淺析Al2O3預電離陶瓷管的國產(chǎn)化

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

摘 要： 激光器用預電離Al2O3陶瓷管具有較長和較細的尺寸特點，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，目前嚴重依賴于進口。本文圍繞Al2O3介電管生產(chǎn)的結構設計和介電性能兩方面，介紹和歸納總結了陶瓷介電管的典型結構、制備難點以及影響Al2O3材質介電性能的主要因素，以期為Al2O3預電離陶瓷管的國產(chǎn)化提供參考和借鑒。

關鍵詞：激光器預電離；氧化鋁介電管；加工精度；介電性能

1 前言

激光器預電離[1-2]是在主放電初期，通過對預電離裝置施加外電場使電介質極化產(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變，降低激光器內(nèi)電極的腐蝕和氣體的消耗。預電離裝置所需的陶瓷介電管尺寸通常較長（600-700mm）和較細（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，導致該陶瓷管成品率低、生成成本高[3]，因此嚴重地限制了陶瓷介電管的國產(chǎn)化。

本文主要圍繞著Al2O3介電管生產(chǎn)的結構設計和介電性能兩個方面，首先介紹了陶瓷介電管的典型結構以及制備難點，然后歸納總結了影響Al2O3材質介電性能的主要因素，最后簡要說明了Al2O3陶瓷介電管生產(chǎn)的研究方向，以期為預電離陶瓷管的國產(chǎn)化提供參考和借鑒。

2? 陶瓷介電管典型結構及制備難點

關于陶瓷介電管的結構設計存在著兩點共識[4]：（1）介電管的直徑應盡量小，以減少腔室內(nèi)循環(huán)氣體的流動干擾；（2）介電管的壁厚應盡量薄，以最大限度地提高管的電容。由于介電管的高波阻抗，儲存在介電管中的剩余能量會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的能力[5]。為此，最初設計的介電管采用的是管與襯套組合式的結構，襯套位于管的兩端，上面具有“抗爬電”的凹槽（anti-tracking grooves），襯套通過粘結劑附著在管壁上，如圖1所示[6-7]。采用此結構的介電管經(jīng)長時間使用后，粘結劑會在電暈環(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，從而嚴重地限制了預電離器的預電離效果。此外，管與襯套組合式的結構要求兩者在非常小的公差范圍內(nèi)進行安裝，因此必須進行精細拋光，增加了介電管的制造難度。

電暈預電離可以提供均勻的初始電子密度，但是該放電過程強度較弱。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，從而增強預電離效應。為此，又發(fā)展出了一種整體式結構的陶瓷介電管以解決上述介電管預電離效果不足的問題。該介電管采用了大管徑和厚壁的設計，襯套結構可在管的末端直接加工成型，如圖2所示。

整體式結構的介電管雖然解決了組合式介電管預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：

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

（2）為確保預電離放電時介電管與內(nèi)部電極間的強電容耦合，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，其內(nèi)徑表面無法進行直接加工，易導致內(nèi)電極與介電管間隙不均甚至無法穿入介電管中；

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

3? Al2O3陶瓷管介電性能的影響因素

當在介電管內(nèi)電極和管上的導體之間施加電壓脈沖時，會使介電管的外部表面產(chǎn)生電暈放電，從而實現(xiàn)腔體內(nèi)部的氣體預電離。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的高溫沖擊，同時Al2O3還具有良好的耐腐蝕性，可以抵抗準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、晶粒尺寸和雜質元素等[12]。

3.1? 孔隙率

當Al2O3陶瓷中存在氣孔時，由于空氣的擊穿強度遠低于陶瓷的擊穿強度，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，孔隙尺寸對材料抗擊穿強度的影響越大。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。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陶瓷并對其介電性能進行了研究。隨著孔隙率的增加，擊穿強度降低，但與Liebault等[16]報道的低于5vol%的孔隙率對擊穿強度沒有影響相反，即使低于5vol%孔隙率也會對擊穿強度產(chǎn)生影響。

