包含抗遷移介電材料的陰極封層制造技術

一種用于防止移動離子在回旋塊中的遷移的裝置與方法。在回旋塊體與一個或多個回旋塊部件之間放置一介電阻擋材料層。該介電阻擋材料層減小形成在回旋塊中的電場，并從而減小其中的離子遷移。該材料阻止移動離子到達陰極封層。（*該技術在2018年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術背景本專利技術涉及環形激光回旋塊中離子遷移的減少。具體地，涉及通過增加在回旋塊與一或多個回旋部件之間抗離子遷移的介電阻擋材料層來減少從環形激光回旋塊到回旋部件或部件封層的鋰離子遷移。環形激光回旋器是由在廣溫度范圍上抗膨脹的固體材料塊構成的。諸如稱作商標“Zerodur”的材料等若干種專利材料在廣溫度范圍上呈現極佳的尺寸穩定性。發現這種穩定性與材料中存在氧化鋰有關。例如，上面提到的Zerodur包含大約3.7％的氧化鋰。不幸的是，在存在電場時，離子形式的鋰可以是高度移動的。防止這一電場導致的鋰遷移是關鍵的，因為這種遷移會導致有害的富鋰層的形成，后者減弱部件封層并縮短回旋器壽命。產生電場的機制如下。通過在連接到或嵌入在回旋塊中的間隔開的陽極與陰極之間接入電壓而激勵回旋塊中的導管內的激光氣體。陽極是在與陰極不同的電位上并作為在回旋器工作期間與陰極一起產生電場的初級裝置工作。連接在回旋塊上或作為其一部分的其它金屬或導電部件也可在與陰極不同的電位上。這些部件在工作期間可能成為在回旋塊中產生電場的次級裝置，從而也導致離子遷移。在Zerodur的情況中，工作期間在回旋塊中產生的電場在鋰離子上作用力，吸引它們向陰極。另一方面，氧化物離子向具有與陰極不同電荷的陽極或其它部件遷移。從而在回旋塊的工作壽命上，可觀的鋰離子量通過回旋塊向陰極遷移。到達陰極的鋰離子被那里的電子中和；從而鋰聚積在陰極封層表面上。這一聚積危及陰極回旋塊封層的完整性，因為富鋰結構機械強度不高，并且這一材料在封層上的濃度越高封層破壞的機會越大。封層區中不理想的鋰濃度使問題復雜化，它導致可能使封層區處于受力狀態的熱膨脹系數(CTE)的變化。已作為環形激光回旋場中的可能問題認識鋰遷移與/或摻雜，并已提出若干解決方法。在頒給vonBieren的美國專利號5，098，189中，采用氣隙來中斷陰極與陽極或其它帶不同電荷的部件之間的直接線中的電流。這一解決方法只是稍為減少鋰遷移，因為通過回旋塊的電場依然存在而只是稍為延長鋰遷移路徑而已。至多它導致氣隙表面上的空間電荷而減弱塊中的電場。在頒給Canfield等人的美國專利5，432，604中，采用介電材料來封鎖到回旋塊中的激光通道的鋰遷移，因為激光束趨向于攜帶鋰并將其沉積在回旋器鏡面上。這兩個專利均未認識到通過實質性減弱出現在回旋器塊中的電場能實現鋰遷移的明顯減少。本專利技術概述本專利技術提供用于減少對陰極封層的回旋塊中的移動離子遷移的結構與方法。具體地，本專利技術描述采用介入回旋塊與陰極或其它部件之間的抗遷移介電阻擋材料層。這一層導致陰極與陽極或其它部件之間的大部分電壓在該介電阻擋材料層中而不是在回旋塊中降低。抗遷移介電阻擋材料層的使用還防止在陰極封層區中改變氧化鋰濃度時會導致的封層降級，因為介電質還作為阻擋防止離子到達陰極。附圖的簡要說明附圖說明圖1為展示封裝在環形激光回旋塊上各種部件的位置的環形激光回旋塊的平面圖。圖2示出一旦將電壓作用在現有技術環形激光回旋器的陰極上時激活的所選機構。圖3示出一旦將電壓作用在包含陰極與回旋塊之間的介電阻擋材料層的環形激光回旋器的陰極上時激活的所選機構。優選實施例的說明圖1示出適用于本申請人的專利技術的回旋器結構的一種形式。回旋塊1通常是三角形的。回旋塊用具有低的熱膨脹系數(CTE)的玻璃或玻璃樣材料諸如Zerodur等構成。低CTE是由回旋塊中的氧化鋰的濃度提供的。回旋塊內的通道2鏈接回旋塊中各角點上的開口。將回旋塊的各角點截去以在各角點上提供反射鏡部件的嚙合面3、4與5。各角點上的開口(未示出)允許部件之間的光通信。回旋塊1的側面提供另外三個嚙合面6、7與8。在所示的回旋器中，嚙合面4與5具有與之嚙合的也由Zerodur材料構成的可調的反射鏡單元9與10。