CN117012596A - 用于非蒸散型吸气剂的形状记忆合金外壳 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在真空器件中使用具有非蒸散型吸气剂(NEG)的形状记忆合金(SMA)的方法。该方法包括：将NEG组分耦接到SMA组分以形成NEG/SMA组件对；加热该NEG/SMA组件对以使该NEG组分活化；以及将所活化的NEG组分与该SMA组分封装以形成具有气密密封的NEG/SMA封装。该方法还包括：将该NEG/SMA封装安装在该真空器件中；以及加热所安装的NEG/SMA封装，使得该SMA组分致动，以将所活化的NEG组分暴露于该真空器件中的真空室。
Description
背景技术
在高真空电气器件中，吸气剂用于随着时间的推移保持真空度，因为高压电子器件在器件寿命期间释放气体并且从器件容器的气体渗透释放气体，例如氧气和氮气。在激光器件的情况下，吸气剂用于保持激发气体的纯度并避免激光信号的损失。
通常，钡基蒸散型吸气剂用于在器件已被抽吸至高真空之后在器件内部沉积钡膜。通过使用射频(RF)感应闪蒸所安装的吸气剂盘来形成沉积膜。这会将吸气剂盘加热到一定程度，使得吸气剂盘中的材料发生反应，其中钡金属会蒸发并在附近的冷表面上冷凝。
在某些器件中，闪蒸产生的RF感应还可能导致附近的其他金属部件(如铟真空密封件)加热。铟的熔化温度很低，因此如果闪蒸不够快，或者吸气剂和密封件太靠近闪蒸的吸气剂盘，则密封件将会熔化并且器件中的真空度将会损失。然后，器件需要返工或报废。
避免RF加热的一种选择是使用非蒸散型吸气剂(NEG)。这些吸气剂的作用是阻止钛、锆和铝等金属氧化。然而，必须使这些吸气剂活化，而不是闪蒸。这需要在安装NEG之后将NEG(在大多数情况下是整个器件)加热到几百度并持续较长时间，以还原活性金属，使其准备好泵送。由于NEG活化所需的温度，铟密封件等其他温度敏感部件再次成为故障点。
有一些方法可用于在真空器件中引起局部加热。最简单的方法是通过蒸散型吸气剂盘或NEG支架的电阻加热。然而，用于加热的导线需要穿过真空容器，并提供附一个额外的区域，该区域需要密封以实现真空。在其他方法中，激光可用于在真空器件中进行局部加热。然而，激光仅使吸气剂的小区域活化，无法利用典型NEG的高度多孔表面。
发明内容
本发明公开了一种在真空器件中使用具有非蒸散型吸气剂(NEG)的形状记忆合金(SMA)的方法。该方法包括：将NEG组分耦接到SMA组分以形成NEG/SMA组件对；加热该NEG/SMA组件对以使该NEG组分活化；以及将所活化的NEG组分与该SMA组分封装以形成具有气密密封的NEG/SMA封装。该方法还包括：将该NEG/SMA封装安装在该真空器件中；以及加热所安装的NEG/SMA封装，使得该SMA组分致动，以将所活化的NEG组分暴露于该真空器件中的真空室。
附图说明
通过参考附图的以下描述，本发明的特征对于本领域的技术人员将变得显而易见。应当理解，附图仅示出了典型的实施方案，并且因此不应认为是限制本发明的范围，将通过使用附图以附加特征和细节来描述本发明，其中：
图1是根据一个实施方案的制造用于真空器件的非蒸散型吸气剂(NEG)的外壳的方法的流程图；
图2示意性地示出了根据一种示例性方法的制造用于非蒸散型吸气剂的形状记忆合金外壳的方法，该非蒸散型吸气剂安装在真空电气器件中；
图3示意性地示出了根据一个实施例的制造用于非蒸散型吸气剂的形状记忆合金容器的制造顺序；并且
图4示意性地示出了根据另一个实施例的使用环形形状记忆合金作为环形非蒸散型吸气剂的密封元件的制造顺序。
具体实施方式
