автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Твердофазное соединение элементов металлокерамических узлов спиральных замедляющих систем ламп бегущей волны

Па правах рукописи

ОРЛОВА Марина Дмитриевна

ТВЕРДОФАЗНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ УЗЛОВ СПИРАЛЬНЫХ ЗАМЕДЛЯЮЩИХ СИСТЕМ ЛАМП БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ

Специальность 05.27.02 — Вакуумная и плазменная электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2014

005558494

005558494

Работа выполнена и Федеральном гоеударстпенном бюджетом образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» и I! Открытом акционерном обществе «Научно-производственное предприятие «Алмаз» (г. Саратов)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Зоркпн Александр Яковлевич

Официальные оппоненты - Якунин Александр Николаевич,

доктор физико-математических наук, ФГБУН «Институт проблем точной механик» и управления РАН» (г. Саратов), старший научный сотрудник, руководитель сектора моделирования физических процессов в наноразмерных структурах в электронном машиностроении • и приборостроении

Мясников Александр Сергеевич, кандидат технических наук, НПЦ-5 ОАО «Радиотехнический институт имени академика А. J1. Минца» (г. Саратов), начальник комплексного отдела разработки СВЧ аппаратуры и се компонентов

Ведущая организация- Саратовский филиал ФГБУН «Институт

радиотехники и электроники имени В.А. Котсльникова РАН»

Защита состоится «24» декабря 2014 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при ФГБОУ В ПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп. 1, ауд. 414.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» и на сайте www.sstu.ru.

Автореферат разослан « 3О » октября 2014 г. Ученый секретарь

диссертационного совета 2 Димитркж A.A.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время большое распространение получили замедляющие системы в виде металлической спирали, закреплённой диэлектрическими опорами, так как они обладают наибольшей широкополосностью. Значительным недостатком ламп бегущей волны со спиральной замедляющей системой является ограничение мощности из-за малой теплорассеивающей способности.

При разработке приборов, работающих в миллиметровом диапазоне, одним из основных требований является увеличение теплорассеивающей способности спиральных замедляющих систем и увеличение мощности.

Большой вклад в развитее конструкции и технологий ЛБВ, в том числе в разработку замедляющих систем, внесли В.П. Сазонов, P.A. Силин, Ю.Н. Пчельников, В. А. Солнцев, A.B. Москвичева, Т.В. Плохих, Н.М. Черняк, М.И. Азов, H.A. Бушуев, Л.Н. Лошаков, G. Fleury, J.C. Kuntzmann, С. Deville, E.D. Maloney и другие.

Наиболее распространенными способами закрепления спирали с опорными стержнями в оболочке являются термообжатие и триангуляция (сборка с натягом). Недостаток этих способов - невозможность обеспечить надежный тепловой и механический контакт спирали и керамических опорных стержней, что приводит к ограничению мощности ламп бегущей волны. В настоящее время улучшение теплоотвода достигается применением высокотеплопроводных и электропроводных материалов и пайкой контактов спирали со стержнями и стержней к оболочке. При изготовлении замедляющей системы лампы бегущей волны пайкой в вакууме припой наносится на спираль. Основной недостаток данного метода - образование галтелей припоя в результате взаимодействия расплавленного припоя с керамикой и необходимость химического травления спирали с припаянными опорными стержнями для удаления следов припоя с поверхности спирали.

Для изготовления некоторых замедляющих систем изготавливают спираль из вольфраморениевой ленты, покрытой медью. Такое покрытие уменьшает высокочастотные потери и, благодаря пластичности меди, спираль и опорные стержни хорошо контактируют в местах соприкосновения. Однако обеспечить высокий теплоотвод от спирали возможно только создав надежный контакт спирали с опорами из керамики, равномерный по всей длине и не оказывающий отрицательного влияния на параметры прибора. Такой контакт можно создать, используя способ твердофазного соединения спирали с опорными стержнями.

Поэтому задача исследования и разработки технологии изготовления высокочастотных пакетов замедляющих систем ламп бегущей волны методом твердофазного соединения спирали и опорных стержней с целью повышения теплорассеваюшей способности ВЧ пакетов представляет большой интерес и является актуальной.

