Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние и проблемы развития ВТГ 20
1.1. Проблемы повышения точности ВТГ 20
1.2. Конструкция ВТГ и ее влияние на характеристики 39
1.3. Себестоимость ВТГ и пути ее снижения 51
Глава 2. Разработка методов исследования характеристик высокодобротных резонаторов ВТГ 55
2.1. Разработка метода измерения внутреннего трения 56
2.2. Разработка методов измерения частотных характеристик полусферических резонаторов 84
2.3. Измерение прецессии стоячей волны в резонаторе в составе ВТГ 95
Выводы к главе 2 106
Глава 3. Разработка методов уменьшения внутреннего трения в материале резонатора 108
3.1. Особенности структуры и диссипативные процессы в кварцевом стекле 108
3.2. Уменьшение внутреннего трения в резонаторах из кварцевого стекла 128
3.2.1. Уменьшение внутреннего трения в поверхностном слое 129
3.2.2. Уменьшение влияния адсорбции атмосферной воды на характеристики резонатора 140
3.2.3. Уменьшение внутреннего трения в структуре кварцевого стекла 152
3.3. Уменьшение внутреннего трения в металлических резонаторах 184
Глава 4. Разработка метода балансировки полусферических резонаторов 197
4.1. Определение параметров массового дисбаланса полусферических резонаторов 198
4.2. Удаление неуравновешенной массы 209
4.3. Уменьшение расщепления собственных частот резонатора 228
4.4. Уменьшение гармоник массового дефекта резонатора 230
Глава 5. Разработка методов уменьшения влияния металлического покрытия резонатора на характеристики ВТГ 236
5.1. Влияние металлического покрытия на характеристики полусферического резонатора ВТГ 237
5.2. Влияние условий формирования тонких пленок на их структуру и свойства 247
5.3. Разработка метода нанесения равмерного металлического
покрытия с малой диссипацией 275
5.3.1. Разработка метода металлизации полусферического резонатора 275
5.3.2. Уменьшение внутреннего трения в металлическом покрытии 281
5.4. Уменьшение внутреннего трения, связанного с адсорбцией атмосферной воды на металлическом покрытии 293
Глава 6. Разработка полусферических резонаторов ВТГ 301
6.1. Разработка резонатора ВТГ инклинометра забойной телеметрической системы 301
6.2. Разработка резонатора ВТГ, работающего на колебаниях с высоким номером моды 316
6.3. Разработка резонатора ВТГ с плоским блоком электродов 321
Выводы к главе 6 324
Общие выводы 325
Список литературы 328
Приложение 344
- Конструкция ВТГ и ее влияние на характеристики
- Разработка методов измерения частотных характеристик полусферических резонаторов
- Уменьшение внутреннего трения в резонаторах из кварцевого стекла
- Уменьшение расщепления собственных частот резонатора
Введение к работе
» Быстрое развитие средств навигации является одним из ведущих
направлений технического прогресса. Этот процесс характеризуется с
одной стороны появлением целого ряда навигационных устройств,
основанных на новых принципах (спутниковые навигационные системы,
микромеханические, оптические гироскопы и т.д.); с другой - широким их
применением во множестве областей, охватывающих все стороны жизни
современного общества. Сейчас они применяются в промышленных
роботах, управляемых головках нефтебурового оборудования, активных
подвесках автомобилей, индивидуальных определителях координат,
используемых для ориентации на местности, шлемах виртуальной
реальности и т. д., став наряду с компьютеризацией современного
общества, одним из основных компонентов информационной среды.
Сегодня к навигационным приборам предъявляются гораздо более
жесткие требования. Они должны работать в тяжелых условиях внешней
среды, иметь высокую надежность, длительный рабочий ресурс, высокую
точность, обладать небольшой массой, габаритами и энергопотреблением.
Хотя характеристики механических гироскопов последовательно
улучшались на протяжении десятилетий, они не отвечают сегодняшним
требованиям по ряду параметров, принципиальное улучшение которых
связывается разработчиками с твердотельными гироскопами нового
поколения: волновым твердотельным гироскопом (ВТГ) и оптическими -
кольцевым лазерным гироскопом (КЛГ) и волоконно-оптическим
гироскопом (ВОГ). Все эти приборы разрабатывались с начала 70-х годов
и находятся сейчас на различных стадиях промышленного освоения.
КЛГ имеет высокую точность, однако ему присущи серьезные
недостатки:
нелинейность выходного сигнала при малой угловой скорости;
дрейф выходного сигнала из-за газовых потоков в лазере;
ограничение рабочего ресурса ресурсом лазера.
Из этих проблем самой важной является первая. При малых угловых скоростях уменьшается разность частот генерируемых световых волн, это приводит к синхронизму и невозможности обнаружения вращения. (Типичный порог обнаружения при этом составляет 10 град/ч.) Для подавления синхронизма оптическая система приводится к колебаниям, но конструкция КЛГ при этом сильно усложняется.
ВОГ свободны от явления синхронизма, но для получения высокой чувствительности в ВОГ требуется большая длина оптического пути (до десятков км) при очень низком уровне потерь в оптоволокне. Как и для КЛГ, ресурс ВОГ ограничивается ресурсом источника света. К недостаткам ВОГ также следует отнести температурную зависимость выходных характеристик.
