Lifetime prediction method for electron multiplier based on accelerated degradation test

Electron multiplier (EM) is a kind of highly reliable and long-lifetime vacuum electronic device applied widely in spectrometry, space exploration and atom frequency standard. It is a critical device which might constrain the related technology. A challenge remains for researcher and engineer how to predict the life span of EM. Firstly, degradation mechanism of EM is investigated. It shows that the secondary emission ratios of each multiplier electrode reduces gradually with operating time, which results in the degradation of the key performance index of EM, i.e. the gain of electric current. So an accelerated degradation test (ADT) methodology using dual stresses is proposed to predict the life span of EM. Secondly, the ADT plan with dual stresses is designed and carried out by the corresponding test system established. Finally, the data analysis procedure is presented, and its validity is investigated by model verification. The presented method can sharply reduce testing time and cost because of using accelerated stress which can accelerate degradation process of EM. This method can also provide a new way to lifetime and reliability prediction for other products with long lifetime and high reliability.

Powielacz elektronów (EM) to elektroniczne urządzenie próżniowe o wysokiej niezawodności i długim cyklu życia, które znajduje szerokie zastosowanie w spektrometrii i badaniach przestrzeni kosmicznej, a także w atomowych wzorcach częstotliwości. Jest to urządzenie krytyczne, które może stanowić ograniczenie dla technologii, w której jest wykorzystywane. Wyzwaniem dla naukowców i inżynierów pozostaje pytanie, jak przewidzieć żywotność EM. W pierwszej kolejności w artykule zbadano mechanizm degradacji EM. Badanie pokazało, że współczynniki emisji wtórnej elektrody powielacza maleją stopniowo wraz z upływem czasu pracy, co prowadzi do degradacji kluczowego wskaźnika wydajności EM, to znaczy wzmocnienia prądu elektrycznego. W oparciu o ten fakt, zaproponowano metodę prognozowania żywotności EM zasadzającą się na metodologii przyspieszonych badań degradacji (ADT) z wykorzystaniem podwójnych naprężeń. Następnie zaprojektowano i zrealizowano plan ADT z podwójnymi naprężeniami za pomocą odpowiedniego systemu testowego. Na koniec przedstawiono procedurę analizy danych, a ich wiarygodność zbadano poprzez weryfikację modelu. Przedstawiona metoda może znacznie zredukować czas i koszty badań dzięki wykorzystaniu przyspieszonych naprężeń, które mogą przyspieszyć proces degradacji EM. Metoda ta może również umożliwić nowy sposób przewidywania niezawodności i cyklu życia produktów o długim cyklu życia i wysokiej niezawodności.