Целью работы является увеличение теплорассеивающей способности замедляющих систем ламп бегущей волны за счет создания твердофазного соединения спирали с керамическими опорами.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать существующие способы увеличения теплорассеивающей способности, технологию изготовления замедляющих систем ламп бегущей волны и особенности твердофазного соединения с созданием давления за счет разности коэффициентов термического расширения элементов оснастки.

2. Исследовать термодинамическую и кинетическую модель образования твердофазного соединения и влияние газовой фазы на качество полученного соединения стержней из керамики на основе оксида бериллия со спиралью с медным покрытием.

3. Исследовать и разработать режим процессов напыления покрытия и твердофазного соединения опорных керамических стержней из керамики на основе оксида бериллия с молибденовой спиралью с медным покрытием.

4. Разработать специальное оборудование, оправку, техпроцессы изготовления и испытаний замедляющих систем и апробировать их в малосерийном производстве.

5. Провести измерения термического сопротивления спиральных замедляющих систем, изготовленных разными методами, в том числе методом твердофазного соединения спирали с опорными керамическими стержнями, и сравнить результаты.

Методы н средства исследований

Для экспериментального исследования применялись методы металлографии, растровой электронной микроскопии,

энергодисперсионный рентгенофлуоресцентный анализ и фазовый рентгеноспектрапьный анализ. Моделирование взаимодействия керамики на основе оксида бериллия с медным покрытием спирали проводилось с использованием методов химической термодинамики и кинетики

Достоверность теоретических положений подтверждена экспериментальными результатами и производственными испытаниями ВЧ-пакетов, изготовленных по разработанной технологии.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Проведение процесса твердофазного соединения молибденовой спирали с медным покрытием и опорных керамических стержней из керамики на основе оксида бериллия, покрытых пленкой углерода, в среде водорода и азота не приводит к образованию карбидов и нитридов бериллия, ухудшающих качество соединения.

2. Процесс образования сложных оксидов при взаимодействии керамики на основе оксида бериллия с медью возможен при относительной влажности технологических газов более 10~'; и температуре более 1200 К и не зависит от активности азота и водорода, а также от

активности углерода, который присутствует на поверхности керамических стержней в качестве поглотителя энергии.

3. Двухстадийное нанесение медного покрытия на молибденовую спираль при температуре подложки 250±10 °С, скорости напыления 0,1±0,01 мкм/мин и температуре отжига спирали с подслоем в водороде 970±10 °С обеспечивает высокую адгезию и равномерность покрытия по всей поверхности спирали.

4. Качественное твердофазное соединение молибденовой спирали с медным покрытием и опорных керамических стержней из керамики на основе оксида бериллия с созданием давления за счет разницы термического коэффициента расширения материалов оправки обеспечивается при выдержке 12-15 мин, температуре 950±10 °С и степени превращения в зоне соединения от 0,4 до 0,5.

5. Тепловое сопротивление высокочастотного пакета, изготовленного с применением твердофазного соединения опорных керамических стержней со спиралью, покрытой медью, снижается в 3 раза по сравнению с высокочастотным пакетом, изготовленным методом термообжатия спирали с опорными керамическими стержнями, что позволяет увеличить мощность прибора.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

1. Исследован процесс образования сложных оксидов, карбидов и нитридов бериллия при взаимодействии бериллиевой керамики с медью при изготовлении замедляющих систем ламп бегущей волны, определены предельные значения влажности технологических газов, при которых образуются данные соединения.

2. Определены режимы получения твердофазного соединения опорных стержней из керамики на основе оксида бериллия и медным покрытием на молибденовой спирали, обеспечивающие необходимые электродинамические параметры, прочность соединения и формоустойчивость ВЧ-пакетов.

3. Проведена идентификация параметров модели твердофазного взаимодействия оксида бериллия с медью, определены энергии активации скорости образования и линейной скорости роста зародышей, а также толщина зоны взаимодействия в зависимости от температуры, угла смачивания фаз и поверхностной энергии.

