（机械工程专业论文）基于双应力加速退化试验的电子倍增器寿命评估研究.pdf

国防科学技术人学研究乍院硕十学何论文 摘要 国防关键领域的发展对频率与时| 日j 基准的要求越来越高，作为铯原子频标系 统的核心部件，电子倍增器是直接制约铯原子频标系统寿命的关键环节，如何对 电子倍增器进行寿命评估是目前铯原子频标系统长寿命攻关必须解决的重要问 题。本文围绕电子倍增器的寿命评估问题，对单应力加速退化试验方法进行扩展， 建立双应力加速退化试验方法，并将其成功应用于电子倍增器寿命研究，获得了 较好的应用效果。本文主要研究内容与结论包括： 1 对电子倍增器工作原理和退化失效进行分析，提出基于双应力加速退化试 验的电子倍增器寿命评估方法。 2 在单应力加速退化试验方法基础上，研究基于伪失效寿命和退化量分布的 双应力加速退化试验建模分析方法，为电子倍增器加速退化试验建模分析提供方 法支撑。 3 提出通过步进摸底试验确定加速退化试验最高加速应力水平的方法。在摸 底试验获得先验信息的基础上，设计并实施电子倍增器双应力加速退化试验，应 用双应力加速退化试验建模分析方法对电子倍增器加速退化试验数据进行分析， 给出倍增器寿命评估结果。 4 通过模型评价对两种分析方法进行适用性研究，对不同方法得出的寿命评 估结果进行优选，给出较优的电子倍增器寿命评估结论。 本文的研究对于电子倍增器长寿命攻关具有重要的工程价值，对于推动我国 铯原子频标系统自主研制具有重要意义，同时对于加速退化试验技术的深入完善 具有一定的借鉴意义。 主题词：铯原子频标电子倍增器加速退化试验寿命评估加速模型 第i 页 同防科学技术人学研究乍院硕 学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fk e yf i e l do fn a t i o n a ld e f e n s et e c h n o l o g ym a k e si n c r e a s i n g l y h i g hd e m a n df o rm o r ep r e c i s ef r e q u e n c ya n dt i m es t a n d a r d a st h ek e yc o m p o n e n to fa c e s i u ma t o m i cf r e q u e n c ys t a n d a r ds y s t e m ，e l e c t r o nm u l t i p l i e r ( e m ) d i r e c t l yc o n s t r a i n t s t h el i f e t i m eo ft h ec e s i u ma t o m i cf r e q u e n c ys t a n d a r ds y s t e m h o wt oa s s e s st h el i f e t i m e o fe mh a v eb e c o m ea ni m p o r t a n tp r o b l e mi nt h er e s e a r c ho fe x t e n d i n gl i f e t i m eo f c e s i u ma t o m i cf r e q u e n c ys t a n d a r ds y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ep r o b l e mo f l i f e t i m ea s s e s s m e n to fe m t h es i n g l e s t r e s sa c c e l e r a t e dd e g r a d a t i o nt e s t ( a d t ) d a t a p r o c e s s i n gm e t h o d sa l ee x t e n d e dt oe s t a b l i s ht h ed o u b l e - s t r e s sa d t m e t h o d s t h o s e m e t h o d sa r es u c c e s s f u l l ya p p l i e di nt h el i f e t i m ea s s e s s m e n to fe ma n dg o o de f f e c ti s o b t a i n e d t h em a i nr e s e a r c h e so ft h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 o p e r a t i o na n dd e g r a d a t i o nm e c h a n i s mo fe m a