авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

Создание матричных автоэмиссионных катодов из стеклоуглерода для приборов вакуумной электроники на основе комплекса лазерных технологических процессов

-- [ Страница 2 ] --

где: u – скорость истечения обрабатываемого материала; – объем вещества, удаляемого за время действия одного импульса лазерного излучения;
t – длительность истечения материала из зоны воздействия импульса лазерного излучения; – плотность обрабатываемого материала, t – время.

При кратковременности лазерного воздействия скорость истечения материала считалась постоянной. Учитывалось, что при наносекундном воздействии основной вынос массы осуществляется за счет вылета твердых частиц размером в несколько микрон со средней скоростью 1000 м/с. При исследовании пикосекундного воздействия лазерного излучения на вещество учитывался механизм так называемого кулоновского взрыва, сопровождающегося образованием поверхностного облака плазмы, истекающего со скоростью примерно 105 м/с с поверхности обрабатываемого материала.

Изменением плотности энергии излучения по лазерному пятну в силу малости его диаметра (от 10 до 50 мкм) и большой интенсивности пренебрегалось. И в первом приближении считалось, что порождаемое реактивной силой давление на обрабатываемый материал, обратно пропорциональное площади пятна лазерного излучения, распределено по нему равномерно:

, (2)

где – толщина слоя материала, удаляемого в результате воздействия одного импульса лазерного излучения.

При исследовании напряженно-деформированного состояния подложек учитывалось, что стеклоуглерод как хрупкий материал может испытывать пластические деформации только в областях высокотемпературного нагрева. При комнатных температурах он разрушается хрупко, без признаков макропластичности, практически оставаясь упругим во всем интервале нагружения. С учетом этого и того, что в процессе холодной абляции или абляции выпариванием практически не происходит разогрева обрабатываемого материала, он с механической точки зрения рассматривался как идеально упругий во всем диапазоне нагружения вплоть до его разрушения.

С геометрической точки зрения обрабатываемый объект был представлен в виде тонкой прямоугольной пластины, свободно опирающейся на упругое основание (рис. 1) и находящейся под воздействием распределенной нагрузки , эквивалентной оказываемому на неё импульсному давлению:

. (3)

Центр приложения импульсной нагрузки, распределенной по круговой области радиуса r, равного радиусу пятна лазерного воздействия, определялся произвольными координатами x = и y = (рис. 1).

Рис. 1. Схема нагружения пластины при лазерном воздействии

Влияние упругого основания на напряженно – деформированное состояние пластины учитывалось в соответствии с моделью Винклера путем введения в уравнение движения пластины опорной реакции основания, пропорциональной его жесткости и прогибу срединной плоскости пластины. Исследование напряженного и деформированного состояния подложки проводилось в рамках теории тонких упругих пластин в предположении, что её края свободно оперты и в начальный момент времени все её точки находятся в покое.

Для случая, когда прикладываемая к пластине распределенная нагрузка для импульса давления длительности t, возникающего в момент времени t=mT0(m=0,1,2,…), где T0 – период следования импульсов, задается соотношением

, (4)

выражение для прогиба получено в виде

В формулах (4) и (5): ; (6)

, (7)

– цилиндрическая жесткость пластины; k0 – коэффициент жесткости (коэффициент постели) основания, на котором лежит пластина; E– модуль упругости материала пластины; – коэффициент Пуассона; H+(t) – ассиметричная единичная ступенчатая функция Хэвисайда,
– коэффициент сосредоточенности.

Для определения прогиба при воздействии серии импульсов выражение (5) должно быть просуммировано по числу импульсов. На основе получаемого при этом соотношения показано, что при значениях периода следования импульсов лазерного излучения, равных или кратных периоду какой-либо из гармоник собственных колебаний пластины kn

, (8)

в ней возникает явление ударного резонанса, при котором значения прогиба в точках пластины неограниченно возрастают пропорционально числу импульсов лазерного излучения. Для достаточно больших значений числа импульсов в серии M>>1 приближенное выражение для прогиба при резонансе получено в виде

(9)

Выражения для напряжений, возникающих в пластине, определены путем подстановки найденных значений для её прогиба в известные формулы. В качестве параметра, позволяющего оценить прочность материала пластины, принята интенсивность возникающих в ней напряжений. Оценка прочности производилась путем сравнения её значений с пределами прочности на сжатие и растяжение материала пластины.

Полученные результаты позволили прогнозировать расчетным путем диапазоны параметров неразрушающих режимов различных видов лазерной обработки стеклоуглерода.

В третьей главе описываются экспериментальные исследования взаимодействия лазерного излучения различной длительности импульсов с веществом, рассматриваются технологические особенности применения различных типов лазерного оборудования для решения технологической задачи по изготовлению МАЭК из стеклоуглерода. На основе результатов анализа существующих методов прецизионной лазерной микрообработки материалов и возможностей их применения к решению поставленной в диссертации задачи разработан новый способ формирования многоострийных микроструктур на поверхности монолитных подложек из стеклоуглерода. На рис. 2 показаны области применения лазерных технологических операций, используемых при изготовлении МАЭК.

