作者簡(jiǎn)介：闞金鋒（1989-），男，河北黃驊，碩士，工程師，主要從事準(zhǔn)分子激光器用新材料的研發(fā)。

摘 要： 激光器用預(yù)電離Al2O3陶瓷管具有較長(zhǎng)和較細(xì)的尺寸特點(diǎn)，生產(chǎn)過程中易出現(xiàn)內(nèi)部缺陷和加工精度不足等問題，目前嚴(yán)重依賴于進(jìn)口。本文圍繞Al2O3介電管生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和介電性能兩方面，介紹和歸納總結(jié)了陶瓷介電管的典型結(jié)構(gòu)、制備難點(diǎn)以及影響Al2O3材質(zhì)介電性能的主要因素，以期為Al2O3預(yù)電離陶瓷管的國(guó)產(chǎn)化提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：激光器預(yù)電離；氧化鋁介電管；加工精度；介電性能

1 前言

激光器預(yù)電離[1-2]是在主放電初期，通過對(duì)預(yù)電離裝置施加外電場(chǎng)使電介質(zhì)極化產(chǎn)生一定密度的初始電子（通常為107-109/cm3），然后使中性氣體分子電離或激發(fā)產(chǎn)生光子，從而避免流光向弧光的惡性轉(zhuǎn)變，降低激光器內(nèi)電極的腐蝕和氣體的消耗。預(yù)電離裝置所需的陶瓷介電管尺寸通常較長(zhǎng)（600-700mm）和較細(xì)（外徑6-8mm，內(nèi)徑3-5mm），生產(chǎn)過程中很容易出現(xiàn)內(nèi)部缺陷和加工精度不足等問題，導(dǎo)致該陶瓷管成品率低、生成成本高[3]，因此嚴(yán)重地限制了陶瓷介電管的國(guó)產(chǎn)化。

本文主要圍繞著Al2O3介電管生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和介電性能兩個(gè)方面，首先介紹了陶瓷介電管的典型結(jié)構(gòu)以及制備難點(diǎn)，然后歸納總結(jié)了影響Al2O3材質(zhì)介電性能的主要因素，最后簡(jiǎn)要說(shuō)明了Al2O3陶瓷介電管生產(chǎn)的研究方向，以期為預(yù)電離陶瓷管的國(guó)產(chǎn)化提供參考和借鑒。

2? 陶瓷介電管典型結(jié)構(gòu)及制備難點(diǎn)

關(guān)于陶瓷介電管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在著兩點(diǎn)共識(shí)[4]：（1）介電管的直徑應(yīng)盡量小，以減少腔室內(nèi)循環(huán)氣體的流動(dòng)干擾；（2）介電管的壁厚應(yīng)盡量薄，以最大限度地提高管的電容。由于介電管的高波阻抗，儲(chǔ)存在介電管中的剩余能量會(huì)在介電管和主要放電氣體間產(chǎn)生高壓電振蕩，從而顯著地降低介電管開口端抵抗直接高壓擊穿和閃絡(luò)的能力[5]。為此，最初設(shè)計(jì)的介電管采用的是管與襯套組合式的結(jié)構(gòu)，襯套位于管的兩端，上面具有“抗爬電”的凹槽（anti-tracking grooves），襯套通過粘結(jié)劑附著在管壁上，如圖1所示[6-7]。采用此結(jié)構(gòu)的介電管經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用后，粘結(jié)劑會(huì)在電暈環(huán)境下趨于惡化，污染腔室內(nèi)的工作氣體，需要頻繁地更換氣體，從而嚴(yán)重地限制了預(yù)電離器的預(yù)電離效果。此外，管與襯套組合式的結(jié)構(gòu)要求兩者在非常小的公差范圍內(nèi)進(jìn)行安裝，因此必須進(jìn)行精細(xì)拋光，增加了介電管的制造難度。

電暈預(yù)電離可以提供均勻的初始電子密度，但是該放電過程強(qiáng)度較弱。介電管的直徑越大，可以為光子的產(chǎn)生提供更大的表面積，從而增強(qiáng)預(yù)電離效應(yīng)。為此，又發(fā)展出了一種整體式結(jié)構(gòu)的陶瓷介電管以解決上述介電管預(yù)電離效果不足的問題。該介電管采用了大管徑和厚壁的設(shè)計(jì)，襯套結(jié)構(gòu)可在管的末端直接加工成型，如圖2所示。

整體式結(jié)構(gòu)的介電管雖然解決了組合式介電管預(yù)電離效果不足的問題，但是它的生產(chǎn)制備依然存在著如下難點(diǎn)：

（1）陶瓷介電管尺寸較長(zhǎng)且較細(xì)，生成過程中陶瓷管生坯壓制后易變形開裂，同時(shí)在燒制過程中也容易彎曲變形；

（2）為確保預(yù)電離放電時(shí)介電管與內(nèi)部電極間的強(qiáng)電容耦合，需保證兩者之間的間隙均勻最小。由于介電管內(nèi)徑較小且尺寸較長(zhǎng)，其內(nèi)徑表面無(wú)法進(jìn)行直接加工，易導(dǎo)致內(nèi)電極與介電管間隙不均甚至無(wú)法穿入介電管中；

