Содержание к диссертации
Введение
1. Способы увеличения теплорассеивающей способности спиральных замедляющих систем ламп бегущей волны 9
1.1. Типы замедляющих систем 9
1.2. Методы закрепления замедляющей системы в корпусе прибора 11
1.3. Анализ способов соединения металла с керамикой 15
1.4. Физико-химические процессы при твердофазном взаимодействие 19
1.5. Методы нанесения покрытий 23
Выводы 27
2. Теоретические исследования взаимодействия оксида бериллия с медным покрытием спирали 29
2.1. Модель взаимодействия оксида бериллия с медью 29
2.2. Идентификация параметров модели твердофазного взаимодействия с помощью метода регрессионного анализа экспериментальных данных 41
2.3. Влияние газовой фазы на взаимодействия оксида бериллия с медью 45
Выводы 52
3. Экспериментальные исследования 53
3.1. Методика экспериментальных исследований 53
3.2. Исследование процесса нанесения медного покрытия на спираль 55
3.3. Исследование процесса твердофазного соединения 63
3.4. Исследование термического сопротивления ВЧ пакета 75
Выводы 85
4. Опытно-промышленная проверка результатов работы 87
4.1. Технология напыления медного покрытия 87
4.2. Технология сборки спирали с керамическими стержнями 88
4.3. Технологический процесс твердофазного соединения 91
4.4. Измерение величины термического сопротивления 93
Выводы 95
Заключение 96
Список использованных источников 98
- Методы закрепления замедляющей системы в корпусе прибора
- Идентификация параметров модели твердофазного взаимодействия с помощью метода регрессионного анализа экспериментальных данных
- Исследование процесса твердофазного соединения
- Технология сборки спирали с керамическими стержнями
Методы закрепления замедляющей системы в корпусе прибора
Замедляющая система (ЗС) типа гребенки в простейшем случае представляет собой две не соединенные между собою параллельные металлические пластины, в верхней пластине прорезаны щели перпендикулярно нижней пластине, а нижняя пластина (подошва) сплошная. В гребенчатой структуре значительное замедление обеспечивается только в узкой полосе частот, в режиме близкому к четвертьволновому резонансу щелей [2]. Часто используют замедляющие системы типа «встречные штыри», представляющие собой совокупность чередующихся зубьев и щелей, которые образованы вставленными друг в друга гребнями металлических стержней [3].
Замедляющая система в виде цилиндрической спирали была использована Р. Компфнером в 1944 г. в первой ЛБВ [4]. В настоящее время в большинстве серийно выпускаемых ламп бегущей волны так же используются спиральные замедляющие системы.
Лампы бегущей волны со спиральной замедляющей системой являются наиболее широкополосными. Фазовая скорость замедленной волны почти в точности совпадает с групповой скоростью и остается практически неизменной в диапазоне частот порядка октавы и более [5].
Спираль в замедляющих системах различных приборов монтируется в диэлектрических опорах и размещается в металлическом экране (оболочке), для согласования с коаксиальной линией. Диэлектрические опоры и оболочки оказывают существенное влияние на характеристики спирали. Присутствие диэлектрика (керамики), который частично заполняет пространство вблизи спирали, приводит к увеличению замедления волны и к снижению напряженности поля на оси спирали [6].
Большим недостатком ламп со спиральной замедляющей системой является ограничение мощности из-за малой теплорассеивающей способности. По этой причине ограничен выпуск ЛБВ со спиральной замедляющей системой на большие импульсные мощности при малых средних мощностях.
Во время работы ЛБВ спираль может нагреваться до значительных температур, нагрев происходит главным образом по двум причинам: 1) поток электронов, проходящий внутри спирали вдоль ее оси, частично осаждается на внутренней поверхности, таким образом передавая спирали энергию; 2) проходящий вдоль поверхности СВЧ сигнал индуцирует в ней ток, который вызывает нагрев спирали.
Для снижения тока спирали необходима оптимизация профиля магнитного поля вдоль ЗС, а для увеличения теплоотвода от спирали опорные стержни выполняются из изолирующего материала с малым тепловым сопротивлением [6].
В спиральных замедляющих системах тепловые контакты между элементами обычно обеспечиваются за счет сжатия ее конструкции в радиальном направлении при закреплении замедляющей системы в корпусе прибора. Передача тепла в высокочастотном пакете (ВЧ-пакете) спиральной замедляющей системы осуществляется в основном через места фактического контакта опорного диэлектрического стержня со спиралью и оболочкой (рис. 1.2).