В основе работы волнового твердотельного гироскопа лежит явление инертности упругих волн, впервые открытое британским физиком Брайаном в конце XIX века. Он показал, что скорость вращения стоячей волны в тонком кольце, совершающем изгибные колебания, меньше скорости вращения самого кольца. Почти через 100 лет Д.Д.Линч продемонстрировал, что эффект Брайана может быть использован для построения датчика углового перемещения. В разработанной Линчем конструкции ВТГ в качестве чувствительного элемента используется тонкостенный полусферический резонатор, изготовленный из кварцевого стекла. Изгибные колебания его кромки идентичны колебаниям тонкого кольца и подчиняются тем же закономерностям. Поддержание амплитуды колебаний кромки резонатора на постоянном уровне осуществляется электрическим полем, создаваемым кольцевым электродом возбуждения,
измерение параметров стоячей волны и подавление квадратурных колебаний - емкостными преобразователями. Все три основные детали ВТГ соединены между собой и помещены в герметичный корпус. Для определения параметров стоячей волны и поддержания постоянной амплитуды колебаний используется специальная электронная система.
Своеобразный принцип работы дает новому гироскопу ряд преимуществ:
в ВТГ полностью отсутствуют изнашивающиеся части, поэтому рабочий ресурс прибора оказывается очень большим;
высокая точность;
устойчивость к тяжелым условиям окружающей среды (повышенная температура, вибрация, гамма-излучение);
сравнительно небольшие габариты, вес и потребляемая мощность;
сохранение инерциальной информации при кратковременном отключении электропитания.
В табл. 1 представлены основные параметры чувствительных элементов твердотельных гироскопов в сравнении с динамически настраиваемым гироскопом типа КИНД 05-49 [1]. Сравнение этих характеристик показывает, что ВТГ имеет ряд серьезных преимуществ перед КЛГ и ВОГ. Оптические гироскопы имеют сложную, многодетальную конструкцию, а их ресурс существенно ограничивается ресурсом источника света. В отличие от них, ВТГ имеет простую конструкцию, включающую три (а иногда и две) основные части: резонатор и платы возбуждения и съема, которые соединяются вместе и устанавливаются в герметичный корпус, качество которого и определяет рабочий ресурс прибора. В ВТГ стоячая волна может быть устойчива достаточно долгое время (минуты) при выключении электропитания и все это время ВТГ сохраняет инерциальную информацию.
Таблица 1. Сравнительные характеристики гироскопов разных типов
Таблица 1 -окончание
Из табл.1 также видно, что ВТГ имеет меньшие габариты и вес, это особенно существенно для космических аппаратов, когда стоимость 1 кг полезного груза достигает нескольких тысяч долларов.
Чувствительный элемент ВТГ потребляет несколько мкВт мощности, тогда как чувствительные элементы КЛГ и ВОГ требуют больше, чем 1 Вт.
Эти достоинства делают ВТГ одним из наиболее перспективных гироскопических приборов для использования в бесплатформенных инерциальных системах.
Однако достижение высокой точности ВТГ возможно лишь в случае, если его чувствительный элемент - полусферический резонатор - имеет высокую добротность [Q~(l-2)-10 ] и изотропность. Такой резонатор изготавливается из кварцевого стекла и требует использования ряда новых технологий для достижения необходимых параметров. Хотя для вытачивания такого резонатора можно использовать различные способы обработки кварцевого стекла, хорошо известные в оптической технологии, для получения столь высокого уровня добротности необходимо уменьшить все факторы, приводящие к рассеянию энергии упругих колебаний: потери в собственно кварцевом стекле, его поверхностном слое, металлическом покрытии, на межфазной границе металл/стекло, а также в местах крепления резонатора. Для этого необходимо использовать комплекс специальных технологий и методов: методы измерений характеристик высокодобротных полусферических резонаторов, специальные технологии обработки кварцевого стекла, технологию нанесения металлического покрытия с малой диссипацией, методику балансировки резонатора. Несовершенство этих технологий является основной причиной недостаточно высоких характеристик резонаторов, выпускаемых отечественными предприятиями (РПКБ, МИЭА и др.)
Другим фактором, определяющим широкое внедрение ВТГ, является соотношение цена/качество полусферических резонаторов. Сегодня себестоимость резонаторов ВТГ высока, что связано с использованием ряда прецизионных технологических операций, а также с высоким процентом брака резонаторов (до 90%). Поэтому второй важной проблемой, которую должен решить комплекс специальных технологий, является существенное снижение себестоимости резонатора. Эта проблема может быть решена за счет повышения эффективности технологий, существенного снижения технологического брака, а также за счет рациональной конструкции резонатора ВТГ.
Разработка и внедрение такого комплекса технологий позволит улучшить качество и выход годных изделий, снизить их себестоимость и существенно повысить точность ВТГ, что является важной задачей для народного хозяйства и обороноспособности страны.
Разработка новых технологий ВТГ невозможна без детального понимания природы процессов, определяющих диссипативные характеристики полусферического резонатора. Хотя структура, свойства кварцевого стекла и тонких металлических пленок, а также связанные с ними технологические задачи, были предметом исследования на протяжении многих лет, слабые диссипативные процессы, протекающие в резонаторе, которые по существу и определяют его добротность, малоизучены. Имеющаяся в литературе информация недостаточна и разрознена, и поэтому проведение детальных исследований таких диссипативных процессов создает научно-технологическую основу для разработки недорогих высокодобротных резонаторов ВТГ. Цель работы.
Разработка научно обоснованных технических решений, направленных на создание недорогих высокодобротных полусферических резонаторов
высокоточных волновых твердотельных гироскопов, на основе новых адекватных моделей физических и химических процессов, определяющих параметры качества резонатора.