r es t u d i e d t h ed o u b l e - s t r e s s a d ti sp r e s e n t e da st h el i f e t i m ea s s e s s m e n tm e t h o do fe m 2 o nt h eb a s i so ft h e o r yo fs i n g l e s t r e s sa d t m o d e l i n gm e t h o d sb a s e do n d e g r a d a t i o nd a t ed i s t r i b u t i o na n dp s e u d o f a i l u r el i f e t i m ef o rd o u b l e s t r e s sa d td a t a a n a l y s i sa r es t u d i e d t h em e t h o d sp r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r tf o rl i f e t i m ea s s e s s m e n to f e m 3 a na p p r o a c ht os e a r c hm a x i ms t r e s sl e v e lb yp i l o ts t e p - s t r e s sa d ti sp u t f o r w a r d b a s e do np r i o ri n f o r m a t i o no b t a i n e db ys t e p s t r e s sa d t ad o u b l e s t r e s sa d t p l a no fe m i sd e s i g n e da n da p p l i e dt ol i f e t i m ea s s e s s m e n to fe m t h el i f e t i m eo fe mi s g i v e nb yt h ep r e s e n t e dt w om e t h o d s 4 t h ea p p l i c a b i l i t yo ft h et w om o d e l i n gm e t h o d si ss t u d i e db ys p e c i f i cm o d e l c r i t e r i a b yc o n t r a s t i n gt h et w oa s s e s s m e n tm e t h o d s ，t h eb e r e rm e t h o di sp i c k e do u ta n d r e a s o n a b l ec o n c l u s i o n sa r eg i v e n t os u mu p ，t h es t u d y i n gr e s u l t sa r eo fe n g i n e e r i n gv a l u ef o rr e s e a r c h e si nl i f e t i m e e x t e n d i n go fe ma n do fi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rs e l f - d e v e l o p m e n to f c e s i u ma t o m i c f r e q u e n c ys t a n d a r ds y s t e m a tt h es a m et i m ei t i sh e l p f u lt oi m p r o v et h et h e o r yo f a c c e l e r a t e dd e g r a d a t i o nt e s t k e y w o r d s ：c e s i u ma t o m i c ( a t o m ) f r e q u e n c y s t a n d a r d s y s t e m ；e l e c t r o n m u l t i p l i e r s ( e m ) ；a c c e l e r a t e dd e g r a d a t i o nt e s t ；l i f e t i m ea s s e s s m e n t ；a c c e l e r a t e d m o d e l ； 第i i 页 国防科学技术人学研究生院硕f ：，何论文 表目录 表4 1 双应力交叉步进a d t 试验方案2 6 表4 2 双应力交叉步进a d t 试验加速应力水平值2 6 表4 3 试验截止时间2 6 表4 4 