CN113488360A - 一种提高NEA GaN电子源使用寿命的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够提高NEA GaN电子源使用寿命的方法及装置。所述装置包括热电偶、温控仪、环形螺旋状管道、低温液体罐、安全阀、低温液体通道、低温控制阀、法兰、样品托。所述热电偶安装在样品托背面检测其温度变化，通过导线连接温控仪，所述温控仪与低温控制阀连接并向低温控制阀输送反馈电信号，所述低温控制阀通过控制低温液体的流速来达到温控效果，所述低温液体通道连接低温液体罐和环形螺旋状管道并向环形螺旋状管道输送低温液体，所述环形螺旋状管道呈圆周状紧密贴于样品托背面，在超高真空条件下铟焊连接所述样品托和GaN阴极材料。本发明有效地增大GaN电子源和样品托之间的热导率，延缓GaN电子源的温升速率从而使其工作寿命得到明显提高。

Description

一种提高NEA GaN电子源使用寿命的方法及装置

技术领域

本发明涉及光电阴极材料的铟焊工艺和热传导的原理，尤其涉及一种提高NEAGaN电子源使用寿命的方法。

技术背景

电子源能够提供真空中自由电子束，是诸多真空电子器件和电子设备的关键元件，如微波管、X射线管、质谱仪、电离真空计、加速器和空间电荷中和器等，广泛应用于航空航天、医疗健康和科学研究等重要领域。此外，由于真空器件较固态器件具有耐高温、抗辐照、速度快、功率大和噪声低等优势，基于电子发射的真空电子器件在航空航天与军事电子等领域也仍发挥着不可替代的作用。

GaN是一种极稳定的化合物，具有高硬度高熔点特性，具有高的电离度。且具有带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点。基于第三代半导体材料的GaN光电阴极，具有量子效率高，稳定性好等优点，有很大的潜力应用在电子源上。NEAGaN电子源运行时光照功率密度高，在较小空间内形成较高的热通量，而温度过高可能会造成器件损坏，影响其使用寿命，所以NEAGaN电子源的温度控制显得尤其重要。

热量的传递有辐射、对流和热传导三种形式：辐射的本质是通过电磁波来传递能量；对流是液体、气体物质通过质量的迁移形式伴随热量的迁移；热传导是物质分子热运动动能的传递，是与物质内部结构和状态直接相关的。对于在超高真空中工作的GaN电子源来说，热对流可以忽略不计。对于体积较小的GaN电子源来说，热辐射也不是其主要散热方式。因此其主要的导热方式为热传导。

热传导实质是由物质中大量的分子热运动互相撞击，而使能量从物体的高温部分传至低温部分，或由高温物体传给低温物体的过程。在固体中，热传导的微观过程是：在温度高的部分，晶体中结点上的微粒振动动能较大。在低温部分，微粒振动动能较小。因微粒的振动互相作用，所以在晶体内部热能由动能大的部分向动能小的部分传导。固体中热的传导，就是能量的迁移。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高NEAGaN电子源使用寿命的方法及装置。Cs/O激活层工作状态的稳定是NEAGaN电子源寿命的关键，工作时迅速上升的高温会破坏激活层和电子器件的稳定性，用制冷的方法来延缓GaN电子源的温升速率，同时铟焊增强GaN电子源和样品托之间的热传导，这样就可以有效降低超高真空腔内NEAGaN电子源在工作状态下的热平衡温度，从而提高了NEAGaN电子源的使用寿命。

为了解决上述技术问题，本发明第一个目的在于：提供一种提高NEA GaN电子源使用寿命的方法。

本发明的第二个目的在于：提供一种提高NEAGaN电子源使用寿命的装置。

本发明所采取的第一个技术方案是：

一种提供一种提高NEAGaN电子源使用寿命的方法，包括以下步骤：

设定温控仪的安全温度；

在电子源开始工作之前进行初步冷却；

开启电子源工作模式，热电偶采集温度变化数据；

控制系统处理传输过来的数据，当温度达到设定值时，控制系统开始采取制冷措施，将温度降低至安全值以下，并保持温度在一定范围内；

本发明所采取的的第二个技术方案是：

提供一种提高NEAGaN电子源使用寿命的装置，包括低温液体罐、热电偶、温控仪、低温控制阀、安全阀、环形螺旋状管道、低温液体通道、法兰、样品托。其中低温液体罐、热电偶、温控仪、低温控制阀、安全阀构成一个控制系统。所述控制系统包括：所述低温液体罐连接在低温液体通道一端，提供低温液体；所述热电偶安装在样品托背面，通过导线连接温控仪；所述温控仪连接低温控制阀并向低温控制阀提供反馈信号；所述低温控制阀设于低温液体通道上，控制液体流量；所述安全阀向系统外排放管道内的汽化物；

