Введение к работе
Актуальность проблемы. Около пятидесяти лет назад в США были начаты работы по созданию матричных автоэмиссионных катодов (МАЭК), в результате получивших наименование катодов Спиндта. В настоящие время появилось множество публикаций по разработке и конструкции различных типов МАЭК и катодно-сеточных узлов (КСУ), построенных на принципах конструкции Спиндта. Существенный вклад в развитие физики и технологии автоэмиссионных источников электронов внесли и российские ученые: Бондаренко Б.В, Горфинкель Б.И., Григорьев Ю.А., Гуляев Ю.В., Рахимов А.Т., Синицын Н.И., Торгашов Г.В., Фурсей Г.Н, Шешин Е.П. и многие другие.
Преимущества МАЭК по сравнению с другими источниками свободных электронов (устойчивость к колебаниям температуры, малая чувствительность к радиации, безынерционность, высокая крутизна вольт-амперных характеристик) определяют их область применения, которая охватывает почти все типы электровакуумных приборов от ЛБВ и клистронов до быстродействующих коммутационных приборов. Конструктивно автоэмиссионные структуры МАЭК выполняются на основе различных материалов, в том числе углеродных, среди которых выделяются катодные структуры из монолитного стеклоуглерода. Они отличаются повышенной механической прочностью, хорошей стабильностью тока автоэмиссии, способны выдержать интенсивную бомбардировку ионами остаточных газов и пондеромоторные нагрузки в несколько кг/см2. Кроме того, стеклоуглерод обладает пониженной адсорбцией остаточных газов по сравнению с другими катодными материалами. Это обусловливает перспективность его использования в конструкциях электронно-оптических систем электровакуумных приборов.
Наиболее распространенная в настоящее время технология изготовления МАЭК содержит протяженный технологический маршрут, включающий фотолитографию, термохимическое травление в среде водорода в присутствии металлического катализатора, ионно-плазменное заострение, электроискровую обработку и операции химической очистки поверхности стеклоуглерода как перед выполнением, так и после каждого из указанных технологических процессов. Недостатками данной технологии являются: сложный и длительный маршрут изготовления, дорогостоящее оборудование, экологически грязное производство, наличие примесей в приповерхностных слоях полученных микроструктур, ухудшающих эмиссионные свойства катода, что затрудняет промышленное освоение МАЭК. Поэтому разработка новых нетрадиционных способов изготовления матричных многоострийных АЭК, обеспечивающих повышение средней плотности токоотбора с их поверхности и снижение трудоемкости их изготовления, является весьма важной и актуальной научной и практической задачей. И наиболее перспективным в этом направлении представляется широкое использование лазерных технологий на всех этапах изготовления многоострийных АЭК из монолитного стеклоуглерода.
Возможность применения отдельных лазерных операций для обработки стеклоуглерода рассматривается в работах Zhao, Ueno, Bae, Кучерик А.О., Kuhnke M., Шешина Е.П. Для лазерной модификации поверхностей с целью получения массива микроострий ранее были предложены: метод формирования самоорганизующихся структур под действием лазерного излучения и метод пересекающихся перпендикулярных линий, основанный на формировании острий лазерной микрогравировкой. Однако первый из них для создания многоострийных эмитирующих структур на основе монолитного стеклоуглерода вообще неприменим. Второй метод, хотя и может быть применен в производстве МАЭК, но имеет пока ограниченное применение, так как не позволяет создавать автоэмиссионные структуры с высокой плотностью упаковки острий с периодом меньше диаметра пятна лазерного излучения. К тому же полный технологический цикл изготовления МАЭК из монолитного стеклоуглерода с применением метода ЛМГ до сих пор не разработан. Недостаточно изучены физические процессы, происходящие при формировании микроострий этим методом, не отработаны технологические режимы получения микроразмерных матричных структур из стеклоуглерода с плотностью упаковки острий 106см-2. Не определена последовательность лазерных операций обработки стеклоуглерода при изготовлении МАЭК с высокими энергетическими характеристиками, сводящая эти операции в единый комплекс технологий. Не разработаны способы оценки прочности стеклоуглерода как хрупкого материала при воздействии серии коротких и ультракоротких импульсов лазерного излучения с высокой плотностью энергии. Отсутствуют математические модели для оценки возникающих при лазерной обработке стеклоуглерода механических напряжений и деформаций.