在以下具体实施方式中，对实施方案进行了充分的描述，以使本领域的技术人员能够实践本发明。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下可利用其他实施方案。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义。
本文描述了一种制造用于真空器件中使用的非蒸散型吸气剂的形状记忆合金外壳的方法。
在本发明方法中，非蒸散型吸气剂的活化与真空器件分开进行。活化后，非蒸散型吸气剂被密封在形状记忆合金外壳中，以允许将吸气剂安装到真空器件中而不会出现氧化。安装后，可以使用最小程度的加热来打开形状记忆合金外壳，并将吸气剂暴露于真空器件环境而不影响任何热敏部件。
可以选择具有所需属性的多种形状记忆合金，诸如控制活化温度和可焊性。例如，可以选择形状记忆合金使其在足够低的温度下致动(打开)，使得真空器件中的密封件不存在任何风险。形状记忆合金在加热时会出现较大变形，这意味着形状记忆合金外壳的硬钎焊或软钎焊边缘会打开，并且非蒸散型吸气剂会暴露。在一些实施方案中，可以选择具有用于特定真空器件的所需泵送和容量特性的现成非蒸散型吸气剂。
本发明方法也不需要用于真空器件的额外通道，这可能会导致真空度损失或气体泄漏量增加。本发明技术还允许在使用时利用非蒸散型吸气剂的整个表面区域。
非蒸散型吸气剂
非蒸散型吸气剂(NEG)通过吸收或结合保留在部分真空内的气体分子来帮助建立和维持真空。这是通过使用易于与活性气体形成稳定化合物的合金材料来实现的。非蒸散型吸气剂材料主要是铝、锆、钛、钒、铁或钴的多孔合金或粉末混合物。
常用的NEG合金可以与本发明方法一起使用，并且具有St(Stabil)形式的名称后跟数字。一些可商购的NEG包括：St 707(70％锆、24.6％钒和余量铁)；St 787(80.8％锆、14.2％钴和余量混合稀土金属(稀土元素合金))；和St 101(84％锆和16％铝)。
形状记忆合金
形状记忆合金(SMA)包含合金材料，该合金材料在冷却时可以变形，但在加热时会恢复到预变形(“记忆”)形状。例如，当形状记忆合金处于冷态时，该合金可以弯曲或拉伸到所需形状，并将保持该形状直到被加热到转变温度以上。加热后，该合金的形状变回其原始形状。再次冷却后，该合金将保持原始形状直到再次变形。不同种类的SMA包括低温和高温SMA；单向或双向SMA。单向或双向SMA提供了一个良好的窗口，可以在足够低的温度下执行SMA致动步骤，从而能够使用高温真空粘合剂将NEG粘附到SMA。
各种合金都具有形状记忆效应，并且可以通过调节合金成分来控制SMA的转变温度。SMA可以两种不同的相存在，具有三种不同的晶体结构(即，孪晶马氏体、去孪晶马氏体和奥氏体)和六种可能的转变。从马氏体相到奥氏体相的转变仅取决于温度和应力，而不是时间，因为不涉及扩散。正是这两个相之间的可逆无扩散转变导致SMA的特殊属性。例如，各种SMA合金在冷却时从奥氏体转变为马氏体。在单向SMA中，高温冷却不会引起宏观形状变化。变形是产生低温形状所必需的。加热后，SMA会转变回原始形状。
与本发明方法相关的进一步细节参考附图描述如下。
图1是根据一个示例性实施方案的制造用于真空器件的非蒸散型吸气剂(NEG)的外壳的方法100的流程图。方法100最初包括将NEG组分耦接到形状记忆合金(SMA)组分以形成NEG/SMA组件对(框110)。NEG组分和SMA组分可以由各种合金材料组成，这将在下文进行更详细的描述。
在方法100的下一步骤中，执行NEG/SMA组件对的加热以使NEG组分活化(框120)。NEG/SMA组件对的加热可以通过各种方式在各种温度下执行，具体取决于NEG和SMA材料。例如，可以将NEG/SMA对放置在真空烘箱中，并加热到NEG组分的活化温度。然后，方法100包括将所活化的NEG组分与SMA组分封装以形成具有气密密封的NEG/SMA封装(框130)。封装阶段可以在氩气等惰性气氛中进行。