4. Обнаружено образование новой фазы сложного оксида и рост нитевидных структур диаметром 10-20 нм в зоне соединения оксида бериллия с медью в процессе создания твердофазного соединения спирали с опорными стержнями.

5. Определен парциальный состав газов и паров (СО, С02, Ве О, Ве, Н20) в системе Be-O-C-N-H-Cu в зависимости от температуры и активности компонентов в зоне соединения. Показано, что газовыделение из зоны взаимодействия не лимитирует процесс откачки приборов.

Практическая значимость

- Разработаны режим, технология, оборудование и оснастка для процессов нанесения покрытия на спирали.

- Разработаны режим, технология и оснастка для процесса твердофазного соединения опорных стержней с медным покрытием спирали.

- Высокочастотный пакет, изготовленный методом твердофазного соединения опорных керамических стержней со спиралью, имеет термическое сопротивление в 3 раза ниже по сравнению с высокочастотным пакетом, изготовленным методом термообжатия молибденовой спирали с опорными керамическими стержнями, что позволяет увеличить мощность прибора.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях «Машиностроение - традиции и инновации» (Москва, 2013), «Вакуумная наука и техника» (Гаспра, 2013), «Сварка. Контроль и диагностика» (Екатеринбург, 2013), «Инжиниринг-техно 2014» (Саратов, 2014), «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2014).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ (в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 9 статей в научных сборниках), подана заявка на патент.

Личный вклад автора. Личный вклад автора заключается в постановке целей и задач исследования, разработке методик и моделей исследований, технологии и модернизации оборудования.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 103 наименования, приложения (акт о внедрении результатов в производстве). Работа изложена на 109 страницах, содержит 50 рисунков и 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен аналитический обзор конструкций и технологий изготовления различных типов замедляющих систем (ЗС) ламп бегущей волны. Проанализированы основные способы увеличения теплорассеивающей способности.

В настоящее время для снижения теплосопротивлений спиральных замедляющих систем ЛБВ применяются различные методы изготовления ЗС: метод пайки стержней со спиралью, метод сборки с натягом, металлизация поверхности опорных стержней со стороны, обращенной к оболочке. Выявлены основные недостатки. На основе проведенного анализа предложен новый метод твердофазного соединения опорных стержней из керамики на основе оксида бериллия и медным покрытием на молибденовой спирали, который обеспечит надежный тепловой и

механический контакт спирали с опорными керамическими стержнями, сформулированы задачи исследований.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям. Рассмотрена термодинамическая и кинетическая модели взаимодействия оксида бериллия с медью при образовании твердофазного соединения. Проведена идентификация параметров модели по экспериментальным данным.

Схема взаимодействия бериллиевой керамики (ВеО) с медью при изготовлении замедляющих систем представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Схема взаимодействия керамики с медью 1 - новая фаза, 2 - оксид бериллия, 3 - слой меди, 4 - молибденовая подложка

На поверхность молибденовой спирали нанесен слой меди. При твердофазном соединении керамических стержней с медным покрытием спирали под действием температуры и давления медь диффундирует в бериллиевую керамику, в зоне взаимодействия толщиной 8 образуется новая фаза, предположительно ВеСи02. Степень превращения определяется скоростью образования зародышей новой фазы и линейной скоростью их роста.

Взаимодействие бериллиевой керамики с медью протекает по следующей реакции:

ВеО+Си+ ~ 02—>ВеСи02 (1)

Степень превращения определяется по формуле

I

ек0(Т)1,5,Еаг,Еау,п) = 1-ехр(-(Ьв(ТД,5>Еа2,Еау,п) 3 ^в(Тд,5,Еаг,Еау,п)), (2)

где Ь» и - коэффициенты, которые зависят от толщины зоны взаимодействия 5, температуры Т, угла смачивания © фаз ВеСи02 и ВеО и поверхностного натяжения, энергии активации образования зародышей Еау, энергии активации скорости роста Еа/, времени взаимодействия I, химического сродства реакции (1).

