автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Пирографитовые сеточные узлы электровакуумных приборов

На правах рукописи

□03 166051

ТРОФИМОВА Оксана Александровна

ПИРОГРАФИТОВЫЕ СЕТОЧНЫЕ УЗЛЫ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ

Специальность 05 27 02 - Вакуумная и плазменная электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

Сарашв 2007

003166051

Работа выполнена в ГОУ ВГ10 «Саратовский государственный юхнический университеп>

Научный руководи!ель

доктор технических наук, профессор Конюшков Геннадий Владимирович

Официальные оппоненты

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Царев Владислав Алексеевич кандидат физико-математических наук Роговин Владимир Игоревич ФГУП «НЛП «Контакт», г Саратов

Защита состоится «07» декабря 2007 г в V/ ^часов на заседании диссертационного совета Д 212 242 01 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77, ауд 2 !МО

С диссерлацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Автореферат разослан «£9 » октября 2007 г. Ученый секрехарь

диссертационного совета , . г ДимитрюкАА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 изхх)говления 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, H И Григорьев, С H Хотяинцев, М.В Дереновский, С M 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-'Г» исследовалось воздействие лазерного излучения на пиро1рафит с целью изготовления сеточных структур

В 2004 г в ФГУП «Hl111 «Исток» предложили изготовление сеток из пирографита с использованием лазерного излучения лазера на парах меди («Каравелла-1»), при этом использовался узкий диапазон высокочасто гной, 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 претраммой развития вооружения, специальной и военной техники на 200] — 2010 годы

(утверждена Нрезиденюм РФ 23 января 2002 г.), с программой совмесгных исследований и разработок ФГУПП «НПП «Контакт» и СГТУ (2003 г), с программой «Внедрение лазерного технологического процесса изготовления сферических управляющих сеток из пирографита электронно-оптических систем СВЧ-усилшелей» (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;

• разрабохать 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 на 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 - Ю7 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.

3. 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

4. Технологический режим обработки может быть оптимизирован с

fid

помощью критерия К---5 между параметрами лазерного излучения

h

(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 опгической 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 пагент РФ

Внедрение результатов работы.

Изготовлен сеточный узел и? 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,

2006 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 МТТ'2006» (Томск, 2006 г), XIII, XIV научно-1ехнических конференциях «Вакуумная наука и техника» (Сочи, 2006 г, ?007 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,

2007 г)

Публикации. По 1еме 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 состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литера1уры, включающего 102 наименования, акта внедрения Работа изложена на 125 сграни цах, содержит 28 рисунков и 7 таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, приведены положения, раскрывающие научную новизну и практическую ценность, цель и задачи исследований

В первой главе содержится аналитический обзор по современному состоянию вопроса получения сеток и их роли в ЭВП СВЧ-диапазона Было выяснено, что сеточная структура должна иметь высокую прозрачность и вносить минимальные возмущения в электронный поток, обладать высо ким коэффициентом управления, обладать низким коэффициентом то ричной эмиссии Материалы, используемые в настоящее время для изготовления сеток, не всегда отвечают этим требованиям, поэтому применяю! либо конструктивные меры (увеличение теплоотвода с сетки на держатели, применение теневых сеток на катоде и т.д.), либо физико-химические методы - покрытие сетки материалами с высоким интегральным коэффициентом излучения, низким коэффициентом термоэмиссии, например- титаном (Тх), цирконием (2г), карбидом вольфрама

В конце 60-х - начале 70-х годов французская фирма «'I Ьоткоп-СБР» предложила для изготовления электродов электронных ламп, в частности сеток мощных триодов, использовать пиролитический графит

Отмечая исключительные преимущества пирографита и его широкое применение в качестве материала сеток мощных тетродов, следует, однако, сказать, что в настоящее время пока нет сведений об использовании его в качестве материала сеток в ЛБВО и клис фонах Также нет сведений о технологическом процессе изгоювления сеток из пирографита методом лазерной резки Для решения проблемы изготовления мелкоструктурных сеток для ЛБВО, клистронов, клисгродов с низкими термо- и вторично-эмиссионными свойствами предлагается изготавливать сетки из пирографита лазерной обработкой

Пирографит получается из газообразного сырья. Он представляет собой продукт пиролиза углеводородов (метана, гептана), который осаждается на нагретых до 1000 - 2500°С поверхностях формы из техническою графита или керамики. Пирографит обладает высоким значением анизотропии, хорошей тепло- и электропроводностью, высокой механической прочностью

В отличие от металлов при лазерной обработке пирографита на технологические параметры накладываются ограничения, связанные со значительными термическими напряжениями а зоне обработки, которые могут привести к хрупкому разрушению материала

Таким образом, задача будет заключаться в определении технологических режимов лазерного излучения для изготовления мелкоструктурных сферических сеток для ЛБВО, клистронов и клистродов с низкими термо-и вторично-эмиссионными свойствами из пирографита толщиной 150 мкм.

Вторая глава посвящена моделированию влияния основных технологических параметров на процесс резки анизотропных материалов. Анализируются параметры лазерного излучения, влияющие на обработку пирографита.

Сформулирована и решена задача теплопроводности для нагрева круглой пластины из пирографита толщиной h и радиусом R лазерным излучением, сфокусированным в пятно.

Уравнение теплопроводности записано в виде:

dt dtf Т) дг] т)2 д<р

Автор принимает, что физико-механические характеристики материала пластинки не зависят от температуры, и вводит безразмерные переменные 0, tj, t соотношениями:

W0 ' R' R

где 9 - безразмерная температура; т], ^ - безразмерные координаты; t- безразмерное время; &— температура в любой точке пластинки; я=> —-— ко-

с-р

эффициент температуропроводности; X - коэффициент теплопроводности; с — теплоемкость; р - плотность; Wo — некоторая характерная мощность источников тепла

Автор считает, что нижняя поверхность пластинки теплоизолирована, на верхней происходит теплообмен с окружающей средой и граничные условия на каждом участке боковой поверхности одинаковы При этих условиях температура в пластинке не будет зависеть от координаты ф и уравнение теплопроводности (1) примет вид:

= <£L 1Ш.

dt drj1 + т} dij + д£г (3)

В безразмерных параметрах это решение получено с помощью преобразований Лапласа и имеет вид:

= (4)

»Н> n=l V "iy

О)

0 = n = —r = — -t = — -x (2)

■or ' ' D ' S D » n2 > W

b:\\n(t--mt(yil{t~mt0 -A/)]x

2x

где H(t ~Q) = < асимметричная единичная ступенчатая функция,

(»1

vh-o'AvA

где функция 0„t(7],t), описывающая влияние граничного условия на боковой поверхности пластинки на ее температурное поле, имеет вид.

о

^ , \ ' / ч (6)

*-1 О

[l nput>£

'о T0, Л? = Ar, где At и Тц - длительность и период следования К R

импульсов соответственно, I0, J0) К0 - модифицированные функции Бесселя 1-го рода

При выбранных технологических параметрах излучения и толщине обрабатываемых деталей 70 мкм < h < 150 мкм материал можно считать тонким (А «2 -Ja r, в направлении, перпендикулярном поверхности), т.е температуру считаем одинаковой по всей толщине и рассматриваем образование дефектного слоя параллельно поверхности детали

Для проведения расчетов на ПК были разработаны программы в программном пакете инженерных расчетов Malhcad 11 Enterpnse Edition Проведенные расчеты, прежде всего, показали, что для значений отношения

толщины к радиусу ~n ^ ОД, при которых пластинку можно считать тон-к

кой, изменение характера поведения и численных значении функции f, определяющей в зависимости от рассматриваемою граничного условия 1-го рода поведение температуры на боковой поверхности, влияет на характер распределения температуры только в областях, близких к краю пластинки пирографита На температурный процесс, происходящий в ее центре, который в рамках рассматриваемой задачи представляет наибольший интерес, изменение граничных условий на боковой поверхности пирографита существенного влияния не оказывает. Это объясняется локальностью, кратковременностью и высокой интенсивностью нагрева в центре пластинки пирографита, а также тем, что площадь боковой поверхности значительно меньше площади верхней поверхности, на которой происходит

теплообмен с окружающей средой На основании проведенного исследования можно сделать вывод, что на температурный процесс в центре пластинки ггарографига нельзя оказагь влияние путем теплового воздействия с ее боковой поверхносш.

