Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
1 На правах рукописи
ПОПУГАЕВ Андрей Борисович
СТРУКТУРНАЯ ОДНОРОДНОСТЬ МИКРОКАНАЛЬНЫХ ПЛАСТИН И ПУТИ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ
Специальность 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Нальчик - 2012 г.
Работа выполнена на кафедре Электронные приборы и устройства СевероКавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета) Научный руководитель Доктор технических наук, профессор Кулов Сослан Кубадиевич
Официальные оппоненты: Созаев Виктор Адыгеевич доктор физико-математических наук, профессор, Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет), заведующий кафедрой физики Гордиенко Юрий Николаевич кандидат физико-математических наук, ОАО НПО Геофизика НВ, г. Москва, технический директор.
Ведущая организация: ЗАО Экран - оптические системы г. Новосибирск.
Защита диссертации состоится л29 мая 2012 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.076.08 Кабардино-Балкарского государственного университета им Х.М. Бербекова по адресу: 360004, Кабардино-Балкарская республика, г. Нальчик, ул.Чернышевского, д. 173, КБГУ.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кабардино-Балкарского государственного университета им Х.М. Бербекова
Автореферат разослан л28 мая 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Молоканов Олег Артемович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Микроканальные пластины (МКП) - компактные стеклянные вакуумные многоканальные вторично-электронные преобразователи и усилители организованных в пространстве потоков заряженных частиц и излучений. МКП находят все возрастающее применение в науке, технике, производстве, управлении, медицине, экологии, информационных технологиях.
Основное применение МКП связанно с электронно-оптическими преобразователями (ЭОП) для приборов ночного видения (ПНВ), где МКП выполняет функцию усиления электронных изображений.
МКП являются особо сложными изделиями электронной техники, технология их производства - сложный, прецизионный процесс. Во всем мире только отдельные высокоразвитые в области высоких технологий государства производят МКП, качество которых удовлетворяет требованиям современной техники ночного видения.
С каждым годом выдвигаются новые, более жесткие требования к качеству ЭОП и, как следствие, к основной его части - МКП. Прежде всего это касается качества электронного изображения, разрешающей способности, фактора шума, газовыделения пластины, устойчивости и стабильности ее характеристик в процессе изготовления, хранения и эксплуатации прибора применения.
Изготовление современных качественных МКП, отвечающих новым требованиям, ставит ряд серьезных технологических задач. Главной из которых является обеспечение структурной однородности МКП.
Изучение закономерностей формирования структуры в технологическом методе изготовления МКП, структурного фактора качества МКП, обоснование путей и методов совершенствования структурной однородности является актуальной задачей и необходимым условием развития изделий класса МКП в целях прогресса современной техники ночного видения.
Объект исследования. Современные микроканальные пластины для техники ночного видения.
Предмет исследования. Структура МКП, технология ее формирования и влияние на выходные характеристики МКП.
Цель диссертации. Обоснование путей и методов повышения структурной однородности МКП, оптимизация структурного фактора качества МКП.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
- установление особенностей и закономерностей формирования структуры в технологическом процессе изготовления МКП;
- диагностика и классификация структурных дефектов МКП;
- рассмотрение факторов и механизмов образования структурных дефектов МКП;
- определение влияния основных технологических факторов на структурную однородность МКП;
- разработка методов улучшения структурной однородности МКП.
Методы исследования: физический, промышленный, пассивный и активный эксперимент, физико-техническая локальная и интегральная диагностика, статистический анализ, разработка и анализ физико-математических и экспериментально-статистических моделей.
Научная новизна:
1. Сформулированы и обоснованы представления о структурной однородности системы каналов МКП, учитывающие геометрический, физикохимический и функциональный аспекты. Этот подход применим не только к МКП, но и другим жестким многоканальным системам (волоконно-оптическим и метало-волоконным пластинам), имеющим схожую технологию формирования структуры.
2. Разработана математическая модель для оценки усиления деформированного канала в рамках шаговой теории усиления.
3. Установлены закономерности возникновения закручивания многожильных световодов (МЖС) в процессе вытяжки. Предложены, опробованы и внедрены способы устранения данного явления.
4. Разработаны и защищены патентами Российской Федерации способ изготовления микроканальной пластины и устройство для его осуществления.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
1. Работа проводилась в связи с необходимостью разработки и промышленного освоения высокоразрешающих мелкоструктурных МКП с повышенным уровнем параметров для техники ночного видения новых поколений и в соответствии с Соглашением №02.120.11.1998 об условиях предоставления и использования гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущих научных школ Российской Федерации НШ-1998.2006.8 от 15.06.2006 г.
2. Результаты работы непосредственно использованы при проведении НИОКР и освоения производства новейших МКП Владикавказского технологического центра Баспик МКПО 18-8, МКПО 25-8, МКПО 18-6, МКПО 18-5, которые идут на комплектацию микроканальных ЭОП ряда организаций Российской Федерации (ОАО Катод, ОАО Экран-ОС г. Новосибирск, ОАО НПО Геофизика-НВ, ООО МЭЛЗ-ЭВП г. Москва).
