特殊材料窗的真空封接

真空封接 張以忱 東北大學

  超高真空系統往往要有特殊材料的窗, 例如云母窗, 石英窗, 藍寶石窟、氟化理窗, 氟化鎂窗或鍺窗等。封接要求是窗不得變形損壞, 封接溫度必須低于窗材料的軟化點。

  云母窗大多采用品質比天然云母優良的人造金云母。用環氧樹脂封接的接頭最高除氣溫度不能超過200℃。采用AgCl粘合劑可以和貴金屬( 金、鉑) 封接。AgCl熔點約457℃, 熔化后能潤濕云母和金屬。冷卻后成為像蠟一樣的化合物, 能適應被連接兩零件膨脹系數的變化。這種化合物不溶于水和大多數酸, 能溶于NH4OH 和Na2S2O3 ,紫外輻射對它有影響, 并容易擦傷。接頭最高除氣溫度不能超過300℃。使用易熔焊料玻璃可以和軟玻璃及金屬獲得良好的真空封接。焊料玻璃熔點應低于云母脫水溫度, 金云母的脫水溫度約900℃。不同材料應采用不同的焊料玻璃, 例如軟玻璃、鎳鋼( 50% Ni- 50% Fe) 和鉻鋼( 30%Cr- 70% Fe) 采用焊料玻璃M130, 它的膨脹系數約1.1×10- 7- 1 , 封接溫度為600℃合金鐵鎳鉻( 52% Fe- 42% Ni- 6% Cr) 和鉻鋼( 25% Cr- 5% Fe)

  采用焊料玻璃7570, 這種玻璃的膨脹系數約84×10-7-1 , 封接溫度為600℃。使用活性金屬法也可獲得良好的封接。通常用鈦框套在云母接頭的兩邊, 然后加上Ag-Cu焊料, 真空加熱到850℃, 保溫5 min 即得牢固的接頭。鈦金屬可和銅零件釬焊在一起。接頭能經受400℃除氣。

  藍寶石和石英, 熔點都很高, 耐熱沖擊。能用焊料玻璃或硬焊料與金屬封接。考慮到視窗與金屬座之間膨脹系數的差別, 在接頭處的金屬應適當薄一些。圖9 是視窗裝在法蘭盤上的例子。不能使用燒結金屬化法, 因為燒結溫度過高會使石英析晶失透, 能使用活性金屬法與金屬封接。

 裝在法蘭上的藍寶石視窗

圖9 裝在法蘭上的藍寶石視窗

  利用正常的玻璃吹制技術可把玻璃直接封接于藍寶石和石英上。藍寶石的熱膨脹系數為58~90×10-7-1 , 與蘇打玻璃相匹配, 7530玻璃的膨脹系數為71×10-7-1, 匹配得特別好。石英要用多級封接技術把它和封接了玻璃的金屬封接。氟化鎂窗可用玻璃焊料封接。氟化鋰窗可用氟化鉛烘烤封接于銅和金。

  膨脹系數不匹配的場合, 可用銦或鉛等軟金屬作過渡金屬熱壓封接。鍺窗就是用這種方法附著于金屬法蘭上的。低熔點金屬對烘烤溫度有限制, 但總比環氧樹脂封接要好一些。有時為使封接牢固, 在窗的封接表面鍍覆鎳鉻合金( 60%Ni- 16% Cr- 24% Fe, 耐腐蝕合金, 室溫略有磁性)層和金層, 它們對銦粘結極牢。壓焊也稱咬合封接, 可在室溫下也可在加溫下進行, 是真空接頭較普遍采用的焊接方法。軟金屬例如銅和銀等,可直接壓焊。硬金屬依靠插入表面間的軟金屬實現壓焊, 例如可伐表面間用銦絲實現盤狀封接。焊接表面必須清潔無氧化, 需要的外加壓力很高, 大于10 kg/mm2 , 溫度升高壓強可減少。適用于封接不太大的扁平表面。