[發明專利]基于氧化鋁陶瓷的電絕緣體、其制造方法、以及真空管

有效

• 申請號: 201780081924.0
• 申請日: 2017-11-02
• 公開（公告）號: CN110168695B
• 公開（公告）日: 2021-10-15
• 發明（設計）人: P·波拉德;C·波拉特
• 申請（專利權）人: 塔萊斯公司
• 主分類號: H01J35/16
• 分類號: H01J35/16;H01B3/12;C04B35/10
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 張海濤

本發明涉及一種基于氧化鋁陶瓷的電絕緣體、用于制造該絕緣體的方法、以及包括該絕緣體的真空管。所述電絕緣體用于使帶電粒子束流經的真空管的兩個電極絕緣，所述電絕緣體由氧化鋁基陶瓷形成。根據本發明，所述陶瓷包括2質量％至8質量％之間的玻璃相，至少一種金屬氧化物從所述電絕緣體的表面(20)擴散到所述玻璃相中。

本發明涉及一種基于氧化鋁陶瓷的電絕緣體、用于制造該絕緣體的方 法、以及包括該絕緣體的真空管。

真空管用于采用移動通過真空的電子束或者更一般地帶電粒子束的許 多應用中。真空管可以用于放大射頻信號或者產生X射線的領域。

真空管包括多個電極，電子束在這些電極之間傳播。這些電極通過例 如由氧化鋁基陶瓷制成的電絕緣體來分開。

尤其在X射線發生器管或管放大器中，遇到的第一個問題涉及在氧化 鋁表面上或在表面下嵌入一定深度(取決于電荷的能量)的鏡像電荷的累 積，即與粒子束相反的電荷的累積。這種累積可能會通過管內放電導致突 然松弛(relaxation)，甚至通過材料的電介質擊穿導致破裂。因此，這些電荷 有必要經過氧化鋁局部流失，而不會對材料的宏觀絕緣特性產生負面影響。

在X射線發生器管或射頻管放大器中遇到的第二個問題是，所使用的 通常由氧化鋁制成的絕緣體可能會受到極高的電場。因此，絕緣體需要高 強度電介質。氧化鋁可以滿足這種需求。然而，應當注意，所選擇的電荷 流動解決方案不會在不同介電常數的層之間產生一個或多個界面，這可能 會顯著降低絕緣體的介電強度。不幸的是，第一個問題和第二個問題的解 決方案之間的這種重疊在現有技術中沒有得到適當解決。

在下文中，將使用X射線發生器管來說明本發明的優點，但是本發明 同樣可以適用于氧化鋁絕緣體，其用于將受到各種高電壓的電極保持在行 波管的降壓收集極中。對于由玻殼組成的傳統X射線發生器，解決方案在 于使電介質的表面盡可能地遠離電子束，因此這些管具有鮮明的特征形狀。 基于Cr₂O₃的電阻沉積物也用于玻殼的內壁上，以促進電荷流動。

最近的X射線發生器管允許產生更高能量的X射線。它們不是由玻殼組成，而是由導電金屬材料和氧化鋁陶瓷高壓絕緣體聯合組成。通過焊接來連接金屬材料和絕緣體，可以產生外殼，電子束通過外殼在陽極與陰極之間真空傳播。

所謂的單極管在陽極與陰極之間具有單個陶瓷介電絕緣體，并且允許 產生上限電壓在20kV和250kV之間的X射線發生器管。對于在250到 600kV范圍內的較高電壓，通常使用所謂的雙極配置。在這種配置中，使 用兩個絕緣體，并且每個絕緣體處理總上限電壓的一半。為了限制鏡像電 荷或注入氧化鋁的電荷的影響，已經采用了許多解決方案。

已經設計出了氧化鋁絕緣體和電子束盡可能分開放置的管。這種設計 對管的緊湊性有負面影響。

還嘗試了放置在氧化鋁絕緣體與電子束之間的保護性等電位導電屏 蔽。這種屏蔽增大了管尺寸，并且降低了耐擊穿性。

已經開發了特定幾何形狀的陶瓷，例如在文獻EP1537594 B1中描述的。 特定幾何形狀的陶瓷允許通過靜電平衡效應來限制電荷注入問題，在靜電 平衡效應中，由表面上積累的電荷產生的場抵消了電子發射效應。這種平 衡機制需要陶瓷作為理想絕緣體且在真空下完全不受任何輕微導電沉積物 污染。在操作時，觀察到在發生幾個電弧之后，污染物沉積物出現在陶瓷 絕緣體的表面，從而限制了這種靜電平衡的有效性。此外，陶瓷的特定幾 何形狀沒有解決與電子束的較長距離庫侖相互作用的問題，從而導致鏡像 電荷。

最后，文獻US3729575描述了在氧化鋁陶瓷絕緣體表面上使用導電沉 積物。該沉積物允許電荷流失。傳統陶瓷具有純度為大約99.5％的氧化鋁含 量，并且該文獻中描述的工藝導致表面層具有難以控制的電性能，實現了 主要位于該層中的傳導機制，并且該傳導機制可以在表面層與氧化鋁之間 的界面處產生較大介電常數差異。