Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ПРЕДИСЛОВИЕ
Постоянно растущие потребности телевидения, радиовещания, вычислительной техники, средств связи, космонавтики и различных отраслей народного хозяйства вызывают необходимость в расширении ассортимента электровакуумных приборов, улучшении их электрических, светотехнических параметров и эксплуатационных характеристик. Это требует усовершенствования и разработки новых перспективных технологических процессов, материалов и оборудования, а также внедрения автоматизированных систем управления технологическими операциями и производством в целом.
Данный учебник написан по курсу «Технология производства электровакуумных приборов» для учащихся техникумов электронных приборов и должен помочь студентам получить теоретические знания и практические советы, необходимые для успешного овладения выбранной профессией.
В учебнике рассматриваются все основные технологические операции электровакуумного производства: заготовительные операции (изготовление деталей, их обработка, соединение друг с другом, нанесение на детали покрытий); изготовление важнейших сборочных единиц приборов (подогревателя, катода, газопоглотителя, экраномасочного узла и т. д.); сборочные операции (монтаж, заварка, вакуумная обработка и т. д.). При изложении каждого технологического процесса приводятся сведения, раскрывающие его назначение, свойства применяемых материалов, физико-химические явления, заложенные в основу технологии, основные технологические режимы, принцип работы оборудования, способы контроля качества выполнения операции.
Автор выражает глубокую благодарность рецензентам — зам. начальника Главного технологического управления Министерства электронной промышленности СССР А. И. Короткому, преподавателю Саратовского техникума электронных приборов Т. А. Козловой за полезные советы и замечания по улучшению содержания книги.
Отзывы и пожелания по книге направлять по адресу: 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., 29/14, . издательство «Высшая школа».
Автор
ВВЕДЕНИЕ
В электронной промышленности можно выделить две категории предприятий: по выпуску изделий электронной техники, а также материалов и компонентов для них; электронного машиностроения, выпускающие специализированное технологическое и вспомогательное оборудование, инструмент, оснастку и др.
К изделиям электронной техники относятся электровакуумные, газоразрядные и полупроводниковые приборы, интегральные схемы, а также различные радиокомпоненты. Электровакуумное производство является составной частью электронной промышленности.
В зависимости от назначения и принципа действия все изделия электровакуумного производства можно разделить на следующие основные классы: приемно-усилительные, генераторные и люминесцентные лампы; электронно-лучевые, фотоэлектронные и сверхвысокочастотные приборы; плазменные индикаторы.
Электровакуумное производство отличается большим разнообразием применяемых физико-химических процессов, материалов, оборудования и использует практически все известные в настоящее время достижения науки и техники.
Характерными особенностями изготовления электровакуумного прибора (ЭВП) являются: применение до 90% элементов таблицы Менделеева; необходимость высокого вакуума порядка 10"° — 10’у Па как рабочей среды в готовом приборе или как технологической среды при изготовлении прибора; использование материалов особой чистоты и точности состава; применение комплекса мероприятий по вакуумной гигиене, по защите деталей и узлов от пыли и других загрязнений.
Технологический цикл изготовления широкополосной приемно-усилительной лампы включает более 250 операций, магнетрона — 450, а дисплейного кинескопа — более 6000.
В электровакуумном производстве качество выполнения каждой предшествующей операции оказывает определяющее влияние на все последующие операции и на качество и надежность готового изделия (например, недостаточная химическая очистка оболочки прибора приводит к повышенному браку при нанесении на оболочку покрытий, интенсивному газовыделению в вакууме, «отравлению» катода, появлению утечек, пробоев, паразитных сигналов и т. д.).
Условия эксплуатации электровакуумных приборов весьма разнообразны: в ряде случаев они подвергаются одновременному воздействию низких (до — 60 0 С) и высоких (до 80 0 С) температур, тропической жары и 100% влажности, вибраций, ударных нагрузок с ускорениями в 500 раз большими, чем гравитационные.
Перед электровакуумным производством в ходе осуществления научно-технической революции поставлены очень сложные и конкретные задачи: повышение технического уровня как производственного и технологического процессов, так и готовых электровакуумных изделий до требований, превышающих мировые стандарты; доведение срока службы ЭВП до теоретически рассчитываемого, исходя из принципа его работы (теоретический срок службы ЭВП, определяемый временем испарения активного вещества катода, равен 106 часов; фактически он составляет 103 — 104 часов — это объясняется в первую очередь трудностями контроля и управления многими сложными физико-химическими процессами, происходящими при изготовлении и эксплуатации прибора); повышение экономической эффективности на основе научной организации труда и технического перевооружения производства; комплексное решение экологических проблем, охраны труда, санитарной гигиены и полное исключение тяжелого физического труда из производственного цикла ЭВП.
Для решения этих задач выбраны следующие научно-технические направления.
Создание технологии на базе новейших достижений физики, химии, электроники. Например, очень перспективным является применение ультразвуковой и лазерной техники, плазменных, электронно-лучевых, электроэрозионных, электрохимических методов для изготовления и обработки деталей, сборочных единиц и приборов, нанесения покрытия и др.
Применение материалов, изготовленных и очищенных с помощью современных электрофизических методов, внедренных в металлургической, химической, стекольной промышленности (например, вакуумная плавка, зонная очистка, электрокоагуляция примесей, индукционное, магнетронное и электронно-лучевое обезгаживание и т. д.).
Внедрение неразрушающих методов и способов контроля качества материалов, деталей и приборов (например, люминесцентных, спектрометрических, ультразвуковых, радиационных, газоаналитических, электромагнитных, акустических, хроматических, лазерных методов).
Усовершенствование и создание принципиально новых конструкций приборов, например твердотельных электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) и фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), рентгеновских усилителей, цветных кинескопов с плоским экраном, дисплейных трубок, электровакуумных приборов со стекловолоконными деталями и др.
Внедрение автоматизированных способов проектирования новых приборов или их моделирование с использованием ЭВМ.
Повышение степени унификации, нормализации и стандартизации деталей, технологических процессов и оборудования.
Создание поточно-механизированных и поточно-автоматизированных линий.
Широкое внедрение программирования и счетно-вычислительной техники для автоматического контроля и управления производством и технологическими процессами.
Комплексная роботизация и создание «безлюдных» производств на основе гибких автоматизированных систем, что позволяет решить не только технологические, но и экологические и социальные задачи.
ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОВАКУУМНОГО
ПРОИЗВОДСТВА
ТИПОВОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
Производственным процессом называется совокупность отдельных процессов, непосредственно связанных с переработкой поступающих на предприятие материалов и полуфабрикатов в готовый прибор. Производственный процесс включает в себя технологический процесс, а также техническую подготовку производства, материально-техническое снабжение, ремонт оборудования, финансово-материальный учет, технический контроль качества продукции, транспортные, погрузочно-разгрузочные работы.
Технология — наука по изучению, разработке и внедрению в производство передовых, наиболее прогрессивных методов изготовления приборов. Основная задача технологии — получение изделий высокого качества и в заданном количестве, с наименьшей затратой труда, материалов и средств производства.
Технологическим процессом называется часть производственного процесса, непосредственно связанная с последовательным изменением геометрической формы или свойств обрабатываемых деталей и сборки их в прибор. Технологический процесс состоит из ряда технологических операций, через которые проходят заготовки, детали и сборочные единицы, прежде чем превратиться в готовое изделие.
Операция — законченная часть технологического процесса, представляющая собой совокупность приемов и режимов, осуществляемых на одном рабочем месте в течение единого времени на одном и том же оборудовании. Операция является основным элементом производства, планирования, нормирования труда и разделяется на установки, позиции и приемы.
Технологические процессы получения конструкционных материалов, их обработки, сборки и контроля изделий называются основными процессами производства, так как они определяют важнейшие технико-экономические показатели производства (номенклатуру, качество, себестоимость, фондоотдачу, эффективность капиталовложений и др.). Основные производственные процессы, в свою очередь, делятся на заготовительные, обрабатывающие, сборочные. Их выполнение характеризует завершение определенной части производственного процесса и связано с переходом предметов труда из одного качественного состояния в другое.
К заготовительным процессам относятся процессы получения заготовок;
к обрабатывающим — процессы превращения заготовок в готовые детали, например размерная механическая обработка, штамповка, термообработка, очистка (рис. 1.1);
к сборочным — сборка отдельных узлов (например, катодно-подогревательного, стеклооболочек, спаев различных материалов), сборка готовых приборов, а также операции заключительной стадии, например тренировка, прожиг, испытания и др.
Технологический процесс изготовления приборов слагается из следующих этапов:
изготовление и физико-химическая обработка металлических, стеклянных, керамических, слюдяных, пластмассовых деталей;
изготовление сборочных единиц и полуфабрикатов из отдельных деталей (колбы, сеток, катодного и анодного узла, цоколя и т. д.);
нанесение покрытий (например, изоляционного покрытия на керны подогревателей, эмиссионного покрытия на керны катодов, люминесцентного покрытия на экраны);
монтаж внутренней арматуры и крепление ее на изоляторах и ножке;
закрепление внутренней арматуры в оболочке — заварка прибора;
вакуумная обработка собранного прибора (откачка газов и паров, обезгаживание деталей, активирование катода, герметизация и т. д.);
распыление газопоглотителя;
тренировка прибора (окончательная активировка катода, снижение давления остаточных газов, прожиг проводящих мостиков на изоляторах);
контроль отдельных технологических операций и испытание готовых приборов.
Любой технологический процесс можно охарактеризовать тремя показателями: способом технологического воздействия; последовательностью технологических процессов; режимами обработки.
Рис. 1.1. Схема классификации заготовительных и обрабатывающих операций
ОСНОВЫ КЛАССИФИКАЦИИ ДЕТАЛЕЙ, УЗЛОВ
И ГОТОВЫХ ПРИБОРОВ
Электровакуумный прибор (ЭВП) — изделие, имеющее самостоятельное конструктивное или эксплуатационное назначение.
ЭВП классифицируются на классы, группы и подгруппы изделий.
Класс изделий — выделяется по признаку общности физических принципов, на которых основано действие приборов (класс электронно-лучевых приборов, класс фотоэлектронных приборов, класс высокочастотных приборов и т. д.);
группа изделий — выделяется по признаку общности основной функции прибора и по признаку общности структуры (общий набор узлов).
Например, в классе электронно-лучевых приборов (ЭЛТ) выделяют следующие группы: приемные ЭЛТ, преобразующие электрический сигнал в изображение; передающие ЭЛТ, преобразующие оптическое изображение в последовательность электрических сигналов; запоминающие ЭЛТ, предназначенные для записи, хранения, преобразования и" считывания или воспроизведения информации; кодирующие и функциональные ЭЛТ, преобразующие электрические сигналы одного вида в электрические сигналы другого вида или воспроизводящие зависимости между этими сигналами.
Подгруппа изделий — выделяется по признаку общности применения и по признаку общности структуры (общий набор функциональных элементов). Например, в составе группы приемных ЭЛТ можно выделить следующие подгруппы: кинескопы, предназначенные для воспроизведения телевизионного чернобелого или цветного изображения; дисплейные кинескопы сверхвысокого разрешения; проекционные, индикаторные, осциллографические, просвечивающие, импульсно-преобразующие, фоторегистрирующие ЭЛТ; скиатроны и т. д.
Каждый конкретный прибор является единичным экземпляром в подгруппе и отличается конкретными параметрами, которые определяются техническим заданием (для разрабатываемых изделий) или техническими условиями (для серийно выпускаемых изделий).
ЭВП состоит из соединенных между собой узлов и деталей.
Узлы и детали классифицируются по определенным критериям.
Узлы изделия (например, катодный узел, электронно-оптическая система, собранная оболочка, блок мишени, узел памяти, экранный узел и т. д.) отличаются друг от друга по выполняемым функциям и конструкции. Критерием различия узлов служат физические модели и теории, применяемые для описания их
функционирования (так, при моделировании электронно-оптических систем используются методы электронной оптики; оболочки-механики напряженно-деформированного состояния; экранного люминесцентного узла — методы оптики рассеивающих сред и т. п.).
Узел состоит из совокупности функциональных элементов.
Функциональный элемент (ФЭ) — минимальная часть узла, способная выполнять некоторую функцию, характерную для изделия.
Примерами ФЭ, которые можно выделить в узле, называемом «электронно-оптической системой», могут служить: «электронная пушка», выполняющая функцию формирования электронного луча и управления его интенсивностью; электронная линза, осуществляющая управление поперечным сечением луча; отклоняющая система, осуществляющая перемещение электронного луча по заданным траекториям.
Конструктивный элемент (КЭ) — отдельно изготовляемая деталь (или сборочная единица) конструкции, которая не способна к самостоятельному выполнению функций изделия. Примерами КЭ могут служить цилиндры, диафрагмы, штабики электроннооптических систем, конус и горловина баллона и др. Следует иметь в виду, что КЭ могут иметь различную степень сложности, поэтому в соответствии с нормами ЕСКД в их составе могут выделяться сборочные единицы (например, модулятор, отклоняющие пластины, выходная диафрагма и т. п.) и детали (диафрагмы, чашки, цилиндры и т. п.). Деталью называется элемент конструкции, изготовленный без применения сборочных операций.
Сборочной единицей называется элемент конструкции, состоящий из разъемно или неразъемно соединенных между собой двух или более деталей.
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ДЕТАЛЯМ, СБОРОЧНЫМ ЕДИНИЦАМ, ГОТОВЫМ ИЗДЕЛИЯМ И МЕТОДЫ ИХ ИСПЫТАНИЯ
Различают две основные группы требований: эксплуатационные и технологические.
Эксплуатационные требования обеспечивают получение и сохранение заданных параметров и характеристик прибора в процессе его хранения и эксплуатации. Эксплуатационные требования излагаются в общих (ОТУ) и частных технических условиях (ЧТУ) на прибор.
Для приборов, имеющих широкую область применения, вместо ОТУ выпускаются государственные стандарты (ГОСТы), которые согласовываются между поставщиком и основными потребителями
и утверждаются Комитетом стандартов, мер и* измерительных приборов.
К основным эксплуатационным требованиям относятся: конструктивные — размеры деталей, сборочных единиц, приборов и допуски на них должны соответствовать чертежам, утвержденным в технической документации;
механические — должна быть обеспечена устойчивость приборов к действию вибрационных, ударных, центробежных нагрузок и тряски;
климатические — должна быть обеспечена устойчивость приборов к воздействию повышенных и пониженных температур, перепада температур, повышенной влажности, пониженного и повышенного давления и т. д.;
электрические и светотехнические — должны быть обеспечены параметры и характеристики прибора в пределах их допустимых отклонений от номинальных значений;
надежность прибора и высокое качество в эксплуатации.
Под качеством понимают совокупность характеристик и параметров — электрических, механических, климатических, геометрических, светотехнических, которые обусловливают пригодность приборов для эксплуатации. Качество приборов определяется их конструкцией, свойствами применяемых материалов, а также оптимальным выбором и строгим соблюдением технологии, квалификацией рабочих, ИТР и разработчиков приборов.
Под надежностью понимают свойство прибора выполнять заданные функции без отказов, сохраняя во времени значения параметров и характеристик в требуемых нормах. Надежность — комплексное свойство, которое в зависимости от назначения прибора и условий его эксплуатации может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.
Под безотказностью понимают свойство приборов непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного интервала времени без внезапных отказов.
Количественными показателями безотказности являются вероятность безотказной работы Р (О и интенсивность внезапных отказов А (под отказом ЭВП подразумевается полное или частичное нарушение их работоспособности). Критерием отказа является изменение одного или нескольких параметров прибора за пределы нормы. Отказы ЭВП подразделяются по: характеру изменения параметров (внезапные и постепенные); устойчивости нарушения работоспособности (обратимые, необратимые, самоустраняющиеся); степени потери работоспособности (полные и частичные); связи с другими отказами РЭА (самостоятельные и зависимые); причине возникновения отказа (производственные,
п
конструкторско-технологические, эксплуатационные, обусловленные условиями применения или технического обслуживания); времени возникновения (отказы периода приработки, периода нормальной эксплуатации и ресурса):
P^=^N-nyN ; Я = п7— , ' ' (N-n) М
где N — количество испытуемых приборов; п — количество внезапных отказов за время At
Отход прибора при испытаниях на безотказность обусловливается внезапным скачкообразным процессом изменения одного или нескольких параметров. Внезапные отказы связаны с наличием технологических дефектов, не обнаруженных в процессе производства и сдаточных испытаний приборов и вызванных либо нарушением технологии, либо случайными внешними факторами. Внезапные отказы подразделяются на «катастрофические» (с полной и необратимой потерей работоспособности) и кратковременные с самовосстановлением (например, кратковременные пробои, длительность которых настолько мала, что в инерционных импульсных системах не приводит к отказу радиоэлектронной аппаратуры). Практика показывает, что интенсивность внезапных отказов уменьшается в процессе эксплуатации, поэтому продолжительность испытаний на безотказность обычно не превышает 500 ч. Основными причинами внезапных отказов обычно являются перегорание или обрыв нитей накала, обрыв вывода катода и других электродов, межэлектродные замыкания, высоковольтные пробои, трещины оболочки.
Под долговечностью ЭВП понимают свойство приборов сохранять работоспособность до наступления предельного состояния (износа). Отходы приборов при испытаниях на долговечность обусловливаются медленным, постепенным, закономерным (а нс случайным) изменением одного или нескольких параметров. Этг изменения являются следствием закономерных физико-химических процессов старения, непрерывно протекающих при эксплуатации. Постепенные отказы не приводят к нарушению работоспособности РЭА при условии своевременной замены ЭВП.
Основными причинами постепенных отказов являются уменьшение эмиссионной способности катодов; напыление активного вещества с катода на изоляторы и другие электроды, приводящее к «паразитной» холодной эмиссии, пробоям и утечкам; постепенное ухудшение вакуума, обусловленное газовыделением внутри прибора и снижением сорбционной емкости и скорости сорбции газопоглотителя.
Показателями долговечности являются:
«срок службы» прибора — продолжительность эксплуатации ЭВП до его замены, определяемой снижением параметров-критериев до величин, не допустимых технической документацией на данный тип прибора (параметрами-критериями обычно являются модуляция, яркость, величина тока, крутизна характеристики, шумы, паразитная эмиссия, токи утечки и т. д.);
«гамма-процентный ресурс» — величина, учитывающая процент отказавших приборов и срок их службы до отказа.
Хотя постепенные отказы в процессе долговечности являются закономерными, но время их наступления определяется случайной величиной, а закон ее распределения определяется плотностью вероятности f <й.
Под сохраняемостью приборов понимают их свойство непрерывно сохранять работоспособность без изменения своей долговечности и безотказности в течение срока хранения (без подачи питающих напряжений) и после транспортировки.
Технологические требования должны обеспечивать изготовление надежных приборов с минимальными материальными затратами и минимальной трудоемкостью.
Основными технологическими требованиями являются: возможность механизации, автоматизации и роботизации технологических процессов; использование прогрессивных методов технологии; применение дешевых и недефицитных материалов и полуфабрикатов, отличающихся постоянством свойств и характеристик; работа по хорошо изученным типовым технологическим процессам (это обеспечивает возможность использования серийного технологического оснащения и оборудования, повторяемость характеристик и параметров изготовляемых изделий и низкий процент брака); максимальное использование унифицированных, нормализованных и стандартизованных материалов, деталей, сборочных единиц.
Унификация — использование в каком-либо приборе деталей и сборочных единиц, уже применяемых в других приборах.
Нормализация — принудительное ограничение числа типоразмеров материалов, деталей, сборочных единиц, которые можно применять при изготовлении приборов. Документы, относящиеся к нормализованным изделиям (чертежи, технические условия), называются нормалями и оформляются в виде таблиц и альбомов. В зависимости от масштабов применения различают изделия заводской, ведомственной и межведомственной нормализации. Например, выпускаются нормали на базовые конструкции основных сборочных единиц приборов (нормали на базовые конструкции катодов, мощных генераторных ламп, базовые конструкции газопоглотителей и т. д.). В этих нормалях дается классификация
сборочных единиц, методы их расчетов, рекомендуемые конструкции, методы испытаний. Нормализация представляет собой дальнейшее развитие унификации.
Стандартизация является высшей ступенью нормализации и предусматривает выпуск нормалей в виде государственных стандартов, применение которых обязательно на всей территории СССР. Государственные стандарты (ГОСТы) распространяются обычно на нормы, параметры, размеры, требования и правила, установление которых необходимо для обеспечения единства и взаимосвязи различных областей науки, техники и производства.
Отраслевые стандарты (ОСТы) устанавливаются на продукцию, не являющуюся объектом государственной стандартизации, на технологическую оснастку, инструмент, специфические для конкретной отрасли, на технологические нормы и типовые технологические процессы отраслевого применения.
Стандарты предприятия (СТП) устанавливаются на объекты стандартизации, имеющие применение только на определенном предприятии, в частности на детали и сборочные единицы, являющиеся составными частями изготовляемой продукции, технологическую оснастку и инструмент, технологические нормы, требования и правила, действующие только на этом предприятии.
Технологический процесс изготовления прибора разрабатывается на основе конструкторских чертежей (конструкторской документации), технических условий, определяющих требования к прибору. Оформление, учет, хранение и обращение технологических документов выполняются в соответствии с правилами комплекса государственных стандартов, образующих Единую систему технологической документации (ЕСКД). Комплект технологической документации (ТД), необходимый для производства ЭВП, должен содержать комплекс документов.
Технологическая спецификация содержит перечень маршрутных карт изготовления конструкторских элементов (деталей и сборочных единиц), функциональных элементов, узлов, входящих в прибор, а также маршрутных карт сборки узлов в готовый прибор, его испытания и упаковки. В технологической спецификации перечисляются необходимые ведомости материалов, оборудования, оснастки и тары и при необходимости маршрутные карты производства специальных материалов (например, электродных сплавов).
Маршрутная карта (МК) — технологический документ, содержащий описание технологического процесса изготовления (включая контроль и перемещения) конкретных конструктивных и функциональных элементов, узлов, входящих в прибор, а также описание технологического процесса сборки прибора. В маршрутной карте указываются: последовательность выполнения техноло-
гцческих операций с очень кратким изложением их содержания, а также данных об оборудовании, оснастке, материальных и трудовых затратах; номер карт технологических процессов (КТП), , в которых подробно описывается технология каждой операции; наименование цеха и участка, где выполняется каждая из последовательных технологических операций, указанная в МК.
Маршрутная карта является основным документом, используемым технологическими и планово-диспетчерскими службами для нормативно-технических расчетов и оперативного контроля за ходом технологического процесса.
Карта технологического процесса (КТП) содержит описание технологического процесса изготовления изделия по всем операциям одного вида работ, выполняемым в одном цехе в технологической последовательности — с указанием данных о средствах технологического оснащения, материальных и трудовых нормативах.
Операционная карта (ОК) содержит подробное описание технологической операции с указанием технологических переходов, приемов, режимов обработки, технологического оснащения, а также требования охраны труда, технологической гигиены, научной организации труда. Операционная карта разрабатывается на каждую операцию технологического процесса изготовления прибора, а также КЭ и ФЭ.
В операционную карту входят следующие разделы: оборудование, оснастка, межоперационная тара; сборочные единицы, полуфабрикаты, детали, материалы; характеристика операции (цель операции, метод осуществления, требования к объекту обработки, реализуемые на этой операции, и методы оценки выполнения этих требований); условия проведения операции (в частности, требования технологической гигиены); подготовка рабочего места (включая работу наладчиков); организация трудового процесса; подробное описание самого технологического процесса (описание трудовых действий, связанных с выполнением операций); требование охраны труда.
Операционная карта является основным технологическим документом, находящимся на рабочем месте. Каждая операционная карта имеет свое обозначение, которое указывается в соответствующей графе маршрутных карт.
Карта эскизов (КЭ) — документ, содержащий графические иллюстрации (эскизы, схемы, таблицы) выполняемых операций, приемов техники безопасности, организации труда. Карты эскизов являются приложениями к операционным картам.
Ведомость материалов — документ, содержащий данные о применяемых материалах, заготовках этих материалов, их нормах
расхода, эскизы рекомендуемого раскроя. В них приводятся также формулы, по которым рассчитываются нормы расхода материалов.
Маршрутно-контрольная карта — документ, содержащий перечень и описание всех операций технического контроля, выполняемых при изготовлении конкретного прибора с указанием средств и методов контроля и требований к контролируемым параметрам. Маршрутно-контрольная карта дополняется контрольными картами (КК), в которых расшифровываются методики контроля с описанием применяемых средств.
ГЛАВА 2. ОБОРУДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОВАКУУМНОГО ПРОИЗВОДСТВА
КЛАССИФИКАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ
В электронной промышленности основной базовой формой производства является машинное производство, основной формой технологии — машинная технология.
Это означает, что важнейшие производственные процессы выполняются посредством разнообразных машин, станков, агрегатов, установок с тем или иным уровнем непосредственного участия человека в самих процессах или управлении ими.
Машиной называется сочетание механизмов и различных функциональных элементов, выполняющих целесообразные действия для преобразования энергии или информации и выполнения полезной работы. Функциональное назначение машин и степень их автоматизации весьма разнообразны. Различают три основных класса машин:
машин ы-д вигатели, преобразующие один вид энергии в другой (например, электродвигатели, генераторы, двигатели внутреннего сгорания и т.д.). Они являются источниками энергии, необходимой для функционирования всех видов оборудования;
вычислительные машины, которые систематизируют, накапливают, анализируют информацию и используют ее для управления как производством в целом (организационно-экономические функции), так и конкретным производственным оборудованием (технологические функции);
рабочие машины, выполняющие конкретную полезную работу по обработке данного объекта производства, которая может выражаться в изменении его формы, размеров, физико-химических свойств, положения в пространстве и т. д.
Рабочие машины подразделяются на технологические (машины-орудия), которые предназначены для технологического воздействия на предметы и целенаправленного изменения их свойств и
формирования качества, и транспортные, которые производят перемещение объектов труда в пространстве — их транспортировку, накопление, изменение ориентации и т. д.
Любая рабочая машина (технологическая или транспортная) состоит из трех механизмов: двигательного, передаточного и исполнительного.
Двигательный механизм служит для приведения в движение всех других механизмов и устройств оборудования. В качестве двигательных механизмов наиболее широко применяют электродвигатели, а также гидро- и пневмоприводы.
Передаточные механизмы необходимы для передачи движения от двигательного к исполнительным механизмам оборудования.
Исполнительный механизм определяет технологические возможности, степень универсальности и наименование машины (например, станок заварки, установка зонной очистки материалов, установка вакуумного отжига, станок штамповки ножек и т. д.).
По конструктивно-технологическим и производственным признакам оборудование, используемое в электронной промышленности, можно разделить на пять основных групп.
Универсальное стандартное оборудование, обычно поступающее из других отраслей промышленности (например, прессы; токарные, фрезерные станки; контрольно-измерительная аппаратура общего применения и др.);
оборудование общего назначения является общим для всех классов и групп электровакуумных приборов (например, монтажно-сварочные столы, установки химической и термической очистки, установки очистки воды и т. д.);
типовое оборудование, рассчитанное на изготовление конкретного класса или группы приборов (например, станок заварки ЭЛТ, пост откачки СВЧ-приборов);
узкоспециальное оборудование, рассчитанное на изготовление конкретного, единственного типа прибора и не допускающее переналадок на другие наименования приборов (например, стенд для испытания параметров дисплейных кинескопов с диагональю экрана 32 см).
Разновидностью этой группы является специализированное оборудование, которое в пределах своего технологического назначения может переналаживаться на выпуск определенного диапазона типоразмеров однородных приборов (например, напылительное оборудование, конвейерные машины нанесения люминофора И т. д.);
гибкое универсальное оборудование, скомпонованное на базе типовых унифицированных механизмов и устройств (в частности,
на базе гибких производственных модулей) и поддающееся автоматической переналадке на широкий диапазон изделий.
■ По технологическому назначению.оборудование электровакуумного производства подразделяется на следующие группы: химическое; термическое; сварочное; механическое; вакуумное; сборочное; для производства деталей из стекла, керамики и ситаллов, пластмасс; тренировочное; испытательное; для автоматических систем управления (АСУ) и т. д.
По конструктивному решению оборудование подразделяется по количеству позиций: однопозиционное и многопозиционное; компоновочному решению: роторное (карусельного типа) и линейное (линейного типа); характеру перемещения обрабатываемых изделий внутри оборудования: периодического (дискретное) и непрерывного действия.
По уровню автоматизации оборудование классифицируется на следующие группы: неавтоматизированные машины с ручным управлением, полуавтоматы, автоматы; поточные, автоматизированные, автоматические линии; гибкие производственные системы и т. д.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБОРУДОВАНИЯ
Различные варианты машин одинакового назначения отличаются по своим выходным параметрам, основными из которых являются: качество продукции, производительность труда, надежность в работе, уровень автоматизации, стоимость.
Для машин электровакуумного производства характерна цикличность работы: периодическая повторяемость отдельных действий и движений, связанная с выпуском дискретной продукции.
При этом происходит циклическое чередование:
рабочие движения (рабочие ходы) исполнительных механизмов, непосредственно производящих обработку,' сборку или контроль изделия;
вспомогательные движения (холостые ходы), не связанные непосредственно с технологическим воздействием, но подготавливающие условия для него (например, подача заготовок, их зажим, подвод инструментов и т. д. (рис. 2.1));
рабочий цикл машины (рис. 2.2) — интервал времени между двумя одноименными операциями (двумя срабатываниями ее основных рабочих механизмов). За время рабочего цикла машина выдает одно изделие (или одну порцию изделий), т. е. каждый механизм за время рабочего цикла срабатывает один раз.
Рабочий цикл (Т ц) оборудования складывается из длительности рабочих (Z р) и вспомогательных (холостых /х) ходов:
Тц” t р + t х •
Рис. 2.1. Схема классификации типовых механизмов холостых ходов автоматов и автоматических линийРис. 2.1. Схема классификации типовых механизмов холостых ходов автоматов и автоматических линий
Рис. 2.1. Схема классификации типовых механизмов холостых ходов автоматов и автоматических линий
Рис. 2.1. Схема классификации типовых механизмов холостых ходов автоматов и автоматических линий
Как видно из рис. 2.2, после пуска машины осуществляются следующие движения: вспомогательные холостые
движения длительностью t xi 57* (подача и зажим заготовки,
включение, подвод инструмен- Рис. 2.2. Составляющие рабочего цикла тов); рабочее движение испол- машинынительного механизма (рабо
чий ход) длительностью / р; снова холостые движения длительностью 1x2 (отвод инструмента, разжим, выключение, снятие обработанного изделия, подача другой заготовки, ее зажим и т. д.); рабочие движения исполнительного механизма на последующей обрабатываемой детали.
Технологический цикл оборудования — интервал времени, в течение которого технологический процесс обработки изделия на данном оборудовании выполняется полностью.
Цикловой производительностью оборудования Q ц называется количество продукции, снимаемое с оборудования в единицу времени:
дц = Р/Тц-Р/ (tp + tx),
где Р — количество изделий, производимых за период рабочего цикла Гц.
Цикловая производительность характеризует лишь потенциальные возможности оборудования в идеализированных условиях (без учета брака, простоев, ремонта и т. д.). В реальных производственных условиях не вся изготавливаемая на оборудовании продукция соответствует требованиям технической документации. Поэтому действительная производительность — это количество годной продукции, выдаваемой в единицу времени:
<2д = 2ц 7г>
где ^г = ni/no— процент выхода годной продукции (л i — количество годных изделий, выпущенных за единицу времени; по — общее количество изделий, изготовленных за единицу времени).
Коэффициент производительности 7 пр определяют отношением времени рабочих ходов к рабочему периоду цикла:
7 пр = t р/Т ц.
Например, если 7 пр = 0,8, то это означает, что в рабочем цикле 80 % составляют рабочие ходы, а 20% — холостые ходы. Коэффициент производительности характеризует собой конструк-
тивное совершенство оборудования или линии, степень их приближения к системам непрерывного действия.
Коэффициент использования оборудования 7 исп — отношение времени бесперебойной работы оборудования или линии за какой-то период к суммарному времени работы и простоев за тот же период. Коэффициент использования оборудования характеризует качество работы оборудования или линии, уровень эксплуатации, надежность в работе, степень загрузки и численно показывает долю времени работы оборудования в общем фонде времени (рис. 2.3).
Коэффициент загрузки т) 3 показывает, какую долю общего планового фонда времени оборудование работает, ремонтируется, налаживается и какую долю простаивает по внешним причинам. Так, т)з =0,8 означает, что из общего планового фонда времени лишь 80% занимают работа и простои оборудования для устранения возникающих при работе неполадок, а 20% оборудование простаивает по организационно-техническим причинам, при полной исправности механизмов и инструмента.
Надежность машин — комплексное свойство, которое включает безотказность в работе, ремонтопригодность и долговечность.
Под ремонтопригодностью подразумевают приспособленность к предупреждению и обнаружению отказов и повреждений, к восстановлению работоспособности путем технического обслуживания и ремонта. Чем меньше времени требуется на обнаружение и устранение отказов, тем выше ремонтопригодность.
' Наиболее употребительные показатели надежности следующие: параметр потока отказов со — средняя частота отказов (этот параметр характеризует плотность вероятности возникновения отказа машины или любого из ее элементов, определяемую для рассматриваемого момента времени);
средняя наработка на отказ /и Ср — отношение наработки (продолжительности «чистой» бесперебойной работы) к числу отказов в течение этой наработки;
среднее время восстановления работоспособности после возникшего отказа — тв.
Коэффициент технического использования т; тех — комплексный показатель надежности, показывает численно, какую долю времени машина работает (при полном обеспечении всем необходимым: энергия, Инструмент, заготовки) и какую простаивает . по собственным техническим причинам (обнаружение, устранение и предупреждение отказов механизмов, устройств и т. д.). Коэффициент технического использования тем выше, чем меньше времени занимает замена и регулировка инструментов, ремонт и Регулирование механизмов и т. д.
Рис. 2.3. Схемы основных состояний при функционировании автоматовРис. 2.3. Схемы основных состояний при функционировании автоматов
Рис. 2.3. Схемы основных состояний при функционировании автоматов
Рис. 2.3. Схемы основных состояний при функционировании автоматов
Рис. 2.4. Схема классификации факторов возникновения отказов при работе автоматизированного оборудования
На рис. 2.4 приведена схема классификации факторов возникновения отказов при работе оборудования в автоматических линиях. К числу необратимых монотонно действующих факторов относятся износ инструмента, разрегулирование механизмов и устройств, усталостные явления в материале оборудования и оснастки, коррозия, изменение формы (коробление) и физико-химических свойств (старение) конструкционных материалов, изменение квалификации обслуживающего персонала и т. д. Это приводит к ухудшению точности позиционирования, увеличению мгновенного поля рассеивания размеров, снижению жесткости узлов и т. д.
К циклически действующим, обратимым факторам относятся такие, у которых числовые значения при каждой реализации есть случайные величины, распределенные в определенном диапазоне. Их характерная особенность — изменение по величине (увеличение или уменьшение) без вмешательства человека. Эти факторы
обусловлены нестабильностью внешних условий, технологических и конструктивных параметров: размеров и формы заготовок; физико-химических свойств обрабатываемых материалов; температуры и влажности окружающей среды; режимов и усилий обработки; температуры и свойств рабочих жидкостей и газов; скоростей рабочих и холостых перемещений; конечных положений механизмов (их позиционирования) и т. д.
Рис. 2.5. Диаграмма функционирования автомата во времени
Рассмотрим типовой процесс функционирования автомата в течение некоторого периода времени 6 0, например полного рабочего дня. На рис. 2.5 по горизонтали откладываем текущее время 9 , а по вертикали — количество выпущенной годной продукции Z. Начало координат соответствует моменту начала рабочей смены (6 =0), когда продукции еще нет (Z = 0). Начинается рабочая смена, но продукция не выдается, потому что происходит наладка станка (длительностью 61 ) на обработку данного изделия. Затем машина-автомат включается и начинает выдавать продукцию, количество которой пропорционально чистому проработанному времени, однако лишь до некоторого момента, когда возникает отказ (поломка инструмента), что приводит к простою 02. После восстановления работоспособности машина продолжает работу до вынужденных перерывов длительностью 0 з и 0 4, например из-за отсутствия заготовок, неполадок механизмов и устройств, отсутствия рабочего.
В итоге за календарное время 0 I полностью обрабатывается заданное количество деталей Z i, после чего машина должна быть переналажена на выпуск партии других деталей. Для переналадки 24
используется простой длительностью 6 5, после чего следует период 6 и с чередованием интервалов работы и простоев по различным причинам, например, размерная подналадка 6 6, корректировка программы 67, измерение точности (0 8 ), уборка и очистка машины (0 9 ). В итоге за период времени 6, взятый в качестве базы наблюдения, на машине-автомате будет обработано не Z о деталей, как это было бы при бесперебойной работе, а значительно меньше: Z1 + Z п. ,
ГЛАВА 3. ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ
. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТАХ
Промышленные роботы (ПР) — машины, способные, подобно человеку, выполнять разнообразные производственные операции.
Общее назначение промышленных роботов:
увеличение объема производства и производительности труда;
замена человека при работе в опасных и вредных условиях среды (например, повышенной влажности, температуры, уровня шума, химической активности, загрязненности, токсической и радиоактивной опасности) ;
освобождение человека от тяжелого физического и монотонного труда и работ, требующих мер безопасности (например, при загрузке-разгрузке заготовок в штамп).
В сварочном производстве роботы могут выполнять такие работы, как установка и фиксация оснастки в рабочее положение на технологическом оборудовании и снятие с него; подача деталей и узлов в сборочные оправки для сварки; сборка деталей и узлов под сварку и подготовка их к сварке; непосредственное осуществление технологических операций сварки (контактной, точечной, дуговой, плазменной и др.), зачистка сварочных швов; контроль качества сварки; выполнение различных межоперационных транспортных, погрузочно-разгрузочных и складских операций; работа в комплексе с другим технологическим сварочным и транспортным оборудованием в поточных линиях, управление различным технологическим оборудованием.
Основными параметрами, в зависимости от которых выбирается конструкция и производится классификация роботов, являются: мобильность, грузоподъемность, число степеней свободы, точность позиционирования, рабочая зона, тип и число рабочих органов, вид, величина и скорость их перемещения, тип привода и системы управления и др.
В понятие «промышленный робот» включается многообразие роботов: от простейших, способных совершать лишь элементарные перемещения, до современных интеллектуальных, обладающих искусственными органами зрения, осязания, слуха и умеющими автоматически выбирать оптимальную рабочую программу.
По назначению промышленные роботы подразделяются на два основных класса: производственные и транспортные.
По требованиям к точности манипулирования различают роботы нормальной точности (0,1 — 5 мм), прецизионные (5 — 100 мкм) и ультрапрецизионные (с точностью до 0,03 мкм).
По требованиям к окружающей среде различают: чистые (или «белые») роботы, которые не ухудшают атмосферы чистых комнат соответствующих классов вакуумной гигиены; обычные роботы, к : которым не предъявляются никакие специфические требования по 1 герметичности, газо- и пылевыделениям.
Основные перспективные направления в области усовершенствования роботов: повышение их быстродействия; повышение точности позиционирования; уменьшение габаритов; усовершенствование методов управления от ЭВМ; очувствление — создание ' малогабаритных сенсоров (в первую очередь зрения, затем ! осязания и слуха); создание модульных, взаимозаменяемых роботов; усовершенствование языков программирования; разработ- { ка новых материалов для нужд робототехники.
3.2. КОНСТРУКЦИЯ РОБОТОВ
Любой промышленный робот представляет собой автоматиче- ; скую машину, состоящую из управляющей и исполнительной ; систем (рис. 3.1).
от датчиковуправления
позициина приводыПанель обучения
Система управления роботом
Рис. 3.1. Устройство промышленного робота
Управляющая система принимает от человека задание на работу и обеспечивает выдачу команд на исполнительные механизмы в зависимости от заданной программы, а также осуществляет контроль за выполнением задания. Она обычно состоит из блоков памяти, логики и пульта управления (см. с. 32).
Исполнительная система включает в себя: механический манипулятор, способный непосредственно выполнять заданную работу; систему передвижения, доставляющую манипулятор к рабочему месту.
Манипулятор — многофункциональное механическое устройство (близкое по своей конструкции, функциям и двигательным возможностям к руке человека), предназначенное для выполнения операций захвата и перемещения предметов в трехмерном пространстве или (и) их технологической обработки. Иногда манипулятор называют рычажно-захватным устройством. Обычно манипулятор представляет собой разомкнутый многозвеньевой механизм, состоящий из (рис. 3.2):
рычажного устройства с приводом (наподобие плеча и предплечья у человека), способного совершать возвратно-поступательные перемещения (линейное горизонтальное или вертикальное и вращательные движения);
захватного устройства (наподобие человеческой кисти с пальцами), которое с помощью приводов может совершать различные поступательные и вращательные движения. На практике применяются вакуумные, механические, магнитные захватные устройства.
Манипулятор располагается обычно сверху станины, покоящейся на основании (рис. 3.2). Движение манипулятора состоит из перемещений рычажного устройства, которое определяет положение захватного устройства в рабочем пространстве, и из перемещения самого захватного устройства, которое определяет ориентацию захватного устройства.
Человеческая рука имеет шесть степеней свободы (рис. 3.3). Для работы с 3-мерными деталями манипулятор робота в оптимальном случае должен иметь также шесть степеней свободы: три — для переноса детали в заданное положение и еще три — для установки детали в нужной ориентации. Дополнительно одна степень свободы должна приходиться на открытие-закрытие захватывающего устройства или включение-выключение вакуумного присоса.
Степенями свободы робота являются, например, прямолинейные перемещения, поворот или вращение каждого из звеньев манипулятора (как рычажного, так и захватного устройства).
Увеличение степеней свободы усложняет конструкцию, увеличивает размеры и стоимость робота, но позволяет выполнять большее количество разнообразных операций и облегчает адаптацию робота к изменениям внешней среды. В зависимости от практического назначения и применения промышленные роботы имеют рычажные устройства с тремя—пятью степенями свободы, захватные устройства с двумя степенями свободы и станину с одной-двумя степенями свободы (рычажное устройство поворачивается в горизонтальной плоскости, перемещается и наклоняется в вертикальной плоскости, выдвигается и убирается обратно, перемещаясь вдоль своей оси; захватное устройство дополнительна наклоняется в вертикальной плоскости и вращается вокруг горизонтальной оси).
Робот, показанный на рис. 3.4, имеет пять степеней свободы, необходимых для захвата предмета с горизонтальной подставки: из них три степени свободы необходимы для перемещения захватного устройства к предмету вдоль координатных осей х, у, z одна степень свободы для придания «схвату» требуемой ориентации относительно координаты 0 (поворот вокруг оси z) и одна степень свободы для открытия-закрытия «схвата».
Следует учитывать, что одинаковое число степеней свободы может обеспечивать различное сочетание поступательных и вращательных движений рычажно-захватного устройства (РЗУ). Например, при трех степенях свободы возможны четыре сочетания различных движений рычажно-захватного устройства (рис. 3.5):
сочетание трех поступательных движений, при которых конец рычага может перемещаться по взаимно параллельным плоскостям, образующим параллелепипед. Это роботы, у которых начальное и конечное положения движущегося рабочего органа задаются в прямоугольной системе координат (по осям х, у, ^ — рис. 3.5, а;
Рис. 3.4. Робот с пятью степенями свободыРис. 3.4. Робот с пятью степенями свободыРис. 3.5. Возможные движения (указаны стрелками) рычажно-захватного устройства робота при одинаковом числе степеней свободы: 1—основание; 2— стойка (колонка); 3— каретка; 4— рычажное устройствоРис. 3.5. Возможные движения (указаны стрелками) рычажно-захватного устройства робота при одинаковом числе степеней свободы: 1—основание; 2— стойка (колонка); 3— каретка; 4— рычажное устройствосочетание двух поступательных и одного вращательного движения, при котором кроме движения конца рычага по плоскости возможно движение по цилиндрической поверхности (вокруг вертикальной
Рис. 3.4. Робот с пятью степенями свободы
Рис. 3.4. Робот с пятью степенями свободы
Рис. 3.5. Возможные движения (указаны стрелками) рычажно-захватного устройства робота при одинаковом числе степеней свободы: 1—основание; 2— стойка (колонка); 3— каретка; 4— рычажное устройство
Рис. 3.5. Возможные движения (указаны стрелками) рычажно-захватного устройства робота при одинаковом числе степеней свободы: 1—основание; 2— стойка (колонка); 3— каретка; 4— рычажное устройство
оси). Это роботы с цилиндрической системой координат (г, 6 , z) — рис. 3.5, б;
сочетание одного поступательного движения в радиальном направлении и двух вращательных движений, при котором возможны движения по окружностям, расположенным на разных диаметральных сечениях шара с центром, находящимся на оси шарнирного сочленения стойки и каретки. Это роботы с полярной системой координат (г, 6, у>) — рис. 3.5, в;
сочетание трех вращательных движений, при котором движения могут происходить по многим шаровым поверхностям, образованным из различных центров. Это роботы со сферической системой координат (рис. 3.5, г).
Число степеней свободы и тип системы координат, по которым перемещается рычаг робота, оказывают существенное влияние на геометрию и величину зоны обслуживания (рабочего пространства).
При движении рычага в системе цилиндрических координат зона обслуживаемого пространства возрастает в 9,6 раза, при движении в полярных — в 29,7 раза, при движении в сферических — в 87,2 раза по сравнению с перемещением рычага в прямоугольных координатах (при одной степени свободы).
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫМИ РОБОТАМИ
Система управления промышленными роботами воспринимает от человека задание на работу, запоминает его, формирует логическую последовательность операций, выдает управляющие команды на рабочий орган — манипулятор робота и осуществляет контроль за ходом выполнения этих команд. Основное назначение системы управления — обеспечение автоматической работы манипулятора в соответствии с заданной программой, осуществление связи и синхронизации между действиями робота и обслуживаемого им оборудования, а также контроль за рабочей зоной робота.
В принципе современный этап робототехники можно охарактеризовать как этап разработки, исследования и накопления управляющих алгоритмов. По гибкости управляющего алгоритма и уровню своего «интеллектуального» развития промышленные роботы принято делить на три поколения.
Роботы 1-го поколения работают по жесткой заданной программе. Эти роботы не способны воспринимать внешнюю по отношению к ним информацию об ориентации детали, ее размерах, массе, усилии зажима. Их реакцию всегда можно заранее предсказать, так как они не способны адаптироваться к изменяющейся внешней среде. Такие роботы можно использовать только на сравнительно простых транспортно-погрузочных или зп
технологических (окраска, гальванопокрытие, сушка) операциях. Роботы 1-го поколения имеют электромеханическую систему перемещения, механическую память и программу управления (специальные контактно-релейные или электронные схемы, универсальные контроллеры), разомкнутую систему регулирования без обратной связи, механические стопорные устройства и аналоговые преобразователи положения (высокоточные потенциометры) для определения координат. Роботы 1-го поколения имеют мало степеней свободы (обычно поворот в горизонтальной плоскости, линейное перемещение в вертикальной плоскости и вдоль своей оси, поворот вокруг своей оси и наклон в вертикальной плоскости); запоминающее устройство малой емкости (хранит программы, включающие не более 1024 движений), низкую надежность, а также требуют предварительного и постоянного ориентирования изделий для обеспечения их захвата или обработки.
Роботы 2-го поколения, или адаптивные, работают по гибкой программе, их реакция определяется не только состоянием робота, но и состоянием внешней среды, для чего они снабжены датчиками внешней информации: искусственным зрением, слухом, осязанием и другими устройствами, позволяющими выделять необходимую информацию об ориентации детали, ее размерах и других свойствах. Система управления такими роботами строится на базе микроЭВМ или на микропроцессорной основе. Алгоритм управления хранится в оперативной памяти и может быть централизованно автоматически заменен по командам системы управления высшего уровня. Для программирования работы роботов этого поколения применяются специализированные языки высокого уровня или специальные диалоговые языки.
Роботы 2-го поколения могут применяться для управления оборудованием, для замены операторов, а также для автоматизации сборочных операций и процессов управления. Они характеризуются большой емкостью памяти, повышенной маневренностью (6 — 7 степеней свободы).
Работа ПР 2-го поколения с высокой степенью точности синхронизируется с работой основного технологического и другого оборудования, что позволяет создавать гибкие промышленные модули (ГПМ) и гибкие промышленные системы (ГПС).
Роботы 3-го поколения с системой управления от ЭВМ, или интеллектуальные, пока еще только разрабатываются и не вышли из стен лаборатории. Характерной особенностью таких роботов является чрезвычайно широкая адаптация к внешним условиям. Они характеризуются наличием искусственных устройств «очувствления», наличием обратной связи, координирующей движения исполнительного
механизма в зависимости от информации датчиков-сенсоров, имеют логическое устройство значительной емкости, позволяющее проводить абстрактные рассуждения, самообучаться и принимать решение в зависимости от конкретной обстановки. Такие роботы смогут координировать свои действия восприятием формы, размеров и положения обрабатываемых деталей, выбирать нужные детали из навала, рихтовать и ориентировать их для выполнения последующих операций, оптимизировать результаты своей работы. Столь высокая степень адаптации приводит к повышенной автономности робота. При своей работе он требует минимальное число команд от системы управления высшего уровня. Система искусственного интеллекта обеспечивает минимальную трудоемкость программирования робота, ему сообщается лишь цель работы, что нужно сделать и какие обеспечить параметры. А как это сделать, т. е. каковы должны быть последовательность и параметры каждой из операций, робот решает сам. Роботы 3-го поколения будут наиболее универсальны, их работа в составе ГАП и РТК автоматически обеспечит гибкость технологических систем, так как робот сумеет сам подбирать оптимальные технологические процессы не по выполняемой им локальной технологической операции, а с точки зрения конечного результата. В этом роботу будет помогать централизованная система управления комплексом. Роботы 3-го поколения можно использовать для слежения за парком оборудования, управления контрольноизмерительными установками и ходом производства, выполнения конструкторских работ и полного технологического цикла операций с корректировкой режимов в зависимости от комплекса внешних факторов и др.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ЭВМ
Прямое управление роботами 2-го и 3-го поколений и автоматизированными линиями от ЭВМ — важнейшая и определяющая тенденция автоматизации в электронной промышленности. Современные средства вычислительной техники имеют широкие функциональные возможности и практически осуществляют не только информационно-вычислительные, но и управляющие функции (на них приходится более 90% машинного времени). Поэтому в последнее время вместо названия «ЭВМ» применяют название «компьютер». Функциональная схема современной управляющей ЭВМ приведена на рис. 3.6. Она включает следующие узлы:
запоминающие устройства (ЗУ);
арифметическо-логическое устройство (АЛУ);
управляющее устройство (УУ);
устройства ввода и вывода информации (УВВ).
Объект управления
Объект наблюдениялент° Магнитный Ллж
Рис. 3.6. Функциональная схема управляющей ЭВМ
Для работы ЭВМ в нее необходимо ввести информацию двоякого рода; программу, указывающую последовательность операций, которую должна выполнить ЭВМ; исходные данные (числовые или информативные), которые машина должна обработать для решения конкретных задач и выдачи конечного результата.
Для хранения всей этой информации компьютер имеет запоминающее устройство, а также устройства ввода и вывода.
Запоминающее устройство (ЗУ) представляет собой набор1 перенумерованных ячеек памяти, где располагаются коды операторов и программ, исходные данные. В каждой ячейке может храниться машинное слово. В режиме записи на входы ЗУ подаются номер ячейки — адрес (число А) и запоминаемое число, например «а». i
В режиме чтения на вход ЗУ сообщается номер ячейки —; адрес (число А) — при этом на выходе ячейки появляется. содержимое этой ячейки, т. е. число «а».
В ЗУ информацию можно вводить в разных вариантах: в виде числа, оператора или текста. В любом варианте они запоминаются в виде кодирующих наборов двоичных символов.
Применяются следующие разновидности ЗУ.
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) — основная память компьютера, в котором хранится программа и исходные данные. ОЗУ имеется во всех компьютерах и определяет степень их гибкости и быстродействие в работе. В качестве ОЗУ могут применяться: магнитная память, состоящая из миниатюрных ферритовых колец (намагничивание колец в одном или другом направлении равнозначно запоминанию одного бита информации); полупроводниковая память, образуемая большим числом конденсаторов, находящихся на кристалле БИС (большой интегральной схеме); триггеры.
Число колец, конденсаторов или триггеров определяет емкость ОЗУ, измеряемую в килобайтах, т. е. в тысячах слов: 1 К = 2 1 = = 1024; 1 М (мегабайт) = 1000 К.
Перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ), в которое информация заносится самим пользователем.
Внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) служит для хранения больших массивов информации и доступа к ним. В качестве ВЗУ могут применяться магнитные диски или ленты, на которых можно записать в 10— 1000 раз больше информации, чем в ОЗУ (однако доступ к этой информации требует значительного времени: нужный фрагмент из памяти ВЗУ необходимо сначала перевести в ОЗУ, и только затем его можно использовать для решения конкретной задачи).
Особо распространены для компьютеров так называемые гибкие магнитные диски (дискеты), которые внешне похожи на грампластинку малой толщины и диаметра и могут легко заменяться в компьютере. В последнее время появились оптические диски, на которых запись информации производится лазерным лучом — это позволяет записать значительно больший объем информации, чем на магнитный диск.
Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) производит обработку информации. Оно работает как карманный
калькулятор, который при введении в него числа (операнды) и кода операции немедленно выдает результат.
Управляющее устройство (УУ) обеспечивает взаимодействие и координацию всех узлов ЭВМ. Важнейшей функцией УУ является управление взаимодействием ОЗУ и АЛУ: УУ указывает ОЗУ, какие данные должны быть переданы АЛУ, включает АЛУ на использование нужной операции для обработки этих данных, а полученный результат помещает в ОЗУ.
Сочетание управляющего устройства (УУ) с арифметическо-' логическим устройством (АЛУ) называется процессором.
Управляющее устройство (УУ) выполняет свои функции е помощью специальной программы, которую называют операционной системой (ОС).
Эта программа записана в ОЗУ и представляет собой набор правил, как должен работать компьютер в той или иной ситуации.
Система управления состоит из командного, алгоритмического и динамического уровней.
На командном уровне на специальном программирующем языке генерируются высокоуровневые управляющие сигналы — путем сравнения конкретного практического состояния процесса с хранимой в памяти моделью (эталоном) технологического процесса. Командный уровень включает следующие команды: управление движениями рабочего органа робота, управление устройствами слежения, средствами сигнализации и системой выполнения технологических операций, программного включения и выключения преобразователей и их приоритета.
Алгоритмический уровень реализует алгоритм управления (в полном соответствии с командами, полученными от командного уровня).
Динамический уровень непосредственно управляет движениями манипулятора робота по командам текущего алгоритма.
Например, при возникновении ситуации, отличной от модели, заложенной в памяти (например, сбой аппаратуры) АЛУ начинает работать с операционной системой (ОС), которая решает, что делать дальше. При этом АЛУ определяет команды, которые надо выполнить различным агрегатам компьютера (например, включить какое-то устройство ввода информации и т. д.) для продолжения работы.
Структурная схема уровней управления (рис. 3.7) содержит модель технологического процесса 1, командный уровень управления 2, модель робота и состояния технологического процесса 3, алгоритмический уровень управления 4, модель состояния технологического процесса 5, динамический уровень управления б, непосредственное воздействие на робот 7, технологический процесс 8.
Рис. 3.7. Структурная схема уровней управления роботом на базе ЭВМРис. 3.7. Структурная схема уровней управления роботом на базе ЭВМКомандный и алгоритмический уровни управления, модели технологического: процесса реализуются по программам,: размещенным в ОЗУ; динамический уро-: вень управления реализуется на аналоговых средствах.
Рис. 3.7. Структурная схема уровней управления роботом на базе ЭВМ
Рис. 3.7. Структурная схема уровней управления роботом на базе ЭВМ
ОЗУ, АЛУ и УУ образуют «мозг») компьютера. Устройства ввода и вывода5 информации (УВВ) применяются для обеспечения связи «мозга» компьютера с любым управляемым объектом (роботом, ГПМ, ГПС, ГАПом). ’
Специальное устройство, соединяющее устройство ввода (или вывода) информации с управляющим устройством (УУ), называется интерфейсом.
Интерфейс играет роль своеобразного «переводчика» с одного языка на другой. Примером интерфейса между электрическим процессом и компьютером, обрабатывающим этот процесс, является аналого-цифровой прибор (АЦП), преобразующий аналоговый, сигнал в его цифровое значение.
В качестве устройств ввода информации могут применяться:
Пульт с алфавитно-цифровой клавиатурой, похожей на обычную пишущую машинку с 50 — 80 клавишами.
Устройства внешней памяти (ВЗУ), такие, как компакт- кассеты и магнитные диски для ввода информации.
Электронно-лучевые трубки, на экраны которых выводятся тексты, состоящие из слов и цифр.
Дисплей, который сочетает в себе алфавитно-цифровую клавиатуру пульта (ввод), экран электронно-лучевой трубки или экран на жидких кристаллах (вывод).
Для фиксации (вывода) информации в ЭВМ используются печатающие устройства, графопостроители (в системах автоматизированного проектирования).
Для управления объектом (например, роботом, ГПС и т. д.) с помощью компьютера необходимо иметь возможность автоматически отрабатывать его команды. В этом случае интерфейс преобразует число, вычисленное компьютером, в величину, определяющую положение управляемого органа, и выдает команду сервоприводу исполнительного механизма.
С появлением БИС (больших интегральных схем) они сами по себе стали осуществлять функции АЛУ и УУ, т. е. процессора
машины.
НГМДНГМДРис. 3.8. Структурная схема микропроцессорной системы управления роботомРис. 3.8. Структурная схема микропроцессорной системы управления роботомМикроЭВМ — микропроцессор внешним обрамлением, позволяющим ему производить необходимые арифметико-логические операции и осуществлять связь с внешними устройствами: дисплеем, клавиатурой, внешней памятью, блоком формирования и принятия команд. Типовая укрупненная схема микропроцессорной системы управления промышленным роботом или технологическим оборудованием показана на рис. 3.8. Процессорный модуль ПМ, содержащий микропроцессор с необходимым обрамлением, подключен к общей шине, состоящей из шин адресов, данных и управления. По шине адресов передаются адреса ячеек памяти (устройств), к которым обращается микропроцессор, по шине данных — данные, которыми микропроцессор обменивается с другими устройствами, по шине команд — команды, организующие этот обмен и всю внутреннюю работу системы управления.
НГМД
НГМД
Рис. 3.8. Структурная схема микропроцессорной системы управления роботом
Рис. 3.8. Структурная схема микропроцессорной системы управления роботом
К общей шине подключены постоянные (ПЗУ) и оперативное (ОЗУ) запоминающие устройства и адаптеры интерфейса (АИ), позволяющие процессору вести обмен информацией с дисплеем Д, накопителем на гибком магнитном диске НГМД, манипулятором (М) и внешней средой. В памяти системы управления записана совокупность команд, определяющих ее проведение. Каждая команда хранится в одном или нескольких машинных словах и начинается с признака или кода команды, определяющего, что должен делать микропроцессор. Всего в зависимости от типа микропроцессора существует от 30 до 150 и более конкретных команд (арифметико-логические, пересылки и ввода-вывода, управления и ряд других). После команды указывается номер Регистра микропроцессора, где записан адрес ячейки памяти, содержащей операнд.
3.5. КЛАССИФИКАЦИЯ РОБОТОВ
В зависимости от способа управления и уровня входной информации различают шесть основных групп роботов (табл. 3.1).
1 п
Таблица 3.1
Наименование робота
Характерные особенности‘
Ручные манипуляторы
Промышленные роботы с цикловым управлением (с жесткой последовательностью операций)
Промышленные роботы с цикловым управлением (с перепрограммируемой последовательностью операций)
Промышленные роботы, программируемые методом обучения по первому рабочему циклу (робот, программируемый человеком, оператором)
Промышленные роботы с числовым программным управлением (робот, программируемый ЭВМ)
Робот с элементами искусственного интеллекта
Манипулятор управляется вручную, т. е. приводится в движение с помощью непосредственных физических усилий рабочего-опе-1 ратора. Робот работает без ЭВМ
Манипулятор предназначен для автоматического многократного выполнения одной и той же заранее заданной последовательности операций в условиях неизменной внешней среды. Робот работает без ЭВМ. Система управления имеет механическую память
Система управления позволяет легко изменять последовательность действий робота при изменении внешних условий, а также при переходе от одной технологической операции к другой. Робот управляется ЭВМ. Изменение программы управления осуществляется заменой записи на программоносителе
Режим обучения — в память ЭВМ записывается рабочая информационная программа. Рабочий режим — система управления по очереди выбирает из памяти координаты узловых точек и формирует соответствующие управляющие сигналы на приводы исполнительной системы. Главный недостаток роботов, программируемых методом обучения по 1-му рабочему циклу — неумение адаптироваться к внешней среде (например, при изменении фактических координат по сравнению с координатами, которые характеризовали его положение и ориентацию в режиме обучения робота) Информация о рабочей траектории и о действиях, которые должны выполняться роботом, хранится и обрабатывается в числовой форме. Центральный процессор вычислительной системы определяет координаты точек вывода, алгоритмы перемещений рабочих органов и т. д. Управляющая информация передается контроллеру (содержащему число-аналоговые преобразователи) и соответствующим блокам выработки элементарных команд, реализующим через приводы исполнительной системы текущее управление и регулирование перемещениями
Роботы, способные самостоятельно формировать логическую последовательность операций, необходимую для выполнения заданной работы. Эти роботы обычно содержат искусственные системы зрения, осязания, слуха, силового очувствления и логического вывода, что в совокупности с ЭВМ и телевизионными камерами позволяет изменять структуру алгоритма управления манипулятором, составлять новые программы в режиме диалога с оператором, оперативно корректировать и отлаживать готовые программы. Гибкость и многофункциональность системы управления достигается самообучением, предусмотренным в программном обеспечении ЭВМ. В процессе обработки управляющих сигналов осуществляется сравнение фактических координат рычажно-захватного устройства с заданными в программе. При их несовпадении вырабатываются дополнительные корректирующие сигналы-команды. Этот принцип управления называется управлением с обратной связью
внешней среде. С помощью искусст-внешней среде. С помощью искусст-Рука*Рука*Телевизионная камераТелевизионная камераРис. 3.9. Общий вид интеллектуального промышленного роботаРис. 3.9. Общий вид интеллектуального промышленного роботаАнтенна сбязи с центральным компьютеромАнтенна сбязи с центральным компьютеромСистема переббижения роботаСистема переббижения робота
внешней среде. С помощью искусст-
внешней среде. С помощью искусст-
Рука*
Рука*
Телевизионная камера
Телевизионная камера
Рис. 3.9. Общий вид интеллектуального промышленного робота
Рис. 3.9. Общий вид интеллектуального промышленного робота
Антенна сбязи с центральным компьютером
Антенна сбязи с центральным компьютером
Система переббижения робота
Система переббижения робота
3.6. ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ РОБОТЫ
Для выполнения сборочных операций необходимы роботы с обратной связью. Это связано с тем, что для управления сборочным роботом необходимо вдвое увеличить число расчетных координат.
