微波电真空器件的研制

清华大学电子工程系教授  张克潜

 

     清华大学无线电电子学系在60至70年代成功地研制了多种微波电真空器件，在国内处于领先地位，为我国电子科技事业做出了贡献。

 

 

     一九六一年暑假，清华大学无线电电子学系接受了研制周期磁场聚焦宽频带功率行波管的任务。

     以前的微波器件如速调管和磁控管等都是利用电子与谐振腔中的电场发生相互作用而产生放大或振荡，它们都是窄频带器件。行波管的原理是利用电子束与一种特殊传输线即慢波线上的电场相互作用而产生微波放大，因此它是一种宽频带微波放大器件。

 

     清华大学无线电电子学系从一九五六年起在孟昭英教授的领导下开始进行微波电子学和微波器件的研究工作。当时见到的微波管只有二战期间雷达中使用的速调管和磁控管，对新出现的行波管还只是停留在书本知识上。直到一九五七年初国内的研究者才第一次见到行波管的实物，我们研究行波管的工作从此开始。一九五九年春，张克潜指导五九级毕业生在毕业设计中制成螺旋线行波管实验装置并首次观察到行波管放大。后来我校又同北京某厂合作研制低噪声行波管，同时在校内开展了高功率速调管和行波管的研究工作。清华的微波管研究工作一直得到国家有关部委和研究院的大力支持。

 

     六十年代初，我国处于对外封闭和被严密封锁的状态。我们只是从文献上大致了解国际上先进技术的发展。得不到详细的资料，更不可能看到任何实物。1960至1961年间美制电子侦察机的击落，使一批代表当时科技水平的电子战设备从天而降，送到我们的眼前。

 

     正是在这种背景下，我们开始了周期磁场聚焦宽频带行波管的研究工作。

 

     经过双方领导的协商，清华大学与某研究院在清华无线电电子学系联合设立无线电电子学研究室，下设雷达、通信、半导体、电真空等四个分室。研究人员以清华教师为主，同时由该院选派一批当年的大学和中专毕业生在研究室边工作边培训，称为“协作队”。该研究室的研究任务一般是先由几个研究分室的主要技术负责人根据国家需要、国际发展动态和我们的能力提出研究课题计划，然后由研究院领导筛选决定并予以支持。研究室于一九六二年正式成立，周期磁场聚焦宽频带行波管成为电真空分室的第一项研究任务，代号403，简称小管。研究室的其它研究任务还有高功率行波管，高反压硅晶体管，雷达信号处理，数字通信技术等。

 

    虽然在接受这项任务之前，我们和国内一些厂、所已经研制出具有放大能力的行波管，但电子束聚焦磁场是由电磁线包产生的，重量达几十公斤，根本不可能用在机载设备中。因此研制新一代的周期磁场聚焦行波管，面临的许多技术课题都是国内尚未解决的。

 

    第一关是材料，当时行波管所用的许多材料都是国内还不能生产的。例如输入输出用的挠性聚四氟乙烯同轴线，灌封用的硅橡胶，电子束聚焦用的特殊铁氧体恒磁材料等。我们南下上海，北上东北，与相关的工厂研究所联系研制，由于各地都非常支持，不久就试制出可用的产品，推动了我国电子材料工业的进步。

 

    第二关是设计，行波管的设计包括慢波线设计，电子枪及周期磁场聚焦系统设计，电子与场相互作用的设计和整管结构设计。虽然有从P2V打下来的美国管子作参考，但因所用材料的参数不可能完全一致，还是需要自己进行设计计算。当时还没有电子计算机，用的是手摇式机械计算机，有时要摇整整一天才能算出几组数据。后来买到一台捷克产的电动计算机，大家高兴得不得了，为我们的设计计算帮了大忙，其实它的功能还赶不上现在一个最普通的电子计算器。在慢波线设计中我们作出的一些理论成果，成为后来行波管设计的常用文献。

 

    第三关是工艺，如果说设计问题还有美国样管作参考，那么工艺问题则只能自己研究探索。这里除了一般的电子管工艺外，还有许多特殊工艺需要一个个去解决。研究组的同志各负其责，刻苦钻研，反复试验，攻克了一个又一个难关。当时发明创造的一些工艺方法一直沿用至今。

 

    第四关是测试，当时没有现在通用的自动扫频微波测试设备，只能逐点测试。对宽频带行波管来说，这意味着很大的工作量。除了微波性能测试外，还要进行环境试验，包括高低温，湿度，振动和冲击试验。校内没有试验条件，只能拿到外单位去做。根据试验中暴露出来的问题，回校进行结构和工艺改进。经过几个回合，终于通过了严格的机载环境试验要求。

 