Основные положения, диссертационного исследования 1. Представления о структурной однородности системы каналов МКП, включающие три взаимосвязанных аспекта: физико-химический, геометрический и конструктивный, рассматриваемые в отношении и взаимосвязи с функциональными и эксплуатационными характеристиками МКП.
2. Структурная однородность МКП детерминирована принятым базовым технологическим методом изготовления, характеристиками применяемых рабочих стекол, операциями изготовления одножильных и многожильных световодов, сборкой и спеканием микроканального блока.
3. Выводы из математической модели усиления деформированного канала.
4. Форма боковых поверхностей многожильных световодов оказывает существенное влияние на геометрический аспект структурной однородности.
5. Высокая вязкость рабочего стекла жилы является необходимым, но недостаточным условием для исключения деформации каналов по границам и в углах спекания МЖС. Достаточным условием является отсутствие сдвигов структуры - гексагональная упаковка каналов по границам сочленяемых МЖС.
6. Пути совершенствования структурной однородности связаны с реализацией принципов самоорганизации, что достигается сглаживанием микрорельефа граней МЖС, устранением закручивания МЖС и радиальным спеканием блока.
Обоснованность и достоверность Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных средств и методик проведения исследований. В работе использован большой объем экспериментальных данных, на основании статистической обработки которых получены новые знания о процессе формирования структуры МКП. Обоснованность полученных данных подтверждается практической апробацией результатов диссертационной работы, которые защищены патентами Российской Федерации, обсуждены на научно-технических конференциях и опубликованы в научных журналах.
ичное участие автора в получении научных результатов изложенных в диссертации Личное участие в получении результатов, изложенных в диссертации, заключается в следующем:
- систематизация и классификация структурных дефектов;
- вклад в разработку методики регистрации микропористости;
- разработка методики контроля, определения факторов, предложение методов и их реализация по устранению закручивания МЖС;
- построение модели усиления деформированного канала;
- получение экспериментально-статистических моделей влияния режимов спекания на параметры МКП;
- вклад в разработку способа изготовления микроканальной пластины и устройства для его осуществления, защищенного патентом Российской федерации №2177187;
- вклад в разработку устройства для изготовления микроканальной пластины, защищенное патентом Российской Федерации №2173905.
Апробация работы Основные положения и результаты работы были представлены и обсуждены на научно-технической конференции "Вакуумная электроника на Северном Кавказе" (Нальчик, 2001 г.), IV международной конференции "Химия твердого тела и современные миро- и нанотехнологии." (Кисловодск, 2004 г.), международной научно-технической конференции " Микро- и нанотехнологии и фотоэлектроника " (Нальчик, 2008 г.), международной научно-технической конференции " Микро- и нанотехнологии в электронике "(Нальчик, 2009 г.).
Публикации. По теме диссертации имеется 13 публикаций, в том числе 2 публикации в рецензируемых изданиях рекомендованных ВАК и 2 патента на изобретение.
Структура и объем диссертации Работа состоит из введения, четырех глав основной части, заключения, библиографии насчитывающей 104 источника. Общий объем диссертации 1страницы, в том числе 46 рисунков и 27 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во Введении обоснована актуальность темы, поставлена цель исследования, обоснованы и сформулированы задачи исследования, указаны научные и практические результаты, выведены основные положения, выносимые на защиту, обоснованность и достоверность, личное участие автора в получении научных результатов изложенных в диссертации.
В первой главе проводится обзор литературы, рассматриваются конструкция и принцип действия МКП, базовый технологический метод изготовления МКП, представлен анализ требований к качеству МКП исходя из условий применения в составе ЭОП.
Конструкция МКП применяющихся в составе современных ЭОП представляет собой стеклянный диск диаметром D, толщиной l, состоящий из микроканальной вставки (МКВ) и монолитного обрамления (МО), как показано на рисунке 1. МКВ состоит из большого количества (~1000 шт.) микроканальных сот (МКС) уложенных в форму неправильного симметричного двенадцатиугольника. Каждая МКС, в свою очередь, состоит из 5000Ч6000 упорядоченно расположенных круглых каналов, образующих гексагональную структуру. Параметрами гексагональной структуры являются: диаметр канала d, толщина стенки между каналами , шаг структуры h = d + и прозрачность = 0,9065(d/h)2. В силу гексагонального расположения каналов, расстояние между их центрами, в любом направлении равно шагу структуры h. Диаметр каналов современных МКП составляет величину порядка 8Ч5 мкм, толщина стенки порядка 1,5Ч1 мкм и, соответственно, шаг структуры 9,5Ч6 мкм, прозрачность - 60 %.
Рис. 1. Конструкция МКП в монолитном обрамлении Как правило, применение МКП связано с ЭОП для ПНВ, где пластина выполняет функцию усиления электронных изображений. Конструкция современного бипланарного ЭОП с МКП и принцип его действия пояснены на рисунке 2.