Помимо информации о положении и ориентации рабочего органа требуется информация о распределении сил по трем координатным осям и распределении вращающих моментов вокруг этих осей (и соответственно вычисление координат, векторов сил и моментов).
В большинстве практических случаев комбинированный анализ позиционной и силовой информации оказывается чрезвычайно сложной задачей и может выполняться только интеллектуальными роботами (рис. 3.9).
ЭВМ роботов самостоятельно корректирует рабочую программу: проводит сложный логический анализ внешней среды (используя знания, полученные в процессе выполнения всех предыдущих заданий) и по результатам анализа выбирает из памяти управляющей системы одну из множества рабочих программ.
К основным типам современных алгоритмов управления относится управление с видео, осязательной и инерционно-силовой информацией.
Датчики зрения (датчики визуального очувствления) дают оптическую информацию о венного зрения ПР могут:
распознавать требуемые предметы в неупорядоченном потоке и вычислять их координаты (например, на конвейере). Узнавание происходит посредством сравнения изображения предметов на конвейере с образами предметов, которые хранятся в памяти робота;
определять положение и ориентацию деталей и узлов в процессе сборки, а также точки их сопряжения;
проводить контроль качества деталей (например, человеческий глаз не
в состоянии определить наличие дефектов в интегральных схемах или оценить правильность и точность геометрических форм круглых и шарообразных деталей);
обходить препятствия, встречающиеся на траектории двит жения робота.
На рис. 3.10 показано следящее устройство с преобразователями обратной связи. Оно состоит из фокусирующей линзы 1, осветительной лампы накаливания 2, фотоэлемента 3, вычислительного устройства 4 и масштабной линейки 5. Кодирующее устройство, пересчитывающее длину пройденного пути в количество дискретных шагов, устанавливается на самом роботе.
В качестве сенсоров зрения (приемников и преобразователей первичной видеоинформации) применяются телекамеры с вакуумными приборами — видиконами, а также полупроводниковые камеры и линейки на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС-камеры и ПЗС-линейки).
Первичная обработка и распознавание производятся микроЭВМ и мини-ЭВМ.
Для формирования сигнала управления применяются также преобразователи, имеющие фоточувствительные катоды и преобразующие инфракрасное излучение распознаваемых предметов в сигналы управления.
Датчики осязания, называемые также датчиками тактильного очувствления, дают информацию о касании между «схватом» робота и обрабатываемым предметом. Они получают и передают информацию о величине и распределении давления по контактирующей поверхности. С помощью тактильной обратной связи робот может точно определить действительное расположение деталей, их размеры и форму и соответственно скорректировать программу.
реакции опоры — при Датчики силовогореакции опоры — при Датчики силовогоДатчики силового тактильного очувствления (силового осязания) дают информацию о величине вертикальной составляющей
реакции опоры — при Датчики силового
реакции опоры — при Датчики силового
контакте между схватом и предметом.
очувствления определяют величины сил и
Рис. 3.10. Схема следящего устройства с преобразователем обратной связиРис. 3.10. Схема следящего устройства с преобразователем обратной связимоментов, возникающих в звеньях манипулятора при контакте рабочего органа с предметом. Информационное устройство состоит из нескольких тензопреоб- разователей (или пьезоэлектрических и пьезорезистивных преобразователей). В простейшем случае силовым датчиком может служить обыкновенная пружина. Величина растяжения и сжатия пружины
Рис. 3.10. Схема следящего устройства с преобразователем обратной связи
Рис. 3.10. Схема следящего устройства с преобразователем обратной связи
под действием измеряемых сил регистрируется измерительными приборами и передается в управляющую ЭВМ, где преобразуется в сигналы обратной связи для приводов каждого звена манипулятора.
Силовое очувствление позволяет: оценивать вес предмета в захватном устройстве; определять наличие или отсутствие касания между перемещаемым предметом и другими в рабочем пространстве; вставлять стержень в отверстие; обходить препятствие; укладывать однотипные предметы в тару; перемещать длинные несбалансированные предметы с помощью двух захватов одновременно.
Способ управления сборочным роботом, при котором корректирующие воздействия вырабатываются на основе анализа сил и моментов реакции, называется активной податливостью.
Сборочные системы с активной податливостью с помощью пружинного устройства способны измерять силы, развиваемые схватом, автоматически выполнять сближение собираемых деталей,
Управление наведением
Рис. 3.11. Структура аппаратных средств интеллектуального робота
выбирать наиболее подходящие по посадочным размерам пары сопрягаемых деталей, а также заменять одну из сопрягаемых деталей (в случае отклонения ее геометрии и размеров от номинальных). Например, силовые датчики дают возможность выполнять операции «вал — втулка» с очень малыми зазорами между деталями и без вспомогательных направляющих устройств.
На рис. 3.11 показана структура аппаратных средств интеллектуального робота.
В последнее время создаются роботы с супервизорным управлением, которые выполняют технологические операции в тесном взаимодействии с квалифицированным рабочим, обученным приемам общения с роботом. Такие роботы представляют собой дополнительные искусственные глаза, руки и органы осязания для человека-оператора, который сам принимает решения и отдает команды управления.
ГЛАВА 4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА
И ГИБКИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА
Применение современных средств автоматизации позволяет: повысить коэффициент производительности оборудования; сократить время холостых ходов, увеличить выход годных изделий, снимаемых с оборудования, уменьшить продолжительность рабочего цикла;
повысить качественные показатели продукции, снизить разброс в параметрах и характеристиках изготовляемых изделий;
создать оборудование, выполняющее производственные функции без непосредственного участия человека, либо с его ограниченным участием на уровне квалифицированного труда — это обеспечивает сокращение численности рабочих, решение вопросов охраны труда, санитарной, вакуумной гигиены и экологических проблем.
Различают три ступени автоматизации: автоматы, автоматические линии и автоматические цехи и заводы.
Первая ступень автоматизации — автоматизация рабочего цикла (т. е. автоматизация всех видов технологического оборудования, включая управление всеми операциями, выполняемыми на оборудовании) — создание автоматов и полуавтоматов.
Автоматом называется самоуправляющийся рабочий механизм, который самостоятельно совершает все рабочие и все холостые ходы рабочего цикла и нуждается лишь в наладке и контроле процесса функционирования. Как и всякая рабочая машина, автомат имеет двигательный, передаточный и исполни-
тельный механизмы. Но в отличие от неавтоматического оборудования машины-автоматы имеют полный комплект механизмов рабочих и холостых ходов и развитую систему автоматического управления, что позволяет полностью осуществлять функционирование и выдачу продукции без непосредственного участия человека.
На ранних этапах автоматизации автоматические системы управления строились исключительно на механической основе — на базе распределительного вала с кулачками, упоров и копиров. Такая система осуществляла управление последовательностью, скоростью, величиной и местом перемещений всех механизмов и устройств, осуществляла включение и выключение, обеспечивала необходимую синхронизацию. В этом случае распределительный вал с устройствами связи (с функциональными механизмами) является неотъемлемой частью исполнительного механизма автомата.
На рис. 4.1, а показана структурная схема механизмов автомата вакуумной обработки с механической системой управления. Исполнительный механизм автомата включает:
целевые механизмы рабочего хода — вакуумные насосы 1, механизм прогрева прибора для обезгаживания 2, механизм отпая прибора 3;
целевые механизмы холостых ходов — установки и ориентации приборов в откачном гнезде 4, зажима 5, поворота карусели б, фиксации карусели 7, удаления остатка штенгеля 8, перемещения механизма отпая 9, распределительный вал 10.
Однако механические системы управления могут осуществлять управление работой функциональных механизмов только по «жестко заданной» программе, без обратной связи, без корректировки управляющих воздействий.
Возросшие требования к гибкости производства, обусловленные быстрой сменяемостью конструкций выпускаемых изделий электронной техники, а также необходимость комплексной автоматизации серийного переналаживаемого производства привели к созданию автоматов с электронными системами управления.
Данные электронные системы управления компонуются в виде автономных пультов управления, которые имеют с конструкцией автомата проводную связь. В машине-автомате с электронной системой управления (рис. 4.1, б) различают исполнительную (двигательный, передаточный, исполнительный механизмы) и Управляющую (пульт управления, периферийные устройства, Устройства ввода и вывода информации) части.
Вторая ступень автоматизации — создание автоматических линий.
a)
б)
Рис. 4.1. Структурные схемы механизмов автоматов с системами управления: а — механическая; б — электронная
Автоматической линией (АЛ) называют автоматически действующую систему машин, расположенных в технологической последовательности и объединенных общими средствами транспортировки и управления.
Отдельные автоматы, встроенные в линию, являются конструктивными компонентами, выполняющими рабочие ходы, необходимые для выполнения технологических процессов обработки, контроля, сборки.
Система управления линии также выполняет более сложные функции, чем в отдельном автомате, — не только координацию
работы отдельных машин, механизмов и устройств при выполнении рабочего цикла линии, но и взаимной блокировки, отыскания неисправностей, сигнализации и т. д.
Основной признак АЛ — ее технологическое назначение. По этому признаку можно выделить линии, предназначенные для выполнения одного вида технологических операций (например, для механической обработки, для сборки узлов, изготовления масок, нанесения люминофора и т. п.) и линии для выполнения нескольких видов операций (рис. 4.2). На этой линии последовательно осуществляются мойка экранов; нанесение зеленого, синего, красного люминофоров; сушка; экспонирование; проявление; нанесение органической пленки; контроль. АСУТП этой линии решает задачи управления дозаторами нанесения суспензии трех цветов, измерения вязкости и плотности суспензий, подачи аварийного сигнала об отклонении режимов от заданных и др. Такие линии называют комплексными.
Комплексные АЛ (автоматические системы) в машиностроении и приборостроении выполняют различные технологические процессы обработки, контроля, сборки и т. д. В состав линий входят основное технологическое оборудование (типовое и специальное), оборудование для контроля, сборки, консервации, упаковки деталей, транспортно-накопительные системы, системы управления.
Рис. 4.2. Структурная схема автоматической линии изготовления цветных экранов
Третья ступень автоматизации — комплексная] автоматизация, создание автоматических и автоматизированных! цехов. |
Автоматическим называется цех, в котором основные произ-| водственные процессы осуществляются на автоматических линия™ (АЛ) или гибких производственных системах (ГПС) с автомате ческими связями между ними. ■
Наличие автоматических связей означает: обязательное меяЯ линейное и участковое транспортирование; автоматическое складирование деталей и готовых изделий; управление производством на уровне цехов посредством автоматизировайных систем управления производством (АСУП и АСУТП) с тремя и более иерархическими уровнями.
Создание автоматических цехов создает предпосылки перехода к высшей форме рабочей машины — автоматическому заводу с комплексной автоматизацией всех производственных процессов выпуска самой сложной продукции.
На рис. 4.3 приведена схема автоматизированного цеха сборки цветных кинескопов. Все оборудование цеха размещено в технологической последовательности и соединено межоперационными транспортными конвейерами, таким образом создается несколько параллельных потоков, на каждом из которых производится финишная обработка соответствующей детали или узла: 1-й параллельный поток — обработка стеклянного экрана; 2-й — обработка рамы; 3-й — обработка маски; 4-й — обработка конуса; 5-й — изготовление электронно-оптической системы.
Изделия 1, 2 и 3-го потоков: экраны, рамы и маски транспортируются на линию сборки экраномасочного узла. |
Собранный экраномасочный узел обрабатывается на последо-1 вательно расположенных линиях стабилизации формы и геомет-1 рических размеров, нанесения матричного и люминесцентного] покрытия, алюминирования и нанесения антидоминга, обжига и] выжигания органической пленки и затем совместно с обработан-! ными конусами (4-й поток) поступают на линию склейки оболочек | — с последующей их вихревой очисткой и контролем прочности у шва. Склеенные стеклооболочки со вставленными в них ЭОС Я (изготовленными на 5-м потоке) поступают последовательно на । линии заварки, вакуумной обработки, распыления газопоглотите-! ля, высоковольтного прожига и тренировки. I
Прошедшие тренировку кинескопы передают на автоматизированное первое испытание, бандажирование, технологическую] выдержку, второе испытание, контроль службы главного контролера и упаковку.
Недостаток рассмотренной производственной схемы — она применима только для выпуска одной группы приборов: цветных кинескопов конкретной конструкции и конкретного типоразмера.
Рис. 4.3. Схема автоматизированного цеха сборки цветных кинескоповРис. 4.3. Схема автоматизированного цеха сборки цветных кинескопов
Рис. 4.3. Схема автоматизированного цеха сборки цветных кинескопов
Рис. 4.3. Схема автоматизированного цеха сборки цветных кинескопов
Этого недостатка не имеют гибкие производственные системы (см. §4.2).
ГИБКИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ПРОИЗВОДСТВА
Гибкие автоматизированные производства (ГАП) — наиболее совершенная форма организации производства, охватывающая все компоненты производственного процесса: от автоматизированного проектирования до автоматизированных испытаний готовой продукции.
ГАП создаются путем интеграции в одном производственном процессе промышленных роботов, станочных обрабатывающих центров (обычно станков с ЧПУ), безлюдных автоматических складов и систем подачи деталей. Все эти системы функционируют под управлением и контролем сложной вычислительной техники (рис. 4.4). В идеальном случае ГАП должны выполнять всю
(Специализация, многофункциональность)
Рис. 4.4. Гибкое автоматизированное производство на основе промышленных роботов 2-го поколения
совокупность технологических операций без участия человека — «безлюдная технология».
Безлюдная технология подразумевает участие человека в технологическом процессе только в качестве оператора, наблюдающего за работой оборудования.
Основные достоинства гибких производств — экономия на переналадке, сокращение длительности производственного цикла, возможность расширения ассортимента изготовляемых приборов, а также частой смены сырья, инструмента, технологических процессов.
Как любой производственный процесс, ГАП содержит предмет труда (заготовки, обрабатываемые изделия), орудия труда (технологическое оборудование, станки), средства труда (инструмент, реактивы).
Эти компоненты производства объединяет технологический процесс, предусматривающий последовательность режимов обработки, контроль текущих и конечных параметров производственного цикла и готовых изделий.
Гибкость предметов труда (обрабатываемых изделий или заготовок) зависит от технологичности их конструкции с точки зрения возможности автоматизации производства.
Признаками технологичности являются, например, минимальное число деталей в объектах автоматической сборки; наличие в обрабатываемых изделиях специальных конструктивных признаков и свойств, обеспечивающих их автоматическое распознавание, ориентацию и позиционирование; высокая степень конструктивного и технологического подобия. Высокие показатели технологичности конструкции могут быть достигнуты только при автоматизированном конструировании и проектировании, основанном на применении средств вычислительной техники (САПР). Применение САПР создает предпосылки для последующей автоматизации всех этапов производственного процесса, обеспечивает сокращение времени проектирования, возможность оптимизации конструкций и технологических процессов.
Гибкость средств труда (инструмента, оснастки, приспособлений) обеспечивается их унификацией, пригодностью для автоматической установки, переналадки и замены.
Гибкость орудий труда достигается применением гибких производственных модулей (см. с. 54).
В настоящее время обязательным компонентом гибких автоматизированных производств (ГАП) наряду с гибкими производственными модулями (ГПМ) является комплекс систем автоматизированного управления производством (например, АСУТО, АСУТП, АСУК и др.).
Автоматизированная система управления технологическим оборудованием (АСУТО) предназначена для управления устройствами и механизмами технологического оборудования, приема и обработки информации от датчиков технологического процесса, регулирования параметров, выполнения вычислительных операций.
Автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУТП) на основе информации, получаемой от постов межоперационного контроля, производит корректировку параметров технологического процесса (времени операции, температуры процесса, расхода реагентов и пр.).
Важной функцией АСУТП является корректировка параметров процесса по результатам межоперационного контроля и технологических условий, а также применение алгоритмов выхода из аварийных ситуаций. Система микропроцессорного управления обычно отображает на экране дисплея наименование корректируемого параметра и рекомендуемую величину измерения.
Например, в установках магнетронного вакуумного напыления микропроцессорная система по сигналам датчиков тока и напряжения регулирует мощность магнетронов, подсчитывает энергию, затраченную на все циклы напыления, корректирует цикл напыления по заданной энергии, учитывает износ распыляемой мишени по величине суммарной энергии, затраченной на напыление, вводит коррекцию скорости напыления в зависимости от износа мишени.
Автоматизированная система управления качеством (АСУК) действует в непосредственной связи с системами управления технологическими процессами (АСУТП). Качество выпускаемых изделий формируется в процессе производства, но уже закладывается на ранней стадии разработки новых изделий и проявляется на стадии эксплуатации. Обобщенная система обеспечения, контроля и управления качеством является системой с обратными связями.
Помимо непосредственного контроля качества к задачам АСУК относятся планирование предупредительного ремонта оборудования, учет результатов входного контроля материалов, полуфабрикатов и комплектующих изделий, технологических потерь и отказов изделий в производстве и т. д. В конечном итоге существующий контроль качества готового изделия должен быть заменен на контроль процесса производства. В этом случае должен тщательно осуществляться входной контроль всех материалов и комплектующих полуфабрикатов, но главное — тщательно контролируется состояние средств производства, прогнозируются отказы оборудования, которые могут привести к браку.
Различают тактическую и организационно-структурную.; (стратегическую) гибкость системы.
Под тактической гибкостью производственной системы подразумевают способность производства приспосабливаться к изменениям номенклатуры и ассортимента изготовляемых изделий. Степень тактической гибкости системы определяется количеством наименований изделий, которые могут на ней обрабатываться.
Под организационно-структурной гибкостью подразумевается способность приспосабливаться к различным производственным ситуациям.
Приведем примеры производственных ситуаций, при которых должна проявляться организационно-структурная гибкость: изменение по каким-либо причинам количества необходимых потребителям приборов, недостаток требуемых заготовок, необходимого инструмента; выход из строя тех или иных компонентов производства и пр.
Организационно-структурная гибкость характеризует также способность системы к технологической эволюции: возможность без прекращения выпуска" изделий обеспечивать проведение поэтапной реконструкции и модернизации производства, опробование новой технологии и нового оборудования в процессе серийной эксплуатации.
КЛАССИФИКАЦИЯ ГИБКИХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ
Основу ГАП составляют гибкие производственные системы (ГПС). Под гибкой производственной системой понимается совокупность технологического оборудования и устройств, обеспечивающих его работу в автоматическом режиме, которая способна к автоматической переналадке на выпуск изделий произвольной номенклатуры. ГПС предусматривает автоматическое управление параметрами технологических процессов по показаниям встроенных в оборудование датчиков и приборам межоперационного контроля.
Гибкость производственной системы достигается за счет: гибкости системы управления, позволяющей автоматически изменять алгоритм управления для обработки различных изделий и оптимизировать режимы и маршруты (последовательность) обработки изделий, что объясняется широким использованием и встраиванием микропроцессоров в оборудование;
асинхронности позиций — независимости работы соседних технологических позиций во времени;
независимости позиций в смысле надежности — отказ одной позиции не должен приводить к остановке соседних;
автономности и гибкости исполнения транспортных, погрузочно-разгрузочных и технологических элементов системы;
связи всех единиц автоматического технологического оборудования в единый производственный комплекс, объединением всех ЭВМ и микропроцессоров в вычислительную сеть промышленного назначения.
Гибкое управление осуществляется на основе неполной начальной информации, которая с целью оптимизации управления дополняется и корректируется в процессе обработки с помощью различных датчиков. При гибком управлении в процессе обработки могут изменяться управляющие воздействия (режимы обработки) и алгоритмы управления (технологические переходы).
Создание ГПС стало возможным благодаря созданию оборудования, работающего на базе современных электрофизических процессов (лазерная, плазменная, ультразвуковая, электронно- и ионно-лучевая, магнетронная, электроэрозионная технологии), применению микропроцессорных систем управления, использованию промышленных роботов, систем автоматического складирования и т. д.
По уровню развитости ГПС (в порядке усложнения) подразделяется на следующие разновидности.
Гибкий производственный моду ль (ГПМ) — единица технологического оборудования, которая обладает способностью самостоятельно (автономно) функционировать, осуществлять многократные циклы и имеет возможность автоматически переналаживаться и встраиваться в системы более высокого уровня.
ГПМ (рис. 4.5) состоит из: специализированного технологического оборудования, например станка с ЧПУ; промышленного транспортного робота; устройства управления — командного монитора.
В некоторых ГПМ промышленные роботы выполняют и технологические функции (сборку, сварку, окраску и т. д.). Практически ГПМ являются самостоятельно работающими обрабатывающими центрами — производственными ячейками технологического процесса. Они представляют собой многооперационное
Рис. 4.5. Обобщенная структура обрабатывающего ГПМ
оборудование с обширным набором (до 100 и более) разных инструментов. Любой из них в нужный момент извлекается из «магазина» и автоматически устанавливается на рабочую позицию. Каждый модуль рассчитан на выполнение ряда технологических операций, причем переход от одной операции к другой, а также изменение порядка и последовательности операций происходит автоматически.
Промышленный робот, входящий в модуль, выбирает из накопителя нужные заготовки или детали, устанавливает их в станок, запускает его, а затем забирает готовое изделие и помещает его в другой накопитель.
В настоящее время вместо узкоспециализированных роботов делается упор на универсальные модульные наборы: сочетание типовых модулей, обеспечивающих сборку любого специализированного робота с требуемыми степенями подвижности и числом звеньев. Однотипные технологические модули едины по своим компоновочным решениям: имеют одинаковые конструктивные решения операций подачи, перемещения объектов обработки внутри рабочей камеры и их выгрузки, эти модули отличаются лишь конструкцией средств технологического воздействия на обрабатываемый объект.
На рис. 4.6 показана общая структура ГПС, построенной по модульному принципу. Она состоит из центральной ЭВМ, управляющей всем производственным процессом, подсистемы управления транспортным потоком деталей, а также ряда обрабатывающих модулей.
Модульный принцип организации производства позволяет: облегчить программирование роботов; хранить неограниченное количество рабочих программ; упростить переналадку при смене
Центральный компьютеруправления производством
Компьютер, управляющий потоками J деталей и заготовок
Обрабатывающий Ьц модульОбрабатывающий Ьц модульОбрабатывающийОбрабатывающийОбрабатывающий модульОбрабатывающий модульОбрабатывающий модульОбрабатывающий модульОбрабатывающий л модуль'г"Обрабатывающий л модуль'г"Автоматическаятранспортно-складская1.1 системаАвтоматическаятранспортно-складская1.1 системаОбрабатывающий модульNОбрабатывающий модульNАвтоматическая транспортно-складск ая система ГЧ-!Автоматическая транспортно-складск ая система ГЧ-!Рис. 4.6. Общая структура ГПСРис. 4.6. Общая структура ГПСВ сборочный цехВ сборочный цех
Обрабатывающий Ьц модуль
Обрабатывающий Ьц модуль
Обрабатывающий
Обрабатывающий
Обрабатывающий модуль
Обрабатывающий модуль
Обрабатывающий модуль
Обрабатывающий модуль
Обрабатывающий л модуль'г"
Обрабатывающий л модуль'г"
Автоматическая
транспортно-складская
1.1 система
Автоматическая
транспортно-складская
1.1 система
Обрабатывающий модульN
Обрабатывающий модульN
Автоматическая транспортно-складск ая система ГЧ-!
Автоматическая транспортно-складск ая система ГЧ-!
Рис. 4.6. Общая структура ГПС
Рис. 4.6. Общая структура ГПС
В сборочный цех
В сборочный цех
номенклатуры; устранить пооперационное разделение труда (каждый модуль выполняет все многообразие операций, необходимых для изготовления законченного узла изделия).
Гибкая автоматизированная линия (ГАЛ) — гибкая производственная система, состоящая из нескольких взаимно независимых гибких производственных модулей, объединенных автоматизированной системой управления. В ГАЛ технологическое оборудование расположено в принятой последовательности технологических операций.
Основу ГАЛ составляют механообрабатывающие и сборочные модули. Таким образом, весь технологический процесс изготовления изделий состоит из последовательной обработки в нескольких ячейках — модулях ГПС и осуществляется под управлением ЭВМ.
Для перестройки гибкой автоматизированной линии на выпуск новой продукции необходимо лишь изменить рабочие программы входящих в нее устройств.
Г Л A BA 5. ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПЛАЗМЕ
Плазма — газообразное состояние вещества, при котором оно полностью или частично ионизировано под воздействием температуры, излучения, электрического разряда, высокочастотного электрического поля или других факторов. В плазме одновременно содержатся отрицательные и положительные ионы, а также неионизированные атомы и молекулы.
В электровакуумном производстве используют плазму, образующуюся при возбуждении в газе электрического дугового разряда. Эта плазма характеризуется сильным свечением, температурой 10 000 — 25 000 0 С, высокой электропроводностью, огромной скоростью движения частиц (достигающей 15 000 м/с), а также интенсивным взаимодействием плазмы с электрическими и магнитными полями. Струю плазмы можно сжимать, фокусировать и отклонять. Плазма газового разряда не является в термическом (тепловом) отношении равновесной. Она нагревается изнутри за счет энергии, выделяющейся при прохождении тока, и охлаждается с поверхности вследствие контакта с холодными стенками или с окружающими слоями воздуха. Поэтому плазма газового разряда может иметь во много раз более высокую температуру, чем металл или нейтральный газ, который ее окружает (рис. 5.1).
Т >20000 °CТ >20000 °CТ=11000-20000 °CТ=11000-20000 °C1=15000=11000 °C1=15000=11000 °C1=10000-15000=01=10000-15000=0Рис. 5.1. Схема распределения температур в плазмеРис. 5.1. Схема распределения температур в плазмеОчень высокая плотность энергии в плазме позволяет передавать большое количество теплоты в течение короткого времени на малую поверхность предмета — это свойство плазмы дает возможность использовать ее для резки материалов, сварки деталей, нанесения покрытий, формообразования деталей сложной формы.
Т >20000 °C
Т >20000 °C
Т=11000-20000 °C
Т=11000-20000 °C
1=15000=11000 °C
1=15000=11000 °C
1=10000-15000=0
1=10000-15000=0
Рис. 5.1. Схема распределения температур в плазме
Рис. 5.1. Схема распределения температур в плазме
В вакуумных установках может быть получена плазма всех
известных металлов, Сплавов, органических и неорганических веществ.
Методом плазменной технологии в вакууме могут быть решены следующие задачи: получение особо чистых слоев материалов со специальными свойствами (магнитные, оптические, эмиссионные, сверхпроводящие слои); изменение структурно-энергетического состояния поверхности материалов (упрочнение поверхности, ионное легирование полупроводников и др.); получение пленочных монокристаллических структур.
КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПЛАЗМОТРОНОВ
Установки для плазменной обработки называются плазмотронами (плазменными горелками). В плазмотрон подается плазмообразующий газ.
В плазмотроне происходят два процесса — создание плазмы под воздействием газового разряда между электродами плазмотрона и образование направленной струи плазменных газов (факела) на выходе из сопла горелки — плазмотрона.
В зависимости от способа возбуждения плазменной дуги
различают типы горелок:
,1) дуга образуется между электродами, одним из которых
Рис. 5.2. Схема горения плазменной дуги:1— факел; 2— дуга; 3— сопло; 4— катод (стержень);5— анод (изделие)Рис. 5.2. Схема горения плазменной дуги:1— факел; 2— дуга; 3— сопло; 4— катод (стержень);5— анод (изделие)является вольфрамовый стержень (рис. 5.2, а), а вторым — охлаждаемое сопло горелки (нагретый плазмообразующий газ выдувается наружу через сопло в виде факела — в этом случае ионизация газа производится электрической дугой внутри плазмотрона);
Рис. 5.2. Схема горения плазменной дуги:
1— факел; 2— дуга; 3— сопло; 4— катод (стержень);
5— анод (изделие)
Рис. 5.2. Схема горения плазменной дуги:
1— факел; 2— дуга; 3— сопло; 4— катод (стержень);
5— анод (изделие)
дуга образуется между стержневым электродом (рис. 5.2, б) и рабочей поверхностью изделия, подле-
жащего обработке (в этом случае тугоплавкий вольфрамовый стержень является катодом, а изделие — анодом; плазменный факел совпадает со столбом дуги).
Рис. 5.3. Схема плазменных горелок со стабилизацией дуги:. а — газовым продольным слоем; б — вихревым потоком газа
Для устойчивой работы плазменных горелок, сужения плазменной струи, повышения средней температуры струи и срока службы сопл производится стабилизация дуги вдоль продольной оси горелки. Стабилизация дуги может производиться тремя способами: газовым продольным слоем; вихревым потоком газа; стенками сопла плазмотрона.
На рис. 5.3, а показана схема стабилизации путем поддувания газового продольного слоя: стабилизирующий газ течет аксиально, образуя концентрический слой, который ограничивает и фокусирует дугу, а также предохраняет место плазменной обработки от окисления атмосферным воздухом. На рис. 5.3, б показана принципиальная схема плазмотрона со стабилизацией дуги вихревым потоком газа. Газ, подаваемый через тангенциальные отверстия 6 в вихревую камеру 1, создает в канале 4 плазмотрона, помещенного внутри соленоида 5, вихревой поток, по оси которого между электродами 2 и 4 горит электрическая дуга 3. Вследствие интенсивных процессов теплообмена газ нагревается и плазма в виде струи истекает из сопла через выходной трубчатый электрод 4. В вихревой камере и канале электрода 4 существует градиент плотности газа — поскольку основная часть газа движется в пристеночной области. В результате этого столб дуги 3 «выталкивается» на ось электрода.
Для плавки и обработки тугоплавких металлов и оксидов находят применение высокочастотные плазменные горелки (рис. 5.4). Высокочастотный газовый разряд, образующий плазму, зажигается и поддерживается высокочастотным индуктором 4, по которому пропускаются токи высокой частоты.
рис. 5.4. Схема высокочастотной плазменной горелки:
поджигающий угольный электрод; 2— штуцер для напуска газа; 3— кварцевая трубка; 4—медный высокочастотный индуктор; 5—плазменный сгусток; б— хвост плазменного факела
Магнитное поле, создаваемое токами высокой частоты, сжимает плазму и отодвигает ее от стенок горелки — плазмотрона. Это позволяет снизить теплопотери, стабилизировать плазму и повысить ее температуру в центре 5 плазменного сгустка до 20 ООО 0 С.
Высокочастотные плазмотроны подразделяются на индукционные, емкостные, факельные, сверхвысокочастотные (рис. 5.5).
В высокочастотном индукционном плазмотроне (рис. 5.5, а) газ нагревается вихревыми токами.
Высокочастотный емкостный плазмотрон (рис. 5.5 б) имеет высоковольтный б и электроды, между которыми возникает электрическое поле. Электроны, находящиеся в
заземленный 8 высокочастотное газе, получаютзаземленный 8 высокочастотное газе, получаютэнергию от высокочастотного электрического поля и при столкновениях обмениваются ею с нейтральными частицами, повышаяэнергию от высокочастотного электрического поля и при столкновениях обмениваются ею с нейтральными частицами, повышаятем самым температуру газа.
заземленный 8 высокочастотное газе, получают
заземленный 8 высокочастотное газе, получают
энергию от высокочастотного электрического поля и при столкновениях обмениваются ею с нейтральными частицами, повышая
энергию от высокочастотного электрического поля и при столкновениях обмениваются ею с нейтральными частицами, повышая
Рис. 5.5. Разновидности конструкций высокочастотных плазмотронов:1— источник высокочастотного разряда; 2— стационарный безэлектродный разряд; 3— камера плазмотрона; 4— высокочастотный индуктор; 5— плазма; 6— высоковольтный электрод; 7—волновод; 8—заземленный электродРис. 5.5. Разновидности конструкций высокочастотных плазмотронов:1— источник высокочастотного разряда; 2— стационарный безэлектродный разряд; 3— камера плазмотрона; 4— высокочастотный индуктор; 5— плазма; 6— высоковольтный электрод; 7—волновод; 8—заземленный электрод8)8)В сверхвысокочастотном плазмотроне (рис. 5.5, в) энергия от источника питания 1 в зону разряда подается по волноводу 7. В сверхвысокочастотном плазмотроне плазма абсолютно чистая и не содержит продуктов разрушения электродов.
Рис. 5.5. Разновидности конструкций высокочастотных плазмотронов:
1— источник высокочастотного разряда; 2— стационарный безэлектродный разряд; 3— камера плазмотрона; 4— высокочастотный индуктор; 5— плазма; 6— высоковольтный электрод; 7—волновод; 8—заземленный электрод
Рис. 5.5. Разновидности конструкций высокочастотных плазмотронов:
1— источник высокочастотного разряда; 2— стационарный безэлектродный разряд; 3— камера плазмотрона; 4— высокочастотный индуктор; 5— плазма; 6— высоковольтный электрод; 7—волновод; 8—заземленный электрод
8)
8)
Рис. 5.6. Схема проведения плазменной сварки: а —электрическая схема; б —схема плазменной дуга
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАЗМЕННОГО ФАКЕЛА
Факел плазменной струи имеет форму яркосветящегося конуса. Сечение факела на выходе соизмеримо с сечением отверстия в сопле плазмотрона. Изменяя форму отверстия сопла, а также состав и расход газа, величину тока и длину дуги, можно получать различные очертания плазменного факела («жесткий» или «мягкий») и в зависимости от этого распределять тепловую и механическую нагрузки по поверхности обрабатываемых изделий.
Основная характеристика плазменной струи как источника теплоты — эффективная тепловая мощность, которая равна
(2 = 0,24 ^Ш,
где г] — эффективный коэффициент плазменного нагрева изделия; U, I — напряжение и ток дуги.
Эффективная тепловая мощность плазменной струи возрастает с повышением напряжения и тока дуги, увеличением давления и расхода плазмообразующего газа, а также с уменьшением потерь теплоты на лучеиспускание, конвекцию и нагрев электродов и корпуса плазмотрона (например, путем увеличения диаметра канала сопла и уменьшения расстояния между соплом и нагреваемым изделием).
Основными параметрами плазменного факела являются состав и температура, скорость истечения, давление на выходе, теплосодержание и плотность энергии газов (табл. 5.1).
Таблица 5.1
Тип пламени
Максимальная температура,°C
Теплосодержание (плотность теплового потока), ккал/(м-ч)
Скорость истечения струи, м/с
Воздушно-пропановое (горелочное)
1 810
2,71
30,5
Кислородно-пропановое (горелочное)
2 920
14,25
91,4
Плазменное
16 500
120
9140
От химического пламени обычных газовых горелок плазменный факел отличается возможностью регулирования его химического состава и отсутствием воспламеняющихся газов.
Для получения плазмы в плазмотронах используют плазмообразующую среду: она может быть одно- и многокомпонентной. Подбором состава многокомпонентной среды можно получить любую атмосферу: окислительную, восстановительную или нейтральную. Одним из наиболее важных тепловых параметров плазмы является ее энтальпия, т. е. количество теплоты, содержащееся в единице ее объема или массы.
В плазмотронах рационально использовать высокоэнтальпийные молекулярные плазмообразующие газы — они при меньших температурах обладают большей тепловой эффективностью.
Энтальпия двухатомных газов за счет энергии, пошедшей на диссоциацию молекул, превышает энтальпию одноатомных газов (например, при 7 = 8 ’ 103оС энтальпия азота Ni почти в 5 раз больше, чем энтальпия аргона Аг).
Азот часто применяется в качестве однокомпонентной плазмообразующей среды, при высоких температурах он имеет высокую теплопроводность и теплоемкость. По этой причине в атмосфере азота электрический разряд обеспечивает эффективное преобразование электрической энергии в тепловую.
Аргон имеет низкое значение энтальпии, что делает его малопригодным для использования в качестве однокомпонентной плазмообразующей среды.
Гелий имеет более высокие энергетические характеристики, чем аргон, однако вследствие дефицитности и высокой стоимости применение его в плазменных установках ограничено.
Водород — самый высокоэнтальпийный плазмообразующий газ. Напряженность электрического поля в водородной дуге в несколько раз выше, чем в аргоновой. Теплопроводность водорода
также гораздо выше, чем у других газов. Однако чистый водород при высоких температурах разрушающе действует на электроды плазмотрона, и поэтому он применяется только в смеси с аргоном.
ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА И РЕЗКА
Схема плазменной установки сварки показана на рис. 5.6. В состав установки (рис. 5.6, а) входят: источник питания 1, представляющий собой трехфазный двухполупериодный выпрямитель с регулируемым значением сварочного тока; высокочастотный генератор 2 — осциллятор, служащий для возбуждения неподвижной дежурной дуги между внутренним сварочным соплом и неплавящимся вольфрамовым электродом 3 в потоке аргона 4. Ток дежурной дуги ограничивается сопротивлением R, а емкость С служит для облегчения пробоя межэлектродного промежутка напряжением высокой частоты. Дежурная дуга, представляющая собой несамостоятельный разряд, превращает нейтральный газ в проводник электрического тока, что способствует зажиганию основой подвижной сварочной дуги между электродом и обрабатываемой деталью (без их соприкосновения). Для начала процесса сварки необходим контакт свариваемого изделия 7 со светящейся частью струи плазмы. Столб сварочной дуги имеет возможность перемещаться по поверхности сварочной ванны.
Для фокусировки и четкого ориентирования плазмы в точку сварки, а также для улучшения проникновения столба дуги в глубину сварочного шва (с одновременным уменьшением расхода плазмообразующего газа) применяются плазменные горелки со стабилизацией дуги вдоль продольной оси горелки, выполненные по схеме рис. 5.6, б. В этих плазмотронах помимо аргона 4, подаваемого для зажигания дежурной дуги и образования плазмы, подается фокусирующий газ 5, образующий продольный газовый слой и производящий сжатие и фокусировку плазменной струи, при этом значительно повышается температура плазмы (см. с. 58). Защитный газ 6 предотвращает возможность попадания в зону сварки вредных компонентов из окружающей среды. При фокусировке круглое сечение плазменного факела становится овальным, что позволяет уменьшить ширину шва. Расстояние между плазмотроном и деталью выбирают в пределах 8 — 15 мм из условия формирования качественного сварочного шва. Источники питания обеспечивают сварочный ток до 450 — 600 А при напряжении дуги 60 — 80 В и скорости сварки порядка 10 — 1000 м/ч.
Плазменная струя проплавляет кромки листов, подлежащих сварке, образуя сквозной канал. Масса расплавленного металла оттесняется назад и в стороны. При этом поверхностное натяжение
препятствует стеканию металла вниз и способствует тому, что позади плазменной струи жидкий металл снова стягивается, заполняя желоб, образованный проплавлением. При остывании этого металла образуется сварочный шов. Выбор плазмообразующего газа зависит от вида свариваемых металлов. При сварке хромоникелевых сталей, никеля и его сплавов чаще всего используется смесь аргона с водородом. Водород добавляется для улучшения защитных свойств газа, увеличения скорости и температуры сварки, а также фокусировки дуги — уменьшения Диаметра факела — струи. Добавление газов, имеющих высокий потенциал ионизации (например, гелия), способствует повышению тепловой мощности плазмотрона. Максимальное давление в рабочей камере ограничено возможностью пробоя, а минимальное — погасанием дуги.
К основным преимуществам плазменной сварки относятся: высокая концентрация мощности и возможность сварки любых тугоплавких металлов и сплавов; возможность получения тонких чистых сварочных швов, а тажке глубокого провара и равномерного шва при условии постоянства расстояния от сопла до металла; минимальная зона нагрева на околошовных участках детали и, следовательно, отсутствие деформаций и изменений структуры и физико-механических свойств свариваемых материалов; возможность изменения формы и направления факела внешним магнитным полем.
Плазменная резка осуществляется путем плавления и испарения металла в полости реза за счет энергии, выделяющейся в опорном пятне плазменного факела. Режущая способность дуговой плазмы определяется соотношением
V д =0,24 IU i/ AybS),
где V — скорость резки; д — толщина металла; I, U — ток и напряжение дуги; 17 — тепловой КПД; у — плотность; b — ширина реза; S — энтальпия расплавленного металла.
Энергетический баланс резки складывается из энергии дуги, химических реакций плазмы с металлом (если они возможны) и расхода энергии на расплавление, нагрев, испарение металла в полости реза, теплопередачу в твердый металл и унос с отработанным потоком плазмы. При оптимальном соотношении между толщиной металла, мощностью дуги, диаметром сопла плазмотрона и скоростью резки струя плазмы погружается на всю толщину металла, а анодная область дуги располагается вблизи нижней кромки реза. Уменьшение мощности дуги, так же как и Увеличение скорости продвижения плазмотрона, ведет к сужению полости реза.
ПЛАЗМЕННАЯ ОЧИСТКА
Плазменная сухая очистка позволяет обезжиривать и протравливать поверхность деталей без опасности их деформации, изменения структуры, геометрии и размеров, а также без загрязнения поверхности следами моющих растворов. Плазменная очистка широко применяется в электронной технике, например для очистки деталей после их механической обработки; для финишной очистки внутренней арматуры приборов после ее сборки (непосредственно перед заваркой в колбу); для очистки сеток, замедляющих систем, масок; для проявления мозаики после фотоэкспонирования изображения в процессе литографии (вместо проявления жидкостью и химического травления).
Различают три разновидности плазменной очистки: плазмохимическую, ионную и ионно-химическую.
Плазмохимическая очистка — удаление загрязнений или незадубленного резиста происходит в результате химической реакции между ионами и радикалами плазмообразующего газа (приобретающими в плазме повышенную химическую активность) и поверхностью очищаемой детали. При этом образуются легколетучие соединения, которые легко удаляются с детали в виде газов и паров.
Ионная очистка — удаление загрязнений или резиста происходит за счет их механического сбивания при бомбардировке подложки частицами плазмы.
И о н н о-х имическая очистка — удаление поверхностных слоев происходит за счет одновременного протекания обоих процессов; распыления поверхностных слоев детали бомбардирующими частицами плазмы; химических реакций плазмы с загрязнениями — с образованием легколетучих соединений.
В качестве плазмообразующего газа нашли применение воздух, кислород (окислительная среда), водяной пар (окислительно-восстановительная среда), аргон (нейтральная среда), а также фторсодержащие (например, фреон) и хлорсодержащие газы.
Например, при очистке в плазме кислорода и воздуха в рабочей камере одновременно присутствуют молекулы кислорода
и озона, атомарный кислород и ионы кислорода:
02
О-2
0
Оз
молекулярный кислород
ион кислорода
атомарный кислород
озон
Они интенсивно
взаимодействуют, например,
с углеводород-
ными жировыми загрязнениями — с образованием паров воды и
диоксида углерода, которые откачиваются вакуумной системой плазменной установки.
При очистке в плазме паров воды происходит их диссоциация с образованием ионов водорода и кислорода:
Н2О -* Н+ + ОН" -2Н+ + О2".
При этом одновременно протекают процессы обезжиривания и травления: жировые загрязнения удаляются за счет взаимодействия с кислородом, а оксиды удаляются — при взаимодействии с водородом.
В плазме паров фреона образуются ионы фтора, обладающие высокой химической активностью:
CF4 + е -» CF+3 + F" + е.
Ионы фтора протравливают металл (образуя летучие фториды с W, Мо, Та), кремнистые соединения типа Si, SiO2, SiaN4 (образуя летучий фтористый кремений SiF4), а также стекло (за счет растворения фтором поверхностного слоя стекла).
Плазма четыреххлористого углерода (ССЦ) применяется для очистки алюминия.
Основными факторами для выбора оптимального состава плазмообразующего газа и режимов очистки являются: скорость очистки; селективность процесса обезжиривания и травления, т. е. отношение скоростей разрушения загрязнений и нижележащего материала самой детали (при очистке недопустимо разрушение, изменение структуры, геометрии очищаемой детали).
Для очистки применяются два типа установок.
Установки с тлеющим газовым разрядом, который зажигается от сетевого напряжения низкой частоты. В таких установках проводится финишная плазмохимическая очистка собранной внутренней арматуры; применение слабого тлеющего разряда обеспечивает селективность очистки и предотвращает распыление металла электродов и его напыление на изоляторы внутренней арматуры приборов (любое напыление на изоляторы может привести к утечкам, пробоям, повышенному газовыделению и «паразитной» автоэлектронной эмиссии).
Установки с сильным газовым разрядом, в котором плазма зажигается с помощью напряжения высокой частоты (например, 13,56 МГц). В этих установках с высокочастотной плазмой проводится ионно-плазменное травление деталей после механической обработки, при этом не требуется их предварительное обезжиривание в трихлорэтилене или других моющих жидкостях. Конструктивно плазменные установки для очистки выполняются в виде цилиндрического, плоского или объемного реакторов. Например, в цилиндрическом реакторе (рис. 5.7) плазма на-
Рис. 5.7. Схемы цилиндрического (а), плоского (б), объемного (в) плазменных реакторов для сухой очистки:
2—обрабатываемые пластины; 2—перфорированная алюминиевая труба;3—плазма; 4—кварцевый баллон; 5 заземленный электрод; 6— высокочастотный электрод; 7— место подач” рабочего газа
ходится в зазоре между внутренней стенкой кварцевого баллона и перфорированной алюминиевой трубой. По оси трубы установлена подставка с обрабатываемыми деталями, разделенными друг от друга. Продукты реакций непрерывно удаляются откачкой из зоны реактора. Глубина травления обычно составляет до 2 мкм.
$ 5.6. ПЛАЗМЕННОЕ НАНЕСЕНИЕ ПОКРЫТИЙ
Различают три разновидности методов плазменного нанесения покрытий:
из порошков материалов при высоком давлении плазмообразующего газа;
путем распыления (эрозии) в вакууме материала одного из электродов (ионное распыление);
из сепарированных ионных потоков.
Плазменный метод нанесения покрытий имеет следующие преимущества: покрытия имеют плотную и однородную структуру, что объясняется высокой кинетической энергией, сообщаемой частицам напыляемого материала в плазменной струе; плазменным методом можно плавить и распылять все известные тугоплавкие вещества и химические соединения (металлы, керамику, карбиды, оксиды, керметы), плазменное пламя имеет температуру значительно более высокую, чем химическое (например, вольфрам можно наносить только плазменным методом); применение бескислородных газовых смесей уменьшает окисление распыляемых материалов; покрытия можно наносить на подложки из любого материала; в широких пределах можно регулировать толщину и свойства покрытий, наносимых из одного и того же материала (например, на основе оксида циркония можно 66
Рис. 5.8. Схема установки плазменного напыления покрытийРис. 5.8. Схема установки плазменного напыления покрытийполучить мягкое покрытие, являющееся хорошим теплоизолятором, и твердое — с высоким сопротивлением на износ и эрозию).
Рис. 5.8. Схема установки плазменного напыления покрытий
Рис. 5.8. Схема установки плазменного напыления покрытий
Качество плазменных покрытий зависит от ряда технологических 'факторов: формы и размеров сопла плазменной горелки, потребляемой мощности, вида и расхода плазмообразующего газа, скорости подачи напыляемого материала, угла напыления и расстояния сопла от обрабатываемой поверхности, скорости перемещения горелки или напыляемой поверхности, температуры подложки, на которую наносится покрытие, И т. д.
При выборе напыляемого материала следует учитывать его физические свойства: молекулярный вес, температуру плавления частиц, вязкость, сыпучесть, теплоемкость, теплопроводность, температурный коэффициент расширения, теплоту плавления.
Покрытие из порошков материалов наносится с помощью струи низкотемпературной плазмы (рис. 5.8). Порошок материала, предназначенного для покрытия, находится в бункере 1. Под действием вибратора 2 порошок (через дроссель 5) попадает в область горения плазменной дуги: между вольфрамовым электродом 4 и соплом 5. Частицы порошка нагреваются, плавятся и разгоняются до высоких скоростей. Для обеспечения качественного покрытия деталь-подложка, на которую наносится покрытие, разогревается до высокой температуры.
Особое внимание уделяется грануляции порошка и времени пребывания его в пламени плазмы (не более 100 — 200 с). Шарообразная форма зерен является наилучшей, они быстрее нагреваются в пламени плазмы и легче захватываются плазмой благодаря большой сыпучести. Величина зерен должна быть оптимальной: при размере зерен больше оптимального они имеют
большую кинетическую энергию, легко входят в центр плазменной струи, но находятся в ней очень мало времени и не успевают расплавиться; при размере зерен меньше оптимального, они не попадают в горячую сферу плазменной струи, не расплавляются и уносятся за пределы горячей плазмы.
Отношение K={TnnD)/ V-р комплексно характеризует способность порошка к расплавлению: чем больше К, тем труднее плавится порошок (TM — температура плавления материала порошка; D — размер частиц порошка; р — плотность порошка при данном размере частиц; К — параметр «трудности плавления»). Плазменным напылением можно изготовить, например, сложные фасонные детали из различных тугоплавких материалов. Тугоплавкий материал напыляют на сердечник или модель, а затем сердечник удаляют.
В а к у у м н о-д у г о в о й метод предназначен для нанесения металлических и диэлектрических покрытий с заранее заданными свойствами, здесь применяются плазменные ускорители (ПУ). В плазменных ускорителях используется вакуумная дуга — сильноточный низковольтный разряд зажигается в глубоком вакууме и развивается в парах материала эрозирующего электрода. Эрозирующий электрод, обычно катод, изготовляется из материала, который при плазменном распылении образует покрытие на деталях, находящихся на аноде.
Вакуум является рабочей средой плазменного ускорителя, необходимой для зажигания дугового разряда, а также предотвращает окисление металлов и сплавов, способствует удалению (термическому разложению, испарению и возгонке) летучих примесей и дегазации покрытия. В плазменных ускорителях можно получить потоки частиц со скоростями до сотни километров в секунду и энергиями до десятков тысяч электрон-вольт — это позволяет проводить технологические процессы, основанные на испарении поверхностных слоев материалов, конденсации атомарных частиц на поверхностях деталей, внедрении атомов вглубь кристаллической решетки, имплантации ионов нужного вида.
Вакуумно-дуговой метод нанесения покрытий имеет следующие преимущества: возможность наносить пленки из любых электропроводящих материалов, из которых изготовлен катод плазменного ускорителя (используя составные катоды или несколько катодов из различных материалов, в том числе тугоплавких, можно получить пленки любого сложного состава); возможность получать пленки сверхвысокой чистоты (это объясняется проведением процесса в высоком вакууме); возможность получения сплошных бездефектных пленок даже при малых толщинах — это объясняется высокой степенью ионизации плазменного потока, что способствует агломерации зародышей на подложке; возможность
получения изолирующих пленок: оксидных, нитридных, карбидных покрытий с требуемой стехиометрией — путем регулирования давления реактивных газов (кислород, азот, углеродсодержащие) внутри вакуумного колпака установки в диапазоне давлений 1 — Ю'4 Па (для осаждения электропроводящих металлических покрытий реактивного рабочего газа не требуется).
На рис. 5.9 показана схема и принцип действия одноступенчатого торцевого плазменного ускорителя, установленного внутри вакуумной камеры с давлением 10"3 Па. Механизм зажигания и поддержания высоковольтного разряда в парах материала эрозирующего электрода следующий.
В коаксиальном промежутке катод 1—анод 2 создается электропроводящая среда — автоэлектроны, вырываемые электрическим полем, вызывают пробой вакуумного промежутка и ионизацию остаточного газа. При этом возникает (генерируется) плазменная дуга 5, которая образует на катоде хаотически перемещающиеся микропятна.
Происходит ускорение плазменного потока, концентрация и стабилизация горения дуги на торцевой поверхности катода с помощью катушки электромагнита 3, расположенного снаружи анода 2 и создающего аксиально расходящееся магнитное поле 4. Магнитное поле выполняет следующие функции: перемещает катодное пятно в направлении острого угла, образованного силовыми линиями поля с поверхностью катода; воздействует на плазменный факел (вызывает вращение плазмы, фокусировку по оси ускорителя, доускоряет плазму за счет взаимодействия азимутального холловского тока в плазме с радиальной компонентой магнитного поля Sr), способствует автосепарации капельной фазы.
ВоЗаВоЗаРис. 5.9. Схема одноступенчатого торцевого плазменного ускорителяРис. 5.9. Схема одноступенчатого торцевого плазменного ускорителяУскоренная, сфокусированная и сконцентрированная на катоде плазменная дуга вызывает испарение материала катода, при этом в объеме появляются ионы металла, из которого изготовлен катод.
ВоЗа
ВоЗа
Рис. 5.9. Схема одноступенчатого торцевого плазменного ускорителя
Рис. 5.9. Схема одноступенчатого торцевого плазменного ускорителя
Ионы, образовавшиеся при эрозии катода, выполняют функции: поддерживают стабильное горение дугового разряда; транспортируются к подложке б, находящейся на аноде, проникают в приповерхностные слои подложки и образуют на ней высокопрочное пленочное покрытие.
Плазменный ускоритель содержит источник 7 напряжения смещения подложки, электрод 9, поджигающий дугу, электромагнит 8, источник питания 10.
Технологические режимы нанесения покрытий зависят от природы наносимого материала.
Для каждого материала существует оптимальная пороговая сила тока разряда: при токе, меньшем порогового, дуговой разряд переходит в диффузный; при токе, превышающем пороговое значение, возрастает содержание микрокапельной фазы в продуктах эрозии катода и ухудшается качество тонких пленок.
Плазменный ускоритель с титановым катодом можно исполь- ; зовать как высокоэффективный вакуумный насос с регулируемой скоростью откачки (обеспечив в установке предварительное разряжение 10"1 Па).
Для получения пленок с высокой адгезией к подложке не требуется ее предварительный подогрев — это объясняется высокой и практически одинаковой энергией ионов в ускорителе (при обычном термическом способе напыления пленок в вакууме для хорошей прочности сцепления покрытия с подложкой требуется ее предварительная активация путем нагрева до температуры, составляющей 0,3—0,5 от температуры плавления — ввиду низкой энергии конденсирующихся атомов покрытия).
$ 5.7. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МАГНЕТРОННОГО НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ
В последнее время широкое распространение получили установки распыления магнетронного типа (рис. 5.10).
Магнетронные установки распыления имеют диодную конструкцию и в них используются скрещенные электрические и магнитные поля, образуемые источником питания 3 и системой
Рис. 5.10. Схема магнетронной систе- мы распыления с плоской мишеньюРис. 5.10. Схема магнетронной систе- мы распыления с плоской мишеньюпостоянных магнитов 2.
Рис. 5.10. Схема магнетронной систе- мы распыления с плоской мишенью
Рис. 5.10. Схема магнетронной систе- мы распыления с плоской мишенью
При давлении рабочего газа 1,3 —6,6-Ю'1 Па между мишенью-катодом 1 и анодом 4 зажигается тлеющий электрический разряд. При ионной бомбардировке катода-мишени происходит эмиссия электронов.
На элекроны, испускаемые катодом, воздействуют одновременно электрическое и магнитное поля:
электрическое поле ускоряет электроны, которые ионизируют атомы рабочего газа и поддерживают горение разряда;
поперечное магнитное поле 7 отклоняет электроны и заставляет их двигаться по сложным циклоидальным траекториям 5.
При этом электроны оказываются как бы в ловушке; с одной стороны, магнитное поле возвращает их на катод; с другой стороны — поверхность катода отталкивает эти электроны за счет электрических сил отталкивания одноименных зарядов.
Это вызывает дрейф и циркуляцию электронов между катодом V анодом, что способствует усилению процесса ионизации и повышению концентрации ионов у поверхности мишени-катода. Поперечное магнитное поле воздействует на плазму разряда и локализует ее вблизи поверхности мишени. Повышение концентрации ионов вблизи мишени позволяет бомбардировать мишень более интенсивными ионными потоками, чем в обычных диодных системах, что способствует увеличению скорости распыления мишени (зона интенсивного распыления 6) и образованию пленки на подложке.
Движение заряженных частиц в плазме, на которую наложены неоднородные электрические и магнитные поля, складывается из направленного, диффузионного и дрейфового перемещений заряженных частиц, а также циклотронного вращения.
Циклотронное вращение заряженных частиц плазмы происходит в плоскости, перпендикулярной магнитному полю. Это вращение характеризуется циклотронной частотой со и радиусом вращения г
со = eZBlm, г = Vi/co,
где е, Z — заряды электрона и иона; В — индукция магнитного поля; т — масса частиц; Vi — составляющая скорости перемещения частиц в направлении, перпендикулярном силовым линиям магнитного поля.
Дрейф заряженной частицы в направлении перпендикулярном электрическому и магнитному полям, характеризуется скоростью дрейфа Уд:
,УД = Е/В,
где Е — напряженность электрического поля.
В однородном магнитном и электрическом полях траектория движения заряженной частицы будет циклоидой, высота которой равна двум радиусам вращения:
Лц = TmEf <eZB).
Однако в магнетронных установках магнитное и электрическое поля неоднородны — это приводит к возникновению побочных Дрейфовых движений, в частности центробежного и градиентного.
Эти побочные движения вызывают разделение частиц по величине их зарядов и массе и соответственно искажение циклоидальной траектории.
Вследствие неоднородности магнитного и электрического полей плазма принимает форму, близкую к кольцевой, и распо-
Рис. 5.11. Схема установки непрерывного шагается непосредственно у действия со шлюзовым загрузочно-разгрузоч- поверхности распыляемой ным устройством, оснащенной магнетронным мишени.
Скорость V роста толщины пленки на подложке линейно зависит от подводимой мощности Р. Наиболее интенсивное расСкорость V роста толщины пленки на подложке линейно зависит от подводимой мощности Р. Наиболее интенсивное расисточником:
Скорость V роста толщины пленки на подложке линейно зависит от подводимой мощности Р. Наиболее интенсивное рас
Скорость V роста толщины пленки на подложке линейно зависит от подводимой мощности Р. Наиболее интенсивное рас
шлюзовое устройство роторного типа; 2— гибкий конвейер; 3—секция загрузки; 4, 7—перегородки с вакуумными щелями; 5—секция нанесения пленок; 6—магнет- ронньш источник; 8— секция охлаждения н выгрузки; 9— вакуумный затвор
пыление мишени наблюдается в центральной части, где плазма имеет самую большую плотность. Для обеспечения равномерной толщины покрытий применяются различные способы: подбор оптимальной геометрии мишени; создание нескольких зон распыления; линейное перемещение подложек с использованием специальных профилированных экранов.
На рис. 5.11 показана схема установки магнетронного напыления непрерывного действия со шлюзовым загрузочно-разгрузочным устройством.
На магнетронных установках выполняются самые различные операции, например: металлизация (алюминирование) люминесцентных экранов, интегральных схем и др.; нанесение антидомингового покрытия на экраны; изготовление высококачественных фотошаблонов; нанесение пленок на органические материалы с низкой термостойкостью (благодаря тому, что при магнетронном напылении не требуется нагрева подложки); изготовление проводящих высокостабильных контактов; нанесение диэлектрических пленок.
ГЛАВА 6. ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ ЛАЗЕРНЫМ ЛУЧОМ
§ 6.1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА
В технологии электровакуумного производства лазеры (оптические квантовые генераторы) применяются для: сварки, 72
резки, сверления и прошивки отверстий, гравировки, обез- гаживания материалов и деталей, оплавления заусенцев, закалки поверхности инструмента, различных видов контрольноизмерительных операций, получения особо чистых веществ, активирования химических реакций, нанесения пленочных покрытий и изображений на детали.
Лазер в отличие от других источников света генерирует когерентное излучение.
Когерентным называется упорядоченное излучение, которое состоит из волн, имеющих одинаковую частоту (длину волны) и согласованных друг с другом по фазе и направлению движения (рис. 6.1). Обычные источники света, например лампы накаливания, испускают некогерентный свет, представляющий собой смесь волн различной длины, распространяющихся в различных направлениях.
Когерентность лазерного излучения определяет монохроматичность, исключительно малый угол расходимости и высокую интенсивность лазерного луча.
Монохроматичность излучения характеризуется отношением
kv/v.
где v — среднее значение частоты излучения луча; Ду — разброс частот в луче.
Чем меньше это отношение, тем выше монохроматичность излучения, у лазерного луча отношение Д^ = 1О~8-^1О"10, поэтому практически его можно считать одночастотным (моно-
хроматичным).
Луч лазера узконаправлен (т.е. волны почти параллельны друг другу и мало отклоняются от оси).
Характеристикой узконаправлен- ности лазерного излучения является угол расхождения лучей 6:
в = 1,22 X/d,
где Я — длина волны излучения; d — диаметр иллюминационного отверстия (или диаметр источника излучения).
Минимальная ширина лазерного луча ограничивается только явлением дифракции света. Во всех случаях чем
Меньше длина волны, тем меньше уголрис- 6.1. Разновидности излучений: расходимости луча и тем более узко- а —некогерентное; б —когерентное (согла- направлен луч. Наименьший угол рДС-саванное по фазе и направлению)
ходимости лазерного луча соответствует примерно угловой минуте. С уменьшением угла расходимости уменьшается диаметр светового пятна, который можно получить после фокусировки луча, и соответственно увеличивается плотность энергии, достигающей поверхности обрабатываемой детали.
Когерентные лучи лазера можно сфокусировать' в пятно диаметром порядка длины световой волны: 1 — 10 мкм.
Излучение лазера характеризуется высокой плотностью энергии порядка 102 — 1013 Вт/см2. Луч СО2 — лазера мощностью 1 кВт и диаметром 1 мм имеет интенсивность 105 Вт/см2. Этой
интенсивности достаточно для расплавления металлов. При фокусировке в пятно диаметром 30 мкм интенсивность луча возрастает до 1010 Вт/см2 — этого достаточно для испарения любого материала1. Лазеры могут генерировать как непрерывный световой поток, так и световые импульсы определенной длительности, следующие друг за другом через один и тот же интервал времени. Мощность лазерного импульса можно значительно повысить за счет уменьшения его длительности. Характерная частота следования импульсов составляет обычно 1 — 10 кГц (до десяти тысяч импульсов в секунду).
Современная лазерная техника позволяет регулировать длительность, энергию, частоту, форму лазерных импульсов и соответственно среднюю мощность лазерного излучения (см. с. 83).
$ 6.2. МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА
Слово «лазер» (составлено из начальных букв английского словосочетания Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) в переводе на русский язык означает «усиление света посредством вынужденного испускания»2. Принцип работы лазера основан на сложных физико-химических процессах. Существуют два принципиально разных процесса испускания света атомами и молекулами вещества: самопроизвольное и вынужденное излучения.
Самопроизвольное, или спонтанное, излучение имеет место при переходе атома или молекулы из возбужденного состояния в нормальное и обусловлено стремлением атомов и молекул иметь минимум энергии.
Среднее значение интенсивности составляет всего 0,1 Вт/см2.2Среднее значение интенсивности составляет всего 0,1 Вт/см2.2солнечного света вблизи земной поверхностисолнечного света вблизи земной поверхностиПрактически лазеры не только усиливают, но и генерируют излучение.Практически лазеры не только усиливают, но и генерируют излучение.
