Гнездовая откачка электровакуумных приборов с ионно-плазменной очисткой электродов

УДК 621.373.002

В.И. Воронин, А.А. Лемякин, О.А. Зоркина ГНЕЗДОВАЯ ОТКАЧКА ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ С ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОЧИСТКОЙ ЭЛЕКТРОДОВ

Разработан технологический процесс откачки электровакуумных приборов с ионно-плазменной очисткой электродов. Исследованы режимы и критерии очистки электродов в тлеющем разряде постоянного тока.

V.I. Voronin, A.A. Lemyakin, O.A. Zorkina JACK EVACUATION OF ELECTRICAL VACUUM DEVICES WITH ION-PLASMA ELECTRODES CLEANING

Technological process of transmitting of electrical vacuum devices evacuation with ion-plasma electrodes cleaning is developed. Modes and criteria of electrode cleaning in smoldering d.c. discharge are researched.

На предприятиях электронной промышленности проведено большое количество научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, позволяющих определить основные направления усовершенствования технологических процессов откачки электровакуумных приборов (ЭВП), приводящих к сокращению длительности цикла откачки и улучшению их вакуумных и электрических характеристик.

Целью работы является исследование и усовершенствование технологического процесса откачки ЭВП за счет применения гнездовой откачки и ионно-плазменной очистки (ИПО) электродов.

Для крупногабаритных приборов такие исследования не проводились. В случае применения ИПО при откачке мощных приборов важную роль играют вопросы равномерной очистки всех поверхностей в разряде, активного контроля степени очистки электродов в процессе откачки, влияния параметров разряда на степень очистки электродов и длительность технологического процесса откачки.

Объектом исследований является ЭВП с карбидированным торированным вольфрамовым катодом и цилиндрической геометрией электродов и технологический процесс его откачки.

Экспериментальные исследования процесса гнездовой откачки с очисткой в разряде газов проводились на модернизированной откачной позиции поста типа ВЭ-702 (рис. 1).

Электрическая схема блока зажигания разряда на электродах прибора приведена на рис. 2. Общее включение осуществляется выключателем В1 и тумблером В2. Постоянное по величине напряжение на выходе регулируется автотрансформатором Тр1 с повышающим трансформатором Тр2. Напряжение источника измеряется киловольтметром kVi.

Напряжение разряда измеряется киловольтметром kV2. Ток разряда измеряется миллиамперметром Ип3 типа М24. Балластное сопротивление R типа ПЭВ-100-7500 Ом

±5%. При токе разряда более 0,1 А срабатывает реле Р4 и замыкает нормально разомкнутый контакт Кр4. Срабатывает реле Р3, размыкая нормально замкнутый контакт Кр3. Устройство отключается от сети. Повторное включение осуществляется с помощью тумблера В2.

Откачка ЭВП по существующей технологии производится через стеклянный штенгель диаметром 8 мм, расположенный в торцовой части анода, с последующей герметизацией огневой заваркой. Эффективная быстрота откачки не превышает 10-3 м3/с. Цикл откачки по существующей технологии составляет 16 ч.

Исследования режимов очистки электродов в газовом разряде проводились в аргоне и среде остаточных газов.

После откачки системы до давления 10"4 Па через нее пропускался стационарный поток рабочего газа и в приборе устанавливалось постоянное давление 10-100 Па. Затем последовательно производилась очистка отдельных электродов и арматуры за счет изменения на них напряжений.

Общее количество газов-загрязнителей (ГЗ), выделившихся при очистке данного электрода, определяется по площади под кривой газовыделения 0З.

о, = Я0 = \рл

¿0

Ас = а) -£>ва\Sfodt,

где Рд() - текущее давление в сечении датчика во время очистки в разряде, Па; РРГ -давление рабочего газа в сечении датчика перед началом очистки, Па; 8ЭФ - быстрота откачки в сечении датчика, л/с.

Рис. 1. Схема позиции для гнездовой откачки ЭВП с герметизацией ДС: 1 - прибор; 2 - откачное гнездо; 3, 4 - блоки тарельчатых пружин; 5 - механизм герметизации; 6 - опорные элементы; 7 сильфон;

8 - площадки; 9 - направляющие; 10 - заглушка;

11 - уплотняющий разъемный фланец; 12 -устройство для зажигания разряда; 13 - балластное сопротивление

Рис. 2. Электрическая схема для зажигания разряда в ЭВП

Значение 8ЭФ определялось при калибровке путем пропускания через систему известного потока воздуха или аргона через течь (натекатель):

а

с —

,6" вА <

где Qт - поток воздуха или аргона через течь, л-Па/с.