Любой технологический процесс в лазерной обработке определяется

Е

но шкале плотности мощности падающего излучения Ч —-■ Энергоемкость процесса определяется из определения # , для этого необходимо увеличивать энергию Е, или снижать размеры сфокусированного пятна лазерного излучения 4 или снижать длительность импульса лазерного излучения г Расчеты и эксперименты показали, что оптимально изменять длительность импульса лазерного излучения, для этого по результатам расчета построены графики поведения относительной температуры к относительному времени на различных радиальных координатах для различных режимов работы лазера

Качественный вид кривых поведения температуры, основанный на проведенных расчетах, на различных радиальных координатах для различных режимов работы лазера представлен на рис. 1.

п-0.005

/ 'i 0.025 \ р05 /Ч>0 075

ТЙД5

/г 1.О2Х /л=0 075

ол

t о

4=0005 Г

' 11-0025 п-0.05 /ц=0 075

Рис 1 Графики поведения относительной температуры для различных радиальных координат на различных режимах а - для г - 4 мс, б - для х -= 150 мкс, в - для т - 120 не

Из анализа 1рафических результатов можно сделать вывод, что за счет воздействия импульса лазера возникает температурная волна, распространяющаяся от центра к краю пластинки. При этом температура на различных радиальных координатах достшаеа максимального значения в разные момента времени

Из графиков на рис 1 видно, что, изменяя длительность импульса излучения, можно влиять на распределение температурных полей в пиро-

графите. Такой характер температурных полей будет сказываться на остаточных температурных напряжениях в пластинке из пирографита.

Таким образом, использование полученной в данной главе модели позволяет определить методику изучения влияния режимов лазерного излучения на тонкую пластину пирографита.

В третьей главе приводится подробная методика экспериментов, которые проводились на лазерном технологическом оборудовании:

1) установка «Квант-15» с импульсным лазером на ЛИГ X — 1,064 мкм, т = 4 мс;

2) установка на базе «4р222ф2» с импульсным лазером на ЛИГ X — 1,064 мкм, т= 150 мкс;

3) установка на базе «ЛТИ-502» с импульсным лазером с модулированной добротностью на АИГ X — 1,064 мкм, т — 120 не.

Генерационные характеристики лазерного излучения измерялись с помощью прибора ИМО-2Н.

Объекты исследования — плоская пластинка из пирографита марки УПВ-1 диаметром 1,5 см толщиной 150 мкм; сферическая заготовка из пирографита толщиной 150 мкм, стрела прогиба 1,9 мм, диаметр чаши 10 мм.

Размеры отверстий и следов излучения измерялись на микроскопах в поляризованном свете NU(Carl Zeiss), Биолам-М и ММР-2Р.

Методом оптической микроскопии было выявлено наличие колец, концентричных отверстиям в пирографите, со структурой, отличающейся от основного материала.

При воздействии на пирографит лазерного излучения с длительностью импульсов 4 мс (рис. 2, а) наблюдаются два кольца вокруг отверстия. На стороне, обратной падающему излучению на образец, при совместном повышении энергии и плотности мощности конденсировалась сажа.

а б

Рис. 2. Воздействие на образец излучения с: а - т = 4 мс: 1-е кольцо - R1 , 2-е кольцо - R2, радиус сквозного отверстия - R0; б - х - 150 мкс: 1-е кольцо - R1, радиус сквозного отверстия - R0

При воздействии на пирографит лазерного излучения с длительностью импульсов 150 мкс (рис. 2, б) наблюдается одно кольцо. На стороне,

обратной падающему излучению на образец, при совместном повышении энергии и плохности мощности конденсировалась сажа.

При воздействии на пирографит лазерного излучения с длительностью импульсов 120 не кольца и конденсация сажи вокруг зоны сфокусированного лазерного излучения не наблюдались.

Проведены замеры колец от вир1уального центра зоны сфокусированного излучения (R0) Построены зависимости Ri/Ro (Ri - радиус ближнего кольца) и R7/R0 (R2 -- радиус дальнего кольца) при воздействии лазерного излучения с т = 4 мс 01 q, которые показаны на рис 3, а. Зависимость Ri/Ro при воздействии лазерного излучения с т = 150 мкс от q показана на рис. 3, б

-fV". I >уу

i

1 10 И1М1

а

04 Об ОЛ 1Л 1,3 м '.в 1.« 70 32 ¡»4 q*IO* Вт/ом б

Рис 3 а -зависимостиR|/Roи R2/R0 отqприг~4 мс, б - зависимое гь Rj/Ro от q при т - 150 мкс

Анализ зависимости Ri/Ro (рис. 3, б) свидетельствует о наличии оптимума но плотности мощности падающего излучения при q— 1,7 107 Вт/см2, чхо говорит о наиболее близком расположении кольца дефектной зоны к краю отверстия

Для определения оптимизации по плотности мощности была найдена зависимость удельной массы выноса пиро1рафита (туд, г/Дж) от плотности мощности излучения^, Вт/см2), представленная на рис 4

1Я 7.1 q ID Hifcu

Рис 4 Зависимость туд 01 ц

Существует порох овое значение выноса массы пирографита в зависимости от плотности мощности Наличие порогового значения позволяет

оптимизировать параметры лазерного излучения и производить резку пи-рографита в оптимальном режиме.

Исходя из формулы определения плотности мощности Е Р 4 Р

д =-= — а-г- и рис. 4, видно, что для достижения максимума плотности мощности наиболее целесообразно менять длительность импульса г, так как при увеличении энергии падающего излучения выше определенного уровня вынос удельной массы уменьшается из-за экранирования излучения плазменным облаком.

Резка импульсным лазерным излучением происходит наложением единичных отверстий с определенным коэффициентом перекрытия. Соответственно контроль реза напрямую связан контролем единичного отверстия. Расчетные значения диаметра пятна сфокусированного излучения приведены в табл. 1 и 2 с различными хара>.....ристиками оптической фокусирующей системы и для различных значений т.

Таблица 1

Диаметры пятна падающего излучения________

Длительность импульса лазерного излучения т = 4 мс х = 150 мкс х = 120 не

Диаметр пятна излучения, мкм 600 200 100

Таблица 2

Диаметры пятна падающего излучения

с учетом кратности входной линзы телескопа

Длительность импульса лазерного излучения т-Лмс х -150 мкс т= 120 нс

Диаметр пятна излучения, мкм (кратность входной линзы телескопа V-* =2') 300 100 50

Диаметр пятна излучения, мкм 75 25 12,5

(кратность входной линзы телескопа V* = 4*)

Скорость перемещения о определяется произведением радиуса пятна г и частоты повторения импульсов излучения/:

V =г/

Экспериментально показано (рис. 5 - 7), что для соотношения качества и производительности наиболее оптимальна скорость перемещения 1+3 мм/с.

