空间行波管阴极寿命试验研究

邵文生，李季，于志强，程诚，张珂，王辉，王力山

北京真空电子技术研究所，北京 100015

空间行波管阴极寿命试验研究

邵文生*，李季，于志强，程诚，张珂，王辉，王力山

北京真空电子技术研究所，北京 100015

空间行波管是卫星通信系统中最重要的功率放大器，必须具有较长的工作寿命。空间行波管的寿命主要受阴极寿命的制约，因此为了保证空间行波管的长期在轨工作，需要开展大量的阴极寿命试验研究，并对阴极寿命进行预测。共投入50支电子枪进行寿命试验，累计进行寿命试验1 823 080 h，最长单管寿命试验时间65 411 h。基于寿命过程中的逸出功变化，建立了空间行波管阴极寿命预测模型。预测空间行波管阴极在960℃b(℃b为亮度温度)支取1 A/cm2发射电流密度时寿命超过43年；在980℃b支取1 A/cm2时寿命超过22年；在1 000℃b支取1 A/cm2时寿命超过15年。预测结果表明，空间行波管阴极可以满足卫星通信系统应用的长寿命要求。

空间行波管；阴极；逸出功；发射电流密度；寿命试验；寿命预测模型

空间行波管是通信卫星不可缺少的有效载荷，是卫星通信系统中重要的高功率放大器。其特点是高效率、宽带宽，工作频率已经覆盖L、S、C、X、Ka、K、Ku、Q、V波段，因而不断提高卫星通信的信息传输能力。开展空间行波管的地面寿命试验研究是保证空间行波管长期在轨应用的前提。寿命试验能够客观准确地综合检验空间行波管的设计、材料及工艺的可靠性。空间行波管中的阴极组件是整个器件的电子发射源，寿命过程中阴极的活性物质不断消耗，因此阴极寿命是限制空间行波管寿命的关键因素。各国的空间行波管研究者首先特别关注阴极的可靠性，因而开展了大量的空间行波管阴极的寿命试验，并给出了预测模型。美国在20世纪80年代专门成立了拥有200试验工位的三军阴极寿命试验中心，专门进行阴极寿命试验；法国的Thales公司也建立了阴极寿命试验平台，专门针对阴极的空间长寿命应用进行试验，日本、俄罗斯的专业研究机构或公司也建立了各自的寿命试验平台[1-5]。从2006年开始，北京真空电子技术研究所逐步建立起了针对空间应用的长寿命阴极试验平台。

1 阴极寿命试验情况

为了对阴极进行寿命试验，设计并分批建立了阴极寿命试验系统平台，该平台能够提供电子枪或整管进行寿命试验所需要的电源，并能对历史过程中的数据及试验时间进行自动记录。对于电子枪或行波管，在阳极电压及热子功率稳定的情况下，主要关注的是收集极电流。同时，该平台还可对电子枪或行波管的收集极进行温度监测，利用风冷方式对收集极进行冷却。

分批投入50支电子枪进行寿命试验，累计进行寿命试验1 823 080 h，最长单管寿命试验时间65 411 h。50工位电子枪试验阴极温度和电

流密度如表1所示。寿命试验曲线如图1～图8所示。寿命终了的判据是收集极电流降低到初始值的90%。

由图1～图8可见，4个样本在960℃b(℃b表示亮度温度)支取0.5 A/cm2进行寿命试验38 240 h，未寿终；9个样本在1 000℃b支取0.5 A/cm2进行寿命试验63 240 h，未寿终；7个样本在1 000℃b支取1 A/cm2进行寿命试验63 240 h，未寿终；2个样本在1 020℃b支取2 A/cm2进行寿命试验，其中1个35 000 h寿终，另1个63 240未寿终；6个样本在1 040℃b支取1 A/cm2进行寿命试验，其中4个38 240 h未寿终，2个25 240 h未寿终；10个样本在1 080℃b支取1 A/cm2进行寿命试验,4个25 240 h未寿终，6个11 240 h未寿终；4个样本在1 080℃b支取4 A/cm2进行寿命试验30 500 h寿终；2个样本在1 120℃b支取1 A/cm2进行寿命试验，分别在3 600 h和4 500 h寿终。可以发现图中数据多有波动，特别是1 080℃b支取4 A/cm2和1 120℃b支取1 A/cm2的波动较大，部分原因是电源故障，中间经过一些调整。为了反映真实的寿命试验情况，均未进行任何数据处理。其整体变化趋势是真实有效的，因此对其整体变化趋势进行了拟合，并绘出了拟合曲线。

