真空电子器件 百科内容来自于: 百度百科

真空电子器件(vacuum electronic device)指借助电子在真空或者气体中与电磁场发生相互作用,将一种形式电磁能量转换为另一种形式电磁能量的器件。具有真空密封管壳和若干电极,管内抽成真空,残余气体压力为10-4~10-8帕。有些在抽出管内气体后,再充入所需成分和压强的气体。广泛用于广播、通信、电视、雷达、导航、自动控制、电子对抗、计算机终端显示、医学诊断治疗等领域。

基本信息

真空电子器件按其功能分为实现直流电能和电磁振荡能量之间转换的静电控制电子管;将直流能量转换成频率为300兆赫~3000吉赫电磁振荡能量的微波电子管;利用聚焦电子束实现光、电信号的记录、存储、转换和显示的电子束管;利用光电子发射现象实现光电转换的光电管;产生X射线的X射线管;管内充有气体并产生气体放电的充气管;以真空和气体中粒子受激辐射为工作机理,将电磁波加以放大的真空量子电子器件等。自20世纪60年代以后,很多真空电子器件已逐步为固态电子器件所取代,但在高频率、大功率领域,真空电子器件仍然具有相当生命力,而电子束管和光电管仍将广泛应用并有所发展。

真空电子器件制造

零件经处理、装配,制造成真空电子器件,并通过老炼、调整、测试而达到设计所规定的性能要求,这一整个过程和方法即为真空电子器件的制造工艺。
真空电子器件的制造工艺随器件的种类不同而有所区别,但就其共同的特点而言,大体上包括零件处理、部件制造与测试、总装、排气等工艺(图1)。有些器件,如摄像管和显像管,还采用某些特殊的制造工艺,如充气工艺、镀膜工艺、离子蚀刻和荧光屏涂敷工艺等。

零件处理

在装配、制造器件前首先对零件进行处理,目的在于使零件本身清洁、含气量少,并消除内应力。

清洗

金属零件常用汽油、三氯乙烯、丙酮或合成洗涤剂溶液去除表面的油污,再经过酸、碱等处理,去除表面的氧化层或锈垢等。有时还可在上述液体中进行超声清洗,以获得更佳的效果。玻璃外壳或零件可用混合酸处理。经化学清洗后的零件均需经充分的水洗。陶瓷件经去油、化学清洗和水冲洗后,还可再在马弗炉中经1000左右焙烧,使表面更清洁。

退火

将清洗过的零件加热到其熔点以下的一定温度并保持一定时间,然后缓慢冷却,以消除零件在加工过程中引起的应力。大多数金属要在保护性气体或真空中退火,以免氧化,同时也可净化表面和排除内部所含气体。玻璃零件加工后在空气炉中退火即可。

表面涂敷

为避免制造过程中氧化、便于焊接或减小使用时的高频损耗,某些零件要在表面镀镍、铜、金或银等。还有的零件须预先涂敷特殊涂层,如微波管内用的衰减器可用碳化、石墨喷涂或真空蒸发、溅射等方法涂敷一层高频衰减材料。有的零件还须涂敷某种材料,如碳化钽等,以提高表面逸出功,降低次级发射。

部件的制造与测试

为保证器件各电极能按设计要求,准确、可靠地装配起来,预先制成几个部件和组件。对部分组件须进行电气参数的测试(亦称冷测),构成管壳的组件则须经过气密性检验,合格后才能总装。主要制造工艺有装架、封接、焊接和测试等。

装架

把零件装配成阴极、电子枪、栅极、慢波电路、阳极或收集极等组件,或进一步装配成待封口的管子。装架时采用的焊接方法有点焊、原子氢焊、激光焊及超声焊。有时也采用微束等离子焊、电子束焊和扩散焊。

玻璃封接工艺

玻璃之间和玻璃与金属之间的熔封是常用的工艺之一,多已实现自动化操作。利用这种技术制成电极引线或芯柱,并将管壳与芯柱封接在一起。

铟封工艺

两种膨胀系数相差很大的玻璃或玻璃与各种晶体、玻璃与金属间的真空密封,可用高纯铟作焊料冷压而成。这种工艺常用于摄像管窗口和管壳间的封接。它适合于不能承受高温的零部件的真空密封,且铟能作为电极引出线使用。