双应力恒加退化试验应力水平设置3l 表4 5 双应力恒加退化试验加速应力水平值3l 表4 6 不同应力水平下电子倍增器的伪失效寿命数据3 5 表4 7 分布残差表3 5 表4 8 伪失效寿命服从j 下态分布时各应力水平下分前i 参数估计值3 6 表4 9 有交互作用加速模型系数3 6 表4 1 0 无交互作用加速模型系数3 6 表4 11 各应力下伪失效寿命分布参数估计值3 7 表4 12 相关系数表3 8 表4 1 3 不同应力水平下性能退化量均值与样本方差曲线参数4 0 表4 1 4 有交互作用加速模型系数4 0 表4 1 5 无交互作用加速模型系数4 0 表5 1 拟合优度判定系数4 5 表5 2 退化轨迹拟合残差均值检验统计量4 6 表5 3 加速模型拟合残差均值检验统计量。4 6 表5 4 拟合优度判定系数4 8 表5 5 分布参数曲线拟合残差检验统计量1 0 1 2 4 9 表5 6 分布参数曲线拟合残差检验统计量4 9 第1 v 页 同防科学技术人学研究生院硕十学位论文 图目录 图1 1 论文研究思路流程图一6 图2 1 多极分离式电子倍增器工作原理图8 图2 2 常用二次发射体的二次发射特征9 图2 3 电子倍增器电流增益与工作电压的关系9 图2 4 电子倍增器增益的衰减特性1 0 图2 5 电子倍增器输出电流随时间的变化曲线1 l 图2 6 电子倍增器线性特性1 l 图3 1 伪失效寿命评估方法原理图1 7 图3 2 伪失效寿命评估方法流程图1 8 图3 3 常见产品退化轨迹形状1 9 图3 4 退化量分布寿命评估方法原理图2 0 图3 5 基于退化量分佰寿命评估方法流程2 1 图4 1 加速退化试验平台原理图2 3 图4 2 加速退化试验平台方案分解图2 4 图4 3 加速退化试验平台设计真空系统原理图2 4 图4 4 加速退化试验平台设计外形图2 5 图4 5 双应力交叉步进a d t 试验方案2 6 图4 6e m 退化量与时问的关系一r 2 7 图4 7 ( f ) 与，【fi ( ，j ) l ( f ，j = o i ，) 之间的关系2 8 图4 8s s e ( a ，属，) 的变化趋势3 0 图4 9 样品增益退化数据图3 4 图4 1 0 使用应力水平下电子倍增器可靠度曲线3 7 图4 1 1 重采样后增益退化轨迹3 8 图4 1 2 分布参数随时问变化曲线3 9 图4 1 3 线性化分布参数随时间变化曲线3 9 图4 1 4 使用应力水平下电子倍增器可靠度曲线4 1 图5 1 某应力水平下残差j 下念概率分布图4 4 图5 2 伪失效寿命评估方法加速模型残差概率图4 5 图5 3 均值拟合残差正态概率分布图4 7 图5 4 均方差拟合残差证态概率分布图4 8 图5 5 退化量分布方法加速模型残差概率图4 8 图5 6 不同寿命评估方法可靠度对比曲线图5 0 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 基士丞座左拉逮退坐这坠塑皇至焦增墨麦佥迁垡盟窥 学位论文作者签名： 丝垄丝 日期：批年上月乡日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：基王丞廑左担逮退丝达坠的电壬堡增墨麦金迁垡婴壅 学位论文作者签名：墓互立毫日期：为吁年肛月岁日 作者指导教师签名：! 茎盔笙日期：2 卯a 年，2 月多日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 本课题来源于装备技术基础项目。 随着科技的进步，信息化战争已成为当今主流战争模式，我国国防和军队建 设对时间的要求越来越高。例如，雷达技术、核潜艇无线电导航等需要百万分之 一秒的时间精度，导弹或使用全球定位系统的飞行器计时精度需要达到十亿分之 一秒。但长期以来，我国导航定位、精密测量系统中应用的时间频率标准一直依 赖进1 2 1 ，时间频率标准技术成为我国国防关键领域的制约因素，因此从国防安全 出发构建具有自主知识产权的时间频率标准成为目前我国国防研究领域的重点问 题之一。 国际上普遍采用铯原子的跃迁频率作为时间频率基准，铯原子束频标系统输 出频率的准确度高达1 0 - 1 4 数量级，是目前准确度最高、世界各国公认的一级频率 标准，广泛使用在国防建设等各个领域。 长寿命攻关是目前我国铯原子频标系统工程化研制阶段的重要问题，研究如 何科学客观地评估频标系统的使用寿命以及如何实现频标系统的寿命增长，是目 前我国铯原子频标系统建立迫切需要解决的重要理论与技术难题。作为磁选态铯 原子柬频标系统的关键器件，电子倍增器主要用于铯原子束频标系统检测部分的 铯离子信号放大，是典型的真空电子器件，其寿命水平直接制约整个铯原子束频 标系统的寿命。 电子倍增器这一类长寿命、高可靠电真空器件寿命评估问题，既涉及材料表 面退化机理、退化模型等科学问题，又涉及退化量的分析监测等技术问题，一直 是频标系统工程化研究领域的核心关键技术。 