Рис. 2. Применение лазерных технологических операций при изготовлении МАЭК: 1 – элемент катодной структуры «пенёк»; 2 – структурированная микроострийная эмиттирующая поверхность; 3– основание катода; 4– зона лазерной фрезеровки; 5 – заготовка МАЭК из стеклоуглерода (пунктирно). A – лазерное скрайбирование заготовки МАЭК из пластины стеклоуглерода; B – лазерная фрезеровка «пеньков» (заглубление до 500 мкм); C – лазерное структурирование поверхности катода; D – лазерная очистка поверхности; E – лазерный микроспектральный анализ МАЭК; F – лазерная резка основания катода (заглубление до 2 мм)

С целью повышения плотности упаковки острий и улучшения качества микроструктурированных эмитирующих поверхностей катодов автором был разработан метод перекрывающихся глухих отверстий (лунок). Идея и отличие данного метода от метода двухкоординатного сканирования проиллюстрированы на рис. 3. Использование этого метода позволило увеличить плотность упаковки острий в два раза. В процессе его разработки были проведены экспериментальные исследования влияния на качество и равномерность распределения острий по высоте, на их форму и рельеф таких параметров лазерного воздействия как длительность импульсов, их количество на одну лунку, радиус пятна лазерного излучения и уровень его мощности.

Выявлено, что наибольшее влияние на исследуемые параметры оказывают длительность импульса, радиус пятна сфокусированного лазерного излучения и пиковая мощность излучения в импульсе.

Рис. 3. Схема нанесения эмитирующей структуры на поверхность МАЭК: а) метод перпендикулярного сканирования поверхности лазером, линии, обозначенные 1 (серые) – линии реза, светлые квадраты 2 – острия; б) черные точки 1 – лунки, светлые точки 2 – острия а б

На рис. 4 приведена фотография структурированной поверхности стеклоуглерода марки СУ-2000, полученной методом перекрывающихся глухих отверстий (лунок) на лазерной установке со сканатором, длиной волны излучения 1060 нм, скоростью перемещения луча 50 мм/с, средней мощностью излучения 0.7 Вт, частотой следования импульсов 4 кГц и длительностью импульса 50 нс. Полученная структура обладает хорошей равномерностью распределения пиков, как по высоте, так и по площади, имеет пирамидальную форму острий с шириной основания пирамид около 12 мкм. Время формирования данной микроструктуры на поверхности монолитного стеклоуглерода площадью в 1 мм2 равно 8 секундам.

Рис. 4. Микроструктура на поверхности стеклоуглерода СУ-2000, полученная методом пересечения отверстий, ширина основания пиков 12 мкм, высота 20 мкм

Предложенный метод позволяет в два раза повысить плотность упаковки микроострий на поверхности стеклоуглерода по сравнению с методом «пересекающихся перпендикулярных линий» независимо от типа используемой лазерной установки. Предполагается, что использование пикосекундных лазеров с длиной волны 198 нм позволит получить структуры с периодом до 1 мкм, и точностью изготовления ±100 нм.

На основе экспериментальных исследований определены следующие параметры лазерного воздействия, позволяющие достичь наилучших результатов при формировании многоострийных эмитирующих микроструктур на поверхности стеклоуглерода:

  • длина волны излучения 1.064 мкм;
  • длительность импульса 10-50 нс;
  • средняя мощность излучения 0.5-1 Вт;
  • частота следования импульсов 5-12 кГц;
  • скорость перемещения луча 10 мм/с;
  • задержка луча в одной в точке 20-30 мс.

Превышение значений указанных выше параметров привело к увеличению размеров и нестабильности по высоте получаемых острий, которые становятся похожими на иглы с куполообразными вершинами высотой до 60 мкм.

Применение на первом этапе изготовления катода операции лазерного скрайбирования для разделения пластины стеклоуглерода на квадратные заготовки позволило исключить механическую резку и в отличие от технологии термохимического травления производить эту операцию до процесса получения микроструктуры на поверхности будущего катода, что исключает вероятность механического повреждения структурированной поверхности, появления остаточных напряжений и образования сколов на краях заготовки. По результатам проведенных исследований наиболее подходящими для данной операции оказались лазерные системы с нано-секундной длительностью и частотой следования импульсов не 5-30 кГц.

