医用重离子加速器用陶瓷真空室内表面导电层的实现研究_程航.pdf

佛 山 陶 瓷2023 年第 1 期（第 318 期）表 1 陶瓷真空内表面层导电材料成分材料名称金属钼（或钨）金属氧化物（FeO，MnO）非金属氧化物(Al2O3,SiO2，CaO，MgO）含量（%）50605-1030-401前言A-95 陶瓷材料具有不导磁、较高的机械强度以及与金属材料封接后有较高的抗拉强度、较低的真空漏率、极好的稳定性1等优点，已广泛应用于重离子加速器等特殊设备或装置上。陶瓷真空室是重离子加速器传输能量的通道，其内表面应有较小的电阻，因此，陶瓷真空室内表面要有一薄层导电层，这样可以降低对电荷的阻碍，减少能量的损耗，提高能量传输的效率。目前，导电层多采用真空镀膜或喷涂的方法获得。但是，对径向尺寸小、轴向尺寸大的陶瓷真空室，或者截面不规则的陶瓷真空室，真空镀膜或喷涂等方法变得困难（无法延伸、厚度不均匀、结合力差等），甚至无法实现。2内表面导电材料在陶瓷表面固化导电层，要满足两个方面的要求：导电层本身的性能要求；导电层与陶瓷结合必须牢固的要求。陶瓷真空室所用材料为 A-95 陶瓷材料，属于固相烧结陶瓷，其微观组织中玻璃相含量很少，温度较低时，复合材料很难与 A-95 陶瓷形成共熔体（即液相）并迁移到陶瓷内部，无法牢固结合，同时，陶瓷还要经历金属化、饰釉、钎焊等高温过程。基于以上情况，陶瓷真空室内表面导电复合材料中的导电成分选用耐高温且经济实惠的钼（或钨）材料，其余组分为与 A-95 陶瓷材料相近的陶瓷粉，以及能与陶瓷组分及复合材料中的氧化物形成高温流动性较好的锰玻璃的氧化锰。这些氧化物成分的含量比较陶瓷金属化配方中的含量要多，保证形成足够多的玻璃相，一方面相互迁移，提高结合强度，另一方面能够较多的包裹表面的金属（钼和钨）颗粒使其形成具有一定电阻值的导电层。为了防止使用过程中由于热膨胀引起的材料收缩不一致而导致导电层脱落，因此，配方时要考虑复合导电层与 A-95 陶瓷材料热膨胀相近或一致。金属含量依据导电层电阻值确定。这样，在多次研究和试验的基础上，得出陶瓷真空室内表面导电层材料的成分。如表 1 所示。3工艺流程陶瓷内表面及其内表面关系示意图如图 1 所示。导电层如何能牢固的和陶瓷真空室内表面结为一体，并经受各种高温、机械、电气的作用，保证重离子加速器正常工作，在导电层材料研究清楚的情况下，工艺十分重要。陶瓷表面金属化在工艺上有化学镀（浸渍法）、真空镀膜法、PVD（物理蒸镀法）2等，实践证明，对于陶瓷真空室这种异形结构的内表面，采取上述办法，都不可行。在医用重离子加速器用陶瓷真空室内表面导电层的实现研究程航1，李彩娟1，王峰1，万耿民2，付蓉1，薛延刚1(1.兰州工业学院电气工程学院，兰州710030；2.甘肃恒星特种陶瓷有限公司，平凉744000）摘 要：本文针对医用重离子加速器用陶瓷真空室内表面导电层的要求，经反复研究和实践探索，给出了导电层复合材料的成分，提出了可行的工艺程序。关键词：陶瓷真空室；内表面；成分；工艺程序作者简介：程航（1970-），男，汉族，甘肃平凉人，教授，主要从事电气绝缘与高电压技术、真空电器与智能电器方面的教学科研工作。课题项目：2021年甘肃省高等学校创新基金项目，基于医用重离子加速器的精密陶瓷真空室研制（项目编号：2021B-318）。89Vol.33No.01（Serial No.318）FOSHAN CERAMICS图 1 陶瓷真空表面剖面示意图Research on Realization of Ceramic Vacuum Internal Surface Conductive Layer for Medical Heavy IonAcceleratorCHENG Hang1,LI Cai-Juan1,WANG Feng1,WAN Gen-ming2,FU Rong1,XUE Yan-gang1(1.Lanzhou technology institute department of electrical engineering,Lanzhou 710050;2.Gansu Xingsheng Special Ceramics Co.,LTD,PingLiang,744000)Abstract:In this paper,according to the requirements of conductive layer on ceramic vacuum chamber internal surface of medical heavy ionaccelerator,the composition of conductive layer composite material is given and the feasible process program is put forward after repeatedresearch and practical exploration.Keywords:Ceramic vacuum chamber;The internal surface;Composition;process program充分研究陶瓷和导电材料性能的情况下，通过多次实践探索，陶瓷内表面和导电材料牢固结合的工艺流程如图2 所示。将导电复合材料按一定比例配方研磨后做成膏状，冷敷在陶瓷真空室内表面，放入红外干燥箱中烘干后，在 1450以上的温度下进行焙烧。焙烧温度曲线如图 3所示。需要注意的是，50%左右的粒度在 10-15m 为宜，膏状材料细度可用粒度测量仪进行检测并控制；进行冷覆的工件需清洗干净，表面既不能有油污，又不能有吸附的粉尘颗粒，清洗时宜在超声波设备中进行；涂覆厚度控制在 16-20m 之间。采用不同的烧结气氛可以改善陶瓷的组织结构和物理力学性能3，由于导电层的特殊要求，总体需要在强还原气氛中焙烧，但是在某温度区间需要有一定的氧化气氛。焙烧开始时就可以通入湿氢，到保温结束后必须停止通湿氢，也就是说再不能有氧化气氛，否则，高温金属表面会全部氧化，电阻很大或失去导电性。4结语经过反复研究和实践探索，总结出了陶瓷真空室内表面固化金属导电层的办法。按照该办法制造的产品已交付用户，试验和使用结果表明，该办法是切实可行的。参考文献1陶瓷材料.百度文库，2021.82张欣.陶瓷表面金属化的应用与研究J.泰安师专学报,2000(06):35-36+79.3周书助,王社权,彭卫珍,王零森.烧结气氛对 Ti(CN)基金属陶瓷组织和性能的影响 J.中国有色金属学报,2005(09):1350-1357.DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2005.09.007.图 2 陶瓷真空室内表面导电层固化工艺流程图 3 负荷导电材料焙烧工艺曲线90