。 加速退化试验是针对高可靠长寿命产品寿命评估而出现的一种新兴技术，为 电子倍增器的寿命评估提供了可能的解决途径。通过加速退化试验得到的电子倍 增器寿命退化规律与模型不仅可用于使用寿命评估，还可为其长寿命攻关提供支 撑，实现电子倍增器的寿命增长。 因此，本文将理论与工程相结合，在完善双应力加速退化试验方法的基础上 建立基于双恒定应力加速退化试验的电子倍增器寿命评估技术，并将其应用于我 国在研的某型电子倍增器寿命评估，为铯原子频标长寿命攻关提供技术支撑。 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 电子倍增器寿命评估技术研究现状 目前国外有关电子倍增器的寿命评估理论与方法研究并不多见，所研究的电 子倍增器类型以气体电子倍增器为主。国内目前还未开展相关研究。 m i y a m o t o 和s h i p s e y 建立了微条气体电子倍增器寿命预测的老化方案，对电子 倍增器的增益进行连续监测，试验完成后计算收集极上的累积电荷为2 2 0 m c c m ， 观察到其增益没有明显下降，进而预测其使用寿命为2 0 年 1 1 。a l t u n b a s 和d e h m e l t 研究了气体电子倍增器的老化特性，该试验相当于加速退化试验，加速应力为入 射粒子束强度，用高于正常使用强度的入射离子束对电子倍增器进行加速老化， 再根据预先建立的当量关系将试验结果外推至正常条件，得到其使用寿命1 2 j 。c h o 和k a d y k 等人研究了气体电子倍增器的工作特性并进行了寿命试验，通过寿命试验 发现电子倍增器的增益非常稳定，利用收集到的电荷量预测其使用寿命为1 0 年p j 。 a l f o n s i 和b a s s a r o 等对某型气体电子倍增器进行寿命试验，通过研究此倍增器对高 强度伽玛射线辐射的忍受能力，预测其寿命为1 0 年 4 1 。 以上研究的核心问题在于：如何依据收集极上的累积电荷量及增益下降幅度 对电子倍增器的使用寿命进行预测。这一预测必须有相应的理论模型或者试验模 型作支撑，但是相关文献对这一核心问题并未深入展开论述。 在对电子倍增器老化特性进行研究的同时，一些学者对各种类型电子倍增器 老化机理及其寿命影响因素进行了深入探讨。c u t t e r 和h u n t e r 等通过加速老化试验 研究了活性薄膜电子倍增器的老化机理，发现电极表面沉积的碳污染层是减少二 次电子的发射量，导致增益下降的主要原斟卯。w a r g o 等分析了电子倍增器氧化镁 薄膜二次发射电极寿命的影响因素，并给出了合理的制备建议【6 】。s t r a k a 构建了铯 束管用电子倍增器性能测试系统，并对其寿命影响因素进行了深入分析，指出电 子倍增器的寿命取决于第一级倍增极的寿命，只有设置合理的倍增极数及工作电 压，才能使其工作寿命达到最长1 7 1 。电子倍增器老化机理及寿命影响因素研究一方 面可以用来对电子倍增器的性能进行改进，另一方面可为电子倍增器的寿命评估 研究奠定理论基础。 从上述有关电子倍增器的寿命评估研究可知，国外广泛采用加速退化试验方 法对电子倍增器的寿命及相关因素进行研究，主要将入射粒子流强度和工作电压 作为加速应力，将输出增益作为主要寿命指标，认为当增益下降到某一阈值时电 子倍增器因不能正常工作而失效，而具体技术细节和理论模型没有论述。 1 2 2 加速退化试验方法及应用研究现状 第2 页 国防科导：技术人学研究牛院硕十学何论文 般认为，电子倍增器的寿命可以定义为“在i 卜常工作状念f 增益下降到某 一数值的工作时间”。因此，电子倍增器的寿命评估是一个典型的性能退化问题， 其增益随着使用时间不断下降，何时定义为失效与铯原子束频标系统对增益的使 用要求有关。目前新兴的加速退化试验技术为解决这一问题提供了较为有效的途 径。对于电子倍增器这一类性能退化长寿命产品而言，寿命过程表现为性能退化 过程，而性能退化最终导致倍增器的寿命终止。在这种情况下，需要通过提高应 力水平来加速产品性能退化，收集产品在高应力水平下的性能退化数据，并利用 这些数据来预测使用寿命。这种加速试验方法即为加速退化试验( a c c e l e r a t e d d e g r a d a t i o nt e s t ，简称a d t ) 9 , 1 0 j 。按照加速应力的加载方式，加速退化试验分为 恒定应力、步进应力和序进应力三种基本试验方法。按照所施加应力数目，加速 退化试验可分为单应力加速退化试验和多应力加速退化试验。国内外有关加速退 化试验的研究可分为四个方面：加速模型研究、加速退化模型研究、统计分析研 究、加速退化试验方案优化设计研究等。 加速模型是运用加速退化试验进行产品寿命评估的基础，是获得产品使用条 件下寿命信息的桥梁。