Задачи исследования. Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:
выявление основных проблем, решение которых позволяет существенно улучшить точность ВТГ;
оценка качества математических моделей, используемых для расчета собственных частот полусферического резонатора;
усовершенствование методов измерения основных параметров полусферических резонаторов;
установление закономерностей и построение моделей диссипативных процессов в материале резонатора, определяющих его характеристики в рабочей (для ВТГ) области температур и разработка способов уменьшения их интенсивности;
установление закономерностей диссипативных процессов, протекающих в нарушенном слое и разработка химического метода удаления нарушенного слоя;
установление закономерностей диссипативных процессов, связанных с адсорбцией молекул атмосферных газов на кварцевом стекле и тонких пленках и определение условий обезгаживания поверхности;
установление закономерностей диссипативных процессов в тонких металлических пленках, нанесенных на поверхность кварцевого стекла и разработка метода нанесения покрытия с малой диссипацией;
разработка метода уменьшения упруго-массового дисбаланса полусферических резонаторов, балансировочного оборудования и экспериментальная проверка процедуры балансировки.
В итоге проведенных исследований достигнут ряд новых результатов:
разработаны и апробированы новые методы измерения основных
параметров резонаторов ВТГ (добротность, разночастотность,
массовый дисбаланс, низкочастотный спектр собственных частот,
масштабный коэффициент), проанализировано влияние различных
факторов на точность измерений;
измерено внутреннее трение в кварцевых стеклах, используемых для
изготовления резонаторов ВТГ, в области температур -Ю0...+300С,
выявлены слабые диссипативные процессы, связанные со структурой
кварцевого стекла и внутренними напряжениями;
на основе модели дефектообразования в процессе отжига разработана
методика термообработки кварцевого стекла, позволившая впервые
достигнуть рекордной добротности полусферического резонатора
(8.2±0.2>107;
изучены диссипативные процессы в нарушенном поверхностном
слое, образующемся при механической обработке кварцевого стекла и
разработана методика химической обработки поверхности для
удаления нарушенного слоя;
установлено влияние адсорбции атмосферных газов и паров на
поверхности кварцевого стекла и тонких металлических пленок на
добротность резонатора, определены режимы термообработки для
дегидратации поверхности;
на основе результатов исследования внутреннего трения в тонких
металлических пленках разработана технология нанесения
двухкомпонентного металлического покрытия с малой диссипацией;
разработана аппаратура и методика балансирования
полусферического резонатора методом ионного распыления;
на основе исследования внутреннего трения в системе Al-Sc установлен состав сплава с наименьшей диссипацией, пригодный для изготовления металлических резонаторов ВТГ; оценено качество известных математических моделей, используемых для расчета собственных частот резонатора ВТГ, разработана аналитическая модель расчета спектра собственных частот полусферического резонатора. Практическая ценность работы.
Полученные результаты исследований позволили раскрыть механизмы внутреннего трения в кварцевом стекле и тонких металлических пленках и стали основой разработки способов существенного уменьшения внутреннего трения в них. Разработанные технологии термообработки, химической обработки поверхности резонаторов, балансировки и нанесения токопроводящего покрытия внедрены на предприятии НПП «Медикон». Разработанный метод ионной балансировки резонаторов запатентован и лег в основу промышленной установки для балансирования полусферических резонаторов «Микробаланс».
Химическая обработка поверхности, позволяющая удалять нарушенный поверхностный слой стекла была внедрена в НПО «Астрофизика».
Разработанные методы измерений параметров ВТГ и их резонаторов внедрены в Институте проблем механики РАН, Раменском приборостроительном конструкторском бюро, Московском институте электромеханики и автоматики.
Полученные в диссертации результаты по внутреннему трению в сплаве Al-Sc, а также разработанные методы контроля внутреннего трения использованы Всероссийским институтом легких сплавов при выпуске технических условий на сплав АС 0.5 и подготовки его производства.
Использование разработанных технологий признано целесообразным на предприятии «Российский федеральный ядерный центр -Всероссийский научно-исследовательский инсіитут технической физики имени академика Е.И.Забабахина» для разработки инерциального приборного оборудования.
Использование полученных в диссеріации результатов не ограничивается только гироскопией, они представляют интерес и для других областей знаний. Так, в настоящее время высокодобротные механические цилиндрические резонаторы из кварцевого стекла используют в качестве чувствительных элементов детекторов гравитационных волн, сооружаемых в рамках международных проектов учеными США, России, Европейского союза и Японии. Досіижение высокой добротности этих элементов связано с решением іех же самых проблем, что и для резонаторов ВТГ. Таким образом, разработанные научно-технологические решения могут быть использованы для решения одной из принципиальных проблем современной физики.
Положения, выносимые на защиту.
1. Установление и экспериментальное подтверждение следующих новых диссипативных эффектов в кварцевом стекле:
взаимосвязь структурной температуры и внутреннею трения;
диссипация, связанная с внутренними напряжениями в сіекле;
диссипация, связанная с поверхностным нарушенным слоем кварцевого стекла;
диссипация, связанная с гидрат ным поверхностным слоем и гидратированием напыленных тонких металлических пленок хрома и золота;
частотная зависимость внутреннего трения и модуля Юнга в кварцевом стекле в диапазоне температур -100...+300С.
Новый метод химической обрабоїки поверхности реюнаюров, позволяющий удалиіь нарушенный слой и повысить добротность резонаторов.