11 ПII

а б в а б в

Рис. 5. Скорость перемещения образца Рис. б. Скорость перемещения образца 3 мм/с: а — увеличение в 100 раз, б - увели- 1 мм/с: а - увеличение в 100 раз, б - увеличение в 200 раз, в - увеличение в 500 раз чение в 200 раз, в - увеличение в 500 раз

Получение сложноконтурных деталей происходит путем обхода по контуру пятном излучения. Эксперименты показали, что оптимальное количество проходов но контуру для пирографита от 3 до 6, в зависимости от характеристик излучения (-с, с1). С целью сх'лаживания неровностей края вырезанного контура рекомендуется проводить обработку с переменной скоростью перемещения.

Рис. 7. Скорость перемещении, образца 2,5 мм/с, последующий обход 2 мм/с: а - увеличение в 100 раз, б ■ - увеличение в 200 раз, в - увеличение в 500 раз

Шероховатость реза определялась на микроскопе NU (Carl Zeiss). Были сделаны замеры параметра Rmax. Исследования показали (рис. 8), что чем выше скорость обработки, тем выше коэффициент шероховатости. Значение Ra при скорости перемещения образца, равной I мм/с, находится в диапазоне от 0,75 до 1 мкм, при коэффициенте перекрытия 0,5.

Рис. 8. Зависимость 1*тах от скорости перемещения заготовки

С целью определения внутренних остаточных напряжений в тонких структурах пирографита, возникающих при лазерной резке на различных режимах, провели рентгенографическое исследование (табл. 3) четырех групп образцов пирографита, для чего использовался рентгеновский аппарат для структурного анализа типа УРС-50И.

Таблица 3

Параметры рентгенограммы Образец в нормальном состоянии Образец с воздействием излучения т=4-1О"3 с Образец с воздействием излучения •и—1,5-10"4С Образец с воздействием излучения т—1,2-10"'с

Угол поворота, ° 32,4° 32,6° 32,7° 32,8°

Интенсивность линий, отн.ед. 194 124 151 189

Ширина линии на половинной высоте, мм 6,9 7,5 7,8 7,2

Сравнивая полученные результат для всех образцов, можно отметить, что у образца с воздействием излучения ст = 120 не наибольшая интенсивность и наименьшая ширина линий на рентгенограмме наиболее приближены к значениям ненапряженного образца, те искажения кристаллической решетки менее существенны по сравнению с образцами с воздействием излучения х ~ 4 мс и х - 150 мке Образец с воздействием излучения с т = 120 не вследствие деформации менее всею подвержен влиянию внутренних напряжений

Таким образом, минимизацию дефектной зоны и остаточных температурных напряжений целесообразно проводить по длительности импульса- в диапазоне плотности мощности, необходимой для испарения пи-рографита, надо выбирать минимальную длительность импульса лазерного излучения

В четвертой главе решается задача разработки технологического процесса изготовления мелкоструктурных сферических сеток ЭВП СВЧ из пирографита толщиной 150 мкм

Ставится задача разработать технические требования к лазерному оборудованию, которое давало бы определенные автором необходимые параметры лазерного излучения

Для изготовления сферических сеток с малой стрелой прогиба можно использовать двухкоординагные системы Для этого необходимо настроить оптическую систему так, чтобы перетяжка была цилиндрической, а угол расхождения излучения — минимальным

Условием получения цилиндрической световой трубки является

где <з?- диаметр пучка на выходе ОКГ; /- расстояние от ОКГ' до фокуса оптической системы, в - угол расхождения пучка излучения

При этом длина Г и диаметр с1' световой трубки определяются соотношениями:

где 0 - угол расхождения, Г - фохсусное расстояние ОФС, В - диаметр апертуры лазерного излучения, в рассматриваемом случае диаметр активного элемента или полевой диафрагмы

Расчетные значения длины и диаметра световой трубки приведены втабл 4

Как было показано в главе 3, оптимальная длительность импульса лазерного излучения при воздействии на пирографит - 70-120 10"9 с, что соответствует параметрам установки на базе «ЛТИ-502» На основании проведенных расчетов молено сделать вывод, что для получения трехмер-

D ' d'<e F,

(8) (9)

ной сетки со стрелой прогиба до 2 мм необходимо использовать диафрагму 2,5 мм, для получения световой трубки 2 мм и диаметра пятна излучения <0,1 мм.

Таблица 4

Расчетные значения длины и диаметра световой трубки

Параметры оптической фокусирующей системы На базе «Квант-15» На базе «4р222ф2» На базе «ЛТИ-502»

О, мм 6,3 6,3 5 с диафрагмой

1 1,5 2 2,5 3

/', мм 1-50 1,6 0,3 1 с диафрагмой

5 1 3 | 2,5 | 2 | 1,6

Р=>100 6,35 0,8 4 с диафрагмой

20 | 13 | 10 [ 8 | 6,6

<!*<, мм 0,2 0,4 0,06 0,1 0,1 0,2

Исходя из табл 4, достижимое значение длины световой трубки составляет до 5 мм, для технологических параметров установки на базе «ЛГИ-502».

Теоретические и экспериментальные исследования показали, что оптимальные рслсимы лазерной резки пирографита не должны превышать определенные значения (табл 5)

Таблица 5

Режимы лазерной резки пирографита_

Параметр Обозначение Диапазон

Энергия, мДж Е 0,1-0,3

Длительность импульса, не т 70-120

Скорость перемещения стола, мм/с » 1-3

Если данные параметры будут превышать допустимые значения, то снизится качество резки (табл. 6)

Таблица 6

Влияние превышения параметров режимов __лазерной резки пирографита

Параметр Обозначение Результат

Энергия, Дж Е Растрескиваемость материала в зоне пятна излучения и микроотслоение

Длительность импульса, не т Возникновение ударных волн в объеме материала и, как следствие, кольца напряжения вокруг отверстия

Скорость перемещения стола, мм/с 1) Большая шероховатость, эффект «почтовой марки»

Была проведена оценка дефектной зоны лазерной обработки при оптимальных параметрах лазерного излучения, относительное отклонение диаметра отверстия о г его среднего значения составило 1,5 мкм при диаметре пятна излучения 50 мкм. Вводя десятикратный запас, можно сказать,

что на расстоянии 15 мкм от края реза (отверстия) нет зоны внутренних напряжений, значит, минимально допустимая ширина перемычки сетки должна быть 30 мкм, при этом отношение ширины перемычки к толщине сетки составляет 1/5. Исходя из требований надежности, соотношение ширины перемычки к толщине пластины должно составлять 1/1.

Технологические режимы оптимизируются по соотношению часто ты следования / и длительности импульсов г лазерного излучения, диаметра пятна с1 сфокусированного лазерного излучения, с учетом толщины к и формы заготовки. Для выбора указанных параметров рекомендуется критерий оптимизации:

К = £1И£

где —\см/с\ — скорость заглубления за импульс; с1-/\см/с] — скорость

прироста по линии реза. Критерий оптимизации К показывает отношение скорости прироста реза по длине к скорости прироста по глубине. Множество экспериментов позволили определить численные границы критерия оптимизации К: 7-10~5 < К < П-10'5. При данных значениях обеспечивается рез пирографита с требуемой шероховатостью, отсутствие внутренних остаточных напряжений, отсутствие колец напряжений.

Разработанный технологический процесс позволяет изготавливать сферические сетки из пирографита (рис. 9) при стреле прогиба, не превышающей длину цилиндрической световой трубки, с использованием двух-координатной системы позиционирования, что значительно удешевляет стоимость оборудования и технологического процесса, в отличие от трех-координатной системы позиционирования.

