CN1426541A - 复合金刚石窗 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合金刚石窗(10)，该复合金刚石窗(10)包括一块固定在一个CVD金刚石窗框(14)上的CVD金刚石窗玻璃(12)，该窗框(14)比玻璃(12)厚，且该窗框中有一个被玻璃横跨的辐射传送孔(16)。

Description

复合金刚石窗
技术领域
本发明涉及一种复合金刚石窗。
背景技术
高能辐射源，如激光、同步加速器、射频或X射线源等，需要窗口或观察口，这些窗口或观察口对射线来说是透明的，并且能够忍受横穿它们的较大压差。很早就有人建议使用金刚石来制造这种窗口，因为金刚石具有高辐射透明性、高热传导性、低膨胀系数以及低能量吸收性。
在窗口配置上，该窗口以密封的方式固定在金属基座或框架中，然而必须认识到，辐射源的初始高温烘烤及其随后的热循环，将会在金刚石和金属框架之间造成较大的热不匹配，尤其是在金刚石相对较薄的地方，这可能会降低密封性。为了解决这一问题，有人提出用液体软焊接、金属硬焊接以及扩散粘结的方式，将CVD金刚石(即通过化学蒸汽淀积形成的金刚石)窗固定在其金属框架上，该框架典型地为如铜或不锈钢。然而这种努力最终是失败了，因为金刚石和金属之间较大的热不匹配引起了很高的应力。
申请人的待决的英国专利申请9920384.6(1999年8月28日申请)，其题目为“CVD金刚石体到金属结构的结合(Joining of CVDDiamond Bodies to Metal Structures)”。这一专利申请提出通过中间陶瓷体(典型地是硅石)将CVD金刚石窗安装在金属框架上，即将金刚石窗粘结在中间体上，且该中间体粘接在金属上。这样做的好处是，陶瓷具有与金刚石相匹配的热膨胀特性，由此减轻了金刚石和金属之间热不匹配的程度。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种复合金刚石窗，这种复合金刚石窗包括一块固定在一个CVD金刚石窗框上的CVD金刚石窗玻璃，这个窗框比玻璃厚，同时该窗框中还有一个被该玻璃横跨的辐射传送孔。
该窗玻璃可以粘接在窗框的一个表面上。
在另一种方案中，窗玻璃可以夹在两个窗框中间并与之粘接在一起。
在又一种方案中，可以有多个窗玻璃和窗框，每块玻璃都夹在两个窗框中间并与之粘接在一起。
窗玻璃的厚度一般是200×10-6米或更薄。
窗玻璃的CVD可以具有相对较高的光学等级，而窗框的CVD可以具有相对较低的光学等级。
窗玻璃和窗框之间的结合可以通过相对较硬的焊接或扩散粘结，如钛扩散粘结，或以铝金属为基础的焊接来实现。
根据本发明的另一个方面，提供一种金刚石窗，这种金刚石窗包括一个如上所述的金刚石窗和一个金属框架，金刚石窗的窗框接合到该金属框架上，而该金属框架一般连结在激光、射频或X射线辐射源的外壳上。
在这种情况下，接合可以通过如软金属焊接或扩散粘结来实现。
附图说明
现在仅通过举例的方式，参考附图来对本发明进行更详细的说明，其中：
图1是一个基于本发明的金刚石窗的放大透视图；
图2是一个组合金刚石窗的剖面图；
图3示出了如何将金刚石窗固定在金属框架上。
具体实施方式
图1示出了一个基于本发明的复合金刚石窗10。该金刚石窗10包括一个厚度为200×10-6米或更薄的CVD金刚石窗玻璃12，和一个远比玻璃12厚的CVD金刚石窗框14。玻璃12形状为长方形，窗框14也是长方形的，并且在其中心有一个长方形的窗孔16。
参照图2，窗玻璃12通过钛扩散粘结18接合在窗框上，以便覆盖住孔16。在这一实施例中，窗框的外围尺寸与玻璃的外围尺寸相同。而在其它实施例中，如果在玻璃和窗框之间存在足够的接触面积来保证获得真空密封，则窗玻璃的尺寸可以比窗框的尺寸小。
在应用中，为了控制金刚石窗10的成本，用于制造窗玻璃12的CVD金刚石一般要求具有比用于制造窗框的CVD金刚石更高的光学和热学等级。
如图2中虚线所示，也是属于本发明的范围，窗子10包括第二个窗框14.1，而窗玻璃12夹在窗框14和14.1中间并与之接合在一起。
使用点划线，图2还显示了另一个实施例，该实施例包括一系列更多的窗玻璃12.1，12.2..，以及更多的窗框14.2，14.3...，其中每块窗玻璃都夹在两个相邻的窗框中间并与之接合在一起。
图3显示了如何将金刚石窗10固定在金属框架20上，该金属框架有一个辐射传送孔22。框架20一般由铜或不锈钢制造，并固定在辐射源，如同步加速器辐射源的外壳(未显示)上。窗玻璃相对金属框架20放置，而窗框14紧靠辐射传送孔22。窗框通过软金属焊接或扩散粘结24固定在金属框架上。
可以理解，使用装有窗子10的辐射源，辐射能够通过传送孔22和窗玻璃12传送出去。而这种传送并不通过窗框14。
在窗子10中，相对较薄的CVD金刚石窗玻璃12具有高辐射透明性。尽管比较薄，但这种玻璃能够忍受辐射产生的热量，因为它得益于相对较厚的CVD金刚石窗框14吸收其热量并将热量直接传导给金属框架20的能力。因此，窗框对窗玻璃来说起到了散热板的作用，并减轻了相互直接接合在一起的薄金刚石窗玻璃和金属框架或基座之间的热不匹配。
例子
在微波反应堆里产生的具有低介质损耗的多晶CVD金刚石光学性能层，厚度大约为200μm。从该层制造一块平面尺寸为22mm×16mm、厚度为80μm的长方形窗玻璃。这可以通过使用常规切削和抛光技术来实现。这样就得到一个厚度小于20nm的表面RA。
在微波反应堆里产生的第二多晶CVD金刚石力学等级层，其厚度大约为750μm。从该层制造一个外部平面尺寸为22mm×16mm、厚度为500μm的长方形窗框，该窗框的内开孔的平面尺寸为12mm×6mm。这一窗框的制造可以通过使用常规切削和研磨技术来实现。
金刚石窗玻璃通过使用基于铝金属的焊接固定在金刚石窗框上，由此形成了一个根据本发明的复合金刚石窗。该金刚石窗被设计用作为一个同步加速器X射线出口窗，用于通过软金属焊接固定到同步加速器的铜合金、水冷真空兼容的框架或凸缘上。
以用上述方式组合的复合金刚石窗进行真空漏泄试验，结果证明漏泄率小于10-9mbar.l.s-1。
在所制造的复合金刚石窗中，横跨通光孔的金刚石的厚度只有80μm，当用于这种特殊用途时，使得对高能X射线的吸收为最小。而且，金刚石窗玻璃高质量的表面减少了来自金刚石窗的X射线相差衬托。窗框提供足够的刚性，用于通过机械或焊接技术将复合金刚石窗进一步固定到金属、陶瓷或其它凸缘材料上。
在RF频率中，本发明的复合金刚石窗的结构看起来也是薄的，这使得它在一定情况下能够适合于用作宽带射频窗口，如在RF频率达到20GHZ或更高时。
窗子使用具有光学性能金刚石，使得复合金刚石窗同样可以用作激光出口窗，在此薄窗可以使激光束的吸收和发散为最小，或复合金刚石也可用于其他类似的应用。

