电真空玻璃真的不简单啊！（用PMT应该知道的事）

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玻璃，这是一种非常常见的东西，通常知道的玻璃是按照应用来划分的，如瓶罐玻璃、窗玻璃、汽车玻璃等。虽然大部分玻璃看上去大同小异，但应用不同，玻璃的材料、制作方式等都是不一样的。电真空玻璃就更加是这样，虽然乍眼看上去觉得很平凡普通，但其实并没有那么简单。

电真空器件，如光电倍增管、光源产品等，是根据具体的用途选择不同的封装材料，除了玻璃以外还有金属、陶瓷等。但因玻璃在成本、制造工艺、透光性上都具有优势，所以是目前应用最广泛的材料，此种玻璃即为电真空玻璃，广泛应用于真空电子技术、微电子技术、激光和红外技术、电光源、高能物理等方面；在宇航工业、能源、汽车工业、化学工业等领域有着极其重要的作用。具体而言，主要用于制作电真空器件的玻璃外壳、玻璃芯柱以及排气管和连接件等，如光电倍增管、光源的外壳。

图1 滨松光电倍增管

图2 滨松光源产品

材质：这些玻璃，是用什么做的？

电真空玻璃按照化学组成一般分为以下几类：钠钙硅玻璃、铅硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃、石英玻璃等。玻璃成分的匹配往往是根据不同的性能需求来决定。不同组成及配比会导致玻璃的热膨胀系数（热引起的膨胀或者缩小）、电绝缘性、可塑性、透过率等特性有很大区别，而电真空玻璃在这几方面都有较高的要求。

电真空器件常会在高温高压高频等条件下使用，因此要求其玻璃必须能够承受这样的使用环境。具有良好的电绝缘性则是其中一个非常重要的要求，即导电率和介电损失要小，在使用温度内保证足够的电阻率。

由于在灯泡芯柱与电子管中，其两电极相距很近，故在工作状态下两极之间总是会存在一定的电势差，这就要求玻璃在电势差的作用下，不被击穿而造成短路。有时这种电势差是很大的，如制造显像管的玻璃，为使电子束能够获得激发荧光屏发光的能量，就需要承受10000V以上的工作电压，这就要求电真空玻璃应具有优良的电绝缘性，否则就不能在电子领域中得到广泛的应用。

一般用电阻率温度系数Tk-100衡量电真空玻璃电绝缘性的好坏，电子领域要求Tk-100越高越好。由于大多数玻璃几乎不存在电子导电，玻璃的导电主要归因于碱金属离子在电场作用下的定向移动。因此，玻璃的电绝缘性能主要由其化学成分决定，调节碱金属离子的含量是控制玻璃电绝缘性能的有效办法。

此外，电真空玻璃具有良好的可塑性也极其重要，以便在制造过程中能够形成各种复杂的形状或尺寸，否则，技艺再高超也难做的理想。可塑性与玻璃的粘度有直接关系。粘度随温度变化的快慢是一个很重要的玻璃生产指标，常称其为玻璃的料性（即可塑性），粘度随温度变化快的玻璃称为短性玻璃，反之称为长性玻璃。一般来讲，长性玻璃比较易于加工。

图3 技术工人正在吹制玻璃

不同的应用、玻璃不同部位对不同波段光的透过率要求是不同的，如光电倍增管，玻壳部分通常为可见光透过，材料一般选择为硅酸硼玻璃，而窗口玻璃会有较多选择，如可透过可见光的硅硼酸玻璃，可透过紫外光的紫外透过玻璃或者石英玻璃，可透过真空紫外的单晶体MgF₂，可透过红外光的单晶体蓝宝石等等。另外，因为玻壳需要融化到金属终端引脚上，所以其处理方法、玻璃材料和用在窗口上玻璃是不一样的。

此外，还有一些极其特殊应用下的材料是很特别的。如获得2014“IEEE里程碑”殊荣的世界最大光电倍增管——滨松20英寸光电倍增管，其玻璃使用的是一种称为“HARIO32”的材料。

图4 滨松20英寸光电倍增管

图5 滨松20英寸光电倍增管的制作

因为滨松20英寸光电倍增管是用于中微子的探测，在实验中会长期置于几万吨的纯水之下，因此对材料的防水性要求是极高的。“HARIO 32”是一种硬化玻璃，其热膨胀系数较低（仅为32），具有很高的防水性，以及其他匹配特性，被选为20英寸光电倍增管玻璃的材料。