Среднее значение интенсивности составляет всего 0,1 Вт/см2.
2
Среднее значение интенсивности составляет всего 0,1 Вт/см2.
2
солнечного света вблизи земной поверхности
солнечного света вблизи земной поверхности
Практически лазеры не только усиливают, но и генерируют излучение.
Практически лазеры не только усиливают, но и генерируют излучение.
Как известно, энергия атома квантуется, т.е. атом может иметь не любые, а только некоторые, вполне определенные значения энергии, называемые энергетическими уровнями. Атомы вещества могут находиться как в нормальном состоянии (соответствующем минимальному уровню энергии Ei), так и в возбужденном состоянии (соответствующем более высокому энергетическому уровню Ег) (рис. 6.2, а). При переходе атома из возбужденного состояния 2 в нормальное состояние 1 происходит испускание частицы света — фотона, несущего квант (порцию) энергии Е = Лр2,1, равную разности энергий атома на уровнях Е2 и Ei (рис. 6.2, б).
Из равенства Ei — Ei = /щ2,1 следует, что
V2.1 = (Ег —Е1)/Л,
где Р2,1 — частота испускаемого спонтанного излучения; h — постоянная Планка (Л = б,640—34 Дж-с).
Таким образом, частота V2,i и соответственно длина волны самопроизвольного спонтанного излучения зависят и определяются разностью энергий атома в возбужденном и нормальном состоянии. Однако каждый акт самопроизвольного спонтанного излучения атома, являясь принципиально возможным, не является обязательным и как любой случайный процесс не согласуется ни по времени, ни по направлению, ни по фазе с актами испускания света другими атомами, поэтому спонтанное излучение является некогерентным (см. с. 73) и имеет малую интенсивность.
В лазерах возбужденные атомы, находящиеся на уровне Ei, переходят в нормальное состояние на уровень Ei практически одновременно и синхронно: роль регулирующего «спускового механизма», который сталкивает в нужный момент атомы с верхнего энергетического уровня Ei на нижний Ei, играет так называемое «резонансное» излучение.
Резонансным называется излучение, которое распространяется вдоль оси активного вещества и имеет ту же частоту и фазу,
2 Nz Ег 2 Nz Ег 2 Nz Ег 2 Кг Ег
I|2,г-^бынинд.
1 Hi Е, 1 А/, Е,а)б)Рис. 6.2. Принцип работы лазера:1 Hi Е, 1 А/, Е,а)б)Рис. 6.2. Принцип работы лазера:/ Е,£
1 Hi Е, 1 А/, Е,а)б)
Рис. 6.2. Принцип работы лазера:
1 Hi Е, 1 А/, Е,а)б)
Рис. 6.2. Принцип работы лазера:
8)г)
а — возбуждение атома (накачка); б — спонтанное излучение; а — резонансное поглощение; * — вынужденное (индуцированное) излучение
что и принципиально возможное спонтанное излучение (рис. 6.2, в). Резонансное излучение повышает вероятность спонтанного излучения: оно превращает принципиально возможные (случайные, несогласованные) акты испускания света возбужденными атомами в практически необходимые, вынужденные и управляемые процессы. Образующиеся вынужденные фотоны (/ггВыи. инд) являются точной копией резонансных фотонов (Лувн. рез). Ввиду того, что каждый первичный резонансный фотон индуцирует переходы в нормальное состояние сразу множества возбужденных атомов, образуется лавина вторичных фотонов: они летят в одном направлении (в направлении первичного фотона — вдоль оси), имеют одинаковую частоту и согласованы по фазе (рис. 6.2, г).
Таким образом, возникает вынужденное индуцированное излучение активного вещества, которое является когерентным монохроматичным (все фотоны имеют частоту V2.1), узконаправленным (вдоль оси) и имеет высокую интенсивность (лавина электронов).
Из сказанного следует, что интенсивный лазерный луч образуется при выполнении двух условий.
Наличие в активном веществе избытка возбужденных атомов, способных стать источником вынужденного излучения. Такое состояние системы, при котором концентрация возбужденных атомов с энергией Ei значительно превышает концентрацию нормальных атомов с более низкой энергией Ei, называется инверсным.
Инверсное состояние активного вещества достигается путем «подкачки» энергии извне, например, путем воздействия внешнего вспомогательного излучения от газоразрядной лампы, электрического разряда в газе, радиоактивного излучения и т.д. Эта внешняя энергия «подкачки» сообщает атомам энергию, равную Ei — Ei, и переводит их в возбужденное состояние.
Наличие резонансного излучения, распространяющегося вдоль оси активного вещества, находящегося в инверсном состоянии, может быть достигнуто двумя способами.
Роль резонансного излучения играет внешний световой импульс от источника, излучение которого требуется усилить. Этот импульс должен состоять из первичных фотонов с энергией 7^2,1, аналогичных вторичным фотонам, испускаемых возбужденными атомами активного вещества. Этот способ используется в квантовых усилителях света, служащих не для создания, а только для усиления излучения.
Другой способ, когда роль резонансного излучения играют первичные спонтанные фотоны, которые образовались внутри
активного вещества и случайно оказались направленными вдоль его оси .
Активный элемент лазера, например твердый цилиндрический стержень, помещается между параллельными зеркалами, представляющими собой простейший оптический резонатор. Спонтанный фотон, случайно образовавшийся в направлении оси активного элемента (стержня), например в точке А (рис. 6.3), двигаясь вдоль стержня, «обрастает» индуцированными вторичными фотонами и превращается в световой импульс; дойдя до зеркала резонатора и зеркально отразившись от него, этот импульс снова проходит по оси стержня, но уже в обратном направлении и соответственно еще больше усиливается за счет индуцируемых «вынужденных» фотонов. На пути от зеркала к зеркалу лавина фотонов «обрастает» все новыми и новыми индуцированными «вынужденными» фотонами и процесс становится цепным: чем больше многократных отражений испытывает световой импульс, двигаясь вдоль оси, тем больший путь он пройдет внутри активного вещества лазера и тем больше в нем накопится фотонов. При достижении определенной мощности световой импульс покидает резонатор через выходное зеркало в виде лазерного луча (рис.
Рис. 6.3. Схема образования лазерного луча
Спонтанные фотоны движутся во всех направлениях внутри активного элемента лазера, и только некоторые из них в соответствии со статистическим вероятностным Распределением имеют направление вдоль его оси.
снизу). Из лазера испускаются только световые волньйИ тысячекратно отраженные и не испытывавшие существенног^И отклонения от оси прибора.W
Спонтанные фотоны, которые родились не в направлении оси стержня, а в других направлениях (например, фотоны, образовавшиеся в точках В, С, D, Е, F, G), не смогут образовать лавину индуцированных фотонов: на их пути нет отражающих зеркал резонатора и соответственно они проходят сравнительно короткий путь, недостаточный для образования мощного светового импульса, способного покинуть лазер (рис. 6.3). Это предотвращает появление некогерентного излучения, отличающегося от лазерного луча.
Таким образом, лазерное излучение зарождается из спонтанного излучения благодаря избирательности усиления: усиление излучения происходит лишь в одном направлении — вдоль оси I активного элемента. Оптический резонатор упорядочивает бурно развивающиеся в активном элементе процессы вынужденного испускания фотонов, направляет эти процессы в «нужное русло» и формирует лазерный луч.
Активный элемент, который приведен «накачкой» в инверсное состояние (т.е. вынужденное испускание света преобладает над поглощением света), может работать только как усилитель света. Чтобы превратить усилитель света в генератор света (т.е. получить лазер), необходимо поместить этот элемент внутрь оптического резонатора.
КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ
ПРОМЫШЛЕННЫХ ЛАЗЕРОВ
Вне зависимости от разновидности конструкции и принципа работы все лазеры имеют три основных узла: активный элемент, устройство «накачки» и резонатор (рис. 6.4).
В зависимости от агрегатного состояния активного элемента лазеры подразделяются на твердотельные, газовые и жидкостные.
В любом активном элементе имеются активные центры, в которых зарождается лазерное излучение.
В твердотельных лазерах активным элементом обычно является стержень цилиндрической формы из кристалла диэлектрика или стекла. В рубиновом лазере матрицей (основой) активного элемента является кристалл розового рубина (AI2O3).
В качестве активных центров в этом лазере применяются ионы хрома (Сг3+), доля которых составляет 0,05 %.
В твердотельных лазерах для возбуждения активных центров применяется оптическая накачка: параллельно активному элемента
РезонаторРезонаторВыходное зеркалоВыходное зеркалоРис. 6.4. Принципиальная схема лазераРис. 6.4. Принципиальная схема лазераРис. 6.5. Схема твердотельного лазераРис. 6.5. Схема твердотельного лазераРис. 6.6. Уровни энергетических переходов при возникновении лазерного луча в рубиновом лазереРис. 6.6. Уровни энергетических переходов при возникновении лазерного луча в рубиновом лазере
Резонатор
Резонатор
Выходное зеркало
Выходное зеркало
Рис. 6.4. Принципиальная схема лазера
Рис. 6.4. Принципиальная схема лазера
Рис. 6.5. Схема твердотельного лазера
Рис. 6.5. Схема твердотельного лазера
Рис. 6.6. Уровни энергетических переходов при возникновении лазерного луча в рубиновом лазере
Рис. 6.6. Уровни энергетических переходов при возникновении лазерного луча в рубиновом лазере
ту-стержню 1 помещается вспомогательная лампа-вспышка 2 (рис. 6.5). С помощью специального отражателя 3 световая энергия лампы-вспышки концентрируется на активном стержне и частично поглощается в нем, переводя активные центры — ионы хрома (или неодима) на уровень возбуждения. Ион хрома, как и любой реальный ион или атом, в действительности имеет не два, а много энергетических уровней. Для работы лазера на рубине существенны только два энергетических уровня 1, 2 и две энергетические полосы 3, 4 (рис. 6.6). Ион хрома поглощает световой импульс от ксеноновой лампы «накачки», возбуждается и скачком переходит с нормального уровня 1 на энергетическую полосу 3. Однако состояние ионов с энергией Ез является неустойчивым, они практически не задерживаются в этом состоянии и переходят на уровень 2 (рис. б.б).
Переход 3 -* 2 является безызлучательным и не сопровождается испусканием фотонов — избыток энергии, выделяющейся при этом переходе, расходуется на колебания кристаллической решетки рубина. На энергетическом уровне 2 ион хрома задерживается на длительное время 10—4— 10-3 с (что в десятки и сотни тысяч раз больше его пребывания на энергетической полосе 3). Уровень 2 называется метастабильным, а находящиеся на нем ионы — «долгоживущими».
Таким образом, в процессе «накачки» на метастабильном уровне 2 накапливается большое количество возбужденных ионов хрома. При определенной мощности «накачки» концентрация ионов хрома с энергией Ei становится выше концентрации ионов хрома с энергией Ei — система становится инверсной.
При наличии «сигнала» в виде резонансного -излучения спонтанных фотонов с энергией, равной разности уровней 2 и 1, происходит вынужденное индуцированное излучение ионов хрома' — создается лазерный луч. Резонатор в простейшем случае представляет собой два взаимно перпендикулярных зеркала, находящихся на торцах активного элемента (см. с. 77). Одно из зеркал является полностью отражающим; другое зеркало, называемое выходным, должно частично пропускать излучение — через это зеркало испускается лазерный луч.
Твердотельные лазеры имеют ряд преимуществ: острую фокусировку луча, возможность работы в любой оптически прозрачной атмосфере (вакуум, инертные газы, воздух и т.п.), отсутствие вторичного рентгеновского излучения, простоту установки. К недостаткам следует отнести низкий КПД лазера (от 0,1 до 5%) из-за больших потерь теплоты в кристаллической решетке активного элемента, его перегрева и трудностей охлаждения, что не позволяет длительное время работать в непрерывном режиме; сравнительно ограниченную мощность, а следовательно, ограниченную глубину обработки.
В газоразрядных лазерах активным элементом является стеклянная трубка, внутри которой находится специально подобранная газовая смесь под давлением 1 —10 мм рт. ст., возбуждаемая электрическим разрядом.
Различают три разновидности газоразрядных лазеров:
ионные газоразрядные лазеры — генерируют лазерный луч за счет энергетических переходов свободных ионов;
атомные лазеры — генерируют лазерный луч за счет переходов возбужденных атомов;
молекулярные лазеры (мазеры) — генерируют лазерный луч за счет переходов между уровнями молекул.
Ионные лазеры генерируют излучение, попадающее в видимую и ближнюю ультрафиолетовую области спектра, от 0,3 до 1 мкм.
Рис. 6.7. Конструкция аргонового лазера:1— газоразрядная трубка; 2— катод; 5— анод; 4— система водяного охлаждения; 5— обводной канал газоразрядной трубкиРис. 6.7. Конструкция аргонового лазера:1— газоразрядная трубка; 2— катод; 5— анод; 4— система водяного охлаждения; 5— обводной канал газоразрядной трубки
Рис. 6.7. Конструкция аргонового лазера:
1— газоразрядная трубка; 2— катод; 5— анод; 4— система водяного охлаждения; 5— обводной канал газоразрядной трубки
Рис. 6.7. Конструкция аргонового лазера:
1— газоразрядная трубка; 2— катод; 5— анод; 4— система водяного охлаждения; 5— обводной канал газоразрядной трубки
Примером ионного лазера является аргоновый (рис. 6.7). Для возбуждения используется стационарный дуговой разряд постоянного тока.
Примером атомного газоразрядного лазера является гелий-неоновый лазер. Активный элемент представляет собой газоразрядную трубку, в которой под давлением 1 мм рт. ст. находится смесь гелия и неона; парциальное давление неона в 5 — 10 раз меньше, чем гелия. Активными центрами, испускающими излучение, являются атомы неона. Гелий играет роль вспомогательного буферного газа — атомы гелия служат для передачи энергии возбуждения атомам неона. При подаче на электроды напряжения около 1000 В в рабочем канале трубки зажигается тлеющий разряд, служащий для «подкачки» энергии атомам газа и перевода их в возбужденное состояние.
Образование активных центров в виде возбужденных атомов неона происходит по следующему механизму: электроны, образу- ющиер в разряде, сталкиваются с атомами гелия и передают им энергию, при этом возникают возбужденные атомы гелия; возбужденные атомы гелия сталкиваются с невозбужденными атомами неона и передают им часть своей энергии, при этом возникают возбужденные атомы неона.
Таким образом, создается инверсная населенность рабочих уровней атомов неона, когда концентрация возбужденных атомов неона начинает превышать концентрацию нормальных.
Примером молекулярного лазера является СО2 — лазер, структурная схема которого приведена на рис. 6.8. Активным элементом является газовая смесь, состоящая из диоксида углерода (СО2), молекулярного азота (N2) и небольших добавок в виде гелия, паров воды и т.д. Активными центрами являются молекулы СО2. Азот является буферным газом. Для «накачки» энергии используется тлеющий разряд.
Образование активных центров в виде возбужденных молекул СО2 происходит по следующему механизму: электроны, образующиеся в разряде, сталкиваются с молекулами азота и передают им энергию, при этом образуются возбужденные молекулы азота; возбужденные молекулы азота сталкиваются с невозбужденными
Рис. 6.8. Структурная схема газового лазера (СОг-лазер) молекулами диоксида углерода, при этом образуются возбужденные молекулы СО2. Это приводит к возникновению инверсионной населенности рабочих уровней молекул СО2.
Добавление в рабочую смесь гелия облегчает условия возникновения разряда, способствует охлаждению разряда (благодаря высокой теплопроводности гелия) и вызывает высокую инверсию заселенности возбужденных уровней.
В резонатор жидкостных лазеров вместо стеклянного стержня (как у твердотельных лазеров) помещают кювету с раствором. Инверсия осуществляется за счет накачки от импульсных ламп. Коэффициент преобразования энергии оптической накачки в энергию генерации достигает 50 %. Активной средой являются растворы редкоземельных ионов в неорганических жидкостях или растворы органических красителей. Возможность циркуляции жидкости с целью ее охлаждения позволяет получать большие энергии и мощности излучения.
ЛАЗЕРНАЯ ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ
Процесс взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемым материалом можно разделить на следующие стадии:
поглощение света с последующей передачей энергии тепловым колебаниям решетки твердого тела;
нагрев материала без разрушения, включая плавление (при плотности энергии до 105 Вт/см2);
разрушение материала путем испарения и выброса его расплавленной части (при плотности энергии свыше 106 Вт/см2).
При лазерной термообработке и сварке используются процессы нагрева и плавления; при лазерной размерной обработке, резке, сверлении отверстий, нанесении покрытий доминируют процессы
теплового разрушения, взрывного испарения и выброса расплава материала деталей.
Лазерные установки типа «Квант» на твердотельных лазерах обеспечивают шовную сварку деталей из любых разнородных металлов и сплавов (никеля, ковара, нержавеющей стали, титана и др-) при минимальной деформации и максимальной глубине проплавления до 0,5 мм (рис. 6.9). Лазерная сварка основана на тепловом действии луча при его поглощении свариваемыми деталями. Основными характеристиками материалов, определяющими требуемую энергию лазерного луча, являются их теплофизические свойства: температура плавления и кипения, теплоемкость, теплопроводность, давление насыщенных паров, температура начала интенсивного испарения, коэффициенты отражения и поглощения света, а также геометрия свариваемых деталей. Обычно температура в точке приложения лазерного луча находится в интервале 5500 — 9000°С, она тем выше, чем сильнее поглощают лазерное излучение обрабатываемые детали.
Размеры литой зоны — глубина и диаметр проплавления, определяющие прочность сварного соединения, зависят прежде всего от энергии, затраченной на нагрев, времени, в течение которого этот нагрев осуществлялся, и диаметра светового пятна на поверхности свариваемых деталей. Энергия лазерного луча при сварке должна быть достаточной для нагрева свариваемых деталей до температуры плавления, но недостаточной для испарения и разбрызгивания металлов в месте сварки.
При увеличении энергии излучения прочность сварного соединения сначала увеличивается за счет увеличения глубины и диаметра зоны проплавления, а затем уменьшается за счет выброса части расплавленного металла из сварочной ванны вследствие интенсивного испарения и соответственно уменьшения площади сечения литой зоны.
При плотностях мощности, еще недостаточных для интенсивного испарения (105— 106 Вт/см2 при длительности порядка 10—3 — 10~гс), передача теплоты в глубину свариваемых материалов осуществляется в основном за счет теплопроводности. Зона проплавления в этом случае имеет форму, близкую к сферической (рис. 6.10, а). Практически при лазерной сварке в большинстве случаев наблюдается частичное испарение металла. Это приводит к тому, что под давлением пара поверхность сварочной ванны прогибается и участок этой поверхности, непосредственно воспринимающий энергию излучения, опускается (рис. 6.10, б). При этом поверхностное натяжение расплавленного металла препятствует его выплеску, поэтому после окончания действия излучения еще не застывший металл заполняет образовавшееся углубление. В результате прогиба сварочной ванны глубина
1—излучение лазера; 2—свариваемые детали; 3—-расплавленный металл; 4— застывшая сварочная ванна; 5—объем заглубления; б— временное отверстие, полученное за счет испарения1—излучение лазера; 2—свариваемые детали; 3—-расплавленный металл; 4— застывшая сварочная ванна; 5—объем заглубления; б— временное отверстие, полученное за счет испарения
1—излучение лазера; 2—свариваемые детали; 3—-расплавленный металл; 4— застывшая сварочная ванна; 5—объем заглубления; б— временное отверстие, полученное за счет испарения
1—излучение лазера; 2—свариваемые детали; 3—-расплавленный металл; 4— застывшая сварочная ванна; 5—объем заглубления; б— временное отверстие, полученное за счет испарения
Рис. 6.9. Схема установки лазерной сварки типа «Квант»:
I—генератор электрических импульсов; 2—источник света для «накачки» лазера; 3— резонатор; 4— активный твердотельный элемент; 5— оптическая фокусирующая линза; 6— свариваемые детали
Рнс. 6.10. Стадии процессов проплавления при различных плотностях мощности излучения:
проплавления увеличивается по сравнению с нагревом без заметного испарения. Форма зоны проплавления становится конической.
При увеличении плотности мощности в центре светового пятна до значений 5-Ю6 — 5-107 Вт/см2 в сварочной ванне образуется узкое глубокое отверстие, металл из которого частично вытесняется к периферии ванны (рис. 6.10, в). После окончания действия импульса временное отверстие заполняется металлом, расплавлен-
84
Ным в периферийной зоне светового пятна, где плотность мощности была недостаточна для интенсивного испарения.
Высокая плотность мощности на поверхности свариваемых деталей, обеспечиваемая лазерным источником излучения, обусловливает высокую скорость нагрева, что облегчает сварку металлов, обладающих высокой теплопроводностью (медь, серебро) и высокой температурой плавления (вольфрам, тантал, молибден) и соответственно плохо поддающихся обычной электроконтактной сварке.
4 Увеличение длительности импульсов и уменьшение длительности интервалов между ними обеспечивает увеличение глубины проникновения теплоты плавления и соответственно получение максимальной глубины проплавления без опасности избыточного испарения.
Увеличение длительности импульса благоприятно влияет на качество сварного соединения, так как способствует более полному удалению из сварочной ванны нерастворенных газов и уменьшает тем самым возможность образования пористости после застывания металла.
Однако при чрезмерном увеличении длительности импульса увеличивается часть энергии, теряемая в результате рассеяния теплоты за счет теплопроводности — это вызывает нарушение локализации нагрева, увеличение вероятности перегрева и деформации участков, близлежащих к сварному шву, а также приводит к необходимости увеличения энергии, требуемой для начала плавления металла. Потери энергии при лазерной сварке могут быть уменьшены благодаря специальной подготовке кромок свариваемых деталей (рис. 6.11):
уменьшение потерь на теплопроводность достигается путем утоньшения кромок (рис. 6.11, а) или применением специальных буртиков, расплавляемых в процессе сварки (рис. 6.11, б);
уменьшение потерь на отражение достигается за счет применения поглощающих покрытий, а также благодаря образованию кромками свариваемых деталей клиновидных светоловушек (рис. 6.11, в —д).
Рис. 6.11. Способы подготовки кромок свариваемых деталейРис. 6.11. Способы подготовки кромок свариваемых деталейша)ша)
Рис. 6.11. Способы подготовки кромок свариваемых деталей
Рис. 6.11. Способы подготовки кромок свариваемых деталей
ш
а)
ш
а)
Рис. 6.12. Структурная схема лазерной установки для сваркиРис. 6.12. Структурная схема лазерной установки для сваркиРегулирование плотности мощности лазерного луча производится его дефокусировкой: путем смещения обрабатываемой поверхности относительно фокальной плоскости; установкой линз в оптической системе с большим фокусным расстоянием.
Рис. 6.12. Структурная схема лазерной установки для сварки
Рис. 6.12. Структурная схема лазерной установки для сварки
Для перемещения луча относительно свариваемых деталей иногда применяют систему зеркал, перемещаемых по соответствующим координатам. На рис. 6.12 показана структурная схема лазерной установки сварки. Луч 2 лазера 1 формируется оптической системой 3 в световой поток с определенными гео
метрическими и энергетическими характеристиками (диаметром пучка, углом расходимости, плотностью энергии луча и др.) и направляется на обрабатываемый объект 4.
С помощью фокусирующих, отражающих и преломляющих оптических элементов луч лазера может быть подведен к обрабатываемой детали на любом расстоянии от излучателя и под любым углом к ее поверхности. Оптическая система 3 позволяет производить визуальный контроль положения обрабатываемого объекта относительно луча, наблюдение за ходом процесса сварки и дать оценку его результатов. Устройство 5 обеспечивает точную фиксацию обрабатываемой детали на рабочей позиции и ее перемещение в процессе обработки. Устройство 6 предназначено для подачи в рабочую зону сварки инертного или нейтрального газа. Источник вспомогательной энергии 7 служит для ввода в зону сварки дополнительной энергии (механической, тепловой, электромагнитной — при газолазерной сварке).
Программное устройство 8 управляет перемещением обрабатываемой детали и излучением лазера. Преобразователь 9 предназначен для контроля параметров излучения. Преобразователь параметров технологического процесса 10 может контролировать температуру зоны обработки, состояние поверхности обрабатываемой детали и давать сигналы управляющему устройству для изменения параметров излучения или прекращения операции. Аналогичную структурную схему имеют лазерные установки и для других видов лазерной обработки деталей (резки, скрайбирования, закалки).
Для сварки стеклянных деталей применяются газоразрядные лазеры, потому что они дают инфракрасное излучение с длиной волны 10 600 мкм, которое хорошо поглощается стеклом, характеризуются значительными уровнями мощности (до десятков
киловатт) при высоком КПД (25 — 30%) и обеспечивают непрерывный режим излучения энергии.
Локальность и узконаправленность воздействия лазерного излучения предотвращают деформацию околошовных участков свариваемых стеклянных деталей (положительный фактор), однако приводят к большим градиентам температуры и соответственно возникновению постоянных и временных термических напряжений в стекле (отрицательные факторы). Лазерная заварка ножки в баллон прибора позволяет обеспечить высокую прочность сварного соединения без опасности окисления деталей внутренней арматуры прибора, их перегрева и термического разложения эмиссионного покрытия катода и изоляционного покрытия подогревателей.
На рис. 6.13 показана схема установки для резания металла лучом лазера. Конструктивно активный элемент излучателя лазера представляет собой кварцевую трубку 6 с впаянными в нее электродами и двумя штуцерами, один из которых подсоединяется к вакуумной системе, а другой — к газовой. Трубка располагается между двумя плоскопараллельными зеркалами 5 — резонатором. Сильфоны 7 принимают на себя все перекосы и отклонения зеркал в момент их юстировки. Одно из зеркал является полупрозрачным, и через него выходит генерируемый лазером луч. Излучение лазера отражается от зеркала 4, фокусируется энергетической оптической системой 3 на поверхность обрабатываемого материала 7. Оптическая система <4 и 3) служит для передачи энергии излучения лазера к месту обработки, регулирования параметров излучения, повышения плотности энергии в луче, а также визуальной наводки излучения на обрабатываемую точку. С помощью сопла 2, соосного с лучом лазера, в зону нагрева
Рис. 6.13. Схема установки для резания металла лучом лазера
направляется газовая струя (обычно кислород). Само устройство, предназначенное для фокусировки луча лазера относительно обрабатываемой поверхности и подачи струи кислорода в зону резки, называется оптическим резаком. Нагрев в зоне резки происходит не только путем непосредственного теплового действия лазерного излучения, но и в результате экзотермических реакций горения, происходящих между обрабатываемым металлом и кислородом. Применение поддува кислорода позволяет более чем на порядок увеличить глубину резания.
Струя кислорода выполняет следующие функции: сначала кислород способствует предварительному окислению металла и снижению его отражательной способности; затем происходит переход к воспламенению и горению, при этом теплота экзотермической реакции усиливает термическое действие лазерного излучения; наконец, струя кислорода сдувает и уносит из зоны газолазерной резки расплав и продукты сгорания металла, обеспечивая одновременно приток кислорода непосредственно к фронту реакции горения, что позволяет получить чистый, качественный рез значительно большей глубины и меньшей ширины, чем в отсутствие поддува.
В настоящее время луч лазера применяют для сверления, при этом используют метод копирования, при котором формируемая поверхность повторяет с той или иной степенью точности форму лазерного луча, и метод обхода по контуру, при котором форма обрабатываемой поверхности определяется траекторией относительного перемещения луча и обрабатываемой поверхности. Например, лазерной обработкой изготовляют замедляющие системы (см. §21.2). Лазерным лучом можно прошивать отверстия очень малого диаметра 0,5 — 1 мкм (аберрация электронного луча при электронно-лучевой прошивке не позволяет получать отверстия менее 2 — 5 мкм). Следует отметить, что при лазерной обработке отверстия имеют некоторую конусность, особенно при больших отношениях их глубины к диаметру луча.
Лазерный луч применяется для размерной обработки в микроэлектронике: точной подгонке параметров тонкопленочных схем и для изготовления отдельных элементов схемы. С помощью испарения металлов под действием лазерного излучения можно изготовить пленочную схему — со всеми входящими в нее резисторами, конденсаторами, индуктивностями, а также изготовить фотошаблон для напыления компонентов микросхемы на подложку.
Основные преимущества лазерной технологии:
возможность достижения высокой, порядка сотен тысяч градусов температуры;
бесконтактность, узкая зона и малая продолжительность теплового воздействия на материал — это определяет высокую точность обработки, отсутствие нежелательных деформаций, напряжений, окисления, физико-химических изменений свойств материала на соседних участках обрабатываемой детали;
большое отношение глубины проплавления к ширине деформируемого участка — недостижимое при других методах ‘ обработки;
простота управления распределением мощности в лазерном луче и легкость его отклонения;
возможность сварки разнотолщинных материалов;
возможность обработки деталей в труднодоступных местах, подвод энергии через любую среду, пропускающую излучение с данной длиной волны, в том числе через прозрачные стеклянные оболочки; применение технологических газовых сред;
возможность обработки материалов независимо от их электрических и магнитных свойств;
возможность перемещения луча с высокой точностью и скоростью с помощью систем развертки при неподвижном объекте обработки;
возможность конгруэнтного напыления пленок сложного состава со стехиометрией, соответствующей материалу исходной мишени;
возможность получения сверхтонких сплошных пленок.
При лазерной сварке тугоплавких металлов в сварном шве не образуется крупных кристаллов, обусловливающих повышенную хрупкость сварочных швов, изготовляемых методами электрокон- тактной сварки.
ГЛАВА 7. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ, ОБРАБОТКИ И СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ
Любое колеблющееся тело заставляет колебаться в такт со Своими колебаниями воздушную, жидкую или другую окружающую его среду. Каждое колебание среды, состоящее из одного сжатия и одного разрежения, называется волной (рис. 7.1).
Число колебаний среды за 1 с, т. е. число поочередно сменяющих друг друга волн, называется частотой колебаний. Колебания с частотой более 16 кГц не воспринимаются человеческим ухом и носят название ультразвуковых волн.
Рис. 7.1. Распространение звуковых волн в среде:Рис. 7.1. Распространение звуковых волн в среде:Длина волны А связана с частотой / и скоростью распространения упругих колебаний (скоростью звука) соотношением: А = с//.
Рис. 7.1. Распространение звуковых волн в среде:
Рис. 7.1. Распространение звуковых волн в среде:
Л —длина волны; <| — амплитуда колебанийЛ —длина волны; <| — амплитуда колебанийРаспространяющиеся ультразвуковые волны несут энергию в направлении своего движения. Эту энергию можно преобразовать в работу по интенсификации процессов механической обработки, очистки, пластического деформирования, сварки и пайки
Л —длина волны; <| — амплитуда колебаний
Л —длина волны; <| — амплитуда колебаний
материалов, размола порошков и т. д. В последнее время ультразвуковые волны малой интенсивности используются для контроля структуры, размеров и прогнозирования качества материалов и изделий (ультразвуковая дефектоскопия), а также для целей автоматизации производства.
Работа ультразвуковой установки основана на процессах кавитации, радиационного давления и акустических течений, возникающих при чередовании в рабочей жидкости полупериодов разрежения и сжатия. Под действием ультразвуковых волн в рабочей жидкости в полупериод разрежения образуются пузырьки, заполненные растворенными в жидкости парами и газами, а в полупериод сжатия эти пузырьки захлопываются и вызывают местное мгновенное повышение давления до сотен атмосфер. Явление образования и захлопывания пузырьков в жидкости, сопровождающееся сильными гидравлическими ударами в местах захлопывания, называется кавитацией. На микроучастке захлопывания пузырька ударная волна придает жидкости огромное ускорение. Чем большее ускорение приобретает жидкость, тем большей силой, способной совершить работу, обладает масса этой жидкости1. Эта работа может быть использована для обработки деталей. При интенсивных ультразвуковых колебаниях частицы жидкости получают не только колебательное движение относительно их положения равновесия, но и поступательное («звуковой ветер»). Это приводит к появлению радиационного давления и акустических потоков, повышающих интенсивность обработки деталей.
Акустические течения носят вихревой характер, способствуют перемешиванию и нагреванию среды (например, рабочей жидкости
В зоне захлопывания кавитационных пузырьков возникают местные мгновенные давления, достигающие значений 107 — 108Н/м .
в ванне) и ее проникновению во внутренние полости обрабатываемых деталей.
Поглощение ультразвуковых колебаний веществом возникает вследствие взаимного трения частиц, зависит от свойств вещества (или среды) и пропорционально квадрату частоты.
Технологическое использование ультразвука в электровакуумном производстве осуществляется по трем основным направлениям: интенсификация технологических процессов (например, при очистке деталей, изготовлении деталей методами штамповки, термообработке деталей, растворении, полимеризации и других химических операциях);
силовое воздействие на материал (например, очистка, диспергирование суспензий с повышением их агрегативной и кинетической устойчивости, фракционирование частиц различной массы и размеров в негомогенных суспензиях, дегазация жидкостей и расплавов, размерная обработка и сварка материалов, удаление заусенцев);
ультразвуковые методы контроля (путем определения зависимости параметров ультразвуковой волны от изменения физических свойств контролируемой среды).
КОНСТРУКЦИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ УСТАНОВОК
генератора в механическую энергию ультразвуковых волн; держа- рабочая ванна, в которойгенератора в механическую энергию ультразвуковых волн; держа- рабочая ванна, в которойУстановки для ультразвуковой обработки состоят из следующих конструктивных частей (рис. 7.2): генератор высокой частоты 7, который предназначен для создания электрических колебаний высокой частоты; преобразователь 4 электрической энергии
генератора в механическую энергию ультразвуковых волн; держа- рабочая ванна, в которой
генератора в механическую энергию ультразвуковых волн; держа- рабочая ванна, в которой
Рис. 7.2. Схема установки ультразвуковой обработки деталейРис. 7.2. Схема установки ультразвуковой обработки деталейтель обрабатываемой детали или происходят процессы ультразвуковой обработки 9.
Рис. 7.2. Схема установки ультразвуковой обработки деталей
Рис. 7.2. Схема установки ультразвуковой обработки деталей
Для получения ультразвуковых колебаний обычно применяют магнитострикционные преобразователи. Действие магнитострикционных преобразователей основано на том, что некоторые ферромагнитные металлы и сплавы (например, никель, железоникелевые сплавы К49, К65), ферриты, сплавы железа с алюминием при
намагничивании размагничиваниинамагничивании размагничиваниии последующем изменяют свои
намагничивании размагничивании
намагничивании размагничивании
геометрические размеры, поочередно то укорачиваются, то удлиня-
ются в направлении силовых линий магнитного поля, т.я совершают механические колебания. 1
Магнитострикционный преобразователь состоит из активного 4 и пассивного 7 элементов, излучателя 8.
Активный элемент представляет собой замкнутый магнитопровод из ферромагнитного материала, который вставляется в высокочастотную катушку 5. По виткам катушки пропускается переменный ток (с частотой 20 — 40 кГц) от электрического генератора высокой частоты, который периодически намагничивает и размагничивает магнитопровод и заставляет его изменять свои размеры в такт с частотой тока. Таким образом, в активном элементе происходит преобразование электрических колебаний в механические и возникает знакопеременная механическая сила, способная передавать колебания окружающей среде.
Пассивный согласующий элемент (концентратор) служит для согласования сопротивления внешней нагрузки и внутреннего сопротивления активного элемента и обеспечивает тем самым оптимальное увеличение амплитуды активного элемента преобразователя. Это обусловливается тем, что амплитуда колебаний максимальна только на резонансной частоте, т.е. при совпадении частоты колебаний переменного тока с собственной частотой механических колебаний преобразователя.
Излучатель представляет собой мембрану или диафрагму с сильно развитой излучательной способностью, которая передает ультразвуковые колебания в окружающую среду.
Для получения большой амплитуды колебаний магнитостриктор помещают в постоянное магнитное поле (вводится постоянное подмагничивание) с помощью электромагнитов 3 и 6, питаемых от источника постоянного тока 2.
В настоящее время применяются три типа магнитострикционных излучателей: стержневые, плоские пакетные и кольцевые.
Пьезоэлектрические преобразователи используются обычно в диапазоне ультразвуковых частот 3 — б МГц. В качестве пьезоэлектрических материалов используются естественные пьезоэлектрики (кварц, сегнетова соль) и искусственные или пьезокерамика (титанаты бария и кальция, цирконаты титаната свинца [Pb (ZnTz) Оз].
Принцип работы пьезоэлектрических излучателей заключается в использовании пьезоэлектрического эффекта некоторых материалов. Различают прямой и обратный пьезоэлектрический эффект.
Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в возникновении электрического заряда в кристаллах при воздействии на них механических усилий.
Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в появлении механического напряжения в пьезоэлектрическом кристалле при его электрической поляризации. При этом величина механического напряжения пропорциональна поляризующему полю.
Если к граням пьезоэлектрической пластинки приложить переменное напряжение высокой частоты, пластинка будет совершать механические колебания. Грани пластинки, двигающиеся относительно друг друга, будут излучать ультразвуковые волны в среду, с которой они соприкасаются.
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОЧИСТКА ДЕТАЛЕЙ
На практике применяют четыре способа ультразвуковой очистки деталей: погружение деталей в ультразвуковые ванны; контактный; введение ультразвукового излучателя в полость очистки; непрерывно-последовательный.
Рабочий узел ультразвуковой установки при методе погружения — ванна с обезжиривающим раствором — может изготовляться в двух вариантах: 1) дном рабочей ванны с обезжиривающим раствором служит диафрагма (мембрана) преобразователя, к которой привариваются стенки ванны; разновидностью этой конструкции является ванна, в дно которой вмонтирован стержень преобразователя; 2) рабочая ванна с раствором, изготовленная из химически стойкого материала, вставляется в другую ванну, заполненную водой, дном которой является мембрана преобразователя. Вода служит передатчиком колебаний от преобразователя к рабочей ванне.
Очистку деталей введением излучателя в зону обработки применяют при наличии в них глубоких глухих отверстий, полостей и канавок. Очистка производится специальными профилированными излучателями — волноводами, которые дают пучок сконцентрированной ультразвуковой энергии, направленной непосредственно на очищаемую поверхность (например, очищаемое отверстие).
Эффект ультразвуковой очистки обусловлен процессами кавитации, радиационного давления и акустического перемешивания в рабочей жидкости, в которую помещаются загрязненные детали. Эти процессы способствуют ускорению физико- химического взаимодействия между загрязнениями и рабочей Жидкостью (химических реакций, растворения, эмульгирования, суспензирования), а также вызывают механическое разрушение и удаление загрязнений с поверхности деталей.
На микроучастке захлопывания кавитационного пузырька Ударная волна вызывает механические удары с давлением, превышающим несколько сотен атмосфер. Под действием этих сил связь загрязнений с поверхностью очищенной детали значительно ослабляется, они разрушаются и постепенно удаля-
ются. Кавитация в жидкости сопровождается также местным появлением электрических разрядов, это связано с тем, что стенки пузырьков заряжены отрицательно, а капельки в них — положительно. Под действием электрических явлений, сопутствующих кавитации, вода перестает быть нейтральной: в ней образуется пероксид водорода и азотная кислота, которые окисляют загрязнения и ускоряют процесс очистки. При использовании высокочастотных ультразвуковых колебаний происходит также локальный разогрев пленки загрязнений и соответственно уменьшение прочности ее сцепления с деталью.
Качество и скорость звуковой очистки определяются физико- химическими свойствами рабочей жидкости, амплитудой и частотой колебаний, величиной внешнего статического давления, геометрией очищенных деталей и характером загрязнений (рис. 7.3).
При ультразвуковой очистке загрязнения удаляются не только механическим путем (за счет кавитации), но и в результате химических реакций, а также процессов эмульгирования и суспензирования (как и в обычных способах химической очистки).
РастворениеРастворениеКавитацияКавитацияВязкостьВязкостьПлотностьПлотностьСтатическое давлениеСтатическое давлениеХимическая активностьХимическая активностьПоверхностное натяжениеПоверхностное натяжениеРадиационноеДавлениеРадиационноеДавлениеАкустические теченияАкустические теченияСпецифические эффекты пСпецифические эффекты празрушениеразрушениеОтслоение | Эмульгирование | Эрозия I ГидРоабРазивноеОтслоение | Эмульгирование | Эрозия I ГидРоабРазивноеЧастотаЧастотаПараметры звукового поляПараметры звукового поляДавление параДавление параТемпература ^ Физико-химические свойства жидкостиТемпература ^ Физико-химические свойства жидкости
Растворение
Растворение
Кавитация
Кавитация
Вязкость
Вязкость
Плотность
Плотность
Статическое давление
Статическое давление
Химическая активность
Химическая активность
Поверхностное натяжение
Поверхностное натяжение
Радиационное
Давление
Радиационное
Давление
Акустические течения
Акустические течения
Специфические эффекты п
Специфические эффекты п
разрушение
разрушение
Отслоение | Эмульгирование | Эрозия I ГидРоабРазивное
Отслоение | Эмульгирование | Эрозия I ГидРоабРазивное
Частота
Частота
Параметры звукового поля
Параметры звукового поля
Давление пара
Давление пара
Температура ^ Физико-химические свойства жидкости
Температура ^ Физико-химические свойства жидкости
ультразву^^МИЯНИе Р“- Ф»»оров на процесс
Поэтому в ультразвуковых установках рабочий раствор должен иметь не только высокую кавитационную активность, но и быть химически активным к загрязнениям.
Критерием выбора жидкости, обеспечивающей кавитационную активность, являются малая вязкость, высокое поверхностное натяжение, низкое давление пара, малая плотность жидкости и большая скорость распространения ультразвука. На практике ультразвуковая очистка производится в органических растворителях или в водных растворах щелочей, кислот, пероксидов и синтетических поверхностно-активных веществ. Однако органические растворители имеют недостаточно высокую кавитационную активность и не предохраняют детали от повторного осаждения на них ранее удаленных загрязнений (особенно намагниченных частиц, а также молекул, обладающих большими дипольными моментами, например жирных кислот). Поэтому иногда применяют псевдоэмульсии — смеси щелочных растворов с органическими растворителями. Для ультразвукового обезжиривания спаев стекла с металлом часто применяют раствор, содержащий 50 % муравьиной кислоты, 30 % пероксида водорода и 20 % воды.
Оптимальная температура рабочей жидкости — 45 — 60°С для водных растворов и 10 — 20°С для органических растворителей.
Следует учесть, что с возрастанием температуры ослабляются кавитационные процессы в жидкости (отрицательный фактор), но повышается скорость химических реакций раствора с загрязнениями и скорость их перехода в раствор в виде эмульсий и суспензий. Вакуумные и механические свойства деталей в этом растворе не ухудшаются.
Оптимальная частота ультразвуковых колебаний, используемых для очистки, равна 20 — 40 кГц (при очистке в водных растворах — 20 кГц, а в органических растворителях — 40 кГц).
С повышением частоты увеличивается проникающая способность ультразвуковых волн, скорость акустических течений и перемешивания (положительные факторы), но ослабляется кавитационная активность, возрастает время очистки, усиливается направленность и локализация ультразвукового поля, что замедляет и затрудняет одновременную равномерную очистку большого количества деталей, расположенных в разных местах рабочей ванны (отрицательные факторы). Понижение частоты в область слышимых звуков (т.е. меньше 16 кГц) нецелесообразно из-за значительного увеличения массы и размера активных элементов преобразователей и сильного шума, возникающего при их работе.
Увеличение амплитуды колебаний целесообразно только до определенного предела: при очень больших амплитудах пузырьки
в жидкости в период растяжения увеличиваются настолько, что не успевают захлопнуться в период сжатия. Это снижает силу удара при захлопывании пузырька.
При низких частотах эффективность очистки определяется кавитационными процессами. При высоких частотах (2,5 —10 мГц) эффект кавитации отсутствует и очистка осуществляется за счет больших ускорений и за счет термического действия ультразвуковых колебаний, способствующих механическому сбиванию загрязнений и повышению эмульгирующей способности жидкой среды. Практически для тщательной очистки небольших деталей, сеток от весьма мелких частиц и органических микропленок отдают предпочтение высоким частотам (пьезоэлектрическим преобразователям).
Эффективность ультразвуковой очистки зависит от геометрической формы изделия, например, труднее очистить колбы ламп, чем открытые трубки или штенгеля. Внутренние поверхности очищаются всегда медленнее наружных.
В последнее время рекомендуется проводить ультразвуковую очистку в бароустановках в условиях повышенного внешнего статического давления. Это способствует значительному усилению интенсивности кавитации (в основном в результате возрастания давления в ударной волне и ликвидации крупных пульсирующих пузырьков, экранирующих ультразвуковые колебания).
ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ
И ШТАМПОВКЕ ДЕТАЛЕЙ
К механической обработке ультразвуком относятся резка и сверление заготовок материалов, снятие и удаление заусенцев, полирование и шлифование поверхностей деталей. Ультразвуком хорошо обрабатываются хрупкие твердые металлы, а также керамика и стекло; вязкие и пластичные материалы (медь, латунь, незакаленная сталь) практически не поддаются размерной ультразвуковой обработке. Наиболее эффективно обрабатываются материалы, имеющие критерий хрупкости более 2. Под критерием хрупкости понимают отношение сопротивления сдвига материала к сопротивлению на отрыв.
Ультразвуковая механическая обработка основана на двух процессах: ударном импульсном воздействии частиц абразива на обрабатываемую заготовку; разрушающем действии акустических течений и кавитационных процессов (гидравлических ударов, перемещения частиц абразива, местных повышений температуры и электризации среды).
В установках для ультразвуковой резки (рис. 7.4) инструмент 3 совершает продольные ультразвуковые колебания, т.е. переме- 96
рис. 7.4. Схема установки ультразвуковой резки: /^заготовка; 2— ванна с абразивной суспензией; 3-волновод- коНЦвнтратор с инструментом; 4— магнитострикционный вибратор; 5— корпус вибратора; б— генератор повышенной частоты; 7— суспензия
, ,„ 5
дается перпендикулярно обрабатываемой поверхности детали. В рабочую зону в пространство между торцом инструмента ^ ц обрабатываемой заготовкой 1 подается суспензия абразива 7 (например, карбида 3 бора). Зерна абразива воспринимают ударное колебательное действие инструмента 3, приобретают ускорение и с ^ большой энергией и частотой бомбардируют поверхность обрабатываемой
детали. При этом происходит выкалывание мельчайших частиц материала заготовки (съем материала происходит главным образом с поверхностей, проектирующихся на плоскость, перпендикулярную направлению колебаний инструмента). Обрабатываемая поверхность принимает форму и размеры, соответствующие рабочей части инструмента.
Производительность и качество ультразвуковой механической обработки зависят от амплитуды и частоты колебаний, физико- химических свойств материала, величины статической нагрузки, размера и концентрации частиц абразива, состава жидкой среды, площади торца инструмента, глубины обработки, соотношения микротвердости абразива и обрабатываемого материала.
С повышением частоты и амплитуды колебаний растет интенсивность ультразвуковой обработки (так как увеличивается количество ударов инструмента по частицам абразива в единицу времени и повышается ускорение, приобретаемое этими частицами); ухудшается точность и чистота обработки и возрастает шероховатость поверхности (так как увеличивается глубина внедрения абразивных зерен в поверхность заготовки).
Абразивом обычно служит алмаз или карбид бора (реже карбид кремния). Абразив должен иметь высокую микротвердость, режущую способность и малую затупляемость.
Жидкая среда служит для облегчения подачи абразива в зону обработки, вымывания снятых частиц обрабатываемого материала и охлаждения зоны обработки. В качестве жидкой среды чаще всего применяют воду, которая обладает высокими смачивающими свойствами — большой плотностью, невысокой вязкостью и большой теплопроводностью.
При ультразвуковой обработке в материале не образуется остаточных деформаций, наклепа и напряжений и не происходит изменения структуры материала.
Для снятия с деталей заусенцев применяют ультразвуковые установки со свободно направленным абразивом. Обрабатываемые детали помещают в ультразвуковую ванну с добавкой 2% раствора медного купороса, заполненную водно-глицериновой смесью, в которой взвешены мелкие частицы абразива — карбида бора.
Ультразвук используют для интенсификации процессов изготовления деталей методами объемной штамповки, вытяжки, вырубки, пробивки, гибки. Под действием ультразвука снижается предел текучести материала и требуемое статическое усилие для деформации, увеличивается максимально достижимая степень деформации, а также повышается точность получаемых деталей и улучшается чистота обработки их поверхности. При достижении определенного уровня энергии ультразвука многие высокопрочные металлы и сплавы (вольфрам, сталь) приобретают способность к пластической деформации при комнатной температуре даже при незначительных внешних нагрузках. Это объясняется тем, что под действием ультразвука уменьшается сила контактного трения, происходит локальный разогрев дефектов кристаллической решетки, образующихся при механической обработке металла, и снятие напряжений (наклепа). Действие ультразвука зависит от направления колебаний, их типа, места расположения очага деформации. Наиболее сильно эффект воздействия ультразвука проявляется в плоскости действия максимальных знакопеременных
На рис. 7.5 показаны разновидности колебательных систем для выполнения холодной штамповки. В качестве инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой, используют пуансон или матрицу. При этом колебания инструмента могут быть продольными, радиальными, крутильными, поперечными и изгибными. При штамповке на установке с закрепленным пуансоном (рис. 7.5, а) заготовки деформируются при периодических ударах колеблющегося инструмента — пуансона, которым является концентратор ультразвукового преобразователя.
напряжении.напряжении.Рис. 7.5. Схемы колебательных систем для холодной штамповки деталей:1— преобразователь; 2— концентратор ультразвуковой энергии; 3—-пуансон; 4—матрица; 5—деталь заготовки; 6— отражательРис. 7.5. Схемы колебательных систем для холодной штамповки деталей:1— преобразователь; 2— концентратор ультразвуковой энергии; 3—-пуансон; 4—матрица; 5—деталь заготовки; 6— отражательПри штамповке с незакрепленным пуансоном (рис. 7.5, б) колеблющийся концентратор ультразвуковой энергии
напряжении.
напряжении.
Рис. 7.5. Схемы колебательных систем для холодной штамповки деталей:
1— преобразователь; 2— концентратор ультразвуковой энергии; 3—-пуансон; 4—матрица; 5—деталь заготовки; 6— отражатель
Рис. 7.5. Схемы колебательных систем для холодной штамповки деталей:
1— преобразователь; 2— концентратор ультразвуковой энергии; 3—-пуансон; 4—матрица; 5—деталь заготовки; 6— отражатель
наносит периодические удары по пуансону, не скрепленному с колебательной системой.
ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА ПРИ СВАРКЕ И ПАЙКЕ
При сварке ультразвуком неразъемное соединение образуется при совместном воздействии на детали механических колебаний высокой частоты и относительно небольших сдавливающих усилий, перпендикулярных поверхности соприкосновения ^ис.7.6). При сварке соединяемые поверхности подвергаются сдвигу одна относительно другой с ультразвуковой частотой и микронной амплитудой перемещения.
Ультразвуковые колебания в процессе сварки выполняют следующие функции:
разрушают и удаляют пленки оксидов и загрязнений со свариваемых поверхностей;
деформируют микронеровности и делают свариваемые поверхности гладкими;
приводят к пластическим деформациям, улучшающим сцепление;
способствуют удалению из зоны сварки газовых включений;
вызывают местный нагрев свариваемых поверхностей;
ускоряют процессы встречной диффузии и возникновения общих кристаллов, образующих сварочный шов;
снижают или полностью удаляют напряжения и деформации, возникающие при сварке;
способствуют образованию мелкозернистой структуры шва.
Характерная особенность ультразвуковой сварки — отсутствие перегрева свариваемых деталей и сохранение их структуры и физико-механических свойств.
Рис. 7.6. Схема установки для точечной сварки ультразвуком:^ излучатель; 1—концентратор; 3—рабочий вьтступ; 4— свариваемые детали; 5— механизм на- тяженияРис. 7.6. Схема установки для точечной сварки ультразвуком:^ излучатель; 1—концентратор; 3—рабочий вьтступ; 4— свариваемые детали; 5— механизм на- тяженияРис. 7.7. Схема ультразвуковой пайкиРис. 7.7. Схема ультразвуковой пайки
Рис. 7.6. Схема установки для точечной сварки ультразвуком:
^ излучатель; 1—концентратор; 3—рабочий вьтступ; 4— свариваемые детали; 5— механизм на- тяжения
Рис. 7.6. Схема установки для точечной сварки ультразвуком:
^ излучатель; 1—концентратор; 3—рабочий вьтступ; 4— свариваемые детали; 5— механизм на- тяжения
Рис. 7.7. Схема ультразвуковой пайки
Рис. 7.7. Схема ультразвуковой пайки
Применение при пайке ультразвука в сочетании с защитной средой позволяет производить пайку без флюсов. Рабочий стержень 3 ультразвукового паяльника (рис. 7.7), нагреваемый от обычного теплового элемента, расплавляет припой 2, который растекается по поверхности соединяемых деталей. Под действием ультразвуковых колебаний стержня 3 паяльника в расплавленном припое происходят процессы кавитации с образованием кавитационных пузырьков. Это вызывает разрушение оксидных пленок 1 на соединяемых поверхностях и соответственно улучшает смачивание припоем очищенных от оксидов участков 4 деталей — при этом расплавленный припой 2 получает доступ к чистой поверхности основного металла 7. Кавитация в расплаве повышает также химическую активность и диффузию припоя из расплава в металл, что способствует образованию смеси 5 припоя с чистым металлом и соответственно повышению прочности шва. После остывания образуется затвердевший слой б припоя, скрепляющий соединяемые детали. Следует иметь в виду, что плотность энергии ультразвуковых колебаний в миллион раз больше плотности энергии слышимых звуков. Поэтому ультразвук сильно воздействует на организм человека, вызывает нагрев тела и разрушение тканей: усталость, боль в ушах, рвоту, расстройство нервной системы. Следовательно, необходимо звукоизолировать ультразвуковые установки и помещать их в отдельные экранирующие кабины.
ГЛАВА 8. ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННЫЕ МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ
Электроэрозионные методы служат для придания деталям требуемых размеров, форм и изготовления в них отверстий (электроэрозионным способом можно совершать операции, аналогичные сверлению, точению, фрезерованию, строганию, долблению, шлифовке, резке и т. д.).
При электроэрозионных методах между электродом-инструментом и обрабатываемым материалом возбуждаются электрические разряды, энергия которых превращается в теплоту. В результате происходит местный нагрев, расплавление и частичное испарение материала детали, что приводит к изменению ее геометрической конфигурации.
В зависимости от вида электрических разрядов (искра, дуга), параметров импульсов тока, величины напряжения и других 100
факторов различают следующие разновидности электроэрозионной обработки: электроискровая, электроимпульсная, электроконтакт- ная, анодно-механическая.
Основными преимуществами электроэрозионных способов являются возможность обработки всех токопроводящих материалов независимо от их механических и химических свойств; отсутствие непосредственного контакта между инструментом и деталью, что позволяет обрабатывать тонкостенные заготовки; высокие показали точности и чистоты поверхности деталей.
В электровакуумном производстве наибольшее распространение получил электроискровой способ электроэрозионной обработки, основанный на использовании импульсных искровых разрядов малой длительности » 10—5 + 10—7 с (рис. 8.1). При этом методе инструмент 2 является катодом, а обрабатываемая деталь 3 — анодом. Наибольшее применение получили релаксационные генераторы, например RLC, в которых возбуждение и частота импульсов, разрядное напряжение, амплитуда тока управляются ■ межэлектродным промежутком. Энергия источника тока Е через сопротивление R и индуктивность L заряжает конденсатор С до некоторого напряжения, равного напряжению пробоя межэлектродного промежутка, между катодом — инструментом 2 и анодом — деталью 3. По достижении конденсатором максимального напряжения между электродами возникает кратковременный импульсный разряд, приводящий к появлению на поверхности обрабатываемой заготовки углублений, называемых лунками. Лунки образуются в результате выбрасывания в межэлектродное пространство размягченного металла под действием взрывной волны. После прекращения прохождения тока диэлектрическая среда 1 в межэлектродном промежутке восстанавливается. Начинается зарядка конденсатора до напряжения пробоя, и цикл повторяется. Возникновение разрядов происходит до тех пор, пока с поверхности электродов не будут удалены все участки металла, находящиеся на пробивном расстоянии. Сигнал с искрового промежутка подается на вход усилителя следящей системы, с выхода которого напряжение поступает на электродвигатель привода электрода-инструмента, управляющий межэлектродным Расстоянием.
Частота повторения импульсов / определяется по формуле
1
2,3/?Clgl//([/-№p) ’
тде U — напряжение источника питания; 1/пр — напряжение про- $°я межэлектродного промежутка.
Недостатком описанной схемы Л£С-генератора является не* возможность повышения частоты процесса из-за опасности дуто* образования.
В новейших установках используются тиратронные генераторы импульсов. Они позволяют значительно повысить допустимую частоту импульсов до 25 — 30 кГц и точность обработки.
Рис. 8.1. Электрическая схема установки электроискровой обработкиРис. 8.1. Электрическая схема установки электроискровой обработкиПроцесс возникновения и развития разряда можно разделить на два этапа (рис. 8.2) — подготовка канала разряда и стадия большого тока. На первой стадии (рис. 8.2, а) проводящие частицы (электроны и ионы), находящиеся в жидкости, под действием электрического поля ориентируются по силовым линиям и по достижении определенного значения импульсного напряжения между электродом-инструментом 4 и электродом-деталью 1 в диэлектрической жидкости 2 происходит электрический пробой. При этом от электрода, который в данный момент является катодом, отделяется стриммер 3 и направляется к аноду, ионизируя на своем пути_ жидкость. В результате этой фазы (ее длительность 10“ — 10“ с) образуется канал сквозной проводимости и сопротивление межэлектродного промежутка снижается от нескольких мегаом до долей ома. На второй стадии (рис. 8.2, б) через образовавшийся канал сквозной проводимости проходит вся энергия, накопленная в источнике питания, создавая своим движением импульс тока. При этом происходит электрический разряд 5, длительность которого составляет 10 — 10“4 с. Возникающее магнитное поле способствует повышению плотности тока в каналах проводимости — благодаря высокой концентрации энергии в зоне разряда и приэлектродных областях развиваются высокие температуры, что вызывает разрушение материала обрабатываемого анода-детали. Под действием высоких температур образуется парогазовая область 7 и в приэлектродных областях 8 происходит плавление и испарение микропорций металла на поверхности электрода-детали. Под действием периодически повторяющихся электрических разрядов капли жидкого металла 6 выбрасываются из зоны разряда и застывают
Рис. 8.1. Электрическая схема установки электроискровой обработки
Рис. 8.1. Электрическая схема установки электроискровой обработки
Рис. 8.2. Схема физических процессов в межэлектродном промежутке
в окружающей электроды жидкой среде в виде мелких сферических частиц 9 (рис. 8.2, в). Таким образом происходит съем некоторого объема металла с обрабатываемой заготовки и изменение ее геометрии.
Различают два вида электроискровой обработки профилированным (рис. 8.3, а) и непрофилированным (рис. 8.3, б) электродом-инструментом. При использовании профилированного электрода-инструмента 1 обрабатываемая заготовка 2 полностью воспроизводит (копирует) его профиль. Этим методом обрабатывают наружные профили и изготовляют различные отверстия, полости, трубки, стержни, анодные и резонаторные блоки магнетронов, сетки электронных приборов. Операции электро- эрозионной обработки с использованием профилированного электрода-инструмента называются копировально-прошивочными. Профилированный электрод-инструмент представляет собой обратное (негативное) отображение формы детали. Точность формы получаемой детали в этом случае зависит от точности изготовления электрода-инструмента и его износа.
На рис. 8.4, а показана схема электроэрозионного копировально-прошивочного станка. Он состоит из станины 1; рабочего стола 2 для крепления обрабатываемой детали; ванны с рабочей жидкостью 3; электрода-инструмента 17; каретки 4 вертикального перемещения электрода-инструмента; каретки 5 поперечного перемещения электрода-инструмента; каретки 9 продольного перемещения электрода-инструмента; двигателя б системы регулирования межэлектродного промежутка; обмотки вибратора 7 электрода-инструмента; устройства 8 для выверки положения электрода относительно детали; генератора импульсов 10; блока
Рис. 8.3. Виды электроискровой обработки
6)
Рис. 8.4. Схемы электроэрозионного копировальнопрошивочного станка:
а—типовая; б —функциональная
управления станком 77; тракта 12 подачи рабочей жидкости через электрод-инструмент; тракта 13 подачи рабочей жидкости в ванну бака 14 с рабочей жидкостью; насоса 75; устройства слива из рабочей ванны 76.
Функциональная схема электроэрозионного станка представляет собой автоматическую систему с обратной связью по выходному сигналу (рис. 8.4, б). С датчика 7 сигнал хВых с объекта управления 6 межэлектродным промежутком поступает на блок сравнения (БС) 7. В блоке сравнения выходной сигнал Хвых сравнивается с заданным базовым сигналом Хзад — разность этих сигналов усиливается схемой 2 и через преобразователь 3
й усилитель мощности 4 поступает на исполнительный орган 5. При электроэрозионной обработке конфигурация межэлектродного промежутка постоянно изменяется, поэтому постоянно изменяется разность хВых — Хзад. Под воздействием этой разности сигналов привод подачи перемещает электрод-инструмент, поддерживая базовый зазор (определяемый сигналом хзад), который необходим для качественного проведения процесса электроэрозионной обработки. Ввиду затруднительности непосредственного измерения зазора межэлектродного промежутка в качестве параметра регулирования используется ток разряда или падение напряжения в нем.
Основной недостаток обработки профилированным элекродом- инструментом — резкое ухудшение точности изготовления детали даже при незначительном износе электрода-инструмента, а также трудность удаления продуктов эрозии из межэлектродного промежутка. Продукты эрозии создают дополнительные боковые разряды, приводящие к нестабильности процесса, снижению точности, чистоты поверхности и быстрому износу электродов-инструментов.
При изготовлении деталей непрофилированным электродом роль электрода-инструмента выполняет тончайшая вольфрамовая проволока, обладающая высокой механической прочностью и эрозионной устойчивостью (рис. 8.3). В процессе обработки деталь 2 перемещается в горизонтальной плоскости по заданному направлению. При этом проволока, натянутая в вертикальном направлении, вырезает в заготовке щель. Если осуществлять движение заготовки в двух взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 8.5), то можно вырезать любой заданный профиль, например замедляющие системы магнетронов или керны катодов.
Движение проволоки предохраняет электрод-инструмент от износа и способствует удалению продуктов эрозии из искрового промежутка, что ускоряет процесс обработки. Скорость обработки
ччг 1г 16767обратно пропорциональна толщине детали. Непрофилированным электродом можно выполнять только вырезные или отрезные операции.
