付強(qiáng) 張海偉 張傳軍 郭曉華 吳伊蒙

摘要：某型裝備發(fā)射機(jī)在末制導(dǎo)攻擊時(shí)多采用功率大、體積小、重量輕、增益高的多注速調(diào)管作為功率放大器件，但該型速調(diào)管故障率高發(fā)。本文從失效模式出發(fā)，建立失效分類圖，列舉了陰極中毒導(dǎo)致發(fā)射電流小、輸出功率下降快、腔體頻率偏移、柵流增大導(dǎo)致打火損壞等主要失效模式，開(kāi)展原因分析，并給出改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：速調(diào)管；發(fā)射機(jī)；失效模式；改進(jìn)措施；功率放大

Keywords：klystron；transmitter；failure mode；improvement measures；power amplification

1 概述

隨著現(xiàn)代軍事科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，在主動(dòng)制導(dǎo)導(dǎo)引頭研制中，已逐漸使用固態(tài)功率模塊或者相控陣天線技術(shù)替代多注速調(diào)管發(fā)射機(jī)系統(tǒng)。為使功率放大器件在功率大、體積小、重量輕、增益高等方面達(dá)到要求，近二十年來(lái)大量裝備使用的速調(diào)管發(fā)射機(jī)系統(tǒng)由于在使用維護(hù)、返修、大修中經(jīng)常出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，需要不斷質(zhì)量改進(jìn)，完善工藝檢測(cè)方法，確保裝備使用可靠性及工作穩(wěn)定性。

某型裝備采用多注速調(diào)管發(fā)射機(jī)系統(tǒng)（見(jiàn)圖1），受服役年限增長(zhǎng)、環(huán)境復(fù)雜變化、開(kāi)機(jī)使用頻繁等因素影響，故障情況呈現(xiàn)規(guī)律演變。

2 失效模式

通過(guò)對(duì)速調(diào)管失效情況的匯總，對(duì)多注速調(diào)管存在的失效模式進(jìn)行總結(jié)，并給出失效模式分類圖（見(jiàn)圖2）[1]。

故障模式包括：

1）速調(diào)管陰極中毒導(dǎo)致發(fā)射電流??；

2）自動(dòng)優(yōu)化過(guò)程中速調(diào)管輸出功率下降快；

3）速調(diào)管腔體頻率偏移導(dǎo)致速調(diào)管輸出功率??；

4）柵流增大導(dǎo)致打火損壞。

3 失效原因分析

3.1 陰極中毒導(dǎo)致發(fā)射電流小

常規(guī)使用的速調(diào)管（如地面雷達(dá)應(yīng)用的）通常帶有可以抽氣的鈦泵。當(dāng)速調(diào)管工作時(shí)，同時(shí)對(duì)鈦泵加電，可將滲入速調(diào)管內(nèi)的氣體吸除，維持管內(nèi)真空度，保證速調(diào)管正常工作。但該型設(shè)備的多注速調(diào)管因使用環(huán)境特殊，不能帶鈦泵，即無(wú)法借助外部因素（如鈦泵）維持管內(nèi)真空度，只能靠自身密閉性能來(lái)維持管內(nèi)真空度。當(dāng)陰極發(fā)射能力下降時(shí)，陰極工作在溫度限制區(qū)域，改變了電子注成形條件，將導(dǎo)致電子注通過(guò)率變差，又由于金屬表面出氣，速調(diào)管正離子濃度增加，也會(huì)導(dǎo)致電子注通過(guò)率變差。因此，對(duì)制管所需的各種材料和連接處的焊接效果提出了很高的要求[2]。

3.2 自動(dòng)優(yōu)化過(guò)程中速調(diào)管輸出功率下降快

速調(diào)管單獨(dú)工作時(shí)雖然也有陰極發(fā)射電流下降問(wèn)題，但只要輸入的功率達(dá)到速調(diào)管所需的最佳輸入功率，速調(diào)管就能夠穩(wěn)定地輸出功率。

自動(dòng)優(yōu)化過(guò)程中速調(diào)管輸出功率下降快的原因：由于速調(diào)管的陰極發(fā)射電流從開(kāi)機(jī)瞬間到穩(wěn)定工作時(shí)變化較大，在此期間導(dǎo)引頭主振源的輸出功率從最小到最大的快速掃描過(guò)程中，根據(jù)速調(diào)管的輸出功率的反饋來(lái)確定主振源的最佳輸出功率，此后主振源的輸出功率只在此功率值的附近進(jìn)行小范圍調(diào)整。因自動(dòng)優(yōu)化過(guò)程中速調(diào)管陰極發(fā)射電流一直在變化，主振源在快速掃描過(guò)程中所確定的輸出功率并不是速調(diào)管陰極發(fā)射電流穩(wěn)定時(shí)速調(diào)管所需的最佳輸入功率，再加上主振源的輸出功率只能在此功率值附近進(jìn)行小范圍調(diào)整，因此導(dǎo)致速調(diào)管的輸出功率無(wú)法穩(wěn)定。