    403研制期间，正值全国大饥馑的年代。教师学生食不果腹，体质大大下降。在这种困难的条件下，大家还是以国防任务为重，孜孜不倦地进行工作。当时多数青年教师尚未成家，住在五公寓集体宿舍。有一句话描写了这种情景：“每天晚上五公寓的灯总是熄灭得最迟。”

 

    经过三年多的努力，403管的主要电性能达到了预定的指标，一九六四年通过了国防科委和有关研究院组织的初样鉴定。之后的主要工作是改进结构和工艺以通过环境试验。一九六五年全面达到预定指标。样管交某单位，在研制中的整机上试用，性能完全满足使用要求。一九六五年秋，用我们自己研制的行波管装备的应答式干扰机被装在靶机上，在某机场进行试飞。试飞效果很好，达到了干扰对方瞄准雷达和避开对方炮火的作用。

 

    研制工作结束以后，上级部门决定将该管转交北京某厂生产。由于在研制过程的后期该厂的科技人员已经到学校参与研制和转产工作，因此转产十分顺利。一九六六年投产，成为我国批量生产的第一种周期磁场聚焦行波管。

 

    紧接着，我们又接受了研制金属-陶瓷行波管的任务，代号406。由于文革旋即开始，研制工作主要在北京某厂进行，设计及主要工艺研究由清华教师到工厂完成。由于有了403管的经验，406管的研制工作比较顺利，一九六八年研制成功并投入生产，成为我国批量生产的第一种周期磁场聚焦金属-陶瓷行波管。

 

    这两只行波管的生产持续了十多年，推动了我国电子科学技术的发展。

 

 

     为了对付各种电子干扰，发射频率可快速变化是雷达的一项关键技术指标，这就需要整个系统具有宽频带特性，而末级功率放大器是制约频带宽度的关键因素。在五十年代末，一般雷达系统都是采用比较成熟但频带较窄的磁控管或速调管，而高功率宽带行波管用于雷达设备在国际上还是刚刚被提出的一种新方案，其研究工作具有极大的挑战性。

 

     清华大学无线电电子学研究室一九六二年成立以后，高功率行波管成为十院下达给电真空分室的第二项主要研究任务，代号404，通称大管。目标是为583三坐标雷达提供末级宽带高功率放大管。

 

    高功率行波管在当时是一种崭新的器件，由斯坦福(Stanford)大学以乔德罗(M.Chodorow)教授为首的微波实验室首先研制成功。紧接着英国的国防实验室也研制成样管。六十年代初，我国处于被严密封锁的状态。我们只能从公开刊物上大致了解国际上高功率行波管技术的发展概况。得不到详细的资料，更不可能得到任何实物。

 

    404高功率行波管作为清华无线电电子学研究室的一项大型科研任务，涉及的研究课题很多，其中大多数都是国内尚未解决的科技难题。为此研究室组织了强大的研究队伍。

 

    在404的研制过程中，解决了一系列科学技术问题，获得一批阶段性成果。其中多数属国内首创，并达到当时的世界先进水平。

 

     慢波系统：慢波系统的作用是建立能与电子发生相互作用的相速低于光速的慢波电磁场。一般行波管所用螺旋线型慢波系统工作频带宽，增益高，但功率承受能力弱，只适用于中小功率行波管。为了解决高功率行波管的散热问题，一般采用耦合腔链型慢波系统。当时实际应用的系统只有两种。第一种是电感耦合系统，又称休斯(Hughes)系统，但它的基波是返波，在行波管中只能应用它的空间谐波，故又称空间谐波系统。这种系统适用于电子注电压为10千伏量级的行波管，不适用于兆瓦级脉冲高功率行波管。第二种是乔德罗发明的四叶草型慢波系统。它成功地用于斯坦福和瓦里安(Varian)公司的脉冲高功率行波管。但它的结构过于复杂，制作工艺困难。当时了解到斯坦福大学的凯诺(G.S.Kino)教授提出的一种长缝耦合型慢波系统的简单介绍，在这个启发下，我们解决了这种系统的计算设计和冷测问题。设计出适合兆瓦级脉冲行波管的慢波系统。

 

     抑制寄生振荡：寄生振荡是放大器的大敌，尤其是行波放大管成功的关键。经过反复研究和试验，研究组出色地解决了这个难题。设计制作成适用于耦合腔慢波系统的切断区，应用一种具有微波吸收功能的陶瓷材料，切断管内的反馈，抑制了反馈形成的寄生振荡。另外一种寄生振荡是长缝型慢波系统所特有的，即缝通带振荡，它是一种低于工作频率的返波振荡。为此又研究并发明了在耦合缝周围涂敷吸收材料的方法，抑制了缝通带振荡。这两种方法非常成功，在以后的整管热侧中始终没有受到寄生振荡的困扰。

 