常用的单应力加速模型包括：温度应力的a r r h e n i u s 模型、 e y f i n g 模型，电应力的逆幂律模型、指数模型。f a i l o u 于1 9 7 9 年就温度和电应力提 出了一种指数模型，但该模型忽略了电应力极限的存在，当电应力低于其极限值 时，该模型无法描述应力与寿命之间的关系【l 。s i m o n i 在考虑电应力极限之后， 于1 9 8 4 年提出了描述电应力和温度应力与产品寿命关系的加速模型，该模型将逆 幂律模型与描述温度的指数律模型相乘，并将各自模型中的常数认为是另一个应 力的函数，由此复合而得到多应力寿命模型，这是目前运用较为广泛的复合电应 力温度应力寿命模型i l 引。s r i n i v a s 和r r m u 提出了综合考虑电应力、温度应力以及机 械应力的寿命模型b j 。以上模型的基础都是失效物理理论，通过对材料的微观研 究和对器件的力学分析而来。 如果能够掌握产品的退化机理，就可以建立基于物理退化机理的模型来对使 用寿命进行预测。n e l s o n 分析了某绝缘材料在不同应力水平下的性能退化数据，利 用物理加速退化模型描述了材料绝对温度及击穿电压与时问之间的关系【l4 1 。c a r e y 等使用物理加速退化模型估计了集成逻辑系列的可靠性，假设最大退化量和绝对 温度之间的关系可以用a r r h e n i u s 定理来描述，使用极大似然方法估计关系参数， 然后用a r r h e n i u s 关系来预测产品在常温下工作的最大退化量【1 5 】。在工程应用中， 基于统计数据的加速退化模型更加适用。l u 与m e e k e r 提出了包括固定效应与随机 效应的一般退化轨迹模型：非线性混合效应模型，利用两步分析法得到失效时间 分布百分比估计，使用m o n t ec a r l o 仿真得到了基于退化数据可靠性预计的点估计 和置信区| 日j i i6 。一般来说，基于物理退化机理的模型得到的预测结果准确度高， 但是物理退化机理很难完全掌握，因而建立物理模型比较困难。基于统计数据的 第3 页 国防科半：技术人。7 ：研究卡院硕卜学何论文 加速退化模型预测准确度1 i 如物理模型，但便r 工程应用。在分析产品j j u 速退化 试验数据时通常将两种模型相结合，既考虑模型准确度，也考虑应用的方便性。 n e l s o n 研究了基于性能退化量的寿命时间分布，给出了加速退化试验的完整描 述，包括应用范围、统计模型、数据分析方法等方面的内容【9 】。m e e k e r 等给出了加 速退化数据的分析方法，假设退化数据可以用混合效应非线性回归模型描述，使 用近似极大似然估计法来估计模型参数，并提出了不同情况下估计寿命时i 日j 分布 的方法【1 0 】。p a r k 和p a d g e t t 基于一般累积损伤原理提出了新的加速寿命试验模型解 决具有退化数据及寿命数据的混合数据的统计分析问题【l7 ，博j 。 加速退化试验优化设计研究在给定试验代价约束下，如何设计试验方案使寿 命及可靠性指标预测最准确。b o u l a n g e r 和e s c o b a r 针对退化量随时问单调变化最终 趋于某一稳定水平的退化过程，提出了加速退化试验的优化设计方法，得到了两 应力水平的最小方差方案和三应力水平的折衷方案【2 训。y u 和t s e n g 进一步研究了加 速退化试验的终止时间确定方法，该方法通过实时分析加速退化数据，得到使用 应力下样品的“寿命 估计值，比较估计值极限精度与给定的精度，判断试验是 否应该终止【2 l 】。y u 提出了退化率服从倒数w e i b u l l 分布的加速退化试验优化设计方 法，在试验费用的约束条件下设计最优的监测时间间隔、监测次数和样本量等方 案要素使正常应力水平下p 阶分位寿命均方差最小1 2 引。l i a o 和t s e n g 提出了利用随机 扩散过程对典型步进应力a d t i u j 题建模的步进应) i 丁a d t 优化设计方法1 2 引。 国内已对加速退化试验展丌了理论与应用方面的研究。庄东辰研究了基于回 归模型的退化数据统计推断问题，讨论了常规应力和加速应力下的退化失效问题， 并在一些实际问题中取得了应用【25 。邓爱民等提出了基于退化轨迹与基于性能退 化量分布两种可靠性评估方法，对具有退化失效机理的高可靠长寿命产品进行可 靠性评估【2 啦7 1 。汪亚顺等针对解析优化方法在某些场合最优解难以得到的情况， 提出了一种新的基于m o n t ec a r l o 仿真的退化试验优化设计方法，使退化试验优化 设计更加流程化、更具通用性【2 引。李海昌等选择对压电陶瓷的压电效应影响较大 性能参数在加速试验条件和常规试验条件下对其进行加速老化试验和对比试验， 利用回归分析法对试验数据进行处理，给出了压电陶瓷的可靠性预计及可靠贮存 寿命公式【2 9 1 。