Качество этих контактов определяет эффективное снижение температуры спирали. В настоящее время известно значительное количество технологических способов крепления спиральной линии замедления в оболочке прибора, позволяющих улучшить (по мнению авторов) процесс теплопередачи. Эти способы можно разделить на две группы: улучшение контактов за счет увеличения сил сжатия пакета или увеличения площади контактов и пайка контактов.
В работах [7-11] рассмотрено крепление замедляющей системы за счет упругопластической деформации поперечного сечения оболочки тремя силами (триангуляция), приложенными друг к другу под углом 120. В деформированную таким образом трубу вводятся с небольшим зазором спираль и опорные стержни. После снятия деформирующих сил труба, стремясь вернуться к исходной форме и размерам, прочно зажимает и удерживает между стержнями витки спирали. Однако при таком способе крепления существует вероятность не закрепления некоторых витков спирали из-за эллипсности или разброса размера деталей (даже в пределах допуска) вдоль оси замедляющей системы. Увеличение натяга для получения контакта всех витков спирали со стержнем может привести к возникновению остаточной деформации трубы и спирали, значительно превышающей допустимые значения. Так же значительным недостатком данного метода является то, что низкий теплоотвод ограничивает применение данного метода при создании мощных широкополосных ЛБВ.
Более качественное закрепление замедляющей системы получается при пластическом деформировании оболочки прибора при нагреве (термообжатие), с помощью специальной оснастки [12,13]. Так, в работе [12] предлагается оправка, в которой разница КТР вкладышей и обоймы приводит к появлению натяга при нагреве, в результате чего обеспечивается надежный контакт оболочки с опорными стержнями и стержней со спиралью. Полученные контакты показали высокую надежность при термоциклах до 500С [13]. Однако используемая оправка создает сдавливающее усилие в точках, расположенных с определенным периодом, а термическая деформация оболочки уменьшается от ее центра к торцам, что приводит к неравномерному зажатию спиральной ЗС по ее длине
Идентификация параметров модели твердофазного взаимодействия с помощью метода регрессионного анализа экспериментальных данных
В зоне контакта керамических стержней с медным покрытием могут возникать различные соединения: карбиды, нитриды, сложные оксиды. Образование хрупких карбидов и нитридов в зоне соединения ухудшает его качество. В связи с этим необходимо исследовать влияние состава газовой фазы на образование соединения керамики на основе оксида бериллия с медью при изготовлении замедляющих систем ламп бегущей волны миллиметрового диапазона.
Образование карбидов возможно, т.к. на керамические стержни из бериллиевой керамики наносится пленка углерода, как поглотитель ВЧ энергии. В случае проведения процесса в среде технологических газов возможно образование нитридов и интерметаллидов.
Рассмотрим взаимодействие бериллиевой керамики, углерода, меди и азота с образованием бериллия, карбида бериллия, интерметаллида и нитрида бериллия по следующим реакциям:
Т.к. сродство реакции отрицательное, то при указанных условиях образование нитридов, карбидов и интерметаллидов бериллия невозможно. Если активность кислорода определяется трехфазным равновесием реакции Ti+0.5O2= TiO, то сродство реакции (2.23)-(2.26) также отрицательные. Таким образом, в работающем приборе или при его откачке, при наличии титановых геттеров карбиды и нитриды также не образуются.
Рассмотрим влияние влажности технологических газов на возможность образования карбидов и нитридов в зоне соединения. те. выполняются условия равновесия реакций Н2+0.5О2=Н2О и С+0.5О2=СО. Подставляя эти выражения, а так же значения констант Кь К2, К3 и К4 в выражения (2.27), (2.29), (2.34) и (2.38) получим предельные значения влажности, ниже которых сродство реакций (2.23)-(2.26) положительное, т.е. реакции идут слева направо:
Зависимость от температуры предельных значений влажности для реакции (2.23) - (2.26) идут слева направо. 1 - реакция (2.23); 2 - реакция (2.24); 3 - реакция (2.25); 4 - реакция (2.26); 5 - реакция (2.1); 6 – влажность соответствующая точке росы -70 С. Разложение ВеО и образование карбида, интерметаллида и нитрида по реакциям (2.23)-(2.26) возможно при очень низкой активности кислорода. Такие активности кислорода создаются титановыми и бариевыми геттерами.
