玻璃，這是一種非常常見(jiàn)的東西，通常知道的玻璃是按照應(yīng)用來(lái)劃分的，如瓶罐玻璃、窗玻璃、汽車(chē)玻璃等。雖然大部分玻璃看上去大同小異，但應(yīng)用不同，玻璃的材料、制作方式等都是不一樣的。電真空玻璃就更加是這樣，雖然乍眼看上去覺(jué)得很平凡普通，但其實(shí)并沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。

電真空器件，如光電倍增管、光源產(chǎn)品等，是根據(jù)具體的用途選擇不同的封裝材料，除了玻璃以外還有金屬、陶瓷等。但因玻璃在成本、制造工藝、透光性上都具有優(yōu)勢(shì)，所以是目前應(yīng)用最廣泛的材料，此種玻璃即為電真空玻璃，廣泛應(yīng)用于真空電子技術(shù)、微電子技術(shù)、激光和紅外技術(shù)、電光源、高能物理等方面；在宇航工業(yè)、能源、汽車(chē)工業(yè)、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域有著極其重要的作用。具體而言，主要用于制作電真空器件的玻璃外殼、玻璃芯柱以及排氣管和連接件等，如光電倍增管、光源的外殼。

圖1 濱松光電倍增管

圖2 濱松光源產(chǎn)品

材質(zhì)：這些玻璃，是用什么做的？

電真空玻璃按照化學(xué)組成一般分為以下幾類(lèi)：鈉鈣硅玻璃、鉛硅酸鹽玻璃、硼硅酸鹽玻璃、鋁硅酸鹽玻璃、石英玻璃等。玻璃成分的匹配往往是根據(jù)不同的性能需求來(lái)決定。不同組成及配比會(huì)導(dǎo)致玻璃的熱膨脹系數(shù)（熱引起的膨脹或者縮小）、電絕緣性、可塑性、透過(guò)率等特性有很大區(qū)別，而電真空玻璃在這幾方面都有較高的要求。

電真空器件常會(huì)在高溫高壓高頻等條件下使用，因此要求其玻璃必須能夠承受這樣的使用環(huán)境。具有良好的電絕緣性則是其中一個(gè)非常重要的要求，即導(dǎo)電率和介電損失要小，在使用溫度內(nèi)保證足夠的電阻率。

由于在燈泡芯柱與電子管中，其兩電極相距很近，故在工作狀態(tài)下兩極之間總是會(huì)存在一定的電勢(shì)差，這就要求玻璃在電勢(shì)差的作用下，不被擊穿而造成短路。有時(shí)這種電勢(shì)差是很大的，如制造顯像管的玻璃，為使電子束能夠獲得激發(fā)熒光屏發(fā)光的能量，就需要承受10000V以上的工作電壓，這就要求電真空玻璃應(yīng)具有優(yōu)良的電絕緣性，否則就不能在電子領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

一般用電阻率溫度系數(shù)Tk-100衡量電真空玻璃電絕緣性的好壞，電子領(lǐng)域要求Tk-100越高越好。由于大多數(shù)玻璃幾乎不存在電子導(dǎo)電，玻璃的導(dǎo)電主要?dú)w因于堿金屬離子在電場(chǎng)作用下的定向移動(dòng)。因此，玻璃的電絕緣性能主要由其化學(xué)成分決定，調(diào)節(jié)堿金屬離子的含量是控制玻璃電絕緣性能的有效辦法。

此外，電真空玻璃具有良好的可塑性也極其重要，以便在制造過(guò)程中能夠形成各種復(fù)雜的形狀或尺寸，否則，技藝再高超也難做的理想?？伤苄耘c玻璃的粘度有直接關(guān)系。粘度隨溫度變化的快慢是一個(gè)很重要的玻璃生產(chǎn)指標(biāo)，常稱(chēng)其為玻璃的料性（即可塑性），粘度隨溫度變化快的玻璃稱(chēng)為短性玻璃，反之稱(chēng)為長(zhǎng)性玻璃。一般來(lái)講，長(zhǎng)性玻璃比較易于加工。

圖3 技術(shù)工人正在吹制玻璃

不同的應(yīng)用、玻璃不同部位對(duì)不同波段光的透過(guò)率要求是不同的，如光電倍增管，玻殼部分通常為可見(jiàn)光透過(guò)，材料一般選擇為硅酸硼玻璃，而窗口玻璃會(huì)有較多選擇，如可透過(guò)可見(jiàn)光的硅硼酸玻璃，可透過(guò)紫外光的紫外透過(guò)玻璃或者石英玻璃，可透過(guò)真空紫外的單晶體MgF₂，可透過(guò)紅外光的單晶體藍(lán)寶石等等。另外，因?yàn)椴ば枰诨浇饘俳K端引腳上，所以其處理方法、玻璃材料和用在窗口上玻璃是不一樣的。

此外，還有一些極其特殊應(yīng)用下的材料是很特別的。如獲得2014“IEEE里程碑”殊榮的世界最大光電倍增管——濱松20英寸光電倍增管，其玻璃使用的是一種稱(chēng)為“HARIO32”的材料。

圖4 濱松20英寸光電倍增管

圖5 濱松20英寸光電倍增管的制作

因?yàn)闉I松20英寸光電倍增管是用于中微子的探測(cè)，在實(shí)驗(yàn)中會(huì)長(zhǎng)期置于幾萬(wàn)噸的純水之下，因此對(duì)材料的防水性要求是極高的。“HARIO 32”是一種硬化玻璃，其熱膨脹系數(shù)較低（僅為32），具有很高的防水性，以及其他匹配特性，被選為20英寸光電倍增管玻璃的材料。