进一步的，在超高真空条件下，所述样品托通过铟焊技术和GaN电子源紧密连接；

进一步的，所述法兰连接超高真空腔内外管道和通电导线；

进一步的，所述环形螺旋状管道作为热交换装置，呈圆周状绕在样品托周围，降低样品托的表面温度；

进一步的，所述热电偶为接触式热电偶，安装贴合于样品托背面；

进一步的，所述低温液体通道设置为两条，第一条通道的一端设有液体入口，另一端连接环形螺旋状管道入口，第二条通道的一端连接环形螺旋状管道的出口，另一端设为低温液体出口，用于排出流经的低温液体；

进一步的，所述低温控制阀处理温控仪传输过来的反馈电信号，调整自身开度，控制通道内液体的流速；

进一步的，所述安全阀设置在第二条低温液体管道上，作用是检测低温管道内介质压力的大小，正常情况下呈关闭状态。当检测到压力超过规定值时，打开阀门排出一定量的汽化物以减缓管道压力。

本发明提供的一种提高NEAGaN电子源使用寿命的装置，具体工作步骤如下：

设定温控仪的安全温度，将安全温度设置在既能使电子源继续稳定工作，又不至于让Cs/o激活层被迅速上升的高温破坏而功能失效的温度区间；

打开低温液体罐使大量液体流入低温液体通道中，流经环形螺旋状管道对样品托进行初步冷却；

开启电子源装置工作模式，由安装在样品托背面的热电偶采集温度数据；

温控仪根据预设的安全温度输出相应电压值或电流值的直流信号，并将信号传递给低温控制阀；

低温控制阀由此控制和调节自身开度，实现低温液体管道内液体流量的控制，进而实现精确控制电子源工作状态时附近的温度；

当热电偶测量到的温度超过预设的安全温度时，由温控仪增大输出的直流电信号给低温控制阀，从而增大低温控制阀的开度，实现低温液体管道内液体流量的增大，对电子源进行强降温处理；

当热电偶测量到的温度没有超过预设的安全温度时，由温控仪输出的直流电信号给低温控制阀，从而适当减小低温控制阀的开度，实现管道内液体流量的减小，实现电子源附近的温度稳定保持在最佳工作状态时的正常值。

当安全阀检测到低温液体通道内的压力超过规定值时，自动打开阀门排出一定量的汽化物，保护通道的安全。

采用上述技术方案后，本发明具有以下优点：

能够精准控制NEAGaN电子源的温度，防止Cs/O激活层被高温破坏导致功能失效从而早早结束NEAGaN电子源的工作寿命。

通过制冷的方法提高GaN和样品托之间的热传导效率，有效延缓GaN电子源的温升速率，降低其热平衡温度，因此达到提高NEAGaN电子源工作寿命的目的。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明装置的工作流程图。

图2为本发明实施例提出的用液氮制冷原理来提高NEAGaN电子源寿命的装置结构示意图，其中，1为液氮罐，2为低温控制阀，3和7均为液氮通道，4为法兰，5为超高真空腔，6为温控仪，8为安全阀，9为液氮出口。

图3为本发明实施例提出的超高真空腔内部结构示意图，其中，10为样品托背面，11为环形螺旋状管道，12为接触式热电偶，13为通电导线。

具体实施方式

为清楚说明本发明的方法和装置，下面给出优选的实施例并结合附图详细说明。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。以下示例性实施例中所描述的实施方式仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

实施例

如图2所示，本发明提供一种提高NEAGaN电子源使用寿命的装置，包括液氮罐、热电偶、温控仪、低温控制阀、安全阀、环形螺旋状管道、液氮通道、法兰、样品托。其中液氮罐、接触式热电偶、温控仪、低温控制阀、安全阀构成一个控制系统。所述控制系统包括：所述液氮罐连接在液氮通道上，向装置内提供液氮；所述接触式热电偶安装在样品托背面，通过通电导线连接温控仪；所述温控仪连接低温控制阀并向低温控制阀提供反馈信号；所述低温控制阀设于液氮通道上，接收温控仪输送的直流电控制信号，控制液体流量；所述安全阀向系统外排放一定量汽化的氮气以保护液氮通道的安全；