Значения параметров (Еаг - энергии активации скорости роста, кДж/моль; Еау - энергии активации образования зародышей, кДж/моль и 5 - толщины зоны взаимодействия, м) получены при идентификации

параметров с помощью регрессионного анализа экспериментальных данных и нелинейного метода наименьших квадратов.

Экспериментальные значения степени превращения в зоне соединения бериллиевой керамики с медью представлены в табл. 1. Степень превращения определялась по результатам компьютерной обработки изображений зоны взаимодействия.

Таблица 1

Время выдержки, с Степень превращения при Т=1223 К Степень превращения при Т=1273 К

400 0,21 0,41

600 0,32 0,72

800 0,39 0,84

1000 0,52 0,91

Исходная функция, в которой определяются неизвестные параметры, имеет вид (2). Неизвестные параметры определялись с помощью оператора genfit (МасЬСАО) по следующему алгоритму:

1. Определяются частные производные функции (2) по неизвестным параметрам:

е'ко(Т,1,8,Шау0,Е1ау1 ,п) := ^ ? ко(Т ■' -§ ' Е'ауО ■ Е'ау1 >п)

ауО

е"ко(Т,1,5,Кау0,Кау1 ,п) := —--е ко(Т, 1, 8 ,Е1

¿Е1„ -

ауО

,ЕЬ

Е'"ко(Т,1,8,Кау0,Иау1 ,п) := _Ек0(Т,С,8,Е1

ау0,Е1ау[ ,п)

2. Определяется функция, в которой приводится модель взаимодействия и ее частные производные по неизвестным параметрам:

РГО((,Е1а

Ей

ко

ко

Т,1.ЕЯ

"О

•V")

а 2 0 ау1 I)

3. Определяются неизвестные параметры: Еепт(у(0,£01 ,Кауп ,РГО), где уС() - время взаимодействия, (табл. 1); е01 - степень превращения, (табл. 1);

Е|ау - матрица начальных приближений к неизвестным параметрам, ЕЮ - функция, в которой приводится модель взаимодействия и ее частные производные по неизвестным параметрам.

Расчетные значения неизвестных параметров при Т=1223 К рывны:

4.313 х 10

4.045 х 10? ^ 1.944х Ю-5

т.е. Eaz=431 кДж/моль, Eav=405 кДж/моль и 5 = 19 мкм при Т= 1223 К. При увеличении температуры энергия активации увеличивается. Угол смачивания слабо влияет на параметры при л/3<©< nil. При Т= 1273 К неизвестные параметры равны

=

4.668 х 10"

4.106 х 10"

1.377 х 10

т.е. Еаг=467 кДж/моль, Еау=410 кДж/моль и 5 = 14 мкм при Т= 1273 К. При увеличении температуры энергия активации увеличивается.

Расчетные и экспериментальные значения степени превращения в зависимости от времени показаны на рис. 2 при Т= 1223 К и Т= 1273 К.

Активность кислорода принималась равной активности кислорода в трехфазном равновесии реакции 2Си+0.5СЬ=Си20, т.к. на поверхности медного покрытия после контакта с воздухом всегда образуется закись меди.

£klr<l>

Рисунок 2. Зависимость степени превращения в зоне соединения от времени а - при температуре 1223 К, б - при температуре 1273 К ■ ■ ■ - экспериментальные значения,---регрессионная кривая

На образование соединения при взаимодействии оксида бериллия и меди при изготовлении замедляющих систем ламп бегущей волны оказывает влияние состав газовой фазы. Образование хрупких карбидов и нитридов в зоне соединения ухудшает его качество. Рассмотрено взаимодействие бериллиевой керамики, углерода, меди и азота с

образованием бериллия, карбида бериллия, интерметаллида и нитрида бериллия.

Определены зависимости от температуры предельных значений влажности технологических газов для реакций.