Методика оіжиіа реюнаюров, пошоляющая уменьшиїь внуїреннее ірение в кварцевом сіекле.
Результаты исследования внутреннего трения в тонких металлических пленках, позволившие усіановиїь природу доминирующих неупруїих процессов в юнких пленках и разработанный способ меіаллизации полусферическою реюнаюра путем нанесения двухкомпонентного токопроводящего покрышя на основе золота.
Способ балансировки полусферических реюнаюров по 1-4-й гармоникам массовой) дефекіа.
Комплекс экспериментальных меюдов для измерений харакіерисіик высокодобро і пых полусферических реюнаюров и* кварцевою сіекла, позволивший:
измерить дрейф стоячей волны в BIT и определиІЬ его масштабный коэффициент;
определиіь расщепление собственных часюі и низкочастошый спекірсобсівенньїх часюі полусферическою реюнаюра;
измерить внутреннее ірение в резонаторе в диапазоне темпераіур -100...+300С на нескольких низших модах изіибньїх колебаний;
измерить иарамеїрьі 1-3-й іармоник массовой) дефекіа оболочки полусферическої о резона і ора;
измерить добротность и модуль Юні а чистых кварцевых сіекол в диапазоне температур -Ю0...+300С на частоіах до 60 кГц.
7. Оценка точности расчета низкочастотного спектра собственных частот полусферического резонатора, выполненного с помощью известных математических моделей.
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложения.
В первой главе рассматривается современный уровень развития ВТГ. Обсуждаются экспериментальные данные, полученные при испытании отечественных и зарубежных ВТГ. Рассматриваются процессы дрейфа стоячей волны и их связь с характеристиками полусферического резонатора. Проанализирована конструкция ВТГ, расссмотрены ее достоинства и недостатки. На основе экспериментальных данных и результатов компьютерного моделирования процессов выявлены основные проблемы, решение которых необходимо для существенного увеличения точности ВТГ и снижения его себестоимости: -повышение характеристик полусферического резонатора, добротность
должна быть на уровне 10 ; разнодобротность - на уровне единиц процентов, остаточное расщепление собственных частот - менее 0.005 Гц; -упрощение конструкции резонатора за счет использования новых технологий производства резонаторов.
Во второй главе описаны методы измерения, в том числе:
внутреннего трения в диапазоне 10'4-г10*8 при температуре от -100 до +300С на частотах 1-4-60 кГц в полусферических и цилиндрических резонаторах;
расщепления собственных частот полусферических резонаторов;
низкочастотного спектра собственных частот полусферических резонаторов;
прецессии стоячей волны в ВТГ.
Рассматривается влияние различных факторов на точность измерения внутреннего трения.
В третьей главе проанализированы диссипативные процессы в материале полусферического резонатора - кварцевом стекле и металлах. Установлены причины, влияющие на добротность кварцевого стекла: примеси, структурная температура, внутренние напряжения. Рассмотрены поверхностные диссипативные процессы в нарушенном поверхностном слое стекла и процессы, связанные с адсорбцией паров атмосферной воды, определены условия дегидратации поверхности. Рассмотрены основные диссипативные процессы в металлах, ограничивающие добротность металлических резонаторов. Приведены полученные данные по внутреннему трению в сплавах Al-Sc, обсуждается возможность их использования для изготовления резонаторов вибрационных гироскопов.
Четвертая глава посвящена вопросам балансировки полусферических резонаторов. Рассмотрена методика измерения 1ч-4-й гармоник массового дефекта оболочки резонатора. Обсуждаются достоинства и недостатки различных способов удаления неуравновешенных масс. Рассмотрена процедура балансировки ионным пучком. Приведены экспериментальные данные, характеризующие возможности данного метода балансировки.
В пятой главе рассмотрены проблемы, возникающие при нанесении металлического покрытия на поверхность полусферического резонатора. Обсуждаются характеристики пленок, наносимых разными методами -вакуумным испарением, магнетронным распылением, химическим и газофазным осаждением. Развита теория внутреннего трения в тонких пленках. Предложен новый метод, позволяющий нанести на резонатор металлическое покрытие с малой диссипацией.
В шестой главе рассмотрены особенности разработки конструкции резонаторов ВТГ, предназначенных для работы в измерительных блоках
инклинометров забойных телеметрических систем, а также резонаторов, работающих в ВТГ с высоким номером моды и с плоским электродным узлом.
Конструкция ВТГ и ее влияние на характеристики
В отечественной и зарубежной литературе описаны ВТГ различных конструкций (см.[4,6,7,10,23,24] и цитированную в них литературу). Они отличались конструкцией резонатора, способом его закрепления, конструкцией емкостных преобразователей. В середине 1980-х годов Э.Лопер и Д.Д.Линч разработали удачную конструкцию ВТГ, которая выпускалась в США и, с небольшими изменениями, послужила основой отечественных ВТГ [4,24]. Рассмотрим эту конструкцию на примере ВТГ ШЮ-34-016А, разработанную при участии автора диссертации в рамках программы ВНТК «Волна» (рис. 1.9). Собственно механический блок ВТГ резонатора и поверхностью блоков внешних и внутренних электродов существовал равномерный зазор величиной около 100 мкм. Поверхность резонатора имеет два тонких металлических проводящих покрытия -наружное и внутреннее. Эти покрытия разделены неметаллизированной кромкой оболочки и подключаются к электронному блоку посредством внутренней и внешней крепежных ножек, поверхность которых также металлизирована.
