深度揭秘:电真空玻璃真的不简单!

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  玻璃,这是一种非常常见的东西,通常知道的玻璃是按照应用来划分的,如瓶罐玻璃、窗玻璃、汽车玻璃等。虽然大部分玻璃看上去大同小异,但应用不同,玻璃的材料、制作方式等都是不一样的。电真空玻璃就更加是这样,虽然乍眼看上去觉得很平凡普通,但其实并没有那么简单。

  电真空器件,如光电倍增管、光源产品等,是根据具体的用途选择不同的封装材料,除了玻璃以外还有金属、陶瓷等。但因玻璃在成本、制造工艺、透光性上都具有优势,所以是目前应用最广泛的材料,此种玻璃即为电真空玻璃,广泛应用于真空电子技术、微电子技术、激光和红外技术、电光源、高能物理等方面;在宇航工业、能源、汽车工业、化学工业等领域有着极其重要的作用。具体而言,主要用于制作电真空器件的玻璃外壳、玻璃芯柱以及排气管和连接件等,如光电倍增管、光源的外壳。

图1 滨松光电倍增管

图2 滨松光源产品

  这些玻璃,是用什么做的?

  电真空玻璃按照化学组成一般分为以下几类:钠钙硅玻璃、铅硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃、石英玻璃等。玻璃成分的匹配往往是根据不同的性能需求来决定。不同组成及配比会导致玻璃的热膨胀系数(热引起的膨胀或者缩小)、电绝缘性、可塑性、透过率等特性有很大区别,而电真空玻璃在这几方面都有较高的要求。

  电真空器件常会在高温高压高频等条件下使用,因此要求其玻璃必须能够承受这样的使用环境。具有良好的电绝缘性则是其中一个非常重要的要求,即导电率和介电损失要小,在使用温度内保证足够的电阻率。

  由于在灯泡芯柱与电子管中,其两电极相距很近,故在工作状态下两极之间总是会存在一定的电势差,这就要求玻璃在电势差的作用下,不被击穿而造成短路。有时这种电势差是很大的,如制造显像管的玻璃,为使电子束能够获得激发荧光屏发光的能量,就需要承受10000V以上的工作电压,这就要求电真空玻璃应具有优良的电绝缘性,否则就不能在电子领域中得到广泛的应用。

  一般用电阻率温度系数Tk-100衡量电真空玻璃电绝缘性的好坏,电子领域要求Tk-100越高越好。由于大多数玻璃几乎不存在电子导电,玻璃的导电主要归因于碱金属离子在电场作用下的定向移动。因此,玻璃的电绝缘性能主要由其化学成分决定,调节碱金属离子的含量是控制玻璃电绝缘性能的有效办法。

  此外,电真空玻璃具有良好的可塑性也极其重要,以便在制造过程中能够形成各种复杂的形状或尺寸,否则,技艺再高超也难做的理想。可塑性与玻璃的粘度有直接关系。粘度随温度变化的快慢是一个很重要的玻璃生产指标,常称其为玻璃的料性(即可塑性),粘度随温度变化快的玻璃称为短性玻璃,反之称为长性玻璃。一般来讲,长性玻璃比较易于加工。

  不同的应用、玻璃不同部位对不同波段光的透过率要求是不同的,如光电倍增管,玻壳部分通常为可见光透过,材料一般选择为硅酸硼玻璃,而窗口玻璃会有较多选择,如可透过可见光的硅硼酸玻璃,可透过紫外光的紫外透过玻璃或者石英玻璃,可透过真空紫外的单晶体MgF2,可透过红外光的单晶体蓝宝石等等。另外,因为玻壳需要融化到金属终端引脚上,所以其处理方法、玻璃材料和用在窗口上玻璃是不一样的。

  此外,还有一些极其特殊应用下的材料是很特别的。如获得2014"IEEE里程碑"殊荣的世界最大光电倍增管--滨松20英寸光电倍增管,其玻璃使用的是一种称为"HARIO 32"的材料。

图3 滨松20英寸光电倍增管

图4 滨松20英寸光电倍增管的制作

  因为滨松20英寸光电倍增管是用于中微子的探测,在实验中会长期置于几万吨的纯水之下,因此对材料的防水性要求是极高的。"HARIO 32"是一种硬化玻璃,其热膨胀系数较低(仅为32),具有很高的防水性,以及其他匹配特性,被选为20英寸光电倍增管玻璃的材料。

图5 超级神冈实验中的滨松20英寸光电倍增管

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