ч
ч
г 1
г 1
6
7
6
7
Электроимпульсный способ эрозионной обработки основан на использовании дуговых разрядов большой длительности ~ 10—4 * 10—1 с. В отличие от электроискрового способа
Рис. 8.5. Схема станка электроэрозионной обработки Репрофилированным инструментом:
j—• привод перемещения по хоординатеу; 2— заготовка; 3— тонкая проволока — электрод — инструмент; 4— верхняя катушка; 5— те- Кератор импульсов; 6— рабочий стол; 7— привод перемещения по 0011 *; 8— вход команд от систем управления; 9— изготовленная Деталь
при электроимпульсной обработке электрод-инструмент служит анодом, а обрабатываемая деталь — катодом.
РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ
На производительность и качество электроэрозионной обработки влияют в основном теплофизические свойства материала (теплоемкость, плотность, теплопроводность и температуры плавления и кипения) и практически не влияют его механические свойства (твердость, вязкость). Это позволяет подвергать электроэрозионной обработке материалы, обладающие высокой твердостью и не поддающиеся механической обработке.
Эрозионная устойчивость материалов определяется общим числом импульсов, необходимых для съема 1 см3 металла с обрабатываемой заготовки. Эрозионная устойчивость металлов возрастает в ряду (слева направо): медь, никель, железо, молибден, вольфрам. Эффект эрозии уменьшается при увеличении температуры плавления металла.
Важнейшими факторами, влияющими на процесс электроэрозионной обработки, являются параметры электрической схемы установки (длительность, амплитуда, частота следования, скважность и энергия импульса), материал, форма, размеры и взаимное расположение электрода-инструмента и обрабатываемой заготовки, а также свойства среды, в которую погружены электроды.
Наибольший эрозионный эффект достигается при определенном соотношении между энергией и длительностью разряда.
С уменьшением длительности единичных разрядов повышается концентрация энергии в объеме разряда и соответственно увеличивается температура поверхности обрабатываемой заготовки и интенсивность съема с нее металла (положительные факторы).
С увеличением энергии импульсов повышается производительность процесса, образуются шероховатые поверхности и неуправляемо изменяются размеры и геометрия деталей (отрицательные факторы). Поэтому в электровакуумном производстве обычно применяют импульсы малых энергий (менее 10"3 Дж) и малой длительности (до 10 мкс). Это позволяет получать гладкие поверхности с малой шероховатостью и высокой точностью (до ±0,002 мм). Повышение же производительности достигается высокой частотой повторения импульсов (до 300 000 имп/с). Однако продолжительность интервалов между импульсами должна обеспечивать деионизацию межэлектродного промежутка и удаление из него продуктов эрозии и газовых пузырьков, препятствующих возникновению повторных электрических разрядов. Про-
Юб 1
дукты эрозии создают дополнительные боковые разряды, приводящие к нестабильности процесса (см. с. 105).
Производительность электроэрозионной обработки выражается формулой (мм3/мин): Q = С А/, где С — коэффициент, характеризующий теплофизические свойства металла; А — энергия импульсов, Вт/см; /—частота импульсов, Гц.
Электрическая эрозия протекает наиболее интенсивно, когда межэлектродное пространство заполнено диэлектрической средой. Поэтому ванну, в которой протекает процесс, заполняют диэлектрической жидкостью, например, керосином, минеральным маслом, дистиллированной водой, водными эмульсиями. Эти жидкости способствуют возникновению в межэлектродном пространстве дополнительных гидравлических ударов, усиливающих разрушающее действие тепловой взрывной волны. В искровом разряде под действием тепловых процессов может происходить пиролиз керосина или спирта с образованием продуктов старения (смола, сажа). Они осаждаются на деталях, что вызывает утечки и пробои, а также загрязняют рабочую жидкость, что ухудшает ее диэлектрические свойства и снижает действие ударной выбросной волны. Наиболее оптимальной диэлектрической средой является деионизованная вода — она не образует осадков, позволяет получать гладкую, вакуумно-чистую поверхность.
ГЛАВА 9. ИЗГОТОВЛЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ И СБОРОЧНЫХ ЕДИНИЦ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ
Материалы, применяемые в электронной технике, по своим свойствам и назначению делятся на следующие группы:
конструкционные — для изготовления деталей оборудования, корпусов приборов, элементов внешней арматуры приборов, стоек, плат;
электровакуумные — для изготовления оболочек, деталей и Узлов внутренней арматуры электровакуумных приборов (катодов, Подогревателей, газопоглотителей, ножек, электронно-оптических систем);
проводниковые — для изготовления электрических проводников (низкоомные) и резисторов (высокоомные);
полупроводниковые — для изготовления диодов, транзисторов, выпрямителей;
диэлектрические — для изготовления изоляторов, корпусов Приборов, пьезоэлектрических преобразователей;
магнитные — для изготовления магнитопроводов, трансформаторов, дросселей, магнитных головок и носителей записи запоминающих устройств в вычислительных машинах.
Металлические материалы по элементам основы делятся на черные (стали, чугуны), цветные (например, медь, алюминий), тугоплавкие (вольфрам, молибден и другие элементы с температурой плавления выше температуры плавления железа 1540°С).
Металлическими сплавами являются кристаллические вещества, получаемые сплавлением различных металлов друг с другом или сплавлением металлов с неметаллами (например, с углеродом, кремнием или фосфором). Части сплава, которые имеют одинаковый химический состав, кристаллическое строение и свойства и разделены поверхностями раздела, называются фазами. Свойства сплавов зависят от состава и процентного содержания не только полезных компонентов, но и вредных примесей, основными нз которых являются сера, фосфор, кислород.
Большое применение находят сплавы железа с углеродом — углеродистые стали. Углерод повышает твердость, упругость, прочность сплава, однако снижает пластичность и сопротивление ударным нагрузкам. Максимальное количество углерода, которое может раствориться в железе, составляет 6,67%. Железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14% углерода, называются чугунами. Железоуглеродистые сплавы, содержащие менее 2,14% углерода, называются сталями.
В стали всегда содержатся примеси Мп (0,1 —0,8%) и Si (до 0,4%), которые вводятся для ее раскисления (удаления оксид® железа), а также вредные примеси серы, фосфора, кислорода, азота, водорода. Сера вызывает красноломкость, хрупкость при высоких температурах (например, во время ковки и прокатки), увеличивает усталость материала, снижает его сопротивление ударным нагрузкам и уменьшает коррозионную стойкость (однако сера облегчает обрабатываемость стали, поэтому на станках-автоматах можно обрабатывать сталь только с повышенным содержанием серы).
Фосфор (особенно при повышенном содержании в стали углерода) значительно повышает хрупкость стали даже при комнатных температурах и затрудняет механическую обработку стальных деталей.
Легированные стали. Легированными называются углеродистые стали, в состав которых специально вводятся в определенных количествах элементы — легирующие добавки, придающие стали требуемые физико-химические, механические, магнитные и вакуумные свойства.
В качестве легирующих добавок применяют: хром (повышает твердость и коррозионную стойкость); никель (повышает проч-
ность, пластичность и коррозионную стойкость); вольфрам (увеличивает твердость); ванадий (повышает плотность, прочность, сопротивление удару и истиранию, замедляет рост зерен при нагреве); кобальт (увеличивает жаропрочность, магнитопроницаемость); молибден (увеличивает прочность, кислотостойкость при высоких температурах); марганец (при содержании более 1 % повышает твердость, износостойкость, сопротивление ударным нагрузкам); титан (повышает прочность, сопротивление коррозии); алюминий (увеличивает окалиностойкость); ниобий (повышает кислотостойкость).
Наиболее широко в электровакуумном производстве применяются нержавеющие стали (коррозионно-стойкие). Они подразделяются по составу на два класса: хромистые и хромоникелевые. Хромистые стали содержат > 3% Сг, они магнитны и коррозионно-устойчивы до 700 — 800°С, хорошо свариваются. При большом содержании углерода хромистые стали обладают высокой твердостью, прочностью и износостойкостью; при низком содержании углерода (0,1—0,2%)—пластичны и используются для изготовления деталей методами штамповки.
Хромоникелевые стали содержат s 18 % хрома и > 8 % никеля. Они имеют более высокую коррозионную стойкость и пластичность, чем хромистые, немагнитны, поддаются глубокой вытяжке.
СТРУКТУРА МЕТАЛЛОВ
И ТИПЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЕТОК
Наиболее часто в металлах встречаются три типа кристаллических решеток (рис. 9.1):
объемно-центрированная кубическая (ОЦК — рис. 9.1, а) — каждая ячейка представляет собой куб, в центре и в вершине которого расположены атомы или ионы (всего 9 атомов или ионов), такую решетку имеют железо (при температуре до 900 и выше 1400°С), молибден, вольфрам, хром, ванадий, ниобий, /3-титан и др.;
гранецентрированная кубическая (ГЦК — рис. 9.1, б) — каждая ячейка представляет собой куб, причем атомы (или ионы) расположены в вершинах куба и в центре каждой из его шести граней (всего 14 атомов или ионов). Эту решетку имеют железо (при температуре 900 — 1400°С), медь, никель, алюминий, свинец, серебро и др.);
гексагональная — плотная (ГП — рис. 9.1, в) — каждая ячейка представляет собой гексагональную (шестигранную)
Рис. 9.1. Элементарные кристаллические решеткиРис. 9.1. Элементарные кристаллические решетки
Рис. 9.1. Элементарные кристаллические решетки
Рис. 9.1. Элементарные кристаллические решетки
призму, состоящую из трех ромбических призм; эту решетку имеют цинк, магний, бериллий, а-титан, а-церий и др.
Некоторые металлы и сплавы (железо, никель, цирконий, титан, кобальт, олово, ковар, углеродистая сталь) в процессе нагревания и охлаждения до определенных температур меняют структуру, тип и параметры кристаллических решеток (переходят из одной фазы в другую: например, при 910°С железо из ^-фазы, имеющей ОЦК-решетку, переходит в у-фазу, имеющую ГЦК- решетку).
Свойство одного и того же металла иметь разное кристаллическое строение (разные кристаллические решетки) называется аллотропией или полиморфизмом. Каждое аллотропическое превращение происходит при строго определенной температуре. Аллотропические формы (модификации), образующиеся по мере повышения температуры, обозначаются соответственно буквами а, Р, у, д.
Одна и та же углеродистая сталь в зависимости от температуры и механической обработки может находиться в различных аллотропических состояниях (модификациях): феррит, аустенит, цементит, перлит.
Феррит — структура стали представляет собой твердый раствор углерода в a-железе, характеризуется мягкостью, пластичностью и малой растворимостью углерода (существует до температуры 727°С).
Аустенит — структура стали представляет собой твердый раствор углерода в у-железе, характеризуется немагнитностью, достаточной прочностью, пластичностью, малой твердостью (существует при температурах выше 727°С).
Металлы, за редким исключением, представляют собой поликристаллические материалы. Практически при кристал-
дизации металлов происходит постепенный рост кристаллов, сопровождающийся их механическим воздействием друг на друга и соответственно частичной деформацией. При этом геометрически правильные кристаллы превращаются в зерна, имеющие случайную и неопределенную форму.
•^ Образующаяся структура металла называется зернистой, а сами зерна — кристаллитами (или гранулами). От размера зерен зависят механические, физико- химические и технологические
свойства металлов. Например, ме- Рис. 9.2. Вид протравленного талл с мелкозернистой структурой шлифа кристалла имеет большую пластичность, прочность и сопротивление удару, чем тот же металл с крупнозернистой структурой. Размеры зерен металла зависят от условий его кристаллизации: температуры и скорости охлаждения, а также механической обработки и режимов отжига. Мелкозернистая структура образуется при больших скоростях охлаждения расплавленного металла, крупнозернистая — при малых скоростях охлаждения. Поэтому, например, при отливке тонкостенных изделий (которые остывают с большей скоростью) образуется мелкозернистая структура, а при отливке толстостен
ных изделий — крупнозернистая.
Кусок металла, на котором зачищена, отшлифована и отполирована плоская площадка, называется шлифом. При протравливании шлифа в химическом реактиве (обычно в растворе кислоты) границы зерен взаимодействуют с травителем более активно, чем остальной объем металла, поэтому под микроскопом они хорошо видны в виде темных полос (рис. 9.2). По виду протравленного шлифа можно определить структуру металла, размер и форму его зерен.
ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ
Обработка давлением применяется для получения металлических заготовок (лент, прутков, проволоки) и изготовления деталей. Кроме того, в электровакуумном производстве применяют электроэрозионные, ультразвуковые, плазменные и лазерные методы изготовления деталей (см. гл. 5 — 8). При обработке Давлением изменяются форма, размеры, структура и свойства
материала.
ш
Обработка металлов давлением основана на их деформации —. изменении формы и размера заготовок под действием внешних поверхностных (например, при ударе пуансона) или объемных (например, силы тяжести, силы магнитного притяжения и др.) сил.
При деформации происходит изменение расстояния и сил взаимодействия между атомами, это вызывает возникновение внутренних сил, стремящихся противостоять внешним.
Это значит, что в металле возникают напряжения, величина и направление которых зависят от величины и направления внешней силы.
Напряжения в металле подразделяются на нормальные и касательные:
Нормальные напряжения действуют перпендикулярно сечению и в зависимости от направления подразделяются на растягивающие (положительные) и сжимающие (отрицательные).
Касательные напряжения (напряжения сдвига) стремятся сдвинуть частицы металла относительно друг друга по плоскости сечения.
Для определения напряженного состояния тела, например элементарного параллелепипеда, необходимо знать напряжения, действующие на его границах.
В принципе возможны девять схем напряженного состояния (три группы), отличающиеся направлением векторов напряжений (на рис. 9.3 эти схемы представлены в виде кубиков с гранями, ориентированными в направлении действия главных напряжений, обозначенных стрелкой).
К 1-й группе относятся схемы линейного сжатия и растяжения (рис. 9.3, а, б) — напряжение действует по одной оси. Это имеет
Рис. 9.3. Схемы напряженного состояния твердого тела
место при растяжении или сжатии тела, длина которого значительно больше диаметра.
Ко 2-й группе относятся схемы плоского сжатия (рис. 9.3, в), плоского сжатия — растяжения (рис. 9.3, г) и плоского растяжения (рис. 9.3, д). Это имеет место при сжатии или растяжении тонкой пластины по контуру. При этом напряжения действуют по двум осям. Плоские сжатия и растяжения появляются при холодной штамповке в том случае, когда штамп имеет форму, при которой металл заготовки течет только в одну сторону.
3 К 3-й группе относятся схемы объемного сжатия (рис. 9.3, е), объемного сжатия — растяжения (рис. 9.3, ж, з) и растяжения (рис. 9.3, и). Объемное напряженное состояние возникает практически во всех процессах обработки металлов давлением (прокатке, ковке, волочении, штамповке, резании). В этом случае напряжения действуют по трем осям. Моделью объемной деформации является параллелепипед с бесконечно малыми ребрами, который получает деформацию линейную и угловую: изменяются линейные размеры ребер, но сохраняется прямолинейность ребер; изменяются углы между ребрами.
Возникающие при приложении внешнего давления объемные сжатия и растяжения позволяют обрабатывать металл методами холодной штамповки, а также прокаткой и волочением.
При обработке давлением зернистая структура металла превращается в волокнистую: зерна деформируются, сплющиваются или вытягиваются, удлиняются и приобретают вид волокон (рис. 9.4). Кроме того, растет плотность дефектов кристаллической структуры: вакансий, дислокации и др. Следствием образования волокнистой структуры и увеличения числа дефектов кристаллической решетки является изменение физико-химических и технологических свойств: увеличивается твердость, прочность, предел текучести, упругость, удельное электрическое сопротивление; уменьшается пластичность, относительное удлинение, ударная вязкость, теплопроводность, коррозионная стойкость; изменяются магнитные свойства (уменьшается магнитная проницаемость).
Рис. 9.4. Схема изменения формы зерен: в—зерна 1—9 до деформации; 6—после деформацииРис. 9.4. Схема изменения формы зерен: в—зерна 1—9 до деформации; 6—после деформации
Рис. 9.4. Схема изменения формы зерен: в—зерна 1—9 до деформации; 6—после деформации
Рис. 9.4. Схема изменения формы зерен: в—зерна 1—9 до деформации; 6—после деформации
Явление, связанное с превращением зернистой структуры в волокнистую и соответственно с измененением физико-химических свойств металла, называется нагартовкой или наклепом. Нагар- тованный металл становится анизотропным (вдоль и поперек прокатанной фольги).
Обработку металлов давлением производят при напряжениях, которые больше предела упругости, но меньше предела прочности материала.
После сильного наклепа металл теряет способность принимать необходимую форму и дальнейшая деформация металла в холодном состоянии может привести к нарушению его целостности, появлению трещин, разрывов и других дефектов. Поэтому применяют предварительный отжиг, нагрев металла при обработке давлением или межоперационный отжиг — для рекристаллизации металла. При рекристаллизации металла на месте вытянутых зерен с большей плотностью дефектов (волокон) растут новые равноосные зерна с малой плотностью и соответственно физико- химические и технологические свойства возвращаются к тем, которые были до деформации (увеличивается пластичность, относительное удлинение и способность к дальнейшей пластической деформации).
В зависимости от температуры металла при обработке давлением различают холодную и горячую деформацию:
холодная деформация — обработка металлов при температурах ниже начала рекристаллизации;
горячая деформация — обработка металлов при температурах выше температуры начала рекристаллизации.
МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК МЕТАЛЛОВ
Металлические заготовки (ленты, полосы, трубки, проволоку, штабики) получают из компактного металла методами прокатки, волочения, ковки, штамповки или выдавливания.
Прокатка — пластическая деформация металла путем его обжатия между валиками, вращающимися в разных направлениях. Прокатка применяется для получения круглых, квадратных, шестигранных профилей и уголков из стали и цветных металлов, а также тончайших лент толщиной 5 — 150 мкм из вольфрама, молибдена, тантала, титана, нихрома и других металлов. На рис. 9.5 показана схема прокатки полосового металла: полоса металла 1 толщиной Ло силами трения втягивается в щель между валками 2, причем толщина щели меньше начальной толщины полосы.
Абсолютным обжатием называется разность между исходной (Ло) и конечной (Л1) толщиной полосы (мм):
АЛ = Ло — Ль
Степенью деформации называется отношение абсолютного обжатия к исходной толщине полосы (%):
е ЮО.
Ло
Контакт металла с валками происходит по дугам ab и de, которые называются дугами захвата. Металл деформируется в зоне, ограниченной плоскостью входа металла в валки, плоскостью выхода металла из валков и дугами захвата. Этот объем металла называется геометрическим очагом или контактной зоной деформации.
При холодной прокатке тончайших лент из трудно деформируемых тугоплавких металлов необходимо соблюдать следующее условие:
d/hx S 1000,
где d — диаметр рабочих валков; hi — толщина ленты после прокатки.
Поэтому диаметр валков должен быть тем меньше, чем меньше требуемая толщина ленты.
В последнее время применяются методы прокатки металлов в вакууме или защитных средах, что предотвращает загрязнение металла в процессе обработки, увеличивает пластичность, прочность металла и обеспечивает его дегазацию.
Волочение — процесс пластической деформации металлической заготовки путем ее протягивания под действием внешней силы через отверстие, сечение которого меньше исходного первоначального сечения заготовки (рис. 9.6). В процессе волочения металлическим заготовкам придается требуемая геометрическая форма, точные размеры и гладкая поверхность. К проволоке / с начальным диаметром di прикладывается усилие волочения Р, с помощью которого она протягивается через канал
Рис. 9.6. Схема процесса волоченияРис. 9.6. Схема процесса волоченияРис. 9.5. Схема прокатки металла
Рис. 9.6. Схема процесса волочения
Рис. 9.6. Схема процесса волочения
Рис. 9.7. Схема обработки (выдавливания) металла методом гидроэкструзииРис. 9.7. Схема обработки (выдавливания) металла методом гидроэкструзииОбработкаОбработкафильеры 2 с выходным диаметром d^ Под давлением стенок канала фильеры проволока обжимается по всей контактной поверхности в каждой точке зоны деформации.
Рис. 9.7. Схема обработки (выдавливания) металла методом гидроэкструзии
Рис. 9.7. Схема обработки (выдавливания) металла методом гидроэкструзии
Обработка
Обработка
При протягивании через фильеру длина проволоки увеличивается пропорционально уменьшению ее поперечного сечения. Оптимальная величина усилия волочения Р зависит от механических свойств и диаметра проволоки, величины обжатия в фильере, рабочей температуры фильеры, ее формы, качества смазки и т.д.
Фильеры изготовляют из очень твердого и износостойкого материала (твердых сплавов, алмаза или рубина) — это предотвращает быстрое изнашивание их входного отверстия, называемого глазком или очком. При изнашивании фильеры проволока имеет неравномерную толщину и шероховатую поверхность, металла методом гидроэкстру
зии — выдавливание (прессование) прутка металла под действием всестороннего гидростатического давления жидкости. Под действием всестороннего давления жидкости, достигающей десятков тысяч атмосфер, металл 2 принимает форму профиля матрицы 3 (рис. 9.7). Деформация осуществляется в контейнерах 1 при постоянной температуре 300°С. В качестве жидкости применяют воду, керосин, бензин и др. Метод гидроэкструзии по сравнению с методом ротационной ковки обеспечивает равномерность механических свойств по длине заготовки и деформации по сечению заготовки, отсутствие поверхностных трещин; предупреждает зарождение раковин и приводит к частичному залечиванию дефектов, существовавших в металле до механической обработки. Это способствует повышению пластичности хрупких металлов и улучшению их вакуумной плотности.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МЕТОДАМИ ШТАМПОВКИ
Заготовками для штамповки служат ленты, пластины, листы, проволока и прутки широкого сортамента. По характеру деформации металлической заготовки штамповочные операции подразделяются на разделительные и формоизменяющие (рис. 9.8).
Разделительные операции штамповки характеризуются полным или частичным отделением одной части материала от другой, причем отделенная часть материала может служить как
Рис. 9.8. Классификация основных процессов и операций штамповкиРис. 9.8. Классификация основных процессов и операций штамповки
Рис. 9.8. Классификация основных процессов и операций штамповки
Рис. 9.8. Классификация основных процессов и операций штамповки
готовой деталью, так и заготовкой, подвергающейся дальнейшей механической обработке. К основным разделительным операциям относятся отрезка, вырезка, вырубка, пробивка, надрезка, обрезка, просечка, зачистка.
При разделительных операциях в штамповочном материале последовательно протекают следующие процессы: упругое сжатие и изгиб материала с легким вдавливанием его в отверстие матрицы; сжатие материала, сопровождающееся пластической деформацией, изгибом и растяжением волокон около режущих кромок пуансона и матрицы; напряжение в материале на этой стадии постепенно возрастает до величины, соответствующей сопротивлению металла срезу (сдвигу); возникновение трещин по линиям наибольших деформаций сдвига у режущих кромок пуансона (стадия скалывания); распространение трещин во внутренние слои металла, что приводит к отделению одной части металла от другой.
Вырубка — операция получения плоских деталей путем отделения материала от заготовки по замкнутому контуру. Конфигурации пуансона и матрицы должны соответствовать конфигурации детали. Размеры отверстия в матрице берутся равными внешним размерам штампуемой детали, а размеры пуансона должны быть
меньше размера детали на величину зазора.
Зазор между пуансоном и матрицей, в которую он входит, должен быть равен 5 — 10 % толщины металла: чем мягче металл, тем меньше оптимальный зазор.
и матриц и их плохом образуются заусенцы, что вакууме, пробоям, утечкам,и матриц и их плохом образуются заусенцы, что вакууме, пробоям, утечкам,креплении на прессах на деталях приводит к распылению заусенцев в «паразитной» холодной эмиссии.Пробивка — операция получениякреплении на прессах на деталях приводит к распылению заусенцев в «паразитной» холодной эмиссии.Пробивка — операция полученияПри неправильно подобранных зазорах, а также при притуплении режущих кромок пуансонов
и матриц и их плохом образуются заусенцы, что вакууме, пробоям, утечкам,
и матриц и их плохом образуются заусенцы, что вакууме, пробоям, утечкам,
креплении на прессах на деталях приводит к распылению заусенцев в «паразитной» холодной эмиссии.
Пробивка — операция получения
креплении на прессах на деталях приводит к распылению заусенцев в «паразитной» холодной эмиссии.
Пробивка — операция получения
различных по форме и размерам отверстий (т.е. вырезка материала по внутреннему замкнутому контуру). При пробивке размеры отверстия определяются размерами пуансона (а не матрицы, как при вырубке), поэтому зазор между матрицей и пуансоном устанавливается за
счет увеличения размеров матриц.
Формоизменяющие операции штамповки характеризуют пластическую деформацию, приводящую к изменению формы заготовок или к объемному перемещению металла. Основными формоизменяющими операциями являются различные разновидности гибки, вытяжки, формовки и объемной штамповки.
Гибка — процесс упругопластических изменений формы заго- товки с приданием ей определенных угловых соотношений. Гибкой получают детали с заданным радиусом кривизны. Заготовки получают определенную форму в результате движения пуансона
к неподвижной матрице с постоянным уменьшением радиуса кривизны заготовки. При этом происходит одновременное растяжение и сжатие волокон металла: наружные слои металла, расположенные со стороны матрицы, растягиваются, а внутренние (расположенные со стороны пуансона) сжимаются и укорачиваются. Между наружными и внутренними волокнами находится нейтральный слой, длина которого не изменяется. Существуют различные способы гибки (рис. 9.9). Чем больше радиус угла гибки, тем легче протекает этот процесс.
Вытяжка — процесс пластических деформаций, при которых плоская заготовка принимает форму полой детали. Вытяжку в основном применяют для изготовления деталей, имеющих дно. Плоская заготовка под давлением пуансона вдавливается (втягивается) в зазор между пуансоном и матрицей и превращается в полое изделие. При вытяжке происходит пластическая деформация за счет смещения значительного объема металла в, направлении, обратном давлению. При этом часть металла, образующая дно изготовляемого цилиндра, оказывается малоизмененной, а металл, образующий стенки, находится под давлением сжимающих напряжений в тангенциальном направлении и растягивающих — в осевом.
Применяют три способа вытяжки: без прижима для изготовления из толстых материалов неглубоких деталей (с малой величиной отношения высоты детали к диаметру); с прижимом (рис. 9.10, а) для изготовления высоких деталей из тонких материалов; прижимы предотвращают появление на металле складок в процессе его вдавливания в отверстие матрицы; обратная
а— одноугловая без прижима; б—двух- угловая без прижима; в — двухугловая с прижимом; г — многоугловаяа— одноугловая без прижима; б—двух- угловая без прижима; в — двухугловая с прижимом; г — многоугловаяРис. 9.10. Схема вытяжки:Рис. 9.10. Схема вытяжки:/— матрица; 2— прижим; 3— заготовка; 4— пуансон; 5— вкладыш матрицы/— матрица; 2— прижим; 3— заготовка; 4— пуансон; 5— вкладыш матрицыРис. 9.9. Способы гибки деталей:
а— одноугловая без прижима; б—двух- угловая без прижима; в — двухугловая с прижимом; г — многоугловая
а— одноугловая без прижима; б—двух- угловая без прижима; в — двухугловая с прижимом; г — многоугловая
Рис. 9.10. Схема вытяжки:
Рис. 9.10. Схема вытяжки:
/— матрица; 2— прижим; 3— заготовка; 4— пуансон; 5— вкладыш матрицы
/— матрица; 2— прижим; 3— заготовка; 4— пуансон; 5— вкладыш матрицы
(реверсивная) вытяжка, когда в качестве заготовок используя» предварительно вытянутые колпачки (рис. 9.10, б).
Коэффициентом вытяжки называется величина, равная отно
шению минимального диаметра дна детали, которого можно достигнуть без разрушения материала, к первоначальному диаметру заготовки. Чем меньше коэффициент вытяжки, тем большую деформацию допускает данный материал. Коэффициент вытяжки колеблется в пределах 0,45 — 0,65 в зависимости от механических свойств материала детали и соотношения толщины и диаметра заготовки.
Никель, железо, медь, малоуглеродистые стали, константан и другие пластичные металлы и сплавы легко поддаются вытяжке, они имеют небольшой коэффициент вытяжки и могут быть вытянуты в несколько стадий на глубину до 6 — 8 диаметров (с промежуточными отжигами для снятия возникающих при вытяжке напряжений).
Молибден, тантал, ковар, железоникелевые сплавы имеют высокий коэффициент вытяжки — их вытяжка не может быть глубокой из-за образования трещин и расслаивания под действием растягивающих усилий. Вольфрам практически не поддается вытяжке.
Величина зазора между пуансоном и матрицей определяется следующими условиями: вытяжка, при которой толщина стенок детали остается равной толщине металлической заготовки, в этом случае зазор должен быть в среднем на 10% больше толщины заготовки; вытяжка с утонением стенок изделия, в этом случае
Рис. 9.11. Схема последовательной вытяжки (с утонением) деталейРис. 9.11. Схема последовательной вытяжки (с утонением) деталейзазор между пуансоном и матрицей должен быть значительно меньше толщины заготовки. Вытяжку с утонением обычно производят в несколько стадий с промежуточными межоперационными отжигами (рис. 9.11).
Рис. 9.11. Схема последовательной вытяжки (с утонением) деталей
Рис. 9.11. Схема последовательной вытяжки (с утонением) деталей
Основными дефектами, характерными для вытяжки, являются:
разностенность, особо недопустимая для токопроводящих и передающих теплоту деталей;
морщины и кольцевые отпечатки на поверхности, трещины, риски, задиры, которые могут явиться причиной натекания в приборах (особенно по спаям этих деталей со стеклом и керамикой).
Молибденовые, танталовые и коваровые детали рекомендуется изготовлять не механической, а гидравлической вытяжкой, за счет приложения гидравлического сжатия увеличивается пластичность материала стенок заготовки и повышается их способность к деформации.
Калибровкой называется операция придания вытянутой детали точных размеров и окончательной формы. Калибровка осуществляется путем протягивания детали, установленной вертикально, диерез зазор между пуансоном и матрицей, который равен номинальной толщине материала.
Объемная штамповка (прессовка) детали основаны на трехосном неравномерном сжатии и пластическом перераспределении объема металлозаготовки. К операции объемной штамповки относятся, например, объемная формовка, ударное выдавливание, осадка, чеканка, клеймение.
При объемной формовке полых, круглых, квадратных, прямоугольных деталей заготовка закладывается в полость матрицы и под действием пуансона происходит пластическое истечение металла в незамкнутую полость штампа, т. е. зазор между формообразующими поверхностями пуансона и матрицы.
При объемной штамповке высота детали может достигать 10 —12 диаметров (т. е. за один рабочий ход штампа удается получать детали, требующие 8 —10 операций при холодной вытяжке из листа). Объемная штамповка позволяет ликвидировать фрезерные и токарные операции, повысить производительность, обеспечить точность размеров, высокий класс чистоты и сократить расход металла.
Объемную штамповку (холодное выдавливание) осуществляют обычно на мощных гидравлических прессах инструментами повышенной стойкости и прочности — этот процесс требует очень высоких удельных давлений порядка 1,5— 2-109 Па.
При методе штамповки гидропластом внутрь трубчатых заготовок вводят пластичные материалы, которые при ударе пуансона деформируют стенки заготовки: металл принимает форму, соответствующую форме разъемной матрицы. В качестве гидропласта используют парафин, церезин, воск и другие плавящиеся материалы.
Метод контурного травления применяется для получения заготовок из тонкого листа. На металлический лист химически стойкой краской наносят силуэт рисунка; участки листа, не .покрытые краской, удаляются травлением, а сама деталь остается под слоем краски.
$ 9.6. ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ШТАМПОВКИ ДЕТАЛЕЙ
Применяемые для штамповки рабочие машины называются прессами, а рабочие инструменты — штампами.
Наибольшее применение нашли кривошипные и гидравлические прессы. Для операций вырубки и пробивки применяют прессы простого действия с небольшим ходом ползуна, а для операции вытяжки — прессы двойного или тройного действия с большим ходом ползуна (имеющие два или три ползуна).
Штамп — металлическая форма, состоящая из двух частей (матрицы и пуансона), в которой имеются полости, соответствующие конфигурации изготовляемой детали. Эти полости называются ручьями. Штампы подразделяются на простые и комбинированны е.
Штамп простого действия (рис. 9.12) за один ход пуансона выполняет только одну операцию — вырубку. Матрица /, имеющая вид плоского кольца из легированной или углеродистой стали, крепится к плите 2 с помощью винтов 3 и штифтов 4. Пуансон 15 обычно в виде цилиндрического стержня установлен в пуансонодержателе 14, который крепится в плите 13. Закаленная и шлифованная прокладка 11 и резиновое кольцо 10 обеспечивают правильную установку пуансонодержателя. При штамповке заго-
Рис. 9.12. Штамп простого действияРис. 9.12. Штамп простого действиятовку помещают между пуансоном и матрицей. Пуансон вдавливает заготовку в углубление или отверстие матрицы, и заготовка принимает форму и размеры, соответствующие форме и размерам пуансона и матрицы. Центрирование и постоянство расположения пуансона относительно матрицы обеспечивается направляющими колонками 8 и втулками 7, по которым они скользят. Хвостовик 12 служит для закрепления верхней части штампа в ползуне пресса. Направление штампуемого материала осуществляется штифтами 5, а пра- < вильность положения в на- |
Рис. 9.12. Штамп простого действия
Рис. 9.12. Штамп простого действия
чале работы — упором б. Сбрасыватель 9 служит для удаления детали из штампа.
Для обеспечения чистоты поверхности детали, уменьшения количества заусенцев и предотвращения налипания материала штампуемых деталей на стенки матрицы рекомендуется применять штампы, у которых быстроизнашивающиеся кромки пуансона и матрицы армируются твердыми вольфрамово-кобальтовыми металлокерамическими сплавами (например, ВК-20, ВК-20М, В К-8). Такой инструмент называется твердосплавным.
А Комбинированные штампы совмещенного или последовательного действия позволяют выполнять несколько различных технологических операций штамповки.
Совмещенные штампы на одной рабочей позиции при неизменном положении заготовки одновременно производят несколько операций (например, вырубку, вытяжку и пробивку заготовки) и за один ход пресса получается готовая деталь или полуфабрикат.
Последовательные штампы производят несколько операций (например, вырубку, отрезку, гибку) на разных рабочих позициях с перемещением штампуемого материала с позиции на позицию после каждого удара пуансона. Последовательный штамп представляет собой набор различных операционных штампов, собранных в одном блоке и расположенных по ходу технологического процесса штамповки. За один удар штамп выполняет все операции, необходимые для изготовления детали, но на разных переходах.
Для уменьшения трения между заготовкой и поверхностью штампа применяют различные смазки. Это обеспечивает хорошее скольжение между рабочими частями штампа. Они также служат для повышения износостойкости штамповочного инструмента, предотвращения налипания материала деталей на инструмент; обеспечения высокого класса чистоты поверхности штампуемых деталей, охлаждения трущихся поверхностей детали и инструмента, снижения напряжений в материале деталей и предотвращения образования на них рисок, надиров и других дефектов.
Смазки не должны химически взаимодействовать с материалом рабочего инструмента и материалом детали, должны иметь оптимальную величину вязкости, хорошую адгезию к поверхности детали и инструменту, легко удаляться (отмываться) с поверхности готовых деталей, в них не должно быть ядовитых компонентов, способных вызвать повышенное газовыделение в вакууме и отравление катодов в приборах.
В качестве смазок рекомендуется применять: минеральное, например машинное, масло (при штамповке ковара, молибдена, вольфрама); эмульсионные и мыльные составы (при штамповке
меди, железа малоуглеродистых сталей); спиртобензиновые смеси, в которые добавляют минеральное масло (при штамповке никеля, алюминированных металлов, железоникелевых сплавов); минеральные масла с наполнителем из порошкообразного графита (аквадаг), мела или талька (для штамповки твердых металлов).
Существуют автоматические установки для изготовления деталей методами штамповки. Автоматизация штамповки внедряется по четырем направлениям:
автоматизация штампов (штампы-автоматы отличаются от обычных наличием дополнительных устройств для автоматической подачи полосы ленты и штучных заготовок, а также устройств для автоматического сбрасывания и укладывания отштампованных изделий);
автоматизация процесса (например, передача заготовок от одной операции к другой внутри штампа, блокирование механизмов для предотвращения неправильной работы);
автоматизация подъемно-транспортных операций;
применение автоматических линий.
ОСНОВНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ ДЕФЕКТОВ ПРИ ШТАМПОВКЕ
При штамповке должна быть обеспечена высокая точность размеров деталей: обычно допускаемые отклонения не должны превышать 2 — 10 мкм; шероховатость поверхности лежит в пределах 2,5 — 0,63 мкм.
Эти показатели обеспечиваются комплексом мер: повышенными требованиями к точности инструмента, в частности применением твердосплавных инструментов; расчетом и подбором оптимальных зазоров между матрицей и пуансоном; применением эффективных смазок; оптимальными температурными, временными режимами и средами предварительного и промежуточного отжигов; подбором оптимальных методов и режимов предварительной механической обработки (ковки, прокатки, волочения); применением совмещенных штампов; широким использованием дополнительных операций калибровки, правки, зачистки и других операций; комбинированием штамповки и обработки резанием; оптимальным подбором режимов травления, полирования и пассивации деталей, в том числе применением абразивной галтовки деталей; использованием современных высокоэффективных способов штамповки (гидропластом, взрывом, резиной, гидроэкструзией и др.).
Рассмотрим основные разновидности дефектов.
Заусенцы могут появиться практически на всех операциях штамповки. Наличие заусенцев приводит к пробоям и утечкам 124
между электродами и появлению «паразитной» и автоэлектронной л термоэлектронной эмиссий. Основные причины появления заусенцев: неоптимальная величина зазора между рабочими поверхностями матрицы и пуансона, плохая заточка рабочих поверхностей инструмента, неплотное крепление штампа в прессе.
Оптимальная величина зазора обычно находится в пределах 5—12 % от толщины металла в зависимости от свойств штампуемого материала, формы и твердости применяемого инструмента. Практически чем больше допуск на толщину металла, чем больше отклонение по профилю материала от номинальной толщины, тем труднее обеспечить требуемую величину зазора и соответственно больше вероятность появления заусенцев.
Дефекты — разностенность и утонение стенок приводят к изменению электрического сопротивления и нарушению теплового режима работы приборов, поэтому они наиболее опасны для токопроводящих и теплопроводящих деталей.
Дефекты вида трещины, разрывы, вмятины, расслоение металла приводят к нарушению вакуумной плотности, повышенному газовыделению, натеканию атмосферных газов в приборы, а также к снижению механической прочности деталей, особенно при ударных и вибрационных нагрузках. Например, разрыв плакирующего слоя при штамповке алюминированного железа приводит к обнажению основного металла — железа, склонного к сильному и непрерывному газовыделению в вакууме.
Общими причинами возникновения вышеуказанных дефектов могут являться как неоптимальные режимы предварительного отжига материалов и заготовок, неоптимальные режимы штамповки (усилия сжатия, температурного режима), так и дефекты самого штампуемого металла и плохая наладка оборудования (например, несогласованность расположения матрицы и пуансона, изношенность и плохое охлаждение инструмента, приводящие к изменению его геометрии, и др.).
Например, разрывы при штамповке ковара объясняются наличием крупнозернистой структуры, проявляющейся в случае его нагрева при отжиге до температуры, превышающей 970°С.
Расслоение молибдена объясняется наличием в нем повышенных напряжений — это имеет место при низкой температуре (менее 400°С) и малой продолжительности предварительного отжига молибдена, а также применением материала большой толщины (более 0,3 мм).
При механической обработке вольфрама необходимо нагревать его до температуры порядка 400°С — это предотвращает его Расслоение и повышает сопротивление растягивающим усилиям.
Появление намагниченности у металлов в процессе их механической обработки связано с изменением структуры и переходом металла или сплава из одного фазового состояния в другое. Например, в некоторых сортах нержавеющей стали (в частности, Х18Н9) вместо немагнитной структуры аустенита образуется магнитная структура мартенсита, при этом немагнитная нержавеющая сталь приобретает магнитные свойства. Следует учитывать, что чем меньше в нержавеющей стали содержится никеля и углерода, тем более высокие магнитные свойства она приобретает при механической обработке (например, при прочих равных условиях вероятность намагничивания стали, содержащей 18% Сг и 8% Ni, значительно больше, чем стали, содержащей 18% Сг и 12% Ni). На степень магнитного насыщения нержавеющих сталей сильно влияет содержание примесей (даже если колебания их процентного содержания находятся в пределах ГОСТа). Поэтому для изготовления деталей ЭВП целесообразно применять вакуумно-плавленую нержавеющую сталь с относительно большим содержанием никеля, например 00Х18Н18-ВИ.
Намагничивание стальных деталей внутренней арматуры может привести к искажению электрических полей в приборе и ухудшению его параметров.
Устранить намагниченность стальных деталей можно путем их отжига в вакууме при температуре 1050— 1100°С, тоща мартенситная структура, образовавшаяся при механической обработке детали давлением, снова переходит в аустенитную. После отжига необходимо проводить контроль деталей на остаточную намагниченность, например с помощью феррозондового полюсоиска- теля ФП-IV. Следует учитывать, что мартенсит, образующийся при деформации, почти не различим под микроскопом, однако его присутствие легко обнаружить с помощью рентгенографических и магнитных методов исследования.
ГЛАВА 10. ИЗГОТОВЛЕНИЕ СТЕКЛЯННЫХ ДЕТАЛЕЙ
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СТЕКЛЕ
Стекло — твердый хрупкий материал, получаемый сплавлением кислотных оксидов, называемых структурообразовате- лями, с щелочными оксидами.
В качестве структурообразователей обычно применяются кислотные оксиды кремния, бора, алюминия, фосфора, титана и др. По наименованию структурообразователя производится
классификация стекла (например, стекла, структурообразователем которых является диоксид кремния, называются силикатными).
Модификаторы, в качестве которых применяются оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, придают стеклам требуемые специфические свойства.
Оксид цинка ZnO снижает температурный коэффициент расширения (ТКР), улучшает прочность сцепления стекла с металлами при изготовлении спаев, повышает химическую стойкость, поэтому входит в состав стекол, применяемых для оболочек приборов, работающих в тропическом климате.
Оксид свинца РЬО значительно увеличивает электрическое сопротивление, повышает ТКР, плотность, коэффициент преломления стекла, способность к поглощению рентгеновских лучей, уменьшает склонность к расстекловыванию.
Щелочные оксиды (КагО, К2О, LiaO) снижают вязкость и склонность к кристаллизации, уменьшают температуру варки и обработки стекла (положительные факторы), однако резко ухудшают изоляционные свойства (увеличивают электропроводность, склонность к электролизу, повышают диэлектрические потери) и снижают теплостойкость стекла (отрицательные факторы).
ВАРКА СТЕКЛА
Смесь сырьевых материалов, необходимых для варки стекла, называется шихтой. В состав шихты помимо стеклообразующих материалов обычно входят вспомогательные: осветлители, обесцвечиватели, восстановители или окислители.
Осветлители — сульфат натрия, оксиды мышьяка и сурьмы, свинцовый сурик — служат для удаления из стекломассы газовых включений типа «пузырей» и «мошки» (скопления мелких пузырей). При осветлении стекло становится прозрачным и однородным (гомогенным). Осветлители при высоких температурах разлагаются, образуя газообразные продукты, которые при передвижении по объему стекломассы к поверхности захватывают пузырьки газовых включений и тем самым осветляют стекло.
Обесцвечиватели — селитра, селен, пероксид марганца, оксид кобальта — препятствуют окрашиванию стекла оксидами железа, содержащимися в исходных материалах.
Восстановители — кокс, древесный уголь, древесные опилки или окислители — натриевая или калиевая селитра — создают в процессе варки стекла восстановительную или окислительную среду.
Процесс стекловарения слагается из пяти стадий.
На первой стадии происходит силикатообразование — нз шихты удаляется влага и протекают химические реакции
взаимодействия кислотных оксидов с основными; это приводит к образованию сложных комплексных силикатов. Силикатообразо- вание заканчивается при температуре 800 — 900°С.
На второй стадии (при 1200 — 1400°С) происходит стекло- образование — силикаты расплавляются и растворяются друг в друге; при этом образуется жидкая прозрачная стекломасса.
На третьей стадии происходит осветление — дегазация. Стекломасса освобождается от газовых включений. Источниками газовых включений могут быть газы, химически связанные с компонентами шихты, а также газы и пары воды, образующиеся при сгорании пламени или находящиеся в атмосфере печи. Осветление улучшается по мере увеличения продолжительности и температуры варки и усиления интенсивности перемешивания стекломассы.
На четвертой стадии происходит гомогенизация— придание стекломассе химической однородности. Интенсивная взаимная диффузия компонентов стекломассы способствует выравниванию их концентраций и ликвидации неоднородностей в ней.
Пятая стадия — охлаждение (студка). При постепенном снижении температуры до 950 — 1150°С повышается вязкость стекломассы до значений, при которых возможна выработка различных изделий.
ТЕРМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТЕКЛА
Технологические режимы изготовления изделий из расплавленного стекла и термопластичной обработки стеклозаготовок определяются следующими термическими свойствами стекла — характером изменения вязкости при нагреве и охлаждении стекла, коэффициентом расширения, термостойкостью, температурой нижней и верхней границ зоны отжига, разновидностью и величиной термических и коэффициентных напряжений в стекле. Рассмотрим некоторые из них.
При комнатной температуре стекло находится в твердом (упругом) состоянии и имеет очень высокую вязкость порядка Ю16!!1. Температура Ттр, соответствующая вязкости Пг3,3П, называется точкой трансформации (или температурой трансформации) стекла. При температуре трансформации скачком изменяются многие характеристики стекла: ТКР, удельное электриче-
Единицей измерения вязкости в системе МКГСС является пуаз: Ш - 1г/(см-с). 1 а в системе СИ — паскаль-секунда (Па-с). 10П - Ша-с.I
ское сопротивление, теплопроводность, коэффициент преломления, плотность. Эта температура является верхней границей хрупкого состояния стекла — при температуре выше точки трансформации стекло приобретает пластичность: под действием внешних нагрузок может происходить деформация стекла (например, прогиб центральной части экранов цветных кинескопов в процессе их термовакуумной обработки под действием внешнего атмосферного давления на экран). Для практически применяемых стекол г « 400 + 600°С.
' Интервал температур (800— 1100°С), соответствующий вязкости 108’6 = КгП, является рабочей областью температур формования стеклоизделий. При этой вязкости производится выработка и формование стекла: под действием собственной массы и сил поверхностного натяжения размягченная стеклянная деталь в течение нескольких минут приобретает требуемую форму. В этом интервале вязкости стекло находится в пластичном состоянии, при котором оно достаточно размягчено, чтобы изменить свою форму, но в то же время достаточно вязко, чтобы не течь, как жидкость (и соответственно сохранять приданную ему форму). Стекла, имеющие большой температурный интервал формования, называются «длинными» (у «длинных» стекол кривая зависимости вязкости от температуры имеет пологий характер). Для «длинных» стекол вязкость изменяется постепенно и небольшие колебания температуры практически не сказываются на ней, что облегчает термопластичную обработку стекла и придание ему требуемой формы. У «коротких» стекол при сравнительно небольшом колебании температуры вязкость стекла выходит из пределов рабочего диапазона 108’6 — 103 и формование стекла становится невозможным.
Температура Тв, соответствующая вязкости 104П, называется рабочей температурой выработки. При этой температуре стекло размягчается до такой степени, что его можно обрабатывать Методами выдувания или прессования.
В интервале температур (1000— 1500°С), соответствующем вязкости I03 — 10 П, стекло находится в капельно-жидком состоянии: оно приобретает текучесть, свойственную жидкостям, ~ именно в этом интервале вязкости и температур производится варка и выработка стекла в печах.
Температурный коэффициент линейного расширения (ТКР а) определяет величину термических и коэффициентных напряжений в спае, возможность получения вакуумно-плотных, газонепроницаемых спаев, а также стойкость стекла к резким переменам температуры.
ТКР а при нагреве стекла до температуры трансформации практически остается постоянным, а при более высоких темпера-
турах сначала резко возрастает, а затем остается без изменения вплоть до полного размягчения стекла. Соответствующим подбором содержания отдельных оксидов можно достигнуть любого ТКР а в пределах 640~7 (кварцевое стекло) — 150-Ю-7 1/°С. Во многих случаях соблюдается правило, по которому стекло с более высокой температурой размягчения обладает и более низким ТКР а.
Электровакуумные стекла подразделяются и маркируются по числовым значениям ТКР а на следующие группы: платинитовые (ТКР = (86* 92)-10—7); молибденовые (ТКР = (46* 52)-10—7); вольфрамовые (ТКР = (35* 42)-10—7).
Эти стекла не содержат ни платинита, ни молибдена, ни вольфрама — их название определяется не составом, а только величиной ТКР а стекла, которая равна соответственно ТКР а платинита, молибдена или вольфрама. Значение ТКР а стекла всегда указывается в маркировке стекла: например, стекло С93-1 имеет ТКР а = 93-10-Т 1/°С.
Под термостойкостью понимают наибольшую разность температур, которую стекло может выдерживать без растрескивания. Термостойкость тем выше, чем больше теплопроводность и чем меньше ТКР стекла. Поэтому кварцевое стекло, имеющее низкий ТКР, обладает наивысшей термостойкостью (700°С); стекла платинитовой группы, имеющие большой ТКР, обладают низкой термостойкостью (100 — 150°С). Отжиг, снимая напряжения, значительно повышает термостойкость. Ввиду большой термостойкости кварцевое стекло можно не отжигать.
Термостойкость стеклянного изделия всегда меньше, чем теоретическая, так как на нее влияют форма изделия, толщина, размеры, условия нагрева и охлаждения. Тонкостенные и округлые изделия более термостойки, чем толстостенные и с острыми углами. С увеличением толщины и особенно разнотолщинности стенок изделия термостойкость резко снижается. Царапины, мелкие посечки и микротрещины на поверхности стеклодетали уменьшают ее термостойкость. Обычно при быстром охлаждении термостойкость меньше, чем при быстром нагреве.
Термостойкость стеклянных деталей проверяют методом термоудара — деталь, выдержанную в горячей воде, погружают в холодную воду, и наоборот. При резком охлаждении стеклодеталей на их поверхности образуются напряжения растяжения, а внутри стеклянной детали — напряжения сжатия. При резком нагреве стекла на его поверхности, наоборот, возникают напряжения сжатия.
Испытания по циклу «нагрев — охлаждение» являются более жесткими, чем испытания по циклу «охлаждение — нагрев», — это объясняется тем, что поверхностные напряжения растяжения । более опасны, чем напряжения сжатия (см. с: 137).|
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТЕКЛА
При комнатных температурах стекла обладают очень высоким удельным объемным электросопротивлением цу1 — 1019 Ом-см и являются хорошими изоляторами.
Носителями тока в стекле являются ионы. При повышении температуры подвижность ионов значительно увеличивается. При 200 — 4006С электрическое сопротивление стекол снижается примерно в 108— 1010 раз. При температурах порядка 1200 — 1480°С электрическое сопротивление составляет всего 1—10 Ом-см. Интенсивность изменения электрического сопротивления при увеличении температуры оценивается по температур- номукоэффициентуэлектрическогосопротив- ления стекла (ТК-100), который показывает, до какой температуры надо нагреть стекло, чтобы его электрическое сопротивление снизилось до 108 Ом-см (до 100 МОм-см). Чем меньше величина ТК-100, тем быстрее снижается электросопротивление стекла при повышении температуры и тем хуже его электроизоляционные свойства. Величина ТК-100 зависит от химического состава стекла. Особенно важно, чтобы стекла для изготовления ножек приборов имели большую величину ТК-100 — это предотвращает электролиз и возможность утечек и пробоев между электродами, находящимися под разными потенциалами.
Удельное поверхностное электрическое сопротивление стекол зависит не только от состава стекла, но и от состояния его поверхности. Удельное поверхностное сопротивление меньше удельного объемного электрического сопротивления стекла — это объясняется наличием на поверхности стекла водяной пленки. В этой пленке растворены щелочи, содержащиеся в стекле, а также углекислота и другие загрязнения, находящиеся в атмосферном воздухе. При комнатной температуре удельное поверхностное сопротивление всех стекол одинаково и равно 1011 Ом-см, оно определяется сопротивлением адсорбированной водяной пленки. Чем выше влажность окружающего воздуха, тем меньше поверхностное сопротивление стекла и больше его поверхностная проводимость. Различные поверхностные загрязнения, например следы от прикосновения рук, резко снижают поверхностное сопротивление стекла. Для повышения поверхностного электросопротивления рекомендуется на поверхность стекла наносить защитные, не смачиваемые водой (гидрофобные) покрытия, например кремнийорганические лаки.
Стекло в электрическом поле теряет свойства изоляционного материала, если напряженность поля превышает некоторое критическое значение, называемое пробивной напряженностью £пр. При этом происходит нарушение электрической
прочности стекла и его пробой. Электрическая прочность (кВ/мм) определяется отношением наименьшего напряжения 17пр, при котором происходит пробой, к толщине стекла d в месте пробоя:
Епр = t/пр/d.
Пробой стекла вызывается электрическими, тепловыми и химическими процессами, возникающими в стекле под действием электрического поля.
Вероятность теплового пробоя повышается по мере увеличения частоты переменного напряжения, уменьшения теплоотвода, повышения температуры окружающей среды и снижения ТК-100 стекла.
Электрический пробой наблюдается преимущественно при малой толщине стекол и кратковременных нагрузках. Напротив, тепловой пробой характерен для толстостенных изделий в условиях плохого отвода теплоты.
В постоянном электрическом поле при комнатной температуре пробивная напряженность стекол колеблется в пределах 20 -^ 30 кВ/мм и значительно снижается с повышением температуры (особенно выше 150 — 200°С), а также с увеличением времени нарастания напряжения.
В переменном электрическом поле напряжение пробоя в 5 раз меньше, чем в постоянном. Это объясняется увеличением диэлектрических потерь, температуры стекла и повышением вероятности теплового пробоя (рис. 10.1).
Рис. 10.1. Влияние температуры на пробивную напряженность стекла при различных частотахРис. 10.1. Влияние температуры на пробивную напряженность стекла при различных частотахВвиду высокого электрического сопротивления внутренних поверхностей стеклянных оболочек вакуумных приборов на них может накапливаться большой статический заряд (например, за счет рассеянных электронов). В результате создаются большие электрические нагрузки, направленные перпендикулярно поверхности оболочки прибора, а это может привести к точечным пробоям. В таких случаях особую опасность представляет присутствие в стекле свилей и пузырьков воздуха.
Рис. 10.1. Влияние температуры на пробивную напряженность стекла при различных частотах
Рис. 10.1. Влияние температуры на пробивную напряженность стекла при различных частотах
В производстве некоторых ЭВП (например, рентге-
ловских трубок) иногда желательно, чтобы поверхность стекла имела определенную электропроводность — для отвода рассеянных электронов и предотвращения концентрации электрического заряда. Снижение поверхностного сопротивления достигается введением в состав стекла оксидов висмута, свинца и сурьмы с последующим медленным нагревом его в водороде при 300 — 500°С. При этом происходит восстановление оксидов и образуется темный проводящий слой толщиной около 25 мкм, удельное поверхностное сопротивление которого при комнатной температуре в 1000 раз меньше сопротивления стекла и составляет 108 Ом-см.
При работе приборов часто наблюдается растрескивание спаев стекла с металлом, обусловленное электролизом стекла. Электролизом называется направленное движение ионов (т. е. прохождение тока через вещество), сопровождающееся окислительно-восстановительными реакциями на электродах.
Для электролиза стекла необходимы два условия: наличие в стекле вваренных электродов, которые при изготовлении или эксплуатации прибора находятся под разными потенциалами; высокая температура стекла на участке между электродами.
Электролиз стекла обусловливается следующими физико- химическими процессами. При повышенной температуре происходит диссоциация силикатов, входящих в состав стекла; при этом образуются положительные и отрицательные ионы Na+, К+, SiO2—з и т. д. При приложении к электродам, вваренным в стекло, разности потенциалов создается электрическое поле, под действием которого в стекле начинается движение ионов — утечка. При этом положительные ионы движутся к катоду (т. е. электроду, находящемуся под отрицательным потенциалом), а отрицательные ионы — к аноду.
Перемещение ионов в стекле приводит к снижению удельного объемного сопротивления и увеличению ТКР стекла в микрослое вокруг катодного вывода и, наоборот, к увеличению удельного объемного сопротивления и снижению ТКР в микрослое вокруг анодного вывода — это вызывает пробой через стекло и его разрушение.
Стекло обычно разрушается с внутренней стороны на участке ввода с высоким положительным потенциалом, в микрослое стекла У анода наблюдается большое падение напряжения и образование микротрещин. При этом чем выше температура, тем при меньшей напряженности поля возникает пробой и разрушение стекла. Даже при отсутствии пробоев электролиз может привести к образованию сквозных каналов около электродов, нарушающих герметичность спаев.
При электролизе на катоде выделяется водород, а на аноде — кислород, что приводит к ухудшению вакуума в готовом приборе, а также к восстановлению металла электродов, находящихся под отрицательными потенциалами, и окислению металла электродов, находящихся под положительным потенциалом. Одновременно изменяется цвет спаев. Например, при электролизе стекла платинитовый ввод, находящийся под положительным потенциалом, приобретает черный цвет (происходит окисление закиси меди в оксид — кислородом, выделяющимся на аноде); платинитовой ввод, находящийся под отрицательным потенциалом, приобретает цвет натуральной меди (происходит восстановление закиси меди водородом, выделяющимся на катоде).
Почернение свинцового стекла (например, С93-1) при электролизе объясняется тем, что щелочные металлы (накапливающиеся при электролизе у катода) вступают в химическое взаимодействие с оксидом свинца, входящим в состав стекла, и образуют черный металлический свинец
2Na + РЬО -* Pb + Na2O.
Ослабления вредного влияния электролиза можно достигнуть тремя способами:
применением стекол с высоким сопротивлением;
искусственным охлаждением спаев стекла с металлом при работе прибора;
увеличением расстояния между электродами.
Диэлектрическая проницаемость является количественной характеристикой процессов поляризации.
Поляризация стекла в переменном поле приводит:
к нагреву и, следовательно, к снижению электрического сопротивления стекла, что вызывает увеличение тока сквозной проводимости или тока утечки Za через стекло;
к увеличению емкости между электродами, разделенными стеклянным изолятором, что вызывает увеличение емкостного тока /см.1,
Поэтому вектор суммарного тока I через стекло (равного сумме Я токов сквозной проводимости и емкостного тока) будет лежать Ц между векторами активного и емкостного тока; суммарный ток Я будет по фазе опережать напряжение на угол, лежащий в я интервале 0° — 90° (рис. 10.2).я
Углом диэлектрических потерь называется угол д, дополня- 1 ющий до 90° угол сдвига фаз <р между векторами суммарного я тока и напряжения.■
Тангенс угла диэлектрических потерь tgd характеризует Я отношение активной составляющей тока, проходящего через ■ стекло, к емкостному току. Чем меньше tg 5, тем выше ■ 134
Рис. 10.2. Токи и напряжения в стекле, помещенном в переменное электрическое полеРис. 10.2. Токи и напряжения в стекле, помещенном в переменное электрическое поле
Рис. 10.2. Токи и напряжения в стекле, помещенном в переменное электрическое поле
Рис. 10.2. Токи и напряжения в стекле, помещенном в переменное электрическое поле
изоляционные качества стекла, меньше диэлектрические потери и менее интенсивен разогрев стекла в переменном поле. У идеального диэлектрика tg <5 равен нулю — в этом случае активный ток через диэлектрик не проходит.
Диэлектрическими потерями (иди мощностью потерь) называют энергию, которая в единицу
времени рассеивается в стекле,
помещенном в переменное электрическое поле:
Р = /Mgd.
Диэлектрические потери вызывают нагрев стекла, снижение его электрического сопротивления и, следовательно, повышение вероятности теплового и электрического пробоя, размягчения и деформации стеклодетали. Диэлектрические потери в стекле пропорциональны квадрату приложенного переменного напряжения и увеличиваются по мере повышения частоты тока, диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, а также при повышении температуры стекла.
ХИМИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТЕКЛА
Химической стойкостью называется способность стекла противостоять разрушающему действию влаги, кислот, щелочей и других химических веществ. По интенсивности разрушающего действия на стекло химические вещества располагаются в следующем убывающем порядке: плавиковая кислота, фосфорная кислота, растворы щелочей, растворы карбонатов, кислоты, вода. С повышением температуры химическая стойкость стекла снижается.
По отношению к действию влаги стекла делятся на пять гидролитических групп или классов. Наиболее стойкие стекла (С37-1, С47-1) относятся к первому, наименее стойкие — к пятому классу (С52-1, С-48-1, С89-1). При малой влагостойкости ухудшается прозрачность стекла и непрерывно снижается поверхностное сопротивление при эксплуатации прибора во влажной атмосфере. Повышенное содержание в стекле щелочных оксидов, оксида свинца и борного ангидрида приводит к снижению химической стойкости. Поэтому химическая стойкость возрастает при удалении с поверхности стекла щелочных соединений. Это Достигается путем промывки стекла в соляной, азотной или
муравьиной кислоте или отжигом стекла в печах, в атмосфере которых содержится диоксид серы.
Пары щелочных металлов восстанавливают диоксид кремния до свободного, при этом стекло окрашивается в черный цвет.
В присутствии примеси железа стекло приобретает коричневый оттенок. Следует учитывать, что пары щелочных металлов оказывают восстанавливающее действие на пассивирующую оксидную пленку в местах спая стекла с металлом — при этом нарушается герметичность и механическая прочность спая. Поэтому рекомендуется предварительно наносить на металлические вводы покрытия, оксиды которых не восстанавливаются щелочными металлами (например, покрытия на основе оксидов хрома).
Хранение влагонеустойчивого стекла во влажной атмосфере приводит к образованию на его поверхности при огневой обработке микроскладок, морщин (шероховатостей). Процесс кристаллизации снижает механическую прочность и прозрачность изделий, нарушает вакуумную плотность и герметичность спаев, ухудшает способность стекла к формованию. При кристаллизации на поверхности стекла с помощью лупы или микроскопа можно увидеть «иглы», «елочки» и другие виды кристаллов правильной формы.
Процесс кристаллизации обычно имеет место в следующих случаях: при длительной выдержке стекла в размягченном состоянии; при очень медленном охлаждении размягченного стекла; при непосредственном соприкосновении пламени горелки с поверхностью стекла и его перегреве; при наличии на поверхности стекла следов от потных рук.
Как известно, при взаимодействии пучка электронов со всеми материалами, из которых изготовляют высоковольтный прибор, например цветной кинескоп (а именно, с люминофором, аквадагом, алюминиевым покрытием, металлом маски и т.д.), возникает рентгеновское излучение. Длина волны рентгеновского излучения тем меньше, чем выше анодное напряжение, Суммарная интенсивность энергии рентгеновского излучения W пропорциональна анодному току /а, порядковому номеру Z (в таблице Менделеева) бомбардируемого вещества и квадрату анодного напряжения 1/а;
W = KkUa.