С + ВеО = Ве + СО (3)

-С+ВеО=-Ве2С+СО (4)

2 2

С+2Си+ВеО=ВеСи2+СО (5)

ЗВе0+ЗН2=Ве3Ы2+|02 (6)

Предельные значения влажности для реакций (3)-(6) равны

1 1

Р]Н=К1Н; р2Н=К2НаС, РЗН=КЗН; р4Н=К4Н'аЫ'

К 1 1

где К1Н = —-; К2Н =К|Н Кн С2 ; Кзн = Кш • КВе2Си ; К4Н = К1Н • КПе -

кИеО

константы равновесия реакций (3)-(6); К№0, КВе0, КВс2Си, К1)с2м3, К|!с2С -константы равновесия образования из простых веществ Н20, ВеО, Ве2Си, Ве2^, Ве2С.

Зависимость от температуры предельных значений влажности технологических газов для данных реакции приведена на рис. 3. При влажности ниже предельных значений оксид бериллия разлагается по реакциям (3)-(6), а сложные оксиды - по реакции (1).

МГршСП)

1«ё(%н( Л) |<,§(г04н(т-а>.))- 15 1ой(К05„С11)

1оВ(5-11Г6) -2П

- 25

0.« 0.7 0.8 0.9 1 111110 т

Рисунок 3. Зависимость от температуры предельных значений влажности для реакции 1 - реакция (3); 2 - реакция (4); 3 - реакция (5); 4 - реакция (6): 5 - реакция (1); 6 - влажность соответствующая точке росы -70 °С

Разложение ВеО и образование карбида, интерметаллида и нитрида по реакциям (3)-(6) возможно при очень низкой активности кислорода. Такие активности кислорода создаются титановыми и бариевыми

геттерами. Практически возможно образование только сложного оксида по реакции (1), если значения влажности выше кривой 5, рис. 3.

В третьей главе рассмотрены экспериментальные исследования процессов нанесения медного покрытия на спираль и твердофазного соединения опорных керамических стержней из керамики на основе оксида бериллия с молибденовой спиралью с медным покрытием. Описана методика экспериментальных исследований.

Экспериментально определены режим процесса нанесения медного покрытия на молибденовую спираль и режим твердофазного соединения спирали с керамическими опорными стержнями.

Нанесение слоя меди на спирали осуществлялось в модернизированной установке напыления УРМЗ.279.011 методом резистивного напыления. Напыление осуществлялось в два этапа:

1. Напыление подслоя меди толщиной 1 мкм с последующим отжигом в среде водорода при температуре 970±10 °С.

2. Напыление слоя меди толщиной 5 мкм.

Исследование толщины и равномерности нанесения покрытия на спираль проводится методом металлографии с использованием микроскопа Olympus ВХ51 и методом растровой электронной микроскопии рис 4. Визуальный осмотр осуществлялся при помощи микроскопа МБС-9, увеличение х7. Перед заливкой спирали в шлиф на покрытые медью спирали наносили слой никеля, чтобы защитить медный слой от повреждений при шлифовке.

„и

Рисунок 4. Граница медного покрытия с молибденом х 10000 1 - никель, 2 - медное покрытие, 3 - молибден

Качественное медное покрытие на молибденовой спирали получается при температуре отжига подслоя 970±10°С и скорости напыления 0,1 мкм/мин. Такой режим обеспечивает высокую адгезию и равномерность покрытия по всей поверхности спирали.

На шлифах проведена оценка равномерности толщины медного слоя по длине спирали, толщина покрытия на всех образцах по длине подложки

а б

Рисунок 5. Электронное изображение медного покрытия а - медное покрытие при увеличении х 10000, б - медное покрытие при увеличении х 100000

Разработана и оптимизирована конструкция технологической оснастки для нанесения меди на спираль, оправки для сборки и проведения процесса твердофазного соединения спирали с опорными стержнями. Оправка для сдавливания при твердофазном соединении изображена на рис. 6.

(спирали) равномерна и составляет 6±1 мкм. Структура медного покрытия плотная, не содержит нитевидных структур и крупных зерен (рис. 5).

О

Рисунок 6. Оправка для сдавливания при твердофазном соединении спирали

с керамическими стержнями. I - молибденовые кольца, 2 - стержни из нержавеющей стали, 3 - вкладыши, 4 - керамические стержни, 5 - медное покрытие, 6 - спираль

Изготовлены макеты замедляющих систем при различных режимах, и определен оптимальный режим для создания твердофазного соединения при температуре выдержки 950+10 °С и выдержке 12-15 мин.

Прочность макетов, изготовленных с применением данного режима твердофазного соединения, на отрыв не ниже 6-7 МПа. ВЧ-пакеты имеют достаточную механическую прочность и формоустойчивость.

Усилие сжатия при проведении процесса создания твердофазного соединения опорных керамических стержней и молибденовой спирали с медным покрытием обеспечивается за счет разницы термического коэффициентов линейного расширения элементов оправки.

Металлографический анализ места сварки керамических стержней со спиралью (рис 7.) показал отсутствие галтелей в зоне соединения спраль-опорный стержень.

Рисунок 7. Место твердофазного соединения опорных керамических стержней с молибденовой спиралью, покрытой медыо 1 - керамический стержень, 2 - медное покрытие, 3 - молибденовая спираль

Степень превращения в зоне соединения «спираль - покрытие -керамический опорный стержень» исследовалась с помощью металлографического микроскопа Olympus ВХ51, оснащенного программным обеспечением для обработки изображений. При этом элементы структуры поверхности на фотографиях подвергаются статистической обработке по степени черноты элементов и последующей оценке степени превращения (рис. 8). Оценка степени превращения составляет 0,52.

Рисунок 8. Фотографии структуры поверхности зоны взаимодействия по которой оценивалась степень превращения

При замере ширины зоны взаимодействия (рис. 9) получили среднее значение 6е=21 мкм. Экспериментальное значение линейной скорости

с

роста равно Уе = -£-, где ^ =900 с - время выдержки, т. е. ус= 2,3-Ю"8 м/с. (е

Это значение согласуется с результатами теоретических исследований, полученными в главе 2.

а) б)

Рисунок 9. Зона взаимодействия бериллиевой керамики с медью.

а) увеличение 500х, б) увеличение 1000х 1 - бериллиевая керамика, 2 - новая фаза ВеСиСЬ, 3 - медь, 4 - молибденовая спираль

Исследование химического состава зоны соединения проводилось методами рентгенофазового анализа и энергодисперсионного анализа (ЭДА).

После взаимодействия с бериллиевой керамикой и спиралью по результатам рентгенофазового анализа обнаружены включения МоВе?, МоО, ВеО, Мо.

Химический анализ зоны соединения методом ЭДА показал, что: в точках 3 и 10 присутствуют медь, кислород и бериллий (рис. 10), в точке 9, помимо меди и оксида бериллия, обнаружены следы молибдена. В зоне 17, также помимо бериллия, меди и кислорода присутствует молибден.

Рисунок 10. Электронное изображение зоны твердофазного соединения 1 - ВеО, 2 - зона соединения, 3 - молибден

Структура переходной зоны соединения с образовавшейся новой фазой представлена на рис. 11. Виден рост нитевидных кристаллов (структур) в зоне 1,2 а также включения новой фазы в зонах 3. Диаметр нитевидных кристаллов составляет 10-20 нм. Предположительно, это медные кристаллы на подложке из оксида бериллия.

Рисунок 11. РЭМ-изображения поверхностной структуры зоны роста новой фазы.

1,2 - нитевидные структуры, 3 - включения новой фазы

В четвертой главе приведены результаты опытно-промышленной проверки полученных результатов.

По результатам экспериментальных исследований, проведенных в главе 3, разработаны технологии нанесения медного покрытия на спираль из молибдена, сборки ВЧ-пакета и твердофазного соединения.

Результаты измерений термического сопротивления высокочастотных пакетов замедляющих систем представлены на рис. 12. Высокочастотные пакеты изготовлены тремя способами:

- термообжатие по действующей технологии изготовления (спираль из молибдена);

- термообжатие по действующей технологии изготовления (на поверхность спирали из молибдена нанесено медное покрытие);

-твердофазное соединение керамических опор с медным покрытием, полученным на спирали перед термообжатием в оболочку.

