KR102254085B1 - 알루미나-세라믹계 전기 절연체, 그 절연체를 제조하기 위한 방법, 및 그 절연체를 포함하는 진공 튜브 - Google Patents

알루미나-세라믹계 전기 절연체, 그 절연체를 제조하기 위한 방법, 및 그 절연체를 포함하는 진공 튜브 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미나-세라믹계 전기 절연체, 그 절연체를 제조하기 위한 방법, 및 그 절연체를 포함하는 진공 튜브에 관한 것이다. 전기 절연체는 하전된 입자 빔이 흐르는 진공 튜브의 2 개의 전극들을 절연하기 위한 것이며, 전기 절연체는 알루미나계 세라믹으로 형성된다. 발명에 따르면, 세라믹은 적어도 하나의 금속 산화물이 전기 절연체의 면 (20) 으로부터 확산되는 2 중량% 와 8 중량% 사이의 유리질 상을 포함한다.

Description

알루미나-세라믹계 전기 절연체, 그 절연체를 제조하기 위한 방법, 및 그 절연체를 포함하는 진공 튜브
본 발명은 알루미나-세라믹계 전기 절연체, 그 절연체를 제조하기 위한 방법, 및 그 절연체를 포함하는 진공 튜브에 관한 것이다.
진공 튜브는 전자 빔, 보다 일반적으로는 진공을 통해 이동하는 하전된 입자 빔을 채용하는 수 많은 애플리케이션들에 사용된다. 진공 튜브는 무선주파수 신호의 증폭 또는 X-레이의 생성 분야에서 사용될 수도 있다.
진공 튜브는 복수의 전극들을 포함하며 그 사이에서 전자 빔이 전파한다. 이 전극들은, 예를 들어 알루미나계 세라믹으로 제조된 전기 절연체에 의해 분리된다.
특히 X-레이 생성기 튜브 또는 튜브 증폭기에서 직면되는 첫 번째 문제는, 미러 전기 전하들, 즉 전하들의 에너지에 의존하여 소정 깊이까지 표면 아래에 임베딩되거나 알루미나의 표면 상에서 입자 빔과 반대인 전하의 축적과 관련된다. 이러한 축적은 튜브 내부의 방전을 통한 갑작스런 이완 또는 심지어 재료의 유전체 파괴를 통한 파손을 초래할 수도 있다. 결과적으로, 이들 전하는 재료의 거시적 절연 특성에 악영향을 미치지 않으면서 알루미나를 통해 국부적으로 떨어져 흐를 필요가 있다.
X-레이 생성기 튜브 또는 무선주파수 튜브 증폭기에서 직면되는 두 번째 문제는, 일반적으로 알루미나로 제조된 절연체가 극도로 높은 전기장을 겪을 수도 있다는 것이다. 따라서 절연체는 고강도 유전체를 필요로 한다. 알루미나는 이러한 필요성을 충족시킬 수 있다. 그러나, 선택된 전하-흐름 솔루션은 절연체의 유전 강도를 현저히 감소시킬 수 있는 상이한 유전율의 층들 사이에서 하나 이상의 계면들을 생성하지 않도록 주의해야 한다. 첫 번째 및 두 번째 문제들에 대한 솔루션들 사이의 이러한 오버랩은 불행히도 종래 기술에서는 적절하게 언급되지 않았다.
다음에서는 발명의 이점을 예시하기 위해 X-레이 생성기 튜브들이 사용될 것이지만, 발명은 진행파 (traveling-wave) 튜브들에 대해 디프레스된 콜렉터들에서 다양한 고전압을 받는 전극들을 유지하는데 사용된 알루미나 절연체들에도 마찬가지로 적용될 수 있다. 유리 외피 (glass envelope) 로 구성된 종래의 X-레이 생성기에 대해, 솔루션은 전자 빔으로부터 가능한 멀리 절연체의 표면을 떨어지게 함으로써 이들 튜브들의 매우 특징적인 형상을 구성한다. 크롬 산화물 (Cr2O3) 에 기초한 저항성 퇴적물 (deposit) 이 또한 전하 흐름을 촉진시키기 위해 유리 외피의 내벽에 사용된다.
최근의 X-레이 생성기 튜브는 보다 높은 에너지의 X-선이 생성되도록 한다. 유리 외피 대신, 이들은 알루미나 세라믹 고전압 절연체와 관련하여, 전도성 금속 재료로 구성된다. 솔더링에 의해 금속 재료와 절연체를 접합함으로써, 애노드와 캐소드 사이의 진공에서 전자 빔이 전파하는 외피를 제작하는 것이 가능하다.