3.2? 晶粒尺寸

關于陶瓷的晶粒尺寸，當晶粒尺寸過大時擊穿通道會沿著晶界進行擴散。Liebault等[17]對純度為99.99%（E0）和99.8%（B1和B2）的Al2O3陶瓷進行了研究。如圖4所示，純度為99.99%的Al2O3陶瓷，其擊穿強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? 雜質元素

Al2O3陶瓷材料的介電性能與其電荷特性密切相關，捕獲電荷密度的增強會引起極化和晶格畸變，從而使材料內(nèi)部的能量累積。當捕獲電荷達到某個臨界溫度（或某個臨界電場），則外部應力（熱或機械）會觸發(fā)陶瓷材料中儲存能量的釋放。如果這種能量足夠大，則可能會使其發(fā)生擊穿[18]。陶瓷材料的外部點缺陷是由外來元素的溶解引起的，雜質的溶解度主要取決于其陽離子的大小，通常小尺寸的元素具有高溶解度。此外，不同的雜質元素類型和含量會在Al2O3陶瓷微觀結構中形成不同的晶間相，這些相控制著電荷的捕獲和擴散。當陶瓷材料能夠穩(wěn)定地獲得大量電荷時，其介電性能會得到提升。Ahmed等[19]用正電子壽命測量法測試了摻雜（主要為Si元素）Al2O3陶瓷樣品的介電擊穿強度，該Al2O3樣品的擊穿強度滿足Ec=0.454sGB+12.16kV/mm的線性關系，其中sGB為晶界比表面積。當Si雜質溶解到Al2O3中時會在晶界處偏析，使得晶界處的正電子阱濃度升高，因而Al2O3陶瓷的擊穿強度也會線性增加。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，從而導致更高的擊穿強度（陶瓷A擊穿強度為14.9kV/mm，陶瓷B擊穿強度為14.4kV/mm），而陶瓷C不含有堇青石，擊穿強度降低為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陽離子以與Al3+相同價態(tài)的Mn3+的形式進入Al2O3晶格，由于兩者離子半徑相差不大，高濃度過量的Mn陽離子不會產(chǎn)生點缺陷，而是在晶界處偏析形成第二非晶相。對于Cd和Mo摻雜劑，Cd摻雜劑僅以二價陽離子形式引入到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，從而在燒結過程中產(chǎn)生更多的點缺陷。

3.4? 晶體結構

Al2O3材料的介電性能與其韌性直接相關，晶體結構會影響其韌性，而晶體取向不會影響其介電性能。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，但是兩者的擊穿強度相一致。Malec等[23]研究了Al2O3陶瓷的介電強度與晶體形貌（單晶和多晶）間的變化規(guī)律。在對Al2O3樣品施加電壓期間，作用于樣品的機電力會導致裂紋的擴展并引發(fā)材料的炸裂。Al2O3材料的韌性與它的擊穿強度直接相關，即韌性越高，介電強度越高。單晶Al2O3解理面上裂紋的移動速率比多晶Al2O3中的更快，因此多晶Al2O3具有更高的韌性和介電擊穿強度。

4? 結? 語

激光器預電離裝置用Al2O3介電管尺寸較長且較細，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介電管的國產(chǎn)化生產(chǎn)仍需圍繞以下兩個方面進行開展：

（1）Al2O3介電管內(nèi)部缺陷的改善。采用整體式結構的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)過程中需嚴格篩選Al2O3粉源、制定最佳的燒成制度來控制其內(nèi)部的孔隙率、晶粒尺寸和雜質元素等因素。

（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格設定燒成制度等措施把控。有關薄壁“抗爬電”槽的加工也需借助新型的磨削設備和合理的加工制度來實現(xiàn)。

參考文獻

[1] Basting. D， Marowsky. G. Excimer laser technology[M]. Berlin： Springer， 2005.

[2] 李凌峰. 電暈預電離及其支持的脈沖輝光放電的研究[D]. 武漢： 華中科技大學碩士學位論文， 2013.

