Введение к работе
Актуальность темы.
Технический уровень оптико-электронного прибора в определяющей степени зависит от качества входящих в его состав оптических деталей. В свою очередь, качество оптических деталей определяется точностью формы, стабильностью во времени оптических характеристик и способностью длительно противостоять негативным воздействиям среды, в которой эксплуатируется изделие. Применительно к прибору ориентации космического аппарата выполнение таких требований становится еще более значимым в силу автономности его существования.
Оптические свойства применяемых при изготовлении деталей стекол (показатель преломления, коэффициент дисперсии и др.), являются определяющими при выборе марки стекла и достижения наилучших оптических характеристик прибора, минимизации аберраций. Однако, нередко уникальные оптические свойства стекол соседствуют с невысокими технологическими показателями — низкой химической устойчивостью, механической прочностью и т.д. Как правило, это обуславливается химическим составом самого стекла, наличием в нем нестойких стеклообразующих компонентов. К таким стеклам относится стекла боролантановой группы.
Механическая прочность и химическая устойчивость зависит как от стеклообразующих компонентов материала, так и от состояния поверхности оптического стекла, которая формируется на технологических операциях изготовления оптико-электронного прибора. Получение атомарно-гладкой полированной поверхности на боролантановых стеклах с использованием традиционных методов шлифования и полирования, основанных на механическом удалении и химическом растворении поверхности, не позволяет формировать поверхность без нарушенного
слоя. Вследствие этого возникает необходимость в дополнительных методах обработки поверхности для повышения ее устойчивости к воздействию окружающей среды и стабилизации оптических характеристик деталей.
В настоящей работе, с целью повышения надёжности и улучшения, спектральных, химико-механических и технико-эксплутационных характеристик диссектора на базе суперортикони, предлагается осуществлять подготовку входной поверхности оптических деталей оптико-электронных приборов для искусственных спутников земли (ИСЗ) электроннолучевой обработкой (ЭЛО) в вакууме.
Предполагается, что за счет изменения морфологии поверхности (термостимулированное изменение элементного состава, появление новых связей между элементами, удаление нарушенного слоя и остаточных атомов травителей и моющих средств (загрязнений) при нагреве), повысится механическая и химическая устойчивость оптических деталей, кроме того, силы поверхностного натяжения сформируют атомарно-гладкую, бездефектную поверхность.
В этой связи разработка технологического процесса влияющего на параметры оптико-электронных приборов, является актуальной и перспективной.
Целью диссертационной работы являлось: разработка технологических условий применения электронно-лучевой модификации поверхности оптических деталей боролантановой группы для создания оптико-электронных приборов ИСЗ с улучшенными физико-химическими и эксплуатационными свойствами.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
рассмотреть процессы теплового воздействия ленточного электронного луча на поверхность образца из стекла и определить область технологических рекомендаций тепловой обработки боролантанового стекла, оценить условия и длительность формирования поверхности, глубину модификации поверхности стекла и время проведения процесса;
определить физико-химические особенности электроннолучевой обработки боролантанового стекла и влияние условий её проведения на оптические, механические и химические параметры оптических деталей;
разработать и опробовать лабораторный технологический процесс обработки поверхности оптических деталей электронным лучом.
Следует также отметить, что при решении этих задач были выработаны рекомендации для создания промышленного оборудования ЭЛО оптических деталей.
Основные положения, выносимые на защиту:
Термодинамический механизм и трансформации молекулярных связей компонентов поверхности оптических деталей после процесса ЭЛО, описывающие фазовые изменения элементов боролантанового стекла.
Результаты экспериментальных исследований влияния ЭЛО на оптические характеристики стекла.
Экспериментальные зависимости распределения модификаторов в поверхностном слое боролантановых стекол и величины показателя преломления до и после ЭЛО.
Результаты исследования механических и химических характеристик параметров экспериментальных оптических деталей.
5. Технологический процесс ЭЛО поверхности оптических деталей, обеспечивающий высокие эксплуатационные характеристики оптико-электронных приборов ИСЗ по сравнению с типовыми образцами.
Методы исследования. При изучении процесса ЭЛО оптических деталей в теоретической части работы использовалась тепловая модель, позволившая определить распределение температуры в области воздействия ленточного электронного луча, оценить размеры жидкой зоны и степень релаксации поверхности в процессе термокапилярного движения материала. Для исследования реакции образования метабората лантана использовалась программа GAUSSIAN-03. Для экспериментальных исследований использовались оптические, зондовые и аналитические методы изучения поверхности, электронная спектрометрия, а также типовые промышленные методы исследования поверхности оптических деталей.
Научная новизна:
Предложен физико-химический механизм формирования поверхности оптических деталей из боролантанового стекла, за счет термодинамических фазовых превращений, а также изменения состава поверхностного слоя вследствие диффузионных процессов, протекающих во время ЭЛО.
Показано, что при затвердевании расплава после ЭЛО, в результате фазовых перестроек элементного состава, устранения механических дефектов поверхности и образования метаборатов лантана в приповерхностной области образуется модифицированный слой нового состава с реконструированной структурой.
Установлено, что повышение химической устойчивости и механической прочности после ЭЛО обусловлено удалением нарушенной составляющей поверхностной слоя, углеродных загрязнений и образовании оксидов La(B02)j, в области существования жидкой фазы.
Показано, что наблюдаемое увеличение показателя преломления связано с увеличением плотности поверхностного слоя, вызванного фазовой сегрегацией с выделением высокошютньгх кристаллических фаз с высоким содержанием метаборатов лантана
Практическая ценность работы:
Определены технологические особенности ЭЛО оптических деталей из боролантанового стекла марки СТК119 и даны рекомендации по выбору технологических режимов обработки.
Сформулированы требования к технологическому оборудованию ЭЛО оптических деталей приборов ИСЗ.
Разработан технологический процесс ЭЛО входной поверхности оптических деталей, позволяющий обеспечить механическую прочность на 20% выше, а по химической стойкости придать поверхности свойства непятнаемой.
Внедрение результатов работы. Разработанный технологический процесс и результаты исследований ЭЛО боролантанового стекла внедрены и используются на предприятии "Квант" (г. Ростов-на-Дону).
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Всероссийской научно-технической конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» (Воронеж, 2006 г.), IV Ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН. (Ростов на Дону,
2008 г.), XX Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения. (Москва, 2008 г.), Ежегодной научной конференции студентов и аспирантов. (Таганрог, 2008 г.), Международной научно-технической конференции «Микро- и на-нотехнологии в электронике» (Нальчик, 2009 г.).
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.
Объем работы. Диссертация изложена на русском языке и состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы (116 наименований) и приложения. Общий объем диссертации 112 страниц.