4. 5.

Рис. 9. Этапы технологического процесса изготовления сферической сетки из пирографита: стрела прогиба 1,9 мм, диаме тр чашки 10 мм, ширина перемычки 300 ± 15 мкм

Повышение степени миниатюризации и снижение массогабарит-ных размеров приборов привели к миниатюризации катодно-сеточных узлов (КСУ). Возникла необходимость создания в новых конструкциях высоконадежных монтажно-сварочных соединений особо тонкостенных деталей из тугоплавких и трудносвариваемых материалов (тантал, молибден, молибдено-медные сплавы, гафний, пирографит и др ). Ужесточение требований к устойчивосга процесса, локализации сварочного ядра, управляемости процесса, полному проплавлению и минимизации деформаций (как от воздействия инструмента, так и от термических напряжений) сделало невозможным использование широко применявшейся ранее электроконтактной сварки Для крепления сеток из пирографита в катодно-сеточном узле электровакуумного прибора предложен метод с использованием лазерной сварки миллисекундной длительное ги импульса.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

На основании комплексных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научная задача, имеющая важное народнохозяйственное значение и заключающаяся в разработке технологического процесса для создания сферических сеток из пирографита, которые позволят улучшить геометрические характеристики потока электронов, создать высококачественные мощные ЛБВ с сеточным управлением и с высокими тактико-техническими характеристиками.

1 Изготовлены мелкоструктурные сферические сетки из пирографита для электровакуумных приборов с сеточным управлением методом лазерной обработки

2 Установлено, что лазерную резку пирографита необходимо проводить в многоимиульсном режиме, интенсивность лазерного излучения 106— 107 Вт/см2, длительность импульса 10 - 120 не, что приводит к превалированию процесса испарения материала над процессами модификации материала, позволяющего получить рез пирографита с минимальными значениями внутренних остаточных напряжений.

3 . Обнаружено методом оптической микроскопии в поляризованном свете, что лазерная обработка пирографита сопровождается возникновением колец напряжений, концентричных обработанному отверстию.

4 Выявлено1 для всех значений плотности мощности падающего излучения при совместном повышении энергии и длительности импульса излучения происходит увеличение радиуса последовательных колец, конденсация сажи на стороне образцов, противоположной падающему излучению, при уменьшении длительности импульса лазерного излучения менее 120 не при плотности мощности выбранного диапазона - 106 - 107 Вт/см2 - происходит уменьшение количества колец и сужение их ширины.

5 Установлены оптимальные режимы лазерной обработки нирогра-

, ,. f т dl „

фита на основании предложенного критерия оптимизации л - —-— (/ -

h

частота следования, г — длительность импульсов лазерною излучения, d -диаметр пятна сфокусированного лазерного излучения, h - толщина заготовки), который соответствует диапазону значений 710~5 <К < 12 10 5 (заявка на патент РФ № 2007117999 приоритет от 14 05 20071 )

6 Рекомендации по выбору технологических режимов лазерного излучения внедрены в НПФ «Прибор-Г» СГТУ

Содержание диссертации изложено в следующих работах

В изданиях, рекомендуемых ВАК

1 Ольховая (Трофимова) О А Лазерная вырезка сешк из пирографита с использованием современных графических пакетов подготовки управляющих программ / А В Кошошин, Г В Кошошков, О А Ольховая (Трофимова), Т.Н. Соколова/ Известия Тульского государственно!« университета 2005 Вып 3.2005 С 311 -314

2 Трофимова О А Формирование отверстий в пиро1рафите излучением лазера на АИГ / О А Трофимова, ГII Соколова, Г В Кошошков // Вестник Саратовского государственного технического университета 2006 №3(14). Вып 1.С 121-128

3 Трофимова О А Сетки электровакуумных приборов СВЧ-диапазона из пирографита и формирование их структуры лазерной размерной обработкой / Т H Соколова, О А Трофимова II Вакуумная техника и технология. 2006 №3. С 227-230

В других изданиях

4 Ольховая (Трофимова) О А Лазерная вырезка сеток из ниролитиче-ского графита для электронно-оптических систем приборов СВЧ диапазона / А В Конюшин, Т H Соколова, О А Ольховая (Трофимова) // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭГ1-2004 материалы Междунар науч-гехн конф Саратов СП У, 2004 С 489-492

5 Трофимова О А Исследование процесса лазерной обработки пиро-1рафита излучением лазера на АИГ / О А. Трофимова, ТII Соколова, А В Конюшин, Г В Конюшков // Третий Самарский ретональпый конкурс-конференция научных работ студентов и молодых исследователей по оптике и лазерной физике сборник конкурсных докладов M ФИАН, 2005 С 47-53

6. Trofimova О A Research of process of laser treatment of pyrographite by the YAG-laser radiation / О A Trofimova, 'I'N Solcolova, AV Konyushin// Proceedings of the 12th International Scientific and Piactical Confercnce of Stu-

dents, Post-gtaduales and Young Scientists- MODERN TECHNIQUE AND TECHNOLOGIES MTT'2006 Tomsk, 2006 P 55 - 57

7 1рофимова OA Остаточные температурные напряжения в теневых сетках ЭВ11 СВЧ из пирографита, возникающие при лазерной вырезке на различных режимах / О А Трофимова, Т Н Соколова, А В Конюшин, С В Бусель // Аюуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2006 материалы Междунар науч -техн конф Саратов СГТУ, 2006 С 459 463

8 Трофимова OA Сетки электровакуумных приборов СВЧ-диапазона из пирохрафша и формирование их структуры лазерной размерной обработкой / Т Н Соколова, О А Трофимова // Вакуумная наука и техника, материалы XIII науч -1ехн конф М МИЭМ, 2006 С 182-186

9 Трофимова О А Лазерная обработка пирографита / О А Трофимова // Быстрозакаленные материалы и покрытия сб трудов 5-й Всерос с междунар участием науч -техн конф М «МАТИ» - РГТУ им К Э Циолковского, 2006 С 311 315

Подписано н нечап, 2? 10 07 Формат 60 х 84 1/16

Бум 1ип Уел кеч л 1,0 Уч-изд л 1,0

Гираж 100 эк; Заказ 367 Бесплатно

Саратовский государснпсниый технический университет 410054, г Саратов, ул Политехническая, 77

Отпечатано >з РИЦ С1 1У, 410054, г Саратов, ул Политехническая, 77

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Материалы, применяемые для изготовления сеток КСУ, и методы их обработки.

1.1 Сетки КСУ, их роль в ЭВП СВЧ диапазона.

1.1.1 Металлические материалы для сеток

ЭВП СВЧ диапазона. Покрытия сеток ЭВП.

1.2 Получение сеток из пирографита.

1.3 Пирографит и его свойства.

1.4 Процессы лазерной резки анизотропных материалов.

1.4.1 Взаимодействие лазерного излучения с конденсированными средами. Влияние поверхностных характеристик материала на процесс формообразования отверстия при поглощении ЛИ.

1.4.2 Изменение глубины и диаметра единичных отверстий в анизотропных материалах при поглощении ЛИ.

Формообразование реза.

1.5 Оборудование, используемое для лазерной резки.

1.6 Выводы.

1.7 Задачи исследований.

Глава 2. Теоретические исследования процесса взаимодействия лазерного излучения с пирографитом.

2.1 Моделирование влияния основных технологических параметров на процесс резки анизотропных материалов.

2.1.1 Механизм образования неровностей края реза.

2.1.2 Сглаживание неровностей края реза.