Исходное изображение объекта (пространственное распределение освещенности) фокусируется на фотокатоде, который, за счет фотоэффекта эмитирует электроны и создает соответствующее электронное изображение объекта - j0(x, y) пространственно распределенную плотность тока.
Рис. 2. Конструкция ЭОП и принцип действия МКП. 1 - входная ВОП; 2 - фотокатод; 3 - МКП; 4 - экран; 5 - выходная ВОП-твистор Качество МКП определяется степенью соответствия ее характеристик требованиям применения. Исходя из условий применения в ЭОП, требования к МКП можно разделить на три группы: а) функциональные; б) конструктивные;
в) эксплуатационные.
Анализ функциональных требований выполнен на основе шаговой модели усиления. Показано, что основной задачей технологии производства МКП является не обеспечение определенного уровня интегральных характеристик, а обеспечение высокой степени их идентичности для всей совокупности каналов, изготовленных в большом количестве, обладающих одинаковыми характеристиками усиления.
Анализ конструктивных требований показал, что конструкция МКП должна обладать определенным запасом прочности, в ней не должно быть локализации механических напряжений даже с учетом изменения свойств отдельных элементов конструкции.
С точки зрения эксплуатации МКП, она должна состоять только из однородного, сверхчистого, высоковакуумного материала вторично-эмиссионных эмиттеров, не теряющего своих свойств в процессе изготовления и эксплуатации прибора применения.
В различных литературных источниках, посвященных проблематике МКП, можно встретить неоднократно встречающийся термин структура МКП. Как правило, под данным термином, понимается геометрическая структура МКП - геометрические параметры каналов и их взаимное расположение.
В настоящей работе, основываясь на проведенных исследованиях, пересмотрено и несколько расширено данное понятие.
Структура МКП - сложное комплексное понятие, включающее характеристики структурных элементов, рассматриваемые в трех аспектах: геометрическом, физико-химическом и конструктивном. Учитывая особенности и существенность их влияния на характеристики МКП, связанные с ее функциональным назначением.
Опираясь на представление структуры МКП, дано понятие структурной однородности МКП.
Структурная однородность МКП - оптимальное сочетание совершенства и однородности геометрической структуры, физико-химических свойств, конструктивных параметров, которое в конечном итоге выражается в совершенстве характеристик МКП.
Из изложенного в первой главе следует вывод: структурная однородность оказывает существенное, а в ряде случаев решающее влияние на основные функциональные характеристики МКП: пространственное разрешение, чистоту поля зрения, временные и структурные шумы, характеристики надежности и стойкости. Улучшение качества изготавливаемых МКП зависит в первую очередь от повышения их структурной однородности.
Во второй главе проводится классификация дефектов структуры МКП и определяются факторы структурной однородности.
Понятие структурного дефекта, основано на представлении структурной однородности МКП, которая определяется в трех основных аспектах - геометрическом, физико-химическом и конструктивном. Следовательно, данные аспекты целесообразно рассматривать как первый уровень деления при классификации дефектов структуры МКП. Целесообразность такого подхода выражается еще и в том, что для наблюдения и изучения различных аспектов структурной однородности требуется применение различных методов.
По результатам проведенных наблюдений и измерений была составлена классификация дефектов структурной однородности. Учитывая их большое количество, проведена дискриминация для определения приоритетных направлений проведения работы. В результате намечены следующие направления:
1. Деформация каналов по границам и в углах спекания МЖС 2. Физико-химические различия пограничных и внутренних каналов МЖС и их влияния на характеристики МКП.
Проведен анализ технологического процесса изготовления МКП. Было показано, что формирование структуры, а, следовательно, и структурной однородности заканчивается на этапе изготовления микроканального блока. На операциях механической обработки пластине придается конструктивный облик, но ее структура остается неизменной. На остальных операциях техпроцесса она проявляется (вытравливание жилы), модифицируется (восстановления) и металлизируется. В результате проведенного анализа технологических факторов этапа формирования структуры, составлена причинно-следственная диаграмма.
Основными факторами, влияющими на структурную однородность МКП, являются следующие:
- параметры и характеристики рабочих стекол;
- режимы и параметры изготовления МЖС;
- технология сборки блока;
- технология, режимы и параметры спекания блока.
Из содержания второй главы следует вывод: структурная однородность МКП детерминирована принятым базовым технологическим процессом изготовления, а также характеристиками применяемых рабочих стекол.
Третья глава посвящена исследованию факторов структурной однородности МКП.
Фактор рабочих стекол рассматривается исходя из трех аспектов структурной однородности: геометрического, физико-химического и конструктивного.
В отечественной технологии изготовления МКП используется три рабочих стекла:
- С87-2 (6Ва4) - основное рабочее свинцово-силикатное стекло;
- С78-5 (Х-230) - вспомогательное боратное стекло удаляемой жилы;
- С78-4 (МО-34) - свинцово-силикатное стекло МО.