3.3 速調(diào)管腔體頻率偏移導(dǎo)致速調(diào)管輸出功率小

速調(diào)管在老煉測(cè)試過(guò)程中通過(guò)微調(diào)各腔體的頻率使速調(diào)管達(dá)到最佳的工作狀態(tài)。微調(diào)各腔體頻率通過(guò)安裝在調(diào)諧螺釘上的調(diào)諧螺套來(lái)實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)諧螺套時(shí)，調(diào)諧螺釘使調(diào)諧膜片產(chǎn)生變形，改變腔體尺寸從而實(shí)現(xiàn)改變腔體頻率的目的。

由于調(diào)諧螺釘和調(diào)諧螺套之間的配合不可避免地存在一定的回程差，經(jīng)過(guò)外力的作用使得調(diào)諧螺釘?shù)臓顟B(tài)發(fā)生變化，就會(huì)導(dǎo)致腔體頻率偏移，使速調(diào)管輸出功率達(dá)不到最佳值。

3.4 柵流增大導(dǎo)致打火損壞

速調(diào)管工作原理框圖如圖3所示。速調(diào)管陰極使用過(guò)程中處于高溫狀態(tài)，長(zhǎng)期多次加電后不可避免地會(huì)產(chǎn)生少量蒸散物，部分落到柵網(wǎng)上，導(dǎo)致陰極-柵極間耐壓下降，極端情況下可能導(dǎo)致陰柵打火，損壞柵網(wǎng)，使速調(diào)管無(wú)法正常工作。

另外，柵網(wǎng)和陰極罩均為薄壁金屬件，金屬一般為多晶體結(jié)構(gòu)，由晶格組成，其性質(zhì)與晶格結(jié)構(gòu)類型和晶格常數(shù)密切相關(guān)。金屬在高溫狀態(tài)下，由于金屬原子動(dòng)能的增加，逐步生成新的晶粒，形成新的組織，該過(guò)程稱為再結(jié)晶過(guò)程。再結(jié)晶結(jié)束后，新的晶粒充滿整個(gè)金屬體，若溫度繼續(xù)保持，新生成的晶粒由于大小不一將產(chǎn)生合并現(xiàn)象，導(dǎo)致晶格長(zhǎng)大，金屬?gòu)?qiáng)度下降。

速調(diào)管電子槍的陰極罩工作時(shí)處于1000℃以上的高溫狀態(tài)，有利于再結(jié)晶現(xiàn)象的產(chǎn)生。長(zhǎng)時(shí)間的高溫工作使晶格長(zhǎng)大到一定程度后，在機(jī)械應(yīng)力及熱應(yīng)力作用下將導(dǎo)致零件沿晶界邊緣開(kāi)裂，引起陰極-柵極短路。該故障模式也是影響速調(diào)管貯存及使用壽命的重要原因之一。

4 改進(jìn)控制措施

4.1 陰極中毒的改進(jìn)措施

該速調(diào)管整體由金屬陶瓷材料焊接而成，必須保證其具有一定的真空度條件速調(diào)管才能正常工作。各零部件裝配焊接成型后都應(yīng)通過(guò)高精度真空檢漏儀嚴(yán)格檢漏，以保證焊縫質(zhì)量；增加控制手段，優(yōu)化排氣工藝，提高排氣后管內(nèi)真空度；通電老練時(shí)，制定合理優(yōu)選方案，延長(zhǎng)測(cè)試?yán)暇殨r(shí)間，通過(guò)貯存進(jìn)行速調(diào)管內(nèi)真空度變化情況檢驗(yàn)，定期進(jìn)行電老練[3]。

4.2 自動(dòng)優(yōu)化功率下降快

根據(jù)速調(diào)管工作特性，在發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有自動(dòng)優(yōu)化回路，對(duì)主振源激勵(lì)信號(hào)經(jīng)速調(diào)管放大后送往環(huán)形器的探測(cè)信號(hào)使用檢波二極管進(jìn)行檢波，并將該檢波信號(hào)經(jīng)放大后送往數(shù)字比較器，通過(guò)與前時(shí)刻數(shù)值或額定數(shù)值進(jìn)行比較，進(jìn)而調(diào)整主振源激勵(lì)信號(hào)的能量，閉環(huán)自動(dòng)優(yōu)化回路。該回路在發(fā)射機(jī)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后的t時(shí)間內(nèi)完成優(yōu)化工作，并對(duì)優(yōu)化后數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，隨后通過(guò)調(diào)用工作曲線轉(zhuǎn)入優(yōu)化回路的跟蹤狀態(tài)[4]。但在少數(shù)情況下，存在速調(diào)管和主振源工作匹配性原因，導(dǎo)致自動(dòng)優(yōu)化功率下降快。具體改進(jìn)方法為：