2.1.3 Процессы, приводящие к разрушающим напряжениям в анизотропных материалах.

2.1.4 Минимизация процессов приводящих к напряжениям в анизотропных материалах.

2.3 Выводы.

Глава 3. Экспериментальные исследования процессов лазерной резки пирографита.

3.1 Материалы, используемые для лазерной резки.

3.2 Лазерно-технологическое оборудование, используемое для лазерной резки сеток.

3.3 Контроль основных параметров формообразования единичного отверстия.

3.4 Контроль основных параметров формообразования реза при наложении единичных отверстий.

3.5 Рентгеноструктурный анализ изменения материала в зоне действия лазерного излучения.

3.6 Выводы.

Глава 4. Разработка оборудования и технологии лазерной резки сеток ЭВП. Метод крепления сетки в КСУ.

4.1 Оптимизация параметров оборудования для лазерной резки сеток ЭВП.

4.2 Разработка технологического процесса лазерной резки сеток ЭВП.

4.3 Метод крепления сетки в КСУ.

4.4 Внедрение результатов в производство.

4.5 Выводы.

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. В ряде изделий промышленной и бытовой техники ЭВП не имеют конкурентов, поэтому в последние годы наметилась тенденция существенного увеличения выпуска ряда типов ЭВП и в первую очередь средних и мощных генераторных ламп и СВЧ-приборов.

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. Материал сеток должен обладать высокой температурой плавления, высокой стойкостью к автоэлектронной эмиссии, катодному распылению и ионной бомбардировке. Чаще других металлов применяют гафний, молибден, вольфрам, медь, никель, сплавы этих металлов. Недостатком их при работе, например, в высоковольтных приборах, является низкая теплопроводность, приводящая к перегреву электродов 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. Дере-новский, С.М. Дьяченко). Однако, как показали экспериментальные исследования (В.И. Шестеркин, Б.С. Правдин, Н.И. Григорьев, D. Demi, G. Lippert, W. Schwartz (Германия), T.B. Elfe, O.G. Koppins, R.R. Willis (США)), электроны в пучке, сформированном пушкой с «теневой» сеткой, имеют большой разброс по углам наклона электронных траекторий к оси пушки. Это связано с тем, что края перемычек теневой сетки вносят возмущения в электронный поток.

Для уменьшения возмущающего действия перемычек «теневой» сетки на структуру электронного потока необходимо уменьшать толщину перемычек «теневой» сетки. Однако уменьшение толщины перемычек «теневой» сетки ухудшает механические свойства и теплоотвод последней.

В конце 60 - начале 70 годов французская фирма "Thomson - CSF" предложила для изготовления электродов электронных ламп, в частности сеток мощных триодов, использовать пирографит. В настоящее время пока нет сведений об использовании его в качестве материала сеток в ЛБВО и клистронах. Это связано с более сложной технологией изготовления мелкоструктурных сеток с высокой прозрачностью 90 - 95 %).

Начало исследований воздействия лазерного излучения на углеродные пленки в Саратове началось в 1983 - 1985 гг. (в работах JI.A. Сурменко, Ю.Д. Самаркина рассмотрено воздействие непрерывного лазерного излучения на углеродные пленки) [1,2].

В 2000 г. в НПФ «Прибор-Т» г. Саратов исследовалось воздействие лазерного излучения на пирографит с целью изготовления сеточных структур [3].

В 2004 г. в ФГУП «НПП «Исток» предложили изготовление сеток из пи-рографита с использованием лазерного излучения лазера на парах меди («Кара-велла-1»), при этом использовался узкий диапазон высокочастотной, коротко-импульсной обработки [4].

Поставлена задача разработки технологического процесса изготовления сеток из пирографита методом лазерной обработки, т.к. в открытой печати публикаций на эту тему не было.

Проводилось исследование с возможностью переноса технологии на любой источник лазерного излучения, т.к. процесс рассматривался в терминах поглощенной плотности мощности излучения.

В данной работе для решения вопроса изготовления мелкоструктурных сеток для ЛБВ, ЛБВО, клистронов и клистродов с низкими термо- и вторичноэмиссионными свойствами, предлагается изготавливать сетки этих приборов из пирографита, с использованием широкой шкалы значений длительности импульса лазерного излучения (от не до мс).

Работа выполнялась в соответствии с Государственной программой развития вооружения, специальной и военной техники на 2001-2010 годы (утверждена Президентом РФ 23 января 2002г.), с программой совместных исследований и разработок ФГУПП «НПП «Контакт» и СГТУ (2003г.), с программой «Внедрение лазерного технологического процесса изготовления сферических управляющих сеток из пирографита электронно-оптических систем СВЧ-усилителей» (2007г.) (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 методов (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 следующие задачи:

1. Определить особенности механизма локального разрушения пирографита импульсным лазерным излучением;

2. Провести теоретические расчеты возникающих температурных полей и экспериментально определить термоупругие напряжения в пирографите при воздействии сфокусированного в пятно лазерного излучения;

3. Провести экспериментальные исследования процессов прошивки отверстий и резки пирографита импульсным излучением для различных плотностей мощности и частоты следования импульсов лазерного излучения;

4. Разработать технологические режимы и провести оптимизацию процессов импульсной лазерной резки пирографита;

5. Изготовить мелкоструктурную сферическую сетку ;

6. 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 теплопередачи. Использована стандартная аппаратура для воздействия на пирографит лазерного излучения и исследования материала (лазерные технологические установки на 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.

1. При лазерной обработке пирографита оптимизация режимов проводится по интенсивности лазерного излучения с учетом многоимпульсного характера обработки (МИО), при котором лазерная обработка проводится с минимальной длительностью и максимально возможной интенсивностью лазерного излучения, что приводит к превалированию 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. Значение внутренних остаточных напряжений необходимо снижать, оптимизируя режим лазерной обработки.

3. 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

6 7 2 диапазона 10 - 10 Вт/см ширина колец резко снижается, количество уменьшается до нуля.

4. Технологический режим обработки может быть оптимизирован с помощью критерия - —~— , между параметрами лазерного излучения (частотой следования / и длительностью импульсов г лазерного излучения, диаметром пятна d сфокусированного лазерного излучения) и толщиной заготовки, который выбирают из соотношения

7-Ю"5 <К< 12-Ю"5.

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 определено 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

6 7 2 менее 120 не при плотности мощности выбранного диапазона 10-10 Вт/см ;

• даны рекомендации по выбору технологических режимов лазерной резки пи-рографита.

Практическая значимость. На основании проведенных исследований разработаны технологические процессы для создания сферических сеток из пиро-графита. Предложенные сетки позволят улучшить геометрические характеристики потока электронов, создать высококачественные мощные ЛБВ с сеточным управлением и с высокими тактико-техническими характеристиками. Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть внедрены при изготовлении сеток из пирографита 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 в 10 раз. Практическая значимость и новизна работы подтверждается принятой и рассмотренной заявкой на патент РФ.

Внедрение результатов работы.

Изготовлен сеточный узел из пирографита марки УПВ-1 методом лазерной обработки. Технологический процесс лазерной резки пирографита внедрен 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 2006г.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Саратов, 2004г., 2006г.); на Первой международной электронной научно-технической конференции «Компьютерные технологии в соединении материалов» 2004 - 2005 (Тула, 2005г); на Второй международной конференции the Second International Conference «Laser Technology in Welding and Materials Processing» (Киев, 2005); на третьем Самарском региональном конкурсе-конференции научных работ студентов и молодых исследователей по оптике и лазерной физике (Самара, 2005г); на XII международной научно-практической конференции the 12th International Scientific and Practical Conference of Students, Post-graduates and Young Scientists «Modern technique and technologies МТТ'2006» (Томск, 2006г.); на XIII научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника» (Сочи, 2006г.); на 5-ой

Всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Быстрозакаленные материалы и покрытия» (Москва, 2006г.); на научно-технической конференции «Электроника и вакуумная техника. Приборы и устройства. Технология. Материалы» (Саратов, 2007г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ (3 статьи в журналах рекомендованных ВАК, 6 статей в научных сборниках), подана и рассмотрена заявка на патент РФ № 2007117999 приоритет от 14.05.2007г.