Основные параметры стекол приведены в табл. 1.
Таблица Параметры стекол Параметр Стекло С87-2 С78-5 С78-Плотность d, г/см2 3,84 2,56 - ТКЛР при 20Ц300 С , 10Ц7 СЦ1 922 791,5 78Tg (lg=13,2п.), С 4455 5005 410400 460 3Tsp (lg=14,5п.), С 450 510 4Tap (lg=13,0п.),С 495 570 4Tнд (lg=11,5 п.), С Вязкость при Т=600 С 600, п 1,2108 1,5108 21Вязкость при Т=580 С 580, п 7108 2109 71При рассмотрении влияния фактора рабочих стекол на геометрический аспект структурной однородности прежде всего определялось влияние на деформацию каналов по границам и в углах спекания МКС. Данный дефект является отличительной особенностью отечественных пластин. У иностранных МКП, он либо отсутствует, либо выражен намного слабее. Таким образом, наличие данного дефекта ставит отечественные МКП в невыгодное положение на мировом рынке.
Для объяснения такого положения были выдвинуты следующие гипотезы, о том, что у иностранных изготовителей: а) иные рабочие стекла; б) другая, более совершенная технология формирования структуры; в) иные рабочие стекла и более совершенная технология формирования структуры.
С целью определения верности выдвинутых гипотез, были изготовлены МКП, по существующей технологии, из МЖС изготовленных из иностранных рабочих стекол. В результате проведенной работы была подтверждена гипотеза об иных характеристиках рабочих стекол и более совершенной технологии формирования структуры. Более тщательный анализ полученных результатов и обзор литературных данных, позволил определить два главных условия формирования качественной геометрической структуры без деформации каналов:
- вязкость стекла жилы должна быть более 13-й степени Пуаз при температуре спекания блока;
- отсутствие нарушений упаковки каналов по границам сочленения отдельных МЖС.
Отечественные рабочие стекла и существующая технология формирования структуры не отвечают выдвинутым условиям. Однако в геометрической структуре отечественных пластин обнаруживается достаточно большое количество границ и углов спекания МКС без деформации каналов. Следовательно, можно сделать вывод о том, что первое условие является необходимым, но недостаточным. Второе же условие является необходимым и достаточным.
Таким образом, задача создания качественной геометрической структуры сводится к разработке соответствующей технологии ее формирования, исключающей нарушение упаковки каналов по границам и в углах спекания МЖС.
При рассмотрении влияния фактора рабочих стекол на физикохимический и конструктивный аспекты структурной однородности анализировались уже известные ранее [Гречаник Л.А., Татаринцев Б.В., Кулов С.К.] ионообменные диффузионные процессы, происходящие между отечественными рабочими стеклами в системе жила - оболочка при термических операциях вытяжки и спекания. С другой стороны, из литературы [Евтропьев К.К.] также известно, что коэффициент диффузии в стеклах прямо пропорционален вязкости.
Таким образом, равенство вязкостей рабочих стекол на термических операциях формирования структуры, не только влияет на геометрическую составляющую, но и оказывает существенное влияние на формирование физико-химической и конструктивной однородности МКП.
Можно утверждать, что отечественные рабочие стекла, а, следовательно, и отечественная технология изготовления МКП, коренным образом отличаются от иностранных аналогов. Существенно, что в отечественной технологии в процессе изготовления МКП химический состав и физические параметры стекол в результате происходящих диффузионных процессов закономерно изменяются. Это ставит ряд сложных проблем и в значительной степени отличает отечественную технологию изготовления МКП. Но, с другой стороны, управляя процессом изменения свойств рабочих стекол в техпроцессе, можно ставить и решать ряд серьезных задач по оптимизации свойств, повышения технического уровня, качества и надежности, особенно при изготовлении новых поколений мелкоструктурных МКП.
При анализе влияния технологии изготовления МЖС на геометрический фактор структурной однородности исходят из обеспечения соответствующей технологии формирования структуры и прежде всего - отсутствие нарушений упаковки каналов по границам и в углах сочленения МЖС в блоке. Пути к созданию качественной структуры следует искать в местах соприкосновения МЖС с матрицей и ранее уложенными слоями. Для этого очень важным является строение МЖС, а именно их боковых поверхностей, которые соприкасаются друг с другом при укладке в блок.
Форма боковых поверхностей МЖС определяется способом изготовления и характеризуется высотой и строением рельефа. В отечественной технологии при изготовлении МЖС применяется обкладка внешней поверхности пучка растворимым стеклом. Слой растворимого стекла защищает поверхность МЖС от повреждений и загрязнений в процессе изготовления. В дальнейшем перед укладкой в блок, защитный слой стравливается с поверхности МЖС. В зависимости от соотношения вязкостей стекол оболочки и защитного слоя, при температуре вытяжки МЖС форма боковых поверхностей может быть трех видов (рис. 3).
a) зс>о б) зс< о в) зс= о Рис. 3. Форма рифления боковых поверхностей МЖС.