陶瓷-金属封接工艺

为实现陶瓷绝缘件和金属件的封接以构成部件,广泛采用烧结金属粉末法和活性金属法两种工艺。前者是将钼、锰等金属粉末(有时添加少量氧化物作为活化剂)涂敷在待封接的陶瓷表面,再在氢炉中在 900~1600范围内的某一温度烧结成金属化层,经镀镍后用焊料与金属加以封接。活性金属法则是利用钛、锆等活性金属和焊料或含活性金属的合金焊料,在真空炉中升温至略高于焊料熔点的温度,形成液相活性合金来润湿陶瓷和金属,完成封接。除这两种工艺外,还有氧化物焊料法、扩散封接以及利用蒸发或溅射金属化来进行封接等工艺。图2是一些常用的陶瓷-金属封接结构。

钎焊及氩弧焊

金属间的连接,常采用在氢炉或真空炉中钎焊的工艺。如果部件需多次钎焊,则应先用高熔点焊料后用低熔点焊料进行递级钎焊。若部件的配合设计成具有翻边的法兰结构,则可直接用氩弧焊加以连接。

测试

有些高频系统的部件,如谐振腔、慢波电路等,制成后应先进行“冷测”,以检验其电气性能。必要时可对部件作些调整。对于光电器件,靶面制成后需经动态测试,以检验其性能。封接、钎焊或氩弧焊的部件,如作为管壳的一部分,则必须用检漏仪(如氦质谱仪等)检验其焊缝的密封性能,合格后才能用于总装。

总装

经检验合格的部件用高频集中焊、钎焊或氩弧焊等方法装配成整管后即可进行排气。如果是玻璃管壳,则要把管芯与外壳装配起来,在连接处用火焰熔封,即封口。有时,在总装后再进行一次总体检漏再行排气。

排气

将总装好的器件内部气体抽出,使压强达到10-5帕以下的过程称排气。在排气过程中还必须进行管壳去气、电极去气、阴极分解和激活等,以保证管子正常工作。排气系统常用机械泵与油扩散泵串联的系统,近年来又逐渐采用无油排气系统,这有助于改善器件的性能(见真空获得技术)。

烘烤

在排气过程中常用外部加热的方法对管壳和零件进行烘烤除气,再由排气系统排出管外。为防止管壳金属部分氧化,还常在真空器件外部再设置一真空烘罩,以便在真空环境下进行烘烤,又称“双真空排气”。

电极去气

管内的电极系统除用外烘烤去气外,还可用高频加热、电子轰击以及直接通电加热等方法进行除气。加热的温度应高于使用温度。

阴极分解和激活

对于氧化物阴极,在排气过程中须加热阴极使碳酸盐分解成氧化物。为提高阴极的发射能力,还应进一步提高阴极温度或用支取较大电流的方法加以激活。阴极的分解激活也有在管子封离后进行的,如显像管的“台下分解”。

封离

在器件排气过程终了,管内气体压强达10-5帕以下时,将器件与排气系统分开并保持密封的过程叫封离。对采用玻璃排气管的器件,用火焰喷烧排气管使玻璃融合而与排气系统分开。采用金属排气管的器件,则用特殊夹钳直接夹断金属管,夹口起密封作用以保持管内的真空状态。含有吸气材料的器件常用高频感应加热使蒸散型吸气剂蒸散或使非蒸散型吸气剂激活以吸收器件内残余气体,进一步提高真空度。

老炼

对排气后的器件进行电气处理以获得稳定的电气性能的工艺称为老炼。
首先在阴极加热条件下,各电极上加正常的或略高的电压,并持续一定时间,使电极进一步去气,并使阴极发射电流和其他参数达到稳定。对于高电压器件,老炼前应在阴极不加热的条件下,各电极间加以比工作电压更高的电压,利用放电现象,去除器件内各电极上残留的毛刺、灰尘以及绝缘件表面的污点等,以免器件在使用时发生跳火现象。为保持器件内足够的真空度,有的器件本身还装有钛泵。