（3）介電管兩端的“抗爬電”凹槽采用直接加工成型的方式，由于該結(jié)構(gòu)壁厚較薄，加之Al2O3陶瓷材質(zhì)脆性較大，加工過程中很容易破裂。

3? Al2O3陶瓷管介電性能的影響因素

當(dāng)在介電管內(nèi)電極和管上的導(dǎo)體之間施加電壓脈沖時(shí)，會(huì)使介電管的外部表面產(chǎn)生電暈放電，從而實(shí)現(xiàn)腔體內(nèi)部的氣體預(yù)電離。因此，用于制造介電管的陶瓷材料需要具有高介電常數(shù)（Dielectric Constant）和高擊穿強(qiáng)度（Breakdown Strength），足以支持電容性電暈放電而不發(fā)生介電擊穿[8-10]。氧化鋁（Al2O3）由于具有高熱穩(wěn)定性，能夠承受高脈沖率電流和反復(fù)的高溫沖擊，同時(shí)Al2O3還具有良好的耐腐蝕性，可以抵抗準(zhǔn)分子激光器中由氟氣（F2）、氬氣（Ar）和氪氣（Kr）等組成的工作氣體的腐蝕[11]，因此成為制備介電管的首選陶瓷材料。Al2O3陶瓷的介電性能主要取決于主晶相（α-Al2O3）的物理特性，如孔隙率、晶粒尺寸和雜質(zhì)元素等[12]。

3.1? 孔隙率

當(dāng)Al2O3陶瓷中存在氣孔時(shí)，由于空氣的擊穿強(qiáng)度遠(yuǎn)低于陶瓷的擊穿強(qiáng)度，因此在氣孔位置很容易發(fā)生擊穿現(xiàn)象。Al2O3陶瓷內(nèi)部的氣孔率越高，孔徑尺寸越大，其介電性能越差。Zhang等[13]在Al2O3陶瓷制備過程中添加不同含量和粒徑的聚乙烯醇（PVA）顆粒添加劑，最終得到了內(nèi)部孔隙大小和數(shù)量不同的Al2O3試樣。樣品的介電擊穿強(qiáng)度隨著孔隙率和孔徑的增加而減小，并且孔隙率越高，孔隙尺寸對(duì)材料抗擊穿強(qiáng)度的影響越大。Penn等[14]發(fā)現(xiàn)Al2O3陶瓷的介電常數(shù)與孔隙率滿足線性關(guān)系，隨著陶瓷孔隙率的增加，Al2O3陶瓷的介電常數(shù)呈線性下降的趨勢(shì)。Neusel等[15]通過往Al2O3粉末中摻入不同含量的大米淀粉作為助孔劑，燒制出具有不同孔隙率的Al2O3陶瓷并對(duì)其介電性能進(jìn)行了研究。隨著孔隙率的增加，擊穿強(qiáng)度降低，但與Liebault等[16]報(bào)道的低于5vol%的孔隙率對(duì)擊穿強(qiáng)度沒有影響相反，即使低于5vol%孔隙率也會(huì)對(duì)擊穿強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

3.2? 晶粒尺寸

關(guān)于陶瓷的晶粒尺寸，當(dāng)晶粒尺寸過大時(shí)擊穿通道會(huì)沿著晶界進(jìn)行擴(kuò)散。Liebault等[17]對(duì)純度為99.99%（E0）和99.8%（B1和B2）的Al2O3陶瓷進(jìn)行了研究。如圖4所示，純度為99.99%的Al2O3陶瓷，其擊穿強(qiáng)度并未受到晶粒尺寸的影響，保持在15.2±0.5kV/mm，而純度為99.8%的Al2O3陶瓷其擊穿強(qiáng)度低于純度為99.99%的Al2O3陶瓷，且隨著晶粒尺寸的增大而降低。