表1 阴极寿命试验样本参数

2 阴极寿命预测模型的建立

根据以上寿命试验结果，在以前研究[6-8]基础上，提出了修订的阴极寿命预测模型：在阴极寿命过程中，阴极表面的活性发射物质不断消耗，而活性发射物质从阴极内部到表面的扩散速率逐渐下降，最后阴极表面逐渐不能维持一个有效的发射单原子层，阴极表面的逸出功增大，阴极的发射能力下降，下降到初始值的90%即寿命终了。测试了多个阴极样本的有效逸出功随时间的变化趋势，发现尽管在寿命初期很长一段时间内，在电子枪中阴极的发射电流没有明显下降，但阴极的实际逸出功已经开始发生变化，因此可以根据实际逸出功的变化趋势来预测阴极的寿命。对试验曲线拟合发现，逸出功的大小随时间呈指数曲线变化，把初始电流密度JL代入Richardson-Dushman方程，得到阴极初始逸出功，再把90%初始发射电流密度0.9JL代入Richardson-Dushman方程，得到阴极寿命终了时的逸出功，把初始逸出功和寿终时的逸出功代入指数变化曲线，即可得出阴极预测寿命。

以下用公式来详细说明。寿命期间工作温度为T，支取电流密度为JL，则根据Richardson-Dushman方程：

在寿命t过程中，通过测试欠热特性曲线，得到实际功函数分布图，发现实际逸出功的中心值按照指数规律增加：

式中：φ0(T)=φ0+αT，θ(T)=θ0+βT，φ0=-0.671 4，α=1.89×10-3，θ0=-2.380×10-5，β=1.870×10-8。当有效逸出功的中心值φ(t)增加到使得J(t)=0.9JL时即寿命终止，所以寿命表达式为：

在T=960～1 120℃b范围内，上式可近似为：

据此模型，M型阴极960℃b支取0.5 A/cm2预测寿命超过50年；980℃b支取0.5 A/cm2预测寿命超过27年；1 000℃b支取0.5 A/cm2预测寿命超过18年；960℃b支取1 A/cm2预测寿命超过43年；980℃b支取1 A/cm2预测寿命超过22年；1 000℃b支取1 A/cm2预测寿命超过15年。不同电流密度下的寿命预测曲线见图9。

3 讨论

目前2个样本在1020℃b支取2 A/cm2进行寿命试验，其中1个35 000 h寿命终了，另1个63 240 h尚未寿终，预测寿命为76 000 h；4个样本在1 080℃b支取4 A/cm2进行寿命试验30 500 h寿命终了，预测寿命27 748 h，和实际寿命终了时间比较接近；2个样本在1 120℃b支取1 A/cm2进行寿命试验，分别在3 600 h和4 500 h寿命终了，而预测寿命为39 380 h，这两者相差甚远；其余样本均未寿命终了，没有达到预测寿命，仍在继续进行寿命试验。

按上述预测模型绘出lnt和1/T的关系曲线如图10所示，可以看出只有在高温段(T>1 100℃b)它们的关系才接近直线，即满足Arrhenius方程，在低温段(T<1 100℃b)出现明显的偏离，而且显示出温度对阴极寿命的影响更剧烈。这就说明，按照目前的逸出功随寿命时间指数增加的模型，阴极在低温段的加速因子比Arrhenius方程定义的加速因子还要大。