1. Предложены термодинамическая и кинетическая модели взаимодействия бериллиевой керамики с медью при изготовлении замедляющих систем ЛБВ. Получены значения энергии активации для линейной скорости роста и образования зародышей путем идентификации неизвестных параметров моделей. 2. Проведены экспериментальные исследования процесса взаимодействия бериллиевой керамики с медным покрытием спирали. При испытании на отрыв наилучшая прочность соединения получена при степени приращения 0,4-0,5 при этом время сварки 10 мин, и температура 950 С. 3. Образование карбидов и нитридов бериллия, ухудшающих качество соединения, возможно при очень низкой активности кислорода. Эти условия практически не выполняются, т.е. карбиды бериллия и нитриды бериллия в зоне соединения не образуются. 4. Если активность кислорода определяется влажностью технологических газов (водорода и азота), то сродство реакции образования сложных оксидов при взаимодействии бериллиевой керамики с медью не зависит от активности углерода и водорода. 3. Экспериментальные исследования 3.1. Методика экспериментальных исследований Зона соединения «спираль – покрытие – керамический опорный стержень» исследовалась с помощью металлографического микроскопа Olympus BX51, (ОАО «НПП «Алмаз»), методом рентгенофазового анализа (ОАО «НПП «Алмаз»), методом растровой электронной микроскопии на приборе «MIRA II LMU» фирмы «TESCAN» с приставкой для энергодисперсионного анализа (ЭДС) «Inca Energy 350» (Саратовский государственный университет им. Чернышевского Н.Г.). Модульная компоновка микроскопа Olympus BX51 позволяет использовать значительный ассортимент вспомогательных устройств, расширяющих
Микроскоп Olympus BX51 возможности микроскопического исследования (рис. 3.1). Благодаря универсальному креплению, на микроскоп могут быть установлены различные наблюдательные тубусы, мультипорты для видео- и фоторегистрации, разнообразные столики и препаратоводители, в том числе сканирующие, пьезоподвижки объективов, моторизованные шторки и турели.
Сканирующая (растровая) электронная микроскопия (СЭМ, РЭМ) позволяет получить изображения объёмных электронно-плотных образцов с высоким разрешением путём сканирования образцов тонко сфокусированным пучком электронов. Возможно получение информации о строении поверхности объекта (топографический контраст, вторичные электроны), о составе объекта (обратно-рассеянные электроны, анализ характеристического рентгеновского излучения) и некоторых других характеристик.
Сканирующий электронный микроскоп на приборе «MIRA II LMU» фирмы «TESCAN» с приставкой для энергодисперсионного анализа (ЭДА) «Inca Energy 350» может работать при низком вакууме и с напуском водяных паров, может применяется в исследованиях биологических образцов для: сканирующей электронной микроскопии высокого разрешения (до 1 нм).
Основные технические характеристики: ускоряющее напряжение от 200В до 30 кВ с плавной регулировкой; система подачи напряжения на образец для получения изображений высокого разрешения при низких ускоряющих напряжениях от 50В до 5кВ; максимальное значение тока зонда – 200 нА; увеличение от x 4 до x1 000 000. Установлены специальные детекторы: SE – детектор вторичных электронов типа Эверхарта-Торнли, TE – детектор прошедших электронов. SE – детектор служит для получения изображений топографического контраста. TE – детектор прошедших электронов для работы со стандартными образцами просвечивающей электронной микроскопии. TE – детектор служит для реализации режима сканирующей просвечивающей электронной микроскопии.
