坐標(biāo)方向行程：0～30mm；相鄰測(cè)量點(diǎn)采樣間距：0.05mm；誤差：0.005mm。

　　三坐標(biāo)精密移動(dòng)工作臺(tái)的X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸分別采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，收集極安裝在工作臺(tái)上。步進(jìn)電機(jī)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制下，驅(qū)動(dòng)各坐標(biāo)軸帶動(dòng)裝有收集極的工作臺(tái)按一定順序和相應(yīng)步驟完成電子注測(cè)量系統(tǒng)三維空間內(nèi)的逐點(diǎn)采樣。三坐標(biāo)精密移動(dòng)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。PaPa

圖2　三坐標(biāo)精密移動(dòng)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

　　由于工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部件上需放置收集極，并考慮到Z坐標(biāo)方向行程較大，為了降低整個(gè)工作臺(tái)系統(tǒng)的重心，減小Z坐標(biāo)導(dǎo)軌的彎曲應(yīng)力，所以在工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)我們將Z坐標(biāo)軸置于最上層，傳動(dòng)方式采用絲杠、螺母機(jī)構(gòu)，導(dǎo)向裝置選用兩套直線運(yùn)動(dòng)球軸承配合兩根精密導(dǎo)桿組成。導(dǎo)桿與絲杠通過球軸承和螺母與工作臺(tái)連接，對(duì)工作臺(tái)起到支承作用，使工作臺(tái)受力均勻、升降靈活、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，以確保Z坐標(biāo)方向的運(yùn)動(dòng)精度。Y坐標(biāo)軸導(dǎo)軌置于中間一層，X坐標(biāo)軸導(dǎo)軌置于最下層；Z軸導(dǎo)軌置于Y軸導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)件上，Y軸導(dǎo)軌又置于X軸導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)件上。X、Y軸導(dǎo)軌的傳動(dòng)系統(tǒng)均采用絲杠、螺母機(jī)構(gòu)。考慮到X、Y軸導(dǎo)軌行程較小，但運(yùn)動(dòng)靈敏度和定位精度要求較高，低速時(shí)不允許有爬行現(xiàn)象，所以設(shè)計(jì)時(shí)X、Y軸導(dǎo)軌選用滾珠導(dǎo)軌，以保證導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。

4．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與三坐標(biāo)精密移動(dòng)工作臺(tái)的控制

　　電子注分析系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要功能為：（1）完成電子注發(fā)射系統(tǒng)各參數(shù)的控制，以及收集極的信號(hào)采集和電子注分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理；分析電子注發(fā)射系統(tǒng)磁場(chǎng)、陽極電流、負(fù)載電導(dǎo)、負(fù)載電納、輸出功率等參量之間的關(guān)系，繪制電子注發(fā)射系統(tǒng)的工作特性曲線。（2）完成對(duì)三坐標(biāo)移動(dòng)工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)和控制，實(shí)現(xiàn)收集極在三維空間內(nèi)任意位置的運(yùn)動(dòng)控制和電子束流采樣。圖3為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及三坐標(biāo)移動(dòng)工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖。整個(gè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、8751單片機(jī)和電子注分析系統(tǒng)軟件組成。計(jì)算機(jī)完成電子注發(fā)射系統(tǒng)的控制和收集極信號(hào)的采集、分析和處理；單片機(jī)系統(tǒng)通過串行通訊口與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)根據(jù)電子注分析系統(tǒng)軟件給定的程序向單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出指令脈沖，經(jīng)運(yùn)算處理電路和驅(qū)動(dòng)電路完成X、Y、Z三坐標(biāo)軸步進(jìn)電機(jī)的控制。為了能輸入和更新給定值、修改控制程序中的參數(shù)，我們采用了可編程鍵盤顯示接口芯片8279，以自動(dòng)完成鍵盤掃描輸入和LED掃描顯示。電子注發(fā)射系統(tǒng)工作特性曲線和電子注分析系統(tǒng)的處理結(jié)果由CRT顯示和打印機(jī)輸出。

圖3　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及三坐標(biāo)移動(dòng)工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖

5．結(jié)語

　　電子注分析系統(tǒng)利用三坐標(biāo)精密移動(dòng)工作臺(tái)帶動(dòng)收集極完成對(duì)電子注在三維空間中任意位置的束流采樣，再經(jīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子注發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作性能的全面測(cè)量和分析。這種方法與目前國(guó)內(nèi)普遍采用的熒光測(cè)量法相比，在自動(dòng)化程度、測(cè)量可靠性以及測(cè)量準(zhǔn)確度等方面都有較大提高，將在研制超高頻大功率電子器件中發(fā)揮重要作用。