嚙合面3具有與之嚙合的也是Zerodur的讀出鏡11。在回旋器的側面上，將陰極12與嚙合面7嚙合，并將陽極13與14分別與嚙合面6與8嚙合。陰極與陽極可用鋁或鈹型材料或任何其它適合于用作回旋器電極的材料構成。子通道(未示出)連接在回旋塊的角點之間的通道2上。并將陰極與陽極互相光連接，并連接到角上的部件上。可用多種方法將部件封裝到回旋器上，其中包含環氧樹脂、焊接、玻璃熔接、光連接等。封裝方法應防止在回旋器的壽命期間從回旋塊的氣體通道中逸出任何可觀的量的產生激光的氣體。圖2示出相對于本申請人的專利技術的回旋結構的關鍵部分的圖。總地標記為20的陰極封裝在回旋塊22上。用數字24指示帶有與陰極不同電壓的陽極或其它部件。例如，反射鏡通常是通過安裝在反射鏡上方的連接的路徑長度校正機構接地的。當然，陽極是通過負載電阻接地的。回旋器安裝框24也通常在或接近地電位。回旋塊中的氣體通道具有從陰極電壓到陽極電壓的電位梯度，從而也起到在回旋塊中產生電場的作用。如氣體通道所示，當陰極與部件簡單地在不同電位上時，便形成電場；形成電場不需要將該部件接地。假定本申請的其余部分指稱陽極便是指稱具有不同于陰極的電位的任何部件。當在陰極上作用電壓以產生回旋塊內部的氣體放電(即激光束)時，陰極與陽極之間的空間便遭受電場26。由于回旋塊22位于陰極與陽極之間，它遭受這一電場，如圖2中所示。回旋塊22中的氧化鋰離解成鋰離子28與氧化物離子(未示出)。只要電場存在，鋰離子便趨向于向陰極漂移或遷移。存在電場時由鋰離子的移動性產生的離子電流可用回旋塊材料的導電性描述。例如，對于由Zerodur制成的典型回旋塊材料，在50℃電阻率ρ大約為2×1011Ω·cm，且在一些回旋器工作范圍中可提高若干個數量級。50℃的使用仿真典型的回旋器燒附條件，并且也是許多回旋器的工作范圍的上端。在任何情況中，通過將電阻率乘以陰極與陽極之間的距離與塊中的電場的有效截面面積之比而將電阻率轉換成電阻。假定5cm2有效電場截面面積及陰極與陽極之間5cm的距離，給出的電阻RB為RB=2×1011Ω·cm*(5cm/5cm2)=2×1011Ω(1-1)通過假定在正常工作期間陰極與陽極之間的電壓V為400伏，電流II=V/RB=400伏/2×1011Ω=2×10-9安(1-2)沿陰極與陽極之間的路徑流經任何點。這也是在陰極表面上的電流，當離子被那里的電子中和時便停留在那里。假定鋰離子充有每個離子1.6×10-19庫侖的電荷，則在陰極封層上每秒沉積1.25×1010個鋰原子。粗略地，這在回旋器的生命周期中的陰極表面上產生下述富鋰材料層(1.25×1010原子/秒)/(6.5×1014原子/厘米2)=1.9×10-15單層/秒；1.9×10-15單層/秒=6.92×10-2單層/小時；(6.92×10-2單層/小時)*30，000小時=2077單層/生命周期；(2077單層/生命周期)*(4/單層)=8303/生命周期(1-3)假定30，000小時的回旋器生命周期。計算假定各單層陰極表面上20％的鋰濃度以定義鋰離子的間隔。材料的實際成分可能改變，但用來與包含介電阻擋層的回旋器進行比較，這些粗略的計算將提供數量級比較。遷移在陰極表面上形成的富鋰材料層比陰極、回旋塊、或大多數典型封裝材料可能明顯地更脆。事實上這一材料的性質可能類似于碳酸鈣(即粉筆)。這一材料導致的弱點是與這一封裝區中一旦存在該層時所關聯的C本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種環形激光回旋器，包含其中具有移動離子的回旋塊，并且還包含至少第一與第二部件，當被不同地充電時，它們在回旋塊中引起電場，該回旋器包括：介電阻擋材料層，具有比回旋塊大的電阻并將所述第一與第二部件中至少一個與回旋塊隔離，該介電阻擋材料的特 征在于其對通過其體積的移動離子的遷移的阻力。

【技術特征摘要】
...

【專利技術屬性】
技術研發人員：卡羅爾M福特，丹尼爾W揚納，J戴維祖克，
申請(專利權)人：霍尼韋爾公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]