유니폴라 튜브로서 지칭되는 것은 애노드와 캐소드 사이에 단일 세라믹 유전체 절연체를 가지고 있고 상부 전압이 20 과 250 kV 사이인 X-레이 생성기 튜브가 제작되도록 한다. 250 내지 600 kV 범위의 더 높은 전압에 대해, 일반적으로 바이폴라 구성으로서 지칭되는 것이 사용된다. 이 구성에서는, 2 개의 절연체들이 사용되며 각각의 절연체는 전체 상부 전압의 절반을 핸들링한다. 알루미나에 주입된 미러 전하들 또는 전하들의 효과를 제한하기 위해, 다수의 솔루션들이 채용되었다.
알루미나 절연체 및 전자빔이 가능한 멀리 떨어져 위치되는 튜브가 설계되었다. 이러한 유형의 설계는 튜브의 콤팩트성에 악영향을 미친다.
알루미나 절연체와 전자 빔 사이에 배치된 보호 등전위 전도성 차폐가 또한 시도되었다. 이러한 차폐는 튜브 사이즈를 증가시키고 파괴 저항을 감소시킨다.
예를 들어, 문헌 EP1537594 B1에 기재된 것과 같은 세라믹의 특정 기하학적 구조가 개발되었다. 세라믹의 특정 기하학적 구조는 표면 상에 축적된 전하에 의해 생성된 필드가 전자 방출 효과를 상쇄하는 정전 평형 (electrostatic equilibrium) 효과를 통해 전하 주입 문제가 제한되도록 한다. 이러한 평형 메카니즘은, 완벽한 절연체이며 진공 하에서 임의의 약간의 전도성 퇴적물에 의해 완전히 오염되지 않는 세라믹을 필요로 한다. 동작에 있어서, 어느 정도의 아크가 발생한 후에, 세라믹 절연체의 표면 상에 오염 퇴적물이 나타나서, 이 정전 평형의 유효성을 제한한다. 더욱이, 세라믹의 특정 기하학적 구조는 전자 빔과의 장거리 쿨롱 (Coulomb) 상호작용의 문제를 해결하지 못하여, 미러 전하를 초래한다.
마지막으로, 문헌 US3729575 는 알루미나 세라믹 절연체의 표면 상의 전도성 퇴적물의 사용을 기재한다. 이 퇴적물은 전하가 흘러가도록 한다. 통상적인 세라믹은 순도가 99.5% 정도인 알루미나 함량을 가지며, 이 문헌에 기재된 방법은 제어하기 어려운 상태로 유지되는 전기적 특성을 갖는 표면층을 야기하여, 주로 그 층에 위치되고 표면층과 알루미나 사이에서의 유전율의 큰 차이를 생성할 수도 있는 전도 메커니즘을 구현한다.
문헌 US3729575 는 알루미나의 표면 상에 존재하는 퓨즈 저항 막을 기재한다. 이 막은 표면 상의 전하 및 알루미나에 임베딩된 고 에너지 전자 모두를 해결하기에 충분히 두꺼운, 50μm (또는 0.002 인치) 정도이다. 이 퇴적물은 3.108 내지 1.1013 ohms/square 의 저항율을 갖는다.
알루미나의 표면 상에 퓨즈 금속 산화물을 퇴적하는 것에 기초하여 제안된 이러한 솔루션은, 표면 상에 퓨즈 층을 제조하기 위한 방법이 다음과 같은 상이한 상대 유전율을 갖는 2 개의 층들 사이에 계면을 초래하기 때문에 만족스럽지 않다: 알루미나에 대해 9.6 이고 부분적으로 환원된 금속 산화물의 퓨즈 층에 대해 3 내지 4 배 더 높은 값. 유전체의 상대 유전율은 1 (진공, 공기 등) 인 것이 상기된다. 이 유전율은 재료의 전도성 특성에 따라 무한대로 증가한다.
전기장 (E) 에 대해 가우스 (Gauss) 의 법칙으로부터 유도된 2 개의 유전체 매체들 사이의 전이에 대한 방정식은 표면에 대한 전기장의 정상적인 컴포넌트의 계면에서 특이점을 입증한다. 상이한 유전율의 층들 사이의 계면에서, 전기장의 국부적 증폭이 발생한다. 이것은 전기장 (E) 의 국부적 증폭으로 인해 재료의 유전체 파괴를 초래할 수 있다.
이 시나리오는 알루미나 절연체에서의 전기장 구배가 25MV/m 의 소결된 알루미나의 통상적인 유전체 강도에 대해 20MV/m 정도의, 이미 국부적으로 특히 높은 X-레이 생성기 튜브의 경우에 특히 불리하다.