3.3? 雜質(zhì)元素

Al2O3陶瓷材料的介電性能與其電荷特性密切相關(guān)，捕獲電荷密度的增強(qiáng)會(huì)引起極化和晶格畸變，從而使材料內(nèi)部的能量累積。當(dāng)捕獲電荷達(dá)到某個(gè)臨界溫度（或某個(gè)臨界電場(chǎng)），則外部應(yīng)力（熱或機(jī)械）會(huì)觸發(fā)陶瓷材料中儲(chǔ)存能量的釋放。如果這種能量足夠大，則可能會(huì)使其發(fā)生擊穿[18]。陶瓷材料的外部點(diǎn)缺陷是由外來(lái)元素的溶解引起的，雜質(zhì)的溶解度主要取決于其陽(yáng)離子的大小，通常小尺寸的元素具有高溶解度。此外，不同的雜質(zhì)元素類型和含量會(huì)在Al2O3陶瓷微觀結(jié)構(gòu)中形成不同的晶間相，這些相控制著電荷的捕獲和擴(kuò)散。當(dāng)陶瓷材料能夠穩(wěn)定地獲得大量電荷時(shí)，其介電性能會(huì)得到提升。Ahmed等[19]用正電子壽命測(cè)量法測(cè)試了摻雜（主要為Si元素）Al2O3陶瓷樣品的介電擊穿強(qiáng)度，該Al2O3樣品的擊穿強(qiáng)度滿足Ec=0.454sGB+12.16kV/mm的線性關(guān)系，其中sGB為晶界比表面積。當(dāng)Si雜質(zhì)溶解到Al2O3中時(shí)會(huì)在晶界處偏析，使得晶界處的正電子阱濃度升高，因而Al2O3陶瓷的擊穿強(qiáng)度也會(huì)線性增加。Haddour等[20]研究了具有不同添加物（SiO2、MgO、CaO和ZrO2）含量的Al2O3陶瓷的介電擊穿行為。陶瓷A和陶瓷B含有堇青石，具有更多的電子阱，從而導(dǎo)致更高的擊穿強(qiáng)度（陶瓷A擊穿強(qiáng)度為14.9kV/mm，陶瓷B擊穿強(qiáng)度為14.4kV/mm），而陶瓷C不含有堇青石，擊穿強(qiáng)度降低為13.9kV/mm。Farag等[21]研究了摻雜不同摩爾比0.01-0.19 MnO，0.01-0.16摩爾比MoO3和CdO的α-Al2O3的介電性能。摻雜劑濃度對(duì)ε的影響在MnO摻雜劑中最小，其次為CdO摻雜劑，MoO3摻雜劑中影響最大。Mn陽(yáng)離子以與Al3+相同價(jià)態(tài)的Mn3+的形式進(jìn)入Al2O3晶格，由于兩者離子半徑相差不大，高濃度過量的Mn陽(yáng)離子不會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)缺陷，而是在晶界處偏析形成第二非晶相。對(duì)于Cd和Mo摻雜劑，Cd摻雜劑僅以二價(jià)陽(yáng)離子形式引入到Al2O3晶格中，而Mo摻雜劑不僅以Mo6+形式引入基體晶格，還以Mo的還原形式引入基體晶格，從而在燒結(jié)過程中產(chǎn)生更多的點(diǎn)缺陷。

3.4? 晶體結(jié)構(gòu)

Al2O3材料的介電性能與其韌性直接相關(guān)，晶體結(jié)構(gòu)會(huì)影響其韌性，而晶體取向不會(huì)影響其介電性能。Neusel等[22]研究了單晶Al2O3在{110}面（單晶A）和{0001}面（單晶C）兩種不同晶體取向下的擊穿行為。在C取向晶體中，擊穿通道平行于C軸，對(duì)A取向晶體，擊穿通道從斜向穿過樣品，晶體表面與擊穿通道夾角為60°。雖然A和C晶體的擊穿通道不同，但是兩者的擊穿強(qiáng)度相一致。Malec等[23]研究了Al2O3陶瓷的介電強(qiáng)度與晶體形貌（單晶和多晶）間的變化規(guī)律。在對(duì)Al2O3樣品施加電壓期間，作用于樣品的機(jī)電力會(huì)導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展并引發(fā)材料的炸裂。Al2O3材料的韌性與它的擊穿強(qiáng)度直接相關(guān)，即韌性越高，介電強(qiáng)度越高。單晶Al2O3解理面上裂紋的移動(dòng)速率比多晶Al2O3中的更快，因此多晶Al2O3具有更高的韌性和介電擊穿強(qiáng)度。

4? 結(jié)? 語(yǔ)

激光器預(yù)電離裝置用Al2O3介電管尺寸較長(zhǎng)且較細(xì)，生產(chǎn)過程中易出現(xiàn)內(nèi)部缺陷和加工精度不足等問題。為此，該Al2O3介電管的國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)仍需圍繞以下兩個(gè)方面進(jìn)行開展：

（1）Al2O3介電管內(nèi)部缺陷的改善。采用整體式結(jié)構(gòu)的Al2O3介電管由于壁厚增加，使得其內(nèi)部出現(xiàn)氣孔、異常夾雜物和組織不均等缺陷的概率增加。為此，生產(chǎn)過程中需嚴(yán)格篩選Al2O3粉源、制定最佳的燒成制度來(lái)控制其內(nèi)部的孔隙率、晶粒尺寸和雜質(zhì)元素等因素。

（2）Al2O3介電管尺寸精度的控制。限于該陶瓷介電管的尺寸，現(xiàn)有的冷等靜壓+燒結(jié)的生產(chǎn)工藝在保證Al2O3介電管收縮一致性方面仍有較大難度，需要借助精密工裝成型和嚴(yán)格設(shè)定燒成制度等措施把控。有關(guān)薄壁“抗爬電”槽的加工也需借助新型的磨削設(shè)備和合理的加工制度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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