На поверхности блоков электродов напылены электроды, которые образуют небольшие емкости с проводящей поверхностью резонатора. Обычно внутренние электроды используются для измерения параметров стоячей волны, а внешние-для возбуждения и управления колебаниями.
Конструкция ВТГ типа ТВГ-3 принципиально не отличается от описанной, она имеет другой диаметр резонатора (50 мм вместо 60 мм), соответственно другие размеры блоков электродов, иную конструкцию и расположение газопоглотителя [4] и другие небольшие конструкторские отличия. Основное отличие американского ВТГ состоит в конструкции резонатора, который имеет по краю полусферической оболочки специальные зубцы, используемые для массовой балансировки и устранения расщепления собственных частот, с поверхности которых можно испарять лазером требуемое количество вещества, не изменяя добротность резонатора. В отечественных разработках лучшие результаты показал балансировочный процесс, основанный на использовании ионного травления поверхности кварцевого стекла. Нарушения структуры стекла при этом столь незначительны, что удаление несбалансированной массы осуществляется прямо с поверхности полусферы и балансировочные зубцы при этом не нужны.
Отметим некоторые достоинства описанной конструкции ВТГ. Резонатор имеет достаточно длинную двухстороннюю ножку, это позволяет с одной стороны уменьшить влияние остаточного массового дисбаланса, с другой стороны подключить внешнее и внутреннее металлическое покрытие резонатора к двум разным внешним электрическим цепям. Наличие внешнего и внутреннего блоков электродов позволяет уменьшить помехи, действующие со стороны системы возбуждения на систему измерения и реализовать различные алгоритмы управления. Конструкция имеет высокую ударо- и вибростойкость.
Вместе с тем такая конструкция имеет и недостатки.Прежде всего, резонатор с двухсторонней ножкой значительно сложнее в изготовлении, чем резонатор с односторонней ножкой, так как необходимо обеспечить высокую соосность ножек. Серьезной проблемой является и сборка ВТГ описанной конструкции, поскольку необходимо обеспечить равномерность двух сферических зазоров. Неравномерность любого из них приводит к возникновению дополнительного дрейфа. Так, если неодинаков зазор между внутренним (измерительным) блоком электродов и стенкой резонатора, то может возникнуть дополнительный систематический дрейф, связанный с неоднородным демпфированием. Для его оценки представим азимутальную зависимость величины зазора в виде ряда Фурье На разнодобротность влияет только четвертая гармоника этого ряда. Возникающий при этом систематический дрейф равенгде Uі - постоянное напряжение, приложенное к покрытию резонатора; R- общее сопротивление измерительной цепи; Ме - приведенная массарезонатора; а- круговая частота колебаний.
Если, например, й0 = 100 мкм, d.f=l мкм, //=100 В, У=104ЇЇ с"1, Л=1010Ом и Ме=1 г, то амплитуда скорости дополнительного систематическогодрейфа равна 0.4 град/ч.
При неоднородности зазора между внешним блоком электродов и стенкой резонатора также возникает дополнительный систематический дрейф, связанный с азимутальной неоднородностью силы, создаваемой кольцевым электродом параметрического возбуждения. Нетрудно показать, что если зависимость величины этого зазора dk от азимутального угла имеет видСОи du - то возникает дополнительный систематический дрейф стоячей волны со скоростьюгде г- время затухания свободных колебаний в резонаторе.
При dk4 =1 мкм, dkirlOO мкм и т=1000 с, амплитуда скорости дополнительного систематического дрейфа составит 1.6 град/ч.Неоднородность зазоров является также причиной зависимости параметров дрейфы от давления остаточного газа. Если азимутальные зависимости зазоров описываются формулами (1.8), (1.10) и d4,dk4 -, то увеличение давления газа в ВТГ приводит с одной стороны кг, г2стороны, уменьшение постоянной времени приводит к усилению влияния системы возбуждения и также к росту дрейфа согласно (1.11).
Этот эффект иллюстрируется данными, приведенными в табл.4, которые получены при испытании ВТГ ШЮ34-016А. В этом опыте проводилось измерение скорости дрейфа стоячей волны на угле 0=9.00 в зависимости от времени откачки прибора. Откачка проводилась магниторазрядным высоковакуумным насосом через специальный патрубок.
Разработка методов измерения частотных характеристик полусферических резонаторов
Измерение собственных частот продольных колебаний цилиндров и изгибных колебаний оболочки полусферических резонаторов ВТГ обычно не вызывает затруднений. Гораздо сложнее измерение собственных частот, связанных с крепежной ножкой полусферического резонатора, а также расщепления его собственных частот. Рассмотрению этих вопросов посвящен данный раздел.