В результате проведенных измерений термического сопротивления установлено, что наиболее низкое термическое сопротивление (т.е. наиболее высокая теплорассеивающая способность) у макетов, изготовленных с применением твердофазного соединения спирали и опорных керамических стержней. Термосопротивление в 3 раза ниже, чем у макетов, изготовленных методом термообжатия.

Для замедляющей системы лампы бегущей волны был изготовлен макет с твердофазным соединением и проведен замер коэффициента стоячей волны (КСВ), результат соответствует норме.

2 ----!а

О ----

0 2 4 в 8 10 12 14 18 20

и- I

I I

В

Рисунок 12. Зависимость величины термическог о сопротивления от мощности высаживаемой на спирали, а-для пакетов -замедляющих систем, изготовленных термообжатием, б - для пакетов замедляющих систем, изготовленных термообжатием спирали с медным покрытием, в - для пакетов замедляющих систем, изготовленных с применением твердофазного соединения керамических опор с медным покрытием на спирали перед термообжатием в оболочку

Заключение н основные выводы по работе

В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача по увеличению теплоотвода от спирали замедляющей системы путем создания твердофазного соединения опорных стержней из керамики на основе оксида бериллия с молибденовой спиралью с медным покрытием, обеспечивающего высокую прочность, формоустойчивость и снижение термосопротивления ВЧ-пакета в 3 раза, что позволяет увеличить мощность прибора.

1. Основной причиной низкой теплорассеивающей способности спиральных замедляющих систем является недостаточный тепловой контакт спирали с опорными стержнями. Улучшить теплоотвод можно

применением твердофазного соединения, которое обеспечит равномерный по всей длине надежный тепловой контакт.

2. Качественное твердофазное соединение молибденовой спирали, покрытой медью, с опорными стержнями из керамики на основе оксида бериллия получено при температуре 950±10 °С, и выдержке 12-15 мин. Макеты замедляющей системы, полученный при данном режиме, обладают достаточной механической прочностью, формоустойчивостью, коэффициент стоячей волны соответствует норме

3. Медный слой, напыленный на спираль, является местом роста новой фазы. Перед процессом твердофазного соединения медный слой имеет плотную, однородную структуру. После взаимодействия с бериллиевой керамикой и спиралью по результатам рентгенофазового анализа обнаружены включения МоВе2, МоО, ВеО, Мо. На электронных изображениях, полученных при проведении электронной микроскопии, обнаружено образование кристаллов новой фазы и нитевидных кристаллов(структур).

4. Измерения термосопротивления макетов замедляющих систем, изготовленных с применением твердофазного соединения молибденовой спирали, покрытой медью, с опорными стержнями из керамики, показали существенное снижение термического сопротивления с 6 К/Вт до 2 К/Вт. Термообжатие спирали, покрытой медью, без применения твердофазного соединения позволяет получить термическое сопротивление 4 К/Вт.

5. Проведена идентификация параметров модели твердофазного взаимодействия оксида бериллия с медью. Определены энергии активации скорости образования и линейной скорости роста зародышей, а также толщина зоны взаимодействия в зависимости от температуры, угла смачивания фаз и поверхностной энергии.

6. Обнаружены образование новой фазы и рост нитевидных структур диаметром 10-20 нм в зоне соединения оксида бериллия с медью в процессе создания твердофазного соединения спирали с опорными стержнями.

7. Определен парциальный состав газов и паров (СО, С02, Ве О, Ве, Н20) в системе Ве-О-С-И-Н-Си в зависимости от температуры и активности компонентов в зоне соединения. Показано, что газовыделение из зоны взаимодействия не лимитирует процесс откачки приборов.

Содержание диссертации изложено в следующих работах:

В изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

1. Орлова М.Д. Диффузионная сварка спиральных замедляющих систем/ М.Д. Орлова, Г.В., Конюшков, А.Я. Зоркин // Сварка и диагностика: Научно-технический и производственный журнал по сварке, контролю и диагностике. 2013. № 3. С. 16-18.

2. Орлова М.Д. Изготовление спиральных замедляющих систем с применением диффузионной сварки / М.Д. Орлова, Н.И Бабкова,

С.M. Лисовский // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2013. № 5. С. 50-52.

