Введение к работе
Актуальность проблемы. Электровакуумные приборы (ЭВП) различных типов остаются одним из основных видов продукции электронной промышленности, несмотря на то, что в различных отраслях техники все более широкое применение находят твердотельные электронные приборы
Разработка современных СВЧ-усилителей с предельными выходными параметрами определяется, в первую очередь, качеством изготовления электронно-оптических систем (ЭОС)
Сетки и управляющие электроды различных типов приборов предназначены для управления электронным потоком. Чаще других металлов применяют гафний, молибден, вольфрам, медь, никель и сплавы этих металлов Недостатком их при работе, например, в высоковольтных приборах, является низкая теплопроводность, приводящая к перегреву элекгро-дов и их деформации
В приборах сантиметрового диапазона длин волн с уровнем средней выходной мощности более 70 Вт для управления током пучка широкое распространение получили пушки с токоперехватывающими и «теневыми» сетками (В И Шестеркин, Б С Правдин, Н И Григорьев, С Н Хотяинцев, М.В Дереновский, С М Дьяченко). Но, как показали экспериментальные исследования (В И. Шестеркин, Б С. Правдин, Н.И Григорьев, D. Demi, G Lippert, W. Schwartz, ТВ Elfe, О G. Koppins, R.R. Willis), элекгроны в пучке, сформированном пушкой с «теневой» сеткой, имеют большой разброс по углам наклона электронных траекторий к оси пушки
Начало исследований воздейсгвия лазерного излучения на углеродные пленки в Саратове началось в 1983 — 1985 гг. (в работах Л А. Сурмен-ко, Ю Д Самаркина рассмотрено воздействие непрерывного лазерного излучения на углеродные пленки).
В 2000 г. в НПФ «Прибор-Т» исследовалось воздействие лазерного излучения на пирографит с целью изготовления сеточных структур
В 2004 г в ФГУП «НПП «Исток» предложили изготовление сеток из пирографита с использованием лазерного излучения лазера на парах меди («Каравелла-1»), при этом использовался узкий диапазон высокочастотной, короткоимпульсной обработки.
В силу явной недостаточное ги теоретического и экспериментального исследования этого направления и была поставлена цель данной работы, разработать технологический процесс изготовления сеток из пирографита методом лазерной обработки Проводилось исследование с возможностью переноса технологии на любой источник лазерного излучения широкой шкалы значений длительности импульса (от не до мс), процесс рассматривался в терминах поглощенной плотности мощности излучения
Работа выполнялась в соответствии с Государственной проіраммой развития вооружения, специальной и военной техники на 2001 — 2010 годы
(угверждена Ирезиденюм РФ 23 января 2002 г.), с программой совмесшых исследований и разработок ФГУПП «НІШ «Контакт» и СГТУ (2003 г), с программой «Внедрение лазерного технологического процесса изготовления сферических управляющих сеток из пирографита электронно-оптических систем СВЧ-усилителей» (2007 г) (работа удостоена серебряной медали на II Саратовском салоне изобретений, инноваций, инвестиций)
Целью работы является разработка теоретических обоснований процессов воздействия лазерного излучения на пирографит, создание новых меюдов (технологического процесса) и оборудования для изготовления мелкоструктурных сферических сеток из пирографита на основе локального формирования структуры сеток импульсным лазерным излучением.
Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:
определить особенности механизма локального разрушения пирографита импульсным лазерным излучением,
провести теоретические расчеты возникающих температурных полей и экспериментально определить термоупругие напряжения в пирографите при воздействии сфокусированного в пятно лазерного излучения;
провести экспериментальные исследования процессов прошивки отверстий и резки пирографита импульсным излучением для различных плотностей мощности и частоты следования импульсов лазерного излучения;
разрабоїаіь технологические режимы и провести оптимизацию процессов импульсной лазерной резки пирографита,
изготовить мелкоструктурные сферические сетки;
внедрить в производство результаты исследований.
Методы и средства исследований. При выполнении работы использованы научные основы квантовой электроники, оптики, вакуумной электроники и электроники СВЧ, основные положения теории теплопередачи Использована стандартная аппаратура для воздействия на пирографит лазерного излучения и исследования материала (лазерные технологические установки па базе «Квант-15», «4р222ф2», «ЛТИ-502», металлографические микроскопы NU(Carl Zeiss), Биолам-М и ММР-2Р, рентгеновский аппарат для структурного анализа типа УРС-50И) Обработка результатов на компьютере класса Pentium-4 выполнена с использованием программного пакета инженерных расчетов Mathcad 11 Enterprise Edition
Научные положения, выносимые на защиту:
I. При лазерной обработке пирографита оптимизация режимов проводится по интенсивности лазерного излучения с учетом многоимпульсного характера обработки, при котором лазерная обработка проводится с минимальной длительностью (10 - 120 не) и максимально возможной интенсивностью ( q~106 - 107 Вт/см2) лазерного излучения, что приводит к пре-
валированию процесса испарения материала над процессами модификации материала.