Claims (15)

1.一种复合金刚石窗，包括一块固定在CVD金刚石窗框上的CVD金刚石窗玻璃，该窗框比玻璃厚，且该窗框中还有一个被玻璃横跨的辐射传送孔。
2.如权利要求1所述的复合金刚石窗，其中窗玻璃通过某种方式粘接在窗框上，以在玻璃和窗框之间形成真空密封。
3.如权利要求1或2所述的复合金刚石窗，其中窗玻璃通过钛扩散粘结固定在窗框上。
4.如权利要求1或2所述的复合金刚石窗，其中窗玻璃通过基于铝金属的焊接接合在窗框上。
5.如前述任一权利要求所述的复合金刚石窗，其中窗玻璃夹在两个窗框中间并与之接合在一起。
6.如权利要求5所述的复合金刚石窗，包括多个窗玻璃和窗框，且每块玻璃都夹在两个窗框中间并与之接合在一起。
7.如前述任一权利要求所述的复合金刚石窗，其中窗玻璃的厚度为200×10-6米或更薄。
8.如前述任一权利要求所述的复合金刚石窗，其中用于制造该/或每一窗玻璃的CVD金刚石具有比用于制造该/或每一个窗框的CVD金刚石更高的光学等级。
9.一种金刚石窗装置，包括一个如前述任一权利要求所述的复合金刚石窗和一个金属框架，其中该金刚石窗接合到该金属框架上。
10.如权利要求9所述的金刚石窗装置，其中金属框架是由铜或不锈钢制成的。
11.如权利要求9或10所述的金刚石窗装置，其中金刚石窗通过软金属焊接或扩散粘结接合到金属框架上。
12.如权利要求9-11中任一项权利要求所述的金刚石窗装置，其中金属框架中有一个辐射传送孔，该传送孔同窗框的辐射传送孔对齐。
13.如权利要求9-12中任一项权利要求所述的金刚石窗装置，其中金属框架连接到激光、射频或X射线辐射源的外壳上。
14.基本上参照各附图描述的一种复合金刚石窗。
15.基本上参照附图3描述的一种金刚石窗装置。
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