Степень ослабления рентгеновского излучения зависит от толщины стеклооболочки и наличия в стекле специальных добавок, поглощающих рентгеновские лучи (например, оксидов церия, бария, свинца, стронция, сурьмы).
Следует учитывать, что стекла, содержащие оксиды свинца, темнеют при электронной бомбардировке, поэтому экраны кинескопов обычно изготовляют из стекол, содержащих оксиды церия и стронция.
Основными факторами, которые могут влиять на снижение механической прочности стекла, являются следующие: повышенные напряжения в стекле, особенно напряжения растяжения; поверхностные дефекты (царапины, мелкие трещины, посечки) — особенно опасны царапины, находящиеся на участке максимальных растягивающих напряжений; разнотолщинность на близлежащих участках стеклянной детали; малый радиус кривизны в стеклооболочках сложной формы; неоптимальная геометрическая форма сварных швов; посторонние включения и пузыри в стекле; повышенная влажность окружающего воздуха.
Следует отметить, что в процессе откачки (см. с. 140) в стеклооболочке электровакуумного прибора возникают дополнительные напряжения, вызванные разностью между атмосферным давлением и вакуумом внутри прибора. Величина этих дополнительных напряжений практически не поддается объективному контролю и часто в процессе вакуумной обработки напряжения, появившиеся в стекле на предыдущих операциях (например, на операции «заварка»), меняют свой знак (например, напряжения сжатия, упрочнявшие поверхность стекла, переходят в напряжения растяжения, что вызывает растрескивание стекло- оболочки).
При длительном воздействии внешних нагрузок возникает так называемая «усталость» стекла и ухудшаются его прочностные характеристики. Это приводит к тому, что стеклодеталь, ранее выдержавшая однократные или даже многократные повышенные нагрузки, может разрушиться при последующих менее интенсивных нагрузках. Следует учитывать, что величина и длительность воздействия внешней нагрузки (например, повышенного внешнего давления) по характеру разрушающего действия на стекло эквивалентны: например, воздействие на стеклооболочку испытательного давления 350 кПа (3,5 атм) в течение I мин равносильно воздействию эксплуатационного давления 100 кПа в течение 80 лет. Это значит, что оболочки, подвергнутые испытанию при давлении 350 кПа, имеют на 80 лет укороченную долговечность и теряют имевшийся у них потенциальный запас механической прочности.
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О НАПРЯЖЕНИЯХ В СТЕКЛЕ
Между частицами стекла действуют силы взаимодействия, Удерживающие их в твердом теле. Эти силы имеют различные направления. Идеальное стекло обладает изотропностью, т.е. оно
имеет одинаковые свойства и одинаковые силы сцепления во всех направлениях. При этом равнодействующая сил сцепления между частицами стекла в одном направлении равна равнодействующей этих сил в других направлениях.
Напряжением в стекле в каком-либо направлении называется отношение равнодействующей сил сцепления между частицами стекла в этом направлении к суммарной поверхности взаимодействующих частиц. Таким образом, в стекле, которое на практике обычно называется ненапряженным, в действительности всегда имеются напряжения, но они равны по абсолютной величине во всех направлениях и компенсируют друг друга.
Напряженным принято называть стекло, в котором к внутренним взаимно скомпенсированным силам взаимодействия между частицами стекла добавлены нескомпенсированные силы, стремящиеся расширить или сжать его в каком-либо избирательном направлении. В напряженном стекле напряжения в различных направлениях неодинаковы и не компенсируют друг друга. Поэтому напряженное стекло является анизотропным, т. е. имеет различные свойства в разных направлениях. Эти добавочные напряжения называются напряжениями растяжения или сжатия в зависимости от их направлений. Если эти напряжения сжатия и особенно растяжения велики и превышают силы сцепления между частицами стекла, то оно разрушается (растрескивается). Таким образом, снижение механической прочности стекла и его растрескивание обусловливается не наличием напряжений в стекле, а неравномерным распределением напряжений (т. е. наличием нескомпенсированных напряжений растяжения или сжатия). Напряжения растяжения более опасны, чем сжатия (прочность стекла при сжатии 5-108 Па, а при растяжении — менее 5-105 Па). В стекле могут быть термические или коэффициентные напряжения.,
Термические напряжения возникают при нагреве или; охлаждении стекла: появление термических напряжений объясняется низкой теплопроводностью и инерционностью стекла, приводящей к градиенту температур между поверхностными и внутренними слоями стекла в процессе его нагрева и охлаждения. Термические напряжения тем выше, чем больше разность (градиент) температур между поверхностными и внутренними слоями стекла и соответственно чем толще стекло и больше скорость охлаждения.
Различают постоянные и временные термические напряжения.
Постоянные термические напряжения могут образоваться только в процессе охлаждения стекла, в период перехода его из пластичного состояния в твердое. Поэтому возникновение постоянных термических напряжений происходит только в температур- ; 138
лом интервале от температуры размягчения до температуры трансформации стекла (см. с. 128). Однако, возникнув в этом температурном интервале, постоянные напряжения сохраняются и после затвердевания всей толщи стекла и его охлаждения до комнатной температуры. Это объясняется следующими физико- химическими процессами. Разогретые поверхностные слои стекла отдают теплоту контактирующему с ними атмосферному воздуху, интенсивно охлаждаются, переходят в твердое упругое состояние и соответственно уменьшаются в объеме — при этом к моменту затвердевания внешних слоев стекла внутренние ввиду его малой теплопроводности остаются горячими и находятся в пластичном состоянии. В процессе дальнейшего охлаждения внутренние слои стремятся затвердеть, сжаться и уменьшиться в объеме, однако твердые поверхностные слои препятствуют этому, что приводит к необратимой пластической деформации и принудительному растяжению еще не затвердевших внутренних слоев стекла. Поэтому внутренние слои стекла будут удерживаться внешними в большем объеме, чем объем, который они должны занимать при комнатной температуре. После полного затвердевания всей толщи стекла его внутренние слои будут находиться под действием растягивающих усилий» а внешние — под действием сжимающих
(рис. 10.3).
Наличие постоянных напряжений может привести к растрескиванию стеклооболочки в любой момент при изготовлении, хранении и эксплуатации прибора, например, при наличии незначительных механических и термических нагрузок, при сквозняке в помещении и других факторах.
Термические временные напряжения могут возникать как при нагреве (в отличие от постоянных), так и при
а' Ь'а' Ь'с' d*с' d*a b cda b cdРис- Ю.З. Напряжение в стеклеРис- Ю.З. Напряжение в стеклеохлаждении стекла. Эти напряжения возникают только в интервале температур, при которых стекло находится в твердом состоянии, т. е. при температурах ниже температуры трансформации стек- л а.
а' Ь'
а' Ь'
с' d*
с' d*
a b cd
a b cd
Рис- Ю.З. Напряжение в стекле
Рис- Ю.З. Напряжение в стекле
Временные напряжения, в отличие от постоянных, могут привести к растрескиванию стекла только в период, пока стекло нагревается, охлаждается или действует механическая нагрузка, и не влияют на последующие операции изготовления стеклоизделия и его эксплуатацию.
Временные напряжения возникают и существуют не только при наличии разности температур, но и при наличии механической
нагрузки (например, давления внешней атмосферы при наличии вакуума в приборе).
Для уменьшения временных напряжений рекомендуется на гревать стекло с помощью инфракрасного или ультрафиолетовой) излучения, оно обладает большой проникающей способностью и практически равномерно прогревает всю толщу стекла и предотвращает возникновение градиента температуры в стекле.
Коэффициентные напряжения — остаточные напряжения, обусловленные различием ТКР свариваемых материалов (например, ТКР стекол ножки и баллона). При этом в стекле с меньшим ТКР а возникают напряжения сжатия, а в стекле с большим ТКР а — растяжения. Таким образом, в спае двух стекол в наиболее опасном напряженном состоянии (растяжения) всегда будет находиться стекло с большим температурным коэффициентом расширения. В спаях стекла с металлом напряжения зависят не только от соотношения ТКРа стекла и металла, но и от температуры размягчения стекла и пластичности металла.
напряженийнапряжений100150°С в процессе эксплуатации прибора, значительно более опасно, чем ГПЯТРЛпплъгаттттлп — *100150°С в процессе эксплуатации прибора, значительно более опасно, чем ГПЯТРЛпплъгаттттлп — *При длительном действии временных напряжений растяжения наступает «усталость» стекла (см. с. 137). Поэтому длительное действие даже сравнительно малых временных растяжения, возникающих при нагреве стекла до Т «
напряжений
напряжений
100150°С в процессе эксплуатации прибора, значительно более опасно, чем ГПЯТРЛпплъгаттттлп — *
100150°С в процессе эксплуатации прибора, значительно более опасно, чем ГПЯТРЛпплъгаттттлп — *
300 + 400°С300 + 400°Скратковременное действие больших по величине напряжений растяжения, возникающих при нагреве стекла до Т
300 + 400°С
300 + 400°С
в процессе изготовления прибора.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ СТЕКЛЯННЫХ ДЕТАЛЕЙ
ИЗ ЖИДКОЙ СТЕКЛОМАССЫ
Стеклянные детали из жидкой стекломассы изготовляются методами прессования, центробежного формования, выдувания и вытягивания при температурах, соответствующих вязкости стекла в пределах 103 — 105П.
Оптимальная температура формовки стекла зависит от его состава и марки, геометрической формы стеклодеталей и технологии формовки. Например, для стекол платинитовой группы (С93-1, С89-8) температура формования 1100— 1250°С, для более тугоплавких стекол молибденовой (049-1, 052-1) и вольфрамовой (038-1, С40-1) групп — в пределах 1300— 1400°€.
Прессованием называется процесс, в котором форма и размеры изделия определяются геометрией формующего инструмента.
Для прессования применяют ручные прессы и пресс-автоматы. | Основным рабочим инструментом прессов являются пресс-формы] (рис. 10.4), имеющие три элемента: пуансон 4, матрицу 2 и^ кольцо 3. После того как на матрицу наложено кольцо и в нее
рис. 10.4. Прессование стеклянных изделий:
0 —- загрузка стекломассы; б, в — формование и выгрузка изделий
опускаетсяопускаетсявниз ивниз и/, пуансон/, пуансонподана порция стекломассыподана порция стекломассыцидап« nvpu,**^
опускается
опускается
вниз и
вниз и
/, пуансон
/, пуансон
подана порция стекломассы
подана порция стекломассы
выдавливает стекломассу в пространство, ограниченное поверхностями матрицы, пуансона и кольца. При этом поверхность пуансона соответствует внутренней поверхности готового изделия, а поверхность матрицы — его внешней. Кольцо же формует верхний край изделия (рант). Когда изделие 5 достаточно затвердеет, его выбивают, поднимая поддон б или опрокидывая
матрицу.
В пресс-автоматах стекломасса набирается вакуумным питателем или капельным фидером из вращающейся чаши. В чаше 'поддерживается температура (1200°С), которая обеспечивает необходимую вязкость стекломассы.
Капельный фидер представляет собой неглубокий бассейн, пристроенный к печи. Дно бассейна имеет отверстие для вытекания стекломассы, обычно называемое очком. Образующаяся под очком капля отрезается специальными ножницами. Капельный фидер позволяет регулировать температуру, массу и форму капли, подаваемой в матрицу пресса. В фидере происходит частичное охлаждение стекломассы (до 1000°С) с выравниванием температуры по ее объему. От температуры в фидере зависят конфигурация капли и ее масса (поэтому отклонения от температурного режима в фидере должны быть не более ±2°С). Форма, температура и масса капли определяют качество прессованных деталей. Например, при прессовании экранов для цветных кинескопов форма капли должна соответствовать цилиндру со сферическим дном, причем желательно, чтобы капля немного сужалась на участке отреза ножницами и не была сильно •вытянутой (например, при изменении массы капли на 1 % толщина экрана изменяется на 0,2). Прессование экранов производится на 11-позиционном пневматическом пресс-автомате АПР-11М. Комплект пресс-инструмента состоит из 11 матриц и .одного пуансона, расположенного на позиции прессования, а также пяти колец, которые перемещаются на карусели вместе с матрицами (рис. 10.5). Капля жидкой стекломассы из фидера попадает в матрицу а пресс-формы, находящуюся на позиции I карусели (на матрицу надето кольцо б). На позиции И производится прессование в течение 5 — 8 с экрана г пуансоном
Рис. 10.5. Схема прессования экранов цветных кинескопов
в с усилием в несколько сотен килоньютон. Следует учитывать, что при несоблюдении оптимальной температуры капли, при затуплении ножниц, обрезающих ее, при изменении давления воздуха на пневматический привод ножниц может происходить смещение капли относительно центра матрицы — это приводит к дефектам экрана. После прессования скорость охлаждения стекла на позиции III — IV с помощью воздуха под давлением 4 кПа должна быть оптимальной. При недостаточно интенсивном охлаждении после прессования происходит деформация борта экрана (завал внутрь). Наоборот, при переохлаждении поверхности стекла (особенно в местах перехода сферы экрана в борт) происходит его коробление.
Способом прессования трудно формовать тонкостенные изделия ввиду быстрого охлаждения и растрескивания стекла, соприкасающегося с металлической формой.
При плохой подгонке бортоформующего кольца к пуансону появляется «подпрессовка» — тонкие быстро затвердевающие ножевидные выступы стекла, отформованные в зазоре между кольцом и пуансоном. При большом зазоре эти стеклянные выступы легко разрушаются при подъеме пуансона — образуется стеклянная крошка, которая прилипает к поверхности экрана и образует дефект вида «стеклянная осыпь». |
От режима охлаждения зависит точность, с которой будут! выдержаны размеры экрана, поэтому охлаждающий воздух должея|
быть кондиционированным, т.е. иметь постоянную температуру и влажность.
На позиции К с пресс-формы снимается кольцо и экран охлаждается за счет передачи теплоты матрице и в окружающую среду (позиции VI — VIII). На позиции IX происходит съем экрана с пресса, на X — охлаждение матрицы, а на XI — на матрицу . надевается кольцо и она подготавливается к приему новой капли.
Качество стеклоизделия во многом зависит от состояния поверхности формующего инструмента, от равномерности и сЯкошности контакта стекломассы и формующей оснастки. Обычно формы изготовляют из низколегированных чугунов, хромистых (ОХ28Ю5А, при поддувке сернистого газа) и хромоникелевых сталей (ЭИ929), а также из медных сплавов и нитрида алюминия. На формующую поверхность инструмента рекомендуется наносить специальные износотермостойкие гладкие покрытия.
Формующий инструмент обезжиривается с последующим оксидированием (например, в пероксиде водорода), а затем подвергается термообработке для закрепления пассивирующей оксидной пленки.
Оксидная пассивирующая пленка улучшает смачивание металлической оснастки стеклом и облегчает растекание размягченного стекла и равномерное заполнение формы.
Температура формующих поверхностей инструмента должна составлять 0,35 — 0,45 от температуры стекломассы, поступающей в форму. При недостаточной температуре формующего инструмента на стеклоизделии появляются посечки, морщины, полос- ность и другие поверхностные дефекты, а при перегреве стекло прилипает к форме, поверхность его покрывается окалиной, происходит окисление, коррозия и преждевременный износ формующего инструмента.
Литье — способ формообразования детали из жидкого стекла путем заполнения полости заданной формы и размеров с последующим затвердеванием, при этом используется сила тяжести или центробежные силы.
В машинах центробежной отливки под действием центробежных сил, возникающих при быстром вращении металлической формы с размягченным стеклом (600 — 700 об/мин), стекломасса равномерно растекается, поднимается по стенкам и после остывания образуется готовое стеклоизделие, которое повторяет конфигурацию внутренней поверхности формы.
На рис. 10.6 изображена пооперационная схема формования конусов на 8-позиционной машине центробежного формования. На позиции I капля стекла из фидера или вакуумного питателя попадает в форму, установленную на шпинделе вращающейся карусели. Матрица а закрыта сверху упорным кольцом б и ограничителем в. Такая сложная форма кольца позволяет
Рис.Рис.10.6. Схема центробежного формования конусов10.6. Схема центробежного формования конусов
Рис.
Рис.
10.6. Схема центробежного формования конусов
10.6. Схема центробежного формования конусов
формовать борт конуса заданной толщины и конфигурации. I Выталкиватель г находится в крайнем нижнем положении. На I позиции II форма вращается 2 — 3 с с частотой 600 — 700 об/мин, ' жидкое стекло под действием центробежных сил поднимается по стенкам формы, заполняет полость между упорным кольцом и формой — при этом образуется стеклянный конус е. Перед началом быстрого вращения в форму опускается раскатник ж, I который формует внутреннюю параболическую часть конуса и I обеспечивает равномерность толщины стенок конуса. На позиции I III происходит снятие упорного кольца. На позициях IV и V происходит интенсивное охлаждение формы сжатым воздухом. На позиции VI выталкиватель приподнимает конус над матрицей и съемник переносит конус на машину вварки анодного ввода. На позициях VII и VIII происходит охлаждение форм и подготовка их к приему кольца.
Выдувание — способ формообразования, при котором стек- лоизделие приобретает требуемую форму за счет раздувания вязкотекучей стекломассы и прижатия ее к поверхности сжатым воздухом высокого давления. Выдуванием обычно изготовляют I тонкостенные стеклодетали.J
Автоматическое выдувание обычно производится на колбовы- ■ дувном автомате ВК-24, представляющем собой вращающуюся ■ карусель с 24 выдувными трубками и вращающимися формами ■ — позициями.■
Всасывающая головка вакуумного питателя 4 (рис. 10.7, а) под действием вакуума отбирает каплю стекла из стекловаренной печи 5. Излишек стекломассы обрезается ножом, и капле стекла придается вид «баночки», служащей заготовкой (пулькой) для последующего выдувания колбы. Затем салазки вакуумного питателя перемещаются по наклонной направляющей к центру карусели 1 колбовыдувной машины 2, смонтированной на основании 3. При этом всасывающая головка с набранной стекломассой-баночкой устанавливается над мундштуком — фор- ^й одной из позиций автомата (позиция V на рис. 10.7, б). Воздушно-вакуумный клапан открывает доступ сжатого воздуха высокого давления в наборную головку. Сжатый воздух выталкивает заготовку-баночку из наборно-всасывающей головки, и она попадает в мундштук-форму. Поддув воздуха в мундштуки и вращение мундштуков и карусели 1 способствуют формованию изделия из стекломассы и приданию ей требуемой формы. В последнее время форму рекомендуется подвергать вибрации для равномерного распределения стекломассы при выдувании колбы.
Рассмотрим наиболее часто встречающиеся дефекты выдувных колб и причины их возникновения.
Короткие колбы (утонение стенок шаровой части и купола) — дефект вызывается завышенной частотой вращения автомата или слишком высоким положением капли стекломассы в момент закрывания формы.
Сдвиг центра колбы (неравномерная толщина купола колбы) происходит при неполном наборе стекломассы всасывающей головкой автомата.
Кольцеватость (наличие концентрических колец на наружной поверхности колбы) наблюдается при излишне высоком вакууме во всасывающих головках, слишком высоком давлении сжатого воздуха при выдувании в закрытой форме; при изношенности формы и нарушении на ней лакового покрытия.
Трещины в шаре колбы образуются при переохлаждении форм из-за чрезмерного обдува воздухом, контакта горячих колб с непрогретой лентой конвейера.
Темное чернение (темные круговые черточки на наружной поверхности) образуется при плохой лакировке формы и неравномерной толщине лакового покрытия.
Для выдувания колб используются также автоматы, в которых в виде заготовки для выдувания применяется непрерывная лента из стекломассы, получаемая путем прокатки валками расплавленного стекла, вытекающего из печи.
Вытягивание — процесс обработки, при котором изделие непрерывно вытягивается из расплавленной стекломассы. Методом вытягивания изготовляют стеклянные трубки (дротовое стекло) и
штабики (сплошные стеклянные стержни). Стеклянные трубки применяют в основном для изготовления горловин ЭЛТ, колб дамп, ножек приборов; из штабиков обычно делают изоляторы, гребешковые ножки, остекловывают металлические вводы.
На рис. 10.8 показана машина для горизонтального вытягивания трубок (ГВТ), которая имеет вращающийся мундштук 1, роликовый конвейер 2, механизм вытягивания и обрезки 3. Стекломасса, имеющая требуемую вязкость, непрерывной струей стекает на вращающийся наклонный керамический мундштук 1 9 обволакивает его. Мундштук насажен на металлическую трубку, через отверстие которой поддувается воздух. Это препятствует слипанию стенок стягиваемого с мундштука стеклянного конуса и способствует его формованию в стеклянную трубку, движущуюся по конвейеру к механизму вытягивания и обрезки.
Диаметр и толщина стенки трубки зависят от температуры, вязкости, количества подаваемой стекломассы, скорости вытягивания, давления воздуха, проходящего через полый мундштук, угла наклона и частоты вращения.
Дефекты стеклянных трубок следующие:
овальность вызывается слишком высокой температурой стекломассы при вытягивании;
конусность является результатом неравномерной скорости тянульной машины, колебания давления поддуваемого воздуха или температуры стекломассы;
разностенность образуется вследствие вибрации вала мундштука, колебания давления или температуры стекломассы;
кривизна трубки появляется при неправильном расположении роликового конвейера по отношению к мундштуку;
трещины на стеклянной трубке образуются от соприкосновения горячего стекла с холодным металлом роликов конвейера; быстрого охлаждения стеклянной трубки (сквозняки) или попадания воды на горячее стекло.
Рис. 10.8. Схема машины для горизонтального вытягивания трубок (ГВТ)
Экструзия — выдавливание через отверстие под большим давлением размягченной стекломассы, заключенной в замкнутом объеме. Экструзией изготовляют стержни и трубки. Эта операция особенно эффективна для «коротких» стекол, стекол с повышенной склонностью к кристаллизации, а также стекол с высокой температурой размягчения. '
§ 10.8. РЕЗКА И КАЛИБРОВКА СТЕКЛЯННЫХ ДЕТАЛЕЙ
В электровакуумном производстве применяются следующие разновидности методов резки стекла: механическая, термическая, термомеханическая, ультразвуковая, лазерная (табл. 10.1).
Способ резки
Схема резки
Характерные особенности
Горячая и огневая: а) огневая
Резка производится острым пламенем горелки до расплавления стекла. Отрезанное изделие отделяется под тяжестью собственного веса. Такой способ применяют при резке на карусельных машинах (производительность до 1000 шт/ч) и в индивидуальном производстве. Качество отрезки невысокое, так как имеет место деформация места резки
б)горячая
I
1
1
г
ГП
1
Место резки доводится пламенем до пластического состояния (а), после чего стекло перерезается дисковыми ножами (б)
1
1
1
а)
0 V б)
в) огневая с использованием остаточных напряжений
При этом способе используют не только пламя горелок, но и остаточные напряжения в детали. Такой механизм резки применяют, например, в комплексе с автоматом типа ВК-24 (3600 шт/ч) для отрезки колпачков (набелей) у заготовок колб
Таблица 10.1
Способ резки
Термомеханичес кая: а) с использованием остаточных напряжений и при наличии ца- рапины
б) с использо- |ванием напряжений разогрева
в) с использованием временных напряжений от щелевых газокислородных, горелок
г) с использованием временных напряжений (круговая царапина и нагрев)
Механическая: а) дисковым : I жом из быстрорежущей стали
Продолжение табл. 10.1
Схема резки
fai+Ch
'2
происходит скол трубки
Царапина наносится на труб-1 ку в холодном состоянии, за-' тем производится интенсивный местный нагрев, приводящий к сколу
Высокопроизводительный способ для резки трубок. Де-
Характерные особенности •
Бурт колбы соприкасается с чугунным конусом при повороте колбы, образуя царапину. Напряжение, возникающее при нагреве, при наличии царапины приводит к сколу
Трубка нагревается от нихромовой проволоки, а последующее резкое охлаждение (водой) дает кольцевую трещину на трубке. Легким ударом производится скол
Короткое узкое пламя горелок создает интенсивный местный нагрев. Затем деталь проходит мимо охлажденного ножа, обеспечивающего термоудар и образование ца- оапины, после чего
Нг0
4-6 тыс. о6/мин\
тали от руки накатываются на нож, образуя глубокую кольцевую царапину.
Происходит нагрев трением, появляются трещины и сколы. Длина резки регулируется упором
J Способ резки б) шлифовальным кругомIJ Способ резки б) шлифовальным кругомIСхема резкиХарактерные особенности11JUКруг выполнен на вулканитовой или бакелитовой связке толщиной 0,5 — 1 мм. Данный способ применяют в тех случаях, когда необходима особо высокая точность и качество среза. Срез получается ровным, без сколаСхема резкиХарактерные особенности11JUКруг выполнен на вулканитовой или бакелитовой связке толщиной 0,5 — 1 мм. Данный способ применяют в тех случаях, когда необходима особо высокая точность и качество среза. Срез получается ровным, без сколав) ультразвуковая резкав) ультразвуковая резка
J Способ резки б) шлифовальным кругомI
J Способ резки б) шлифовальным кругомI
Схема резки
Характерные особенности
11
JU
Круг выполнен на вулканитовой или бакелитовой связке толщиной 0,5 — 1 мм. Данный способ применяют в тех случаях, когда необходима особо высокая точность и качество среза. Срез получается ровным, без скола
Схема резки
Характерные особенности
11
JU
Круг выполнен на вулканитовой или бакелитовой связке толщиной 0,5 — 1 мм. Данный способ применяют в тех случаях, когда необходима особо высокая точность и качество среза. Срез получается ровным, без скола
в) ультразвуковая резка
в) ультразвуковая резка
Дает высокую точность и чистоту. Для резки используют систему, состоящую из магнитостриктора 2 (с генератором 7), концентратора 3, инструмента 4. Генератор и (магнитостриктор необходимы для преобразования электрических колебаний ультразвуковых частот в колебаниямеханические
(см.§ 7.4).Наибольшая
амплитуда на конце инструмента 100 мкм. Давление инструмента 200 — 400 кПа. В зону резки к инструменту подается абразивная суспензия 5 (карбид хрома, алунд, карборунд). Частички абразива приобретают большие ускорения и с силой ударяют в изделие б и инструмент. Происходит разрушение материала по кромке разреза!
После резки дисковым ножом торцы стеклозаготовок оплавляются обычно на машинах барабанного типа.
Во многих случаях производится отбортовка торцов трубок и колб — путем пластической деформации разогретого стекла с помощью металлического конуса или штифа, образующая которого j при вращении и соответствующем угле наклона дает требуемый j угол и форму отбортовки изделия.j
Нарезанные трубки могут служить исходными заготовками для j изготовления колб осветительных, пальчиковых и сверхминиатюр- ных ламп. Для этого применяются так называемые ампульные j автоматы, представляющие собой 8 — 12-позиционный конвейер, j на который кладут обрезанные заготовки стеклянных трубок строго j определенной длины (рис. 10.9). Продвигаясь по конвейеру и
одновременно вращаясь, трубки с торцов оплавляются газовыми горелками (поз. I — III) и медленно, точно по середине нагреваются до размягчения (поз. IV — VI). После прогрева до температуры размягчения трубки разрезаются горелкой — огневым ножом на две равные части (поз. VII — VIII). Горелки представляют собой веер из нескольких газовых факелов, расположенных перпендикулярно оси вращения трубки. Размягченное стекло при этом закатывается, образуя купол на каждой половине трубки, который затем окончательно формуется на плечиках формующего ролика, находящегося за огневым ножом (поз. IX, X). После формующего ролика баллоны идут по конвейерной плите на браковку и отжиг. Однако изготовленные таким образом баллоны не имеют точных геометрических размеров, поэтому их подвергают горячей калибровке по внутреннему диаметру.
Операция калибровки служит для уменьшения разброса в геометрических размерах стеклозаготовок. Обычно калибруют внутренний диаметр или толщину стенок стеклозаготовок. При калибровке внутренних поверхностей полую заготовку разогревают до пластического состояния и под действием поверхностного натяжения или внешних сил она прижимается к оправке.
Вакуумная калибровка дает возможность получать оболочки с точными внутренними поверхностями. В сочетании с перетяжкой она рекомендуется для устранения воздушных капилляров в Стенках горловин высоковольтных кинескопов.
На точность калибровки влияют материал, форма и состояние поверхности оправки, свойства стекла, технологические режимы, особенно отжиг калиброванных изделий.
На рис. 10.10 показана схема вакуумной калибровки. Металлическую оправку 1 с заданными профилем сечения и точными размерами наружной поверхности помещают с относительно большим зазором в калибруемую стеклянную заготовку 2. В полости между стеклянной заготовкой и оправкой создают вакуум
К ВакуумуК ВакуумуРис. 10.10. Схема вакуумной калибровкиРис. 10.10. Схема вакуумной калибровкипорядка 1 Па. При этом стеклянную заготовку, которая имеет разброс по внутреннему диаметру до 2 — 3 мм, разогревают до пластического состояния (с помощью «мягкого» 4 и «жесткого» 5 пламени). Непосредственно в зоне острого пламени 3 происходит осадка стекла, и оно прижимается к оправке.
К Вакууму
К Вакууму
Рис. 10.10. Схема вакуумной калибровки
Рис. 10.10. Схема вакуумной калибровки
Вакуум обеспечивает плотное прижатие размягченного стекла к оправке (под действием внешнего атмосферного давления на стекло) и предохраняет поверхность
оправки от окисления, постепенного выгорания и изменения размеров. Поэтому калиброванные в вакууме изделия имеют разброс по внутреннему диаметру не более 20 — 30 мкм, что на два порядка меньше, чем у некалиброванных заготовок. Однако, имея малый разброс по внутреннему диаметру, калиброванные стеклянные трубки могут иметь значительный разброс по внешнему диаметру и толщине стенок, что обусловливается большими допусками на диаметр и толщину стеклянных заготовок.
В момент прикосновения стекла к оправке необходимо, чтобы температура поверхности оправки была близка к температуре стекла. Слишком низкая температура оправки приводит к, преждевременному охлаждению стекла до окончания процесса его' формования и к образованию складок на стекле, а слишком] высокая — может вызвать прилипание к ней стекла.|
Оправки должны быть изготовлены из жаростойких и ус- ] тойчивых к коррозии материалов (это предотвращает изменение их геометрической формы и появление брака вида «окалина в стекле»); иметь высокий температурный коэффициент расширения, превышающий температурный коэффициент расширения стекла (в этом случае при охлаждении между оправкой и изделием появляется зазор, позволяющий извлечь оправку из заготовки); плохо смачиваться размягченным стеклом (это предотвращает прилипание стекла к материалу оправки).
В качестве материалов для оправок при вакуумной калибровке обычно служат хромоникелевые нержавеющие стали, например 1Х18Н9Т, сплав инконель, никельтитановые сплавы, вольфрам, графит, сталь Х25Н20С2, которые отличаются высокой стойкостью
к окислению при нагреве в воздушной атмосфере, содержащей продукты сгорания газа и серу. В последнее время начали применять сплавы, содержащие алюминий, так как его наличие уменьшает вероятность прилипания стекла к оправке.
§ 10.9. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БАЛЛОНОВ ЦВЕТНЫХ КИНЕСКОПОВ
Баллон цветного кинескопа состоит из экрана, конуса, цилиндрической горловины и ножки.
Экран условно можно разделить на три участка, имеющих разную геометрическую форму (рис. 10.11):
рабочую часть 7, на которой формируется изображение — поверхность рабочей части представляет собой фрагмент сферы Яйи плоскости;
борт 2, по торцу которого экран соединяется с конусом, — борта защищают экран от перегрева при сварке экрана с конусом, а также служат для крепления рамомасочного узла; поверхность борта образована плавным сопряжением восьми линейчатых поверхностей, каждая из которых состоит из одного — трех конических поясов;
участок перехода от рабочей части экрана к борту 3 образуется трубчатой поверхностью, имеющей постоянный радиус и в качестве оси пространственную кривую.
Внешние поверхности прессованных экранов после термообработки подвергаются шлифовке и полировке.
В пределах рабочей части внутренняя поверхность экрана должна иметь мелкую матировку: увеличение шероховатости поверхности экрана улучшает сцепление люминофора со стеклом,
но ухудшает растекание люминофорной суспензии по поверхности экрана и ухудшает светотехнические и оптические характеристики экрана.
Степень матировки и шероховатости экрана зависит от структуры и технологии обработки поверхности пуансона.
Рис. 10.11. Каркасное представление поверхности баллонаРис. 10.11. Каркасное представление поверхности баллонаКонус является наиболее сложной по конфигурации частью баллона. Он представляет собой каркасную поверхность, поперечные сечения которой постепенно изменяют свою форму от почти прямоугольной (со стороны экрана) до круглой на осесимметричном участке перехода к цилиндрической горловине. Направляющими каркасной поверхности, задающими закон перехода между поперечными сечениями, являются обводы большого £)в, малого 7)н и диагональ-
Рис. 10.11. Каркасное представление поверхности баллона
Рис. 10.11. Каркасное представление поверхности баллона
ного £>д меридиональных сечений конуса (см. рис. 10.11). Каждое из поперечных сечений представляется сопряжением восьми дуг трех разных радиусов, что облегчает проектирование и изготовление стеклоформующего инструмента. Наиболее перспективным способом обеспечения точности и воспроизводимости размеров при изготовлении стеклоформующей оснастки является применение станков с ЧПУ. Например, фрезерная обработка рабочих поверхностей матрицы и пуансона, используемых при прессовании конусов, осуществляется «по строкам»: траектория фрезы представляет собой набор плоских замкнутых кривых (строк), являющихся эквидистантами к обводам соответствующих поперечных сечений обрабатываемой поверхности.
Профиль внутренней поверхности конуса определяется:
траекторией движения предельно отклоненного луча — не допускается «срезание» электронного луча боковыми стенками;
оптимальной конфигурацией электрического поля.
Наружная поверхность конуса в зоне расположения магнитных отклоняющих систем должна иметь профиль, соответствующий внутреннему профилю стандартизованной отклоняющей системы. Толщина стенок конуса в зоне расположения отклоняющей системы (ОС) должна быть оптимальной: уменьшение толщины стенок позволяет снизить мощность, затрачиваемую на отклонение электронного луча; однако уменьшение толщины стенок сопровождается снижением механической и термической прочности, особенно при интенсивном тепловыделении отклоняющих систем и неоптимальном зазоре между стеклом и ОС, не обеспечивающем циркуляцию охлаждающего воздуха.
Практическое отклонение толщины стенок от номинальной расчетной величины зависит от точности соблюдения зазора между рабочими поверхностями матрицы и пуансона, а также от усадки стекла при прессовании: зазор должен в точности равняться сумме номинальных значений толщины и усадки стекла.
Горловина — цилиндрическая часть баллона, в которой размещается ЭОС.
Внутренний диаметр горловины определяет сопряжение с внутренней арматурой прибора через центрирующие и контактные пружины и соответственно резонансную частоту ЭОС, устойчивость к действию механических нагрузок и др. Кроме того, внутренний диаметр горловины, на поверхность которой нанесены электропроводящие покрытия, влияет на расположение и интенсивность силовых линий электрического поля, управляющего 5 электронным лучом.
Надежным способом стабилизации внутренних размеров цилиндров является вакуумная калибровка, обеспечивающая разброс по внутреннему диаметру не более 0,1 —0,2.
Для определения запаса механической прочности баллона строятся эпюры напряжений в основных сечениях баллона.
С точки зрения термопрочности наиболее опасны три зоны баллона (см. рис. 10.11): область максимальной толщины стекла, которая совпадает с зоной перехода от экрана к борту; зоны вварки фиксаторов в цветных ЭЛТ; зона ситал- лЬцементного шва.
На рис. 10.12 приведена типичная температурная кривая откачки и график соответствующих ей термонапряжений. Как видно из рисунка, нагрев баллона можно осуществлять значительно быстрее, чем охлаждение: это связано с тем, что при нагреве растягивающие напряжения
Рис. 10.12. Температурная кривая откачки и термонапряжения на внутренней (1) и внешней (2) поверхностях баллонаРис. 10.12. Температурная кривая откачки и термонапряжения на внутренней (1) и внешней (2) поверхностях баллонавозникают на внутренней поверхности стекла (где нет поверхновозникают на внутренней поверхности стекла (где нет поверхностных дефектов и напряжения менее опасны), а при охлаждении — на внешней. При этом чем больше размер зоны действия растягивающих напряжений — масштабный фактор — и больше плотность поверхностных дефектов, тем больше вероятность разрушения баллона.
Рис. 10.12. Температурная кривая откачки и термонапряжения на внутренней (1) и внешней (2) поверхностях баллона
Рис. 10.12. Температурная кривая откачки и термонапряжения на внутренней (1) и внешней (2) поверхностях баллона
возникают на внутренней поверхности стекла (где нет поверхно
возникают на внутренней поверхности стекла (где нет поверхно
ГЛАВА 11. ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ СТЕКЛОВОЛОКОННЫХ ДЕТАЛЕЙ
§ ИЛ. ПРИМЕНЕНИЕ И ПРИНЦИП РАБОТЫ
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПЛАСТИН
Волоконно-оптические пластины (ВОП) применяются в электронно-лучевых трубках и электронно-оптических преобразователях в качестве световодов:
экранов, на внутреннюю поверхность которых, обращенную к вакууму, наносится люминесцентный слой (в этом случае передача оптического изображения производится по схеме: люминофор — ВОП — глаз;
окон, на поверхность которых, обращенную к вакууму, наносится фотокатод (в этом случае используется система
превращения видимого или инфракрасного изображения в электронное изображение: объектив — ВОП — фотокатод).
С помощью ВОП, используемых в качестве подложек под экран, оптическое изображение без геометрических искажений и потери яркости переносится с внутренней стороны люминесцентного экрана на внешнюю, обращенную к наблюдателю или регистрирующему прибору. ВОП можно считать пластиной нулевой оптической толщины. Например, при фотографировании изображения люминесцентного экрана, нанесенного на обычное стекло, практически только 1 —2% светового излучения достигают фотопленки, а остальная часть полезного светового сигнала превращается в паразитные сигналы, ухудшая контрастность и разрешающую способность изображения. Это связано с тем, что вокруг каждой светящейся точки люминофора образуются ореолы, вызванные наличием многократных отражений лучей в толще экранного стекла.
Применение экранов из ВОП (рис. 11.1) позволяет в 35 — 40 раз повысить коэффициент полезного использования свечения люминофора, увеличить яркость изображения и скорость фото- записи информации (скорость развертки луча), снизить напряжение ускоряющего электрода и требуемую величину рабочего тока луча, уменьшить «паразитное» свечение и рентгеновское излучение, ослабить выгорание люминофора в процессе эксплуатации ЭЛТ. Кроме того, ликвидируется параллакс изображения, повышается контрастность и разрешающая способность (экран обычного кинескопа имеет 25 000 элементов телевизионного изображения; стекловолоконный — несколько миллионов элемен-
а)б)а)б)
а)б)
а)б)
Рис. 11.1. Схемы приборов с волоконно-оптическими дисками и микроканальными пластинами:
а— схема электронно-оптического преобразователя; б — схема электроннолучевой трубки; 1— волоконно-оптическая пластина на входе ЭОП; 2— фотокатод; 3— микроканальная пластина; 4— люминофор; 5— волоконно-оптическая пластина на выходе ЭОП или ЭЛТ; 6— электронный луч
тов). Кроме того, волоконно-оптические пластины на входе и выходе электронно-оптического преобразователя ООП) позволяют соединять их каскадами — в этом случае они используются как преобразователи кривизны поверхности изображения. Это обеспечивает согласование плоского изображения на экране предыдущего ЭОП со сферической формой фотокатода, нанесенного на ВОП последующего.
Волоконно-оптический диск состоит из многих миллионов параллельных регулярно расположенных стекловолокон, образу- ющих между собой вакуумноплотное соединение. Волоконные диски осуществляют точечную передачу изображения, т.е. каждое отдельное волокно передает изображение только одного мельчайшего элемента (5 — 15 мкм) наблюдаемой картины. Поэтому чем больше волокон приходится на единицу площади сечения, тем выше точность передачи изображения на выходном торце ВОП.
Каждое отдельное волокно представляет собой стержень из стекла с относительно большим коэффициентом преломления («1,8-2,0) светового луча, находящийся внутри светоизолирующей оболочки из стекла с меньшим коэффициентом преломления (» 1,2 - 1,4). Светоизолирующая оболочка препятствует утечкам света из одного волокна в другие (а также в . промежутки между волокнами) и защищает полированную I отражающую поверхность стержня-световода от внешних механических воздействий.
Отдельное волокно обычно называется световой жилой, поэтому волоконно-оптический диск (ВОД) называется еще многожильным световодом или жгутом. Торцы многожильных световодов тщательно полируют.
Передача световой энергии через стекловолокно основана на принципе полного внутреннего отражения световых лучей. Луч света от источника попадает на входную отполированную поверхность торца световода, проходит через всю его длину, многократно отражаясь от границы стержень — оболочка, и выходит через выходной торец световода без потерь энергии. Полное внутреннее отражение происходит только в том случае, когда луч попадает на торец стекловолокна под углом1, меньшим некоторого критического угла а о (рис. 11.2), называемого апертурным. Апертурный угол зависит только от соотношения коэффициентов преломления стержня пет и оболочки поб стекловолокна: чем больше различие в пег и «об, тем больше критический апертурный угол ао и тем более широкий пучок лучей может входить в стекловолокно и без потерь энергии выходить из противоположного торца. Если луч падает на входной торец
Имеется в виду угол между направлением луча и осью стекловолокна.
7 2 J Рис. И-2. Схема отдельного волок- на стекловолоконного диска:
оболочка стекловолокна, изготовленная из стекла с коэффициентом преломления света поб; 2—стержень (сердцевина) стекловолокна, изготовленный из стекла с коэффициентом преломления света ист; 3— траектория светового луча в стекловолокне («ст > лоб); 4— лучи света от источника;
Ct—угол падения луча; Cto— максимальный апертурный угол; Ctl—угол между линией раздела стержень-оболочка и направлением луча
волокна под углом a i (меньшим апертурного угла а о>, то в идеальном случае он выйдет из стекловолокна под тем же углом а Ь
Луч, падающий на торец стекловолокна под углом, который больше апертурного, преломляется и частично выходит из канала стержня в оболочку и в промежутки между волокнами. Следовательно, этот луч не достигнет выходного торца волокна, не будет участвовать в создании полезного сигнала и создаст «паразитное» свечение, ухудшающее качество изображения.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДИСКОВ
Основные параметры ВОД: номинальная числовая апертура, светопропускание (или коэффициент пропускаемое™), разрешающая способность, частотно-контрастная характеристика, шумы.
Номинальная числовая апертура Ло определяется из следующего выражения:
Ло = /п2 ст ~ п2 об = sin cto .
Номинальная числовая апертура Ло и соответствующий ей апертурный угол go определяют раствор конуса на входе в > световод, внутри которого лежат лучи, выходящие из стекловолокна без потерь.
Каждому значению числовой апертуры соответствует опреде- 1 ленный апертурный, т. е. максимальный угол падения лучей, Я которые можно передавать через это волокно. Например, волокна, Я у которых стержень и оболочка имеют разницу коэффициентов У преломления (Ло =— п^), равную 0,19, обладают апер- |
турным углом 31,8°; если Ло = 0,438, то апертурный угол равен а 52°, при Ло = 0,652 4-81,4°; при Ло = 0,866 4-120°.
Светопропускание световодов определяется тем, какая : часть светового потока, падающего на входной торец, выходит из выходного торца ВОД.
Световая проницаемость (или коэффициент пропускания т) световода равна 1, если происходит полное внутреннее отражение лучей от поверхности раздела стержень — оболочка.■
Потери энергии в световоде происходят из-за частичного отражения света от торцевой поверхности стекловолокна — при наклонном падении лучей; частичного поглощения и рассеивания света в промежутках между отдельными волокнами или в самом стеклянном стержне (при наличии в стекле следов загрязнений); дефектов поверхностей соприкосновения стержня и оболочки (в частности, неровностей), образовавшихся при изготовлении стекловолокна. Эти потери могут составлять до 40%.
Потери световой энергии в стекловолокне прямо тфопорциональны длине волокна, тангенсу угла наклона лучей к оси световода и обратно пропорциональны его диаметру.
Оптимальная толщина оболочек стекловолокон не должна превышать 5 — 20 % от диаметра стержня световода и обычно равна 0,8 — 1,2 мкм, так как лучи, падающие на входные торцы светоизолирующих оболочек, являются «паразитными», снижающими светопропускаемость волокон и контрастность изображения.
Светопропускание волокна зависит также от длины волны излучения, поэтому ВОД могут применяться для выделения лучей определенной длины (например, стекловолкна прозрачны для ультрафиолетовой части спектра).
Разрешающая способность ВОД зависит от диаметра отдельных волокон и регулярности их расположения относительно друг друга. Таким образом, разрешающая способность тем выше, чем меньше расстояние D между центрами волокон. Практически разрешающая способность N = ^ пар линий/мм.
Хотя уменьшение диаметра волокон положительно сказывается на разрешающей способности экрана, однако одновременно снижается проницаемость световода за счет рассеивания светового потока, повышается хрупкость и увеличивается разброс размеров входного и выходного торцов волокон.
Частотно - к онтрастна я характеристика (ЧКХ) волоконного диска характеризует пространственное распределение информации и отражает зависимость контраста «с» передаваемого изображения от пространственной частоты v тест- объекта (рис. 11.3). Она определяется микрофотографированием изображения периодического тест-объекта, переданного через исследуемый волоконный элемент.
По частотно-контрастной характеристике можно определить пороговый контраст. С увеличением пространственной частоты (т. е. количества различимых линий на длине в 1 мм) контраст снижается.
Для сохранения высокого контраста передаваемого изображения показатель преломления стекла стержня должен быть
Рис. 11.3. Частотно-контрастная характеристика системы МКП — экранРис. 11.3. Частотно-контрастная характеристика системы МКП — экранзначительно больше показателя преломления стекла оболочки и соответственно апертура А о >0,8 должна быть высокой.
Рис. 11.3. Частотно-контрастная характеристика системы МКП — экран
Рис. 11.3. Частотно-контрастная характеристика системы МКП — экран
Контраст улучшается также с увеличением толщины волоконно- оптического диска, однако снижается его светопроницаемость.
Гексагональный массив волокон или каналов представляет собой периодическую структуру с шагом Н (рис. 11.4), который зависит от выбора направления и
центрамицентрамипространственная частота.пространственная частота., — ~ до Нъ- = Л/2, где h — расстояние между волокон. Граничная г™™ «„.и.а, которую способна передать такая структура, определяется из соотношения:
центрами
центрами
пространственная частота.
пространственная частота.
vnip ■ 1/(2Я).
Поэтому для гексагональной структуры ВОП основной высокочастотный «муаровый» предел различимых пространственных частот составляет в зависимости от ориентации наблюдения 1/V37T или 1/Л. Для больших частот изображение прямых линий становится извилистым и прерывистым, линии могут изменять свое истинное направление, можно наблюдать даже изменение знака контраста. В результате картина изображения, оставаясь в отдельных частях достаточно контрастной, в других теряет сходство с исходным объектом. Поэтому «муаровые» пределы ограничивают разрешающую способность ВОП, а также микроканальных пластин МКП.
Под шумами волоконных деталей принято
Рис. 11.4. Гексагональный массив волокон (каналов) и зависимость шага массива от выбора направленияРис. 11.4. Гексагональный массив волокон (каналов) и зависимость шага массива от выбора направленияпонимать неравномерность пропускания света в различных стекловолокнах, составляющих . ВОД. Наличие шумов приводит к неравномерности распределения яркости и искажению изображения. Причинами . наличия шумов могут I быть:■
Рис. 11.4. Гексагональный массив волокон (каналов) и зависимость шага массива от выбора направления
Рис. 11.4. Гексагональный массив волокон (каналов) и зависимость шага массива от выбора направления
разброс в диаметрах ■ стержней-световодов по I сечению ВОД;Т
разброс размеров оболочек волокон по сечению ВОД;
обрывы отдельных световодов (это приводит к пиковым выбросам светопропускания);
наличие закрученных световодов (при этом элемент изображения, поданный на входной торец световода, оказывается перевернутым на некоторый угол на выходном торце) — в результате уменьшается разрешающая способность и возникают геометрические искажения;
п наличие деформированных волокон, имеющих форму, отличную от шестигранника;
наличие темных световодов или частично не пропускающих свет, что приводит к потере данного элемента изображения и соответственно уменьшению объема передаваемой информации.
ПРИНЦИП РАБОТЫ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
МИКРОКАНАЛЬНЫХ ПЛАСТИН
Микроканальные пластины (МКП) применяются в фотоэлектронных умножителях и электронно-оптических преобразователях для усиления электронного потока, испускаемого с катода, т. е.
усиления токовых сигналов.
Микроканальные пластины представляют собой сотовые структуры, состоящие из сотен тысяч параллельно уложенных стек-
лянныхв МКПлянныхв МКПN =N =2 • 108V3" л22 • 108V3" л2каналов диаметром 5 — 40 мкм (рис. 11.5). Число каналов площадью 1 см2 подсчитывается из выражения:
лянныхв МКП
лянныхв МКП
N =
N =
2 • 108
V3" л2
2 • 108
V3" л2
Например, при расстоянии между центрами каналов Л = =12 мкм МКП диаметром 30 мм содержит 5,7 млн. каналов. Микроканальные пластины отличаются от волоконно-оптических дисков тем, что у них по всему сечению удалены световедущие жилы — стержни и на их месте образованы полые каналы.
Каждый канал в МКП имеет вид цилиндрической трубочки (рис. 11.6), для характеристики которой служит конструктивный параметр — «калибр». Калибр К равен отношению длины канала I к его внутреннему диаметру d:
К = I Id.
Толщина стеклянной трубки (т. е. перегородки между каналами) 2 — 5 мкм.
Каждый канал является самостоятельным усилителем тока и работает независимо от других, входящих в микроканальные пластины. На их торцевые поверхности нанесены электропрово-
Рис. 11.5. Схематическое изображение устройства МКП:Рис. 11.5. Схематическое изображение устройства МКП:3 43 4Рис. И .6. Схема отдельного канала микроканальной пластины:Рис. И .6. Схема отдельного канала микроканальной пластины:1— стеклянная пластина; 2—каналы; 3 ннзкоомный металлический слой1— стеклянная пластина; 2—каналы; 3 ннзкоомный металлический слой1— первичный электрон; 2— входной торец канала; 3— вторичные электроны; 4— трубка канала; 5—выходной торец канала; 6—электрические контакты, к которым прикладывается напряжение1— первичный электрон; 2— входной торец канала; 3— вторичные электроны; 4— трубка канала; 5—выходной торец канала; 6—электрические контакты, к которым прикладывается напряжение
Рис. 11.5. Схематическое изображение устройства МКП:
Рис. 11.5. Схематическое изображение устройства МКП:
3 4
3 4
Рис. И .6. Схема отдельного канала микроканальной пластины:
Рис. И .6. Схема отдельного канала микроканальной пластины:
1— стеклянная пластина; 2—каналы; 3 ннзкоомный металлический слой
1— стеклянная пластина; 2—каналы; 3 ннзкоомный металлический слой
1— первичный электрон; 2— входной торец канала; 3— вторичные электроны; 4— трубка канала; 5—выходной торец канала; 6—электрические контакты, к которым прикладывается напряжение
1— первичный электрон; 2— входной торец канала; 3— вторичные электроны; 4— трубка канала; 5—выходной торец канала; 6—электрические контакты, к которым прикладывается напряжение
дяодие покрытия, служащие электродами, через которые к каналам подводится напряжение от источника питания. Таким образом, между входным и выходным отверстиями каналов возникает разность потенциалов. Внутренняя поверхность всех каналов должна иметь большое электрическое сопротивление (108 — 1012 Оммм)1 и высокий коэффициент вторичной эмиссии (=2,8 •*• 3,5).
В фотоэлектронных приборах электроны, испускаемые катодом, попадают внутрь канала, ударяются о его стенки и вызывают - вторичную эмиссию электронов. В свою очередь, вторичные электроны, двигаясь под действием электрического поля вдоль канала, многократно ударяются о его стенки и совершают новые акты вторичной эмиссии. Это приводит к тому, что количество электронов вдоль канала прогрессивно увеличивается и ток на выходе из канала во много раз превышает ток на его входе. Для эффективного усиления тока под действием вторичной эмиссии необходимо, чтобы отношение длины канала (т. е. толщины МКП) к внутреннему диаметру канала было не менее 50 — 100. Коэффициент усиления по току в канале микроканальной пластины может достигать =105. Он повышается с увеличением коэффициента вторичной эмиссии (КВЭ) стекла канала, его калибра, а также с повышением разности потенциалов, приложенных к МКП.
Ввиду несовершенства технологии диаметры отдельных каналов отличаются друг от друга — это приводит к различию усиления между отдельными каналами и появлению структурного шума. .
При увеличении коэффициента усиления по току более 1(Г в микроканальной пластине с прямолинейными каналами может
Иногда внутренняя поверхность покрыта полупроводниковым слоем.
возникать обратная электрическая связь между ее входными и выходными участками, в результате прибор перестанет работать стабильно, в частности уменьшается отношение полезного сигнала к шуму и наступает насыщение по току.
В сигнале, переносимом электронами, всегда имеется флуктуационный шум: относительная величина флуктуаций в сигнале, состоящем из Не электронов, составляет не менее Vne-
Появление шума, связанного непосредственно с МКП, обус- дрвлено следующими основными факторами:
не все электроны, падающие на МКП, вызывают появление на ее выходе ответных импульсов — например, электроны, ударившие по перегородкам между каналами, не участвуют в процессах умножения в каналах (вероятность этого процесса тем больше, чем меньше коэффициент заполнения МКП каналами);
импульсы, возникающие на выходе МКП, при входе в его каналы единичных электронов не одинаковы по амплитуде (числу электронов), т. е. имеют разную эффективность детектирования;
в МКП процесс умножения электронов начинается не из одной точки канала — электроны, влетающие в канал перпендикулярно торцу МКП, претерпевают меньше стадий умножения, чем электроны, влетающие под углом и ударяющиеся о стенку канала у самого входа;
при прохождении электронного тока через МКП происходит ионизация остаточного газа — образующиеся положительные ионы ударяются о стенки каналов, что вызывает «паразитную» вторичную эмиссию и соответственно появление ионного послеимпульса, повышающего фактор шума.
С целью увеличения отношений значений сигнала к шуму рекомендуется комплекс конструкторских и технологических усовершенствований МКП: увеличение активной части поверхности МКП, т. е. повышение коэффициента заполнения, что повышает эффективность детектирования; повышение коэффициента вторичной эмиссии стенок каналов; удаление адсорбированных на поверхности каналов молекул газа и снижение Давления остаточных газов в приборах с МКП. Обычно эта операция производится путем электронной бомбардировки внутренних поверхностей каналов при очень малой плотности тока на входе — не более 10— А/см2 (применение для обезгаживания электронной бомбардировкой более высоких плотностей тока недопустимо — это объясняется снижением КВЭ стенок каналов после их интенсивной бомбардировки электронами, что в последующем приводит к повышению фактора шума); нанесение на вход каналов МКП слоев с высоким КВЭ (например, на основе MgO или CsJ); создание МКП с изогнутыми (криволинейными) каналами с большим углом наклона на входе и практически
нулевым на выходе — это позволяет существенно снизить ионную составляющую шума, уменьшить влияние обратной связи и соответственно повысить предельное усиление МКП.
Для устранения обратной связи рекомендуется также придавать каналам форму спирали.
При увеличении входного сигнала выше оптимального значения может наблюдаться насыщение выходного сигнала и соответственно снижение коэффициента усиления до 1.
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СТЕКЛОВОЛОКОННЫХ ДЕТАЛЕЙ В ФОТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ
Применение микроканальных пластин позволяет создавать фотоэлектронные приборы с очень высокой механической прочностью и обеспечивает значительное улучшение их характеристик.
Фотоэлектронные приборы с МКП обладают значительно меньшей чувствительностью к внешним магнитным полям, способным исказить их параметры. Это объясняется малым расстоянием (порядка доли миллиметра) между фотокатодом и МКП и соответственно очень короткими траекториями фотоэлектронов (как известно, влияние магнитных полей тем значительнее, чем меньше скорости электронов и длиннее их траектория).
В электронно-оптических преобразователях микроканальные пластины применяются для усиления электронного потока с фотокатода с целью повышения яркости изображения на их экранах. Микроканальная пластина располагается между катодом и люминесцентным экраном на пути электронного потока, формирующего изображение. Электронное изображение переносится с фотокатода на входную поверхность микроканальной пластины обычно с помощью электронной линзы. Выходящий с каждого канала усиленный в 103 — 105 раз электронный поток возбуждает соответствующий элементарный (точечный) участок люминесцентного экрана. Формируемое катодом изображение разбивается по числу каналов МКП, сохраняя при этом пространственное распределение информации.
Яркость изображения на экране тем выше, чем больше
усиление по току в каналах, а разрешающая способность тем лучше, чем больше каналов и чем меньше диаметр каждого!
канала.
На рис. 11.7 показаны схемы микроканального электронно-' оптического преобразователя с электростатической линзой. Он ; состоит из плосковогнутого стекловолоконного окна 1, на которое нанесен фотокатод, анода 2, микроканальной пластины 3, расположенной между катодом и люминесцентным экраном 4, ; нанесенным на внутреннюю поверхность выходной волоконно- >
оптической пластины. Угол входа электронов в микрока- нальной системе изменяется от центра к краю. В некоторые каналы электрон будет входить под углом, большим апертурного, в этом случае отсутствует процесс вторичной эмиссии в канале, не происходит усиления в нем электронного потока и наблюдается темное пятно на соответствующем элементе люминесцентного экрана. Для предотвращения возникновения темных пятен на вход микро-
канальной пластины наносят рис и у Схема ЭОП с электрической тонкую алюминиевую пленку, линзой и микроканальным усилением с помощью которой рассеива
ются электроны и обеспечивается равномерность усиления по всей пластине и, следовательно, равномерность свечения экрана. Толщина алюминиевой пленки должна выбираться из такого расчета, чтобы электроны входили в каналы МКП с энергией порядка 500 — 1000 эВ, что обеспечивает максимальный коэффициент вторичной эмиссии.
Существенным недостатком ЭОП является наличие обратной световой и ионной связи между экраном и фотокатодом. Обратная связь проявляется в том, что свечение экрана, а также положительные ионы, образующиеся в каналах МКП, могут попадать на фотокатод и вызывать появление «паразитных» токовых сигналов. Нанесение алюминиевой пленки на вход МКП практически позволяет полностью устранить обратную связь.
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕКЛОВОЛОКОННЫХ ДЕТАЛЕЙ
При выборе материалов для изготовления стекловолоконных деталей необходимо помнить, что коэффициент преломления света стержнем стекловолокна (=1,8 + 2,0) должен быть выше, чем у стекла оболочки (» 1,4-$-1,6); коэффициент поглощения света стеклянной оболочкой должен быть примерно в три раза больше, чем у стержня стекловолокна; стекла стержня и оболочки не должны химически взаимодействовать между собой в процессе изготовления волокна, а граница стержень — оболочка должна быть идеально чистой; материалы должны быть очень чистыми (примеси металлов не должны превышать 10—7); стекла для
стержня и оболочки должны быть подобраны и согласованы по ТКР и вязкости (обычно ТКР = (52 * 95) • 10—7).
Для стержней — сердцевин стекловолокон рекомендуется использовать стекла на основе диоксида германия, так как они характеризуются большим коэффициентом преломления, высоким светопропусканием, повышенной температурой размягчения и хорошими технологическими свойствами.
Высокое светопропускание имеют также оптические стекла на основе диоксида кремния. В ультрафиолетовой области спектра применяют кварцевые стекла. Для оболочек световодов рекомендуются стекла на основе SiO2 — В2О3 — AI2O3.
Для волоконно-оптических дисков нельзя применять стекла, содержащие оксид свинца, так как они имеют низкую температуру размягчения и при нагреве выделяют свинец, который вызывает отравление фотокатодов.
Технологический цикл производства стекловолоконных деталей слагается из нескольких операций: непрерывный процесс вытягивания одножильных световодов с сечением порядка 1 — 2,5 мм; плотная укладка в пакет сотен тысяч одножильных световодов со строго определенным (регулярным) расположением
их по отношению друг к другу; перетяжка пакета одножильных световодов, при этом сечение каждого отдельного световода уменьшается в тысячи раз до размера порядка 5 — 15 мкм; спекание многожильных световодов в специальных пресс-формах.
В результате проведения перечисленных операций образуется вакуумноплотная волоконно-оптическая деталь.
Одножильные стекловолокна обычно изготовляют методом вытяжки из двух концентрически расположенных фильер, соединенных с двумя ваннами, в которых находятся расплавленные стекла (рис. 11.8): в верхней — стекло с высоким коэффициентом преломления (~ 1,8 -ь 2,0), в нижней — с низким коэффициентом преломления (— 1,4 * 1,6). Из верхней ванны стекло поступает во внутреннюю фильеру 3 и служит для образования стержня- сердцевины стекловолокна, а в нижней — во внешнюю фильеру : 4, из этого стекла образуется защитная оболочка стекловолокна.
Ванны с фильерами помещают в печь 1 с нагревателем 2. ? При недостаточной температуре стекломассы в расплаве образу- s ются пузырьки воздуха, поэтому процесс варки ведут при : повышенных температурах и низкой вязкости стеклорасплава. Под j действием теплоты стекломасса формируется в «луковицу», из ’ которой двумя роликами вытягивается световод, состоящий из стержня-сердцевины (из стекла с /г ~ 1,8 *-2,0), покрытого i оболочкой из другого стекла с меньшим показателем преломления, j Для повышения коэффициента передачи контраста рекомендуется
изготовлять волокна не круглой, а шестигранной формы; при этом укладка волокон в пакет должна быть гексагональной.
Сечение вытянутого волокна в основном зависит от скорости вытяжки и может иметь допуск ± 3%. Неравномерность вытягиваемых волокон по механическим и оптическим свойствам может быть связана с неравномерностью нагрева различных фильер, расположенных рядами на дне питателя.
Для изготовления многожильных стекловолоконных деталей Сдельные волокна укладывают в один общий стеклянный шаблон-пакет и подвергают многократным перетяжкам, пока сечение отдельных волокон не уменьшится до нескольких микрон. При этом в вытянутом стекловолокне сохраняется соотношение между диаметрами стержня и оболочки, которое было до перетяжки. Количество световодов в пакете практически составляет б — 7 тыс. шт. Во время выработки и регулярной укладки в пакет стекловолокна могут подвергаться электризации, что приводит в дальнейшем к искажению характеристик и параметров приборов, в частности к появлению темных и светлых пятен на изображении волоконно-оптических дисков, изменению коэффициента усиления микроканальных пластин и т. д. Для предупреждения этого явления стекловолокна во время укладки смачивают дистиллированной водой.