Исследование процесса твердофазного соединения
Параметры и п данной зависимости для замедляющей системы определялись по следующей методике. Замеряемая спираль надевалась на керамический стержень большей длины за счёт размотки краевых витков для уменьшения влияния эффекта краевого охлаждения, приводящего к неравномерному прогреву спирали. Затем спираль вставлялась в керамическую трубку с плотно навитой на ней с постоянным шагом спиралью нагревателя. В разрез посередине внешней трубки вставлялась термопара и упиралась во внутренний стержень в специально увеличенное для этого межвитковое пространство. К выступающим концам измеряемой внутренней спирали подключался миллиомметр, а концы внешней спирали крепились к силовым (подводящим) электродам установки, которые при этом выполняли и роль крепежа. На электроды подавалось напряжение, в результате чего во внешней спирали протекал постоянный электрический ток задаваемых значений, приводивший к выделению тепла на нагревателе. Теплоотвод обеспечивался находившимся под стеклянным колпаком установки воздухом. Для более быстрого установления стационарного теплового режима через также находившуюся под колпаком трубку с плитой охлаждения пропускалась вода. При каждом из задаваемых значений тока нагревателя (которые в каждом цикле измерений сначала увеличивались с определённым шагом от нуля до максимального, а затем после выдержки уменьшались с тем же шагом до нуля) после отсутствия изменения температуры (с дискретностью 0,1 0С) в течение не менее 5 мин записывались значения электрического сопротивления и температуры спирали. По этим данным, полученным в 3 циклах измерений для каждой из 3 замедляющих систем из различных партий плющенки, с помощью метода наименьших квадратов были определены параметры аппроксимирующей зависимости, аналогичной формуле , только для полного электросопротивления с индивидуальным для каждого цикла измерения параметром R0 (вместо 0) и общими указанными определяемыми параметрами. В результате с относительным средним квадратичным отклонением, составившим по всем использованным точкам 0,7 % (для температур в К), получено следующее соотношение для определения температуры спирали в (для придания описываемой методике измерения официального статуса необходимо данную зависимость, по сути дела, использования спирали как резистивного относительного термометра подтвердить, возможно с корректировкой, в отделе Метрологии):
Параметры и n данной зависимости для замедляющей системы определялись по следующей методике. Замеряемая спираль надевалась на керамический стержень (или трубку) большей длины (за счёт размотки краевых витков для уменьшения влияния эффекта краевого охлаждения, приводящего к неравномерному прогреву спирали), которые затем вставлялись в керамическую трубку с плотно навитой на ней с постоянным шагом спиралью нагревателя. В разрез посередине внешней трубки (вносящий некоторую погрешность в равномерность температуры замедляющей системы) вставлялась термопара и упиралась во внутренний стержень в специально увеличенное для этого межвитковое пространство. К выступающим концам измеряемой внутренней спирали подключался миллиомметр, а концы внешней спирали крепились к силовым (подводящим) электродам установки, которые при этом выполняли и роль крепежа. На электроды подавалось напряжение, в результате чего во внешней спирали протекал постоянный электрический ток задаваемых значений, приводивший к выделению тепла на нагревателе. Теплоотвод обеспечивался находившимся под стеклянным колпаком установки воздухом. Для более быстрого установления стационарного теплового режима через также находившуюся под колпаком трубку с плитой охлаждения пропускалась вода. При каждом из задаваемых значений тока нагревателя (которые в каждом цикле измерений сначала увеличивались с определённым шагом от нуля до максимального, а затем после выдержки уменьшались с тем же шагом до нуля) после отсутствия изменения температуры (с дискретностью 0,1 0С) в течение не менее 5 мин записывались значения электрического сопротивления и температуры спирали. По этим данным, полученным в 3 циклах измерений для каждой из 3 замедляющих систем из различных партий плющенки, с помощью метода наименьших квадратов были определены параметры аппроксимирующей зависимости, аналогичной формуле 3, только для полного электросопротивления с индивидуальным для каждого цикла измерения параметром 0 и общими указанными определяемыми параметрами. В результате с относительным средним квадратичным отклонением, составившим по всем использованным точкам 0,7 % (для температур в К), получено следующее соотношение для определения температуры спирали в: 3
При измерениях термического сопротивления ВЧ пакета Т0 и Ro определяются следующим образом. В начале и конце цикла измерения (заключающегося в подачи на спираль некоторых фиксированных значений постоянного электрического напряжения сначала в возрастающем, а затем после некоторой выдержки при максимальном значении напряжения в убывающем порядках) подаётся минимальное значение напряжения UH=UK0,01 В. После отсутствия изменения температуры (соответственно, ТН и ТК) с дискретностью 0,1 С в течение 5 мин записываются значения напряжения и тока. Затем определяются начальное RH и конечное RK электрические сопротивления замедляющей системы, как отношения соответствующих значений напряжения и тока.
Для определения ТНК были проведены измерения по следующей методике. Замедляющая система надевалась на керамический стержень (трубку) и подключалась к силовым электродам установки размотанными на несколько витков для уменьшения погрешности, вносимой неравномерностью температуры, концами. Вместе с электродами цепи обратной связи источника питания эти контакты скреплялись при помощи ПОС. К стержню посередине в увеличенном межвитковом пространстве с помощью изоляционной ленты крепилась термопара. Затем устанавливался колпак и откачивался воздух. Через 2 ч записывалась начальная температура и подавалось постоянное электрическое напряжение 0,01 В. Через 2 ч после этого снимались показания температуры нагрева и отключалось напряжение. Ещё через 2 ч записывалась конечная (начальная для следующего цикла) температура и подавалось напряжение. После чего через 2 ч снималась температура нагрева и отключалось напряжение. Затем через 2 ч измерялась конечная температура. Измерения проводились для каждой из 3 замедляющих систем из различных партий плющенки. ТНК определялась как средняя по всем проведённым измерениям разность между температурами нагрева и полусуммами соответствующих начальных и конечных температур.
