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                                  深度揭秘:電真空玻璃真的不簡單!
                                  2016-7-20
                                  來源:未知
                                  點擊數:  2699        作者:未知
                                  • 玻璃,這是一種非常常見的東西,通常知道的玻璃是按照應用來劃分的,如瓶罐玻璃、窗玻璃、汽車玻璃等。雖然大部分玻璃看上去大同小異,但應用不同,玻璃的材料、制作方式等都是不一樣的。電真空玻璃就更加是這樣,雖然乍眼看上去覺得很平凡普通,但其實并沒有那么簡單。

                                    電真空器件,如光電倍增管、光源產品等,是根據具體的用途選擇不同的封裝材料,除了玻璃以外還有金屬、陶瓷等。但因玻璃在成本、制造工藝、透光性上都具有優勢,所以是目前應用最廣泛的材料,此種玻璃即為電真空玻璃,廣泛應用于真空電子技術、微電子技術、激光和紅外技術、電光源、高能物理等方面;在宇航工業、能源、汽車工業、化學工業等領域有著極其重要的作用。具體而言,主要用于制作電真空器件的玻璃外殼、玻璃芯柱以及排氣管和連接件等,如光電倍增管、光源的外殼。

                                    圖1 濱松光電倍增管

                                    圖2 濱松光源產品

                                    這些玻璃,是用什么做的?

                                    電真空玻璃按照化學組成一般分為以下幾類:鈉鈣硅玻璃、鉛硅酸鹽玻璃、硼硅酸鹽玻璃、鋁硅酸鹽玻璃、石英玻璃等。玻璃成分的匹配往往是根據不同的性能需求來決定。不同組成及配比會導致玻璃的熱膨脹系數(熱引起的膨脹或者縮?。?、電絕緣性、可塑性、透過率等特性有很大區別,而電真空玻璃在這幾方面都有較高的要求。

                                    電真空器件常會在高溫高壓高頻等條件下使用,因此要求其玻璃必須能夠承受這樣的使用環境。具有良好的電絕緣性則是其中一個非常重要的要求,即導電率和介電損失要小,在使用溫度內保證足夠的電阻率。

                                    由于在燈泡芯柱與電子管中,其兩電極相距很近,故在工作狀態下兩極之間總是會存在一定的電勢差,這就要求玻璃在電勢差的作用下,不被擊穿而造成短路。有時這種電勢差是很大的,如制造顯像管的玻璃,為使電子束能夠獲得激發熒光屏發光的能量,就需要承受10000V以上的工作電壓,這就要求電真空玻璃應具有優良的電絕緣性,否則就不能在電子領域中得到廣泛的應用。

                                    一般用電阻率溫度系數Tk-100衡量電真空玻璃電絕緣性的好壞,電子領域要求Tk-100越高越好。由于大多數玻璃幾乎不存在電子導電,玻璃的導電主要歸因于堿金屬離子在電場作用下的定向移動。因此,玻璃的電絕緣性能主要由其化學成分決定,調節堿金屬離子的含量是控制玻璃電絕緣性能的有效辦法。

                                    此外,電真空玻璃具有良好的可塑性也極其重要,以便在制造過程中能夠形成各種復雜的形狀或尺寸,否則,技藝再高超也難做的理想??伤苄耘c玻璃的粘度有直接關系。粘度隨溫度變化的快慢是一個很重要的玻璃生產指標,常稱其為玻璃的料性(即可塑性),粘度隨溫度變化快的玻璃稱為短性玻璃,反之稱為長性玻璃。一般來講,長性玻璃比較易于加工。

                                    不同的應用、玻璃不同部位對不同波段光的透過率要求是不同的,如光電倍增管,玻殼部分通常為可見光透過,材料一般選擇為硅酸硼玻璃,而窗口玻璃會有較多選擇,如可透過可見光的硅硼酸玻璃,可透過紫外光的紫外透過玻璃或者石英玻璃,可透過真空紫外的單晶體MgF2,可透過紅外光的單晶體藍寶石等等。另外,因為玻殼需要融化到金屬終端引腳上,所以其處理方法、玻璃材料和用在窗口上玻璃是不一樣的。

                                    此外,還有一些極其特殊應用下的材料是很特別的。如獲得2014"IEEE里程碑"殊榮的世界******光電倍增管--濱松20英寸光電倍增管,其玻璃使用的是一種稱為"HARIO 32"的材料。

                                    圖3 濱松20英寸光電倍增管

                                    圖4 濱松20英寸光電倍增管的制作

                                    因為濱松20英寸光電倍增管是用于中微子的探測,在實驗中會長期置于幾萬噸的純水之下,因此對材料的防水性要求是極高的。"HARIO 32"是一種硬化玻璃,其熱膨脹系數較低(僅為32),具有很高的防水性,以及其他匹配特性,被選為20英寸光電倍增管玻璃的材料。

                                    圖5 超級神岡實驗中的濱松20英寸光電倍增管

                                    這些玻璃,是怎么做的?