然后，可以将NEG/SMA封装安装在真空器件中而不考虑安装气氛(框140)。方法100的最后一步包括加热所安装的NEG/SMA封装，使得SMA组分致动，以将所活化的NEG组分暴露于真空器件中的真空室(框150)。例如，可以使用低温烘箱，其足够热以使SMA组分致动从而暴露NEG组分，但也足够冷以避免真空器件中的密封件等其他热敏部件出现问题。在基于设计约束的特殊情况下，SMA组分可以加热到一定温度，以实现部分致动并暴露NEG组分的一部分。
NEG组分可以选自各种合金材料，诸如锆-钒-铁(Zr-V-Fe)、锆-钴-混合稀土金属(Zr-Co-混合稀土金属)、锆-铝(Zr-Al)、锆-钒-钛-铝(Zr-V-Ti-Al)、其各种组合等。
SMA组分可以选自各种合金材料，诸如镍-钛-铪(Ni-Ti-Hf)、镍-钛-锆(Ni-Ti-Zr)、钛-镍-钯(Ti-Ni-Pd)、钛-镍-铂(Ti-Ni-Pt)、铜-铝-铌(Cu-Al-Nb)、铜-铝-镍(Cu-Al-Ni)、钴-铝(Co-Al)、钴-镍-铝(Co-Ni-Al)、镍-铝(Ni-Al)、镍-锰(Ni-Mn)、镍-锰-镓(Ni-Mn-Ga)、锆-铜(Zr-Cu)、钛-铌(Ti-Nb)、铀-铌(U-Nb)、钛-钯(Ti-Pd)、钛-金(Ti-Au)、钛-铂-铱(Ti-Pt-Ir)、钽-钌(Ta-Ru)、铌-钌(Nb-Ru)、其各种组合等。
NEG组分和SMA组分可以具有各种形状和尺寸。例如，NEG组分可以是形成为片剂的吸气剂粉末；附着(例如，冷焊)或涂覆在金属条上的吸气剂粉末；具有或不具有支架的环形吸气剂；或它们的组合。SMA组分可以形成为环、箔、丝、带、条、管等。
NEG组分可以通过软钎焊、硬钎焊、真空粘合剂等各种技术耦接到SMA组分。在一个实施方案中，NEG材料可以用超声焊接或冷焊等固态焊接方法沉积在SMA表面上。
活化温度和时间可以根据吸气剂材料的不同而有所变化。NEG/SMA组件对可以在烘箱中通过射频(RF)感应等加热。在一个实施方案中，NEG/SMA组件对可以在真空条件下加热到约400℃至约950℃的温度，持续时间少于约1分钟至约150分钟，以使NEG组分活化。
NEG/SMA封装安装在其中的真空器件可以是环形激光陀螺仪、电子显微镜、电子束光刻器件、真空管、金属蒸气灯等。在一个实施方案中，所安装的NEG/SMA封装可以加热到约100℃至约500℃的温度，持续时间少于约1分钟至约10分钟，使得SMA组分致动以将所活化的NEG组分暴露于真空室。所安装的NEG/SMA封装可以在烘箱中通过RF感应等加热。
图2示出了根据一种示例性方法的制造用于NEG的形状记忆合金外壳的方法，该NEG安装在真空器件中。最初，在组装阶段210，将未活化的NEG组分212附着到SMA箔214以形成NEG/SMA组件对216。
然后，在活化阶段220，加热NEG/SMA组件对216以使NEG组分212的NEG材料活化。例如，NEG/SMA组件对216可以在烘箱224中以约200℃至约600℃的温度在低压(例如，真空)条件下加热，以使NEG材料活化。此后，在封装阶段230，将NEG/SMA组件对216放置在具有惰性气氛(例如，氮气或氩气)的冷却室234中。在该冷却室中，SMA箔214围绕NEG组分212的活化NEG材料折叠以产生NEG/SMA封装236，其中活化NEG材料被折叠的SMA箔214以气密密封的方式封闭。