苏德清等对某种电子元件饱和漏电流的加速退化数据进行了分析和 研究，建立了退化模型并对可靠性作出估计f 3 0 1 。王少萍等建立了威布尔分布下的 双应力加速模型并给出了参数估计方法，应用该模型对某机械产品进行了分析口。 从总体上分析，国内以加速退化试验为技术手段针对具体高可靠长寿命产品 进行寿命评估的研究工作相埘较少，针对电子倍增器的使用寿命评估更是一个崭 新的研究领域。目前恒定应力试验方法相对较为完善，但是多应力加速退化试验 方法仍不成熟。因此，本文丌展基于双应力恒定应力加速退化试验的电子倍增器 寿命评估方法研究，为我国自主研制这一电真空关键器件提供理论依据和技术手 第4 页 围防科学技术入学研究牛院硕十。学何论文 段，i 一时也可为其它长寿命电真空器件寿命评估研究提供借鉴和参考。 1 3 研究思路与主要内容 1 3 1 问题的提出 以上对电子倍增器寿命评估技术和加速退化试验理论的研究现状分析，可以 发现： ( 1 ) 电子倍增器是制约磁选态铯原子频标系统长寿命攻关的关键部件，而目 前我国对于电子倍增器的性能退化寿命尚缺乏系统的深入研究。电子倍增器使用 寿命研究既可为铯原子频标长寿命攻关提供支撑，又可推动我国电真空基础器件 的町靠性研究。 ( 2 ) 电子倍增器寿命是典型的性能退化寿命，国外在这一问题研究中广泛采 用了加速退化试验方法，将目前新兴的加速退化试验技术应用于电子倍增器，将 可能为其使用寿命评估提供一套较为可行的解决方案。 ( 3 ) 入射粒子流强度和极间电压是电子倍增器性能退化的主要影响因素，可 作为加速应力研究电子倍增器的寿命退化规律。目前单应力加速退化试验方法逐 渐完善，但是双应力条件下加速退化试验的设计、建模、评估尚需进一步研究。 1 3 2 研究思路 基于以上问题本文首先对单应力加速退化试验方法进行扩展，研究双应力的 加速退化试验方法，将其应用于电子倍增器的寿命研究，设计并实施电子倍增器 双应力加速退化试验，对试验数据进行双应力建模分析，评估其使用寿命，并对 模型和评估效果进行评价。具体思路如图1 1 所示。 ( 1 ) 对电子倍增器基本原理、特性及失效进行分析，全面掌握研究对象的特 征。 ( 2 ) 对加速退化试验寿命评估方法进行分析，建立两种双应力恒加退化数据 建模分析方法。 ( 3 ) 对电子倍增器实施摸底试验，获取有关产品退化的基本信息，以此作为 先验信息，对电子倍增器进行双应力恒定应力加速退化试验设计。 ( 4 ) 依据基于伪失效寿命和基于退化量分布的加速退化试验数据建模分析方 法，分别对加速退化数据进行分析研究。 ( 5 ) 通过模型拟合优度检验对不同的统计分析方法结论进行适用性分析，优 选出相对较优的统计分析结果，给出电子倍增器寿命评估结论。 1 3 3 论文主要内容 第5 页 同防科。技术人学研究牛院硕十学何论文 依抛上述研究思路本义研究内容如下： 电了嘎曾梦奋命 。问题的提出 评什 ”1 ”“ 电予倍增器塌i 理双应力加速退化试验 i 及火效机理分析建模分析方法研究 一 ii j 电r 倍增器双府j 加速退 化试验设计 l w m | l l l g o g o 理论支撑 电了倍增器瘩命评f i f i 双府力加速退化 l 广瓣 电了倍增器辟命评估结论一 分析研究 ，一一i 不可寿命评竹万一 ib 法所得结论的分 i 一析研究 较优瘩命评仙方法 电了倍增器瘩命 ：t 程应用 图1 1 论文石j f 究思路流程图 第一章：绪论。介绍论文的课题来源、背景、研究目的和意义，总结国内外 电子倍增器寿命评估和加速退化试验理论等方面的研究现状，对论文的研究思路 和内容安排作简单介绍。 第二章：电子倍增器原理及失效分析。介绍电子倍增器的基本原理，对电子 倍增器工作特性和失效机理进行分析，得出电子倍增器寿命研究方法一双应力加 速退化试验。 第三章：双应力加速退化试验建模分析方法。从物理和数学角度对加速模型 进行介绍与分析，从伪失效寿命和退化量分布的基本思想出发建立两种双应力加 速退化试验建模分析方法。 第四章：电子倍增器双应力加速退化试验。结合电子倍增器特点进行加速退 化试验设计，实施电子倍增器双应力加速试验，并应用建模分析方法对电子倍增 器进行寿命评估。 第五章：电子倍增器寿命评估方法适用性分析。介绍常用模型评估择优方法， 对建立的电子倍增器寿命评估模型进行适用性分析，并对两种评估方法得出的结 论进行对比择优。 结束语：对全文进行总结，并对后续研究进行展望。 第6 页 国防科学技术人。研究t 院硕卜学何论文 第二章电子倍增器基本原理与失效分析 电子倍增器是检测荷电粒子的电真空器件，自4 0 年代问世以来使用范围不断 扩大，在质谱技术、真空技术、空i 日j 探测以及铯原子频标中，都得到了广泛的应 用。长期以来我国一直依赖国外技术，对其寿命相关研究较少，制约了我国以电 子倍增器为关键器件的铯原子频标系统建设。 