о - вязкость стекла оболочки; зс - вязкость стекла защитного слоя Наиболее оптимальная форма боковых поверхностей соответствует варианту б) Следовательно, для получения качественной структуры МКП необходимо изготавливать МЖС с подобной формой боковых поверхностей.
Требуемую форму рифления боковых поверхностей МЖС возможно получить только в двух случаях - либо применяя стекло защитных стержней с вязкостью ниже, чем у основного стекла матрицы, либо изготавливать МЖС без защитного слоя. Последнее решение требует проведения комплекса мероприятий по обеспечению чистоты и высокой культуры производства на этапах изготовления МЖС - блок во избежание повреждения и загрязнения поверхностей МЖС.
Наиболее оптимальным вариантом, представляется изготовление МЖС без защитного слоя, поскольку применение еще одного растворимого рабочего стекла в технологии изготовления МКП, может привести к катастрофическим последствиям для технологии.
Проведено моделирование дефектов укладки, возникающих при совмещении МЖС с наиболее вероятной разностью в размерах. Показано, что существующий допуск на размер МЖС, с точки зрения возникновения дефектов упаковки, вполне оправдан и не требует пересмотра.
В процессе моделирования было замечено, что при совмещении МЖС с большой разностью в размерах, должен возникать характерный дефект упаковки каналов по границе двух МЖС. С одной стороны границы, упаковка каналов - гексагональная, а с другой она плавно переходит в квадратичную. В структуре МКП подобный вид дефекта упаковки отмечается, а частота его обнаружения соответствует рассчитанной вероятности. Таким образом, подтверждена правильность проведенных расчетов и сделанных выводов.
Деформация каналов по границами и в углах спекания МЖС может приводить к снижению их усиления и как следствие, к появлению дефектов электронного изображения. Однако к настоящему времени не существует расчетов усиления деформированного канала. Для оценки снижения усиления деформированного канала была разработана математическая модель. В качестве математической модели деформированного канала был выбран эллипс, а в качестве критерия оценки - соотношение эффективного диаметра эллипса к диаметру круглого канала, площадь которого равна площади эллипса. Эффективный диаметр эллипса это среднее расстояние, которое электрон будет пролетать между двумя соударениями о стенки канала. Очевидно, что для круглого канала, эффективный диаметр равен его диаметру, а для деформированного канала он будет функцией от эксцентриситета эллипса. Таким образом, оценивался вклад геометрического фактора в сотовую структуру электронного изображения.
По результатам моделирования показано что геометрический фактор оказывает заметное влияние только в местах сильной деформации, которая наблюдается только в отдельных углах спекания МКС.
Для подтверждения полученных теоретических выводов и с целью практической проверки полученных результатов была проведена экспериментальная работа. На микроканальную вставку серийной МКП были нанесены маркеры, которые можно увидеть на электронном изображении пластины. Относительно нанесенных маркеров была проконтролирована группа границ спекания МКС и измерен пороговый ток появления сотовой структуры. Далее, после извлечения пластины из установки измерения, на контролированной группе границ была проведена оценка степени деформации каналов, в соответствии с разработанным классификатором. Таким образом получены данные, позволяющие сопоставить величину порогового тока появления сотовой структуры, со степенью деформации каналов по границам спекания МКС.
Результаты проведенной работы показали, что характер упаковки и деформация каналов по границам спекания оказывает влияние на порог появления сотовой структуры. Таким образом, на основании проведенных теоретических и практических исследований, можно утверждать, что природа сотовой структуры электронного изображения имеет и геометрическую и физикохимическую природу возникновения. При этом данные виды неоднородностей действуют кооперативно и усиливают действия друг друга.
Следовательно, для уменьшения дефекта сотовой структуры электронного изображения необходимо иметь структуру без нарушений упаковки и деформации каналов по границам спекания МКС.
Как мы выяснили при проведении предыдущих исследований, для получения качественной геометрической структуры, иметь твердую жилу необходимо, но недостаточно. Достаточным условием является владение соответствующей технологией формировании структуры, которая исключает всевозможные сдвиги структуры по границам и в углах сочленения МЖС. В таком случае неважно, соотношение вязкостей у рабочих стекол при температурах спекания.
Можно утверждать, что недостатком существующей технологии являются сдвиги и нарушение упаковки МЖС в блоке во время его изготовления. Результатом таких нарушений является сдвиг крайнего ряда МЖС и деформация структуры, которые мы контролируем на стадии НВЗ при контроле геометрических и структурных параметров.
Исследование факторов сборки и спекания проводились с помощью дисперсионного анализа. Для сбора и хранения данных, необходимых для проведения анализа, была разработана база данных с помощью программы MS Access, в которой была собрана информация о более чем шести тысячах серийных МКБ. В связи с большим объемом данных, на основании которых проводился анализ, вводились некоторые ограничения с целью репрезентативности выборки. В результате для проведения анализа была взята выборка из 1499 блоков.