在安装阶段240，将NEG/SMA封装236安装在环形激光陀螺仪等真空电气器件244中。例如，可以将NEG/SMA封装236放置在吸气剂井246中，该吸气剂井位于真空电气器件244的真空室248内。在最终打开阶段250，通过使用感应线圈254的RF感应等来加热所安装的NEG/SMA封装236。这使NEG/SMA封装236的SMA材料致动，使得SMA箔214展开并暴露真空电气器件244中的NEG组分212的活化NEG材料。或者，可以使用低温烘箱(例如，在约100-120℃下)，其足够热以使SMA材料致动，但也足够冷以避免干扰真空电气器件244中的其他热敏部件，诸如在环形激光陀螺仪的情况下的密封件。
可以选择SMA箔214，使得其在加热到高于真空电气器件244(例如，环形激光陀螺仪)的最高操作温度但足够低以允许发生足够的感应加热而不熔化真空电气器件244中的密封件(例如，铟密封件)的温度之后将恢复到其原始形状(封装之前的扁平形状)。由于SMA箔214将针对该应用致动一次，因此具有大应变和恢复的低成本SMA(例如，Cu-Al-Ni)可以在合金具有良好可焊性的情况下使用。
图3示出了根据一个实施例的使用单向SMA制造用于NEG材料的容器的制造顺序310。单向SMA用作NEG材料的保持架/封装组分，并密封所活化的吸气剂。
最初，在制造顺序310中，将具有未活化NEG材料的NEG组分312耦接到具有单向SMA材料的SMA保持架314，以形成NEG/SMA组件对316。在该阶段，SMA保持架314的单向SMA材料为马氏体形式。然后，将NEG/SMA组件对316加热(在真空条件下)到NEG活化温度(TNEG激活)，诸如450℃至500℃，如320处所示。这导致NEG组分312的NEG材料活化，以及SMA保持架314的单向SMA材料到奥氏体的相变。基于以下温度表达式，NEG材料的活化以及单向SMA材料到奥氏体的相变同时发生：
TNEG激活>T奥氏体转变开始。
然后，将NEG/SMA组件对316的活化NEG材料和单向SMA材料(奥氏体相)冷却(在真空条件下)到马氏体转变温度(T马氏体转变)，诸如-20℃至150℃，如330处所示。这会将单向SMA材料的奥氏体相转变回用于SMA保持架314的马氏体。
在340处所示的制造顺序310的封装阶段，SMA保持架314随后变形为所需的容器形状(在真空或氩气气氛下)，以封闭NEG组分312的活化NEG材料。然后，可以涂覆密封剂344以密封变形的SMA保持架314(在真空条件下)，从而产生密封的NEG/SMA封装346。例如，密封剂344可以是各种钎焊材料。密封剂344被选择为具有小于奥氏体转变开始温度(T奥氏体转变开始)的软化或熔化温度(T密封剂软化|熔化)。
然后，将密封的NEG/SMA封装346加热到奥氏体转变开始温度，如350处所示。在SMA保持架314的马氏体相转变回奥氏体期间引起的应变会破坏密封剂344，使得NEG/SMA封装346打开。这使得NEG组分312的活化NEG材料暴露，同时保持在SMA保持架314内。
图4示出了根据另一个实施例的使用环形SMA作为环形NEG的密封元件的制造顺序410。最初，在制造顺序410中，将具有未活化NEG材料的NEG环412与具有马氏体形式的SMA材料的SMA环424一起提供。NEG环412具有第一直径，SMA环424具有第二直径，第二直径小于第一直径。
在一个实施例中，NEG环412可以包含Zr-V-Fe吸气剂合金，其具有0.9mm的外径(OD)和0.6mm的内径(ID)。NEG环412可以具有由非吸气剂材料组成的外表面414和涂覆有吸气剂材料的倾斜内表面416。SMA环424可以包含Ni-Ti-Hf合金，其具有约0.9mm的OD和约0.6mm的ID。SMA环424具有倾斜外表面426，该倾斜外表面被构造成与NEG环412的倾斜内表面416接合，如下文所述。