По другому методу изготовления световода большое количество стеклянных стержней / из стекла с высоким коэффициентом преломления укладывают в одну общую стеклянную трубку 2, стекло которой имеет меньший коэффициент преломления и более низкую температуру размягчения (рис. 11.9,а). Количество стержней в трубке практически неограниченно, например, в трубке диаметром 5 см можно поместить 900 стержней диаметром 15 мкм. Этот пакет затем прогревается в печи 4 (рис. 11.9,6, в) и вытягивается, образуя пучок из отдельных волокон 3. В результате нагрева и вытягивания стекло трубки 2 размягчается и расплывается вокруг стержней 1, образуя стекловолокна 3, скрепляя их между собой, — это объясняется тем, что стекло трубки имеет более низкую температуру размягчения, чем стекло стержней. Затем комплект многожильных световодов укладывается в пресс-форму, которая помещается в вакуумную пресс-печь, где происходит спекание. При укладке многожильных световодов обычно применяется виброуплотнение или ультразвуковая вибрация. Укладка является более плотной в том случае, когда световоды имеют не круглую, а шестигранную форму. С повышением плотности упаковки улучшается вакуумная плотность изделия и оптические характеристики стекловолоконных деталей: Уменьшается искажение жил на стыках многожильных световодов,
1 г з ч1 г з ч
1 г з ч
1 г з ч
Рис. 11.8. Схема вытягивания одножильных стекловолокон из двух концентрически расположенных фильер
Рис. 11.9. Схема процесса изготовления многоканального световода: а — поперечное сечение исходного пакета (заготовки), состоящего из общей стеклянной трубки 2 с коэффициентом преломления «об и большого количества стержней 1 с коэффициентом преломления Пет (поб > пет); б — продольный разрез пакета в процессе вытяжки в печи 4; в — поперечное сечение пакета после образования стекловолокон; г — изометрия вытягиваемого стекловолокна
что позволяет выравнять разрешающую способность по рабочему, полю ВОП и уменьшить шумы МКП.
На рис. 11.10 показана технологическая схема изготовления МКП, в которых одножильные световоды-стержни (ОЖС) состоят из трубочек свинцово-силикатного стекла 1 и вставленных в них штабиков боратно-бариевого стекла 2. Трубочка, образующая впоследствии оболочку стекловолокна, и штабик, образующий жилу, тщательно подгоняются по сопряженным диаметрам, ’ собираются в исходный двухслойный стержень 3 и при нагреве перетягиваются в строго одинаковые (около 1 мм) одножильные световоды-стержни (ОЖС) 4, которые укладываются в шестигранник 5. Этот шестигранник повторно нагревается, пере- ’ тягивается в многожильный световод-стержень б (МЖС) и нарезается на отдельные стержни, необходимое количество которых вновь укладывается в шестигранную структуру. Этот шестигранник нагревается и опрессовывается таким образом, чтобы образовался монолитный спеченный многожильный блок 7. Последний нарезается на пластины 8 под заданным углом к оси. Пластины 8 округляются, шлифуются до заданной толщины и полируются (пластина 9 на рис. 11.10). Каналы в МКП 10 образуются вытравливанием жил в слабом растворе кислот, в которых легко растворяется боратно-бариевое стекло жил и не 168
растворяется свинцово-силикатное стекло оболочек. Режим травления подбирается с таким расчетом, чтобы получить воронкообразную форму входного участка каналов — это позволяет получить более высокий коэффициент заполнения каналов МКЛ, близкий к предельному. Изготовленная МКП нагревается в водородной печи — при этом на внутренней поверхности каналов частично восстанавливается оксид свинца, входящий в состав стекла оболочки, с образованием поверхностной пленки свинца толщиной 1 мкм. Затем производится нагрев МКП в вакууме — при этом Тгспаряется вода, образовавшаяся в каналах при восстановлении оксидов в среде водорода (РЬО + Н2 -* Pb + Н2О ]), а рассеянные в массе оксида свинца атомы восстановленного металлического свинца придают поверхности каналов свойства полупроводникового слоя. Этот полупроводниковый слой обеспечивает требуемую проводимость и высокий КВЭ порядка 3. Торцевая поверхность МКП покрывается низкоомным металлическим слоем (алюминием или оловом).
Контроль структуры стекловолоконных деталей производится с помощью горизонтального микроскопа с увеличением в 80 раз.
Практически имеют место следующие дефекты стекловолоконных деталей: зазоры между многожильными световодами внутри сечения; разворот одних многожильных световодов относительно других; темные пятна, вызванные обрывами стекловолокон или
39ю
Рис. 11.10. Технологическая схема изготовления МКП
нарушением светопропускания внутри них; отклонения размера и формы сечения отдельных стекловолокон от номинала; нарушения электропрочности стеклодетали.
Волоконно-оптические детали после многократных прогревов при Т = 500°С могут несколько снизить свою электропрочность, поэтому не рекомендуется их термическая обработка при температурах, превышающих 450°С.
Перспективными направлениями в технологии изготовления стекловолокон является применение методов напыления, диффузии и легирования.
ГЛАВА <2. ОЧИСТКА ДЕТАЛЕЙ
РАЗНОВИДНОСТИ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ ДЕТАЛЕЙ
Поверхностные загрязнения по способу связи с материалом детали можно разделить на две основные группы.
К первой группе относятся загрязнения, механически приставшие к поверхности детали. Эти загрязнения не образуют с материалом детали химических соединений, обычно представляют собой следы жиров и масел, волокна от тары, остатки шлифовальных и полировальных паст, пыль, копоть, частицы абразивных материалов, следы от прикосновения рук, адсорбированные инертные газы.
Ко второй группе относятся загрязнения, образовавшиеся в результате химического взаимодействия материала поверхности детали с окружающей средой. Эти загрязнения s представляют собой оксидные пленки, сернистые и хлористые; соединения на поверхности металла, следы выщелачивания стекла.! В частности, сюда относятся загрязнения, вызванные процессом: атмосферной коррозии, т. е. процессом химического разрушения металлов и сплавов под воздействием загрязненного влажного. атмосферного воздуха.
Наличие загрязнений на деталях приводит к ухудшению ■ изоляционных свойств поверхности изоляторов — это вызывает утечки и пробои между электродами; снижению вакуума в i приборах, обусловленному интенсивным газовыделением загряз- j нений в процессе их термического нагрева или электронной и i ионной бомбардировки; ухудшению эмиссионных характеристик < катодов при их «отравлении» загрязнениями, находящимися на поверхности деталей; изменению электрических характеристик i поверхности деталей, например электрического сопротивления, : коэффициента вторичной эмиссии электронов, коэффициента 1 170
излучения и др.; снижению прочности и вакуумной плотности швов, образующихся при соединении деталей и узлов; появлению посторонних частиц в готовых приборах, разрушающих покрытия, вызывающих пробои, повышенное газовыделение и др.; ухудшению качества покрытий, получаемых, например, при нанесении люминесцентных, изоляционных и металлических слоев на недостаточно очищенные поверхности детали.
Для удаления загрязнений поверхность детали подвергают очистке. Очистка обычно состоит из двух операций: обезжиривания "и травления.
Обезжиривание — удаление загрязнений, химически не связанных с материалом детали (т.е. загрязнений первой группы). При обезжиривании структура поверхностей детали не изменяется.
Травление — удаление загрязнений, химически связанных с материалом детали, и создание шероховатой структуры поверхности. Травление, производимое с целью удаления с поверхности деталей тонких, обычно невидимых пленок оксидов (часто образующихся в промежутке между отдельными технологическими операциями), называется декапированием.
Полирование — разновидность травления, при которой после удаления загрязнений получается гладкая зеркальная поверхность детали.
При травлении, декапировании и полировании (в отличие от обезжиривания) изменяется структура поверхности, геометрическая форма и размеры очищенной детали — это происходит из-за того, что одновременно с загрязнениями удаляются поверхностные слои материала самой детали.
Полированные детали, в отличие от травленых, после очистки могут длительное время храниться на воздухе, не теряя блеска и не подвергаясь коррозии. Операция травления, обеспечивая высокое качество первичной очистки, может вызвать повторное загрязнение и окисление деталей — это объясняется тем, что протравленная поверхность имеет шероховатую структуру и соответственно высокую сорбционную емкость и химическую активность по отношению к влаге, агрессивным газам и парам, содержащимся в атмосферном воздухе.
Травление целесообразно, когда на детали сразу после очистки наносят какие-либо покрытия (причем прочность сцепления покрытий с деталью тем выше, чем более шероховатой является протравленная поверхность детали).
Полируют обычно детали, к которым предъявляются следующие требования: высокий коэффициент отражения света; низкий коэффициент рассеивания света; низкий коэффициент излучения и соответственно малые потери теплоты; малое газовыделение в вакууме; отсутствие заусенцев и микронеровностей (например,
полировка необходима после штамповки деталей) — это позволяет повысить электрическую прочность межэлектродных промежутков, уменьшить вероятность пробоев, утечек и «паразитной эмиссии».
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ОЧИСТКИ
В электровакуумном производстве применяют механическую, химическую, электрохимическую, ультразвуковую, плазменную и термическую способы очистки.
В принципиальную технологическую схему очистки обычно входят следующие операции:
механическая очистка (гидроабразивная, дробеструйная, шлифование, кварцевание и т.д.);
обезжиривание в органических растворителях или щелочных растворах;
галтовка в суспензии абразивных материалов (галтовка — операция механического удаления с поверхности деталей окалины, заусенцев, грубых неровностей);
химическое или электрохимическое травление (полирование);
нейтрализация следов рабочего раствора и пассивация поверхности деталей;
отмывка следов рабочего раствора с поверхности деталей;
промывка деталей в деионизованной (или дистиллированной) воде;
предварительное обезвоживание деталей — погружение их в легкоиспаряющиеся при комнатной температуре вещества (спирт, ацетон) или обдув деталей горячим воздухом;
окончательная сушка деталей;j
финишная плазменная очистка деталей.1
На каждом этапе технологического процесса очистки всегда 1 соблюдается принцип противотока: детали по мере I очистки соприкасаются со все более чистыми порциями рабочего | раствора или воды (детали движутся навстречу движению раствора или последовательно погружаются в ванны с более чистым раствором).
ХИМИЧЕСКОЕ ОБЕЗЖИРИВАНИЕ ОРГАНИЧЕСКИМИ РАСТВОРИТЕЛЯМИ
К преимуществам обезжиривания в органических растворителях (трихлорэтилене, фреоне, ацетоне и др.) относятся: большая скорость и высокая производительность очистки сильно замасленных деталей; возможность обезжиривания деталей слож- ; ной формы с малыми диаметрами внутренних полостей:
обезжиривающей способностью обладают не только жидкие органические растворители, но и их пары, которые легко проникают во внутренние полости деталей; возможность удаления воскообразных и полимеризованных загрязнений, имеющих высокую температуру плавления; легкость удаления органических растворителей с поверхностей деталей (это свойство особенно важно для деталей сложной формы, из внутренних полостей которых трудно удалить остатки рабочего раствора); отсутствие химического взаимодействия между материалом деталей и органическими растворителями (поэтому нестойкие к щелочам металлы и сплавы, например цинк, алюминий, никель, сплавы этих металлов, платинит, обезжиривают только в органических растворителях); образование на поверхностях очищенных деталей тонкого (одномолекулярного) слоя органической пленки, которая пассивирует поверхность и делает очищенную поверхность нечувствительной к повторным загрязнениям из атмосферного воздуха. Сама же органическая пленка легко разрушается и удаляется при отжиге деталей.
Недостатки органических растворителей: сравнительно невысокое качество очистки поверхностей (органические растворители хорошо растворяют жировые загрязнения и смазки животного, растительного и минерального происхождения, значительно хуже удаляют остатки мыл и эмульсий, применяемых при механической обработке) — для полной очистки от жировых загрязнений необходимо дополнительное электрохимическое обезжиривание; не удаляют твердых загрязнений (пыли, остатков шлифовальных и полировальных паст, копоти); при длительном хранении изменяются состав и свойства растворителей (этот процесс ускоряется под действием воздуха, теплоты, света и некоторых материалов).
Трихлорэтилен обладает высокой растворяющей способностью (растворяет не только жиры, но и смазки, лаки, краски, смолы, ацетилцеллюлозу), не содержит вредных для электровакуумных приборов примесей, негорюч и не образует взрывоопасных соединений с воздухом. Основной недостаток трихлорэтилена — склонность к разложению под действием влаги, солнечных лучей, температуры выше 125°С, кислорода воздуха, а также при соприкосновении с кислотами, щелочами; щелочными и щелочноземельными металлами (калием, натрием, барием, стронцием, кальцием и т. д.); магнием, алюминием и их сплавами.
На поверхностях деталей, промытых в разложившемся трихлорэтилене, после их термической обработки в вакууме появляются темные пятна и налеты. Стабильность трихлорэтилена достигается введением в него специальных добавок (например, диэтиламина, уротропина). Стабилизированный трихлорэтилен должен иметь щелочную реакцию (т. е. pH > 7).
Четыреххлористый углерод, несмотря на большую растворяющую способность, используют редко. Четыреххлористый углерод обычно содержит примеси сернистых соединений, даже следы которых недопустимы в электровакуумных приборах.
В последнее время все большее распространение находит фреон-1 13 (Оз — СРз — трихлортрифторэтан). Ткип = 47,3°С. Он обладает в 1,5 — 2 раза большей растворяющей способностью, чем трихлорэтилен, хорошо смачивает поверхность деталей, негорюч, устойчив к алюминию и магнию, не боится длительного воздействия солнечного света. Фреон-113 имеет низкую величину поверхностного натяжения и хорошо смачивает поверхности деталей, проникая в самые мелкие и глубокие поры.
Добавление 3 %-него изопропилового спирта к фреону позволяет использовать его для удаления флюсов, а смесь фреона и хлористого метилена применяется для удаления затвердевших смазок.
Для обезжиривания щелочных и щелочноземельных металлов, алюминия и алюминированного железа служат петролейный эфир или бензин. Бензин хорошо растворяет жиры и масла, не взаимодействует с материалом деталей, не разлагается под действием света и теплоты, но легко воспламеняется и образует взрывоопасные смеси с воздухом.
В последнее время в органические растворители рекомендуется i добавлять синтанол, который облегчает удаление твердых : загрязнений и предупреждает повторное загрязнение деталей. » Технология обезжиривания органическими! растворителями. Механизм очистки органическими раст-1 верителями заключается в том, что растворитель вытесняет! загрязнения с поверхности деталей и сам занимает их место, а : при сушке или отжиге детали он разлагается на газообразные продукты и легко удаляется.
Легкость удаления органического растворителя по сравнению с жировым загрязнением обусловлена тем, что растворитель имеет более короткую углеродистую цепочку и соответственно менее прочную связь с поверхностью деталей.
Таким образом, обезжиривание в растворителях состоит в ; замене органических веществ с более длинной углеродистой 4 цепочкой (например, масел, имеющих в углеродистой цепочке 15 < 174
— 30 атомов углерода) на органические вещества с более короткой цепочкой (например, бензин), которые, в свою очередь, удаляются при термической обработке деталей.
Детали погружают в растворитель, нагретый до 70 — 80°С. Нагревание увеличивает растворяющую способность, улучшает перемешивание и тем самым ускоряет процесс очистки. Однако при нагреве возрастает опасность разложения растворителя, поэтому обезжиривание некоторых металлов, склонных к взаимодействию с продуктами разложения растворителя (в частности, "‘меди и ее сплавов), производят в холодном трихлорэтилене.
ХИМИЧЕСКОЕ ОБЕЗЖИРИВАНИЕ
В ЩЕЛОЧНЫХ РАСТВОРАХ
При выборе состава щелочного раствора и технологических режимов очистки исходят из того, что на качество обезжиривания влияет ряд факторов: щелочность, концентрация и температура раствора, характер загрязнений на деталях, структура поверхности и геометрическая форма детали.
В состав обезжиривающего раствора обязательно должны входить три основных компонента: щелочь, поверхностно-активное вещество, тринатрийфосфат.
щ е л о ч ь (гидроксиды калия КОН и натрия NaOH) служит для химического взаимодействия с загрязнениями; некоторые загрязнения типа животных и растительных жиров, жирных кислот химически взаимодействуют с водными растворами щелочей и превращаются в растворимые в воде мыла, которые легко смываются водой с поверхности детали.
Поверхности о-a кти вное вещество (ПАВ) служит для снижения поверхностного натяжения на границе между жировой пленкой и щелочным раствором, способствует дроблению жировых загрязнений, самопроизвольному отрыву их от поверхности деталей и переходу в щелочной раствор с образованием устойчивых суспензий (если загрязнения твердые) или эмульсий (если загрязнения жидкие). В качестве поверхностно-активных веществ обычно применяют синтанол ДС-10, препараты ОП-7, ОП-10, лигнинсульфоновые кислоты и др. С помощью поверхностно-активных веществ с деталей можно удалить загрязнения, не вступающие в химическую реакцию с щелочью, например остатки минеральных масел (машинного, вакуумного, трансформаторного), минеральных смазок (технический вазелин, тавот), следы полировальных паст, а также твердые частицы типа сажи, копоти, пыли. Молекулы поверхностно-активных веществ содержат полярные (ионные) группы, несущие на себе электрический заряд. Поэтому поры и трещины загрязнений, в которые попадают
поверхностно-активные вещества, заряжаются одноименным электрическим зарядом: под действием электрических сил отталкивания происходит измельчение и разрушение твердых загрязнений, что облегчает их удаление. Поверхностно-активные вещества служат также стабилизаторами суспензий и эмульсий, образующихся при переходе загрязнений в щелочной раствор: повышают агрегативную и кинетическую устойчивость, увеличивают срок службы щелочных растворов, препятствуют повторному осаждению загрязнений на детали. Следует отметить, что в качестве поверхностно-активных веществ нельзя применять моющие порошки, они содержат серу, являющуюся «ядом» для электровакуумных приборов.
Основной недостаток обезжиривания в щелочных растворах — трудность отмывки поверхности детали от следов щелочного раствора.
Тринатрийфосфат применяется для облегчения смываемости щелочного раствора. Тринатрийфосфат обладает наилучшей смываемостью среди обезжиривающих веществ, а также улучшает смываемость щелочи и соды.
Обезжиривающие растворы должны иметь pH в пределах 8,5 * 12; при pH < 8,5 не происходят химические реакции между щелочью и загрязнениями, при pH > 12 ослабляется действие поверхностно-активных веществ, затрудняется удаление твердых загрязнений, снижается устойчивость образующихся при очистке суспензий и эмульсий, ухудшается смываемость следов щелочных растворов, происходит частичное растворение материала деталей.
С повышением температуры увеличивается скорость химических реакций (усиливается циркуляция и перемешивание раствора), уменьшается вязкость загрязнений, облегчается удаление твердых частиц и улучшается смываемость щелочных растворов с поверхности деталей. Однако с повышением температуры ухудшается устойчивость эмульсий и суспензий, образующихся при обезжиривании; при этом загрязнения, ранее перешедшие в щелочной раствор, могут снова осесть на очищенные детали. Поэтому температура щелочных растворов не должна превышать 70°С.
ХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ
При взаимодействии металлов с кислородом на их поверхности образуются оксиды, а при взаимодействии с агрессивными промышленными газами, загрязняющими атмосферу, — различные химические соединения (хлориды, сульфиды, сульфаты, карбонаты И Т.Д.).
Процесс химического разрушения металлов и сплавов под воздействием загрязненного атмосферного воздуха называется атмосферной коррозией.
Скорость коррозии значительно увеличивается при повышении влажности воздуха. Водяные пары конденсируются на металлических деталях (особенно если температура детали ниже комнатной) и образуют на их поверхности водяную пленку. Сама водяная пленка обычно не коррозирует металл, но обладает большой сорбционной емкостью: усиленно поглощает (адсорбирует) и$ загрязненного воздуха агрессивные промышленные газы, например хлор, фтор, диоксид серы, диоксид углерода, которые легко вступают в химическое взаимодействие с поверхностью детали.
Поэтому даже очень влажный воздух, если он чист, не настолько опасен в отношении коррозии, как загрязненный воздух промышленных предприятий.
Некоторые металлы и сплавы, например алюминий, никель, свинец, олово, цинк, вольфрам, хром, молибден, ковар, константан, алюминированное железо, в чистом влажном воздухе вообще не подвергаются коррозии. У этих металлов и сплавов процесс взаимодействия с кислородом воздуха протекает почти мгновенно — при этом на поверхности металла образуется тонкая сплошная плотная оксидная пленка. Эта оксидная пленка называется «пассивирующей» (от слова пассивный), она не пропускает кислород и другие газы и пары во внутренние слои металла и защищает их от коррозии. В загрязненном промышленном воздухе агрессивные газы химически разрушают пассивирующую пленку. При этом изменяется цвет поверхности детали, на ней появляются темные и цветные пятна и т.д. Повышение температуры увеличивает скорость разрушения пассивирующей оксидной пленки, а солнечный свет, наоборот, препятствует ее разрушению.
Коррозия усиливается также при контакте металла с другими металлами или вообще твердыми телами и при сильной механической деформации детали, а также при наличии на поверхности детали или в атмосферном воздухе пыли.
Для ускорения образования пассивирующих оксидных пленок и закрепления их очищенные детали часто обрабатывают специальными пассивирующими растворами, обладающими окисляющими свойствами. Например, пассивирующие растворы бихромата калия (хромпика) и хромового ангидрида снабжают металлическую поверхность детали кислородом, необходимым для создания защитной оксидной пленки. К пассиваторам относятся также растворы тринатрийфосфата и силикатов, создающие на поверхности металлов соответственно защитные фосфатные и силикатные пленки.
Пассивирующая оксидная пленка на поверхностях деталей должна иметь очень малую толщину (не более 10 — 15 мкм). Только в этом случае она почти не изменяет электрические механические и вакуумные свойства металлических деталей.
Толщина оксидной пленки увеличивается с повышением температуры окружающего воздуха. При высокой температуре в процессе прокатки, протяжки, вварки в стекло на поверхности детали образуются толстые оксидные пленки. Например, если при комнатной температуре поверхность детали из нержавеющей стали покрывается невидимой невооруженным глазом оксидной пленкой толщиной всего 1 — 5 мкм, то при 200 — 500°С толщина этой пленки составляет уже 40 — 120 мкм. Пленка становится видимой и по мере увеличения толщины приобретает соответственно желтый, оранжевый, красный, пурпурный и синий цвета. Наиболее толстые пленки (в несколько микрон), имеют фиолетовый и черный цвета. Эти пленки изменяют физико-химические свойства материала, и их необходимо удалять путем травления деталей.
Операция процесса травления складывается из двух стадий: 1) дробление и разрыхление слоев оксидов или других химических загрязнений; 2) растворение разрыхленных слоев оксидов и удаление их вместе с поверхностными слоями самого металла детали и растворенными в них газами.
Химическое травление производится в растворах кислот, щелочей, кислых солей или в расплавах этих соединений.
Кислота и особенно ее пары (образующиеся при нагревании травящего раствора) через поры и неоднородности в слое оксида проникают к поверхности металла. Между металлом и кислотой происходит химическая реакция:
МЕТАЛЛ + КИСЛОТА (ИЛИ ПАРЫ КИСЛОТ) - СОЛЬ МЕТАЛЛА + ВОДОРОД
Выделяющиеся пузырьки водорода разрыхляют слой оксида. Разрыхление уменьшает силы сцепления оксида 2 с поверхностью детали 1, увеличивает площадь взаимного соприкосновения оксида с кислотой и соответственно повышает скорость его растворения в кислоте (рис. 12.1).
При травлении в кислотных растворах наряду с растворением оксидной пленки происходит растворение поверхностных слоев самого металла, причем скорость растворения чистого металла в несколько раз больше скорости растворения оксида металла. Это основной недостаток кислотного травления, приводящий к изменению структуры, геометрической формы и размеров детали.
Повышение температуры раствора увеличивает скорость травления. Однако с образованием паров кислоты увеличивается вероятность перетравливания и наводороживания металла: чем более летуча кислота (т. е. чем ниже температура кипения
Рис. 12.1. Схема травления в кислотеРис. 12.1. Схема травления в кислотекислоты), тем ниже допустимая температура ее применения. Например, нелетучую серную кислоту можно нагревать до гораздо более высоких температур, чем легколетучие — уксусную, плавиковую и' соляную.
Рис. 12.1. Схема травления в кислоте
Рис. 12.1. Схема травления в кислоте
В процессе травления может иметь место местное локальное Перетравливание одних участков де
тали, в то время как на других участках остаются еще недотравленные следы оксидов — это объясняется различием в химическом составе, толщине и пористости слоя оксид-1 па разных участках детали, а также степенью нагартованности материала самой детали. Например, более деформированные и соответственно более тонкие участки детали травятся быстрее, чем менее деформированные и соответственно более толстые участки: поэтому химическое травление увеличивает разностенность деталей. На мелкозернистой структуре слои оксидов удерживаются более прочно, чем на крупнозернистой, и для их удаления требуется большая продолжительность травления.
Для предотвращения перетравливания и наводороживания деталей в травильные растворы вводят специальные составы — ингибиторы травления (уротропин, уникол). Ингибиторы не осаждаются на оксидах, но обладают способностью осаждаться на очищенных участках поверхности: как только какой-нибудь участок детали освобождается от оксида, на нем немедленно оседает пленка ингибитора, которая не пропускает травящий раствор к очищенной металлической поверхности и предохраняет ее от перетравливания.
Выбор состава раствора для химического травления зависит от материала детали, толщины слоя оксида и допустимых пределов изменения структуры поверхности, размеров и формы деталей. Как правило, применяются смеси, состоящие из двух кислот:
одна кислота непосредственно реагирует с оксидированной деталью — с образованием солей или каких-либо соединений, имеющих слабое сцепление с поверхностью металла детали;
другая кислота растворяет образующиеся соли и соединения, Удаляет их и очищает поверхность до чистого металла.
Смеси из азотной и серной кислот применяют для травления деталей из никеля, молибдена, цинка, платинита, сплава Н47ХБ. Азотная кислота через поры и неоднородности в слое оксида проникает к поверхности металла и растворяет его. При этом в газообразном состоянии выделяются только оксиды азота (травление платинита), либо водород и
оксиды азота (травление никеля), либо только водород (травление молибдена). Выделяющиеся пузырьки газа разрыхляют и дробят слой оксида и облегчают его растворение в серной кислоте. Например, при травлении платинита происходит реакция
3Cu + 8HNO3 -» ЗСи(МО3)2 + T2NO + 4НгО
азотно-кислая медьазотно-кислая медьгазообразный оксидазотагазообразный оксидазотамедь (внешняя оболочка платинитовой проволоки)
азотно-кислая медь
азотно-кислая медь
газообразный оксидазота
газообразный оксидазота
Серная кислота выполняет следующие функции.
Химически взаимодействует с разрыхленными слоями оксидов и переводит их в легкорастворимые сернокислые соли (т. е. растворяет оксиды):
CuO + H2SO4 ■* CuSO4 + Н2О разрыхленный слойлегкорастворимая
оксида медисерно-кислая медь
Осуществляет круговой цикл регенерации в смеси в образованием азотной кислоты:Ш
Си(ИОз)2 + H2SO4 ■* 2HNO3 + C11SO4 9
азотно-кислая медьлегкорастворимая в воде
серно-кислая соль
Образующиеся новые порции азотной кислоты снова расходуются на растворение поверхностных слоев металла и разрыхление слоя оксида на поверхности детали.
Смесь растворов муравьиной кислоты и пероксида водорода применяется для травления деталей из стали, меди, ковара, вольфрама, молибдена, никеля, а также для травления выводов ножек приборов. Эта смесь не оказывает вредного действия на организм человека и легко удаляется с поверхности деталей. Муравьиная кислота — самая сильная из органических кислот. Она взаимодействует с большинством металлов и образует легкорастворимые соли. Пероксид водорода разлагается в смеси с выделением пузырьков газа (кислорода), газ механически удаляет загрязнения с деталей. Кроме того, пероксид окисляет органические загрязнения, при этом образуются растворимые в воде вещества.
Например, керны катодов из никеля НМ, НИКА, НИВО-3 обычно травят в 10 %-ном растворе уксусной кислоты, нагретой до 70 — 80°С (соляную кислоту для травления кернов катодов обычно не применяют, так как даже малейшие следы неотмытого хлора приводят к резкому уменьшению эмиссии оксидного слоя). Никелевые керны часто обрабатывают 10%-ным раствором 180
надсерно-кислрго аммония, с помощью которого с их поверхности удаляют следы меди, образующиеся при сварке кернов медными электродами.
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ОБЕЗЖИРИВАНИЕ
И ТРАВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ
Очищаемую деталь подвешивают или подсоединяют к одному из электродов: аноду или катоду, которые погружены в раствор кислоты или щелочи. Для электрохимического обезжиривания обычно применяют растворы едкого кали, соды, тринатрийфосфата, поверхностно-активных веществ, а для электрохимического травления — растворы серной кислоты.
В основе электрохимической очистки (и при обезжиривании, и при травлении) лежат процессы электролитической диссоциации и электролиза.
В растворе кислоты и щелочи имеются положительные ионы водорода Н1^ и отрицательные ионы гидроксида ОН1-, образовавшиеся в результате диссоциации молекул воды. Под действием электрического поля в растворе кислоты или щелочи протекает процесс электролиза. Положительные ионы водорода движутся к катоду, превращаются на нем в нейтральные молекулы и выделяются в виде пузырьков газообразного водорода. Отрицательные ионы гидроксила движутся к аноду, разлагаются на нем и выделяются в виде пузырьков газообразного кислорода.
Если деталь подвешена на катод, процесс называется катодной очисткой, если на анод — анодной. Газообразные пузырьки водорода или кислорода механически сбивают и удаляют загрязнения или оксиды, лежащие на поверхности детали. Кроме того, сам раствор, служащий электролитом, вступает в химические реакции с загрязнениями (как и при обычных способах обезжиривания и травления) и удаляет их с поверхностей деталей.
Катодная очистка имеет преимущества перед анодной:
большая скорость процесса очистки (водорода на катоде выделяется в 2 раза больше, чем кислорода на аноде);
удаление жировых загрязнений или оксидов происходит без изменения размеров детали.
Однако катодная очистка имеет ряд недостатков:
возможность осаждения на деталях различных пленок примесей, содержащихся в химикатах (из которых изготовлен Раствор), например, хлора, серы, сурьмы, фосфора или перешедших в раствор из материала электродов;
большая вероятность наводороживания деталей; наводоро- женные детали характеризуются долго не затухающим газовыде- лением в процессе вакуумной обработки и в готовых приборах.
Анодная очистка обеспечивает получение более чистой поверхности (без пузырьков и трещин) и исключает возможность появления хрупкости деталей. При анодной очистке поверхность детали становится слегка шероховатой, что улучшает прочность наносимых на нее покрытий, а также пассивируется и становится мало восприимчивой к повторным загрязнениям. Однако при анодной очистке на деталях образуется труднорастворимый осадок. Кроме того, одновременно с удалением загрязнений происходит частичное растворение металлов и сплавов, из которых изготовлена деталь. При этом изменяются габариты и форма детали и появляется брак — перетравление поверхности.
Выделяющийся на аноде кислород может оксидировать материал детали и жировые загрязнения, затрудняя этим их удаление. Поэтому детали из меди, платинита, латуни во избежание окисления нельзя подвергать анодной очистке.
Чтобы максимально использовать преимущества катодной и анодной очистки и взаимно компенсировать их недостатки, рекомендуется применять так называемый реверсивный ток. Для этого электрод, на который подвешивают детали, в начале процесса очистки (но не более чем за 3 мин) подсоединяют к отрицательному полюсу источника тока, т.е. он является катодом, а в конце процесса очистки — к положительному полюсу источника тока, тогда он является анодом.
Очистка с помощью реверсивного тока обеспечивает высокую скорость процесса, уменьшает вероятность перетравливания и наводороживания детали и устраняет возможность появления у нее хрупкости (так как водород, проникающий в детали во время катодного цикла, окисляется кислородом во время анодного цикла).
Для предотвращения образования пены в электролит иногда добавляют 0,01—0,03 г/л пеногасителя — силоксана. Н
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ХИМИЧЕСКОГО
И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ПОЛИРОВАНИЯ Т5
Химический способ полирования более производителен, чем электрохимический, и позволяет полировать детали сложной формы и размеров. Однако электрохимический способ обеспечивает более высокий коэффициент отражения и более качественное
удаление заусенцев, чем химический (см. с. 183). При этом с детали удаляются также поверхностные аморфные пленки, способные вызвать холодную эмиссию электронов под действием сильных электрических полей в электровакуумных приборах.
Основной недостаток электрохимического полирования — сглаживание острых углов в деталях сложной формы.
При химическом полировании поверхность металла иди сплава, находящегося под слоем оксида, обладает большей или меньшей шероховатостью, т. е. состоит из отдельных выступов и впадин. Оксиды, лежащие на выступах, имеют большую пористость и, следовательно, меньшую химическую устойчивость к полирующему раствору, чем находящиеся во впадинах поверхности. Поэтому растворение и удаление оксидов на выступах - гребешках происходит быстрее, чем во впадинах, а это приводит к сглаживанию поверхности детали (хотя форма детали остается ^ез изменения). Кроме того, продукты растворения металла оседают на поверхности детали в виде вязких пленок толщиной от десятых долей микрометра до нескольких микрометров, затрудняют и замедляют дальнейшее растворение лежащей под ними поверхности металла. При циркуляции раствора (во время перемешивания или нагревания) выступы-гребешки более легко освобождаются от вязкой пленки, чем впадины, и, следовательно, растворяются с большей скоростью.
Растворы для химического полирования состоят обычно из нескольких компонентов, выполняющих различные функции.
Азотная или серная кислота в составе полирующего раствора служит для протравливания поверхности детали и удаления с нее оксидов. Уксусная, ортофосфорная или хлорная кислота вводится в полирующий раствор для образования вязкой пленки на полируемых деталях. Хромовая кислота или ее соли, этиловый спирт, глицерин, лимонная кислота, поверхностно-активные вещества, производные акридина служат для придания блеска поверхности деталей. Эти вещества образуют на поверхности детали пассивирующие пленки, предохраняющие ее от разъедания и слабой коррозии. Кроме того, хромовая кислота замедляет скорость растворения металла.
Электрохимическое полирование осуществляется пропусканием постоянного тока через электролит. Полируемая деталь всегда подвешивается на анод. Толщина вязкой пленки, которая обладает высоким электрическим сопротивлением, на выступах поверхности меньше, чем во впадинах. Поэтому плотность тока на выступах выше, чем во впадинах, и соответственно выступы растворяются с большей скоростью и поверхность детали сглаживается.
ПРОМЫВКА И СУШКА ДЕТАЛЕЙ
Промывочная вода удаляет с деталей жировые и масляные эмульсии, мыло, остатки моющих рабочих растворов и механические загрязнения, растворяет многие минеральные соли, в том числе наиболее опасные для электровакуумных приборов
(хлористые и серно-кислые соединения калия и натрия), с повышением температуры воды качество промывки деталей улучшается. Однако применение кипящей воды нецелесообразно, так как она может превратить остатки солевых загрязнений в нерастворимые гидраты оксидов, которые практически невозможно удалить с деталей.
Неочищенная водопроводная вода содержит большое количество растворов солей, органических загрязнений и механических примесей. После испарения воды эти вещества остаются на поверхностях деталей в виде различных пятен, подтеков и налетов, ухудшающих качество очистки.
Отмывка от водопроводной воды и содержащихся в ней загрязнений достигается промывкой деталей в проточной дистиллированной или деионизованной воде. Необходим непрерывный контроль удельного сопротивления промывных вод, которое не должно быть ниже 105 Ом • см.
Не допускается оставлять влажные детали на воздухе, так как это может вызвать их коррозию и адсорбцию загрязнений из воздуха. Практика показывает, что чем меньше чистота поверхности и более влажен воздух, тем прочнее удерживаются на деталях частицы пыли. В свою очередь, пыль очень интенсивно поглощает из воздуха агрессивные газы и пары.
Детали обычно подвергают сушке в две стадии. На первой происходит предварительное обезвоживание деталей: их последовательно погружают в несколько ванн с ацетоном или этиловым спиртом. Эти вещества легко испаряются с поверхностей деталей даже при комнатной температуре. Пожелтение поверхностей деталей после обезвоживания в ацетоне является признаком его загрязненности и необходимости замены (желтый налет и желтые пятна с поверхностей деталей можно удалить кратковременным погружением их в концентрированную соляную кислоту). Если не производить предварительного обезвоживания, то в процессе сушки при высокой температуре влага может вступить в химическое взаимодействие с материалом детали. На второй стадии для окончательной просушки детали помещают в шкаф с электрическим обогревом (100 — 200°С) или в вытяжной шкаф под лампы с инфракрасным излучением. Рекомендуется также сушка очищенным подогретым сжатым воздухом и в атмосфере азота, а также вакуумная сушка.
Лучшими материалами для изготовления тары, служащей для хранения и транспортировки деталей, являются стекло, нержавеющая сталь, фторопласт. Для кратковременного хранения деталей (в течение 2 — 3 сут) можно использовать полистироловую тару. Для изготовления тары нельзя использовать карболит (из-за наличия в нем серы), неприменимы также картон, бумага и 184
дерево (из-за наличия ворсинок). Употребление резиновых прокладок и резиновых пробок недопустимо из-за выделения газообразных легколетучих органических загрязнений и недостаточной механической прочности (при длительной эксплуатации микрочастицы резины попадают внутрь тары). Не рекомендуется хранить детали в целлофане, в полиэтиленовых мешочках (из полиэтилена выделяются летучие органические вещества, загрязняющие детали) и в эксикаторах со смазкой, а также в вакуумных эксикаторах, так как в линии вакуумной подводки обычно содержатся пары масла. Пары масла присутствуют также в кондиционированном воздухе (при очистке кондиционированного воздуха от пыли его пропускают через масляные фильтры). При хранении свежеочищенных деталей даже в чистом кондиционированном воздухе на них через 20 — 30 мин появляются жировые загрязнения (особенно на влажных деталях).
ОСОБЕННОСТИ ОЧИСТКИ СТЕКЛЯННЫХ И КЕРАМИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
При варке стекла и его механической обработке, хранении и транспортировке внутри поверхностных слоев и снаружи стекла накапливается большое количество загрязнений и дефектов, ухудшающих его электровакуумные свойства и влияющих на работу приборов (снижаются электрическое сопротивление, термостойкость, механическая прочность, световая проницаемость, увеличивается газовыделение, ухудшается качество покрытий и т. д.).
Химически устойчивые стекла обычно подвергают мойке в растворах плавиковой кислоты.
Плавиковая кислота служит для удаления (растворения) поверхностных слоев стекла вместе со всеми содержащимися в них загрязнениями и для придания стеклу требуемой степени шероховатости.
Химическая реакция при растворении стекла выражается Уравнением:
2Na2SiO3 + 12HF -> Na2SiF6 + 2NaF + f SiF4 + 6H2O
силикат плавиковая соли, смывающиеся фтористый
(основная кислота водойкремний — газ
составная часть стекла)
Выделяющийся при растворении стекла газ — фтористый
кремний — придает поверхности стекла шероховатость, что повы-
шает прочность сцепления покрытий (люминесцентного, аквада- гового) с поверхностью стекла, а также увеличивает поверхностное сопротивление стекла.
При выборе оптимальной концентрации плавиковой кислоты исходят из следующего. С увеличением ее концентрации повышается скорость очистки, увеличивается степень шероховатости стекла, однако повышается вероятность перетравливания стекла, появления на нем дефектов вида «разъеды» и «расстекловывание», образование на поверхности стекла налетов плохо смываемых фторидов и значительно ускоряются процессы повторного загрязнения очищенных колб при их контакте с воздушной атмосферой промышленного предприятия. Кроме того, пары концентрированной плавиковой кислоты могут вступить в интенсивное химическое взаимодействие с металлическими деталями, вваренными в стекло, что вызывает растворение и коррозию металла. Металл перестает быть газонепроницаемым, и воздух по границам разрушенных кислотой зерен медленно проникает внутрь оболочки, что приводит к браку приборов вида «газность» и «натекание».
Практика показывает, что обрабатывать стекло следует в 1 — 2 %-ном растворе плавиковой кислоты — эта концентрация является оптимальной и позволяет не только растворить поверхностный наиболее загрязненный слой стекла, удалить трещины, царапины, неоднородности и другие поверхностные дефекты, но и значительно повысить механическую прочность стекла и снизить его газовыделение в вакууме более чем в 8 раз. Применение более концентрированной (8 — 10 %-ной) плавиковой кислоты, наоборот, уменьшает механическую прочность, снижает пробивное напряжение стекла (ухудшает электрическую прочность) и значительно повышает его газовыделение в вакууме (в основном за счет высокой сорбционной емкости шероховатой поверхности стекла и интенсивной адсорбции газов и паров из загрязненного атмосферного воздуха). Следует отметить, что при длительном хранении во влажном воздухе стеклодеталей, обработанных в плавиковой кислоте, происходит проникновение влаги в тонкий приповерхностный слой стекла. Удаление влаги из этого слоя возможно лишь при прогреве стекла в вакууме при температуре 300 — 400°С в течение не менее двух часов.
Плавиковая кислота, используемая в машинах мойки, быстро загрязняется нерастворимыми солями, в частности фторсиликатами бария и кальция, кристаллы которых осаждаются на поверхности стекла. Для облегчения удаления частиц, прилипающих к поверхности стекла, рекомендуется в плавиковую кислоту добавлять смачивающие добавки, например поверхностно-активное вещество синтанол.
Стекло отмывают от следов плавиковой кислоты и ее солей, образующихся при растворении стекла (например, фторсиликата натрия) водопроводной водой. Соли плавиковой кислоты лучше растворяются в холодной воде, чем в горячей, поэтому температура водопроводной воды не должна превышать 30°С. После плавиковой кислоты стекло обычно обрабатывают в щелочном растворе (например, 50 г/л едкого калия, 30 г/л тринатрийфосфата и 3 — 5 г/л поверхностно-активного вещества). Щелочной раствор нейтрализует следы плавиковой кислоты и ее паров и дополнительно обезжиривает протравленную поверхность стекла.
В последнее время рекомендуется обезжиривать стекло в растворе поверхностно-активного вещества — синтанола, которое в отличие от поверхностно-активных веществ ОП-7 и ОП-10 легко смывается с поверхности стекла и не образует поверхностных пленок, способных при термическом разложении в вакууме «отравить» катоды.
При обработке стекла концентрированной плавиковой кислотой и при длительном хранении его во влажном воздухе возникает дефект стекла, называемый бьицелачиеанием или разъедом.
Разъеды на стекле — изменение химического состава поверхности стекла, вызывающее потерю прозрачности и появление матового оттенка. Нормальное прозрачное стекло состоит из взаимосвязанных щелочных (например, К2О, РЬО, СаО и др.) и кислотных оксидов (например, SiO2, В2О3, Р2О5), находящихся в строго определенном и постоянном соотношении друг с другом. Концентрированная плавиковая кислота с большей скоростью растворяет кислотный оксид — диоксид кремния, чем щелочные оксиды: избирательное растворение диоксида кремния приводит к обогащению поверхностного слоя стекла свободными, несвязанными, химически активными щелочными оксидами типа NaOH. Свободные щелочные оксиды интенсивно поглощают из атмосферного воздуха диоксид углерода — при этом на поверхности стекла образуются белесоватые налеты углекислых солей натрия и калия, резко снижающие прозрачность стекла (разъеды на стекле): К2О + СО2 -* К2СО3. Разъеды, образующиеся при хранении стекла, обычно имеют точечную, капельную форму. При хранении стекла во влажном воздухе, например, в неотапливаемом, сыром помещении или под открытым небом, на его поверхности конденсируются капли влаги. Капли воды медленно, постепенно растворяют силикаты, входящие в состав стекла, с образованием Щелочи. Свободная щелочь активно поглощает диоксид углерода из воздуха.
Следовательно, разъеды на стекле появляются под действием плавиковой кислоты или капель воды, а проявляются (т. е.
становятся видимыми) только под действием углекислого газа воздуха, поглощаемого разъеденными участками поверхности.
Стекло с разъедами имеет пониженную механическую прочность, плохую термостойкость (не выдерживает большого перепада температуры), обладает повышенным газовыделением и склонно к электрическим пробоям и утечкам.
Разъед, появившийся на стекле под воздействием влажной атмосферы, значительно усиливается после мойки стекла в плавиковой кислоте. Поэтому рекомендуется предварительно промыть колбы ЭЛТ в 5— 7 %-ной соляной кислоте перед обработкой их в плавиковой кислоте.
Чем меньше химическая устойчивость стекла, тем больше вероятность образования на нем разъедов. Поэтому стекла С-49-1, С-49-2, С-89-1, относящиеся к химически неустойчивым, нельзя обрабатывать плавиковой кислотой. Особенно интенсивно появляются «разъеды» около мест вварки в стекло металлических деталей.
Высокая степень очистки химически неустойчивых стекол достигается мойкой их в хромовой смеси. Хромовая смесь — насыщенный при комнатной температуре раствор хромпика (бихромата калия) в концентрированной серной кислоте (100 г хромпика на 1 л кислоты). Хромовая смесь в отличие от плавиковой кислоты не вступает в химическое взаимодействие со стеклом колбы, не растворяет и не изменяет структуры поверхностного слоя стекла. Однако хромпик имеет высокую окислительную способность и выполняет следующие функции: окисляет и выжигает органические загрязнения (соединения углерода); вступает в реакцию с большинством неорганических загрязнений и переводит их в легкорастворимые в серной кислоте соединения; разрушает и удаляет пленки полимеризованных минеральных масел, которые попадают на стекло из сетевого воздуха или при разбрызгивании смазок механизмами машин (в вакууме эти пленки могут возгоняться, что приводит к потемнению катодов из-за отложения на них углеводородов).
Серная кислота служит кислой средой, необходимой для окисляющего действия бихромата калия, и, кроме того, растворяет окисленные им загрязнения.
Оранжево-красный цвет хромовой смеси служит признаком присутствия в ней ионов шестивалентного хрома — активной составляющей части хромпика. Окисляющая способность хромовой смеси по мере ее использования постепенно уменьшается: активный шестивалентный хром превращается в пассивный трехвалентный. Соли образующегося трехвалентного хрома имеют зеленую окраску. Поэтому изменение цвета хромовой смеси из 188
оранжево-красного в зеленый служит показателем ее непригодности для дальнейшего использования.
Для облегчения нанесения на стекло различных покрытий рекомендуется после мойки в хромовой смеси обработать колбу в течение 3 — 5 мин щелочным раствором, содержащим поверхностно-активное вещество.
Соляная, уксусная или азотная кислоты служат для удаления со стекла пыли, твердых частиц, окалины и слабых налетов углекислых солей (разъедов), образующихся при хранении и транспортировке колб. Предпочтение следует отдать уксусной кислоте, так как она лучше испаряется, а ее соли разлагаются с образованием безвредных для электровакуумных приборов веществ.
Применяют также промывку стеклянных и керамических деталей в 5 %-ном водном растворе пероксида водорода при непрерывном кипячении в течение 20 — 30 мин. Очистка улучшается при добавлении в раствор пероксида водорода водного раствора аммиака, который стабилизирует и предотвращает разложение пероксида. Керамические детали очищают также в ультразвуковых ваннах с щелочным раствором, содержащим поверхностно-активные вещества.
Для очистки регенерируемой керамики от металлических налетов и загрязнений применяют смесь муравьиной кислоты, пероксида водорода и аммиака в соотношении 1:1:1.
К очень эффективным моющим средствам относится водяной пар — при очистке мелких стеклянных деталей в медицинских стерилизаторах он конденсируется на поверхности стекла, хорошо ее смачивает и очищает.
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ОЧИСТКИ ДЕТАЛЕЙ
Контроль по смачиваемости основан на том, что вода хорошо смачивает чистую обезжиренную деталь и равномерно растекается по ее поверхности, образуя тонкую сплошную водяную пленку. На тех участках детали, где остались следы жировых загрязнений, вода не смачивает поверхность, а собирается в виде отдельных шаровидных капелек (рис. 12.2). Для количественной оценки чистоты поверхности по методу смачивания применяется прибор ОСЧ-1, на нем измеряется угол смачивания поверхности детали калиброванной каплей чистой воды: угол смачивания на хорошо очищенной поверхности не должен превышать 4 — 5° (что соответствует загрязненности порядка 0,02 мкг/см2).
Люминесцентный способ основан на том, что невидимые при обычном свете остатки минеральных масел флуоресцируют (т.е. испускают видимый свет) под действием
Рис. 12.2. Поверхность детали очищена плохо — вода не смачивает поверхность и собирается в каплиРис. 12.2. Поверхность детали очищена плохо — вода не смачивает поверхность и собирается в капли
Рис. 12.2. Поверхность детали очищена плохо — вода не смачивает поверхность и собирается в капли
Рис. 12.2. Поверхность детали очищена плохо — вода не смачивает поверхность и собирается в капли
ультрафиолетового излучения кварцевой лампы. Однако следы животных и растительных масел, мыльные смазки при этом не светятся.
Трибометрический способ основан на зависимости коэффициента трения покоя между двумя поверхностями от количества загрязнений на них. Контроль чистоты детали трибометрическим способом производят на приборе ИЧ-2. Одной стандартной поверхностью является стальной полированный шарж (преобразователь прибора), точечно касающийся второй, контролируемой, поверхности. Преобразователь под определенной нагрузкой опускается на контролируемый участок, и с помощью потенциометра фиксируется момент сдвига шарика с места (т.е. момент, когда сила тяги равна силе трения шарика о поверхность). По значению коэффициента трения покоя между шариком и испытуемой деталью судят о степени загрязнения детали.
Спектрофотометрический способ применяется для определения микроколичеств минеральных масел на поверхности детали. Он основан на измерении интенсивности поглощения ультрафиолетового излучения в зависимости от степени загрязненности. Для каждого вида масляных загрязнений предварительно снимаются градуировочные кривые зависимости оптической плотности от концентрации эталонного масла.
Кондуктометрический способ основан на измерении изменения удельного электрического сопротивления воды после контрольной промывки в ней исследуемых очищенных деталей. Этим способом можно определить количественное содержание на поверхности деталей солевых, кислотных и щелочных загрязнений.
ГЛАВА 13. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ
РАЗНОВИДНОСТИ ТЕРМИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ
В электровакуумном производстве применяются следующие термические процессы: отжиг и его разновидности — нормализация, закалка, отпуск; обжиг покрытий, нанесенных на 190
детали; термомеханическая, термохимическая и химико-термическая обработки. Эти процессы различаются между собой по назначению, температурным режимам нагрева, выдержки и охлаждения деталей, а также характером изменения структуры материала, его физико-химических, механических и вакуумных свойств.
Отжигом называется комплексный процесс, сочетающий нагрев заготовки, выдержку ее при заданной температуре и медленное охлаждение.
В зависимости от назначения и требований к металлам применяют рекристаллизационный, очистительный и диффузионный отжиг.
Рекристаллизационный отжиг применяют для изменения физико-химических и механических свойств металла:
снижаются твердость, прочность и хрупкость металла, к<> эрцитивная сила;
повышаются пластичность, относительное удлинение, формо- устойчивость (т.е. способность сохранять геометрическую форму при длительном термическом и механическом воздействии), ударная вязкость, теплопроводность, электропроводность, работа выхода электронов, магнитная проницаемость, химическая стой
кость;
устраняется намагниченность деталей, приобретаемая ими при холодной деформации в процессе механической обработки.
Изменение свойств материала при отжиге обусловливается изменениями структуры металла; рекристаллизацией металла; устранением дислокаций, вакансий и искривлений кристаллической решетки, образовавшихся при деформации металла в процессе механической обработки; снятием внутренних напряжений в металле.
Рекристаллизацией называется процесс превращения волокнистой структуры, образовавшейся при механической обработке металла, в зернистую структуру (см. с. 113). Процесс рекристаллизации протекает в две стадии.
Первая стадия первичная рекристаллизация — превращение волокон металла в мелкие недеформированные равноосные сфероидальные зерна.
Температурным порогом рекристаллизации или температурой начала рекристаллизации Тнр называется наименьшая температура, при которой начинают образовываться зерна металла.
Температура начала рекристаллизации зависит от многих Факторов: температуры плавления, степени деформации металла, наличия примесей, а также скорости нагрева. Для большинства чистых металлов она равна « 0,35 от температуры плавления
металла. Например, температура начала рекристаллизации железа 450°С, стали 450 — 550°С, никеля 350 — 550°С, меди 280°С, алюминия 100°С.
По мере увеличения содержания примесей Тнр повышается и ориентировочно составляет: при сотых долях процента содержания примесей — 0,4 Тпл, при десятых долях процента примесей, затрудняющих диффузию — 0,6 TM, для перенасыщенных твердых растворов — 0,8 Тпл. Первичная рекристаллизация заканчивается, когда в металле полностью исчезает волокнистая структура и все волокна превращаются в недеформированные зерна. Температура начала рекристаллизации Тнр снижается при увеличении длительности термообработки. Эти величины связаны между собой соотношением
*Тнр — СТпл/(1п 4yt),
где С — постоянная величина (равна 5 — 7); у — характеристическая, монохроматическая атомная частота, равная для большинства металлов 5-10 .
По мере увеличения температуры и продолжительности отжига начинается вторая стадия отжига — собирательная рекристаллизация. Под собирательной рекристаллизацией понимается процесс роста зерен, объединения отдельных зерен друг с другом и искажение их правильной равноосной формы. Размеры и форма зерен металла после отжига являются важнейшими характеристиками качества металла и определяют его основные механические и физико-химические свойства. Как известно, металл с мелкозернистой структурой обладает более высокой прочностью, пластичностью, сопротивлением удару, химической стойкостью и вакуумной плотностью, чем тот же металл с крупнозернистой структурой. Поэтому для обеспечения стабильных оптимальных свойств металла рекристаллизационный отжиг следует производить в режимах, обеспечивающих получение мелкозернистой структуры с равноосной формой зерен — обычно при температуре порядка 0,5 Тпл, лишь немного превышающей температуру начала рекристаллизации. При отжиге плотность дислокаций и других искажений кристаллической решетки металла уменьшается в 104 — 10D раз, что приводит к исчезновению внутренних напряжений и восстановлению физико-химических свойств, которыми обладал металл до механической обработки.
Для расчета режимов отжига (оптимального соотношения между температурой и длительностью отжига) пользуются следующей формулой:
Тотж(1 + 0,075 1g /) = 0,5 Тпд, где t — длительность отжига.
При выборе оптимального режима пользуются тремя обязательными положениями.
В качестве критерия отжига выбирают размер зерна в отожженном металле или какую-либо физико-химическую характеристику металла, например относительное удлинение металла иди пластичность, которая изменяется при механической обработке и восстанавливается при отжиге.
Обязательным условием является идентичность свойств отожженных деталей.
^ 3. При отжиге не допустим перегрев и пережог деталей, приводящий к появлению крупнозернистой структуры и межкристаллитной коррозии (пленок оксидов на границах зерен).
Одним из перспективных методов обеспечения качественного и высокопроизводительного отжига является подача ультразвуковых колебаний на отжигаемую деталь. Как видно из рис. 13.1, пластичность металла (критерий отжига) в процессе повышения температуры увеличивается до максимальной, а затем начиная с температуры Ti постепенно уменьшается. Температура Ti называется температурой перегрева, она соответствует образованию крупнозернистой структуры: металл становится газопроницаемым, хрупким и разрушается по границам зерен. Перегретый металл с крупнозернистой структурой разрушается именно по границам зерен в отличие от неотожженного нагартованного металла, который разрушается по самим зернам — волокнам.
Металл, отожженный и перегретый при температуре Ti (и близких к ней температурах), не является окончательным браком. После повторного отжига в режиме так называемого «полного отжига» (см. с. 196) ему можно придать мелкозернистую структуру.
Рис. 13.1. Влияние температуры отжига на прочность а и пластичность <5 деформированного металлаРис. 13.1. Влияние температуры отжига на прочность а и пластичность <5 деформированного металлаТемпература Ti является температурой пережога металла, при которой происходит оксидирование толщи металла кислородом воздуха с образованием на границах зерен оксидных оболочек. Это приводит к окончательному браку металла: необратимому резкому ухудшению механических и вакуумных свойств металлов и потере ими герметичности.
Рис. 13.1. Влияние температуры отжига на прочность а и пластичность <5 деформированного металла
Рис. 13.1. Влияние температуры отжига на прочность а и пластичность <5 деформированного металла
Нагрев деталей при отжиге происходит путем поглощения излучения от нагретых стенок печи (количество теплоты, пере-
даваемое за счет теплопроводимости через подставки для деталей и через атмосферу печи, мало и им можно пренебречь).
На основе закона сохранения энергии количество теплоты полученное деталью от излучения печи за время dZ, равно количеству теплоты, повышающей температуру детали на величину dT:
eKS^T4ОТЖ Т^дет) dZ “ cmdT,
где г — коэффициент излучения; К — постоянная Больцмана; S — поверхность детали, которая воспринимает излучение, см2; Тотж — температура в печи, °C; Тдет — температура нагреваемой детали, °C; Z — время, с; С — удельная теплоемкость металла, m — масса детали, г.
Время нагрева детали от 0 до Тотж в случае, если бы нагрев происходил с постоянной скоростью А = dT/dZ, определяется из следующего соотношения:
Zo ” Тотж/(dT/dZ) = пгсТотж/ (вК$7^отж)•
Очистительный отжиг предназначен для удаления с поверхности металла оксидных пленок, следов жира, масел, смазок органического и неорганического происхождения, следов моющих органических растворителей, сернистых, фосфористых, углеводородистых загрязнений, а также различных газов, паров и легколетучих примесей (типов Bi, Sn, Sb и др.). Оптимальная температура очистительного отжига приблизительно в 1,5 раза выше температуры, необходимой для рекристаллизации металла (Тотж ~ 0,75 Тпд).
На практике обычно совмещают процессы рекристаллизационного и очистительного отжига.
В зависимости от среды, в которой производится очистительный отжиг, различают следующие его разновидности:
восстановительный — в вакууме, в среде сухого водорода, формир-газа или частично сожженного водяного газа;
окислительный — на воздухе или в среде, обогащенной кислородом;
окислительно-восстановительный — в среде влажного водорода;
в инертной защитной среде — в атмосфере аргона, азота или диоксида углерода.
Оптимальный выбор среды позволяет придать поверхности деталей определенную структуру, требуемую степень шероховатости, и образовать на ней различные защитные пассивирующие пленки. Однако процессы, происходящие на поверхности деталей, зависят не только от среды, в которой производится отжиг, но и от свойств отжигаемых металлов и сплавов. Например, увлажненный водород для одних металлов (вольфрам, молибден,
никель) является восстановительной средой, а для других (сплавы, содержащие хром и железо) — сильно окисляющей средой.
Диффузионный отжиг служит для устранения химических микронеоднородностей и обеспечения однородной структуры и одинаковых свойств по всему объему металла. Поэтому диффузионный отжиг называется также гомогенизацией. В частности, при гомогенизации устраняется анизотропность свойств, приобретаемая металлом при механической обработке, ^апример, если при холодной штамповке использовать неотож- женные после прокатки листы (ленты) металла, то анизотропность свойств приводит к разнотолщинности стенок и волокнистости краев детали. Для гомогенизации требуются температура и продолжительность термической обработки значительно более высокие, чем при рекристаллизационном отжиге (например, температура диффузионного отжига стали Т ~ 1000 * 1100°С с выдержкой при максимальной температуре в течение 10 — 15 ч, в то время как температура начала рекристаллизации равна всего 550°С).
Диффузионный отжиг, устраняя химические неоднородности, позволяет наносить на детали сплошные равномерные гальванические покрытия любой толщины.
Отожженные детали медленнее окисляются на воздухе, чем неотожженные, их можно более длительное время хранить на воздухе.
Не следует путать понятия «отжиг» и «обжиг».
Обжигом или спеканием называется процесс, предназначенный для термической обработки покрытий, нанесенных на детали. При обжиге происходит обезгаживание покрытий (удаление следов влаги и органических загрязнений) и увеличение прочности сцепления частиц покрытий друг с другом и с поверхностью деталей — спекание покрытий. При обжиге в отличие от отжига не изменяются структура и механические свойства материала деталей. Следует отметить, что низкая температура и малая продолжительность обжига покрытий могут привести к сильному газовыделению в процессе вакуумной обработки и эксплуатации приборов и «отравлению» катодов.
ОСОБЕННОСТИ ОТЖИГА МЕТАЛЛОВ
И СПЛАВОВ, СПОСОБНЫХ К ФАЗОВЫМ ПРЕВРАЩЕНИЯМ
Для термической обработки углеродистых и легированных сталей и сплавов, способных к фазовым превращениям, применяются операции полного отжига, нормализации, закалки и отпуска. Общим для этих операций является обязательный нагрев до температур, превышающих критическую температуру стали,
при которой она приобретает аустенитную структуру (см. с. 110). Однако эти операции отличаются друг от друга продолжительностью выдержки при максимальных температурах и особенно скоростью охлаждения деталей.
Полный отжиг или отжиг на мелкое зерно применяется для придания металлу мелкозернистой структуры. При полном отжиге металл нагревают на 30 — 50°С выше температуры, при которой в нем образуется аустенитная структура, а затем без выдержки очень медленно охлаждают. При полном отжиге происходит фазовая перекристаллизация, сопровождающаяся снятием внутренних напряжений, образованием мягкой и вязкой мелкозернистой структуры, легко поддающейся обработке штамповкой.
Закалка — термическая обработка металла, производимая с целью повышения его твердости и прочности. Процесс закалки заключается в последовательном проведении операций нагрева металла до температуры выше критической (как и при полном отжиге), выдержки при этой температуре и быстрого принудительного охлаждения.
При медленном охлаждении (при отжиге и нормализации) аустенитная структура стали превращается в перлитную; при быстром охлаждении (при закалке) аустенитная структура превращается в мартенситную. Мартенсит магнитен и обладает наибольшей способностью сохранять в себе остаточный магнетизм.
При отжиге сплавов с содержанием отдельных компонентов более 1 % учитывают следующие особенности: добавки к основному металлу более легкоплавких металлов не изменяют температуру отжига сплава, она остается равной температуре отжига основного металла; добавки к основному металлу более тугоплавких металлов повышают температуру отжига, она становится равной температуре отжига наиболее тугоплавкого металла, если этот металл введен в количестве более 1%.
Добавка 10% рения к молибдену поднимает температуру отжига сплава до температуры отжига рения — это объясняется тем, что температура плавления рения (3180°С) выше температуры плавления молибдена (2622°С).
Добавка тех же 10% рения к вольфраму не меняет температуру отжига, которая остается равной температуре отжига вольфрама, — это объясняется тем, что температура плавления вольфрама (3410°С) выше температуры плавления рения (3180°С).
Неметаллы, введенные в сплав, влияют на температуру отжига так же, как и металлы. Например, легкоплавкий фосфор не влияет на температуру отжига оловянных бронз; кремний более тугоплавкий, чем медь, повышает температуру отжига бронз.
$ 13.3. ОСОБЕННОСТИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
В СРЕДЕ ВОДОРОДА
В среде сухого водорода отжигают детали из никеля, вольфрама, молибдена, железа, стали, бескислородной меди, магнитных материалов, производят спекание некоторых тугоплавких металлов и их сплавов, получаемых методом порошковой металлургии.
Водород выполняет следующие функции: удаляет оксиды с поверхности металла (восстанавливает оксиды до чистого металла); заполняет поры и неоднородности структуры металла и вытесняет из них другие газы и пары; препятствует проникновению агрессивных газов и паров загрязненного атмосферного воздуха в толщу деталей и соответственно повышает коррозионную стойкость и допустимые сроки хранения деталей после отжига. В отличие от других газов и паров водород имеет очень высокий коэффициент диффузии: поэтому он легко удаляется из деталей в процессе их обезгаживания при вакуумной обработке прибора.
В самом водороде может содержаться некоторое количество вредных примесей, особенно кислорода, водяных паров, углеводородов. Для отжига требуется водород, содержащий не более 0,001 % влаги и 0,005% кислорода (по объему).
При содержании в водороде даже незначительных количеств кислорода и паров воды (больше 0,1%) вместо восстановления оксидов может происходить дополнительное окисление отжигаемого металла. Поэтому водород предварительно подвергают очистке и сушке.
Очистка водорода от кислорода заключается в пропускании водорода через гранулированную, или пористую, медь, нагретую До ЗОО°С. Медь связывает кислород, превращаясь в закись или оксид меди.
На практике, однако, чем лучше и полнее производится очистка водорода от кислорода, тем больше в нем оказывается паров воды. Это связано с тем, что одновременно с реакцией 2Си + О2 -* 2СиО происходит реакция CuO + Н2 -> Си + +Н2О, приводящая к регенерации меди и образованию паров воды.
Степень осушки водорода (т. е. очистка водорода от водяных паров) характеризуется его точкой росы.
Точкой росы называется температура, до которой требуется охладить водород, чтобы из него начали конденсироваться пары
воды (т.е. температура, при которой на охлажденной поверхности начинает появляться роса). Чем ниже температура точки росы, тем более сухим является водород. Если водород пропустить через цеолитовую ловушку, то содержание углеводородов снижается в два раза, а точка росы уменьшается до — 70°С. При отжиге для удаления оксидов применяют водород с точкой росы не выше —50°С.
Детали из никеля, железа, меди и других металлов после водородного отжига следует охлаждать как можно медленнее. При быстром охлаждении этих материалов в них остается большое количество водорода, что приводит к появлению усадочных напряжений, снижению формоустойчивости деталей, повышенному газовыделению в приборе и разрушению структуры поверхности деталей.
Ряд металлов, сплавов и покрытий вообще нельзя отжигать в водороде.
Некоторые металлы, например титан, торий, тантал, ниобий, палладий, цирконий, молибденовая жесть, вступают в химическое взаимодействие с водородом с образованием гидридов металла — это приводит к увеличению хрупкости, появлению трещин, поверхностных пузырей, вздутий и других дефектов.
Электролитическая медь при отжиге в водороде подвергается так называемой водородной болезни — она содержит в виде закиси меди некоторое количество кислорода, который при реакции с водородом образует пары воды. При высокой температуре отжига водяные пары создают в толще меди огромное давление, разрушают поверхностные слои, вызывая появление на них мельчайших пузырьков и трещин, — медь становится хрупкой и вакуумно-неплотной.
Сплавы, содержащие хром, ванадий, марганец (например, нихром, нержавеющая сталь, магнитные сплавы), плохо очищаются от оксидов даже при точке росы водорода ниже —60°С (например, нихром даже при самом незначительном содержании кислорода и паров воды в водороде заметно окисляется).
Оксиды алюминия, магния, бериллия вообще не восстанавливаются в водороде.
При отжиге в водороде сплавов происходит переток кислорода от металлов, имеющих малое сродство с кислородом, к металлам, имеющим большое сродство к кислороду. Поэтому не рекомендуется отжиг в водороде никелевых кернов катодов с активирующими активными присадками: кислород с никеля переходит на активирующие присадки типа Mg, Al, Si и окисляет их, что снижает эмиссионную способность и долговечность катодов. По этой же причине нельзя одновременно в одной водородной печи отжигать разные металлы.
У ряда металлов растворимость водорода увеличивается по мере повышения температуры (например, Ni, Fe, Со, Сг, Си, дg> Mo, W, Pt). У некоторых металлов растворимость водорода уменьшается при повышении температуры (например, Ti, Zr, La, V, Th, Ta, Pd), и он выделяется в объем прибора.
Отжиг происходит и в среде влажного водорода. Увлажненный водород обычно имеет точку росы порядка 15 — 25°С (это соответствует содержанию водяных паров в водороде порядка 20 с^см3). Увлажнение водорода производится путем его предварительного пропускания через дистиллированную воду, нагретую до 4О...8О°С. При отжиге во влажном водороде происходят те же физико-химические процессы (удаление вакансий, рекристаллизация), что и при отжиге в любой среде, и дополнительно протекают окислительно-восстановительные процессы на поверхности и в толще металла.
Пары воды, содержащиеся во влажном водороде, диссоциируют на кислород и водород: 2Н2О ■ 2Нг + С>2. Образующийся кислород выполняет следующие функции.
Кислород образует тонкую пассивирующую оксидную пленку на поверхности металлических деталей, предназначенных для изготовления металлостеклянных спаев. Эта пленка обеспечивает вакуумную плотность спаев.
Параллельно с процессом окисления металла кислородом происходит процесс восстановления оксидной пленки водородом — это предотвращает превращение тонкой плотной пассивирующей оксидной пленки низшей валентности (улучшающей качество спая) в толстую, пористую оксидную пленку высшей валентности (ухудшающую качество спая и электрические и вакуумные свойства металла).
Кислород способствует окислению, сжиганию и удалению органических загрязнений, находящихся на деталях, — это снижает газовыделение деталей в готовом приборе, предотвращает появление «газовых пузырей» и нарушение вакуумной плотности спаев.
Кислород способствует удалению углерода из толщи и поверхности деталей: С + О2 -♦ СО2; 2С + О2 -* 2СО — это предотвращает образование карбидов, ухудшающих механические характеристики деталей.
Влажный водород обеспечивает лучшую спекаемость и более высокую прочность покрытий по сравнению с другими газовыми средами (например, значительно улучшает прочность сцепления алундового покрытия с керном подогревателя).
Для термической обработки в среде сухого-и влажного водорода обычно используют печи непрерывного действия (рис. 13.2). Печь состоит из зоны предварительного нагрева, основной высокотемпературной зоны (керамического муфеля) и зоны охлаждения.
Рис. 13.2. Печи водородного отжига:
а — принципиальная конструкция; б — усовершенствованная конструкция; I—крышка загрузки; 2— загрузочная часть печи; 3— каркас; 4— фланцы; 5— крышка печи; б— алундо- вая засыпка; 7—нагревание; 8—муфель; 9—холодильник; 1О— место выгрузки; 11— крышка выгрузки
Водород подается в печь (внутрь алундового муфеля и на обмотку нагревательного элемента) противотоком движению лодочек с отжигаемыми деталями. Метод противотока улучшает качество отжига, так как детали по мере очистки соприкасаются со все более чистыми порциями водорода.
В водородных печах имеют место все виды теплопередачи — излучение, конвекция и теплопроводность. Отверстие для подачи водорода расположено сверху, а для выпуска — снизу. Это позволяет водороду, находящемуся под избыточным давлением по сравнению с атмосферным воздухом, быстро и надежно заполнять объем муфеля и корпуса, вытеснять другие газы и предотвращать попадание воздуха в рабочую зону печи.
Водород при определенных соотношениях с воздухом образует взрывоопасную смесь, называемую гремучим газом, которая взрывается под действием искры или при температуре 500°С. Нижний предел содержания водорода в гремучем газе 9,45%, а верхний — 66,4%.
В качестве нейтральной среды при отжиге применяют инертные газы, например аргон (в случае, когда вакуумный отжиг
невозможен из-за испарения летучих компонентов, содержащихся в материале, а отжиг в водороде может привести к образованию хрупких гидридов металла).
ОСОБЕННОСТИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ В ВАКУУМЕ
Преимущества отжига в вакууме: отсутствие взаимодействия нагреваемых деталей с внешней газовой средой (это исключает возможность науглероживания, азотизации и наводороживания деталей и тем самым позволяет отжигать в вакууме любые металлы и сплавы без опасности ухудшения их физико-механических свойств); закрытие мелких пор в металле, обусловленное спеканием металла в вакууме; малое газовыделение отожженных деталей в объем готовых приборов (например, водород является «ядом» для фотоэлектронных катодов); возможность нагрева деталей индукционными токами и электронной бомбардировкой.
Недостатком вакуумного отжига является малый срок хранения отожженных деталей (ввиду постепенного заполнения пор в металле загрязненным атмосферным воздухом).
Очистка деталей при термической обработке в вакууме основана на следующих процессах: термической диссоциации оксидов и других загрязнений с выделением газообразных продуктов; повышении скорости диффузии загрязнений из толщи детали к поверхности; испарении и возгонке загрязнений с поверхности — с последующей откачкой их вакуумной системой вакуумных печей отжига. Наибольшее применение для термической обработки нашли камерные и колпачковые печи сопротивления периодического действия, шлюзовые печи сопротивления непрерывного действия и установки с индукционным нагревом деталей.
На рис. 13.3 показана схема вакуумной печи непрерывного действия, которая состоит из загрузочной 3 и разгрузочной 9
Рис. 13.3. Вакуумная печь непрерывного действия
шлюзовых камер, камер нагрева 6 и охлаждения 7 и механизма перемещения деталей 2 и 4. Детали в лодочке или кассете 8 загружают в шлюзовую камеру, снабженную двумя вакуумными затворами 5, один из которых отделяет шлюзовую камеру си окружающего пространства 1, а другой — рабочее пространство печи от шлюзовой камеры. Шлюзы откачивают до разрежения, равного разрежению в рабочем объеме печи. После этого открываются затворы, отделяющие рабочее пространство печи от шлюзовых камер, и изделие транспортируется в печь. При этом все кассеты с деталями, находящиеся в печи, перемещаются на одну кассету в шлюзовую камеру выгрузки. Рабочее пространство печи представляет собой примыкающие одна к другой две камеры — нагревательную и холодильную. Нагрев деталей производится за счет теплоизлучения от специальных молибденовых, вольфрамовых или графитовых нагревателей, по которым пропускается электрический ток.
В установке вакуумного отжига с индукционным нагревом индукторы, питаемые от генератора высокой частоты, могут располагаться как снаружи, так и внутри баллонов или колпаков, в которых создается вакуум. Детали помещают под колпак в танталовом или молибденовом цилиндре, в котором возникают вихревые индукционные токи высокой частоты.
Применение безмасляных средств откачки (например, турбо- молекулярных, электроразрядных насосов) предотвращает загрязнение рабочего объема установки и отжигаемых деталей парами масла насосов.
Обычно для отжига деталей применяют вакуум порядка 10"3 — 10—4 Па. Это разрежение достаточно для безокислительного нагрева Ni, Си, Ge, Fe, Со, Mo, W. Значительно более высокий вакуум требуется для отжига деталей из тантала, титана, ниобия и их сплавов. При оптимальном температурном режиме скорость откачки должна превышать скорость газовыделения отжигаемых деталей и вакуум при отжиге не должен меняться. При малой скорости откачки газы и пары, выделяющиеся из деталей, могут снова вступить с ними в химическое взаимодействие и образовать оксиды, нитриды и другие трудноудаляемые соединения. Температура отжига в вакууме должна быть на 300 — 400°С выше рабочей температуры деталей при эксплуатации прибора. Например, при вакуумном отжиге стали температура и время выдержки должны быть достаточны для превращения магнитной структуры стали в немагнитную: ддя стали Х19Н9 оптимальная температура отжига Т — 800°С и выдержка в течение одного часа.
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА В ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ СРЕДЕ
Воздушная окислительная атмосфера предназначена для: пол- goro удаления органических загрязнений, следы органики окисляются, выгорают и испаряются в виде газообразных продукте (наличие на деталях органических загрязнений приводит к образованию темных пятен и налетов, искажающих электрические характеристики и повышающих газовыделение в вакууме); повышения пластичности между промежуточными операциями механической обработки; создания развитой шероховатой поверхности, что обеспечивает получение вакуумно-плотных металлостеклянных и металлокерамических спаев и повышает прочность наносимых на деталь покрытий.
При окислительном отжиге необходимо избегать осмоления органических загрязнений и образования трудноудаляемых смолообразных пленок, поэтому детали следует помещать сразу в горячую зону печи окисления и обеспечивать хороший доступ к деталям свежих порций воздуха (например, путем циркуляции и нагнетания воздуха вентиляторами). Допустимая температура термической обработки на воздухе Та — 150°С, Nb — 250°С, Мо - 500°С, W — 800°С, Сг — 1000°С.
В окислительной среде рекомендуется производить обжиг покрытий — это обеспечивает малое газовыделение в готовом приборе и хорошее сцепление частиц покрытия друг с другом и с поверхностью подложки.
ОТЖИГ СТЕКЛОИЗДЕЛИЙ
После изготовления стелянных изделий, стеклометаллических и стеклокерамических соединений в них образуются термические и коэффициентные напряжения.
Операция отжига стекла производится для удаления постоянных напряжений, которые возникли в стеклодетали или в спае в процессе их изготовления и для предотвращения возникновения новых постоянных напряжений, которые могут образоваться в процессе охлаждения стеклоизделия уже после снятия старых остаточных напряжений.
Отжиг стеклоизделий состоит из двух стадий.
Нагрев стекла до температуры, при которой удаляются 95% имевшихся в стекле термических напряжений; эта температура называется «верхней границей зоны отжига». Обычно верхняя граница зоны отжига на 50°С ниже температуры размягчения стекла (при более высокой температуре отжига может произойти Деформация стеклооболочки). При температуре, равной верхней границе зоны отжига, вязкость стекла составляет 1012 — 1013П,
е. стекло приобретает пластичные свойства. В этом состоянии в стекле создается возможность быстрых взаимных перемещений молекул и атомов, что приводит к ослаблению или снятию остаточных напряжений в стекле за сравнительно короткое время (10 — 30 мин). Оптимальная продолжительность выдержки стекла при максимальной температуре зависит от величины этой температуры и соответственно от вязкости стекла:
lg ( = lg^ — 11,5,
где у — вязкость стекла при максимальной температуре отжига, П.
Как следует из формулы, при вязкости 1014П время выдержи при отжиге должно составлять 50 мин, а при вязкости 1013П около 5 мин.
Медленное охлаждение стекла способствует равномерному изменению температуры по всей толще стекла, минимальному перепаду температуры между поверхностными и внутренними слоями и предотвращает образование новых термических напряжений в стекле.
Особенно медленно следует охлаждать стекло в интервале от верхней до нижней границы зоны отжига. Нижняя граница зоны отжига (т. е. температура, при которой вязкость стекла составляет 1014П) приблизительно на 150 — 200°С ниже температуры размягчения стекла. В этом интервале температур в стекле могут возникать постоянные (остаточные) напряжения. При дальнейшем охлаждении от нижней границы зоны отжига до комнатной температуры в стекле возникают только временные (переходные) напряжения. Скорость охлаждения должна быть тем меньше, чем толще стекло, больше его ТКР и чем меньше теплопроводность и термостойкость стекла. Коэффициентные напряжения в стеклянных спаях в зависимости от режимов отжига могут возрастать или уменьшаться. Режим длительного нагрева при температуре трансформации и медленного охлаждения (необходимый для снижения термических напряжений) приводит к снижению коэффициентных напряжений в случае, когда одно из спаиваемых стекол имеет более высокий ТКР, а другое стекло — более высокую температуру трансформации. Этот же режим отжига приводит к возрастанию коэффициентных напряжений, когда одно из стекол имеет и ТКР, и температуру трансформации более высокие, чем другое.
На рис. 13.4 показана кривая отжига (график изменения оптимальной температуры в процессе отжига).
Ъины плоской стенки, если она „, „ , „
нагревается и охлаждается сис. . . ривая отжига
двух сторон, или полная толщина стенок цилиндрической трубки (так как она нагревается только с наружной стороны), см; АТ — термостойкость стекла, °C.
Продолжительность выдержки стекла /(мин) при температурах, близких к максимальной температуре отжига (участок Б), определяется по формуле / - 10 + 10а2.
Скорость медленного охлаждения от верхней до нижней границы зоны отжига (участок В) можно рассчитать по формуле
П АТ.а
При отжиге заверенных приемно-усилительных ламп (ПУЛ) скорость охлаждения обычно не превышает 30°С/мин. Превышение оптимальной скорости охлаждения в этой зоне может вызвать появление постоянных напряжений и растрескивание стекла в любой момент уже после остывания прибора до комнатной температуры.
Скорость более быстрого охлаждения от нижней границы зоны отжига до температуры 100 — 150°С (участок Г) определяется по формуле
у2 = 21^. дг а2
Эта скорость выбирается с таким расчетом, чтобы временные напряжения, которые возникают на данной стадии отжига, не превышали предела прочности стекла. Например, предельно допустимая скорость охлаждения оболочек ПУЛ в этой зоне 150°С/мин. В этом интервале температур превышение оптимальной скорости охлаждения может вызвать растрескивание прибора только в процессе его охлаждения и не будет сказываться на механической прочности стекла после его остывания до комнатной температуры. Скорость охлаждения от 100°С до комнатной температуры не лимитируется.
ГЛАВА 14. СОЕДИНЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
РАЗНОВИДНОСТИ МЕТОДОВ СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ Л
Металлические детали электровакуумных приборов соединяют между собой несколькими методами: сваркой, пайкой, механическим креплением с помощью стеклокристаллических цементов и эмалей.
Сваркой называется процесс получения монолитного неразъемного соединения из двух деталей, изготовленных из одного и того же или из разных металлов. По механизму образования сварного соединения различают сварку плавлением и давлением (сварка в твердом состоянии).
При сварке плавлением свариваемые металлы разогреваются на участке сварки до температуры плавления. К разновидностям сварки плавлением относятся электроконтактная, токами высокой частоты, газовая, дуговая, лазерная, плазменная, электронно- и ионно-лучевая.
При сварке давлением металлы в процессе образования сварочного шва остаются в твердом пластичном состоянии и соединение деталей происходит путем совместных пластических деформаций материалов и образования металлических связей между их поверхностями. К разновидностям сварки давлением относятся ультразвуковая, холодная, трением, диффузионная. Каждый вид этой сварки отличается различными способами пластической деформации, ее значением и температурным режимом.
Пайкой называется процесс получения неразъемного соединения металлических деталей с помощью вспомогательного металла или сплава — припоя. При пайке в отличие от сварки сами соединяемые металлы не деформируются и не изменяют свою вязкость; не переходят ни в жидкое состояние (как при сварке плавлением), ни в пластичное (как при сварке давлением).
Общие требования к качеству соединений: достаточная механическая прочность в условиях воздействия электрических, термических, вибрационных и ударных нагрузок; чистота мест соединения (отсутствие оксидов, шлаков, заусенцев, стружки и других посторонних частиц, способных вызвать утечки, пробои между электродами, «паразитную» эмиссию, повышенное газовы- деление в вакууме и другие дефекты); герметичность (вакуумная плотность) мест соединения; отсутствие искажений геометрической формы соединения.
ЭЛЕКТРОКОНТАКТНАЯ СВАРКА
При соединении металлов электроконтактной сваркой одновременно происходит нагрев деталей под действием проходящего через них тока и пластическая деформация деталей под влиянием приложенных усилий сжатия.
Различаются следующие разновидности электроконтактной сварки: точечная, стыковая, шовная (рис. 14.1).
В электровакуумном производстве обычно применяется точечная сварка (рис. 14.1, б). Две свариваемые детали 2 зажимаются между электродами 2, к которым подводится ток от вторичного витка сварочного трансформатора (нижний электрод неподвижен, а верхний перемещается). Механизм сжатия, связанный с верхним электродом, производит механическое давление на свариваемые детали как перед пропусканием тока, так и в процессе сварки. Сжатие деталей позволяет: обеспечить электрический контакт по микронеровностям твердых поверхностей соединяемых деталей (необходимо для прохождения тока в начальный момент сварки); увеличить зону контакта свариваемых деталей (сжатие вызывает пластическую деформацию нагретых участков 3 детали, сглаживание и удаление микронеровностей и заусенцев).
На рис. 14.2 показан цикл точечной сварки. На этапе 1 происходит сжатие деталей электродами (р); на этапе 2 —
Рис. 14.1. Виды электроконтактной сварки: встыковая; 6—точечная; в — шовная
удержание электродов в сжатом состоянии и повышение давления в конце импульса тока; на этапе 3 — снятие давления; 4 — включение тока; 5 — выключение тока.
При прохождении тока в центре контактной зоны между двумя деталями происходит расплавление металлов. При этом размягченные металлы образуют между собой сплав — расплавленное жидкое ядро, общее для двух деталей. Теплопроводность металла электродов в несколько раз больше теплопроводности свариваемых металлов, поэтому электроды обеспечивают сильный отвод теплоты от зоны, окружающей расплавленное ядро, и создают вокруг жидкого ядра твердую пластичную оболочку (рис. 14.3). Эта твердая оболочка удерживает расплавленный металл ядра и предупреждает его выплески из зоны сварки. После выключения тока усилие сжатия сохраняется до момента затвердевания ядра, чтобы детали успели остыть в сжатом состоянии.
Образование ядра — обязательное условие прочности соединения, при недостаточных размерах ядра получается дефект, называемый непроваром. Однако при чрезмерной величине ядра может иметь место выплеск металла, что приводит к снижению прочности соединения, а также к возможности появления коротких замыканий и утечек.
Количество теплоты, выделяемой при сварке, определяется законом Джоуля — Ленца (Дж):
Q = 0,24У2/?/
или Q = f0 [rk(O + гд(О] Z2(Z)d(,
где гк — контактное сопротивление между деталями, Ом; гд — сопротивление детали от электрода до места сварки, Ом; J — сварочный ток; t — время прохождения тока, с.
Общее сопротивление сварочной цепи складывается из сопротивления двух контактов л (рис. 14.4) между электродами
Рис. 14.3. Схема образования ядра при сварке:Рис. 14.3. Схема образования ядра при сварке:
Рис. 14.3. Схема образования ядра при сварке:
Рис. 14.3. Схема образования ядра при сварке:
сварочное ядро; 2— твердая оболочка; 3— свариваемые детали
Рис. 14.4. Схема точечной сварки:Рис. 14.4. Схема точечной сварки:л деталями, из сопротивления контакта г2 между поверхностями двух деталей и сопротивления самих свариваемых деталей г3:
Рис. 14.4. Схема точечной сварки:
Рис. 14.4. Схема точечной сварки:
R = 2г j + г2 + 2г3.
2—свариваемые детали, 2, 3— электроды, 4—трансформатордеталей (на сопротивлении г2) и2—свариваемые детали, 2, 3— электроды, 4—трансформатордеталей (на сопротивлении г2) иДля обеспечения качественной сварки необ- ходимо, чтобы максимальное количество теплоты выделялось в зоне контакта поверхностей свариваемых
2—свариваемые детали, 2, 3— электроды, 4—трансформатор
деталей (на сопротивлении г2) и
2—свариваемые детали, 2, 3— электроды, 4—трансформатор
деталей (на сопротивлении г2) и
минимальное — на других участках сварочной цепи. Для этого необходимо, чтобы электрическое сопротивление зоны контакта г2 было несравненно больше сопротивлений rj и г3. При наличии большого сопротивления между электродом и деталью параметры сварки становятся нестабильными и качество сварочного шва резко ухудшается — происходит расплавление и искажение геометрии торцов электродов и даже приварка их к деталям (за счет выделяющейся на электроде теплоты). Для уменьшения сопротивления rj в контакте между электродом и деталью необходимо: увеличить давление сжатия, так как при этом возрастет площадь соприкосновения (поверхность торца электрода неровная и соприкосновение его с поверхностью детали происходит в отдельных точках); выбрать в качестве электродов материалы, имеющие низкое электрическое сопротивление и обеспечивающие плотный контакт при сжатии; очистить электроды от механических загрязнений, жировых и оксидных пленок.
РЕЖИМЫ СВАРКИ
К специфическим особенностям электроконтактной сварки относятся: малая продолжительность сварочного цикла 3 — 100 мс, высокие скорости нагрева сварного соединения до 1500 — 2000 С/с, высокие плотности действующего значения тока (до 150 000 А/см), интенсивный теплоотвод в электроды сварочной машины, низкое напряжение на электродах сварочных машин = 1 4- 16 В.
На качество сварки влияют: физико-химические свойства и толщина свариваемых материалов; режимы сварки (усилие сжатия, ток сварки, длительность и форма импульсов сварки); степень предварительной очистки свариваемых поверхностей; геометрия и материал электродов и характер внешней среды (воздух, защитная среда нейтральных газов, вакуум).
Для обеспечения хорошей свариваемости металл должен быть пластичен, иметь низкую температуру плавления, достаточно высокое электрическое сопротивление, низкую теплопроводность, высокую химическую устойчивость по отношению к агрессивным газам воздушной среды и не подвергаться структурным изменениям при повышенных температурах11. В наибольшей степени этим свойствам удовлетворяют никель и его сплавы, железо, малоуглеродистые стали, титан.
Плохо свариваются следующие металлы и сплавы: вольфрам — так как отсутствует пластичность, склонен к образованию оксидов и появлению хрупкости; молибден — причиной является малая пластичность и низкая химическая стойкость, его рекомендуется сваривать в специальных защитных средах (как и другие металлы и сплавы, имеющие низкую химическую стойкость); медь и алюминий — высокая электро- и теплопроводность этих металлов затрудняет концентрацию теплоты и образование стабильного расплавленного ядра в зоне контакта (пластичная твердая оболочка, окружающая сварочное ядро, разрывается и часть металла из расплавленного ядра выбрасывается наружу в виде высплесков расплавленных металлических частиц — в сварочном шве образуются вмятины, резко снижающие его прочность).
Для сварки любых металлов с высокой электро- и теплопроводностью необходимо применять специальные источники тока, обеспечивающие высокую плотность тока при малой длительности импульсов (см. с. 212). Снижение длительности импульса (при сохранении энергии импульса) позволяет снизить потери и рассеивание теплоты, перегрев околошовных участков детали, предотвращает разрыв сварочного ядра, окисление свариваемых деталей и возникновение сильных напряжений, изменений структуры металлов в зоне сварки.
При сварке разнородных металлов следует учитывать, что при равных условиях хорошо свариваются между собой металлы, мало отличающиеся по температуре плавления, удельному электрическому сопротивлению и теплопроводности; плохо свариваются детали, имеющие большую разницу в толщине,— при сварке участки более толстой детали не успевают нагреваться до температуры плавления и расплавленное ядро практически образуется только в тонкой детали; не свариваются металлы, не образующие между собой сплавов, например вольфрам с молибде-
1
Высокое электрическое сопротивление обеспечивает выделение большого количества теплоты в месте сварки, а низкая теплопроводность — способствует концентрации теплоты в сварочном ядре и хорошему проплавлению.
ном. Сварку этих металлов производят с помощью прокладочного металла, например никеля или титана.
Качество сварки во многом зависит от оптимального выбора усилия сжатия электродов. При малом усилии сжатия создается плохой контакт между свариваемыми поверхностями, возникают разряды и искрения с образованием мелких местных «ложных» ядер, имеющих малую прочность.
При чрезмерно большом усилии сжатия происходит деформация точек сварки (после размягчения металла) вплоть до разрыва ядра. Поэтому необходимо по мере повышения температуры в зоне сварки снижать усилие сжатия на электроды.
Основным видом брака при сварке является непровар. Причинами этого дефекта могут быть: малая величина (или неуправляемые колебания) силы сварочного тока и длительности сварки, чрезмерно большое усилие сжатия, обгорание, окисление или загрязнение электродов, затупление контактной поверхности электродов. Для предохранения расплавленных участков детали и электродов от контакта с атмосферой место сварки смачивают спиртом, водой или гидрофильными жидкостями.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СВАРКИ
По роду питания, преобразования и накопления энергии различаются следующие установки контактной сварки:
однофазного переменного тока промышленной или пониженной частоты;
постоянного тока (с выпрямлением тока во вторичном контуре);
трехфазного тока, низкочастотные с тиристорными преобразователями;
с накоплением энергии (в конденсаторах, электромагнитных системах, вращающихся массах).
Структурная схема электрической части машин контактной сварки приведена на рис. 14.5. Для подводки сварочного тока к детали 1 служит состоящий из различных элементов токопровода вторичный контур 2. Форма кривой и значение силы сварочного тока получаются путем преобразования или накапливания электрической энергии сети промышленной частоты с помощью трансформаторов 3, 9, выпрямителей 6 или накопителей энергии 8 (например, батареи конденсаторов). Преобразователи (трансформаторы, выпрямители) включают в сеть или подсоединяют к накопителю энергии 8 с помощью контакта 5, а необходимое чередование полярности тока в сварочном трансформаторе обеспечивается коммутатором 7. Сварочный трансформатор 3 обеспечивает получение больших значений тока при пониженном
напряжении. Регулировка сварочного тока осуществляется ступенчатым изменением вторичного напряжения трансформатора з путем переключения числа ступеней его первичной обмотки переключателем 4. Регулирование сварочного тока и заданной последовательности и продолжительности операции сварки осуществляется аппаратурой управления 10 путем изменения момента включения вентилей контактора 5 (выпрямитель) относительно напряжения сети в каждой полуволне.
Форма и продолжительность сварочного импульса оказывают решающее влияние на качество сварки. Например, сварка импульсом 1 с постоянным снижением силы тока (рис. 14.6) приводит к выплескам металла и малой прочности сварочного соединения из-за стремительного нарастания температуры. Сварка импульсом 2 с постоянным повышением силы тока (имеющим то же действующее значение тока, что и импульс 1, но другую форму) обеспечивает качественное сварное соединение.
Для предотвращения остывания деталей в процессе образования ядра сварки импульс тока должен быть непрерывным и однополярным. Форма и длительность импульсов регулируются от 0,01 до 0,001 с помощью автоматических регуляторов сварочного тока, использующих электронные схемы.
Автоматические регуляторы сварочного тока представляют собой комплекс устройств, синхронизирующих включение сварочного трансформатора в заданный момент времени и его отключение, а также принудительное (предварительно заданное) формирование импульса тока.
Рис. 14.5. Разновидности структурных схем (а — г) электрической части основных типов машин контактной сваркиРис. 14.5. Разновидности структурных схем (а — г) электрической части основных типов машин контактной сваркиРис. 14.6. Влияние формы импульса тока на процесс сваркиРис. 14.6. Влияние формы импульса тока на процесс сварки
Рис. 14.5. Разновидности структурных схем (а — г) электрической части основных типов машин контактной сварки
Рис. 14.5. Разновидности структурных схем (а — г) электрической части основных типов машин контактной сварки
Рис. 14.6. Влияние формы импульса тока на процесс сварки
Рис. 14.6. Влияние формы импульса тока на процесс сварки
Регулирование силы сварочного тока и напряжения во вторичной цепи осуществляется переключением витков первичной обмотки с помощью переключателя.
Для сварки мелких деталей применяют разряд конденсатора — конденсаторная сварка. Изменяя емкость конденсатора, можно регулировать частоту и длительность импульса. Напряжение на конденсаторе определяет амплитуду тока разряда.
К преимуществам конденсаторных машин сварки относится повышенная стабильность сварочного тока при практически любых ''колебаниях напряжения сети.
В качестве материала для электродов обычно применяется медь, хромистая медь, твердые медно-вольфрамовые сплавы, а также хромистые сплавы с присадкой циркония и хромоцинко- медные сплавы.
Сварочные машины в электровакуумном производстве вмонтированы в конструкцию монтажного стола и представляют единый механизм — монтажно-сварочный стол (рис. 14.7). Монтажный стол оснащен сварочным станком, понижающим трансформатором, устройствами для автоматического регулирования тока, времени прохождения импульсов и усилия сжатия, а также устройством
Рис. 14.7. Конструкция монтажно-сварочного стола:
1*— блоки питания; 2— блоки управления; 3— колпак; 4— сварочный
механизм; 5— стол; 6— сварное основание стола; 7— педаль для сближения и сжатия деталей; 8— тяга
4-34-3Рис. 14.8. Безынерционные сварочные головки монтажного столаРис. 14.8. Безынерционные сварочные головки монтажного столадля подачи и регулирования давления инертного газа или жидкости (например, спирта). Сварочный механизм имеет большое число ступеней регулирования тока сварки в зависимости от толщины, формы и материала деталей. Он должен иметь малую инерционность, при большой инерционности в начале сварки имеет место «зависание» верхнего электрода — это снижает усилие сжатия, увеличивает контактное сопротивление в местах сварки и приводит к непровару. В конце сварки большая инерционность подвижного электрода затрудняет своевременное снятие усилия сжатия и приводит к выплескам жидкого металла и прожигам.
4-3
4-3
Рис. 14.8. Безынерционные сварочные головки монтажного стола
Рис. 14.8. Безынерционные сварочные головки монтажного стола
На рис. 14.8 показана схема безынерционной сварочной головки монтажного стола, предназначенная для сварки тонких и сверхтонких материалов. В неподвижном корпусе У в вертикальном направлении перемещается колонка 7, на которой снизу закреплена траверса 5, а сверху головка УО с плоскими пружинами 14. Пластмассовые втулки б и 8 изолируют подвижную часть от корпуса. Дополнительная направляющая 2 подвижной системы выполнена в виде эксцентрика, что позволяет устранять люфт (свободный ход), появляющийся при износе. В нерабочем состоянии подвижная система удерживается в верхнем положении пружиной 3. В неподвижном держателе 17 укреплен нижний электрод Уб. Верхний подвижный электрод У5 смонтирован в подвижном держателе 13, жестко связанном с параллельными плоскими пружинами 14. Это позволяет ему перемещаться в небольших пределах относительно колонки 7. Регулировочный винт 12, упирающийся в пластину У У, жестко сидящую на колонке 7, определяет степень деформации пружины, т.е. величину усилия сжатия электродов. Опускание подвижного электрода осуществляется нажимом на педаль, связанную тягой с серьгой 4 (педаль и тяга на рисунке не показаны). При нажиме на педаль траверса опускается до соприкосновения подвижного электрода с деталью, электрод останавливается и в дальнейшем
Рис. 14.9. Принципиальные схемы основных способов точечной сварки
сжимает детали с постоянным усилием, хотя колонка 7 и головка 10 продолжают двигаться дальше, до упора гайки 9 в корпус. Тяга, связывающая педаль с серьгой, представляет собой пружину, поэтому ход педали продолжается до замыкания находящегося под ней контакта, после чего происходит подача сварочного импульса. Это обеспечивает включение электрической цепи только после надежного сжатия деталей. Величину усилия сжатия электродов контролируют путем измерения прогиба плоских пружин с помощью индикатора часового типа, устанавливаемого на сварочной головке, при этом пользуются переводной таблицей: прогиб пружины — усилие сжатия.
В большинстве случаев пригодность той или иной модели монтажного стола для сварки определяется минимальной толщиной свариваемых деталей, указываемой в характеристике оборудования. Очень важными параметрами сварочного оборудования являются число ступеней регулирования тока и механизм обеспечения и контроля усилия сжатия электрода.
Под колпаком монтажного стола обязательно создается избыточное давление обеспыленного воздуха порядка 100 Па, что позволяет создать на рабочем месте атмосферу, содержащую не более 5 частиц (размером > 1 мкм) в литре воздуха.
Монтажный стол питается от групповых или индивидуальных генераторов сварочных импульсов.
Машины точечной сварки различаются по способу подвода тока. На рис. 14.9 показаны способы «бесследной» сварки, позволяющие уменьшить вмятины от электродов с одной стороны свариваемого изделия: а — путем увеличения рабочей поверхности одного из электродов; б — путем сварки на плоском электроде; в — путем введения промежуточной плоской пластины; г — путем косвенного токоподвода (с одной стороны ток подводится электродом с нормальной контактной поверхностью, а с другой — электродом с большой контактной поверхностью; д, е — путем оптимизации мест приложения усилий сжатия; ж — путем односторонней многоточечной сварки (особенно для тонколистовых изделий); з — путем двустороннего токоподвода от спаренного трансформатора (одновременная сварка двух точек позволяет качественно сваривать детали большой толщины).
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА
Электронно-лучевая сварка основана на использовании энергии, выделяющейся при столкновении потока ускоренных электронов со свариваемыми деталями. Кинетическая энергия электронов превращается в теплоту, которая расходуется на расплавление свариваемых деталей в зоне действия электронного луча.
Сварочная электронно-лучевая установка (рис. 14.10) состоит из вакуумной камеры 5 (вакуум « 540—3 Па создается вакуумным насосом S), в которой размещена электронная пушка 4, подключенная к выпрямителю высокого напряжения 2. Электронная пушка предназначена для создания, ускорения, фокусировки электронного луча.
Электронный луч попадает в точку сварки за счет отклонения луча с помощью отклоняющих магнитных катушек 6 или с помощью механизма 7 перемещения свариваемых деталей — управление работой установки производится с пульта 1 через электрический вакуумный ввод 3.
В зависимости от ускоряющего напряжения электроны проникают в материал на глубину
а = 2,140—12 U^lp,
где U — ускоряющее напряжение, В; р — плотность материала, г/см3.
Например, при ускоряющем напряжении 50 000 В электроны проходят путь в алюминии 19,4 мм, в стали — 6,8 мм, в вольфраме — 2,7 мм. Отношение глубины шва к ширине проплавления может достигать 15 мм (для швов, полученных, например, аргонодуговой сваркой, это соотношение не превышает 0,5).
Основные преимущества электронно-лучевой сварки: возможность сваривать тугоплавкие металлы, детали раз
электронно-луче-электронно-луче-ных и значительных толщин, рис uJO установка отсутствие деформации дета- юй сварки лей, сохранение структуры и физико-механических свойств материала деталей в тающих к сварному шву, химическая чистота
электронно-луче-
электронно-луче-
зонах, приле- и вакуумнаязонах, приле- и вакуумнаяплотность сварного шва, отсутствие прожогов и выплесков металла (даже при сварке деталей малых толщин), возможность сварки вплотность сварного шва, отсутствие прожогов и выплесков металла (даже при сварке деталей малых толщин), возможность сварки втруднодоступных местах.
зонах, приле- и вакуумная
зонах, приле- и вакуумная
плотность сварного шва, отсутствие прожогов и выплесков металла (даже при сварке деталей малых толщин), возможность сварки в
плотность сварного шва, отсутствие прожогов и выплесков металла (даже при сварке деталей малых толщин), возможность сварки в
СВАРКА В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ
Металлы можно сваривать без нагрева до высоких температур и перевода их в расплавленное состояние. Прочное соединение металлов в твердом состоянии происходит вследствие образования металлических связей на свариваемых поверхностях при их совместном деформировании.
При сближении двух абсолютно гладких и чистых металлических поверхностей (такие поверхности называются ювенильными) находящиеся на них электроны становятся общими для обеих поверхностей — «коллективизированными»; они притягивают положительные ионы как одной, так и другой поверхности, что приводит к взаимодействию и прочному соединению контактирующих поверхностей в единую монолитную заготовку.
В реальных условиях поверхности металлических заготовок не являются ювенильными, они покрыты оксидами, масляными и газообразными пленками и имеют определенную степень шероховатости и волнистости.
Поэтому соединение металлов при сварке в твердой фазе проходит три этапа:
сближение свариваемых поверхностей (происходит деформация и частичное удаление микрошероховатостей и волнисто- стей); сварка осуществляется на расстояниях = 5- 10—8 см;
возникновение металлического контакта (увеличивается площадь металлического контакта свариваемых поверхностей, что сопровождается возникновением на них общих кристаллов; при этом разрушаются хрупкие оксидные пленки, а жидкие и газовые пленки вытесняются и частично диффундируют в глубь металла); в контакте двух образовавшихся ювенильных поверхностей за счет межатомных сил притяжения возникает металлическая связь;
создание прочного сварочного соединения (этот этап продолжителен и характеризуется диффузией частиц, образующих шов).
Основу холодной сварки металлов составляют пластические деформации материалов, происходящие при давлении, превышающем их предел текучести (рис. 14.11). Основной параметр холодной сварки определяется степенью деформации металла в месте соединения, которая зависит от свойств металла, его толщины, типа соединения и способов подготовки поверхностей. Применение твердых материалов или покрытие мягких металлов (например, меди) пленками твердых металлов (никелем), а также тщательная очистка поверхности позволяют получить прочный шов при малой деформации свариваемых деталей. Холодная сварка применяется, в частности, для герметизации металлических приборов после их вакуумной обработки. Металлический стержень (например, медный) пережимается щипцами, имеющими губки прямоугольной формы с закругленными углами. При определенных усилиях сжатия (для меди — 0,9 ГПа, для алюминия — 0,3 ГПа, для стали — 1,8 ГПа) происходит взаимная диффузия металла стенок с исчезновением границы раздела и образованием сплошной, единой кристаллической структуры. Прочность соединения
Рис. 14.11. Схемы холодной сварки внахлестку:
а — вдавливанием одного пуансона; б — вдавливанием двух пуансонов; в — вдавливанием пуансонов с предварительным зажатием изделия
зависит от пластической деформации в месте холодной сварки и обычно выше прочности основного металла — это объясняется тем, что в местах соединения металл упрочняется вследствие наклепа и образования волокнистой структуры. Холодную сварку можно осуществлять также путем сдавливания соединяемых деталей с одновременным их тангенциальным относительным смещением. Этот способ получил название сварки сдвигом. При сварке сдвигом соединение деталей происходит при меньших деформациях, чем при других способах холодной сварки. Это объясняется тем, что ‘тангенциальная сила уменьшает сопротивление металла пластическим деформациям и способствует удалению оксидных пленок и загрязнений и обеспечивает большую площадь контакта свариваемых поверхностей. Диффузионная сварка производится в вакууме, восстановительной или защитной среде — сжимающие усилия прикладываются к месту сварки, нагретому до определенной температуры.
Нагрев деталей (обычно с помощью токов высокой частоты) позволяет снизить механическую нагрузку, необходимую для деформации и удаления микронеровностей, органических и неорганических загрязнений, а также повышает скорость взаимной диффузии: температура нагрева должна быть значительно ниже температуры плавления свариваемых деталей (порядка 0,5 от температуры плавления более легкоплавкого из металлов).
Вакуум (® 10— * 10—d Па) или защитная среда способствует активизации соединяемых поверхностей, удалению адсорбированных слоев и разрушению оксидных пленок.
Сжимающие усилия создают условия для физического контакта, необходимого для взаимной диффузии металлов и образования прочного соединения. При диффузионной сварке характеристики сварных соединений (прочность, пластичность, термостойкость, электропроводность) не отличаются от характеристик соединяемых материалов. Диффузионная сварка позволяет соединять разнообразные материалы (например, сталь с алюминием, металлы с керамикой, стеклами, керметами при любых соотношениях их толщины).
Диффузионная сварка обеспечивает высокую размерную точность деталей и сборочных единиц, соединенных по плоской, конической, сферической и сложной рельефной поверхностям.
СОЕДИНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ПАЙКОЙ
Пайка позволяет соединять разнородные и разнотолщинные металлы и получать электрический контакт с малым переходным сопротивлением, не вызывая существенных изменений химического состава и механических свойств соединяемых деталей.
Припоями служат металлы, температура плавления которых ниже температуры плавления соединяемых изделий. По физико-
химическому взаимодействию между припоями и спаиваемыми металлами пайка классифицируется на:
адгезионную — соединение осуществляется за счет атомарных сил сцепления между припоем и основными металлами и реактивную — соединение осуществляется за счет физико-химического взаимодействия между припоем и основным металлом, с образованием новых промежуточных сплавов, химических соединений и взаимной диффузией частиц припоя и материала детали.
В процессе пайки происходят следующие процессы: нагрев спаиваемых деталей в зоне шва до температуры пайки, при этом одновременно прогревается и припой, заранее уложенный на участке между соединяемыми деталями; расплавление припоя до жидкого состояния; смачивание жидким припоем поверхности соединяемых деталей; растекание припоя по поверхности деталей и заполнение им специально предусмотренного зазора между деталями; взаимная диффузия и взаимное растворение жидкого припоя и металла соединяемых деталей или химическая реакция между металлами и припоем; охлаждение расплавленного припоя, сопровождающееся его кристаллизацией, охлаждением в зазоре и сцеплением соединяемых деталей.
Хорошее смачивание расплавленным припоем поверхности спаиваемых деталей — основное условие растекаемости припоя. Для обеспечения хорошего смачивания необходимо снижение поверхностного натяжения на границе деталь — расплавленный припой.
Растекание капли жидкого припоя по твердой поверхности детали приводит к изменению формы капли, перемещению ее центра тяжести и главное — к увеличению смоченной поверхности.
Все эти процессы могут быть условно представлены в виде равновесия векторов поверхностного натяжения в точке на границе трех сред: жидкого припоя, твердого металла детали и атмосферной среды (рис. 14.12).
Условие равновесия выражается уравнением
СгжСОЗб + СТтж — Отг = О,
где сггж, сгтж, аТТ — векторы поверхностных натяжений на границах раздела соответствующих сред (твердая, газообразная и жидкая);
6 — краевой угол, или угол смачивания.
Для упрощения расчетов практически за критерий смачиваемости принимают угол смачивания 6, который нетрудно определить экспериментально. Чем меньше угол смачивания 0 (и соответственно, чем больше косинус угла смачивания cos 6), тем лучше припой смачивает поверхность деталей. В момент затвердевания припоя угол смачивания не должен превышать 30°.
На характер смачивания оказывает влияние ряд факторов.
Рис. 14.12. Форма капли расплавленного припоя на поверхности твердого металла при различной окружающей среде:
а — хорошее смачивание под слоем жидкого флюса; 6 — отсутствие смачивания в атмосфере; в — схема сил, действующих на границе раздела жидкого припоя, твердого тела и защитной газовой среды; г — смачивание в вакууме
Состояние металлической поверхности (вид предварительной обработки, степень шероховатости, отсутствие оксидов, жировых загрязнений и т. д.). По шероховатым поверхностям припой растекается гораздо лучше, чем по гладким, полированным, из-за капиллярного воздействия впадин микропрофиля поверхности. Наличие на поверхности деталей следов поверхностно-активных загрязнений (например, применяемых при полировании металлов), а также жировых загрязнений и оксидных пленок ухудшает растекание припоя, что объясняется уменьшением энергии поверхностного слоя металла деталей. Наоборот, любые факторы, которые увеличивают энергию поверхностного слоя металла деталей, например механическая обработка, сопровождающаяся появлением напряжений — «наклепа», облегчают смачивание и растекание припоя.
Капиллярные свойства припоя в зазоре. Проникновение расплавленного припоя в зону пайки под действием капиллярных сил зависит от размеров и фоРмы зазора между деталями. Зазор выбирается в соответствии с геометрией деталей и ТКР металлов припоя и соединяемых деталей. Оптимальное значение зазоров, обеспечивающее высокую прочность и герметичность швов, порядка 0,02 — 1 мм. При очень малых зазорах припой не заполняет зоны пайки — в шве образуются пустоты, ухудшающие его прочность и герметичность; при больших зазорах действие капиллярных сил может оказаться недостаточным для затягивания припоя в шов, что также снижает вакуумную плотность соединения.
Например, при зазоре 0,1 мм расплавленная медь поднимается на высоту 200 — 300 мм; при зазоре 0,6—1 мм — на высоту 40 — 20 мм.
Наличие химической связи между металлами припоя j деталей, степень их взаимной растворимости. ,ц
В основе физико-химического взаимодействия между твердым металлом и растекающимся припоем лежат следующие основные процессы: диффузия металла деталей в расплавленный припой с образованием жидкого раствора; диффузия составляющих припой элементов в металл соединяемых деталей с образованием твердого раствора; химическая реакция между припоем и металлом деталей с образованием на границе интерметаллических соединений (так называемая «реактивная» пайка); возникновение металлических связей за счет сближения атомов металлического расплава припоя с атомами кристаллической решетки поверхности твердого металла деталей (так называемая «адгезионная» пайка). Эти процессы частично протекают одновременно.
Отсутствие растворимости металлов припоя и детали приводит к плохому смачиванию. Например, сталь и серебро не обладают взаимной растворимостью; серебряный припой не смачивает стальные детали — угол смачивания 0 после затвердевания припоя превышает 70° (капля припоя стягивается). При добавке к серебряному припою палладия (до 5%) угол смачивания уменьшается до 20°, что объясняется образованием твердых растворов в системе палладий — железо. Нержавеющие стали типа 1Х18Н9Т, при окислении которых образуется смесь оксидов хрома и железа, поддаются пайке в среде водорода при условии, если из водорода удалены следы кислорода и точка росы не превышает - 60°С.
ТЕХНОЛОГИЯ ПАЙКИ
Перед пайкой на детали часто наносятся различные покрытия, которые по назначению можно разделить на четыре основные группы.
Технологические покрытия.
Барьерные покрытия, которые выполняют следующие функции: предотвращают нежелательное взаимодействие между металлами припоя и деталями (например, меднение, никелирование сплава Н29К18 предотвращает диффузию жидкого припоя по границам зерен металла, приводящую к нарушению вакуумной плотности металла); ограничивают растекание припоя по поверхности детали и загрязнение ее припоем (например, хромирование участков деталей, на которые недопустимо попадание припоя); предотвращают испарение летучих компонентов спаиваемых деталей (например, никелирование латуни предотвращает испарение цинка); защищают детали от коррозии и окисления на атмосферном воздухе.
Уплотняющие покрытия, которые повышают вакуумную плотность металлов и устраняют натекание через поры в металлах и спаях (например, серебрение, золочение, меднение и др.).
Покрытия — припои. Операция нанесения на поверхности деталей тонкой пленки припоя называется лужением.
В соответствии с температурой плавления припои подразделя
ются на:
легкоплавкие (мягкие), имеющие температуру плавления ниже 400 — 450°С. К ним относятся припои на основе алюминия, свинца, олова, кадмия и т.д.;
тугоплавкие, имеющие температуру плавления выше 450°С. К ним относятся припои на медной, серебряной, золотой,
никелевой основах с добавлением индия, палладия, олова.
К припоям, применяемым в электровакуумном производстве, предъявляются следующие требования: припой, применяемый для паяния токоведущих деталей, должен иметь высокую электро- и теплопроводность; в состав не должны входить легкоиспаряющиеся и возгоняющиеся компоненты, например щелочные и щелочноземельные металлы; наличие в припое легколетучих веществ приводит к ухудшению вакуума, «отравлению» катодов, утечкам, возникновению газового разряда; припои должны содержать минимальное количество газов (не более 0,001%) и неметаллических включений органического и неорганического характера — эти включения могут привести к «вскипанию» припоя и образованию пористых и вакуумно-неплотных соединений.
Медно-серебряные припои обычно содержат большое количество примесей, которые выделяются во время пайки и после затвердевания припоя образуют темный налет на его поверхности. Частицы, образующие эти налеты, нарушают герметичность шва, при вибрации прибора попадают на катод в межэлектродные зазоры, что вызывает газовыделение, отравление катодов, короткие замыкания.
Различные способы очистки припоя (обезжиривание, ультразвуковая очистка, отжиг в водороде и вакууме) не обеспечивают удаление этих включений. Единственная возможность избежать темных налетов — это вытягивание припоя непосредственно из
расплава в вакууме.
Флюсами называются вещества, которые растворяют и удаляют оксидные пленки с поверхности соединяемых деталей, предохраняют соединяемые поверхности от окисления атмосферным воздухом, снижают поверхностное натяжение на границе раздела «твердая поверхность детали — расплавленный припой». В качестве твердых флюсов применяется канифоль, бура, которые при нагреве становятся жидкими или выделяют газы и изолируют зону пайки от атмосферы.
Для пайки деталей внутренней арматуры флюсы практически не применяются, и их роль выполняют защитные газовые среды или вакуум.
Это обусловлено тем, что остатки флюсов, особенно кислотных могут привести к разрушению металлов, повышенному газовыде- лению и отравлению катодов. В электровакуумном производстве обычно применяют пайку в защитных и восстановительных газовых ^едах или в вакууме (с давлением остаточных газов ниже 10 Па). Защитные среды и вакуум предохраняют детали от окисления, разрушают и удаляют пленки оксидов и улучшают смачивание деталей припоем.
Пайка заключается в расплавлении припоя на участке соединения деталей — при одновременном сжатии деталей в процессе их нагрева или охлаждения вплоть до затвердевания припоя.
С помощью специальных приспособлений фиксируют взаимное положение деталей с заданной точностью или с заданным усилием, обеспечивая тем самым необходимую точность узлов, высокую плотность и прочность швов.
Расплавление припоя может осуществляться газовой или радиационной горелкой, паяльником, в печах сопротивления, пропусканием электрического тока через паяемое изделие, а также на установках индукционного, электронно-лучевого, электродуго- вого и плазменного нагрева и с применением ультразвука.
На качество пайки отрицательное влияние оказывает пог, попадающий с рук на спаиваемые поверхности, в его состав входят вещества, ухудшающие смачивание, вызывающие коррозию и повышенное газовыделение в вакууме.
ВИДЫ БРАКА СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Контроль спаянных узлов осуществляется с применением универсальных или специальных мерительных инструментов, гелиевых течеискателей, а также металлографическим, люминесцентным, рентгенографическим, химическим и спектральным методами.
Наиболее современным методом неразрушающего контроля является рентгенотелевизионная микроскопия, она основана на применении рентгеновидиконов, преобразующих теневые рентгеновские изображения в телевизионные сигналы. Рентгеновидикон в сочетании с телевизионной системой замкнутого типа позволяет получать видимое изображение спая с увеличением в 10 раз и более при контрастной чувствительности до 2% и регулировать масштаб увеличения, яркость и контраст видимого изображения.
Спаи могут иметь макро- и микродефекты, приводящие к нарушению вакуумной плотности. 1
224 3
Вакуумная плотность спаев резко снижается при наличии в металлах дефекта вида «волосовины» — тонкие каналы различной длины, нарушающие сплошность металла. Волосовины располага- дутся всегда параллельно волокну и обычно обнаруживаются на ютовом прокате или на готовых деталях. Они могут находиться в наружных или во внутренних слоях металла.
Образование волосовин объясняется наличием в металлическом слитке газовых пузырей и неметаллических включений. Поверхностные волосовины удаляют обдиркой на токарном и фрезерном Станках, выжиганием в струе кислорода, шлифовкой и т.д.
Поэтому торцы стержневых деталей, обычно вводов, должны быть оплавлены сварочной дугой, припоем или стыковой сваркой с другой частью ввода. Концы перерезанных волокон должны закрываться матовым материалом или заплавляться слоем более легкоплавкого металла или стекла; рекомендуется также нанесение и специальная обработка уплотняющих покрытий (например, оплавление медной пастой во время пайки узла).
Ряд дефектов паяных соединений связаны с нарушением технологии пайки (рис. 14.13).
Пористостьираковины образуются вследствие: перегрева узла при пайке; малой дозировки припоя; окисления паяемых поверхностей (плохой вакуум, повышенное содержание кислорода и паров воды в водороде и т.д.), плохой предварительной очистки паяемых поверхностей (наличие жировой пленки и невосста- навливаемых в условиях пайки оксидов); повышения температуры плавления припоя из-за его химического взаимодействия с материалом детали; загрязнения самого припоя, наличия в припое легкоиспаряющихся металлов.
Незаполнение капиллярного зазора припоем происходит вследствие: плохого растекания припоя; неправильно подобранного значения сборочного зазора или наличия в нем фасок, канавок, стыковых перекрытий и т.д., смещения припоя относительно шва при пайке из-за тепловых деформаций; неправильной конструкции спая, препятствующей выходу газов, вытесняемых из зазора припоем; неравномерного нагрева — одна Деталь (обычно тонкостенная) нагревается быстрее и как бы «стягивает» на себя припой; низкой температуры или малого времени выдержки при нагреве.
Разъедание паяемых материалов припоем («передержка») происходит вследствие перегрева, приводящего: к активному растворению металлов деталей в припое; образованию сплавов между припоем и деталью, имеющих более низкую температуру Плавления по сравнению с припоем.
Трещйны и разрывы в паяемых деталях происходят вследствие: неправильной конструкции паяемого узла (например, при наличии массивной медной детали внутри ковара); неправильной конструкции оснастки (большой натяг в соединении При нагреве); больших остаточных термических и ко-
227
Рис. 15.1. Основные конструкции спаев:Рис. 15.1. Основные конструкции спаев:
Рис. 15.1. Основные конструкции спаев:
Рис. 15.1. Основные конструкции спаев:
В окошечных (вну. тренних) спаях (рис. 15.1 б) металл окружает стекло, т.е. образует наружное кольцо или пластину с отверстием, а стекло имеет вид окошка. В этих спаях стекло служит либо для визуального наблюдения, либо для пропускания электромагнитных волн, либо используется в качестве изолятора, в который вплавляются один или несколько вводов. В последнем случае спай называется комбинированным (рис. 15.1, в).
В трубчатых (рантовых) спаях (рис. 15.1, г) металлическая трубка припаивается к стеклянной в торец.
Дисковые спаи (рис. 15.1, й) представляет собой
2—металл; 2-стато; З-ферровромовм шайба; 4- МетаЛЛИЧССКуЮ ПСреГОрОДКу платинитовый ввод,В СТеКЛЯННОЙ Трубке Либо
соединения торца стеклянной трубки с плоскостью металлического кольца или диска. Для снижения напряжений в спае рекомендуется утонение металлического диска.
В трубчатых и дисковых спаях стекло соединяет металлические элементы прибора в механическом отношении и изолирует их
друг от друга в электрическом отношении.
Спаи стекла с металлом должны быть вакуумно-плотными, обладать высокой механической, химической и термической прочностью.
При эксплуатации приборов металлические вводы в спаях часто испытывают сильную механическую нагрузку на изгиб. Если сцепление стекла с металлом слабое, может произойти отлипание стекла от металла; если сцепление стекла с металлом очень
прочное, могут появиться трещины в спаях, проходящие через всю толщину стекла и нарушающие герметичность спая.
При прохождении тока вводы быстро нагреваются, что приводит к возникновению перепада температур в стекле спая и
розникновению дополнительных напряжений. Поэтому необходимо, чтобы дополнительные напряжения в спаях, образующиеся при эксплуатации приборов, имели направление, противоположное направлению остаточных напряжений, образовавшихся в спае при его изготовлении, и взаимно компенсировались.
В зависимости от соотношения температурных коэффициентов расширения стекла и металла различают согласованные и несогласованные спаи.
^Согласованные спаи характеризуются различием ТКР стекла и металла не более чем на 10% во всем интервале температур, до которых может нагреваться или охлаждаться спай в процессе изготовления или эксплуатации прибора.
К согласованным спаям относятся, например:
сплавы Н47ХР, Н47Д5 или феррохрома (ТКР а « 90 40” 1°/С) со стеклами платинитовой группы (С93-1, С88-1, С89-6, имеющими ТКР а «90 40-7 1°/С); молибдена (ТКР а « 55* НО-’ 10/С) ми ковара (ТКРа ~ (46 + 50) .10-7 1°/С) со стеклами молибденовой группы (например, со стеклом С52-1, имеющим ТКРа * 52 • 10” 1°/С).
Во всех случаях чем больше размер металлической детали, тем меньше должна быть разность между ТКР металла и стекла. Следует учитывать, что электролиз стекла спаев, изменение его плотности при облучении и другие процессы, имеющие место при работе приборов, могут привести к изменению ТКР стекла и нарушению согласования ТКР стекла и металла и вызвать растрескивание спаев.
Изменение ТКР а одного из спаиваемых материалов на 14 О”7 1 /°C может привести к значительному увеличению напряжения в спае. Поэтому в технических условиях на стекло пределы допустимых колебаний значения ТКР в различных партиях стекла не должны превышать ±1 • 10”7 1/°С от номинальных значений. Однако точность измерений ТКР стекла ^меет значительную погрешность, превышающую даже допуск на
ТКР материалов и погрешности их измерения) может составить 14 • 10-7 1/°С, а это неизбежно приведет к растрескиванию спая. Несогласованные спаи характеризуются большой раз. ностью ТКРа стекла и металла. К несогласованным относятся например, спаи меди (ТКР а = 167 • 10~7 1/°С) со стеклами' имеющими ТКРа = 40 • 10—7 1/°С.
Для предотвращения разрушения несогласованных спаев в качестве металлических деталей для спаев применяют:
тонкие проволоки, тонкостенные трубы, металлическую фольгу, так как с уменьшением толщины металла снижается напряжение в спае;
мягкие пластичные металлы (например, медь), способные деформироваться при напряжениях, меньших предела прочности стекла; деформация металла в спае компенсирует наличие напряжений в стекле;
металлические детали с утоненными краями; в этом случае спаиваемая металлическая деталь приобретает форму лезвия, а спай называется лезвенным. Усилие, которое необходимо для пластической деформации тонкого лезвия, обычно значительно меньше прочности стекла на растяжение. К недостаткам лезвен- ного спая относятся малая механическая прочность и низкая термостойкость тонкостенного лезвия (особенно при длительных циклических нагрузках).
МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ СПАЕВ
Металлы, применяемые для спаев, должны обладать следующими свойствами: высокой тепло- и электропроводностью, что способствует снижению температуры спая в процессе работы прибора и позволяет пропускать через спаи большие токи; мелкозернистой структурой, которая должна обеспечивать требуемую прочность, пластичность, отсутствие напряжений между отдельными зернами и хорошее сцепление металла со стеклом; не содержать на поверхности и в толще трещин, капилляров, рисок, расслоений и прочих дефектов, ухудшающих герметичность; не иметь фазовых превращений в интервале температур —60°С 4- +1200°С; иметь химическую устойчивость к различным газам и парам, низкое газовыделение в вакууме, низкую упругость пара в вакууме при температурах эксплуатации деталей и минимальную, близкую к нулю, газопроницаемость; иметь на поверхности пассивирующую оксидную пленку, хорошо смачиваемую стеклом (см. § 235).
Перед изготовлением спаев все металлы и сплавы подвергают специальной механической, химической и термической обработке. При этом им придаются требуемые геометрические формы и 230
размеры, удаляются поверхностные загрязнения, происходит обез- рахивание, создается пассивирующая оксидная пленка и происходит образование требуемой структуры с высокой пластичностью.
Многие металлические детали подвергаются воздействию циклических (повторно-переменных) нагрузок типа растяжение — сжатие, нагрев — охлаждение, нагружение — разгружение, изменяющихся по значению и направлению. При этом в металлах возникают усталостные напряжения, которые могут привести к их разрушению. Усталостное разрушение металлов особенно опасно тем, что ему не предшествует заметная пластическая деформация, которую можно было бы обнаружить заблаговременно; кроме того, усталостное разрушение наступает при нагрузках, которые значительно ниже разрушающего напряжения данного металла при растяжении, сжатии или изгибе.
