真空電子器件介質材料

真空電子器件介質材料是在真空電子器件中主要用作管殼、輸能窗、支撐件、絕緣子、顯示屏等的高電阻率無機固體絕緣材料。真空電子器件對介質材料的一般要求是:真空氣密、低蒸氣壓、低介質損耗、低介電常數、高介電強度、高機械強度、高熱導率、適當的熱膨脹係數、良好的熱穩定性和化學穩定性等。作為器件內部的絕緣支撐件可以不要求氣密性。玻璃、陶瓷和晶體是真空電子器件中用得最多的介質材料。

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玻璃材料

按熱膨脹係數可分為下列幾類:石英玻璃、高矽氧玻璃、鎢組玻璃、鉬組玻璃、鉑組玻璃和鋼組玻璃。焊料玻璃的熱膨脹係數介於被封接的兩種材料之間。按玻璃組成又可分為鈉鈣矽系、鉛矽酸鹽系、硼矽酸鹽系和鋁矽酸鹽系等,但以硼矽酸鹽係為主。

石英玻璃

石英玻璃有極好的電性能和熱性能,常用於高真空和高熱負荷下工作的真空電子器件。鎢組、鉬組、鉑組和鋼組玻璃都是常用的封接玻璃,它們對高頻電場的介質損耗較小,可與相應的金屬封接成氣密和高強度的真空電子器件用部件。

焊料玻璃

焊料玻璃大致可分為易熔和難熔兩類。由於某些顯像管和光電器件等對封接的特殊需要,一般採用封接溫度在500攝氏度以下的易熔焊料玻璃。對於封口要承受較高溫度的其他真空電子器件,則採用封接溫度在500攝氏度以上的難熔焊料玻璃。

微晶玻璃

微晶玻璃是由微晶體和玻璃相組成的特種材料。它具有密度小、軟化溫度高和電性能好等特點,常用作輸能窗和玻璃焊料。低熔點玻璃與雲母粉複合並熱壓成型,可製成電絕緣性能優良的雲母玻璃,也叫雲母陶瓷,特點是可進行機械加工。顯像管玻璃可分黑白和彩色顯像管玻璃。黑白顯像管頸管均採用高鉛 (30%PbO)玻璃,而屏和錐多採用鋇鋰玻璃。由於彩色顯像管工作電壓高(約25千伏)和各部位泄漏X射線的強度不同,因此通常其頸管用高鉛玻璃,錐體用中鉛玻璃,屏採用低鉛或無鉛玻璃。

陶瓷材料

陶瓷在電性能、機械強度、耐高溫和耐輻射等方面均優於玻璃,因而一些要求高和在惡劣環境下使用的真空電子器件往往採用陶瓷-金屬封接結構。真空電子器件用陶瓷主要是矽酸鹽系、氧化物系和氮化物系陶瓷。

矽酸鹽系陶

瓷矽酸鹽系陶瓷主要包含滑石瓷、鎂橄欖石瓷和莫來石瓷等。矽酸鹽瓷的特點是介質損耗小、強度低。鎂橄欖石瓷套用較多,多用作小型器件的結構材料。

氧化物瓷

氧化物瓷主要指以單一氧化物晶相為主,並含有少量玻璃相或其他晶相的陶瓷,以氧化鋁瓷和氧化鈹瓷套用較廣。95%氧化鋁瓷的綜合性能好,因而在真空電子器件中用得最多,可用作微波管的輸能窗、管殼、光電器件的絕緣零件、積體電路的基片等。99%氧化鈹瓷的熱導率接近於鋁而電性能又好,是一種極好的高導熱絕緣材料。常用作行波管螺旋線夾持桿,雷射器件管殼和微波大功率管輸能窗。但由於氧化鈹粉有毒性,在生產和使用時應有安全防護措施。氮化物瓷中有實用價值的是氮化硼瓷,其特點是易於加工,介質損耗小,介電常數小。在高於530攝氏度時,其熱導率比氧化鈹瓷大,是一種無毒性高導熱絕緣材料,常用作行波管螺旋線夾持桿和降壓收集極絕緣瓷環等。

衰減陶瓷

衰減陶瓷用於微波電子管內部,是一種起體積衰減作用的高阻材料,可用於返波管中作終端負載、同軸磁控管中作抑制寄生模式的瓷環、耦合腔行波管中作集中衰減器。最常用的是金屬鎢衰減陶瓷、二氧化鈦衰減陶瓷和碳化矽衰減陶瓷。

晶體材料

真空電子器件用晶體材料有雲母、白寶石和金剛石。雲母具有介質損耗小、絕緣電阻高和擊穿電壓高等特點,是用作真空電子器件輸能窗和電極固定零件的優良絕緣材料。

白寶石

白寶石為刅-Al2O3單晶,能耐高電壓,耐電子轟擊,次級電子發射係數非常小,是製作大功率輸能窗的良好材料,用提拉法可製成純度高(含Al2O399.99%)、位錯少(位錯密度小於103/厘米2)的桿、管和其他異形製品,可作為行波管螺旋線夾持桿、微波和紅外輸能窗以及高壓鈉燈用的電弧管等。金剛石是自然界中硬度最高、導熱最好和電絕緣性能優良的礦物介質材料。真空電子器件主要採用Ⅱa型金剛石,這是一種含氮量少 (小於0.001%)的金剛石,它的聲子散射小、熱導率高。在真空電子器件中可作支撐塊、散熱器和輸能窗等。天然金剛石體積都很小,加工困難,所以也常採用人造金剛石及其聚晶材料。

視窗材料

隨著光電器件的發展,視窗材料日益重要。視窗材料按透光性能可分為透紅外、透可見光和透紫外線等類;按材料性質可分為矽酸鹽玻璃、硫屬化合物玻璃和離子晶體等。矽酸鹽玻璃的透過截止波長較短(3微米以內),硫屬化合物玻璃截止波長較長(14微米以內),而離子晶體截止波長可達50~60微米。光纖面板也是一種重要的視窗材料,能將光線從入射端無失真、低損耗地傳到輸出端,它是由高折射率的玻璃作芯、低折射率的玻璃作塗層和吸收雜散光的黑色玻璃填料所組成。微通道板是在光纖面板基礎上發展起來的第二代光纖面板,由數十萬根空心管子所組成,不僅能傳遞、而且能增強光學信號和圖像。

參考書目

劉聯寶主編:《電真空器件的釺焊與陶瓷-金屬封接》,國防工業出版社,北京,1978。  小西良弘、辻俊郎合編,王興斌譯:《電子陶瓷基礎和套用》,機械工業出版社,北京,1983。(小西良弘,辻俊郎:《ェレクトロ》セラミックスの基礎と応用》,オ-ム社,東京,1978。)

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