然后，制造顺序410包括将SMA环424放置在NEG环412上方，使得SMA环424的倾斜外表面426沿着NEG环412的倾斜内表面416部分地滑动，如430处所示。在该阶段，NEG环412和SMA环424被加热到NEG活化温度。例如，当NEG环412包含Zr-V-Fe吸气剂合金时，NEG环412和SMA环424被加热到约500℃的NEG活化温度。这导致SMA环414发生向奥氏体的相变，因为NEG活化温度(TNEG活化)高于奥氏体转变开始温度(T奥氏体转变开始)。
此后，SMA环424通过在其上施加负载而膨胀，如440处所示。这导致SMA环424耦接到NEG环412，使得SMA环424的倾斜外表面426完全覆盖NEG环412的倾斜内表面416，如440处所示。这会产生密封的NEG/SMA封装444，其为涂覆在NEG环412的内表面416上的吸气剂材料提供机械密封。当密封的NEG/SMA封装444被重新加热(例如，低于约157℃)时，SMA环424恢复到其原始形状，从而导致SMA环424的倾斜外表面426向上滑回到NEG环412的倾斜内表面416。这会暴露涂覆在内表面416上的吸气剂材料，如450处所示。
示例性实施方案
实施例1包括一种方法，所述方法包括：将非蒸散型吸气剂(NEG)组分耦接到形状记忆合金(SMA)组分以形成NEG/SMA组件对；加热所述NEG/SMA组件对以使所述NEG组分活化；将所活化的NEG组分与所述SMA组分封装以形成具有气密密封的NEG/SMA封装；将所述NEG/SMA封装安装在真空器件中；以及加热所安装的NEG/SMA封装，使得所述SMA组分致动，以将所活化的NEG组分暴露于所述真空器件中的真空室。
实施例2包括根据实施例1所述的方法，其中所述NEG组分包含合金材料，所述合金材料包括锆-钒-铁、锆-钴-混合稀土金属、锆-铝、锆-钒-钛-铝或它们的组合。
实施例3包括根据实施例1至2中任一项所述的方法，其中所述NEG组分包含片剂形式的吸气剂粉末、附着或涂覆在金属条上的吸气剂粉末、环形吸气剂或它们的组合。
实施例4包括根据实施例1至3中任一项所述的方法，其中所述SMA组分包含合金材料，所述合金材料包括镍-钛-铪、镍-钛-锆、钛-镍-钯、钛-镍-铂、铜-铝-铌、铜-铝-镍、钴-铝、钴-镍-铝、镍-铝、镍-锰、镍-锰-镓、锆-铜、钛-铌、铀-铌、钛-钯、钛-金、钛-铂-铱、钽-钌、铌-钌或它们的组合。
实施例5包括根据实施例1至4中任一项所述的方法，其中所述SMA组分包括SMA箔、SMA环、SMA丝、SMA带、SMA条、SMA管或它们的组合。
实施例6包括根据实施例1至5中任一项所述的方法，其中所述NEG组分通过包括软钎焊、硬钎焊、使用真空粘合剂、固态焊接或它们的组合的技术耦接到所述SMA组分。
实施例7包括根据实施例1至6中任一项所述的方法，其中所述NEG/SMA组件对被加热到约400℃至约950℃的温度。
实施例8包括根据实施例1至7中任一项所述的方法，其中所述NEG/SMA组件对在烘箱中加热，或通过射频感应加热。
实施例9包括根据实施例1至8中任一项所述的方法，其中所活化的NEG组分与所述SMA组分在惰性气氛中封装。
实施例10包括根据实施例1至9中任一项所述的方法，其中所安装的NEG/SMA封装被加热到约100℃至约500℃的温度。
实施例11包括根据实施例1至10中任一项所述的方法，其中所安装的NEG/SMA封装在烘箱中加热，或通过射频感应加热。
实施例12包括根据实施例1至11中任一项所述的方法，其中所述真空器件是真空电气器件。
实施例13包括根据实施例12所述的方法，其中所述真空电气器件包括环形激光陀螺仪、电子显微镜、电子束光刻器件、真空管或金属蒸气灯。