Цель работы: создание новой технологии изготовления МАЭК из монолитного стеклоуглерода СУ-2000 с высокой плотностью упаковки микроострий на катодных выступах и повышенной воспроизводимостью их геометрических параметров на основе разработанного комплекса лазерных технологических операций.
Для достижения поставленной цели решались следующие научно-технические задачи:
проведение аналитического обзора современного состояния исследований в области разработок МАЭК из углеродных материалов;
разработка методики численно-аналитического моделирования напряженно-деформированного состояния хрупких материалов при воздействии серии коротких и ультракоротких импульсов лазерного излучения с высокой плотностью энергии
численное моделирование напряженно-деформированного состояния заготовок МАЭК из стеклоуглерода при воздействии коротких и ультракоротких импульсов лазерного излучения с высокой плотностью энергии;
разработка технологических режимов получения микроразмерных матричных структур из стеклоуглерода с плотностью упаковки острий 106см-2;
определение последовательности лазерных операций обработки стеклоуглерода при изготовлении МАЭК с целью объединения этих операции в единый комплекс технологий;
получение рекомендаций по выбору параметров лазерного излучения, необходимых для создания МАЭК из стеклоуглерода;
внедрение результатов работы в опытное производство МАЭК.
Методы и средства исследований. При выполнении работы использованы научные основы вакуумной электроники и электроники СВЧ, квантовой электроники, оптики, механики деформируемого твердого тела и основные положения теории теплопередачи. Экспериментальные исследования проводились на базе стандартных лазерных технологических установок «Квант-15», «4р222ф2», «ЛТИ-502», «ЛТИ-701», «ДМарк-06 RL», «KLS 246-102», металлографических микроскопов NU(Carl Zeiss), Биолам-М и ММР-2Р, установки лазерного эмиссионного микроанализа на базе спектроаналитического комплекса.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью постановки задач, выбора соответствующих физических моделей, сопоставлением расчетных данных с данными экспериментальных исследований и использованием сертифицированной стандартной аппаратуры. Обработка результатов выполнена на компьютере класса Athlon 642 5600+ с использованием программного пакета инженерных расчетов Mathcad 14 Enterprise Edition.
На защиту выносятся:
1. Математическая модель для оценки механических напряжений и деформаций, возникающих в заготовке из монолитного стеклоуглерода при воздействии на нее в процессе изготовления МАЭК коротких и ультракоротких лазерных импульсов с высокой плотностью энергии. Модель позволяет, не прибегая к натурным экспериментам, оперативно определить и исключить режимы лазерного излучения, вызывающие деградацию катодной поверхности: образование трещин и скалывание острий.
2. Предложенный «метод глухих отверстий» обеспечивает при лазерном формировании многоострийной микроструктуры на поверхности МАЭК из стеклоуглерода повышение плотности упаковки острий в 1,5-2 раза, хорошую воспроизводимость геометрической формы и топологической равномерности получаемых структур, по сравнению с методом «пересекающихся перпендикулярных линий», что позволяет поставить в одинаковые автоэмиссионные условия большинство микроострий по всей катодной матрице и повысить плотность автоэмиссионного тока до 5-10 А/см2.
3. Единый комплекс лазерных технологических операций, включающий операции: микроструктурирования, фрезерования, резки и лазерной очистки, обеспечивает по сравнению с известной технологией изготовления МАЭК из монолитного стеклоуглерода (фотолитография, термохимическое травление, электроэрозионная обработка) снижение операционного времени изготовления катодной матрицы в 10-12 раз.