В качестве анализируемых параметров рассматривались данные контроля геометрической структуры: величина сдвига крайнего рада МЖС и величина деформации МЖС по зонам МКВ. Для получения дополнительной информации параметры рассматривались как отдельно, так и в сочетаниях.
На основании проведенного анализа и полученной информации описан механизм сдвига крайнего ряда МЖС и их деформация по полю МКВ. В основном, качество структуры изготавливаемых блоков определяется качеством МЖС. Фактор пучок-партии МЖС определяет основной разброс значений сдвига и деформации структуры.
На операции сборки происходит разделение зоны влияния каждого из рассматриваемых факторов. Так, качество изготовления матрицы для сборки блока влияет только на разброс значений деформации в первой и второй зонах МКВ, а сдвиг крайнего ряда МЖС и деформацию третьей зоны определяет оператор укладки.
В основном, качество структуры изготавливаемых блоков определяется качеством входящих материалов - в нашем случае МЖС. Фактор пучок - партии определяет основной разброс значений сдвига и деформации структуры.
При укладке блока положение первых радов МЖС определяется качеством матрицы, далее уложенные МЖС сами служат матрицей для укладки последующих слоев. Если изначально матрица задает неправильное положение первых рядов МЖС, то при укладке последующих слоев нарушения упаковки только увеличиваются. Далее при изъятии собранного блока из укладочника и его обвязки проволокой, оператор сборки может изменить положение МЖС только в крайнем ряду или нескольких соседних рядах (третьей зоне), положение же МЖС в первой и второй зонах изменить он уже не может, поскольку эти МЖС не имеют свободы движения и остаются уложенными так, как они легли при сборке.
Для исследования влияния режима спекания блока и на структурную однородность МКП, использован метод планируемого факторного эксперимента 2k для трех управляемых факторов. Управляемыми факторами являлись: температура на полке спекания, время спекания блока на полке и давление прессования блока при спекании.
В качестве функций отклика рассматривался 41 параметр МКП, в которые входили 11 конструктивных, 18 структурных и 12 электронно-оптических параметров.
В результате проведения эксперимента для каждой из рассматриваемых функций отклика, получена модель вида:
f (x, y, z) = a0 + a1x + a2 y + a3z + a4xy + a5xz + a6 yz + a7xyz, где х - температура спекания; y - время спекания; z - давление; а0 - а7 - коэффициенты модели.
Далее проводилась проверка адекватности полученных моделей. В случае адекватности модели рассчитывался доверительный интервал для коэффициентов модели.
В результате проведенной работы, получены адекватные модели зависимости ряда параметров структурной однородности от режимов спекания.
В четвертой главе проводится оптимизация факторов структурной однородности, и определяются пути ее повышения.
Проведенное исследование факторов структурной однородности выявило сильное влияние фактора технологии изготовления МЖС.
Помимо линейных размеров, МЖС как протяженный объект должен характеризоваться угловыми степенями свободы. Была выдвинута гипотеза, что таким параметром является закручивание вокруг собственной оси. Моделирование укладки закрученных МЖС показало, что закручивание оказывает сильное влияние на качество их укладки в блок (рис 4). С одной стороны, МЖС уложатся без дефектов, а с другой - укладка будет дефектной.
Рис. 4. Моделирование укладки МЖС, закрученных вокруг собственной оси Таким образом, закручивание МЖС влияет на сдвиги структуры, а, следовательно, и на качество структуры в большей степени, чем разноразмерность.
Следовательно, для формирования качественной структуры необходимо иметь МЖС без закручивания.
Для обнаружения и исследования закручивания МЖС была разработана методика и изготовлено приспособление для измерения. Для исследования была вытянута экспериментальная пучок-партия МЖС. Вытянутые МЖС последовательно собирались, разрезались на отрезки по 10 см, на которых проводилось измерение угла закручивания. При вытяжке экспериментального пучка произошел один обрыв. Таким образом, сложились условия для определения влияния повторной оттяжки пучка. Всего в ходе проведения работы, было измерено 24 м МЖС вытянутых до обрыва пучка и еще 14 м, вытянутых после обрыва и повторной оттяжки пучка.
Полученные данные угла закручивания имеют постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая изменяется после обрыва, что позволяет говорить о том, она связана с процессом оттяжки пучка. Переменная составляющая угла закручивания исследовалась с помощью гармонического анализа. Рассчитанные амплитудные спектры представлены на рис 5 и 6.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 1Номер гармоники Рис. 5. Амплитудный спектр угла закручивания до обрыва 0 10 20 30 40 50 60 70 Номер гармоники Рис. 6. Амплитудный спектр угла закручивания после обрыва На амплитудных спектрах наблюдается наличие значимых частот. Целесообразно рассматривать частоты, с амплитудой более 5. Поскольку до и после обрыва анализировалось не одинаковая длина волокна, то совпадение спектров сравнивались не по номерам гармоник, а по частотам. В таблице 2 представлены совпавшие для обоих распределений длины волн с номерами гармоник и амплитудами.