Измерение низкочастотного спектра собственных частот резонатора ВТГЭкспериментальное исследование низкочастотного спектра собственных частот полусферических резонаторов проводилось на установке, схема которой приведена на рис.2.12. Полусферический резонатор 1 фиксировался на массивном основании 2 специальным зажимом. Возбуждение колебаний осуществлялось ударом бойка по оболочке, либо по ножке - это позволяло возбуждать разные моды колебаний. Эксперименты проводились на воздухе, и для регистрации колебаний использовался микрофон 3 или пьезодатчик 4, подключаемые к усилителю 5. Амплитудно-частотный спектр сигнала измерялся анализатором спектра 6 типа SR785. Такой метод позволяет получать достаточно надежные данные. Величины найденных собственных частот на воздухе лишь незначительно отличаются от их величин в вакууме, и основная ошибка опыта связана с разрешающей способностью анализатора спектра, составляющей 30 Гц, что вполне достаточно для целей данного исследования.На рис. 2.13 приведены экспериментальные амплитудно-частотные спектры для резонатора диаметром 30 мм с внутренней ножкой производства НПП «Медикон», полученные при двух способах его возбуждения (ударами по оболочке и по ножке). Частотный компонент 8050 Гц соответствует изгибным колебаниям оболочки, возбуждение этого компонента осуществляется наиболее эффективно при ударе по оболочке. Низкочастотный спектр 30-мм полусферического резонатора с односторонней ножкой: А - возбуждение проводилось ударом по оболочке; Б - возбуждение проводилось ударом по ножке
Для идентификации мод колебаний использовались результаты конечно-элементного моделирования колебаний резонатора. На рис.2.14 показаны некоторые моды колебаний, которые имеют место в резонаторе данной конструкции для рассчитанных значений собственных частот. Сопоставление результатов моделирования и измеренных низкочастотных спектров собственных частот позволяют идентифицировать частотные компоненты спектров.
Компоненты 5600 Гц и 6850 Гц (см.рис.2.13,А) отнесены соответственно к крутильным колебаниям ножки и к 1-й моде изгиба ножки. Отметим, что для этого резонатора отнесение ближайших к рабочей моде изгибных колебаний оболочки резонансных частот конструкции составляет 1200 Гц, что можно считать приемлемым.
На рис.2.15 приведены экспериментальные данные, полученные для 30-мм полусферического резонатора с двухстронней крепежной ножкой и тонкой стенкой производства СИПАТ (Китай). Видно, что частотный спектр при этом иной. Конечно-элементное моделирование позволило отнести компонент 4500 Гц к изгибным колебаниям оболочки, компонент 3200 Гц - к 1-й моде изгиба ножки, компонент 3750 Гц - к крутильным колебаниям ножки и компонент 6875 Гц - к колебаниям полусферы вокруг ножки.
Предложенный метод измерения низкочастотного спектра собственных частот полусферического резонатора прост и позволяет, в сочетании с результатами расчета, надежно определить и идентифицировать наблюдаемые в эксперименте собственные частоты полусферического резонатора. Этот метод использован также для оценки точности расчетов спектра собственных частот полусферического резонатора по различным моделям (см.гл.6).Измерение расщепления собственных частот полусферическогорезонатора
Как уже говорилось, расщепление собственных частот является одной из важнейших характеристик полусферического резонатора, измерять которую необходимо с точностью до десятитысячных долей герца. В [4] предложены два метода измерения расщепления собственных частот, основанные на снятии амплитудно- и фазочастотной характеристик резонатора либо его фазоугловой характеристики. При измерении расщепления собственных частот первым способом возбуждение колебаний осуществляется напряжением внешнего генератора, частота которого меняется дискретно с шагом 0.001 Гц, а электроды возбуждения расположены вдоль биссектрисы собственных осей резонатора. При этом максимумы амплитудно-частотных характеристик (АЧХ), измеренных вдоль собственных осей резонатора отстоят друг от друга на величину расщепления собственных частот (Af), что и позволяет ее определить При нахождении расщепления собственных частот методом фазоугловой характеристики [4] определяется максимальная разность фаз сигналов двух датчиков, расположенных вдоль собственных осей (\\)\ и i/2), которая связана с расщеплением собственных частот следующим соотношением
Однако оценки показывают, что эти методы имеют достаточно ограниченное применение. Действительно, для определения АЧХ шаг изменения частоты должен быть примерно на порядок меньше ширины полосы, которая, например, для резонатора с/= 8 кГц и Q =10 составляет 8-Ю"4 Гц, то есть величина шага изменения частоты должна быть гораздо меньше, чем это предложено в [4]. При частотном сканировании с малым шагом достаточно протяженной области (до 1 Гц) температура резонатора может измениться и это отразиться на АЧХ (напомним, что изменение температуры полусферического резонатора всего лишь на 0.01 приведет к сдвигу собственной частоты на -0.007 Гц) и на точности измерения расщепления собственных частот. Кроме того, приложенное к электродам возбуждающее напряжение деформирует оболочку резонатора и также изменяет А/. Те же проблемы стоят и при измерении фазоугловой характеристики - при высокой добротности резонатора фазовая характеристика получается очень крутой, а подлежащая измерению разность фаз в (2.30) оказывается очень близкой к 180. Поэтому предложенные методы подходят для измерения с ограниченной точностью расщепления собственных частот резонаторов с добротностью 106 и менее.
Для измерения разности частот свободных колебаний в диссертации используется метод биений (рис.2Л 6). Для измерения амплитуды колебаний оболочки используются два емкостных датчика Д1 и Д2 и расположенные вблизи ее кромки, а для возбуждения - электроды ЭВ1 и ЭВ2. При включении ключа S1 образуется автогенератор, включающий полосовой усилитель 1, фазовращатель 2 и источник постоянного напряжения Е.
Уменьшение внутреннего трения в резонаторах из кварцевого стекла
Как уже говорилось, внутреннее трение в резонаторах включает не только внутреннее трение в собственно материале, но и в поверхностном слое. Поэтому прежде чем исследовать диссипативные процессы в структуре стекла, необходимо выяснить природу и вклад таких процессов в нарушенном поверхностном слое кварцевого стекла, который образуется при механическом изготовлении резонаторов, а для этого необходимо иметь эффективный метод удаления нарушенного слоя. Таким методом может быть химическое травление, которое используется в промышленности для обработки поверхности стекол и пьезокварцевых резонаторов.