本章首先介绍电子倍增器的基本原理，分析工作特性与产品寿命间相互关系， 而后对电子倍增器的失效模式和机理进行分析，为电子倍增器加速退化试验与寿 命评估奠定基础。 2 1 电子倍增器基本原理 电子倍增器是构成铯原子频标的关键部件，按工作介质可以分为真空电子倍 增器和气体电子倍增器，按倍增极的特点可以分为多极分离式电子倍增器、微通 道板型电子倍增器、通道电子倍增器以及混合型电子倍增器等。 随用途不同，倍增极通常采用下述结构： ( 1 ) 盒栅：是使用最广的，具有增益高的特点。倍增极级数从1 6 级n 2 0 级， 工作电压2 3 k v ，增益可达1 0 7 1 0 8 。 ( 2 ) 网：具有有效面积大的特点，全长可很短。另外，在强磁场下也能工作， 比起大口径来全长短，可做成平面构造，所以时i 日j 特性随入射位置的依赖性少， 适用于飞行时间型质谱分析仪器。 ( 3 ) 直线聚焦：具有小型，高速的特长。横向宽度可小，适用于构成多道探 测器。 ( 4 ) 盘型加直线型：具有盒栅和直线聚焦的特征，是高增益、高速响应型倍 增极级数从1 6 级n 2 0 级，全长短。 电子倍增器倍增极和电极表面材料分别称为二次发射极和二次发射体，二次 发射体有两种结构形式：反射式( 二次电子发射的方向和一次电子入射的方向相 反) 和透射式( 一次电子轰击薄膜的一面，二次电子从另一面逸出) 。目前工业常 用的是反射式二次发射体，依据其材料的不同又可以分成三类：合金发射体、镀 膜发射体和负电子亲合能发射体，而又以合金类发射体应用最广泛。 本文所研究的电子倍增器是多极分离式电子倍增器( 下文中简称为电子倍增 器) ，倍增极为9 级盒栅结构，二次发射体为反射式合金发射体，其结构原理图如 图2 1 所示。 整个电子倍增器由入射粒子源、聚焦电极、电子倍增极和电子收集极( 阳极) 等组成，主要工作过程如下： 第7 页 l 司防科学技术人学研究乍院硕卜学何论文 ( 1 ) 带电粒子( 离子、 乜f ) 按聚焦极电场进入倍增系统。 ( 2 ) 被电场加速后，具有足够能量的带电粒子轰击第一倍增极( 以下简称电 极) 表面时，就有一定数目的电子从电极表面发射出来。称入射的粒子为一次电 子，发射的电子为二次电子。 ( 3 ) 二次发射的电子流又被加速撞击到下一个倍增极，产生又一次的二次电 子发射，连续地重复这一过程，直到最末倍增极的二次电子发射被阳极收集作为 信号输出，这时很小的入射粒子流即被放大成较大的阳极输出电流。 阴极 图2 1 多极分离式电子倍增器i ：作原理图 2 2 电子倍增器退化失效分析 2 2 1 电子倍增器的增益 电子倍增器整个工作过程以二次电子发射理论为基础，主要分为以f 三个阶 段：( 1 ) 入射粒子与发射体中的电子相互作用，一部分电子被激发到较高能级；( 2 ) 一部分受激电子向发射体一真空界面运动；( 3 ) 到达表面的电子中，能量大于表 面势垒的那些电子发射到真空中。 二次发射系数是衡量电子倍增器二次发射过程的关键指标，定义为发射的二 次电子数。和入射的一次粒子数m 之比 万= m p( 2 1 ) 二次发射系数万是倍增极问电压e 的函数，即 万= 口e ( 2 2 ) 其中口是常数，k 由电极的构造和材料决定，般在o 7 0 8 的范围。 常用二次发射体的二次发射系数特征如图2 2 所示【3 3 1 。从图中可以看出，无论 哪种二次发射体其二次发射系数随一次电子能量的增加都存在一个先增后减的过 程。当一次电子能量较低时，受激电子产生在发射体表面附近，这时逸出的几率 很高，但受激的电子数不多，所以万较小；一次电子能量增加时，受激电子数目很 快增加，虽然逸出几率有所降低但总的效果万是增加的；当一次电子能最相当大时， 受激电子产生在发射体深处，这时逸出几率很低，尽管受激电子数目较多但j 还是 第8 页 里堕i ! 兰垫尘叁：兰些垒型耋竺圭兰堡篁兰 较小。凼此，增加入射电子能量时，二次发射系数逐渐增加，当超过某临界值 时，进一步增加入射电予能量6 将逐渐减小。 叠 醛 亲 甜 窝 圈2 2 常州献发射体的一次发射特征 将带电粒子数转化为电流，则第i 倍增板的二次发射系数可定义为 ， 4 = 犁( 2 3 ) 。 其中1 。为第i 个倍增极的入射电流，f 为第i 个倍增极的输出电流。 若电电子倍增器的入射电流为，m ，阳极输出为，。，则有 f ，= 17 。5 l5 25，t241 其中d 为倍增极收集效率。因此，电了倍坤 器的增益g 则记为 g = f ，l ? ，= n6 【5 26，t25、 若口= i ，电了倍增器的极数为h ，均分胂时，f 乜流增益g i t 作电压v 关系为 g = ( 口) ( 南) “= a v “ ( 26 ) 其中a = 抽十1 ) “。 增益 】 t “ 图23 电子倍增器电流增瓿，i ，作电压的关系 第9 页 围防科学技术人学研究生院硕士学位论文 图23 为撤槲式( 26 1 拙绘的不同倍增极电子倍增器的增益特性与工作电压之问 的关系1 3 2 】，町见盒型倍增极有最高的增益，且在工作电压相同的情况f ，倍增极 的级数越多增益越夫。