1）將速調(diào)管和主振源配合工作，重新調(diào)整速調(diào)管的帶寬和所需的最佳輸入功率，改變速調(diào)管的工作狀態(tài)，使其與主振源配合工作時(shí)性能得到改進(jìn)，以修正此問(wèn)題。

2）在進(jìn)行速調(diào)管狀態(tài)固化時(shí)，適當(dāng)增加速調(diào)管所需的最佳輸入功率，降低速調(diào)管增益，增加速調(diào)管的帶寬，提高速調(diào)管工作的穩(wěn)定性。將速調(diào)管的增益降低3～5dB，速調(diào)管-1dB帶寬調(diào)寬到10%左右，以此增加速調(diào)管的匹配性。

3）通過(guò)針對(duì)速調(diào)管陰極進(jìn)行的大量試驗(yàn)驗(yàn)證工作，證明提高速調(diào)管陰極的工作溫度有利于降低陰極發(fā)射電流的變化幅度。故可嘗試進(jìn)行燈絲電壓的調(diào)整，使速調(diào)管工作性能得到一定程度的提升，以滿足發(fā)射機(jī)系統(tǒng)工作要求。

4.3 頻偏導(dǎo)致功率下降

速調(diào)管工作點(diǎn)頻偏與發(fā)射功率降低的現(xiàn)象一致，均為輸出信號(hào)功率低，其最大的區(qū)別是工作點(diǎn)偏移可通過(guò)調(diào)試腔體上的調(diào)諧螺釘調(diào)至正常工作狀態(tài)。早期產(chǎn)品為了適應(yīng)整機(jī)需要，速調(diào)管的帶寬不能調(diào)得很寬，容易導(dǎo)致速調(diào)管的腔體頻率偏移，從而影響速調(diào)管的輸出功率。隨著技術(shù)水平的提高，后期產(chǎn)品可以適當(dāng)增加速調(diào)管的帶寬，帶寬增加后，在工作點(diǎn)附近輸出功率不會(huì)明顯受頻率變化的影響。

4.4 陰柵打火導(dǎo)致速調(diào)管損壞

陰柵打火的主要原因?yàn)椋涸撔退僬{(diào)管采用的調(diào)制方式為柵極調(diào)制，柵極離陰極距離近，陰極為直流高壓，容易發(fā)生打火現(xiàn)象，極易損壞速調(diào)管；速調(diào)管的金屬電極表面存在許多微米級(jí)的微突起，其局部電場(chǎng)可能增加幾十至上百倍，當(dāng)超過(guò)擊穿電壓時(shí)將引發(fā)真空擊穿；速調(diào)管燈絲溫度過(guò)高，使陰極表面覆膜蒸散速度過(guò)快，蒸散物附著在金屬電極表面時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電極的耐壓性降低，容易引發(fā)打火；陰極表面覆膜蒸散導(dǎo)致陰極耐壓性降低，引發(fā)陰極擊穿；陰極發(fā)出的電子轟擊陽(yáng)極，陽(yáng)極局部溫度過(guò)高，導(dǎo)致陽(yáng)極發(fā)生擊穿[5]。

陰極蒸散具有以下特點(diǎn)：一是初期蒸散量大，隨時(shí)間會(huì)緩慢下降并穩(wěn)定；二是隨工作溫度的提高蒸散量上升。為此采取措施：一是增加陰極預(yù)處理工藝，待陰極蒸散量穩(wěn)定后再裝管；二是控制熱絲電流，減少蒸散量；三是通過(guò)老練剔除柵流超標(biāo)的產(chǎn)品。

晶格增大導(dǎo)致零件老化破損的問(wèn)題目前還沒(méi)有有效的解決措施，但該過(guò)程長(zhǎng)期而緩慢，目前僅出現(xiàn)3例，失效時(shí)使用時(shí)間均超過(guò)10年。因此，該失效模式不會(huì)導(dǎo)致速調(diào)管早期失效，可以滿足整機(jī)大修期的使用要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

速調(diào)管是某型裝備導(dǎo)引頭發(fā)射機(jī)系統(tǒng)重要分組件之一，掌握其失效模式和故障排除方法對(duì)裝備的日常維護(hù)和定期維修具有重要的指導(dǎo)意義。

本文通過(guò)對(duì)多注速調(diào)管失效模式進(jìn)行分析，建立故障樹(shù)，對(duì)制定改進(jìn)措施起了非常重要的指導(dǎo)作用。同時(shí)認(rèn)識(shí)到，在同類裝備的國(guó)產(chǎn)化研制中，需要加強(qiáng)檢漏技術(shù)方法研究，并側(cè)重研究速調(diào)管與主振源的匹配性和兼容性問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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