Таблица Совпавшие для обоих амплитудных спектров длины волн с номерами гармоник и амплитудами До обрыва После обрыва Номер Номер Амплитуда Длина, м Амплитуда Длина, м гармоники гармоники 19,553 20 12 25,864 12 12,505 40 6 18,93 24 8,963 80 3 12,079 48 8,407 100 2,4 6,312 60 2,Проведенный анализ позволил выявить наличие значимых частот, амплитудные спектры схожи как до обрыва пучка, так и после обрыва, Амплитуда Амплитуда причем длины волн на этих частотах кратны обороту механизма вытяжки 1,2 м.
Следовательно, для минимизации либо устранения угла закручивания МЖС, прежде всего, следует обратить внимание на механизм вытяжки, поскольку вносимый им вклад в угол закручивания световода является определяющим и наиболее значимым. Влияние процесса оттяжки пучка заметно, но малозначимо.
В дальнейшем было разработано специальное устройство, позволяющее отсекать скручивающие моменты от механизма вытяжки, передающиеся на луковицу пучка. Помимо этого, введен технологический контроль угла закручивания МЖС, который позволил своевременно отмечать и устранять неполадки в механизме вытяжки МЖС. Таким образом, удалось обнаружить, исследовать, найти причины возникновения и способы устранения такого дефекта, как закручивание МЖС.
Как показал анализ технологических факторов сборки и спекания блоков, одним из уязвимых мест существующей технологии формирования структуры, является способ укладки блоков МЖС. Одновременно действуют три разных, независимых и плохо управляемых фактора: укладочника, оператора сборки и положения блока в колбе спекания.
В качестве пути совершенствования структурной однородности на операции сборки блока предложен способ сборки блока МЖС в специально подготовленную вакуумной калибровкой колбу с применением дополнительных монолитных стержней. В результате устраняется действие указанных факторов. Матрица для укладки блока формируется непосредственно в колбе с помощью дополнительных стержней. Влияние оператора сборки значительно снижается вследствие отказа от обвязки блока. Сборка блока МЖС непосредственно в колбе спекания также позволяет исключить искажения в структуре возникающие при манипуляциях, связанных с перемещением связанного блока в колбу спекания.
Одним из основных принципов укладки многожильных структур является применение принудительно-укладывающих сил. Однако его реализации в существующих условиях препятствует форма рифления боковых поверхностей МЖС. Рассмотрена применимость принудительноукладывающих сил в зависимости от формы рифления боковых поверхностей МЖС и показано, что наиболее оптимальной формой обладают МЖС, изготовленные без использования защитной обкладки при вытяжке пучка.
Существующая в настоящее время технология спекания МКБ разработана более тридцати лет назад и пока остается неизменной. Основным недостатком данного способа является то, что во время прессования на блок действует осевая составляющая давления, и это создает условия для сдвигов и деформации структуры во время спекания. Другим недостатком способа, является наличие уплотняющей стеклоленты, которая осыпается в процессе спекания в промежуток между блоком и колбой. В результате возникают дефекты по границе спекания МКВ - МО.
Одной из основных задач операции спекания блока, является обеспечение его монолитности. Под монолитностью понимается отсутствие паразитных каналов и отдельных полостей в структуре спеченного блока. Существующая технология не позволяет обеспечить необходимую монолитность, что проявляется в такого рода дефектах, как микропористость стенок каналов. Рассмотрено несколько простых моделей описывающих поведение паразитных каналов, образующихся во время спекания блока. Показано, что устранение осевого давления на блок во время спекания, приводит к уменьшению на порядок диаметра паразитных каналов, по сравнению с изостатическим прессованием блока.
Проанализировав недостатки существующего способа спекания блока, предложен новый способ спекания блока и устройство для его осуществления, защищенные патентами Российской Федерации.
В выводах четвертой главы диссертации подведены итоги исследования закручивания МЖС, сформулированы пути совершенствования структурной однородности МКП.
В заключении сделаны выводы по проведенной работе, достижении цели исследования и намечены направления дальнейшей работы.
Полученные в диссертационной работе результаты позволяют сделать следующие выводы:
1. Формирование структуры в технологическом процессе изготовления МКП заканчивается на этапе изготовления микроканального блока.
На операциях механической обработки пластине придается конструктивный облик, но ее структура остается неизменной. На остальных операциях техпроцесса происходит ее проявление (вытравливание жилы), модификация (восстановления) и придание законченного конструктивного облика (металлизации).
2. Проведена диагностика и классификация структурных дефектов МКП.
3. Структурная однородность МКП детерминирована принятым базовым технологическим процессом изготовления, характеристиками применяемых рабочих стекол. Факторами структурной однородности являются:
- параметры и характеристики рабочих стекол;
- режимы и параметры изготовления МЖС;
- технология сборки блока;
- технология, режимы и параметры спекания блока.