实施例14包括根据实施例1至13中任一项所述的方法，其中：所述SMA组分包含当耦接到所述NEG组分时处于马氏体相的单向SMA材料；并且当所述NEG/SMA组件对被加热以使所述NEG组分活化时，所述SMA组分转变为奥氏体相。
实施例15包括根据实施例14所述的方法，其中在用所述SMA组分封装所活化的NEG组分之前，冷却所加热的NEG/SMA组件对，使得所述SMA组分从奥氏体相转变为马氏体相。
实施例16包括根据实施例15所述的方法，其中所述NEG/SMA封装是通过使所述SMA组分围绕所活化的NEG组分变形或折叠，并且用密封剂密封所述SMA组分来形成的。
实施例17包括根据实施例16所述的方法，其中：当所安装的NEG/SMA封装被加热时，所述SMA组分从马氏体相转变回奥氏体相；并且当马氏体相转变回奥氏体相时引起的应变会破坏所述密封剂，以暴露所活化的NEG组分。
实施例18包括根据实施例1至17中任一项所述的方法，其中所述NEG组分包括具有第一直径的NEG环，并且所述SMA组分包括具有第二直径的SMA环，所述第二直径小于所述第一直径。
实施例19包括根据实施例18所述的方法，其中：所述NEG环具有涂覆有吸气剂材料的倾斜内表面；所述SMA环具有倾斜外表面，所述倾斜外表面被构造成与所述NEG环的所述倾斜内表面接合，以密封所述吸气剂材料并产生所述NEG/SMA封装。
实施例20包括一种组件，所述组件包括：具有真空室的真空电气器件；密封外壳，所述密封外壳包括形状记忆合金(SMA)组分，所述密封外壳位于所述真空室中，其中活化的非蒸散型吸气剂(NEG)组分耦接到所述密封外壳内部的所述SMA组分；其中，所述密封外壳被构造成当所述SMA组分被加热到有效转变温度时打开，使得所活化的NEG组分暴露于所述真空室。
根据上述内容，应当理解，尽管为了举例说明的目的在本文中描述了具体的实施方案，但在不脱离本公开的范围的情况下可作出各种修改。因此，所述实施方案在所有方面将被视为仅是说明性的而非限制性的。此外，在权利要求的等价性的含义和范围内的所有变化都将涵盖在其范围内。
Claims (3)
1.一种方法，所述方法包括：
将非蒸散型吸气剂(NEG)组分耦接到形状记忆合金(SMA)组分以形成NEG/SMA组件对；
加热所述NEG/SMA组件对以使所述NEG组分活化；
将所活化的NEG组分与所述SMA组分封装以形成具有气密密封的NEG/SMA封装；
将所述NEG/SMA封装安装在真空器件中；以及
加热所安装的NEG/SMA封装，使得所述SMA组分致动，以将所活化的NEG组分暴露于所述真空器件中的真空室。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述NEG组分包含合金材料，所述合金材料包括锆-钒-铁、锆-钴-混合稀土金属、锆-铝、锆-钒-钛-铝或它们的组合；并且
所述NEG组分包含片剂形式的吸气剂粉末、附着或涂覆在金属条上的吸气剂粉末、环形吸气剂或它们的组合。
3.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述SMA组分包含合金材料，所述合金材料包括镍-钛-铪、镍-钛-锆、钛-镍-钯、钛-镍-铂、铜-铝-铌、铜-铝-镍、钴-铝、钴-镍-铝、镍-铝、镍-锰、镍-锰-镓、锆-铜、钛-铌、铀-铌、钛-钯、钛-金、钛-铂-铱、钽-钌、铌-钌或它们的组合；并且
所述SMA组分包括SMA箔、SMA环、SMA丝、SMA带、SMA条、SMA管或它们的组合。
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