测试

器件经老炼后需要测试性能,主要参数应达到预定的指标。这种测试亦称“热测“。为使用可靠,还须抽样进行动态特性试验、寿命试验、耐冲击试验、耐震试验及冷热循环等例行试验。

充气工艺

有些器件,如稳压管、闸流管和离子显示器件等,内部须充有一定的特种气体如氢、氦、氖、氩等。气体在排气过程结束时充入。充入的气体要非常纯净,因此充气过程要采取一定措施,仔细控制。

镀膜工艺

在现代真空电子器件制造过程中,镀膜工艺应用很广。镀膜工艺包括真空蒸发、溅射、离子涂敷及化学气相沉积等。在制作摄像管、光电倍增管时,各类透明导电膜、光电阴极和光导靶面材料采用真空蒸涂的方法制成。显像管荧光膜内表面常蒸铝膜以防止荧光膜灼伤,也可提高管子的亮度和对比度。现代镀膜工艺也被用来改变某些材料的表面状态,制作阴极以及使陶瓷或其他介质表面低温金属化和实现高频低损耗的封接等。

离子刻蚀

这是用离子能量将固体原子或分子从表面层上逐渐剥离的一种新型微细加工方法。使用掩膜可以制出精密图形。这种工艺可用于器件零部件的表面薄层剥离、有机膜的去除以及对摄像管晶体靶面进行清洁处理或制作靶面的精细网格等(见电子束与离子束微细加工)。

荧光屏涂敷工艺

显像管和示波管屏面内表面须涂敷一层均匀的荧光物质。涂屏的方法应尽量保持材料的荧光性质。对涂层的要求是均匀、颗粒大小分布要满足一定要求、真空性能好、放气量小、有足够的粘附强度。涂屏方法主要有沉淀法、粉浆法和干法几种。

沉淀法

黑白显像管、示波管常用沉淀法涂屏。先将玻屏清洗干净,注入含硅酸钾的工作液,再注入含荧光质的悬浮液。经过一定时间的静置沉淀后倒出残液,通入60左右的热空气流,同时用红外灯或热空气均匀地从外部加热,使之干燥。在400~450下焙烧,以去除涂敷过程中引入的有机杂质。

粉浆法

彩色显像管荧光屏多采用粉浆法涂敷荧光粉,即采用含有水溶性感光胶的荧光粉浆注入屏面内进行旋涂,使荧光粉浆均匀分布,再经光学曝光、显影(温纯水冲洗)等步骤制造而成。
三种荧光物质需分三次相继涂敷以使其分别固定在相应的位置上。有的管型需预先在三种色粉之间的位置涂以石墨黑底。荧光膜上要先用溶液法涂一层有机膜,再蒸涂铝膜以保证铝膜表面光亮,而有机膜在以后的焙烧中烧掉。由于屏面涂有荧光粉而不能经受玻璃熔封的高温,须采用低熔点玻璃焊料在 440左右将屏面与颈锥组件加以封接。

干法

这是新发展的一种光粘工艺,属于干法涂屏工艺。
先在屏面上涂以疏水性预涂膜,再涂以光粘胶。由于光粘胶曝光即有粘性,所以在撒上干荧光粉后,可用空气喷吹屏幕,将未曝光部分的粉吹掉而达到涂屏的目的。彩色管的三种颜色的荧光粉分三次进行涂敷。这种工艺简单、成本低、荧光膜亮度高、分辨率高,可以满足超高精细管对涂屏的要求。

参考书目

莫纯昌、陈国平等编:《电真空工艺》,国防工业出版社,北京,1980。
刘联宝主编:《电真空器件的钎焊与陶瓷-金属封接》,国防工业出版社,北京,1980。
H.Kohl Walter,The Handbook of Materials and Techniques for Vacuum Devices, Reinhold Pub.Corp., New York,1967.
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