Химическое травление кварцевого стекла - достаточно сложный процесс. В общем виде химическое взаимодействие стеклообразного Si02 с растворами плавиковой кислоты можно представить в виде:где п - степень полимеризации поликремниевой кислоты.
Однако растворы чистой плавиковой кислоты малопригодны для удаления дефектного поверхностного слоя. Так как поверхностный слой после механической обработки имеет неоднородную структуру и состав, травление различных его участков будет происходить с различной скоростью. Продукты травления (поликремниевые кислоты различной степени полимеризации) будут адсорбироваться на неоднородной поверхности по разному, препятствуя поступлению травильного раствора к поверхности. Диффузия раствора сквозь этот гелеобразный поверхностный слой является лимитирующей стадией всего процесса, и в результате травление будет происходить очень неравномерно, с увеличением шероховатости поверхности.
Для удаления нерастворимых в воде фторидов и фторсиликатов в травильную ванну добавляют сильную минеральную кислоту, обычно серную. Серная кислота также связывает образующуюся реакционную воду, способствуя поддержанию в травильном растворе высокой концентрации плавиковой кислоты.
Химическое травление можно осуществлять и солями плавиковой кислоты, наиболее эффективен при этом фторид-бифторид аммония N F-NH4HF2. При его взаимодействии с серной кислотой в травильном растворе образуется плавиковая кислота:
Для увеличения эффективности очистки поверхности применяют цикловую химическую обработку. Цикл включает в себя обработку изделия в травильном растворе и промывку в воде или в серной кислоте. Число таких циклов может достигать нескольких десятков. С этой же целью в травильные растворы добавляют поверхностно-активные вещества - диметилформамид, бутанол и др. Использование растворов поверхностно-активных веществ при травлении и промывке резонатора позволяет лучше очистить поверхность от продуктов гидролиза поликремниевых кислот и тем самым уменьшить связанное с этим внутреннее трение. Выбранная технология химической обработки должна обеспечивать достаточно высокую скорость растворения материала, не допуская его локального растравливания по трещинам.
В результате ряда экспериментов нами в диссертации разработана следующая рецептура травильных и промывочных растворов: Состав травильного раствора:
Введение в травильный раствор поверхностно-активного вещества позволяет эффективно удалять поликремниевые кислоты, образующиеся на поверхности кварцевого стекла в процессе травления. Небольшая концентрация ПАВ связана с его ограниченной растворимостью. После достижения предела растворимости ПАВ образует конгломераты (мицеллы) размерами от нескольких нанометров до микрометра. Учитывая достаточно низкие критические концентрации мицеллообразования фторорганических ПАВ, можно опасаться возникновения таких мицелл даже при небольших концентрациях ПАВ.
Большую роль в удалении продуктов травления играет промывка. Для повышения эффективности промывки в промывочный раствор добавлялся ПАВ, выпускаемый отечественной промышленностью с товарным названием «ОП-7», «ОП-10», который является аналогом ПАВ "Triton-X-305" - одного из моноалкилфениловых эфиров полиэтиленгликоля. Этот ПАВ относится к классу неионогенных поверхностно-активных соединений, имеет радиус сферической мицеллы 4.3 нм и таким образом поры с диаметром 10 нм становятся доступными для мицелл. По данным Шенфельда [76] вещество типа "Triton" обладает очень сильной очищающей способностью, примерно в 80 %, принимая за 100 % очищающую способность гипотетического идеального моющего средства.
При обработке резонатор обрабатывается 1.5-2 минуты в травильном растворе, прополаскивается в дистиллированной воде, затем обрабатывается 1-2 минуты в промывочном растворе №1, далее прополаскивается в дистиллированной воде и обрабатывается в промывочном растворе №2 1-2 минуты. Этот цикл повторяется несколько раз в зависимости от толщины слоя, который необходимо удалить. На рис.3.7 приведены результаты эксперимента, демонстрирующие эффективность химической обработки. График показывает зависимость добротности цилиндрического резонатора и скорости растворения материала от глубины удаляемого слоя. Химическое удаление нарушенного слоя осуществлялось поэтапно, после каждого этапа обработки фавиметрически определялась убыль массы Am. Толщина удаленного дефектного слоя рассчитывалась по формуле
Уменьшение расщепления собственных частот резонатора
На рис.4.20 приведен пример использования разработанной ионной технологии для уменьшения расщепления собственных частот полусферического резонатора диаметром 30 мм из кварцевого стекла. Скорость уменьшения Af при бомбардировке поверхности ионами аргона с энергиями 1.1-1.3 кэВ составляла (3-5)-10- Гц/с. Остаточное значение расщепления собственных частот составило 0.001 Гц (см.рис.4.20). Основная проблема связана с разогревом резонатора при ионной обработке. Температура нагрева кварцевого стекла при выбранных режимах ионной обработки определялась на эталонных пластинках из кварцевого стекла с помощью термопары и составляла около 80С. Для точного определения /"резонатор после ионного травления охлаждался в вакууме в течение -40 минут перед измерениями Af. В табл.16 приведены в качестве примера результаты, демонстрирующие остаточный уровень На рис.4.22 показано уменьшение 1-й гармоники дефекта в ходе ее балансировки, для наглядности процесс проводился в четыре стадии, и в результате амплитуда этой гармоники уменьшена примерно в 20 раз. На третьем этапе проводится уменьшение всех первых трех гармоник массового дефекта, а на четвертом проводится дополнительная корректировка разночастотности, которая могла измениться в ходе 2-го и 3-го этапов. На рис.4.23 приведены экспериментальные данные, демонстрирующие эффективность балансировки полусферических резонаторов ионным распылением.зависимости or уїла поворота реюиаіора Кривая 2 представляем іу же зависимое і ь после проведения балансировки меіодом ионноіо іравления. Видно, чю амплиіуда вибрации ножки уменьшилась в десяіки pa І. В подрисуночной таблице приведены данные о максимальной и минимальной добротности резонаюра до и после балансировки и рассчитанная для зі их случаев амплиіуда скорое і и сисіемаїическою дрейфа сюячей волны (для часюїьі колебаний ре юна юра 8 кГц). Достигнуїая в ре ульіаіе балансировки амплиіуда скоросш сисіематическою дрейфа, равная 2 2 і рад/ч, приемлема для большиисіва применений ВП даже при сравниіельпо невысокой добро і нос і и резонатора.