4. Фактор МЖС оказывает существенное влияние на структурную однородность МКП. Задача повышения структурной однородности требует исключение защитной обкладки пучка ОЖС с целью получения оптимальной формы боковых поверхностей МЖС и устранения закручивания МЖС в процессе вытяжки.
5. Для обеспечения структурной однородности МКП необходимо следующее: устранить закручивание МЖС, изготавливать МЖС без защитного слоя, собирать блоки МЖС в калиброванной колбе спекания с применением дополнительных монолитных стержней, спекать МКБ с радиальным прессованием.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
В журналах, рекомендованных ВАК РФ:
1. Кулов С.К., Попугаев А.Б. Исследование угла закручивания многожильных световодов в процессе вытяжки. // Известия Кабардино-Балкарского государственного университета. Том I, № 3, 2011. С. 51Ч52.
2. Кулов С.К., Кесаев С.А., Макаров Е.Н., Пергаменцев Ю.Л., Беришвили Н.В., Бояджиди В.Ю., Попугаев А.Б., Полина Т.В.. Мелкоструктурные микроканальные пластины для техники ночного видения. // Прикладная физика № 5, 2006. - С. 75 - 8.
Патенты РФ:
3. Патент 2177187 РФ, МПК 7 H 01 J 9/02, 9/06, 43/24. Способ изготовления микроканальной пластины и устройство для его осуществления. Кулов С.К., Платов Э.А., Попугаев Б.Г., Попугаев А.Б. Заявлено 15.08.2000, Опубл. 20.12.2001, Бюл.
№ 35.
4. Патент 213905 РФ, МПК 7 H 01 J 9/02, 9/26, 43/24. Устройство для изготовления микроканальной пластины. Кулов С.К., Платов Э.А., Попугаев Б.Г., Попугаев А.Б. Заявлено 15.08.2000, Опубл. 20.09.2001, Бюл. № 26.
Другие публикации:
5. Попугаев А.Б. Особенности формирования геометрической структуры микроканальных пластин. / Вакуумная электроника на Северном Кавказе, региональная конференция, тезисы докладов. - Нальчик, 2001. С. 32.
6. Кесаев С.А., Сергеев И. Н., Молоканов О.А., Кармоков А.М., Пергаменцев Ю.Л., Попугаев А.Б. Влияние режимов термического обезгаживания и электронной тренировки на усиление МКП. / Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии. IV Международная конференция. Ставрополь, СевКавГТУ. 2004.
С. 127Ч130.
7. Бугулова И.Р., Попугаев А.Б., Бояджиди В.Ю., Беришвили Н.В., Молоканова О.О., Молоканов О.А., Кармоков А.М. Исследование микродефектов неспекания невосстановленных заготовок микроканальных пластин. / Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии. IV Международная конференция. Ставрополь СевКавГТУ. 2004. С. 408Ч411.
8. Кулов С.К., Попугаев А.Б. Форма боковых поверхностей многожильных стержней в зависимости от способа изготовления и соотношения вязкостей рабочих стекол. // Сборник научных трудов СОО АН ВШ РФ № 4, 2006.
9. Доев В.М., Лишневская Н.П., Федотова Г.В., Попугаев А.Б..Применение МКП-детекторов пространственно-организованных потоков заряженных частиц и излучений в информационных технологиях. / Материалы Международной научнотехнической конференции Микро- и нанотехнологии и фотоэлектроника. - Нальчик: Каб.-Балк. ун-т., 2008. - С. 43.
10. Алкацева Т.Д., Кулов С.К., Макаров Е.Н., Самканашвили Д.Г, Попугаев А.Б., Уртаев А.К.. Сотовая структура электронного изображения МКП. / Материалы Международной научно-технической конференции Микро- и нанотехнологии и фотоэлектроника. - Нальчик: Каб.-Балк. ун-т., 2008. - С. 57.
11. Ахполов К.Ю., Попугаев А.Б., Самканашвили Д.Г., Уртаев А.К. Пути достижения структурного совершенства МКПО. / Материалы Международной научнотехнической конференции Микро- и нанотехнологии и фотоэлектроника. - Нальчик: Каб.-Балк. ун-т., 2008. - С. 58Ч59.
12. Дзидзоева Э.А., Кулов С.К., Макаров Е.Н., Помозова Л.А., Попугаев А.Б., Самканашвили Д.Г., Уртаев А.К.. Требования к качеству спая жила-оболочка в волоконно-оптических технологиях. / Материалы Международной научно-технической конференции Микро- и нанотехнологии и фотоэлектроника. - Нальчик: Каб.-Балк.
ун-т., 2008. - С. 60.
13. Кулов С.К., Попугаев А.Б. Характеристики ВОП для ЭОП новых поколений. / Микро- и нанотехнологии в электронике: Материалы Международной научно-технической конференции. Нальчик: Кааб.-Балк. ун-т, 2009. С. 204Ч207.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям