Пирографитовые сеточные узлы электровакуумных приборов

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 термои 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 2002 г.), 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 2006 г.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2004 г., 2006 г.) — 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, 2006 г.) — на XIII научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника» (Сочи, 2006 г.) — на 5-ой.

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

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 № 2 007 117 999 приоритет от 14.05.2007 г.

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 — 12 010'9с, 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, dдиаметр пятна сфокусированного лазерного излучения, h — толщина заготовки), который соответствует диапазону значений 710'5 <К< 1210'5 (заявка на патент РФ № 2 007 117 999 приоритет от 14.05.2007 г.).

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