另外，根据Arrhenius 方程，阴极寿命与发射电流密度并没有显性关系；但是，发射电流密度与工作温度密切相关，更大发射电流密度就需要更高的工作温度。因此该模型在低温大电流密度情况下(如960℃b支取16 A/cm2)和高温小电流密度1 120℃b支取0.5 A/cm2)的预测明显不合理，阴极在某一温度下的零场发射电流密度由Richardson-Dushman公式决定，实际应用的发射能力通过测试阴极伏安特性曲线的拐点电流密度确定，即实际上在960℃b支取的16 A/cm2的电流密度是不可能的；在1 160℃b支取0.5 A/cm2的电流密度也没有必要。该模型合理的应用范围应是低温小电流密度和高温大电流密度，即受到空间电荷电流密度限制。空间行波管的应用范围往往在较低温度和较小电流密度范围，因此该预测模型对空间行波管阴极的寿命预测是有意义的。

阴极寿命试验耗时费力，和国外相比在样本数和试验时间上还有较大差距。目前投入的50只阴极样本基本覆盖正常的和加速的工作温度、电流密度。大部分寿命尚未终了，这是正常的结果，需要继续试验直到寿命结束。预测模型将根据实际寿命试验数据作进一步的完善和修正。

4 结束语

本文报道了北京真空电子技术研究所的空间行波管阴极寿命试验结果。基于寿命过程中的逸出功按照指数变化的规律，建立了空间行波管阴极寿命预测模型。该模型可以有效指导空间行波管长寿命阴极的工程应用，预测阴极在不同工作温度和不同电流密度下的寿命。该预测模型表明，在空间行波管的低温小电流密度负荷下，北京真空电子技术研究所的阴极预测寿命超过15年，可以满足空间行波管的工程应用需求。

References)

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[7] 程诚.空间行波管阴极寿命试验的研究[D].北京:北京真空电子技术研究所，2010.

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YU Z Q，SHAO W S,LI J,et al.Life characteristic analysis of M-type dispenser cathodes[J].Vacuum Electronic，2014(6)：32-35(in Chinese).

(编辑：高珍)

Study on life-test of M-type impregnated cathode for space TWT

SHAO Wensheng*, LI Ji, YU Zhiqiang, CHENG Cheng, ZHANG Ke, WANG Hui, WANG Lishan

BeijingVacuumElectronicsResearchInstitute,Beijing100015，China

Space travelling wave tube(STWT) with long life plays an important role on the power amplifier for satellite communication system. The life of the STWT is mainly restricted by the cathode life. In order to ensure that the STWT can have a long in-orbit operating time, it is necessary to carry out plenty experimental researches on the life of STWT cathode, and to predict the life of the STWT cathode.The accumulating life-test time is 1 823 080 hours for 50 electron guns, the longest life-test time is over 65 411 hours. The life prediction model was built on the basis of the change of the work function during the life time. The predicting life is more than 43 years when the cathode is drawn a current density of 1 A/cm2at 960℃b(℃b:brightness temperature), it is more than 22 years at 980℃b,and it is more than 15 years at 1 000℃b. The predicting life shows that the long life STWT cathode can meet the requirements of the satellite communication system.

space TWT;cathode;work function;emission current density;life-test;life prediction model

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0035

2016-08-31；

2017-01-18；录用日期：2017-03-17；

时间：2017-03-21 15:44:07

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170321.1544.010.html

邵文生，李季，于志强,等.空间行波管阴极寿命试验研究[J].中国空间科学技术，2017,37(2)：103-107.SHAOWS,LIJ,YUZQ,etal.Studyonlife-testofM-typeimpregnatedcathodeforspaceTWT[J].ChineseSpaceScienceandTechnology, 2017，37(2):103-107(inChinese).

TN124

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http://zgkj.cast.cn

*通讯作者：邵文生(1971-3)，男，研究员,13681397483@139.com，研究方向为阴极电子学