                                    玻璃制品加工技術需要經驗和隱性知識。這種手工藝在工人間人手相傳。而要想同時獲得產量和質量需要把這種隱性知識轉變為正式知識,然后用這種知識形成玻璃制造的自動過程。

                                    其工藝包括玻璃熔制、成型、遞級封接,高頻封接等。還有一些技術不需要加熱就可處理玻璃,比如切割、研磨或者上色等。玻璃制造的另一個關鍵技術是玻璃形狀、模具和夾具的設計技術,這些需要通過使用電腦仿真,并憑借多年的經驗來完成。

                                    玻璃熔制是將配合料經過高溫加熱形成均勻的無氣泡的、并符合成型條件要求的玻璃液的過程。玻璃的很多缺陷,例如氣泡、結石、條紋等都是在熔制過程中造成的,所以尋求合理的工藝過程和治理合理的熔制制度,是獲得優質玻璃的重要環節。

                                    根據玻璃的應用不同,后期成形方法也是不同的。瓶罐玻璃使用模具吹制而成;平板玻璃(如窗玻璃)使用"浮法"制成;玻璃盤是壓制出來的。電真空玻璃一般采用吹制,拉制為主。如玻璃芯柱產品可以通過加熱來把玻璃熔化到金屬上,也可通過壓?;蛘唠姞t制模來成型,制造出終端布局、尺寸和形狀不同的芯柱,以匹配器件的結構。

                                    圖6 施壓成型的部件

                                    圖7 高頻加熱和電爐鑄造的部件

                                    石英、MgF2和藍寶石等窗口材料的熱膨脹系數與玻殼使用的硅酸硼玻璃的熱膨脹系數差異較大。因此,直接把二者結合會由于不同的熱膨脹系數引起變形而導致爆裂或破裂。為了解決這個問題,使用了"非匹配玻璃的過渡封接"處理技術,通過使用多種熱膨脹系數不同但漸變的中介玻璃逐級封接。

                                    藍寶石和MgF2窗口使用的是軟玻璃,因此需要軟玻璃到硬玻璃的遞級封接,石英窗口則需要石英到硬玻璃的遞級封接。在濱松有一個石英過渡節的制作,是石英玻璃到鉬組玻璃的封接,需要把7-8種膨脹系數漸變的玻璃結合在一起,中間有5種玻璃的連接,整體封接寬度不允許超過13mm,厚度僅在0.4mm~0.7mm,不但要保證多種玻璃的良好熔封,還要保持平整良好的外觀,加工難度極大,且全部靠手工完成。

                                    圖8 石英玻璃到硬玻璃的遞級封接

                                    圖9 軟玻璃到硬玻璃的遞級封接

                                    另外,為了匹配光學特性,窗口尺寸和形狀都有所不同。圓形或者球形的窗口通常比其他形狀更加堅固和穩定。然而,為了光電倍增管的特性,如今已經制造了形狀更加復雜的玻璃窗口。

                                    圖10 用于濱松電真空器件的不同形狀窗口

                                    電真空玻璃的加工,都是人手手工操作,因為是精密器件的重要配件,因此對誤差要求非常的嚴格,這往往需要有經驗和技術的工人們的高超手藝。雖然成品看起來可能覺得和其他許多玻璃器件無異,但是其在工藝和材料組成上卻是完全不一樣。

                                    這些玻璃,需要特殊的保存嗎?

                                    到這里,你是否已對電真空玻璃有了不一樣的認識?材料的甄選,外形的制作,不同元素玻璃的融合、過渡,都是玻璃工匠們從頭到尾一手把控,最后形成精密探測器的重要部分。

                                    由于電真空玻璃有著特殊的使用性能,因此保存條件也相對于其他玻璃來說,需要額外特別特別注意:

                                    經包裝的產品應儲存在-15℃~45℃

                                    相對濕度不大于80%

                                    空氣中不含酸、堿蒸汽及其它有害的腐蝕氣體

                                    通風良好的環境中。

                                    此外,一些特種電真空玻璃,還需要用惰性氣體保護,以避免玻璃的變質(沒錯,玻璃也是會變質的哦)。而最緊要的是,在使用光電倍增管、光源等一系列電真空器件時,提前翻看制品的保存說明,并嚴格照辦,這樣才能******程度的保證產品的性能。

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