     电子枪和电子注聚焦系统：为了得到行波放大，必须由电子枪形成一个具有一定尺寸的电子注（或称电子束）并通过磁场聚焦系统使其维持一定的距离，不致分散到慢波系统上。在当时没有电子计算机的条件下，完全靠手摇计算器和电动计算器进行大量计算。同时应用自制的电解槽模拟装置和自行研究发明的自动电子轨迹仪，终于设计制作出合用的电子枪和聚焦装置。经过短管实验，调整了电极尺寸，最终得到符合要求的电子枪和聚焦系统，用到整管中一次成功。

     阴极：阴极是电子之源，是电子管的心脏。高功率行波管的阴极要求发射电流密度高，耐高压，耐离子轰击，寿命长。普通电子管所用的氧化物阴极不能满足要求。为此研制了新型的钡钨阴极。在孟昭英教授的指导下，研究组的同志们做了大量工作，终于研制成符合要求的阴极。同时形成了阴极电子学学科。孟昭英教授虽未直接参与404的具体工作，但写成著名的理论专著《阴极电子学》，对研究工作起了关键性的指导作用。

 

     工艺：制作这样的大型电子器件，多道工序环环相扣，涉及许多电真空工艺问题。其中包括金属件和陶瓷件的加工，金属件的真空炉或氢炉钎焊，氩弧焊，陶瓷与金属的封接等。当时国内没有足够大的真空炉或氢炉，我们自己动手设计制造了大型真空炉，解决了大型零件的钎焊和陶瓷-金属封接工艺。另外还设计制造了氩弧焊设备，掌握了氩弧焊工艺。这两台设备一直用到七十年代中。此外，我们在金属钎焊和陶瓷-金属封接工艺方面作了系统深入研究，成功地解决了大管的关键工艺，后来还写成专著《陶瓷-金属封接工艺》。

 

     真空：大管涉及的真空问题主要有两方面，一是检漏，二是排气。器件制造过程中的每一道焊接或封接工序，都要进行严格的检漏，整管完成后还要进行最后的检漏，以保证真空密封。为此设计制造了高灵敏度的质谱检漏仪，后来又发展了用于残余气体分析的四级质谱仪，获得国家发明奖。另外还设计制作了用于整管排气的无油超高真空机组，保证了器件的真空质量；制作了小型冷阴极钛泵，以保证器件运行过程中的真空度。在此过程中研制成功的质谱检漏仪，无油超高真空机组和四极质谱仪都转到某教学仪器厂生产，成为真空技术新产品。

 

     热测：器件制成后，需要加全电压进行测试，称为热测。热测设备包括高压脉冲调制器，聚焦磁场电源，千瓦级微波输入级，输出频率、频谱和功率测试系统。那时我国处于被封锁的状态，不可能买到国际上先进的仪器设备。除少数苏联进口的仪器外，大多数设备都是研究组的同志们自己设计制造的。

 

    从一九五八年开始预先研究，一九六二年正式立项，到一九六六年初终于制成整管。一九六六年四月开始整管排气。经过抽真空，烘烤去气，阴极处理，电子轰击去气，打高压去毛刺等一系列工序，终于完成了第一只样管。一九六六年五月进行热测，经过调整各种参数以后，第一只样管就达到了预定的输出功率指标。

 

    正在大管刚刚诞生的时候，“文化大革命”开始了。整个学校秩序大乱。像404这样的需要几十人共同努力，发挥团队精神才可能完成的大型研究工作被迫停顿。不但研究工作从此停顿，404还作为“修正主义”的典型被批判了十年。动不动就被扣上“为404招魂”的帽子。

 

 

     404虽然一出生就夭折了，但这个研究集体积累的经验和所掌握的技术并未消失。一九七一年，学校的教学科研逐渐恢复。教研组的工作由成秀奇负责，根据科学技术发展的趋势，决定开展正交管放大器的研究。年底电真空教研组搬迁到绵阳分校，教研组的所有设施包括大管的研究设备全部搬迁过去。一九七二年，根据有关部门下达的任务开始进行连续波注入式正交场放大管的研制。     在此期间一批70届毕业生留校参加工作，成为教学、研究的新生力量。

 

    在绵阳的八年中，科技信息闭塞，生活条件艰苦，政治运动频繁，学生基础差，但我们的教学科研工作仍不懈地进行。先后解决了整管计算设计，钡钨阴极，正交场电子枪，曲折波导慢波系统，冷热测设备，工艺，真空等一系列关键技术。由于有404打下的基础，研制工作进展比较顺利。一九七八年终于制成达到主要技术指标的样管，送交谋研究所在整机上进行实验，达到了设计指标。结合研制工作的实践，后来又在《电子学报》上发表了论文。

 

    一九七九年五月，绵阳分校全体搬迁回北京清华园。大型微波管的研制工作终止。原从事微波器件研究的教师转入导波光学、光纤通信、微波声学和声成像技术等新领域，继续为我国的电子科学技术事业做贡献。