圖6 超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)中的濱松20英寸光電倍增管

工藝：這些玻璃，是怎么做的？

玻璃制品加工技術(shù)需要經(jīng)驗(yàn)和隱性知識(shí)。這種手工藝在工人間人手相傳。而要想同時(shí)獲得產(chǎn)量和質(zhì)量需要把這種隱性知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)檎街R(shí)，然后用這種知識(shí)形成玻璃制造的自動(dòng)過(guò)程。

其工藝包括玻璃熔制、成型、遞級(jí)封接，高頻封接等。還有一些技術(shù)不需要加熱就可處理玻璃，比如切割、研磨或者上色等。玻璃制造的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是玻璃形狀、模具和夾具的設(shè)計(jì)技術(shù)，這些需要通過(guò)使用電腦仿真，并憑借多年的經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成。

玻璃熔制是將配合料經(jīng)過(guò)高溫加熱形成均勻的無(wú)氣泡的、并符合成型條件要求的玻璃液的過(guò)程。玻璃的很多缺陷，例如氣泡、結(jié)石、條紋等都是在熔制過(guò)程中造成的，所以尋求合理的工藝過(guò)程和治理合理的熔制制度，是獲得優(yōu)質(zhì)玻璃的重要環(huán)節(jié)。

圖7 技術(shù)工人作業(yè)中

根據(jù)玻璃的應(yīng)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（如圖3）；平板玻璃（如窗玻璃）使用“浮法”制成；玻璃盤(pán)是壓制出來(lái)的。電真空玻璃一般采用吹制，拉制為主。如玻璃芯柱產(chǎn)品可以通過(guò)加熱來(lái)把玻璃熔化到金屬上，也可通過(guò)壓?；蛘唠姞t制模來(lái)成型，制造出終端布局、尺寸和形狀不同的芯柱，以匹配器件的結(jié)構(gòu)。

圖8 施壓成型的部件

圖9 高頻加熱和電爐鑄造的部件

石英、MgF₂和藍(lán)寶石等窗口材料的熱膨脹系數(shù)與玻殼使用的硅酸硼玻璃的熱膨脹系數(shù)差異較大。因此，直接把二者結(jié)合會(huì)由于不同的熱膨脹系數(shù)引起變形而導(dǎo)致爆裂或破裂。為了解決這個(gè)問(wèn)題，使用了“非匹配玻璃的過(guò)渡封接”處理技術(shù)，通過(guò)使用多種熱膨脹系數(shù)不同但漸變的中介玻璃逐級(jí)封接。

藍(lán)寶石和MgF₂窗口使用的是軟玻璃，因此需要軟玻璃到硬玻璃的遞級(jí)封接，石英窗口則需要石英到硬玻璃的遞級(jí)封接。在濱松有一個(gè)石英過(guò)渡節(jié)的制作，是石英玻璃到鉬組玻璃的封接，需要把7-8種膨脹系數(shù)漸變的玻璃結(jié)合在一起，中間有5種玻璃的連接，整體封接寬度不允許超過(guò)13mm，厚度僅在0.4mm~0.7mm，不但要保證多種玻璃的良好熔封，還要保持平整良好的外觀，加工難度極大，且全部靠手工完成。

圖10 石英玻璃到硬玻璃的遞級(jí)封接

圖11 軟玻璃到硬玻璃的遞級(jí)封接

另外，為了匹配光學(xué)特性，窗口尺寸和形狀都有所不同。圓形或者球形的窗口通常比其他形狀更加堅(jiān)固和穩(wěn)定。然而，為了光電倍增管的特性，如今已經(jīng)制造了形狀更加復(fù)雜的玻璃窗口。

圖12 用于濱松電真空器件的不同形狀窗口

電真空玻璃的加工，都是人手手工操作，因?yàn)槭蔷芷骷闹匾浼?，因此?duì)誤差要求非常的嚴(yán)格，這往往需要有經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)的工人們的高超手藝。雖然成品看起來(lái)可能覺(jué)得和其他許多玻璃器件無(wú)異，但是其在工藝和材料組成上卻是完全不一樣。

儲(chǔ)存：這些玻璃，需要特殊的保存嗎？

到這里，你是否已對(duì)電真空玻璃有了不一樣的認(rèn)識(shí)？材料的甄選，外形的制作，不同元素玻璃的融合、過(guò)渡，都是玻璃工匠們從頭到尾一手把控，最后形成精密探測(cè)器的重要部分。 由于電真空玻璃有著特殊的使用性能，因此保存條件也相對(duì)于其他玻璃來(lái)說(shuō)，需要額外特別特別注意：

1. 1.經(jīng)包裝的產(chǎn)品應(yīng)儲(chǔ)存在-15℃～45℃

2. 2.相對(duì)濕度不大于80%

3. 3.空氣中不含酸、堿蒸汽及其它有害的腐蝕氣體

4. 4.通風(fēng)良好的環(huán)境中。

此外，一些特種電真空玻璃，還需要用惰性氣體保護(hù)，以避免玻璃的變質(zhì)（沒(méi)錯(cuò)，玻璃也是會(huì)變質(zhì)的哦）。而最緊要的是，在使用光電倍增管、光源等一系列電真空器件時(shí)，提前翻看制品的保存說(shuō)明或向相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員咨詢(xún)，并嚴(yán)格照辦，這樣才能最大程度的保證產(chǎn)品的性能。