Для вязкостного режима [3]:

Qт = С  (Р02 - ) - С • р2,

где Р0 - давление на входе натекателя, Па; С - постоянная натекателя.

Так как [ (^) - £>ш~ ] меньше единицы, то значение 8ЭФ в этих пределах остается

практически постоянным и применение формулы (2) оправдано.

После очистки всех участков в разряде систему откачивали до давления 10-4 Па и прибор прогревали при температуре 450°С за счет электродной системы в течение 2 ч с одновременной тренировкой электродов. Затем производилась герметизация заглушкой способом диффузионной сварки.

Степень обезгаженности лампы контролировалась по ионному току в ЭВП, включенной в манометрический режим.

В работе исследованы следующие зависимости процесса очистки электродов ЭВП в газовом разряде:

а) зависимость между параметрами зажигания разряда (напряжение зажигания разряда иЗ, давление рабочего газа Ррг>;

б) зависимость между параметрами горения разряда (ток разряда 1р, давление рабочего газа РРГ, параметры внешней цепи);

в) зависимость времени очистки от внешних параметров разряда и условий откачки.

На рис. 3 показаны зависимости напряжения зажигания разряда иЗ от давления рабочего газа РРГ в приборе для промежутков сетка - катод (С-К) и сетка-анод (С-А). Процесс измерения был следующим. При постоянном РРГ увеличивали напряжение на разрядном промежутке до момента зажигания разряда и снимали показания вольтметра перед моментом зажигания разряда. Затем напряжение снижали до нуля и повторяли измерение. В качестве результата измерения брали среднее арифметическое четырех наблюдений. Погрешность не превышала ±5%.

Рис. 3. Зависимость напряжения зажигания разряда в лампе от давления рабочего газа: 1, 1* - С+К-; 2, 2* - С_К+; 3, 3*- С_А+; 4, 4* - С|+А_; 1-4 - воздух (N2); 1*-4* - Аг

Для каждого межэлектродного промежутка иЗ слабо зависит от материала электрода и в основном определяется родом рабочего газа. При давлениях РРГ>40 Па разряд зажигается в области анода, при РРГ<40 Па - в области катодной ножки. При РРГ<10 Па иЗ резко возрастает с уменьшением РРГ, при этом разряд зажигается на одном и том же участке, соответствующем максимальному расстоянию на соответствующем межэлектродном промежутке.

После зажигания разряда на одном из участков межэлектродного промежутка на электроде устанавливается нормальная плотность тока тлеющего разряда, определяемая давлением РРГ и материалом электродов. При увеличении напряжения источника питания иИ или уменьшения балластного сопротивления Яб ток в цепи возрастает, однако плотность тока разряда остается постоянной. Это приводит к распространению разряда по всей поверхности электрода. На рис. 4 показаны зависимости тока в цепи разряда 1Р от напряжения источника питания иИ для разных участков межэлектродных промежутков при РРГ=СОИ81.

Начальное увеличение тока определяется величиной балластного сопротивления Яб. При увеличении иИ ток разряда 1Р увеличивается до насыщения. При этом напряжение на разрядном промежутке повышается, что соответствует переходу нормального разряда в аномальный. Это повышение напряжения может служить критерием покрытия разрядом всей площади обрабатываемого участка. Дальнейшее увеличение иИ (или уменьшение 1Р) приводит к переходу тлеющего разряда в дуговой на малом участке электрода.

200 400 600 800 1000

Рис. 4. Зависимость тока разряда в лампе от напряжения источника питания: 1 - С+К_; 2 - С|_К+; 3, 3* _ С+А_; 4, 4* _ С+А_; 1-4 _ РАг = 30 Па; 3*, 4* _ РАг = 10 Па; 1, 2, 3, 4* _ Я = 7,5 кОм; 4 _ Я = 5

кОм

Таким образом, каждому участку обрабатываемого электрода соответствует ток разряда 1РН, определяемый точкой перехода 1Р в область насыщения.

На рис. 5 показана зависимость тока 1РН от давления РРГ для разных участков межэлектродных промежутков.

На рис. 6 показаны зависимости общего давления РО в системе от времени горения разряда на различных участках обрабатываемых электродов при токе разряда 1РН, РРГ = const и расстоянии до заглушки h = 10 мм.

Наблюдаемые пики давления соответствуют десорбции загрязнений с поверхностей электродов при обработке разрядом. Критерием длительности очистки в разряде может служить время стабилизации общего давления в системе на первоначальном уровне (точки toi). На этом же рисунке показаны зависимости потока газов-загрязнений Q3 от времени t горения разряда.