Научная новизна работы:
исследованы закономерности напряженно-деформированного состояния заготовок МАЭК из стеклоуглерода при воздействии на них сфокусированного короткоимпульсного лазерного излучения высокой интенсивности;
разработана математическая модель, позволяющая исследовать напряженно-деформированное состояние заготовок МАЭК из стеклоуглерода при воздействии коротких и ультракоротких импульсов лазерного излучения с высокой плотностью энергии;
предложен новый способ лазерного микроструктурирования монолитного стеклоуглерода, обеспечивший создание микроразмерных автоэмиссионных матричных структур из пирамидальных острий с периодом 10 мкм и повышенной, по сравнению с известным методом «пересекающихся перпендикулярных линий», не менее чем в 1.5-2 раза, плотностью упаковки острий и хорошей воспроизводимостью геометрической формы эмитирующих микроструктур в сочетании с повышенной производительностью и плотностью упаковки острий N=5105 - 106 см-2;
разработан способ получения МАЭК из монолитных подложек стеклоуглерода СУ-2000, состоящий из комплекса лазерных технологических операций лазерной резки, фрезеровки, микроструктурирования и лазерной очистки обрабатываемой поверхности, позволивший полностью реализовать процесс их изготовления на одной и той же лазерной установке с единой точкой позиционирования заготовки, обеспечивает по сравнению с известной технологией изготовления МАЭК из монолитного стеклоуглерода (фотолитография, термохимическое травление, электроэрозионная обработка) снижение операционного времени изготовления катодной матрицы в 10-12 раз;
даны рекомендации по выбору технологических режимов лазерной обработки при изготовлении МАЭК из стеклоуглерода СУ-2000.
Практическая значимость. На основании проведенных исследований разработан комплекс лазерных технологических процессов, позволяющий снизить временные затраты и повысить экономическую эффективность изготовления одного образца МАЭК из монолитного стеклоуглерода в 3-5 раз по сравнению с существующими методами. Технология изготовления МАЭК прошла апробацию на ФГУП «НПП «Алмаз». Полученные экспериментальные результаты и методики позволят разработать ЭВП СВЧ с микросекундным временем готовности.
Подана заявка №2013101115 от 9.01.13 на патент «Способ изготовления автоэмиссионного катода».
Внедрение результатов работы. Разработанный комплекс лазерных технологических процессов внедрен в опытное производство МАЭК из монолитного стеклоуглерода в НПЦ «Электронные системы ОАО «НПП «Алмаз» и НПФ «Прибор-Т» СГТУ имени Гагарина Ю.А.
Большая часть исследований проведена при выполнении грантов в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы НК-423П/52 НК-566П/8; ; Грант Президента РФ МК-8473.2010.8; ФЦП мероприятия 1.4 «Развитие внутрироссийской мобильности научных и научно-педагогических кадров путем выполнения научных исследований молодыми учеными и преподавателями в научно-образовательных центрах» 2009 г., 2011 г., 2012 г.
Материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедре «Электронное машиностроение и сварка» СГТУ при подготовке бакалавров и магистров по направлению № 150200.
Апробация работы. Материалы работы доложены и обсуждены на VI Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Быстрозакаленные материалы и покрытия» (МАТИ, Москва, 2007, 2008), 7-й Всероссийской молодежной научной школе «Нано-, микро, оптоэлектроники и Волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 2008, 2010) 16th International School on Quantum Electronics “Laser physics and applications” (Болгария, Нессебр, 2010), International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (Казань, 2010), IV Российском семинаре по волоконным лазерам (Ульяновск, 2010), International Conference on Lasers, Applications, and Technologies (Казань, 2010), 13-14th International Conference Laser Optics'2008-2010 (Санкт-Петербург, 2008, 2010), XV International School for Young Scientists and Students on Optics, Laser Physics & Biophysics (Саратов, 2010, 2011, 2012), XVI Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2010» (Москва, 2010,2011), 20th International Laser Physics Workshop LPHYS’11 (Сараево, Босния и Герцеговина, 2011), 16-20th International Conference on Advanced Laser Technologies (Венгрия, 2008, Турция, 2009, Нидерланды, 2010, Болгария, 2011, Швейцария, 2012)
Работа удостоена гран-при на VII, серебряной медали на IV, V, VI и бронзовой медали на III и VII «Саратовском салоне изобретений, инноваций, инвестиций»; диплома II степени на конкурсе Международной научно-технической организации «Лазерная ассоциация» на лучшую отечественную разработку в области лазерной аппаратуры и лазерно-оптических технологий.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 16 работ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и 11 статей в научных сборниках.
Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, проведении численных расчетов, необходимых для интерпретации полученных экспериментальных и теоретических результатов, разработке экспериментального оборудования, проведении экспериментальных исследований. Обсуждение полученных теоретических и экспериментальных результатов проводилось совместно с соавторами научных статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 150 наименования, и акта внедрения. Диссертация изложена на 140 листах машинописного текста, содержит 60 рисунков и 5 таблиц.