4.5. Выводы

1. Для изготовления сферической сетки с малой стрелой прогиба можно использовать двухкоординатную систему. Для этого провели расчет афокаль-ной насадки и цилиндрической трубки фокусируемого излучения.

2. Рассчитали значение длины и диаметр световой трубки для работы в двухкоординатной системе. Оптимальная длительность импульса лазерного излучения при воздействии на пирографит - 70 - 12010'9с, что соответствует параметрам установки на базе «ЛТИ-502». Для получения сферической сетки со стрелой прогиба до 2 мм необходимо использовать диафрагму 2,5 мм, для получения световой трубки 2 мм и диаметра пятна излучения <0,1 мм. Достижимое значение длины световой трубки составляет до 5 мм.

3. Провели расчеты температурных ограничений частоты следования импульсов при прошивке отверстий. При воздействии на пирографит лазерного излучения с частотой следования импульсов превышающей предельную, произойдет накопление температурных напряжений в материале и образование дефектной зоны. Для предотвращения этого необходимо использовать частоту меньше предельной частоты следования импульсов лазерного излучения.

4. Определены оптимальные параметры лазерной резки пирографита. Технологические режимы оптимизируются по соотношению частоты следования и длительности импульсов лазерного излучения, диаметра пятна сфокусированного лазерного излучения, с учетом толщины и формы заготовки. При f-r-d этом критерий оптимизации А ~ ^ между оптимизируемыми параметрами и толщиной заготовки выбирают из соотношения 7-10~3 <К< 12-10~5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании комплексных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научная задача, имеющая важное народнохозяйственное значение и заключающаяся в разработке технологического процесса для создания сферических сеток из пирографита, которые позволят улучшить геометрические характеристики потока электронов, создать высококачественные мощные ЛБВ с сеточным управлением и с высокими тактико-техническими характеристиками.

1. Изготовлены мелкоструктурные сферические сетки из пирографита для электровакуумных приборов с сеточным управлением методом лазерной обработки.

2. Установлено, что лазерную резку пирографита необходимо проводить в многоимпульсном режиме, интенсивность лазерного излучения 10б- 107 л

Вт/см , длительность импульса 10 - 120 не, что приводит к превалированию процесса испарения материала над процессами модификации материала, позволяющего получить рез пирографита с минимальными значениями внутренних остаточных напряжений.

3 . Обнаружено методом оптической микроскопии в поляризованном свете, что лазерная обработка пирографита сопровождается возникновением колец напряжений, концентричных обработанному отверстию.

4. Выявлено: для всех значений плотности мощности падающего излучения при совместном повышении энергии и длительности импульса излучения происходит увеличение радиуса последовательных колец, конденсация сажи на стороне образцов, противоположной падающему излучению, при уменьшении длительности импульса лазерного излучения менее 120 не при плотно

6 7 2 сти мощности выбранного диапазона - 10 - 10 Вт/см - происходит уменьшение количества колец и сужение их ширины.

5. Установлены оптимальные режимы лазерной обработки пирограf-T-d фита на основании предложенного критерия оптимизации К = —-— (f И частота следования, г - длительность импульсов лазерного излучения, d -диаметр пятна сфокусированного лазерного излучения, h - толщина заготовки), который соответствует диапазону значений 710'5 <К< 1210'5 (заявка на патент РФ № 2007117999 приоритет от 14.05.2007 г.).

6. Рекомендации по выбору технологических режимов лазерного излучения внедрены в НПФ «Прибор-Т» СГТУ.

1. Доманов М.С. Применение лазера на парах меди для прецизионной обработки / М.С. Доманов, Н.А. Лябин, А.Д. Чурсин, М.А. Казарян // Лазер Информ, №22 (301), ноябрь 2004. - С. 6 - 10.

2. Попов В. XXI век. Электровакуумные лампы? Жизнь продолжается, господа / В. Попов, Н. Ветров, В. Клевцов, Б.Павлов // Электронные компоненты. №3 - 2001,- С. 19 - 22.

3. Козловский М. Современное состояние техники радиопередающих устройств для эфирного телевидения и стереовещания. / М. Козловский // История телевидения. -№10. 2001. - С. 25 - 28.

4. Григорьев Н.И. Электронно-оптические системы с сеточным управлением: Обзоры по электронной технике / Н.И. Григорьев, Б.С. Правдин, В.И. Шестеркин // Сер.1, Электроника СВЧ. М.: ЦНИИ «Электроника», 1987. - Вып.7 (1264). - 71 с.

5. Davis Р.Т. ЕСМ requirements spur development of dual mode TWTs / P.T. Davis//Microwave J. -Vol.10, №10. 1971. - P. 11 - 14.

6. ЛБВ с низковольтным управлением электронным потоком: Обзоры по электронной технике. Сер.1, Электроника СВЧ / А.Д. Ессин, В.М. Курицын, И.А. Шаталин и др. М.: ЦНИИ «Электроника», 1976. - Вып.6 (375). - 66 с.

7. Пат. 2535467 ФРГ, МКИ HOI j 19/04 Verfahren zum Herstellen einer Kathodengitteranordnung fur Leistungsrohren und nach diesem verfahren hergestellte Rohre /D. Demi, G. Lippert, W. Schwarz (ФРГ). №P2535467.0; Заявлено 08.08.75; Опубл. 12.02.77.

8. Пат. 3818260 США, МКИ Н01 j 1/46. Electron gun with masked cathode and non-intercepting control grid / T.B. Elfe, O.G. Koppins, R.R. Willis (США). -№338114; Заявлено 05.03.73; Опубл. 18.06.74.

9. Бабанов Ж.Н. Методы снижения вторичной электронной эмиссии с электродов СВЧ приборов / Ж.Н. Бабанов, Г.Н. Купцов // Обзоры поэлектронной технике. Сер. 1, Электроника СВЧ. М.: ЦНИИ «Электроника», 1986. -Вып.1 (1163). -25с.

10. К вопросу о подавлении термоэлектронной эмиссии с сеток электровакуумных приборов / Ж.Н. Бабанов, В.И. Козлов, В.Б. Авдеев и др. // Электронная техника. Сер.1, Электроника СВЧ. 1980. - Вып.8. -С. 14-17.

11. Цветков В.А. Некоторые особенности применения сеток в триодных пушках для мощных ЛБВ / В.А. Цветков // Техническая электроника и электродинамика: Межвузовский научный сборник. Вып.1. - Саратов: Политех, ин-т. 1976. - С. 13-19.

12. Кузьмина В.Г. Мощные сеточные лампы в США и Западной Европе / В.Г. Кузьмина, И.А. Словохотнова, Г.Н. Гутник // Зарубежная радиоэлектроника-№10 1978 - С. 108 - 111.

13. Жерля П. Новые технические решения при производстве мощных ламп с сеточным управлением и их влияние на работу телевизионных и УВЧ-передатчиков большой мощности / П. Жерля, Ш. Кальфон // ТИИЭР-Т.70, №11 1982 - С.104-116.

14. Forman R. Secondary electron emission properties of conducting surfaces for use in multistage depressed collectors / R. Forman // IEE Trans, on Electron Devices. Vol.ED - 25, №1 - 1978,- P. 69-70.

15. Curren A.M. TWT efficiency enhancement with textured carbon surfaces on copper MDC electrodes / A.M. Curren, R. Ramins // Int. Electron Devices Meet., Washington, D.C., 1985. -P.361-363.

16. Schneider P. Pyrolytic graphite layers for power-tube systems / P. Schneider,

17. K. Balik // Tesla Electronics. Vol.12, № 3 - 1979. - P. 85-87. 25.Smith W.H. Pyrolytic graphite / W.H. Smith, D.H. Leeds // Modern materials.- №7- 1970.-P. 139.

18. Патент 1444519 Великобритания, МКИ с 23 с 11/10. Improvements in or valating to grid electrodes / W.D.R. Rivers, D.M. Wilcox (Великобритания). -№ 34307/74; Заявлено 03.08.74; Опубл. 04.08.76.

19. A.C. 199103 ЧССР, МКИ Н01 j 1/48. Zpusob pokryru korovych soucastib vysoke teplotetani, zviaste z molybdenum, wolframu a tantalum pyroliticum graphitem / P. Hix, P. Shneider, K. Balick (ЧССР). № 8054-77; Заявлено 02.12.77; Опубл. 30.09.82.

20. A.C. 186349 ЧССР, МКИ Н01 j 1/48. Zpuzob pokryvani mrizek / P. Shneider, M. Brabenec (ЧССР). №2138-77; Заявлено 31.03.77; Опубл. 15.11.80.

21. A.C. 224267 ЧССР, МКИ Н01 j 1/46. Mrizka pro vykonove electronky / S. Zizka, K. Balik (ЧССР). № 9295-80; Заявлено 24.12.80; Опубл. 15.12.85.

22. Gerlach P. Neue Forsritte bei Leistungs rohren fur Grossleistungssender / P. Gerlach // Rundfunktechn. Mitteilungen. №4. - 1977. - S. 158 - 161.

23. Gerlach P. Eine neue koaxiale Leistungs tetrodenfamilie fur den VHF und UHF Bereich mit Pyrobloc - Gittern / P. Gerlach, P. Graf // Fernmelde -Praxis. - Bd.53, №4 - 1976. - S. 171-192.

24. Заявка 2276681 Франция, МКИ H01 j 1/46. La grille pour unetube / G. Pierre, B. Gilles; Thomson-CSF (Франция). № 7422686; Заявлено 28.06.74; Опубл. 23,01.76.

25. Патент 2353131 Франция, МКИ Н01 j 19/38. Electrode, notamenteu forte de grille, pour tubes electronique et son procede de fabrication / G. Pierre (Франция). № P2623828.8; Заявлено 25.05.77; Опубл. 23.12.77.

26. Gulnard P. Tubes electroniques de grande peussance pour le chauffage des plasmas / P. Gulnard, P. Palluel // Revue de Physique Applique. Vol.12, №8.- 1977.-P. 1163-170.

27. Заявка 2623828 ФРГ, МКИ HOI j 19/38. Electrode, insbesondere gitterformige Electrode fur Electronenrohren und Verfahren ZU denen Herstellung / K.I. Lehrsmacher, B.L. Hans, S. Horst (ФРГ). №>P.2623828.8; Заявлено 28.05.76; Опубл. 08.12.77.

28. А.с. 1149329 СССР, МКИ HOI j 19/38. Сетчатый электрод для электронного прибора и способ его изготовления / Ю.С. Сергеев, С.М. Шаталов, В.Г. Вильдгрубе и др. (СССР). № 3237651/18-21; Заявлено 13.02.81; Опубл. 07.04.85.

29. Федоров В.Б. Углерод и его взаимодействие с металлами / В.Б.Федоров, М.Х. Шоршоров, Д.К. Хакимова. М.: Металлургия, 1978. - 208с.

30. Gray B.R. High-power tetrodes with pyrolytic graphite grids in switch tube service / B.R. Gray, S.G. Menees // IEEE Conf. Rec. 14-th Pulse Power Modul. Symp., Los Angeles New York, 1980. - P. 56 - 64.

31. Сотникова E.M. Углеграфитовые материалы и способы их соединения с металлами / Е.М. Сотникова, Н.М. Радзимовская // Обзоры по электронной технике. Сер.7. Технология, организация производства и оборудование. - М.: ЦНИИ «Электроника», 1984. - 63с.

32. Свойства конструкционных материалов на основе углерода: справочник / под ред. к.т.н. В.П. Соседова. М.: Металлургия, 1975. - 336 с.

33. Рыкалин Н.Н. Лазерная обработка материалов / Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов, А.Н. Кокора. -М.: Машиностроение, 1975. 296 с.

34. Банас К.М. Лазерная обработка материалов / К.М. Банас, В. Уэбб // ТИИЭР. Т.70, № 6. - 1982. - С.35 - 45.

35. Крылов К.И. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении/ К.И. Крылов, В.Т. Прокопенко, А.С. Митрофанов Л.: Машиностроение, 1978.-88 с.

36. Коэн М.Г. Микрообработка материалов / М.Г. Коэн, Р.А. Каплан, Ю.Г. Артуре // ТИИЭР. Т.70, № 6. - 1982. - С.25-29.

37. Бегунов Б.Н. Теория оптических систем / Б.Н. Бегунов, Н.П. Заказнов. -М.: Машиностроение, 1973. 383 с.

38. Лазеры в технологии / Под редакцией М.Ф.Стельмаха. М.: Энергия, 1975.-216с.

39. Рэди Дж. Действие мощного лазерного излучения: Пер. С англ. / Под ред. С.И.Анисимова М.: Мир, 1974. - 468 с.

40. Топорец А.С. Шероховатость поверхностей / А.С. Топорец // Оптико-механическая промышленность. № 1. - 1979. - С.34-36.

41. Емельянов В.И. Влияние коллективных эффектов на резонанс локального поля при воздействии излучения с шероховатой поверхностью твердого тела / В.И. Емельянов, Е.М. Земсков, В.Н. Семиногов // Поверхность. Физика, химия, механика. № 2. - 1984. - С.38-42.

42. Вивер Л.А. Применение лазеров для размерной обработки и сварки / Л.А. Вивер // В сб. "Применение лазеров" М.: Мир, 1974. - 304 с.

43. Либенсон М.Н. Учет влияния температурной зависимости оптических постоянных металла на характер его нагрева излучением ОКГ / М.Н. Либенсон, Г.С. Романов, Я.А. Имас // ЖТФ. Т.38, № 7. - 1968. - С. 1116-1119.

44. Spirev М. Temperature depedance of absortance in laser damage of metallic mirrors / M. Spirev, E. Loh //J. Appl. Opt. Soc. Amer. 1979. - Vol.69. -P.847 - 858.

45. Wagner R.E. Laser drilling mechanism / R.E. Wagner // J. of Appl/ Phys. -1974. Vol. 45, №10. - P. 4631 - 4637.

46. Длугунович В.А. Измерение отражательной способности диэлектриков / В.А. Длугунович, В.А. Ждановский, В.Н. Снопко // Журнал прикладной спектроскопии. 1975. - Т.23, № 6. - С.969-974.

47. Stegman R.L. Experimental studies of laser supported adsoption waves with 5-ms pulses of 10,6 micron radiation / R.L. Stegman, J.T. Schriempf, L.R. Hottche // J. Appl. Phys. 1973. - Vol.44. - P. 3674-3681.