3. Орлова М.Д. Твердофазное соединение узлов металлокерамических спиральных замедляющих систем / М.Д. Орлова, А.Я. Зоркин, Н.И. Бабкова // Вестник СГТУ. 2014. № 2. С. 48-57.

В других изданиях

4. Орлова М.Д. Фазовые реакции при взаимодействии бериллиевой керамики с I Зоркин А.Я., Орлова М.Д., Муженский A.A., Логинов Д.А. // Машиностроение - традиции и инновации: Всерос. с междунар. участием науч.-техн. конф. М.: МГТУ «Станкин», 2013. С. 98-100.

5. Орлова М.Д. Вакуумное термическое напыление меди на спирали для замедляющих систем и диффузионная сварка спиралей с керамическими стержнями / В.Е. Фарфоровский; М.Д. Орлова; Г.В. Конюшков // Вакуумная наука и технология: материалы шестой Рос. студенческой науч.-техн. конф. Казань: Изд-во КНИТУ, 2013. С. 148-149.

6. Орлова М.Д. Влияние состава газовой фазы на взаимодействие оксида бериллия с медью / М.Д Орлова, А.Я. Зоркин, C.B. Семенов // Вакуумная наука и техника: материалы XX юбилейной науч.-техн. конф. с участием зарубежных специалистов. Москва, сентябрь 2013 г. М., 2013. С. 37-40.

7. Орлова М.Д. Взаимодействие оксида бериллия с медью при диффузионной сварке замедляющих систем / М.Д Орлова, А.Я. Зоркин, С.М. Лисовский // Вакуумная наука и техника: материалы XX юбилейной науч.-техн. конф. с участием зарубежных специалистов, Москва, сентябрь 2013 г. М., 2013. С. 51-54.

8. Орлова М.Д. Твердофазное взаимодействие бериллиевой керамики с металлами при изготовлении замедляющих систем ламп бегущей волны миллиметрового диапазона / Зоркин А.Я., Орлова М.Д., Логинов Д.А., Муженский A.A. // Современные материалы, техника и технология: материалы 3-й Междунар. науч.-практ. конф.: в 3 т. г. Курск, дек. 2013 г., Курск, 2013. Т. 1. С. 137-142.

9. Орлова М.Д. Диффузионная сварка спиральных замедляющих систем / Зоркин А.Я., Орлова М.Д., Муженский A.A., Логинов Д.А. // Сварка и диагностика: сб. докл. НТК. Екатеринбург, 2013. С. 61-65.

10. Орлова М.Д. Твердофазное соединение спирали и опорных стержней из керамики за счет разницы термического коэффициента линейного расширения элементов оправки / М. Д. Орлова, Н. И. Бабкова, А. Я. Зоркин II Инжиниринг Техно 2014: сб. тр. II Междунар. науч.-практ. конф., г. Саратов, июнь-июль 2014 г. Саратов, 2014. Т. 1. С. 146-150.

11. Орлова М.Д. Термодинамические модели твердофазного взаимодействия металлокерамических элементов спиральной замедляющей системы / М.Д. Орлова, А.Я. Зоркин, Н.И. Перевозников // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы

Мсждунар. науч.-тсхи. конф.: в 2 т. г. Саратов, 25 сентября 2014 г. Саратов, 2014. Т. 2. С. 442-448.

12. Орлова М.Д. Термическое сопротивление спиральных замедляющих систем изготовленных методом твердофазного соединения мсталлоксрамичсских элементов / М.Д. Орлова, Л. Я. Зоркин, A.B. Перекрестов, Н.И. Бабкова // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Мсждунар. науч.-техн. конф.: в 2 т. г. Саратов, 25 сентября 2014 г. Саратов, 2014. Т. 2. С. 434-441.

Патенты

13. Способ изготовления спиральных замедляющих систем. Заявка № 2014137085 от 12.09.14. М.Д. Орлова, А.Я. Зоркин, Н.И. Бабкова.

Подписано в печать 23.10.14 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл.-печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 154 Бесплатно Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел. 24-95-70, 99-87-39. Е-таМ: ¡гсМйЬаи.ги