Технология сборки спирали с керамическими стержнями
Для определения ТНК были проведены измерения по следующей методике. Замедляющая система надевалась на керамический стержень (трубку) и подключалась к силовым электродам установки размотанными на несколько витков для уменьшения погрешности, вносимой неравномерностью температуры, концами. Вместе с электродами цепи обратной связи источника питания эти контакты скреплялись при помощи ПОС. К стержню посередине в увеличенном межвитковом пространстве с помощью изоляционной ленты крепилась термопара. Затем устанавливался колпак и откачивался воздух. Через 2 ч записывалась начальная температура и подавалось постоянное электрическое напряжение 0,01 В. Через 2 ч после этого снимались показания температуры нагрева и отключалось напряжение. Ещё через 2 ч записывалась конечная (начальная для следующего цикла) температура и подавалось напряжение. После чего через 2 ч снималась температура нагрева и отключалось напряжение. Затем через 2 ч измерялась конечная температура. Измерения проводились для каждой из 3 замедляющих систем из различных партий плющенки. ТНК определялась как средняя по всем проведённым измерениям разность между температурами нагрева и полусуммами соответствующих начальных и конечных температур.
Исходное электрическое сопротивление R0 определяется как минимальное (для оценки теплового сопротивления сверху) из значений, полученных по данным измерений RH и RK по формуле 4, где принимается: R0=R2; RH(RK)=R1; Т0=Т2; ТH(ТK)+ТНК=Т1 (при этом для удовлетворительной достоверности результатов измерений модуль разности данных значений не должен превышать 0,01 Ом). Далее определённые описанным способом по формуле 1 по данным измерений значения теплового сопротивления ВЧ пакета аппроксимируются зависимостями (для каждого цикла измерений отдельными для режимов повышения и понижения напряжения) расчётного сопротивления от средней температуры ВЧ пакета, определяемой как полусумма Тсп и Тоб. При подборе вида данной зависимости использовались целочисленные показатели степени при температуре от -2 до 2. Данные расчётов на основе метода наименьших квадратов (с понижающими весовыми коэффициентами нескольких точек при наименьших напряжениях из-за более высокой их относительной погрешности, а также завышенных значений тепловых сопротивлений в случае плохого контакта при ненагретой замедляющей системе) показали, что удовлетворительной аппроксимацией обладает зависимость следующего вида:
Теоретически такой вид зависимости объясняется тем, что сначала резко уменьшаются контактные тепловые сопротивления (особенно при низкокачественном контакте спирали, стержней и оболочки) из-за бльших прогрева замедляющей системы и, соответственно, роста её линейных размеров по сравнению с оболочкой и внешними сопряжёнными деталями при подаче на спираль напряжения, а затем после практического прекращения снижения контактных сопротивлений изменение теплового сопротивления ВЧ пакета определяется таковым его деталей (в пределах диапазона температур, в котором теплообмен излучением пренебрежимо мал), главным образом, керамических стержней (материал которых имеет коэффициент теплопроводности, практически линейно уменьшающийся с температурой в рассматриваемом диапазоне).
Падение напряжения на замедляющей системе измеряется непосредственно в месте соединения замедляющей системы с подводящими электродами путём подключения цепи обратной связи источника питания.
Термопара закрепляется на оболочке в центральной части ВЧ пакета. Оболочка с замедляющей системой крепится в специальном водоохлаждаемом блоке. Для того, чтобы исключить конвективную составляющую теплопередачи от замедляющей системы к оболочке, измеряемый макет должен быть откачен.
Подготовка и монтаж макетов Подготовка макетов и монтаж их на установке определения тепловых сопротивлений (рис. 3.25) производится следующим образом:
С концов насаживаются вплотную друг к другу по равному количеству теплоотводящих колец через компенсирующие разность, с внешним диаметром оболочки навитую на последнюю медную фольгу и разделённую так, чтобы посередине оставалась минимальная (в целях снижения обусловленной неравномерностью температуры погрешности) величина свободной поверхности оболочки для крепления термопары.
Поверх колец наматывается пара слоёв медной фольги на всю длину пакета, которая затем продолжает навиваться ещё в несколько слоёв уже совместно на ВЧ пакет с медной плитой охлаждения (с припаянной к ней медной трубкой для пропускания оборотной воды);