В табл.18 приведены в качестве примера результаты балансировки 30-мм полусферических резонаторов на установке «Микробаланс». Табл.18 содержит данные по величинам неуравновешенных масс (Mi_3), добротности (Q) и разнодобротности (AQ). Они подтверждают пригодность разработанной техники и методики для балансировки полусферических резонаторов. Хорошо видно, что в ходе балансировки удалось уменьшить начальный дисбаланс более, чем в 100 раз и увеличить их добротность. Практически у всех резонаторов конечная добротность превышает 10 , а разнодобротность находится на уровне нескольких процентов.
Разработанная методика балансирования полусферических резонаторов была запатентована. Испытания установки «Микробаланс» позволяют определить параметры балансировки, достигаемые в условиях мелкосерийного производства резонаторов.
Средняя продолжительность процедуры балансировки данным методом составляет 8 часов, включая подготовительные операции (установка резонатора, откачка камеры и т.п.).Остаточная величина расщепления частот (при первоначальном уровне 4/=0.1-f0.5 Гц) укладывается в интервал 0.001-f0.005 Гц.
Преобладающей гармоникой массового дефекта является первая, ее величина для отдельных резонаторов достигает 0.01 г. Остаточные значения всех трех первых гармоник массового дефекта после балансировки не превышают 30 мкг. Остаточный массовый дисбаланс скорее всего связан с особенностями распределения неуравновешенной массы по всей поверхности оболочки резонатора. Однако его остаточная величина несущественно влияет на характеристики резонатора.В результате балансировки повышается общий уровень добротности, конечная величина разнодобротности составляет в среднем 5%. Выводы к главе 4 Разработан новый метод определения параметров дисбаланса полусферических резонаторов ВТГ, основанный на измерении вибрации ножки резонатора пьезо- или емкостным датчиком при изгибных колебаниях оболочки, а также по реакции волновой картины на внешнюю вибрацию. Впервые разработана техника и методика балансировки полусферических резонаторов ВТГ, использующая ионное распыление неуравновешенной массы, при этом остаточная величина расщепления собственных частот достигает 0.001 Гц, остаточные значения трех первых гармоник массового дефекта не превышают 30 мкг, остаточная величина разнодобротности составляет в среднем 5%.
Для обеспечения функционирования емкостных преобразователей на поверхность полусферического резонатора наносится проводящее металлическое покрытие. Металлизация является финишной операцией изготовления резонаторов и должна быть произведена таким образом, чтобы существенно не ухудшить достигнутые на предыдущих стадиях изготовления характеристики резонатора - добротность, разночастотность, массовый дисбаланс. Решение задачи металлизации предполагает выбор метода нанесения покрытия, поиск оптимальных режимов и материалов, определение методов контроля. Надо отметить, что тонкие металлические пленки по своей природе представляют собой объекты с весьма разнообразными физическими и химическими свойствами, причем характеристики вещества в виде пленки могут существенно отличаться от свойств этих же материалов в массивном состоянии. Исследование структуры и свойств тонких пленок начато свыше 100 лет назад, когда на стенках разрядных трубок были замечены распыленные металлические пленки. К настоящему времени имеется обширная литература по тонким пленкам, посвященная методам и аппаратуре для их нанесения, их структуре и свойствам. Вместе с тем основная проблема, возникающая при изготовлении резонатора ВТГ, нанесение металлического покрытия с малым уровнем внутреннего трения, в литературе практически не обсуждается. В данной главе рассматривается влияние металлического покрытия на характеристики резонатора и ВТГ; особенности нанесения металлических покрытий на полусферическую оболочку, свойства тонких пленок, влияние структуры пленок, их адгезии к подложке, поверхностных адсорбционных слоев на внутреннее трение; рассматриваются методы нанесения металлических покрытий с малой диссипацией.
Рассмотрим прежде всего влияние электрического сопротивления покрытия на характеристики ВТГ и оценим допустимую величину этого сопротивления. Обычно металлизируется вся поверхность полусферического резонатора за исключением его торцевой кромки, которая играет роль изолятора между покрытиями на внешней и внутренней поверхности полусферы. Эти покрытия подключаются к электронному блоку ВТГ через внешнюю и внутреннюю ножки. На рис.5.1 показана электрическая схема подключения резонатора к внешним цепям.