图6 超级神冈实验中的滨松20英寸光电倍增管

工艺：这些玻璃，是怎么做的？

玻璃制品加工技术需要经验和隐性知识。这种手工艺在工人间人手相传。而要想同时获得产量和质量需要把这种隐性知识转变为正式知识，然后用这种知识形成玻璃制造的自动过程。

其工艺包括玻璃熔制、成型、递级封接，高频封接等。还有一些技术不需要加热就可处理玻璃，比如切割、研磨或者上色等。玻璃制造的另一个关键技术是玻璃形状、模具和夹具的设计技术，这些需要通过使用电脑仿真，并凭借多年的经验来完成。

玻璃熔制是将配合料经过高温加热形成均匀的无气泡的、并符合成型条件要求的玻璃液的过程。玻璃的很多缺陷，例如气泡、结石、条纹等都是在熔制过程中造成的，所以寻求合理的工艺过程和治理合理的熔制制度，是获得优质玻璃的重要环节。

图7 技术工人作业中

根据玻璃的应用不同，后期成形方法也是不同的。瓶罐玻璃使用模具吹制而成（如图3）；平板玻璃（如窗玻璃）使用“浮法”制成；玻璃盘是压制出来的。电真空玻璃一般采用吹制，拉制为主。如玻璃芯柱产品可以通过加热来把玻璃熔化到金属上，也可通过压模或者电炉制模来成型，制造出终端布局、尺寸和形状不同的芯柱，以匹配器件的结构。

图8 施压成型的部件

图9 高频加热和电炉铸造的部件

石英、MgF₂和蓝宝石等窗口材料的热膨胀系数与玻壳使用的硅酸硼玻璃的热膨胀系数差异较大。因此，直接把二者结合会由于不同的热膨胀系数引起变形而导致爆裂或破裂。为了解决这个问题，使用了“非匹配玻璃的过渡封接”处理技术，通过使用多种热膨胀系数不同但渐变的中介玻璃逐级封接。

蓝宝石和MgF₂窗口使用的是软玻璃，因此需要软玻璃到硬玻璃的递级封接，石英窗口则需要石英到硬玻璃的递级封接。在滨松有一个石英过渡节的制作，是石英玻璃到钼组玻璃的封接，需要把7-8种膨胀系数渐变的玻璃结合在一起，中间有5种玻璃的连接，整体封接宽度不允许超过13mm，厚度仅在0.4mm~0.7mm，不但要保证多种玻璃的良好熔封，还要保持平整良好的外观，加工难度极大，且全部靠手工完成。

图10 石英玻璃到硬玻璃的递级封接

图11 软玻璃到硬玻璃的递级封接

另外，为了匹配光学特性，窗口尺寸和形状都有所不同。圆形或者球形的窗口通常比其他形状更加坚固和稳定。然而，为了光电倍增管的特性，如今已经制造了形状更加复杂的玻璃窗口。

图12 用于滨松电真空器件的不同形状窗口

电真空玻璃的加工，都是人手手工操作，因为是精密器件的重要配件，因此对误差要求非常的严格，这往往需要有经验和技术的工人们的高超手艺。虽然成品看起来可能觉得和其他许多玻璃器件无异，但是其在工艺和材料组成上却是完全不一样。

储存：这些玻璃，需要特殊的保存吗？

到这里，你是否已对电真空玻璃有了不一样的认识？材料的甄选，外形的制作，不同元素玻璃的融合、过渡，都是玻璃工匠们从头到尾一手把控，最后形成精密探测器的重要部分。 由于电真空玻璃有着特殊的使用性能，因此保存条件也相对于其他玻璃来说，需要额外特别特别注意：

• 经包装的产品应储存在-15℃～45℃

• 相对湿度不大于80%

• 空气中不含酸、碱蒸汽及其它有害的腐蚀气体

• 通风良好的环境中。

此外，一些特种电真空玻璃，还需要用惰性气体保护，以避免玻璃的变质（没错，玻璃也是会变质的哦）。而最紧要的是，在使用光电倍增管、光源等一系列电真空器件时，提前翻看制品的保存说明或向相关专业人员咨询，并严格照办，这样才能最大程度的保证产品的性能。

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