上述技术方案中，液氮的沸点为-196℃，是一种效果良好的制冷剂，可以快速吸热使接触物表面温度下降。

上述技术方案中，在温控仪上设定安全温度范围10℃到40℃。

上述技术方案中，在电子源进入工作状态之前，先打开液氮罐开始向液氮通道内通入液氮，流经环形螺旋状管道，对GaN电子源进行初步冷却。

上述技术方案中，当热电偶传输过去的数据超过40℃时，温控仪加大向低温控制阀输送的直流电信号。

上述技术方案中，低温控制阀接收到增加的电信号，增大开度，从而实现液氮管道内液体流量的增大，对电子源附近进行强降温处理。

上述技术方案中，当热电偶传输过去的数据低于10℃时，温控仪减弱向低温控制阀输送的直流电信号。

上述技术方案中，低温控制阀接收到减弱的电信号，减小开度，从而实现液氮管道内液体流量的减小。

需要说明的是，在本文中诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括哪些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的精神和情况下可以做出对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由所附权利要求及其等同物质限定。

Claims (10)

1.一种能够提高NEAGaN电子源使用寿命的方法，其特征在于，Cs/O激活层工作状态的稳定是NEAGaN电子源寿命的关键，迅速上升的高温会破坏其稳定，用制冷的方法来延缓GaN电子源的温升速率，同时铟焊可以增强GaN电子源和样品托之间的热传导，有效降低超高真空腔内NEAGaN电子源在工作状态下的热平衡温度，从而提高了NEAGaN电子源的使用寿命；一种能够提高NEAGaN电子源使用寿命的装置，包括低温液体罐、热电偶、温控仪、低温控制阀、安全阀、环形螺旋状管道、低温液体通道、法兰、样品托。其中低温液体罐、热电偶、温控仪、低温控制阀、安全阀构成一个控制系统。

2.如权利1要求的一种能够提高NEAGaN电子源使用寿命的方法及装置，其特征在于，所述控制系统包括：所述低温液体罐连接在低温液体通道上，提供低温液体；所述热电偶安装在GaN电子源附近，通过导线连接温控仪；所述温控仪连接低温控制阀并向低温控制阀提供反馈信号；所述低温控制阀设于低温液体通道上，控制液体流量；所述安全阀向系统外排放汽化的气体。

3.如权利1要求的一种能够提高NEAGaN电子源使用寿命的方法及装置，其特征在于，在超高真空条件下，所述样品托通过铟焊技术和GaN电子源紧密连接。

4.如权利1要求的一种能够提高NEAGaN电子源使用寿命的方法及装置，其特征在于，所述法兰连接超高真空腔内外管道和通电导线。

5.如权利1要求的一种能够提高NEAGaN电子源使用寿命的方法及装置，其特征在于，所述环形螺旋状管道作为热交换装置，呈圆周状紧密贴于样品托背面，低温液体在内部流动，对样品托进行降温，间接给GaN电子源降温。

6.如权利2要求的一种能够提高NEAGaN电子源使用寿命的方法及装置，其特征在于，所述热电偶为接触式，安装贴合在样品托背面。

7.如权利2要求的一种能够提高NEAGaN电子源使用寿命的方法及装置，其特征在于，所述低温液体通道连接环形螺旋状管道，向其中输送低温液体。

8.如权利2要求的一种能够提高NEAGaN电子源使用寿命的方法及装置，其特征在于，所述低温液体通道设置为两条，第一条通道的一端设有液体入口，另一端连接环形螺旋状管道入口，第二条通道的一端连接环形螺旋状管道的出口，另一端设为低温液体出口，用于排出流经的低温液体。

9.如权利2要求的一种能够提高NEAGaN电子源使用寿命的方法及装置，其特征在于，所述低温控制阀处理温控仪传输过来的反馈电信号，调整开度，控制通道内液体的流速。

10.如权利2要求的一种能够提高NEAGaN电子源使用寿命的方法及装置，其特征在于，所述安全阀设置在第二条低温液体管道上，作用是检测低温管道内介质压力的大小，正常情况下呈关闭状态。当检测到压力超过规定值时，打开阀门排出一定量的汽化物以减缓管道压力。

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