2 При воздействии на материал лазерным излучением, сфокусированным в пятно диаметром от 50 до 300 мкм, возникают внутренние напряжения, проявляющиеся в виде концентрических периодических колец относительно центра сосредоточенности пучка лазерного излучения, которые могут привести к разрушению изделия при эксплуатации прибора Значение внутренних остаточных напряжений необходимо снижать, оптимизируя режим лазерной обработки.
-
Зависимость количества колец напряжения и их ширины от длительности импульса лазерного излучения носит пороговый характер: при уменьшении длительности импульса менее 120 не при плотности мощности выбранного диапазона 106 -107 Вт/см2 ширина колец резко снижается, количество уменьшается до нуля
-
Технологический режим обработки может быть оптимизирован с
f т d
помощью критерия К , между параметрами лазерного излучения
(частотой следования/"и длительностью импульсов т лазерного излучения,
диаметром пятна d сфокусированного лазерного излучения) и толщиной
заготовки, который выбирают из соотношения 710~5 <К<12 Ш5.
Научная новизна работы:
показано экспериментально методом оптической микроскопии в поляризованном свете наличие колец напряжений, концентричных отверстию, прошитому лазерным излучением в пирографите, и установлено отличие структуры материала в кольцах от основного материала;
выявлено методами оптической микроскопии и рентгеноструктурного анализа наличие периодических зон напряжения вокруг отверстий, прошитых лазерным излучением, и определены количество, ширина и расстояние колец от центра отверстия;
установлено для всех значений плотности мощности действующего излучения при совместном повышении энергии и длительности импульса излучения увеличение радиуса последовательных колец, конденсация сажи на стороне, противоположной падающему излучению образцов,
обнаружено уменьшение количества кольцевых зон напряжения и сужение их ширины при уменьшении длительности импульса лазерного излучения менее 120 не при плотности мощности выбранного диапазона 106-107 Вт/см2,
даны рекомендации по выбору технологических режимов лазерной резки пирографита.
Практическая значимость. На основании проведенных исследований разработаны технологические процессы для создания сферических сеток из пирографита Предложенные сетки позволят создать высококачественные мощные электровакуумные приборы с сеточным управлением и с
высокими тактико-техническими характеристиками. Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть внедрены при изготовлении сеток из нирографита любой конфигурации и сложности и применены к вырезке сеток лазерным излучением из любого другого материала Разработанный технологический процесс позволяет снизить затраты на изготовление единичного изделия из пирографита, по сравнению с существующим технологическим процессом изготовления изделия из гафния в 10 раз Практическая значимость и новизна работы подтверждаются принятой и рассмотренной заявкой на патент РФ
Внедрение результатов работы.
Изготовлен сеточный узел ш пирографита марки УПВ-1 методом лазерной обработки. Рекомендации по выбору технологических режимов лазерной резки пирографита внедрены в НПФ «Прибор-Т» СГТУ при выполнении программы «Внедрение лазерного технологического процесса изготовления сферических управляющих сеток из пирографита электронно-оптических систем СВЧ-усилителей» (работа удостоена серебряной медали на II Саратовском салоне изобретений, инноваций, инвестиций)
Материалы исследований внедрены в учебный процесс на кафедре «Электронное машиностроение и сварка» Саратовского государственного технического университета в виде лабораторных работ в 2006 г.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2004 г,
-
г ); Первой Международной электронной научно-технической конференции «Компьютерные технологии в соединении материалов» (Тула, 2005 г), the Second International Conference «Laser Technology in Welding and Materials Processing» (Киев, 2005 г.); Третьем Самарском региональном конкурсе-конференции научных работ студентов и молодых исследователей по оптике и лазерной физике (Самара, 2005 г.), the 12th International Scientific and Practical Conference of Students, Post-graduates and Young Scientists «Modern technique and technologies MTT'2006» (Томск, 2006 г), XIII, XIV научно-іехнических конференциях «Вакуумная наука и техника» (Сочи, 2006 г, 2007 г), 5-й Всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Быстрозакаленные материалы и покрытия» (Москва, 2006 г), научно-технической конференции «Электроника и вакуумная техника Приборы и устройства Технология Материалы» (Саратов,
-
г)
Публикации. По іеме диссертации опубликовано 9 работ (3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 6 статей в научных сборниках), подана и прошла первичную экспертизу заявка на патент РФ № 2007117999 приоритет от 14 05 2007 г.
Структура и объем диссертации Диссертация сосгоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литераіурьі, включающего 102 наименования, акта внедрения Работа изложена на 125 сграни цах, содержит 28 рисунков и 7 таблиц