Р0, Па

Время, с

О 20 40 G0 80 100

Рис. 6. Зависимость общего давления и потока загрязнений в системе от времени горения

разряда:

1 - С_К+; 2 - С+К_; 3 - СА+; 4 - С+А_; 1-4 - РАг = 30 Па, h = 10 мм; 5 - поток газов-загрязнений

Полученные значения Q3, определенные по формуле (2), соответствуют данным по газосодержанию поверхностей, взятым из работы [3].

На рис. 7 показаны зависимости времени очистки to от давления рабочего газа РРГ для разных участков межэлектродных промежутков при токе разряда 1РН и разнесения заглушки на h = 10 мм. Наблюдаемый минимум на кривых объясняется тем, что при увеличении давления РРГ увеличивается плотность тока разряда, т.е. поток десорбции загрязнений с поверхности и поток газов-загрязнений, но одновременно увеличивается

обратный поток газов-загрязнений к поверхности. Это определяет оптимальное давление рабочего газа РРГ, при котором время очистки минимально при заданной быстроте откачки газов из прибора.

Рис. 7. Зависимость времени очистки в разряде от давления рабочего газа: 1 - С_К+; 2 - С_К+; 3 - С_А_; 4 - С+К.; 1-4 - Л = 10 мм

На рис. 8 показаны зависимости времени очистки различных участков

обрабатываемых электродов ¿о от величины разнесения заглушки к или от быстроты откачки из прибора БПр. Величина разнесения к однозначно определяет величину £ПР.

Как видно из рис. 8, с увеличением эффективной быстроты откачки прибора время очистки уменьшается. При к > 10 мм 8ПР остается постоянной, при этом ¿о также не меняется.

10

15

20

25 Ь, ММ

Рис. 8. Зависимость времени очистки в разряде от разнесения заглушки анода: 1 - С-К+; 2 - С-А+; 3 - С+А- 4 - С+К-; 4 - РАг = 30 Па

Проведенные исследования позволили установить для всех участков межэлектродных промежутков параметры разряда (напряжения зажигания, давление рабочего газа и время очистки в разряде), а также условия откачки, обеспечивающие очистку в тлеющем разряде всех поверхностей электродов (оптимальное расстояние между анодом и заглушкой и давление в системе).

Разработанные режимы и критерии очистки электродов ЭВП в тлеющем разряде постоянного тока (иЗ, 1Р, ¿о, РРГ, к) позволяют проводить очистку в разряде всех участков электродов и внутренней арматуры при оптимальных значениях РРГ и минимальных

значениях ¿о. Это позволяет удалить из прибора в начале откачки основную массу загрязнений и в дальнейшем вести ускоренный нагрев лампы за счет электродной системы без прогрева в печи обезгаживания, что приводит к экономии энергоресурсов.

Обработка в разряде способствует ускорению термического обезгаживания в высоком вакууме при последующей обработке прибора и улучшению общей обезгаженности прибора.

Проведенные исследования позволили разработать технологический процесс гнездовой откачки прибора с ионно-плазменной очисткой электродов при откачке и герметизацией диффузионной сваркой, позволяющий сократить длительность откачки в 22,5 раза.

ЛИТЕРАТУРА

1. Змиевский Ю.Н. Очистка деталей ПУЛ ионным травлением / Ю.Н. Змиевский, В. С. Токарев // Вопросы радиоэлектроники. 1996. Сер. 4. Вып. 1. С. 56-61.

2. Токарев В.С. Влияние ионной обработки деталей ЭВП на их параметры / В.С. Токарев // Электронная техника. 1966. Сер. 10. С. 41-46.

3. Пипко А.И. Конструирование и расчет вакуумных систем / А.И. Пипко, В.Я. Плисковский, Е.А. Пенченко. М.: Энергия, 1970. 505 с.

4. Патент 2185676 РФ. МКИ Н 0И 9/38. Способ откачки электровакуумных приборов / А.Я. Зоркин, Г.В. Конюшков, А.С. Семенов. 4 с.

5. Патент 1508465 РФ. МКИ Н 0П 9/38. Способ очистки электродов электровакуумных приборов / Г.В. Конюшков, А.Я. Зоркин, В.С. Украпинский, А.П. Пиденко, В.И. Воронин. 4 с.

Воронин Валерий Иванович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Электронное машиностроение и сварка» Саратовского государственного технического университета

Лемякин Андрей Алексеевич -

ассистент кафедры «Электронное машиностроение и сварка»

Саратовского государственного технического университета

Зоркина Ольга Александровна -

аспирант кафедры «Электронное машиностроение и сварка»

Саратовского государственного технического университета

Статья поступила в редакцию 02.10.07, принята к опубликованию 15.01.08