48. Стельмах М.Ф. Последние достижения в области лазерной технологии / М.Ф. Стельмах // Известия АН СССР. Сер. Физическая. 1980. - Т.44, №8.-С. 1673 - 1676.

49. Алейников B.C. Лазерный технологический модуль на базе излучателя на углекислом газе импульсно-периодического действия / В.С.Алейников,

50. A.Н.Ануфриев, А.Е.Баланин и др. // Электронная промышленность. -1981.-Вып. 5-6.-С. 75-77.

51. Зеленев Н.Ф. Размерная обработка изделий электронной техники / Н.Ф. Зеленев, Е.М. Гусев, А.И. Тимофеев // Электронная промышленность. -1981.-Вып. 5-6.-С. 116-117.

52. Рекламный проспект фирмы "Control Laser Corp.".

53. Установка для лазерной сварки, газолазерной резки и прошивки отверстий "Квант-15" Информация ВДНХ СССР. ЦНИИ "Электроника", 1983. - 2 с.

54. Светолучевой станок с программным управлением 4Р222-Ф2: Проспект / НИИМАШ. М.,Металлообработка-84, 1984. - 4 с.

55. Макухин В.Н. Лазеры в микроэлектронной технологии / В.Н. Макухин,

56. B.А. Савельев // Зарубежная электроника. 1979. - № 3. - С. 75 - 96.

57. Технологические лазеры: справочник, Т. I, II. Под ред. Г.А. Абильсиитова. - М.: Машиностроение, 1991. - 432 с.

58. Забелин A.M. Лазерные технологии машиностроения / A.M. Забелин, Оришич A.M., A.M. Чирков Новосибирск: Новосиб. гос. ун-т. - 2004. -142 с.

59. Золотарев В.М. Оптические постоянные природных и технических сред /

60. B.М. Золотарев, В.Н. Морозов, Е.В. Смирнова Л.: Химия, Ленингр.отд., 1984.-216 с.

61. Новацкий В.И. Вопросы термоупругости / В.И. Новацкий М.: Изд-во АН СССР.- 1962.-364 с.

62. Вейко В.П. Лазерная обработка / В.П. Вейко, М.Н. Либенсон Л.: Лениздат, 1973. - 192 с.

63. Либенсон М.Н. Методы повышения точности лазерной размерной обработки / М.Н. Либенсон, Г.П. Суслов, А.Н. Кокора и др. Л. ЛДНТП,1972.-36 с.

64. Kobayashi A. Drilling of nonmetalls with rubin laser / A. Kobayashi // Bull. Japan. Soc. of Pres. Eng. 1972. - Vol QE-8, №7. - P. 492.

65. Dabby E.W. High-intensity laser-induced expansion of solid materials and correlation with theory / E.W. Dabby, U.C. Pack //IEE/OSA Conference on Laser Engineering and Application, Digest of Technical Papers. New York,1973.-P. 31.

66. Vissez A. Laserstrahlung als Wernzeug ftir die Fertigung / A. Vissez //VDI-7 -1975. -B.117, №11. S. 510-516.

67. Савинич B.C. Влияние формы теплового импульса на испарение пластины / B.C. Савинич // Физика и химия обработки материалов. -1980. № 5. - С.7 -11.

68. Коваленко B.C. Качество обработки микропазов импульсным излучением лазеров / B.C. Коваленко, Л.Ф. Головко, В.В. Романенко // Технология и организация производства. 1979. - № 1. - С.33 - 35.

69. Чеботаревский Ю.В. Об одной задаче теплопроводности для круглой пластинки с импульсными внутренними источниками тепла / Ю.В. Чеботаревский, О.А. Ягубова // Прикладная теория упругости: Межвуз. научн.сб. / СПИ Саратов, 1980. - С. 122 - 127.

70. Чеботаревский Ю.В. Температурное поле в круглой пластинке с линейными внутренними источниками тепла /Ю.В. Чеботаревский, О.А. Ягубова // Механика деформируемых сред: Межвуз. научн.сб. / СГУ -Саратов, 1983. Вып.8. - С. 125 - 132.

71. Ягубова О.А. Температурные поля и напряженно-деформированное состояние круглых пластинок при локальном нагреве импульсными внутренними источниками тепла: дис. . к-та техн. наук: 01.02.03 / Ягубова Ольга Алексеевна. Саратов, 1983.- 210 с.

72. Карслоу Г. Теплопроводность твердых тел / Г.Карслоу, Д. Егер / Перевод под ред. А. А. Померанцева, М.: Наука - 1964 - 487с.

73. Лыков А.В. Теория теплопроводности / А.В. Лыков, М.: Высшая школа, 1967 - 593с.

74. Миркин Л.И. Физические основы обработки материалов лучами лазера / Л.И. Миркин, М.: Издат-во Московского университета, 1975. - 383с.

75. Лехницкий С.Г. Анизотропные пластинки / С.Г. Лехницкий, М.: Гостехиздат, 1957.-463с.

76. Трофимова O.A. Формирование отверстий в пирографите излучением лазера на АИГ / О.А. Трофимова, Т.Н. Соколова, Г.В. Конюшков // Вестник СГТУ, №3(14), Выпуск 1, август: Изд-во СГТУ, 2006г., С. 121 -128.

77. Углов А.А. Теплофизические и гидродинамические явления в процессах лазерной обработки металлов / А.А. Углов // Физика и химия обработки материалов. 1974. - № 5. - С. 7 - 13.

78. Янушкевич В.А. Критерий возможности образования ударных волн при воздействии лазерного излучения на поверхность поглощающих конденсированных сред / В.А. Янушкевич // Физика и химия обработки материалов. 1975. - № 5. - С.9 - 11.

79. Stegman R.L. Experimental studies of laser supported adsoption waves with 5-ms pulses of 10,6 micron radiation / R.L. Stegman, J.T. Schriempf, L.R. Hottche // J. Appl. Phys. 1973. - Vol.44. - P. 3674 - 3681.

80. Спитцер Л. Физика полностью ионизированного газа / Л. Спитцер, М.: Мир, 1965.-216 с.

81. Вейко В.П. Обработка материалов излучением оптических квантовых генераторов / В.П. Вейко, М.Н. Либенсон, ЛДНТП, 1969. - 29с.

82. Соколова Т.Н. Сетки электровакуумных приборов СВЧ-диапазона из пирографита и формирование их структуры лазерной размерной обработкой / Т.Н. Соколова, О.А. Трофимова // Вакуумная техника и технология №3, ВТТ, 2006г., С.227 230.

83. Соколова Т.Н. Лазерная сварка в электронной технике: уч.пособие / Т.Н.

84. Соколова, Е.Л. Сурменко, А.В. Конюшин, О.А. Трофимова Саратов: Изд-во СГТУ, 2007. (в печати).

85. Miram G.V. Convergent electron gun with bonded non-intercepting control grid / G.V. Miram, E.L. Lien // Int. Electron Devices Meet. Washington, D.C., 1978., P. 164- 167.

86. Miram G.V. Convergent electron gun with bonded non-intercepting control grid / G.V. Miram, E.L. Lien // Int. Electron Devices Meet. New York, 1979., P. 290-292. ^^

87. Слуцкая В.В. Тонкие пленки в технике СВЧ М: Госэнергоиздат, 1967.

88. Холлэнд Л. Нанесение тонких пленок в вакууме М: Госэнергоиздат, 1963.

89. По результатам совместных разработок подана 1 заявка на оформление патента РФ № 2007117999 приоритет от 14.05.2007г.

90. Ведущий электроник, к.ф.-м.н.