由此可知电子倍增器的增益输出特性同倍增极的结构、材 料以及二次发射体的性质相关。 22 2 电子倍增器的退化失效 电子倍增器的故障可分成劣化故障和破坏故障两大类，主要是劣化故障。劣 化故障有阴极灵敏度变坏微小炸裂引起的慢漏气等。破坏性故障是给电子倍增 器致命的损坏。不能再使用。由于在生产工序与检查工序都经过了严格挑选，所 以几乎可以不考虑破坏性故障。实验结果也证实，电子倍增器主要是电流增益劣 化。 电子倍增器电流增益随时问的变化特性如图2 4 所示【删，该图是入射粒子流入 射到第一倍增极，用离子泵排气( 1 0 4 帕以下) ，同时测得的增益变化。增益衰减随 电子倍增器周围的气氛以及阳极输出电流的大小而变化。 由图2 4 可知，在电子倍增器在正确使用的情况下其输出增益随工作时侧的增 长而逐渐衰减，当低于某一闺值时电子倍增器将不能正常工作而失效。因此，定 义电子倍增器的故障为增益的衰减，即当增益随时间逐渐下降而达到某一闽值时 就不能满足使用要求，认为电子倍增器“失效”。 抖弦一h 一一 i - ： l i lk l? ，ji 二i l：l l j jil ! tj 、 一 l 一一 _ 一 ：扭r i矧 ji ，； + ” t ： ，靶i + 幽2 4 电子倍增器增益的衰减特性 电子倍增器的失效过程属于退化型失效，其工作的关键性能指标为电流输出 增益。因此f 乜予倍增器加速退化试验可将增益作为表征其寿命退化的关键性能指 标，通过加速试验研究电子倍增器增益退化规律，从而进行寿命评估。 电子倍增器增益衰减与入射粒子能量有关，入射粒子能量增大将加速电极升 温而加剧二次发射体材料燕发，或加速发射体表面侵蚀，因此增益衰减速度加快， 入射粒子流强度的变化曲线口”，从上到下分别对应工作电流为2 u a 、4 u a 和1 0 u a ， i l”声三三三釜70 旺l 霉列矿丁r 弋了r 1 仃 223 电子倍增器增益的线性特性 图2 6 是具有1 6 级倍增极电子倍增器的线性特性p “，由图看出，增益先随输 出电流增加而增加，而后急剧下降。当入射粒子流能量增加时，电子倍增器的输 出电流随之增加，当输入粒子流在一定范围内变化时电子倍增器的增益可以保持 不变，当入射粒子流超过某一数值时增益将急剧下降电子倍增器将不能俨常工 作而失效。因此电子倍增器加速退化试验中采用入射粒子流和极阃电压作为加速 应力时应合理设置最大应力水平，避免由于过大的入射粒子流能量造成增益的非 正常退化而产生退化机理漂移。 # v # 譬 甜 蜜 幽2 正电子倍增器线性特性 第1 i 页 国防科学技术人学研究乍院硕十学位论文 2 3 本章小结 本章介绍了电子倍增器的工作原理和基本特性，重点对电子倍增器的长时间 增益衰减特性进行了分析。通过研究得出，电子倍增器因增益衰减而失效，属于 典型的性能退化型失效产品，其退化过程与电子倍增器极问电压u 和入射粒子流 强度d 相关，提高极间工作电压u 和增加入射粒子流强度d 会加速电子倍增器的 增益退化过程，可将其作为电子倍增器加速退化试验的加速应力。 第1 2 页 同防科学技术人学研究生院硕十学位论文 第三章双应力加速退化试验建模分析方法 根据失效分析结论，本文采用极间工作电压u 和入射粒子流强度d 作为加速 应力进行电子倍增器双应力加速退化试验寿命评估研究，对电子倍增器寿命退化 规律进行建模，因此需要双应力加速模型的建模分析方法。 目前有关双应力加速退化试验的研究较少，方法的工程应用还不成熟。因此， 本文在文献 2 7 的基础上将基于伪失效寿命和基于退化量分布的单应力加速退化 试验方法扩展到双应力加速退化试验，提出双应力加速退化试验建模分析方法， 为电子倍增器的寿命评估提供方法支撑。 3 1 双应力加速模型 采用双应力加速退化试验方法对产品寿命进行评估的基本思想是利用产品高 应力水平下的样品退化特征( 指与样品退化过程密切相关的一些性能指标或参数) 去外推产品正常应力水平下的退化特征。实现双应力加速退化试验建模分析的关 键在于建立退化特征与两应力之问的关系，即建立双应力加速模型( 又称双应力 加速方程) 。 加速模型从机理上分为物理和数学两类，物理加速模型是以失效物理理论为 基础，通过对材料的微观研究和对器件的力学及理化分析而得到的加速模型。数 学加速模型主要是对退化特征与应力因素数据进行拟合，通过多项式回归建立加 速模型。由于失效物理加速模型是失效物理分析的结果，其模型形式依赖于具体 的失效物理化学过程，所以存在一个适用范围的问题；而数学统计加速模型则是 纯粹的数学回归建模，不依赖于具体的失效物理化学过程。然而，由于数学统计 加速模型缺乏失效物理基础，所以数学统计加速模型方法的寿命预测风险比失效 物理加速模型方法要大。物理加速模型可以为数学加速模型建立提供指导，而数 学加速模型则是对物理加