Разработка способов формирования катодной структуры («пеньков») на верхней поверхности заготовки и тела будущего катода методом лазерного фрезерования потребовала проведения исследований по выбору требуемых параметров лазерного излучения, а именно определения нужного соотношения скорости перемещения луча и частоты следования импульсов (коэффициента перекрытия) с учетом поглощательной способности материала, качества его поверхности до и после первого прохода излучения, возможности перегрева заготовки, наряду с выбором векторов наиболее приемлемых перемещений. При выборе аппаратных решений предпочтение было отдано использованию оптических фокусирующих систем сканирующего типа (сканаторов), обладающих относительно большим фокусным расстоянием и соответственно глубиной фокуса. Это позволило производить фрезеровку стеклоуглерода на глубину до 2 мм без дополнительного перемещения заготовки по вертикали. Для обеспечения требуемых точности и качества лазерного фрезерования поверхностей наиболее подходящими оказались следующие экспериментально установленные параметры выходного излучения лазера: средняя мощность излучения 8-10 Вт, скорость перемещения луча 40-120 мм/с и частота следования импульсов 5-7 кГц.

Применение метода лазерной очистки обработанных и подлежащих обработке поверхностей катода на данном и последующем этапах его изготовления потребовало точного подбора мощности излучения, необходимой для выполнения этой операции. Мощность излучения при лазерной очистке должна быть достаточной для эффективного удаления осажденных в процессе фрезеровки частиц стеклоуглерода на будущую эмитирующую поверхность катода и в то же время не повреждающей её. Поскольку наличие загрязнений, повреждений и царапин на этой поверхности перед началом операции микроструктурирования может служить причиной появления дефектов в получаемой структуре.

На рис. 5 показана поверхность катода перед операцией лазерной очистки с осажденными на неё в процессе фрезеровки частицами стеклоуглерода (рис. 5 а), и три зоны очищаемой поверхности (рис. 5 б).

а б

Рис. 5: а) поверхность катода с осажденными частицами углерода после фрезеровки, диаметр 250 мкм, б) три зоны очищаемой поверхности: 1 – очищенная, 2 – переходная,

3 – загрязнённая осажденными частицами стеклоуглерода

Результаты сравнительного анализа преимуществ использования разработанного способа изготовления МАЭК с наиболее распространенной технологией термохимического травления приведены в табл. 1.

Таблица 1

Сравнение технологий получения МАЭК

Комплекс лазерных технологий Технология термохимического травления Преимущества лазерных технологий
Скрайбирование с последующим простым разлом монолитного стеклоуглерода на заготовки Механическая резка Производится до получения микроструктур на эмитирующих поверхностях. Отсутствуют остаточные напряжения и сколы
Лазерная фрезеровка тела и «пеньков» катода Электроэрозионная обработка Производится на воздухе, обладает высокой производительностью.
Лазерное микроструктурирование эмитирующей поверхности Фотолитография и термохимическое травление Высокая производительность 0,1мм2/с, производится на одной установке, не вносит примеси в приповерхностный слой, высокая воспроизводимость геометрической формы
Лазерная очистка после каждой из перечисленных операций Химическая очистка Высокая производительность
0,2 см2/с, не требует утилизации химикатов, химически нейтральна
Все операции можно производить на одной установке Для каждой операции своя специализированная установка Изготовление в одном техпроцессе с единой точкой привязки позволяет повысить точность позиционирования

На рис. 6 представлены фотографии вариантов МАЭК из монолитного стеклоуглерода СУ-2000, изготовленного описанным выше способом.

а б
Рис. 6.: а) слева головка спички, справа шестипеньковый МАЭК из стеклоуглерода СУ-2000, диаметр основания 2.2 мм, высота 2 мм, высота выступов 0.5 мм, диаметр 250 мкм; б) девятнадцатипеньковый МАЭК из стеклоуглерода СУ-2000, диаметр основания 3.2 мм, высота 2 мм, высота выступов 1 мм, диаметр выступов 250 мкм

Исследование эмиссионных характеристик опытных образцов МАЭК из монолитного стеклоуглерода СУ-2000 с площадью катодной матрицы Sк=0.8·10-2см2 и плотностью упаковки микроострийной эмитирующей структуры порядка 1105 см-2 (высота острий 20 мкм) проводилось на макете диода с подвижным относительно катода, плоским анодом из стеклоуглерода. В процессе экспериментов в режиме непрерывной откачки давление в рабочей камере составляло 210-7 тор, измерения проводились в импульсном режиме при длительности импульса =510 мкс и скважности 100010000. На рис. 8а представлены графики ВАХ исследуемого образца, кривая 1 – величина зазора катод-анод dк-а=2 мкм, Imax=20 мА при Uк-а =460 В, средняя по матрице плотность тока J=2,5А/см2, при макроскопической напряженности электрического поля в диоде Е=230 В/мкм, крутизна ВАХ S=300 мкСм, кривая 2 – величина зазора катод-анод dк-а=5 мкм, Imax=8 мА при Uк-а =500 В, средняя по матрице плотность тока J=1А/см2 при макроскопической напряженности электрического поля в диоде Е=120 В/мкм, крутизна ВАХ S=125 мкСм.

а

б

Рис. 8. а) ВАХ МАЭК в импульсном режиме, б) ВАХ в координатах Фаулера-Нордгейма: 1– величина зазора катод-анод dк-а= 2 мкм, 2 – величина зазора dк-а=5 мкм



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.