발명은 임의의 특정 기하학적 구조도 필요로 하지 않고 특정 정전 차폐도 필요로 하지 않는 절연체 및 이 절연체를 사용하여 제조된 튜브를 제공함으로써 위에 언급된 문제들의 전부 또는 일부를 극복하는 것을 목적으로 한다. 발명은 절연체의 표면 상에 퇴적되기 쉬운 전하가 유출 (drain away) 되도록 한다. 발명은 전하를 유출하도록 처리된 절연체의 표면과 절연체 자체의 깊이 사이의 유전율의 임의의 파단을 회피하는 것을 가능하게 한다.
종래 기술과는 달리, 발명은 알루미나의 순도가 99.5% 정도로 높고, 최고 레벨의 유전체 강도를 나타내는 세라믹을 채용하지 않는다. 오히려, 발명은 표면 상에 퇴적된 전하 유출 층의 확산을 허용하는 유리질 상 (vitreous-phase) 불순물을 갖는 세라믹을 사용하는 것을 제안한다.
보다 구체적으로, 발명의 하나의 주제는 하전된 입자 빔이 흐르는 진공 튜브의 적어도 하나의 전극을 절연하기 위한 전기 절연체이며, 이 절연체는 알루미나계 세라믹으로 형성되고, 세라믹은 다결정 재료로 형성되고, 다결정 재료의 경계 사이에는 2 중량% 와 8 중량% 사이의 유리질 상이 존재하고 유리질 상으로 절연체의 면 (face) 으로부터 적어도 하나의 금속 산화물이 확산되며, 금속 산화물 농도는 면으로부터의 거리에 따라 점진적으로 감소한다.
종래 기술에서는, 전기장이 큰 X-레이를 생성하기 위한 것과 같은, 진공 튜브용 절연체를 제조하기 위해, 유리질 상이 없고, 알루미나 함량이 90% 내지 99.6% 인 매우 순수한 세라믹이 대신 채용되는데, 이는 이들이 최고 레벨의 유전체 강도를 나타내기 때문이다. 알루미나의 이러한 낮은 유리질-상 함량은 표면 상에 퇴적된 금속 산화물의 확산을 선호하지 않으며, 문헌 US3729575 에 기재된 바와 같이, 알루미나 내로 단지 50 내지 100 ㎛ 아래로 확산하는 퓨즈 상이 표면 상에 나타난다. 반대로, 본 발명에서는, 표면 상에 퇴적된 금속 산화물의 딥 (deep) 확산을 촉진하도록 입간 (intergranular) 유리질-상 함량이 훨씬 높은 알루미나가 사용된다.
제어된 분위기 조건 하에서, 내부의 절연체의 면 아래로 하나 이상의 금속 산화물의 확산은, 면에 대한 깊이에 따른 전기적 특성들의 구배, 특히 깊이의 단조 함수에 따른 전기 유전율의 변동을 획득하는 것을 가능하게 한다.
이 단조 함수는 문헌 US3729575 의 교시에 따른 실시형태들에 대해 이루어진 관찰과는 대조적으로, 알루미나의 유전 강도를 국부적으로 감소시키는 것을 회피할 수 있게 한다.
보다 구체적으로, 재료는 면으로부터 적어도 하나의 금속 산화물이 입간 유리질 상으로 확산하지 않은 절연체의 깊이까지 유전체 유전율의 연속적인 변동 및 전기 저항의 연속적인 변동을 나타낸다.
유리하게, 유리질 상은 5 중량% 와 7 중량% 사이, 이상적으로는 6 중량% 이다.
유리하게, 유리질 상은 실리카 및 지르코니아에 의해 형성된 그룹으로부터의 적어도 하나의 원소를 포함하는 충전제들과 혼합된 하나 이상의 알칼리-토금속 화합물들을 포함한다.
적어도 하나의 금속 산화물은 크롬 산화물 및 티타늄 산화물을 포함할 수도 있다.
전기 절연체는 튜브형 형상일 수도 있고, 적어도 하나의 금속 산화물이 확산되는 면은 튜브형 형상의 내부 면이다. 예를 들어, 원추형 또는 원통형 형상과 같은 절연체의 다른 형상들이 또한 가능하다.
본 발명의 다른 주제는 발명에 따른 전기 절연체를 제조하기 위한 방법이다. 이 방법은 절연체의 면 상에 용매의 용액에서 적어도 하나의 금속 산화물을 퇴적하는 제 1 단계 다음에 절연체를 열처리하여 적어도 하나의 금속 산화물이 세라믹의 유리질 상 내부로 확산하도록 하는 제 2 단계를 포함한다.
유리하게, 제 2 단계에서, 금속 산화물의 부분 산화를 촉진하도록 환원성 분위기 하의 기간들이 보다 산화성인 분위기 하의 기간들과 시리즈로 채용된다.
유리하게, 제 2 단계의 열처리 전에, 알루미나는 산소에 대해 아화학량론적 (substoichiometric) 이다.
발명의 또 다른 주제는 발명에 따른 전기 절연체, 및 이 전기 절연체에 의해 절연된 적어도 하나의 전극을 포함하는 진공 튜브이다.
유리하게, 진공 튜브에서는, 전기 절연체가 위에 기재된 방법에 따라 제조되고, 전기 절연체는 적어도 하나의 전극과 전기적으로 콘택하는 제 1 금속화부에 의해 부분적으로 커버되고, 퇴적물은 제 1 금속화부를 부분적으로 커버한다.
유리하게, 전기 절연체는 퇴적물에 의해 커버되는 제 1 금속화부의 부분 상부를 포함한, 제 1 금속화부 상부에 배열된 제 2 금속화부에 의해 부분적으로 커버된다.
튜브는 예를 들어, X-레이 생성기 튜브 또는 무선주파수 증폭기 튜브이다.
첨부 도면에 의해 기재가 설명되는, 예시로서 제공되는 일 실시형태의 상세한 설명을 읽으면 발명이 더 잘 이해될 것이고 추가 이점들이 명백해질 것이다.
도 1 은 발명에 따른 X-레이 생성기 진공 튜브의 일 예를 나타낸다.
도 2 는 발명에 따른 진공 튜브에서 채용된 절연체를 부분 단면으로 나타낸다.
도 3a 는 절연체의 면으로부터의 깊이에 따른 금속 산화물 및/또는 환원 금속의 농도 및 유리질-상 농도의 2 개의 곡선들을 나타낸다.
도 3b 는 2 개의 상이한 산화물 및/또는 환원 금속의 농도 분포를 나타낸다.
도 4 는 튜브의 전극과의 계면에서의 절연체의 일부를 나타낸다.
명료함을 위해, 동일한 엘리먼트는 다양한 도면들에서 동일한 참조 번호를 갖는다.
도 1 은 X-레이 생성기 진공 튜브 (10) 를 개략적으로 나타낸다. 발명은 X-레이 생성기 튜브에 제한되지 않음이 명백하다. 발명은 진공 튜브의 임의의 다른 유형, 예를 들어 진행파 튜브 또는 클라스트론 (klystron) 과 같은, 예를 들어 무선주파수 신호를 증폭하기 위한 것들에 채용될 수도 있다.
진공 튜브 (10) 는 축 (15) 을 따라 놓이는 튜브-형상 절연체 (14) 에 의해 분리된 애노드 (12) 및 캐소드 (13) 를 포함한다. 전자 빔 (16) 은 절연체 (14) 의 튜브형 형상 내에 형성된 공동 (17) 내부의 애노드 (12) 와 캐소드 (13) 사이의 축 (15) 을 따라 전파한다. 공동 (17) 은 일 단부에서 애노드 (12) 에 의해 폐쇄되고 다른 단부에서 캐소드 (13) 에 의해 폐쇄된다. 캐소드 (13) 는 전자 빔 (16) 으로부터의 전자의 에너지를 X-레이 방사 (19) 로 변환하는 타겟 (18) 을 포함한다. 애노드 (12) 와 캐소드 (13) 사이에는 200kV 의 전위차가 인가된다.
도 1 은 유니폴라 튜브 구성을 나타내며, 그 최대 전위차는 300kV 보다 작다. 발명이 또한 채용될 수도 있는 추가 구성들이 예상가능하다. 예를 들어, 바이폴라 구성에서, 전위차는 450 kV, 또는 심지어 600 kV 에 도달할 수도 있으며, 외부 외피는 금속으로 제조되고 세라믹 절연체는 이러한 원통형 외부 외피 사이에 배열되며 애노드 및 캐소드 각각은 절대 값의 관점에서 동일한 극성으로 유지된다. 발명은 절연체들 각각에 대해 채용될 수도 있다. 각각의 절연체는 그 연관된 전극을 금속 외피로부터 절연시킨다.
절연체 (14) 는 알루미나계 세라믹으로 형성된다. 그 내부 면 (20) 으로부터, 금속 산화물이 알루미나 내로 확산된다. 도 1 에서, 세라믹의 구역 (21) 이 내부 면 (20) 으로부터 나타나 있다. 금속 산화물은 구역 (21) 내로 확산된다. 실제로, 구역 (21) 과 절연체 (14) 의 나머지 사이에는 정확한 경계가 없다. 금속 산화물은 구역 (21) 내로 점진적으로 확산된다. 금속 산화물 농도는 면 (20) 으로부터의 거리에 따라 그리고 세라믹 (21) 으로의 깊이에 따라 점진적으로 감소한다. 산화물 농도에서의 이러한 비파단 구배는, 거기에 퇴적될 수도 있는 임의의 잠재적 전하를 제거하도록 처리되는 면 (20) 과 세라믹의 내부 사이의 유전율의 파단을 회피하는데 중요하다. 세라믹의 강도는 또한, 그 면 (20) 으로부터 비파단 구배로 증가한다.
금속 산화물 농도에서의 비파단 구배를 획득하기 위해, 특정 세라믹이 요구된다. 이러한 알루미나계 세라믹은 2 중량% 와 8 중량% 사이의 유리질 상을 포함한다. 금속 산화물이 확산되는 것은 이러한 유리질 상 내부로이다.
알루미나계 세라믹은 실질적으로 다결정 재료이며, 유리질 상, 즉 비결정 또는 비정질 상이 결정 그레인들 사이의 경계에 형성될 수도 있다. 원자 또는 분자가 무질서한 방식으로 분포되는 유리질 상과는 달리, 결정 상에서는, 원자 또는 분자가 규칙적으로 배열된다. 세라믹은 예를 들어, 알루미나의 그레인들을 소결함으로써 제조된다. 소결 동작을 위한 소성 공정 동안, 유리질 상은 액화되거나, 적어도 점성이 되고, 알루미나 그레인들의 경계들 사이에 분포된다.
유리질 상은 예를 들어, 충전제들과 혼합된 하나 이상의 알칼리 토금속 화합물들을 포함한다. 알칼리 토금속 화합물은 특히 마그네슘 산화물 (MgO), 칼슘 산화물 (CaO), 나트륨 산화물 (Na2O) 및 칼륨 산화물 (K2O) 을 포함한다. 충전제는 특히 실리카 (SiO2) 및 지르코니아 (ZrO2) 를 포함한다. 이 조성물은 소결 공정 동안 액상의 형태로 작용하고 알루미나에 대한 소결 치밀화 온도 및 소결된 알루미나의 유리질 상 확산 효과 모두를 결정한다.
2 중량% 와 8 중량% 사이의 유리질 상을 포함하는 특정 알루미나 등급을 선택함으로써, 금속 산화물의 확산이 정확하게 발생한다. 2% 미만의 유리질 상 비율에 대해, 표면 상에 퇴적된 산화물의 전기적 특성 및 입계 확산 깊이가 불충분하고 재생성이 어렵다. 8% 초과의 유리질 상 비율에 대해, 소결 온도가 점점 낮아지게 되고 알루미나 세라믹의 특성이, 특히 X-레이 생성기 튜브용 절연체에 바람직하지 않은 그 유전 강도에 악영향을 미친다. 유리질 상이 5 중량% 와 7 중량% 사이, 이상적으로는 6 중량% 인 알루미나 등급에 대해 최적의 확산이 획득된다.
다양한 금속 산화물이 알루미나의 유리질 상으로 확산될 목적으로 보유될 수도 있다. 단일 산화물을 채용하는 것이 가능하다. 또한, 복수의 산화물, 예를 들어 크롬 산화물 (Cr2O3) 및 티탄 산화물 (TiO2) 과 같은 복수의 산화물을 결합하는 것이 가능하다. 예를 들어 바나듐 산화물 (VO, V2O3 등), 지르코늄 산화물 (ZrO2 등) 등과 같은 다른 산화물이 가능하다.
크롬과 티타늄의 전기화학적 전위가 알루미늄 보다 높기 때문에, 대응하는 산화물은 산화되지 않은 알루미늄 원자를 함유하는 경우, 즉 알루미나가 산소에 대해 아화학량 론적인 경우, 알루미나 매트릭스로 일단 확산되면 부분적으로 환원되는 경향이 있을 것이다. 금속성 형태로의 티타늄 및 크롬의 존재는 절연체의 전기적 특성이 개질되도록 한다. 점진적 확산은 이렇게 개질된 알루미나 매트릭스에서 전기장의 국부적인 증폭 효과를 회피하도록 가능한 널리 퍼져있는 이들 금속 원소의 농도 구배를 획득하는 것을 가능하게 한다.
도 2 는 절연체 (14) 의 구역 (21) 을 부분 단면으로 나타낸다. 면 (20) 에서, 잔류 막 (25) 은 유리질 상으로 농축된 금속 산화물로 구성된다. 절연체가 금속 산화물을 구역 (21) 내로 확산시키기 위한 목적으로 열처리될 때, 알루미나의 유리질 상이 반대 방향, 즉 면 (20) 을 향해 확산되는 경향이 있는데, 이는 잔류 막 (25) 이 유리질 상으로 농축되기 때문이다. 구역 (21) 에는, 결정성 알루미나 그레인 (26) 이 나타나 있다. 알루미나의 유리질 상은 그레인 (26) 을 둘러싸고 있다. 산화물의 환원 후에 획득되는 금속 산화물의 확산 및 잠재적으로 금속의 확산은 그레인 (26) 의 각각을 둘러싸는 회색 구역으로 나타낸다. 면 (20) 에 바로 근접하여, 확산은 각각의 그레인 (26) 주위에서 거의 전체이다. 면 (20) 으로부터 멀어질수록, 확산 정도는 더 감소한다.
이러한 확산을 달성하기 위해 다음의 2 단계가 수행된다: 면 (20) 상에 용매의 용액에서 적어도 하나의 금속 산화물을 퇴적하는 제 1 단계 다음에 절연체 (14) 를 열처리하여 하나 이상의 금속 산화물이 세라믹의 유리질 상 내부로 확산하도록 하는 제 2 단계. 퇴적 동작은 예를 들어 스퍼터링에 의해 수행된다. 이러한 퇴적 동작을 용이하게 하기 위해, 유기 용제를 사용하는 것이 가능하다. 열처리는 예를 들어, 1450 ℃ 와 1520 ℃ 사이의 온도에서 절연체를 소성하는 동작이다.
도 3a 는 면 (20) 으로부터의 깊이에 따른 2 개의 농도 곡선을 나타낸다. 깊이는 μm 단위로 나타내고 농도는 중량% 로 나타낸다. 제 1 곡선 (30) 은 금속 산화물 및/또는 환원된 금속, 여기에서는 크롬 및 티타늄의 농도를 나타낸다. 면 (20) 의 바로 근처에서, 크롬 및 티타늄 농도는 4% 정도이다. 약 450 μm 의 깊이에서, 크롬 및 티타늄의 농도는 0 이 된다. 이들 2 개의 극단들 사이에서, 곡선 (30) 은 어떠한 파단도 겪지 않으며 깊이가 증가함에 따라 규칙적으로 감소한다.
제 2 곡선 (31) 은 유리질-상 농도를 나타낸다. 600 μm 의 깊이에서 유리질-상 농도는 7% 정도이다. 이 농도는 면 (20) 의 바로 근처에서 6% 보다 약간 작게 도달할 때까지 감소한다. 이러한 유리질 상 농도의 감소는 확산 동작에 사용된 열 처리에 기인한다. 크롬 및 티타늄이 절연체 아래로 확산함에 따라, 면 (20) 을 향해 반대 반향으로 유리질 상의 약간의 확산이 발생한다.
도 3b 는 여전히 면 (20) 으로부터의 깊이에 따른, 2 개의 상이한 산화물 및/또는 환원 금속의 농도 분포를 나타낸다. 2 개의 금속, 크롬 및 티타늄이 깊이에 따라 상이하게 확산하는 것이 관찰된다.
획득된 농도 구배는 전기적 특성의 구배가 획득되도록 한다. 즉, 절연체는 적어도 하나의 금속 산화물이 확산하지 않은 절연체의 깊이까지 면 (20) 으로부터 전기 저항의 연속적인 변동을 나타낸다. 크롬 및 티타늄의 결합된 확산에 의해 개질된 알루미나의 구역의 두께에 대한 평균 저항은 1.1011 ohms/square 와 1.1013 ohms/square 사이이다.
유사하게, 절연체는 적어도 하나의 금속 산화물이 확산하지 않은 절연체의 깊이까지 면 (20) 으로부터 유전체 유전율의 연속적인 변동을 나타낸다. 유전율은 알루미나에 대해 9.6 에서부터 농도가 변화하는 두께를 통한 저항 구배를 따라 면 (20) 까지 25 와 30 사이로 점진적으로 증가한다.
금속 산화물은 면 (20) 으로부터 약 500㎛ 의 깊이까지 확산된다. 금속 산화물은 이 이상으로 확산되지 않는다. 금속 산화물이 아래로 확산된 깊이에 걸쳐, 전기적 특성 (저항 및 유전체 유전율) 은 깊이에 따라 점프 없이 연속적으로 변화한다. 500 μm 이상에서, 알루미나 고유의 전기적 특성이 리턴한다. 금속 산화물이 확산된 세라믹 구역에서 금속 산화물이 확산되지 않은 세라믹 구역으로의 전이 동안, 전기적 특성의 연속적인 변화가 관찰된다.
곡선들 (3a 및 3b) 은 금속 산화물의 주어진 초기 농도에 대한 열 처리의 주어진 지속기간으로 수행된 테스트로부터 야기된다. 다른 테스트들은 확산의 깊이를 제어하는 것이 확산 동작을 위해 사용된 열 처리의 지속기간 및 온도에 주로 의존하는 것을 보여주었다.
또한, 진공 튜브를 사용할 때, 알루미나 내로의 전자의 침투는 빔에서의 전자의 에너지에 의존하는 것이 관찰되었다. 예를 들어, 200kV 의 전위차로 동작하는 X-레이 생성기 진공 튜브에 대해, 전자는 대략 200μm 까지 침투하는 한편, 450kV 의 전위차에 대해 전자는 대략 500μm 까지 침투한다. 확산의 깊이는 진공 튜브의 사용에 의존하여 조절되어, 면 (20) 아래의 절연체 내로 침투하는 전자가 최적으로 유출된다.
열 처리에 후속하는 두께 내로 확산된 크롬 및 티타늄 원소의 양은 알루미나 내로의 전하의 흐름에 대해 근본적이다. 개질된 알루미나 층의 평균 저항의 값은 표면 상에 퇴적된 금속 산화물의 양에 의존한다. 평균 저항은 또한 금속 산화물의 부분적인 환원에 의존한다. 이러한 환원은 약간 아화학양론적인, 즉 약간 산소가 부족할 수도 있는 알루미나의 값에 의해 적어도 부분적으로 이미 달성될 수도 있다. 그 후, 알루미나는 금속 산화물에 속하는 산소 원자를 취하여 이를 환원시키는 경향이 있다.
산소-아화학양론적 알루미나의 사용에 대한 대안으로서 또는 이에 부가하여, 열 처리에 있어서, 보다 산화성 분위기 하의, 예를 들어 습식 수소의 확산을 통한 기간과 시리즈로, 환원성 분위기 하의, 예를 들어 건식 수소의 확산을 통한 기간을 채용하는 것이 가능하다. 이러한 시리즈는 또한 제어될 알루미나 매트릭스에서의 전도성 금속 원소에 대한 절연 금속 산화물의 부분적 환원을 허용한다.
절연체의 전기적 전도는 부분적으로 이온성 근원과 그레인 경계들 사이에서 그리고 유리질 상 전체에 걸쳐 분산된 금속성 원소 크롬 및 티타늄의 존재에 부분적으로 기인한다.
금속성 성질의 전도와 관련하여, 티타늄은 다수의 산화 상태들을 가정할 수도 있다. 다른 전이 금속들과 마찬가지로, 그것은 쉽게 환원될 수도 있는, 예를 들어 티타늄 일산화물 (TiO), 이티나뮴 삼산화물 (Ti2O3), 티타늄 이산화물 (TiO2) 등과 같은 다양한 산화도를 갖는다. 산소-아화학량론적 알루미나, 예를 들어 Al2O(3-X) 유형을 선택함으로써, 금속성 티타늄이 TiO2 의 부분적인 환원을 통해 보다 높은 산화물 형태의 알루미나의 포화 및 더 낮은 산화물로 생성될 수 있다. 이티타늄 삼산화물 (Ti2O3) 은 그 자체가 다음의 또 다른 식에 따라 환원될 수도 있다:
Al2O(3-X) + 3 TiO2 ==> Ti + Ti2O3 + Al2O3 + (3-x)/2 O2-
이온성 전도와 관련하여, 4 가 티타늄의 원자 반경은 3 가 알루미늄의 원자 반경에 가깝고, 그래서 티타늄은 결과적으로 Al2O3 에서 하나의 알루미늄 원자의 치환에 의해 TiAlO3 + 유형의 음이온 (anion) 을 형성할 수도 있다.
도 1 에 나타낸 튜브에서, 구역 (21) 에 수집된 전하는 주로 애노드 (12) 쪽으로 흐른다. 절연체 (14) 는 애노드 (12) 와 전기적으로 콘택하는 면 (40) 을 갖는다. 면 (40) 은 이러한 콘택을 이루기 위한 목적으로 금속화된다. 금속화부와 구역 (21) 으로 확산된 퇴적물 (41) 사이의 전하 흐름에서 완벽한 연속성을 보장하기 위해, 금속화부 및 퇴적물은 부분적으로 오버랩한다. 이러한 부분적 오버랩이 도 4 에 도시되어 있다. 보다 구체적으로, 전기 절연체 (14) 는 제 1 금속화부 (42) 에 의해 부분적으로 커버된다. 퇴적물 (41) 은 이 제 1 금속화부 (42) 를 부분적으로 커버한다.
퇴적물 (41) 에 의해 커버되는 제 1 금속화부 (42) 의 일부 상부를 포함한, 제 1 금속화부 (42) 상부에 배열된 제 2 금속화부 (43) 를 부가하는 것이 가능하다.
하나의 금속화부 다음에 퇴적물 그리고 최종적으로 또 다른 금속화부가 뒤따르는 이러한 일련의 배열은 층들이 샌드위치를 형성하도록 하여, 구역 (21) 에 의해 유출된 전하가 만족스럽게 제거되도록 한다.

Claims (14)

  1. 하전된 입자 빔 (16) 이 흐르는 진공 튜브 (10) 의 적어도 하나의 전극 (12, 13) 을 절연하기 위한 전기 절연체 (14) 로서,
    상기 전기 절연체 (14) 는 알루미나계 세라믹으로 형성되고,
    상기 세라믹은 다결정 재료로 형성되고, 상기 다결정 재료의 경계들 사이에는 2 중량% 와 8 중량% 사이의 유리질 상이 존재하고 상기 유리질 상으로 상기 전기 절연체 (14) 의 면 (face; 20) 으로부터 적어도 하나의 금속 산화물이 확산되며, 금속 산화물 농도는 상기 면 (20) 으로부터의 거리에 따라 점진적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 전기 절연체 (14).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 금속 산화물이 확산하지 않은 상기 절연체의 깊이까지 상기 면 (20) 으로부터 유전체 유전율의 연속적인 변동 및 전기 저항의 연속적인 변동을 나타내는 것을 특징으로 하는 전기 절연체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유리질 상은 5 중량% 와 7 중량% 사이인 것을 특징으로 하는 전기 절연체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유리질 상이 실리카 및 지르코니아에 의해 형성된 그룹으로부터의 적어도 하나의 원소를 포함하는 충전제들과 혼합된 하나 이상의 알칼리-토금속 화합물들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 절연체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 금속 산화물은 크롬 산화물 및 티타늄 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 절연체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 절연체 (14) 는 형상이 튜브형이고, 상기 적어도 하나의 금속 산화물이 확산되는 상기 면 (20) 은 상기 튜브형 형상의 내부 면인 것을 특징으로 하는 전기 절연체.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 전기 절연체를 제조하기 위한 방법으로서,
    상기 전기 절연체의 상기 면 상에 용매의 용액에서 적어도 하나의 금속 산화물을 퇴적하는 제 1 단계 다음에 상기 전기 절연체를 열처리하여 상기 적어도 하나의 금속 산화물이 상기 세라믹의 상기 유리질 상 내부로 확산하도록 하는 제 2 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 절연체를 제조하기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 단계에서, 환원성 분위기 하의 기간들이 보다 산화성인 분위기 하의 기간들과 시리즈로 채용되는 것을 특징으로 하는 전기 절연체를 제조하기 위한 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 단계의 열처리 전에, 알루미나가 산소에 대해 아화학양론적인 (substoichiometric) 것을 특징으로 하는 전기 절연체를 제조하기 위한 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 전기 절연체 (14) 및 상기 전기 절연체 (14) 에 의해 절연된 적어도 하나의 전극 (12, 13) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 튜브.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 진공 튜브의 상기 전기 절연체 (14) 는, 상기 전기 절연체의 상기 면 상에 용매의 용액에서 적어도 하나의 금속 산화물을 퇴적하는 제 1 단계 다음에 상기 전기 절연체를 열처리하여 상기 적어도 하나의 금속 산화물이 상기 세라믹의 상기 유리질 상 내부로 확산하도록 하는 제 2 단계를 포함하는 방법에 따라 제조되고,
    상기 전기 절연체 (14) 는 상기 적어도 하나의 전극 (12, 13) 과 전기적으로 콘택하는 제 1 금속화부 (42) 에 의해 부분적으로 커버되고, 퇴적물 (41) 이 상기 제 1 금속화부를 부분적으로 커버하는 것을 특징으로 하는 진공 튜브.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전기 절연체 (14) 는 상기 퇴적물 (41) 에 의해 커버되는 상기 제 1 금속화부 (42) 의 부분 상부를 포함한, 상기 제 1 금속화부 (42) 상부에 배열된 제 2 금속화부 (43) 에 의해 부분적으로 커버되는 것을 특징으로 하는 진공 튜브.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 튜브는 X-레이 생성기인 것을 특징으로 하는 진공 튜브.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 튜브는 무선주파수 증폭기인 것을 특징으로 하는 진공 튜브.
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