吸气剂的过去和现在
2022-9-21
吸气剂(Getter)一词,在电子管领域和真空领域内,是指一种能吸收和固定气 体的器件。吸气剂可分为两大类,即蒸散型吸气剂和非蒸散型吸气剂。蒸散型吸气 剂是指采用蒸发的方法,把吸气金属沉积在真空器件的内壁上,以形成一种吸气薄 膜的吸气剂。非蒸散型吸气剂是指在清洁处理或者所谓的激活后,便对所有的气体 或者某几种特定的气体,变得十分敏感的吸气剂。
就我们所知,最早对吸气现象作出科学评价的,可追溯到 1883 年。那时,美国 的 Ftzgetald 申请了发现锰的吸气作用的专利权。把物质的吸气特性正式应用于工 业生产的第一个人是 Maligmani。他从 1884 年开始,应用红磷胶来改善白炽灯中的 真空度;直到目前,制灯工业有的还沿用这种方法。在充气灯中,磷的作用是和水 起反应,打断所谓水循环,从而防止钨金属从灯丝析出。此后,在很长一段时间里 都是采用金属镁来吸气,效率很低。大约 1903 年,改用钡做吸气剂。除了惰性气体 和碳氢化合物之外,与镁相比,钡能吸收更多种类的气体。可是钡在空气中化学性 质十分活泼,所以在器件装配过程中必须采取保护措施。解决的办法之一,是把钡 与活性较低的金属做成合金。自 1929 年以后,电子管中广泛使用的“Bamag”是第 一个合金型吸气剂,含钡 30%和镁 70%。使用结果证明,其活性不耐久,在蒸散后容 易产生松散的颗粒。在第二次世界大战期间,德国德律风根公司研制了两种新的吸气合金,即“Alba” 和“Bato”。“Alba”是含钡 50~60%的铝合金。其活性比“Bamag”高,蒸散温度 1050~ 1100℃。得钡量占吸气剂总量的 50%。缺点是长期加热吸气剂时,钡膜容易部分的 被铝所覆盖,导致镜面的吸气活性降低;而且镜面机械强度也不够,在系统中容易 掉颗粒而造成不良影响。“Bato”吸气剂部分地克服了“Alba”的缺点,它由 24%的 钡铝合金(Ba50,Al50)、73%钍和 3%氧化铁三种粉末混合而成。其优点是:⑴只要加 热到 800℃,由于钍和氧化铁的放热反应,就可以把吸气剂温度提高到蒸散温度; ⑵钍的铝形成合金,从而阻止了铝的蒸发;⑶钡的蒸散量可达 80%,其缺点是:蒸 散后,还有掉颗粒的现象,并且氧化铁的还原使吸气剂的放气量增多。
以后,又出现了一种“Bati”吸气剂,它由 57%钡铝合金(Ba50,Al50)、36% 钛、7%氧化铁三种粉末混合后压制成型。钛的作用是提高吸气剂的粘结强度,提高 补充热源,和铝形成稳定的合金,使铝只有在较高温度下才能蒸发,从而减少钡膜 被铝覆盖的可能性。为了避免氧化铁还原时放气,有的国家采用的“Bati”吸气剂 中不加氧化铁,但是,蒸发时需要较高的加热温度。
在某些情况下,很高的加热温度会引起系统内零部件过热,所以为了降低吸气 剂的加热温度,意大利首先采用加入镍的 BaAl4吸气剂,镍与 BaAl4合金反应放热量 大,其反应式为BaAl4+4Ni→4NiAl+Ba
由于放热反应的效果,吸气剂只要加热到 720~820℃就够了,因为反应时所放出的 热量可使吸气剂温度上升到 1200℃以上,在短时间内蒸散出大量的钡。由于这种吸 气剂具有加热温度低、缩短蒸散时间等优点,目前在许多电真空器件中广泛采用的 吸气剂即属于这一类型。
二十世纪六十年代,为了解决当吸气剂蒸散时有许多金属钡落在荧光屏上,使 黑白显像管屏幕产生暗圈的同时,由于钡膜对电子的阻挡作用,使荧光屏发光亮度 下降的问题并为了提高每只显像管的得钡量,国外逐步采用所谓的掺氮吸气剂。
掺氮的作用是:⑴控制钡的蒸散方向。在吸气剂蒸散的瞬间,由于氮从载氮体中释放出来,使 管内的真空度下降到 5×10-2~1×10-3托(1 托=133Pa)。这样,蒸散出来的钡蒸汽 受到氮气分子的阻挡,其平均自由程缩短到小于吸气剂至荧光屏之间的距离,因此 减少了荧光屏上钡的蒸着量;屏上保持同样的钡蒸着量时,可相应增加钡的使用量。
⑵提高钡膜的吸气能力。这是因为在低真空度下蒸散钡时,由于受气体分子冲 击的影响,蒸散出的钡蒸汽微粒被气体分子所间隔,并堆积在器件的内壁,生成疏 松钡膜,在同量钡的情况下,与镜面状钡膜相比,其有效面积增加 2~3 倍,相应提 高了吸气能力。
以钡为代表的蒸散型吸气剂,由于它在室温下甚为活泼,在电真空器件中得到 了广泛的应用。其主要缺点是:它可能蒸散到系统各处,降低电极间的绝缘性能; 如果蒸散到系统的高温部分,可能引起电子发射与钡的迁移;其蒸散镜面又有可能 增加系统的极间电容;在充汞和充氮的器件(例如许多气体放电光源)中,由于汞 蒸汽和氮气要与钡相互作用,因此不宜使用蒸散型吸气剂。基于以上原因,人们开 始对非蒸散型吸气剂进行了较为系统深入的研究。非蒸散型吸气剂通常包括锆、钛、铪、钍以及它们的合金。这些非蒸散型吸气 剂特别适用于行波管、磁控管、大功率发射管、X 射线管、真空开关管、高压整流 管、脉冲调制管等。它们对空气和大多数其它气体具有高的活性,通常能与 O2、CO2、 CO、N2、H2O和H2等气体生成稳定的化合物或固容体。对氢来说,溶解度随温度增加 而减少,因此,氢的平衡压力取决于温度和固溶的氢浓度。要使它们具备吸气能力, 必须在真空中加温进行激活处理,使吸气剂表面的固体氧化膜进行分解,或使金属 与气体的生成物向体内扩散,产生高度活泼的清洁金属表面,同时除去固溶的氢气。
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