[3] 丁金濱， 劉斌， 陳進新， 等. 一種預電離陶瓷管[P]. 中國專利： CN103066481A， 2013-04-24.

[4] Watson. T. Low cost corona pre-ionizer for a laser[P]. US： 5719896， 1998-02-17.

[5] Bragin. I， Rebhan. U， Stamm. U. Preionization arrangement for gas laser[P]. US： 6650679B1， 2003-11-18.

[6] Bragin. I， Berger. V， Julien. I， et al. Corona preionization assembly for a gas laser[P]. US： 6757315B1， 2004-06-29.

[7] Lasson. D. Pre-ionizer for a laser[P]. US： 5337330， 1994-08-09.

[8] Watson. T， Partlo. W. Compact excimer laser insulator with integral pre-ionizer[P]. US： 5818865， 1998-10-06.

[9] Knowles. D， Azzola. J， Besaucele. H， et al. Reliable. modular， production quality narrow-band KrF excimer laser[P]. US： 5991324， 1999-11-23.

[10] Kakizaki. K， Hotta. K， Arai. M. Corona preionization electrode unit for use in gas laser apparatus[P]. US： 6654402B1， 2003-11-25.

[11] 孟姍姍， 王安英， 徐東昌， 等. 光刻機用準分子激光器陶瓷絕緣框[P]. 中國專利： CN216672159U， 2022-06-03.

[12] 趙世柯. 電真空器件用氧化鋁陶瓷的介電性能[J]. 真空電子技術， 2007， 04： 20-24.

[13] Zhang T， Lei Y， Yin J， et al. Effects of pores on dielectric breakdown of alumina ceramics under AC electric field[J]. Ceramics International， 2019， 45（11）： 13951-13957.

[14] Penn. S， Alford. N， Templeton. A， et al. Effect of porosity and grain size on the microwave dielectric properties of sintered alumina[J]. Communications of the American ceramic society， 80（07）： 1885-1888.

[15] Neusel. C， Jelitto. H， Schmidt. D， et al. Thickness-dependence of the breakdown strength： Analysis of the dielectric and mechanical failure[J]. Journal of the European Ceramic Society， 2015： 113-123.

[16] Liebault. J， Bigarre. J， Treheux. D， et al. Influence of microstructural parameters on dielectric properties of polycrystalline alumina[C]. In CSC3 Proceedings， 1998： 391-400.

[17] Liebault. J， Vallayer. J， Goeuriot. D， et al. How the trapping of charges can explain the dielectric breakdown performance of alumina ceramics[J]. Journal of the European ceramic society， 2001： 389-397.

[18] Kamel. Z， Gerard. M， Abderrahmane. S， et al. Effects of the microstructure induced by sintering on the dielectric properties of alumina[M]. Rijeka： InTech， 2012： 554-578.

[19] Ahmed. A， Kansy. J， Zarbout. K， et al. Microstructural origin of the dielectric breakdown strength in alumina： A study by positron lifetime spectroscopy[J]. Journal of the European Ceramic Society， 2005： 2813-2816.

[20] Haddour. L， Mesrati. N， Goeuriot. D， et al. Relationships between microstructure， mechanical and dielectric properties of different alumina materials[J]. Journal of the European Ceramic Society， 2009： 2747-2756.

[21] Farag. I， Battisha. I， Rafaay. M. Study of dielectric properties of α-alumina doped with MnO， CdO and MoO[J]. Indian Journal of Pure & Applied Physics， 2005， 43：446-458.

[22] Neusel. C， Jelitto. H， Schmidt. D， et al. Dielectric breakdown of alumina single crystals[J]. Journal of the European Ceramic Society， 2012：1053-1057.

[23] Malec. D， Bley. V， Talbi. F， et al. Contribution to the understanding of the relationship between mechanical and dielectric strengths of alumina[J]. Journal of the European Ceramic Society， 2010： 3117-3123.