Для материалов характерен также «эффект отдыха», число циклов, которое материал может выдержать без разрушения, увеличивается при наличии промежутков между циклами.
Для изготовления спаев со стеклами платинитовой группы обычно применяют железохромистые сплавы Н47ХР, Н47Д5, а также феррохром и фуродит. Наилучшую герметичность обеспечивает мелкокристаллическая структура сплава, достигаемая при оптимальной температуре и продолжительности отжига сплавов. При недостаточной температуре и малой продолжительности отжига сплавы Н47ХР, Н47Д5, Н47ХЗ сохраняют волокнистую структуру, приобретенную ими при механической обработке и изготовлении деталей: это приводит к растрескиванию стекла спая. Наоборот, при сильном перегреве металла в процессе отжига или изготовления спая образуется хрупкая крупнокристаллическая структура; по граням между отдельными зернами воздух может проникать в прибор, и спай становится негерметичным. Наиболее сильный рост зерен наблюдается на сгибах металлической детали, т.е. там, где произошла наибольшая деформация материала. Отжиг сплавов Н47ХР и Н47Д5 рекомендуется производить в атмосфере увлажненного водорода при 1100°С в течение 25 мин.
При изготовлении спаев Н47ХР со стеклом С89-6 иногда наблюдается отлипание стекла от металла. Это связано с тем, что при Т = 320° С в спае в радиальном направлении возникают очень большие временные напряжения растяжения (см. с.240). Для предупреждения этого дефекта необходим быстрый равномерный разогрев стекла при изготовлении спая.
Железоникелькобальтовый сплав ковар может существовать в Двух фазах у и а:
у -фаза имеет структуру аустенита с гранецентрированной кубической пространственной решеткой, ее ТКР такой же, как
0,80,8-200 0 200 600-200 0 200 600и тугоплавких стекол C52-I, С49-1, С48-1 С47-1; с этими стеклами она образует прочные вакуумно-плотные спаи;
0,8
0,8
-200 0 200 600
-200 0 200 600
а -фаза имеет структуру мартенсита с объемно-центрированной решеткой; ее ТКР более высокий, чем стекла, поэтому при переходе ковара в а -фазу спай растрескивается.
Температура, ®СРис. 15.2. Диаграмма фазовых переходов в сплаве коварТемпература, ®СРис. 15.2. Диаграмма фазовых переходов в сплаве коварПри Т > 800°С может существовать только у-фаза, а при Т < —80° С —- только ct-фаза (рис. 15.2). В температурном интервале —80*800° С ковар может находиться как в а -фазе, так и в у-фазе. При этом наличие в коваре той или иной фазы зависит от степени нагартованности металла при механической обработке, режимов отжига, температуры спая и режимов его изготовления.
Температура, ®С
Рис. 15.2. Диаграмма фазовых переходов в сплаве ковар
Температура, ®С
Рис. 15.2. Диаграмма фазовых переходов в сплаве ковар
Если спаивание ковара со стеклом происходит при Т > 800° С, при которой существует только у-фаза,
то она сохраняется и при остывании спая до комнатной температуры. Это обеспечивает высокую прочность спая как при его изготовлении, так и при эксплуатации прибора. Если спаивание производится при Т < 800° С, то образуется а-фаза, которая сохраняется при остывании спая и вызывает его разрушение. Поэтому спаи ковара со стеклом необходимо изготовлять при температурах, превышающих 800° С.
При переохлаждении спая, в котором ковар имеет у-фазу, до температур ниже —80° С, у-фаза превращается в ct-фазу. При этом a-фаза будет сохраняться при последующем повышении
температуры, что приводит к растрескиванию спая при его нагреве от минусовой температуры до комнатной. На практике переохлаждение коваровых спаев является основной причиной их растрескивания. Следует учесть, что снижение процентного содержания кобальта в коваре позволяет охлаждать спай до более низкой температуры (без опасности перехода у-фазы в а-фазу). однако вызывает необходимость повышения температуры спаивания (во избежание образования a-фазы при изготовлении спая).
ct-Фаза возникает также при механической обработке коваровых деталей (вытяжке, прокатке и т. д.). Поэтому перед впаиванием в стекло необходим отжиг коваровых деталей в атмосфере влажного водорода (при Т > 950°С), в результате которого удаляются местные напряжения (наклеп, нагартовка) и
ковар переходит в у-фазу и приобретает мелкокристаллическую структуру. Перегрев ковара приводит к образованию крупнозернистой структуры и, следовательно, к повышеной хрупкости й разрывам при штамповке. Непосредственно перед пайкой со стеклом ковар должен содержать не более 0,018% углерода, иначе в спае образуются пузырьки, ухудшающие его герметичность. При содержании в коваре 0,3% углерода его ТКР снижается на 4.10”7 1/°С, что может вызвать растрескивание спая. Причиной повышенного содержания углерода может быть низкая температура длЭ малая длительность отжига ковара, а также слишком плотная загрузка деталей при отжиге, что затрудняет обезгаживание деталей. Изменение содержания никеля в коваре всего на 1 % (например, с 28 до 29%) при постоянном содержании кобальта приводит к изменению ТКР сплава примерно на 8Ю~7 1/°С. Поэтому разные партии ковара могут отличаться друг от друга по значению ТКР.
Вольфрам, молибден и их сплавы ввиду повышенной твердости с трудом подвергаются механической обработке — это обусловливает наличие в их структуре продольных трещин и каналов, ухудшающих герметичность спаев. Для удаления поверхностных трещин производят травление и полировку этих металлов. Химическое травление поверхности вольфрамовых и молибденовых деталей, а также последовательное проведение процессов термического окисления на воздухе и восстановления в среде водорода придает им шероховатость и значительно увеличивает прочность сцепления стекла с металлом.
При перегреве молибденовых деталей они приобретают повышенную хрупкость. При изготовлении спая необходимо защищать молибден от окисления до МоОз либо путем нагревания спая в восстановительной области пламени горелки, либо применением защитной восстановительной среды сухого водорода. Иногда молибденовые детали хромируют, что улучшает растекание стекла и повышает прочность спая.
Платинитовая проволока состоит из железоникелевого сердечника (сталь Н-42), покрытого слоем меди, на поверхности которого находится тонкая красная пленка закиси меди. Поверх закиси меди наносится слой буры. Медь придает проволоке высокую электропроводность и защищает железоникелевый сердечник от окисления. Закись меди СигО растворяется в меди и легко смачивается стеклом, тем самым создается переходный слой °т стекла к металлу и повышается плотность и прочность спая. Тонкий стекловидный слой буры предохраняет пленку закиси меди от переокисления и превращения в пористый оксид меди ^Ухудшающий вакуумную плотность спая) и обеспечивает Хорошую смачиваемость проволоки стеклом.
Сталь Н-42 имеет ТКРа = 65 • 10-7 1/°С, а медь ТКР Я =165-10 7 1/°С. Соотношение диаметров железоникелевого сер. дечника и медной оболочки подбирают таким образом, чтобы результирующий ТКР платинита в радиальном (поперечном) направлении был около 9010-7 1/°С и хорошо согласовывался с ТКР стекол платинитовой группы. Это достигается содержанием меди в пределах 21 — 30 %. При более высоком содержании меди в платините наблюдается отлипание стекла от металла, а при малом содержании меди происходит растрескивание стекла в спае и натекание через трещины.
Однако ТКР платинита в осевом направлении значительно меньше, чем в радиальном (ТКРа » 70-10~7 1/°С), и не согласуется с ТКР стекла. Это приводит к образованию в спае больших осевых напряжений, способных вызвать разрушение, и не позволяет применять для спаев платинитовую проволоку с диаметром более 0,8 мм. Следует учитывать, что в бусинковом спае платинита осевые напряжения будут тем меньше, чем больше отношение диаметра стеклянной бусы к диаметру платинитовой проволоки. Участок спая стекла с платинитом не следует отжигать до полного исчезновения напряжений. В не полностью отожженном спае стекло остается в состоянии сжатия в осевом направлении — впоследствии это сможет компенсировать растягивающие усилия, возникающие в спае при работе прибора. Платинитовую проволоку изготовляют либо путем нанесения меди на железоникелевый сердечник гальваническим способом, либо пайкой железоникелевого сердечника с надетой на него медной трубкой.
На практике встречаются следующие дефекты платинитовой проволоки: внутренние каналы и трещины медной оболочки (ухудшающие герметичность спая); темные или черные пятна, свидетельствующие об отсутствии меди на отдельных участках поверхности железоникелевого керна или об образовании оксида меди СиО вместо закиси меди СигО (это вызывает появление пузырей и капилляров в спае); причинами этих дефектов могут являться отклонения от оптимальных режимов процессов волочения проволоки, очистки ее от смазки и борирования; отслаивание медной оболочки от железоникелевого сердечника (появляется натекание по платинитовым вводам; этот дефект характерен для платинита, изготовляемого методом спаивания медной трубки с сердечником); растрескивание, шелушение и осыпание борно-закисного слоя, образующееся при большой толщине слоя буры, низкой температуре раствора для борирования (этот дефект вызывает нарушение герметичности спая); белесые пятна на поверхности платинита, появляющиеся при длительном хранении его во влажной атмосфере (это приводит к образованию пузырей в спае и отлипанию стекла от платинита); желтые полосы
g спаях платинита со стеклом, связанные с перегревом платинита при изготовлении спаев и сборке приборов (приводят к снижению механической прочности вводов и их разрушению).
Платинит необходимо хранить в упаковке, защищающей его от действия влаги (пергамент, фольга, герметичные коробки). Для обезвоживания пленки буры и сплавления ее в стекловидный слой желательно перед впаиванием прогреть платинит в печи при 800 - 1000°С.
СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
И ПРОЧНОСТИ СПАЕВ
Качество спая значительно улучшается при наличии на поверхности металла тонкой плотной оксидной пленки, которая выполняет следующие функции: улучшает смачивание металла стеклом (т.е. облегчает растекание стекла по металлу); растворяется в стекле, металле и образует промежуточный переходный слой между стеклом и металлом (тем самым улучшаются герметичность и механическая прочность спая); повышает химическую устойчивость металла, не пропускает кислород и другие агрессивные газы в толщу металла и предохраняет его от коррозии, поэтому эта оксидная пленка называется пассивирующей; препятствует образованию газовых пузырьков на границе между металлом и стеклом, наличие которых снижает герметичность и механическую прочность спаев.
Оксидная пленка должна иметь прочное сцепление с металлом, хорошо растворяться в стекле и металле, быть тонкой, плотной, сплошной. Эти условия достигаются при оптимальной толщине оксидной пленки и значении ее ТКР, мало отличающемся от ТКР металла, а также при большой скорости диффузии оксидной пленки в стекло и металл. Если толщина оксидного слоя меньше оптимальной, то спай обладает вакуумной плотностью, но имеет малую механическую прочность (ввиду отлипания металла от стекла). Если толщина оксидной пленки больше оптимальной, спай обладает механической прочностью, но не обеспечивает герметичности (так как чем толще слой оксида металла, тем хуже его сцепление с металлом и больше вероятность натекания по границе между металлом и оксидным слоем). Во влажном атмосферном воздухе пассивирующая оксидная пленка может Утолщаться; это приводит к возникновению сильных местных напряжений в стекле спая на границе стекло — металл — воздух и соответственно к появлению трещин.
Пассивирующая оксидная пленка, удовлетворяющая вышеперечисленным требованиям, образуется, в частности, на меди, хроме, вольфраме, коваре, сплавах Н47ХР, Н47Д5, платините;
w
она представляет собой низшие оксиды, в которых металл проявляет минимальную из присущих ему валентностей. Д^ образования пассивирующей пленки эти металлы перед спаиванием со стеклом подвергают предварительному окислитель, но-восстановительному отжигу в среде влажного водорода. Отжиг в среде влажного водорода способствует также удалению с поверхности металла углеродистых загрязнений (например, масел жиров, следов графита).
Наличие на металле углеродистых и сернистых загрязнений приводит к появлению цепочки пузырей, пустот в спае (за счет сгорания углерода и выделения газообразных продуктов непосредственно при спаивании стекла с металлом) и к повышению хрупкости металла. Газ, содержащийся в пузырьках, подвергается ионизации (под действием разности потенциалов, приложенных к электродам). Это приводит к пробоям и разрядам и, следовательно, к разрушению спая.
На некоторых металлах, например меди, платините, в зависимости от условий оксидирования может образоваться тонкая пленка закиси меди красного цвета, улучшающая качество спая, или толстая, рыхлая, пористая пленка оксида меди черного цвета, ухудшающая качество спая. Тонкая оксидная пленка образуется при слабом оксидировании металла, а толстая — при сильном. Для предотвращения чрезмерного оксидирования меди рекомендуется наносить стекло на медь или платинит в восстановительной области пламени.
На практике применяют несколько способов защиты металлов от переокисления в процессе изготовления спаев при высокой температуре:
предварительное покрытие поверхности металлической детали в зоне спаивания стеклянной пастой или эмалью;
электролитическое осаждение на поверхности детали слоев других металлов (хрома, меди, серебра, золота), образующих при оксидировании пассивирующие пленки;
изготовление спая в среде защитного газа (азота, аргона, водорода, формир-газа);
применение для нагрева токов высокой частоты вместо газового пламени.
О качестве впая металла в стекло можно судить по цвету спая. Хорошо выполненный впай платинита имеет светлый кирпично-красный цвет, молибдена — коричневый, вольфрама — золотисто-оранжевый, ковара — от светло-серого до темно-серого, меди (или медненного ферроникеля) — от светло-желтого до красного, высокохромистой стали — зеленый.
Цвет спая зависит и от состава стекла. Так, при спаивании вольфрама со стеклом, содержащим оксид лития, образуется не 236
характерный желто-коричневый цвет, а синий, свойственный вольфрамату лития.
Следует учитывать, что стекло на внутренней границе с металлом в спае может выдержать гораздо большие напряжения, чем на поверхности спая, граничащей с внешней атмосферой. Это связано с тем, что прочность стекла резко снижается при соприкосновении с водяными парами, сырым воздухом и парами спирта. Значительно повышает прочнось стекла обработка его в вакууме — Стекло, нагретое в вакууме до 300°С, не обнаруживает явления усталости.
СПОСОБЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОСТЕКЛЯННЫХ СПАЕВ
Спаи стекла и металла изготовляют путем нагрева пламенем газовых горелок или электрическим током.
При любом способе образования спаев при нагреве стекла происходит снижение его вязкости. При вязкости порядка 1013 П начинается взаимная диффузия оксидов металла и стекла и их взаимное растворение; при вязкости стекла 104 — 106П оно смачивает металл и растекается по нему, заполняя поры, пустоты, неровности. Следует учесть, что чем выше температура спаивания (т. е. чем меньше вязкость стекла), тем лучше заполняются микронеровности поверхности металла и тем прочнее сцепление стекла с металлом. Однако если стекло длительно выдерживать при температуре размягчения, то в нем происходит процесс расстекловывания — кристаллизация, это приводит к помутнению стекла и снижению его механической прочности.
Для спаивания металлов со стеклами платинитовой группы обычно применяют газовоздушное пламя; металлов со стеклами молибденовой и вольфрамовой групп — газокислородное пламя (имеющее более высокую температуру, чем газовоздушное); металлов с кварцевым стеклом — кислородно-водородное пламя. Особое внимание следует обратить на температуру пламени и наличие в газе химически активных ядовитых примесей. Например, присутствие в газе лишь 0,1% диоксида серы приводит к повышению скорости оксидирования меди при температуре 400°С в 20 раз, что сопровождается образованием толстой рыхлой черной пленки СиО вместо красной пассивирующей пленки СигО и приводит к плохому сцеплению стекла с металлом и натеканию через спай.
Электрический нагрев, осуществляемый пропусканием переменного электрического или индукционных токов через спай, применяется в основном для изготовления трубчатых и дисковых спаев.
Переменный электрический ток от понижающего трансформа, тора пропускают непосредственно через металлический деск Металл и прилегающий к нему тонкий слой стекла быстро разогреваются за счет выделяющейся джоулевой теплоты. При этом остальная часть стеклозаготовки ввиду малой теплопровод, ности стекла остается холодной и не подвергается деформациям.
Индукционные токи высокой частоты возбуждаются в металле спая с помощью высокочастотной катушки — индуктора, при этом протекают те же физические процессы, что и при высокочастотной сварке стекла со стеклом. Сначала вихревые индукционные токи возникают только в металле; в результате разогреваются металл и прилегающие к нему участки стекла (за счет теплопередачи от металла). Разогретое стекло имеет низкое электрическое сопротивление и также становится проводником электрического тока, это еще больше повышает температуру в месте спая и обеспечивает быстрый и равномерный нагрев стекла. Размягченное стекло растекается по металлу, обволакивает его и образует герметичный спай. Время, необходимое для получения спая стекла с металлом, уменьшается с увеличением частоты тока, магнитной проницаемости, удельного электрического сопротивления деталей и особенно числа ампер-витков высокочастотной катушки. Нагрев токами высокой частоты используется, например, для вварки фиксаторов в стекло экрана. На рис. 15.3 показан фиксаторный узел, в котором стекло хорошо смачивает поверхность фиксатора и несколько выходит за уровень поверхности борта экрана кинескопа. Спай стекла с металлом (рис. 15.3, а) характеризуется высокой механической (> 600 Н) и термической прочностью.
На рис. 15.3, б показан неудовлетворительный спай фиксаторного узла, имеющий «кратер» вокруг образующей фиксатора. Причиной образования кратера является малая интенсивность разогрева фиксатора и соответственно недостаточное размягчение
°)°)Рис. 15.3. Схема фиксаторных узлов:Рис. 15.3. Схема фиксаторных узлов:а — удовлетворительного качества; б — образование кратерова — удовлетворительного качества; б — образование кратеровстекла, что приводит к плохому смачиванию поверхности фиксатора стеклом. Фиксаторный узел (рис. 15.3, б) имеет малую прочность и служит источником посторонних частиц в приборе (например, частил шлифпорошка, попадающих в «кратер» спая при механической обработке экрана).
°)
°)
Рис. 15.3. Схема фиксаторных узлов:
Рис. 15.3. Схема фиксаторных узлов:
а — удовлетворительного качества; б — образование кратеров
а — удовлетворительного качества; б — образование кратеров
РАЗНОВИДНОСТИ КОЭФФИЦИЕНТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СПАЯХ
При изготовлении металлостеклянных спаев в металле и в стекле возникают напряжения, обусловленные различием их ТКР. Однако возникающие напряжения противоположны по знаку: если в стекле возникают напряжения сжатия, то в металле — растяжения, и наоборот. При этом максимальные напряжения образуются на границе между стеклом и металлом (рис. 15.4). Образующиеся напряжения обычно значительно меньше прочности металла, однако они могут превысить прочность стекла (особенно на растяжение) и вызвать его разрушение в спае или отлипание от металла.
В спаях различаются три вида коэффициентных напряжений: осевое, радиальное и тангенциальное. На примере бусинковых спаев можно проследить возникновение этих видов напряжений (рис. 15.5).
Осевое, или продольное, напряжение оа образуется в стекле спая и направлено параллельно оси металлического ввода (траектории осевых напряжений представляют собой прямые линии, параллельные оси ввода).
Рис. 15.4. Напряжения на границе двух деталей, вызванные различием их температурных коэффициентов расширения (ТКР« детали ABCD < TKPCt детали a'b'c'd'iРис. 15.4. Напряжения на границе двух деталей, вызванные различием их температурных коэффициентов расширения (ТКР« детали ABCD < TKPCt детали a'b'c'd'iРис. 15.5. Разновидности напряжений в бусинковом (стержневом) спаеРис. 15.5. Разновидности напряжений в бусинковом (стержневом) спае
Рис. 15.4. Напряжения на границе двух деталей, вызванные различием их температурных коэффициентов расширения (ТКР« детали ABCD < TKPCt детали a'b'c'd'i
Рис. 15.4. Напряжения на границе двух деталей, вызванные различием их температурных коэффициентов расширения (ТКР« детали ABCD < TKPCt детали a'b'c'd'i
Рис. 15.5. Разновидности напряжений в бусинковом (стержневом) спае
Рис. 15.5. Разновидности напряжений в бусинковом (стержневом) спае
Радиальное напряжение от образуется вследствие сжатия или растяжения металла стеклом в радиальном направлении при охлаждении стекла: оно стремится оторвать металл от стекла и направлено перпендикулярно оси ввода (траектории радиальцых напряжений образуют радиусы, находящиеся в плоскости перпендикулярной оси ввода). ;
Тангенциальное, или касательное, напряжение от возникает в стекле спая как результат противодействия радиальному напряжению. Касательные напряжения направлены по окружности цилиндрического ввода. Траектории касательных напряжений образуют концентрические окружности в плоскости, перпендикулярной оси ввода.
В бусинковом спае всегда одновременно существуют напряжения с разными знаками, т. е. одновременно присутствуют напряжения сжатия и растяжения. Это объясняется тем, что касательное напряжение в бусинковом спае всегда имеет знак, противоположный радиальному напряжению, хотя и не равно ему по абсолютной величине; осевое напряжение имеет тот же знак, что и касательное.
Суммарное напряжение будет напряжением сжатия и соответственно спай будет надежным, при условии, что касательное напряжение является напряжением сжатия. Это объясняется тем, что в бусинковом спае касательное напряжение по абсолютной величине является максимальным и всегда равно или превышает радиальное.
При ТКР «мет > ТКР «ст касательное, осевое и соответственно суммарное напряжения являются напряжениями сжатия, а радиальное — напряжением растяжения. При этом наличие суммарного напряжения сжатия способствует термической и механической прочности стекла и надежности спая (положительный фактор), а наличие радиального напряжения растяжения может вызвать отлипание и отслаивание стекла от металла, образование каналов и воздушных прослоек в спае и привести к нарушению вакуумной плотности и герметичности спая (отрицательный фактор). Величина радиального напряжения на границе стекло — металл зависит от соотношения радиусов стекла и металлического стержня (рис. 15.6, б) и значительно повышается по мере увеличения толщины стекла. Поэтому при ТКРомет > ТКРост (радиальное напряжение является напряжением растяжения)
Рис. 15.6. Диаграммы напряжений в бусинковом спае:
а — схема распределения напряжении; б—диаграммы изменения напряжении на границе стекла с металлом при различных соотношениях радиусов металла ((/1) и стекла (diy в — диаграмма распределения напряжения от поверхности впаянного ввода до поверхности стекла; О — напряжение на единицу разности термических коэффициентов расширения металла и стекла
толщина стекла в спае должна быть по возможности малой — при этом радиальное напряжение будет иметь минимальное значение.
Наоборот, при ТКРамет < ТКРаст (например, в спаях стекла с платинитом) толщина стекла в бусинковом спае должна быть по возможности большой.
При ТКРаМет < ТКРаст касательное, осевое и суммарное напряжения будут напряжениями растяжения, а радиальное — напряжением сжатия. Как видно из рис. 15.6,6, по мере увеличения толщины стекла касательное, осевое и суммарное напряжения растяжения уменьшаются (и соответственно снижается вероятность растрескивания спая). На рис. 15.6,в показан характер изменения касательного, радиального и осевого напряжений по мере удаления от границы металл — стекло: касательное и радиальное напряжения имеют максимальное значение (но разный знак) на границе между стеклом и металлом и постепенно уменьшаются по мере удаления от этой границы (например, на внешней поверхности стекла радиальное напряжение становится равным нулю); осевое напряжение имеет одно и то же значение на границе металл — стекло, в толще стекла и на внешней поверхности стекла.
Поляриметр показывает только те напряжения, которые перпендикулярны направлению поляризованного луча. Например, Для определения осевого напряжения поляризованный луч полярископа направляют через стекло спая перпендикулярно оси
1
Рис. 15.7. Измерение осевых напряжений в бусинковом цилиндрическом спае:
2—плоскости поляризации; 2—направление просмотра; d—диаметр стеклянного цилиндра, А—точки просмотра
бусинкового спая (т.е. перпендикулярно металлическому вводу, рис. 15.7). Измерив экспериментально осевое напряжение и зная отношение диаметров стекла и металлического ввода, по графику (рис. 15.6) можно рассчитать значение радиального и касательного напряжений на границе металл — стекло в бусинковом спае. Как видно из рис. 15.6, при </ст/</мет * 2,5 осевое напряжение приблизительно в 2 раза меньше касательного (и одинаково с ним по знаку) и в 1,7 раза меньше радиального (но противоположно ему по знаку). Например, при экспериментально замеренной на поляриметре величине осевого напряжения сжатия порядка 120 ммкм касательное напряжение сжатия на границе стекло — металл будет равно 240 ммкм, а радиальное напряжение растяжения — 200 ммкм.
При направлении поляризованного луча параллельно оси металлического ввода поляриметр показывает разность между »о^г,=и радиальным напряжениями на границе металл — 15.8). По мере увеличения толщины стекла в
касательными
стекло (рис.
Рис. 15.8. Измерения тангенциально-радиальных напряжений в бусинковом цилиндрическом спае:
1— плоскости поляризации; 2— направление просмотра; А и В
—точки просмотра
бусинковом спае разница между касательным и радиальным напряжениями постепенно
уменьшается:
при
диаметре стеклянного цилиндра, более чем в 5 раз превышающем диаметр металлического ввода, касательное и радиальное напряжения
имеют
практически
одинаковое значение (ат " —о г). В этом случае напряжение, определенное на полярископе, практически равно удвоенному касательному (или удвоенному радиальному) напряжению.
Действительно, разность касательного и радиального напряжений, полученная на полярископе, равна от — оу = от — (— от) = 2 от.
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КОЭФФИЦИЕНТНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ
В СПАЕ
На суммарное значение и знак коэффициентных напряжений в спае влияют следующие факторы: различие ТКРа металла и стекла; форма и геометрия деталей (например, соотношение толщины стекла и металла); предварительная химическая и термическая обработка стекла и металла; термические и временные режимы изготовления и отжига спая.
Конструкция и технология изготовления спая должны выбираться исходя из следующих условий: при комнатной температуре в спае должны быть незначительные напряжения сжатия. При нагреве и охлаждении спая до рабочих температур (в процессе изготовления или эксплуатации прибора) напряжения в стекле спая не должны увеличиваться до опасных значений и менять знак (не допускается превращение напряжений сжатия в напряжения растяжения).
Как известно, суммарное коэффициентное напряжение сжатия всегда возникает в материале, который имеет меньший ТКРа. Поэтому для возникновения в стекле напряжения сжатия необходимо подбирать пару металл — стекло, у которой ТКР амет > ТКРаст.
Однако ТКР аст (в отличие от ТКР а мет1) не является величиной постоянной: при температуре трансформации происходит увеличение ТКР а ст. Поэтому по мере повышения температуры спая ТКРаст становится больше ТКРаМет и соответственно напряжения сжатия в стекле спая превращаются в напряжения растяжения.
Кривая зависимости A 1/1 от температуры называется кривой Расширения материале?.
hlCP а мет не изменяется вплоть до температур порядка 1000 ° С.
2А/ — изменение линейного размера материала; / — первоначальный линейный размер материала.
Зависимость расширения металла Д III от температуры вплоть до Т = 1000°С — линейна, т.е. практически представляет собой прямую линию, обозначена амет (рис. 15.9). Зависимость расширения стекла Д1/1 от температуры не линейна: кривая расширения стекла выше температуры трансформации имеет излом в сторону увеличения расширения, обозначена а ст (рис. 15.9). В принципе по графикам зависимости ДШ стекла и металла от температуры можно определить значение и знак коэффициентных напряжений в стекле спая при различных температурах.
На графике зависимости ЫН от температуры (рис. 15.9) имеются три характерные температуры:
температура размягчения стекла Тразм;
температура трансформации стекла Ттран', температура, при охлаждении до которой стекло приобретает упругие свойства, Т$ (Tg — это температура, начиная с которой в стекле в процессе его охлаждения возникают остаточные напряжения1).
Значение и знак напряжений в спае определяет: взаимное расположение на графике температур Тразм, Ттран и Tg; значение разности AZ/Z стекла и металла при каждой данной температуре.
вертикали между кривымивертикали между кривымиДля определения значения и знака напряжений в спае кривую расширения металла а м надо сдвинуть на графике параллельно себе самой так, чтобы она проходила через точку, соответствующую температуре Т$ (см. рис. 15.9),— при этом она занимает положение, обозначенное на графике а'мет. Расстояние по
вертикали между кривыми
вертикали между кривыми
расширения стекла а ст и металла а'мет характеризует напряжение в стекле спая при каждой данной температуре. Температуры, при которых кривая расширения стекла a ст располагается над кривой расширения металла а' мет, в стекле спая возникают напряжения сжатия (вертикальная штриховка на рис. 15.9, в); температуры, при которых кривая расширения стекла аст располагается под кривой расширения металла а' мет, в стекле возникают напряжения растяжения (горизонтальная штриховка на рис. 15.9, в). Как видно из рис. 15.9, знак напряжений в стекле при комнатной температуре (при данных значениях ТКР а Мет и ТКР «ст) определяется поло- жением температуры Т$ на графике.■
Напряжения в стекле мотуг быть только при температурах, меньших или равных I 7». В температурном интервале от Тразм до Т, напряжений в стекле быть не может.|
Рис. 15.9. Определение характера напряжений по кривым термического расширения (при (X мет > СХ ст) •
а — при Т$, мало отличающейся от Ттран; 6 — при Т^ мало отличающейся от Тразм; в — при Гз, лежащей в середине интервала Ттран и Тразм
Температура Т$ не является константой, она может принимать любое значение от Ттранс до Тразм стекла в зависимости от максимальной температуры изготовления или отжига спая; длительности выдержки при максимальной температуре; скорости охлаждения спая до комнатной температуры в процессе его изготовления и отжига; от конструкции и габаритов спая.
Например, при ТКР а нет > ТКР а ст возможны следующие варианты:
При комнатной температуре в стекле спая имеются напряжения сжатия (рис. 15.9, а). Этот случай имеет место, когда Ts мало отличается от Ттранс1, т.е. стекло переходит в упругое состояние при сравнительно низкой температуре. При эксплуатации прибора нагрев спая приводит к уменьшению напряжений сжатия (по сравнению с напряжениями при комнатной температуре), а охлаждение спая приводит к увеличению напряжений сжатия.
Необходимыми условиями, обеспечивающими совпадение температур Ту и Ттран и отсутствие в спае напряжений растяжения при любой рабочей температуре, до которой может нагреваться или охлаждаться спай при эксплуатации прибора, являются: низкая скорость охлаждения спая; длительность выдержки спая
При этом чем меньше Т» отличается от Ттран, тем больше напряжение сжатия при комнатной температуре.
при температуре трансформации; высокая температура отжига спая.
При этом чем выше температура изготовления спая или отжига, тем меньше напряжение сжатия при комнатной температуре.
При комнатной температуре в стекле спая имеются напряжения растяжения (рис. 15.9, б). Этот случай имеет место, когда Т$ мало отличается от Тразм стекла, т. е. стекло переходит в упругое состояние при высокой температуре. При эксплуатации прибора нагрев спая приводит к увеличению напряжений растяжения, а охлаждения спая — к снижению напряжений растяжения. Напряжения растяжения при комнатной температуре возникают в спае при малой длительности выдержки спая при температуре трансформации и высокой скорости охлаждения спая — это наиболее неприемлемый режим изготовления и отжига спая. С увеличением температуры изготовления и отжига спая напряжение растяжения уменьшается.
При комнатной температуре напряжения в спае отсутствуют (рис. 15.9, в). Этот случай имеет место, когда температура Т$ находится между Ттран и Тразм. В процессе эксплуатации прибора при нагреве спая в нем возникают опасные напряжения, а при его охлаждении — возникают напряжения сжатия.
Условиями отсутствия напряжений при комнатной температуре являются большая длительность выдержки спая при температуре трансформации и средняя скорость охлаждения спая при его изготовлении или отжиге.
Таким образом, при ТКР «мет > ТКР «ст разрушение спая может произойти при высокой скорости охлаждения спая (за счет возникновения напряжений растяжения) или при чрезмерно малой скорости охлаждения спая (за счет возникновения при комнатной температуре очень больших напряжений сжатия).
Поэтому оптимальной является скорость охлаждения спая, при которой при комнатной температуре в стекле спая возникают незначительные напряжения сжатия — при нагреве прибора в процессе эксплуатации эти напряжения сжатия уменьшаются и приближаются к нулю (см. рис. 15.9, а).
В последнее время применяют специальные нагревательные поляриметры, которые позволяют подобрать пару стекло — металл и оптимальный температурный режим (температуру и длительность выдержки, скорость нагрева и охлаждения), обеспечивающий термосогласование спаиваемых материалов во всем интервале температур, до которых может нагреваться или охлаждаться спай в процессе эксплуатации прибора. На основании показаний
Рис. 15.10. Кривая термосогласования спая:1,2— различные партии металлаРис. 15.10. Кривая термосогласования спая:1,2— различные партии металлаРис. 15.11. Характер изменения напряжений в ножке прибора после различных стадий его изготовления:
Рис. 15.10. Кривая термосогласования спая:
1,2— различные партии металла
Рис. 15.10. Кривая термосогласования спая:
1,2— различные партии металла
после штамповки и штенгелевки; 2— после отжига; 3— после приварки баллона; 4— после откачки; 5—после тренировки
нагревательного поляриметра строится кривая термосогласования (поляриметрическая кривая) для данного конкретного спая, характеризующая изменение значений и знака напряжений при изменении температуры (рис. 15.10).
Некоторые спаи при изготовлении электровакуумных приборов подвергают серии последовательных тепловых обработок (например, при штамповке ножек, заварке, откачке, тренировке и т.д.). Каждая из этих термообработок по-своему влияет на напряжения в спае и изменяет их значение или даже знак (рис. 15.11). Как видно из рис. 15.11, напряжения в ножке после откачки прибора значительно ниже, чем после его заварки. При этом характер изменения напряжений зависит не только от пары металл — стекло, но и от конструкции данного конкретного прибора, технологии и режимов его изготовления. Как известно, чем короче время воздействия повышенных напряжений, тем большее значение напряжений спай может выдержать без разрушения. Поэтому максимум напряжений, например при 400°С, менее опасен, чем такой же максимум в области рабочих температур эксплуатации прибора.
ОСОБЕННОСТИ ОТЖИГА СПАЕВ
При подборе оптимального режима отжига следует учитывать, что в металлостеклянном спае наряду с коэффициентными
напряжениями имеются обычные термические, которые завиоЛ от технологии изготовления спая.
Режим отжига спая, который приводит к снижению эффициентных напряжений, может одновременно вызывать увеличение термических напряжений.
Например, при ТКР аМет > ТКРаст для снижения коэффициентных напряжений охлаждение сжатого спая при отжиге следует производить с большой скоростью (табл. 15.1), однако высокая скорость охлаждения спая приводит к появлению значительных термических напряжений в толще стекла. Значение термических напряжений тем выше, чем толще стекло, а коэффициентных — чем больше разница в ТКР а металла и стекла. Поэтому при большой толщине стекла в спае охлаждение при отжиге следует вести как можно медленнее (это предотвращает возникновение термических напряжений), а разность ТКР' а металла и стекла должна быть как можно меньше (это предотвращает возникновение опасных коэффициентных напряжений).
При малой толщине стекла спай при отжиге можно охлаждать с большой скоростью, что позволяет предотвратить появление коэффициентных напряжений (несмотря на различие ТКР «мет и ТКР с?ст).
Следует учитывать, что при одной и той же разности ТКР металла и стекла отжиг может привести как к снижению, так и к повышению коэффициентных напряжений и даже к изменению их знака — это зависит от режимов отжига. В табл. 15.1 показано влияние режимов отжига на характер изменения напряжений в спае.
Для спаев с ТКР а мет > ТКР «ст не рекомендуется режим отжига, для которого при комнатной температуре напряжения полностью отсутствуют — эти спаи более подвержены разрушению при эксплуатации, чем спаи, в которых при комнатной температуре имеются незначительные напряжения сжатия до 200 ммкм. Эти искусственно созданные при отжиге напряжения сжатия компенсируют механические напряжения растяжения, которые возникают впоследствии при вакуумировании прибора, и термические напряжения растяжения, возникающие при изменении температуры ненапряженного спая.
Таблица15.1
Соотношение коэффи циентов термического расширения спаивае мых материалов при комнатной температуре
Знак остаточных напряжений до отжига
Влияние режимов отжига
Повышение температуры отжига
Увеличение длительности выдержки при температуре трансформа ции
Увеличение скорости охлаждения спая
ткра мет > ткр« «
Сжатие
Напряжения сжатия уменьшаются
Напряжения сжатия возрастают
Напряжения сжатия уменьшаются
Напряжения отсутствуют
Возникают напряжения сжатия
Возникают напряжения сжатия
Возникают напряжения растяжения
Растяжение
Напряжения растяжения уменьшаются
Напряжения растяжения уменьшаются
Напряжения растяжения возрастают
ткр а мет < ткра ст
»
Напряжения растяжения возрастают
Тоже
Тоже
ТКР а мет _ ТКРСС ст
Напряжения отсутствуют
Возникают напряжения растяжения
Изменений нет
Возникают напряжения растяжения
СОЕДИНЕНИЕ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА С МЕТАЛЛАМИ
Кварцевое стекло имеет очень малый термический коэффициент расширения 6 10—7 1/°С, и поэтому не существует металла, который бы образовывал с ним согласованные спаи.
В производстве вакуумно-плотные спаи кварцевого стекла с
металлами изготовляют различными методами.
Получение механического соединения и уплотнение его другими материалами (ртутью или свинцом).
Впаивание металлической фольги в кварцевое стекло.
Фольга из Mo, W, Та, Pt должна иметь малую толщину (0,01 — 0,05 мм) и высокую пластичность, тогда не возникает напряжений, превышающих предел прочности кварца. Спай
должен изготовляться при отсутствии кислорода — в вакууме или в среде водорода (спаи с платиной — в воздушной среде). Размягченное кварцевое стекло под действием атмосферного давления плотно обжимает фольгу и хорошо смачивает ее поверхность. Этот метод позволяет получить спаи, выдерживающие значительные перепады температур.
Изготовление спая с помощью переходных стекол (рис. 15.12). Переходные стекла подбирают с таким расчетом, чтобы
Рис. 15.12. Спай металла с кварцем с применением переходных стекол:2— кварцевая ножка; 2— опора д ля электрода; 3—переходные стекла; 4— тугоплавкое стекло; 5— вольфрамовый стерженьРис. 15.12. Спай металла с кварцем с применением переходных стекол:2— кварцевая ножка; 2— опора д ля электрода; 3—переходные стекла; 4— тугоплавкое стекло; 5— вольфрамовый стерженьРис. 15.13. Изготовление колРис. 15.13. Изготовление колпачковых вводов:пачковых вводов:1—колпачок из ковара; 2—электрод;
Рис. 15.12. Спай металла с кварцем с применением переходных стекол:
2— кварцевая ножка; 2— опора д ля электрода; 3—переходные стекла; 4— тугоплавкое стекло; 5— вольфрамовый стержень
Рис. 15.12. Спай металла с кварцем с применением переходных стекол:
2— кварцевая ножка; 2— опора д ля электрода; 3—переходные стекла; 4— тугоплавкое стекло; 5— вольфрамовый стержень
Рис. 15.13. Изготовление кол
Рис. 15.13. Изготовление кол
пачковых вводов:
пачковых вводов:
3—сплав (титан— олово илн индий— олово); 4— кварцевая трубка
напряжения на границах между переходными стеклами не превышали допустимых значений. В качестве металла для ввода обычно применяют проволочный вольфрам. Разность в ТКР между кварцем и вольфрамом, составляющую около 36 • 10—7 1/°С, уравновешивают одним или двумя переходными стеклами.
В последнее время применяют стекла, получаемые спеканием смесей порошкообразных стекол и металлов. Эти стекла могут служить в качестве переходных при спаивании кварцевого стекла чс вольфрамом.
Изготовление колпачковых вводов (рис. 15.13). В конусное расширение коварового стаканчика закладывают припой — оло- вянно-титановый сплав (титан 1,5 — 2 %). При нагревании в вакууме сплав растекается, образует конус и хорошо смачивает поверхность кварцевого стекла.
Температура обработки кварцевого стекла 1800 — 2000°С (что соответствует вязкости 106’5— 105,5П). Перед термической обработкой поверхность кварцевого стекла следует протирать этиловым спиртом, так как следы пыли и отпечатки пальцев при нагревании до красного каления приводят к кристаллизации кварцевого стекла и уменьшают его прозрачность для ультрафиолетового излучения.
ГЛАВА 16. СОЕДИНЕНИЕ МЕТАЛЛОВ С КЕРАМИКОЙ, СИТАЛЛАМИ И СЛЮДОЙ
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О КЕРАМИКЕ
В электровакуумном производстве керамические и металлокерамические детали и соединения применяются для: изоляторов, разделяющих электроды, находящиеся под разными потенциалами; оболочек электронных металлокерамических ламп (например, СВЧ-приборов); выходных устройств мощных СВЧ-приборов в виде диэлектрического окна, служащего для вывода в волноводный тракт генерируемой прибором электромагнитной энергии; вакуумно-плотных вводов приборов.
Керамика — не поддающееся деформации твердое неорганическое вещество, получаемое путем высокотемпературного спекания минералов, оксидов металлов, силикатов, карбидов и других соединений.
К преимуществам керамики по сравнению со стеклом относятся: более высокая механическая прочность и термостойкость; небольшие диэлектрические потери на высоких частотах и высокое пробивное напряжение; устойчивость к действию излучений
высоких энергий, протонной, нейтронной радиации и у-лучей; возможность изготовления керамики с любым требуемым коэффициентом термического расширения; более полное обез- гаживание при вакуумной обработке прибора; устойчивость к длительному воздействию влаги и химически активных веществ (разрушают керамику только плавиковая кислота, расплавы щелочей и щелочные карбонаты).
Следует учитывать, что в приборах керамические детали (так же, как стеклянные) должны быть защищены от бомбардировки рассеянными электронами, иначе возникает вторичная эмиссия и керамическая деталь заряжается до положительного потенциала близлежащего электрода. При этом под действием электронной и ионной бомбардировки оксиды, входящие в состав керамики, интенсивно разлагаются, и она становится источником газовыде- ления, особенно кислорода.
Любая керамика имеет три фазы: кристаллическую, стекловидную (аморфную) и газовую.
Кристаллическая фаза (например, оксид алюминия) определяет основные физико-химические свойства керамики.
Стекловидная фаза (например, диоксид кремния) связывает частицы кристаллической фазы, способствует спеканию керамики и при небольшом процентном содержании (« 1 + 10%) повышает механическую прочность. Повышенное содержание стеклофазы ухудшает диэлектрические и термические свойства керамики.
Газовая фаза связана с наличием пор в керамике, образующихся при приготовлении керамической массы, ее формовании, а также выделении летучих компонентов в процессе обжига.
Особый класс керамических материалов представляют керметы — керамико-металлические вещества, характеризующиеся наличием металлической связи. Керметы сочетают в себе положительные свойства как металлов, так и керамики (имеют высокую твердость, тугоплавкость, электро-, теплопроводность и термостойкость) и не имеют их недостатков (в отличие от керамики не обладают хрупкостью и не разрушаются при резких сменах температур; в отличие от металлов не разрушаются при длительном действии высоких температур и не подвержены «усталостному» эффекту и окислению).
Для керамической основы керметов используются многие оксиды (AI2O3, SiO2, MgO) и металлоподобные соединения: карбиды, бориды, силициды молибдена, титана, циркония. В качестве металлической фазы применяют железо, хром, никель,
вольфрам, цирконий, алюминий и их сплавы. Металл и керамика должны иметь близкие значения ТКР и теплопроводности.
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
На рис. ,16.1 показана технологическая схема изготовления керамических деталей. Основная операция — диспергирование керамических порошков, при которой происходят фазовые превращения, энергетическая активация частиц на поверхности и в
Рис. 16.1. Технологическая схема изготовления керамики
объеме, возникновение в частицах порошков точечных дефектов, что способствует повышению активности керамических порошков в процессах последующего спекания.
Сухой помол не позволяет получать частицы меньше 10 мкм. Более эффективен мокрый помол — при этом роль жидкости связана с ее расклинивающим действием, понижением прочности твердых тел и подавлением процессов агломерации измельченных частиц. Помол проводят в органических и неорганических жидкостях, чаще всего в воде с добавками поверхностно-активных веществ (ПАВ), содержащих полярные и неполярные органические радикалы. Мокрый помол позволяет получать частицы размером 1 — 0,1 мкм. Наиболее эффективными методами размола являются ультразвуковой и электроэрозионный: при ультразвуковом помоле полностью разрушаются агломераты слипшихся и скоа- гулировавших частиц.
Самым перспективным методом размола является криодиспергирование при температурах жидкого азота — это позволяет измельчать частицы, не деформируя их кристаллической решетки.
Основным направлением усовершенствования керамической технологии являются синтезирование порошков, имеющих тот же химический состав, что и готовая керамика, минуя получение индивидуальных керамикообразующих компонентов (т.е. минуя раздельное получение порошков металла и оксидов, нитридов, карбидов и т.д.).
Основными способами синтезирования порошков, имеющих состав, аналогичный керамике, является зольно-гелевый, криохимический методы и синтезирование из паровой среды.
Зольно-гелевый метод позволяет получить химически, гранулометрически и фазово-однородную керамику; этот метод заключается в последовательности превращений:
ИСТИННЫЙ РАСТВОР -» ЗОЛЬ -» ГЕЛЬ -» ПОРОШКООБРАЗНАЯ КЕРАМИКА
Например, раствор нитрата цирконила пропускают через анионитовую смолу в такой форме, которая позволяет заместить большую часть нитрат-ионов на ионы гидроксила. В результате образуется золь, который переводят в гель путем добавления минимального количества гидроксида аммония. Затем гель обезвоживают осторожным нагреванием или сублимационной сушкой, при этом получаем мелкодисперсные однородные частицы диоксида циркония, непосредственно из которых формуем керамическое изделие. Ультразвуковое воздействие на аморфный гель с последующим отделением жидкости центрифугированием позволяет получить керамический порошок из сферических частиц
субмикронных размеров, которые после формования и спекания дают керамику с плотностью, близкой к рентгенографической.
На практике применяют несколько методов формования деталей из керамических масс: пластическое прессование, прессовка-штамповка сухих порошков, горячее литье.
Пластическое прессование — это процесс формования керамической массы, для повышения эластичности которой в нее вводят парафиновую связку. Развиваемое прессом давление оаспределяется неравномерно по массе и объему прессуемого изделия, детали получаются с неравномерно уплотненной массой и неоднородной структурой, имеют повышенную пористость и худшие механические и электрические свойства по сравнению с керамическими деталями, изготовленными другими способами.
Прессовк а-ш тамповка тонкоизмельченной слабоув- лажненной керамической массы производится на прессах ударного действия. Прессованные керамические детали имеют малые допуски и поэтому не требуют дополнительной механической обработки.
Для улучшения равномерности плотности прессуемых деталей в последнее время применяют изостатическое прессование (т.е. прессование под давлением, равномерно распределенным во всех направлениях). При изостатическом прессовании керамические порошки без связки засыпают в эластичную оболочку (из резины или пластмассы) и помещают в прочный стальной контейнер, заполненный жидкостью или газом. При помощи насосов создают необходимое давление, которое равномерно распределяется по всем направлениям, что позволяет снизить трение между частицами и улучшить уплотнение между частицами порошков.
Очень эффективным является горячее прессование, при котором практически совмещаются две операции — прессование и спекание. Преимуществами горячего прессования помимо высокой конечной плотности (близкой к рентгенографической) являются мелкозернистая однородная керамическая структура детали, использование сравнительно низких давлений прессования и снижение температуры и продолжительности спекания.
Горячее литье жидкой керамической массы производят под давлением, металлические формы заполняют керамической массой-шликером, имеющим температуру 60 — 80°С, и выдерживают под давлением до его отвердевания. Шликер состоит из 80 — 90 % минерального порошка и 10 — 20 % органической связки, содержащей парафин, поливиниловый спирт, олеиновую кислоту и пчелиный воск. При всех методах рекомендуется предварительно производить вакуумирование керамической массы — для удаления воздушных пузырьков и соответственно повышения вакуумной плотности, механических и изоляционных
свойств керамики (в частности, вакуумирование повышает критическое напряжение, при котором происходят пробои и утечка между электродами).
ОСОБЕННОСТИ ОТЖИГА КЕРАМИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
Отжиг служит для придания формованным керамическим изделиям требуемых механических, электрических и других физико-химических свойств.
Процесс отжига обычно осуществляется в две стадии.
Предварительный отжиг (рис. 16.2) производится до температуры 900— 1000°С. В зонах I— И при температурах до 300°С происходит выгорание органической связки, удаление механически связанной и гигроскопичной воды, а также горючих примесей (углерода, серы и их летучих соединений). В зоне III в интервале температур 300 — 600°С происходит удаление кристаллизационной и химически связанной воды, окончательное выжигание остатков связки, а также разложение карбонатов и сульфатов с образованием оксидов и выделением газообразных продуктов. Зона IV в интервале температур 600— 1000°С характеризуется полным удалением углерода и предварительным спеканием керамики — плавлением легкоплавких примесей (флюсов, плавней) и растворением в них тугоплавких компонентов керамической массы.
кристаллы объединяются в некие (усадка) керамики.кристаллы объединяются в некие (усадка) керамики.Окончательный отжиг керамики производится при 1300 — 1750°С (в зависимости от состава керамики). При окончательном отжиге изменяется структура компонентов керамической массы: образуются кристаллическая и стекловидная фазы, мелкие
кристаллы объединяются в некие (усадка) керамики.
кристаллы объединяются в некие (усадка) керамики.
Рис. 16.2. Кривая отжига керамических деталейРис. 16.2. Кривая отжига керамических деталейкрупные агрегаты, происходит уплот- Даже незначительные отклонения от оптимальной температуры и продолжительности окончательного отжига сильно влияют на структуру и резко ухудшают свойства керамики. Пережог керамики при незначительном повышении конечной температуры отжига проявляется в появлении мелких вздутий, деформации керамики и уменьшении механической прочности. Недожог приводит к повышенной пористости, увеличенному водопог- лощению и пониженной электрической прочности.
Рис. 16.2. Кривая отжига керамических деталей
Рис. 16.2. Кривая отжига керамических деталей
После спекания обычно производится механическая обработка керамики — шлифование с использованием алмазных кругов.
Следует учитывать, что при механической обработке, в частности шлифовке, керамика сильно загрязняется, особенно ионами хлора, углеводородами, что повышает ее газовыделение в вакууме.
Для удаления следов хлора и органических веществ керамические детали перед монтажом в прибор рекомендуется подвергать окислительному обжигу в воздушной атмосфере при 300 — 1000°С в течение двух часов.
Потемнение поверхности керамических деталей при их нагреве в процессе вакуумной обработки прибора обусловлено наличием в керамике органических загрязнений, примесей железа, диоксида титана, а также прикосновением к ней потными руками, конденсацией на керамике паров металлов, распыляющихся с катода и нагретых электродов.
16.4. СОЕДИНЕНИЯ КЕРАМИКИ С МЕТАЛЛАМИ
Для изготовления соединений с керамикой обычно применяются металлические детали, изготовленные из меди, никеля, титана, ковара, молибдена, вольфрама, железоникелевых сплавов и т.д. На практике применяют семь основных методов получения вакуумно-плотных соединений керамики с металлом.
Многоступенчатый метод. На керамику предварительно наносят слой какого-либо тугоплавкого металла, а затем производят пайку с помощью припоя.
Одноступенчатый метод. Металлическую деталь спаивают керамикой за одну операцию (без предварительной металлизации керамики) с помощью припоя, содержащего активный металл.
Метод пайки металлокерамической смесью. Создают согласованный спай металла с керамикой с помощью тщательно приготовленной смеси керамическою и металлического порошков.
Метод спаивания с помощью стекла. Между металлом и керамикой создается промежуточный слой термостойкого стекла.
Диффузионный (термокомпрессионный) метод спаивания керамики с металлом.
Сварка керамики с металлом электронным лучом.
Ультразвуковая сварка металла с керамикой.
Конструкции спаев. На рис. 16.3 показаны основные конструкции металлокерамических спаев. Для образования прочного торцевого спая и снижения коэффициентных напряжений (рис. 16.3, ж) необходимо совпадение ТКР металла и керамики во всем интервале температур — от комнатной до температуры спаивания.
Рис. 16.3. Разновидности металлокерамических спаевРис. 16.3. Разновидности металлокерамических спаев
Рис. 16.3. Разновидности металлокерамических спаев
Рис. 16.3. Разновидности металлокерамических спаев
Кроме того, металлическая диафрагма, обычно изготовляемая из меди, должна иметь малую толщину (« 0,1 + 0,5 мм), что позволяет ей деформироваться при остывании спая в соответствии с ТКР керамики.
В несогласованных спаях, в которых металл охватывает керамику (рис. 16.3, а), ТКР металла должен быть больше ТКР керамики, при большой разности ТКР рекомендуется коническая конструкция охватывающего спая (рис. 16.3, б) — в этом спае различное расширение металла и керамики компенсируется перемещением металлической детали, что позволяет сохранить необходимый зазор для припоя.
В охватываемых спаях, где металл находится внутри керамики (рис. 16.3, в, г), ТКР металла должен быть ниже, чем ТКР керамики, — в этом случае в спае образуются напряжения, сжимающие керамику (что менее опасно, чем напряжения растяжения). В тех случаях, когда керамику нужно соединить с массивной металлической деталью, фланцы следует выполнять с элементами сильфонов (гофрами) или мембран, которые гасят напряжения, возникающие при изменениях температуры (рис. 16.3, д, е). Применение для несогласованных спаев мягких и эластичных металлов и сплавов (например, меди, ферроникелевых сплавов), способных к пластической деформации под действием возникающих напряжений, позволяет сохранить термическую и механическую прочность спаев. Для получения прочных несогласованных соединений керамической детали с металлом используют метод компенсации односторонних изгибающих напряжений путем размещения металлической детали между керамикой (рис. 16.3, ж). В этих конструкциях на керамические детали после сварки действуют напряжения сжатия и изгиба.
Подбор пары керамика — металл производят в зависимости от ТКР металла и керамики и конструкции спая.
Прочность металлокерамических соединений можно повысить путем введения в керамику катионов Li, Sr, Мп, Со, Y, например,
258
путем обработки керамики 10%-ным нитратом стронция и 10%-ным хлористым иттрием (это повышает прочность на 10 — 35 %)•
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ
СПАЕВ
Многоступенчатый метод изготовления спая основан на металлизации керамики порошками металлов, вжигании утих порошков в керамику и пайке металлизированной керамики с металлической деталью с помощью твердого припоя.
Металлы, применяемые для предварительной металлизации керамики, должны иметь хорошую смачиваемость припоем и не растворяться в серебряном припое. Практически для металлизаций используют порошок молибдена (молибденовая технология) или смесь порошков молибдена и марганца (молибденово-марганцевая технология).
Наиболее пригодной считается стеатитовая керамика, так как она содержит избыток кислотных оксидов, которые способствуют улучшению прочности сцепления порошка металла с поверхностью керамики.
Металлизацию керамики производят методом пульверизации суспензии порошка металла в органическом лаке или методом плазменно-дугового напыления сухого порошка. Оптимальная толщина наносимого слоя металла ~ 30 мкм.
Внедряются в производство также способы металлизации керамики напылением и вжиганием в защитных средах, а также металлизации ультразвуком.
Металлизированную керамику подвергают спеканию, цель которой — повышение механической прочности сцепления частиц покрытия друг с другом и с поверхностью керамики, а также Удаления из покрытия органических веществ и следов влаги. Спекание производят в слабоокислительной защитной атмосфере формир-газа с содержанием 2 — 3 % кислорода. Оптимальная температура спекания на 5 — 10°С ниже температуры окончательного обжига керамики. В процессе спекания на поверхности частиц образуется тонкая оксидная пленка; это объясняется кислотным характером стеатитовой керамики и наличием в формир-газе незначительного количества кислорода, образующегося при разложении паров воды. При температуре 1300°С происходит химическая реакция между основными компонентами керамики и оксидированным молибденовым порошком. При этом образуются силикаты молибдена, которые создают промежуточный переходный слой, способствующий прочному и плотному сцеплению металлического порошка с керамикой.
При остывании металлизированной керамики в печь пропу-, скается сухой водород (с точкой росы ниже —20°С) или; формир-газ для восстановления металлического слоя.
На металлизированную керамику гальваническим методомг наносят тонкий (=3 + 5 мкм) слой никеля. Никелевое покрытие^ (в отличие от молибдена) хорошо смачивается расплавленными серебряным припоем и улучшает его растекание по поверхности спая. При пайке без никелирования серебро растекается плохо,? не затекает в щели и неровности спая, спай получается негерметичным и механически непрочным. Для улучшения растекаемости припоя иногда производят также синтерирование металлических деталей никелевым порошком (при 960 — 990°С в атмосфере водорода или формир-газа).
Применение для металлизации керамики смеси порошков молибдена и марганца вместо порошка молибдена более целесообразно, так как марганец имеет повышенную окислительную способность. Это позволяет на 40 — 100°С снизить оптимальную температуру спекания в атмосфере увлажненного водорода и применять для изготовления спаев не только стеатитовую керамику, имеющую излишек свободных кислотных оксидов, но и форстеритовую, алюмооксидную и алюмосиликатную. В качестве припоев используется серебро, медь, медно-серебряные, медно-зо- лотые и золотоникелевые сплавы, в последнее время применяют также медно-германиевые сплавы.
Основной недостаток металлизации смесью порошков молибдена и марганца: при высоких температурах прибора марганец испаряется, что приводит к отравлению катодов.
По одноступенчатому методу спаивание металла с керамикой производится в одну ступень без предварительной металлизации керамики. Для образования прочного вакуумноплотного спая необходим активный металл (например, титан или цирконий), который используют в качестве материала спаиваемой детали или как компонента в сплаве, образующем припой. Поэтому если металлическая деталь (например, оболочка металлокерамической лампы) изготовлена из пассивных металлов (стали, ковара и т. д.), то в качестве припоев используют сплавы на основе активных металлов — титана и циркония. Наилучшими свойствами обладает припой, содержащий 20% Ti, 5% Ni, 0,1% Si и остальное Си. В процессе расплавления припоя активный металл растворяется и образуется расплав с высокой реакционной способностью, хорошо смачивающий керамику и вступающий в химическое взаимодействие с керамикой и металлом с образованием прочного спая. Если металлическая деталь изготовлена из активного металла, например Ti, то могут применяться обычные
твердые припои (например, серебряно-никелевый припой ЦСрМ72).
Диффузионный (термокомпрессионный) метод спаивания основан на образовании неразъемного вакуумноплотного соединения между металлической и керамической деталями с чистыми и гладкими контактирующими поверхностями, прижатыми друг к другу (под давлением 10 — 15 МПа) и нагретыми до температуры, равной 0,6 — 0,8 Гид. При этом цроисходит взаимная диффузия атомов и молекул контактирующих деталей и образуется прочный спай (оксиды из тонкой оксидной пленки металла диффундируют в керамику или металлизирующий слой, в результате чего получается плотный соединительный шов). Металлическая деталь и металлизированная керамика устанавливаются на оправке, загружаются в вакуумную камеру и нагреваются токами высокой частоты. При диффузионном методе соединения деталей припой не требуется. В качестве защитной среды при диффузионной сварке часто применяют влажный водород, формир-газ или вакуум. Защитная среда при сварке не должна нарушать пассивирующую оксидную пленку на поверхности детали. Например, при вакуумной диффузионной сварке следует применять неглубокий вакуум порядка 0,1 — 1,0 Па (достаточно для предупреждения пере- окисления тонкой пассивирующей пленки в толстую оксидную пленку), при сверхвысоком вакууме и повышенной температуре может происходить испарение и восстановление пассивирующей пленки на металле, что вызывает нарушение герметичности и прочности спая. Повышение температуры сварки также приводит к ухудшению электроизоляционных свойств керамики, снижению ее механической прочности и возникновению термической усталости в виде трещин и медленного структурного разрушения керамики.
СОЕДИНЕНИЕ СЛЮДЫ С МЕТАЛЛАМИ И СТЕКЛОМ
Слюдой называются алюмосиликатные минералы, кристаллы которых способны легко расщепляться на тонкие пластины по параллельным плоскостям спайности, расположенным на близком расстоянии друг от друга.
Применение слюды в электровакуумном производстве обусловлено ее свойствами: высокой упругостью и твердостью, незначительными диэлектрическими потерями (tge 2 + 15 • 10—4К большим объемным электрическим сопротивлением (1013— 1017 Ом-см), высокой электрической прочностью (Unp ~ Ю8 В/м) и отличной вакуумной плотностью. Слюдяные изоляторы прозрачны Для Р - и у -излучения. Водопоглощение слюды равно нулю в
направлении, перпендикулярном плоскостям спайности, и незначительно вдоль слоев.
Недостатками слюды являются трудность обезгаживания, значительное газовыделение в вакууме, нестабильность свойств от партии к партии, наличие посторонних минеральных и воздушны* включений. Вдоль плоскостей спайности электроизоляционные свойства слюды значительно хуже. Даже незначительное содержание примесей (Fe, Na, Са) резко ухудшает изоляционные свойства. Практически чем более прозрачна слюда и меньше на ней пятен, включений и пузырьков воздуха, тем выше ее электрическое сопротивление, меньше газовыделение в вакууме и ниже диэлектрические потери.
В электровакуумном производстве применяют два вида слюды, различающиеся по химическому составу и физико-химическим свойствам: мусковит и флогопит.
Мусковит — прозрачная и бесцветная в тонких пластинах слюда, представляющая собой водный алюмосиликат калия КгО* хЗА1гОз • 6SiO2 • 2НгО. В более толстых пластинах мусковит имеет зеленоватый или коричневатый оттенок.
Флогопит — окрашенная в различные тона слюда, представляющая собой водный алюмосиликат магния КгО • MgO* ХМ2О3 • 6SiO2 • 2НгО.
Мусковит по сравнению с флогопитом обладает лучшими изоляционными и механическими свойствами, большей твердостью, гибкостью, упругостью, более высокой химической стойкостью, однако имеет малую нагревостойкость. Максимальная рабочая температура деталей из мусковита не может превышать 600°С, в то время как рабочая температура деталей из флогопита может достигать 900°С. Однако ввиду наличия в флогопите серы, хлора, марганца, фосфора и других (более 40) элементов, способных выделяться в объем приборов, применение этой слюды в ЭВП ограничено.
При температурах, превышающих предельно допустимую, из природной слюды начинает выделяться входящая в ее состав кристаллизационная вода. При этом слюда теряет прозрачность, толщина ее увеличивается (слюда «вспучивается»), нарушается кристаллическое строение, она становится хрупкой, соответственно резко ухудшаются ее механические и электрические свойства.
Слюда имеет очень низкую проницаемость для теплового излучения (инфракрасных лучей), что позволяет применять ее в качестве защитных тепловых экранов (например, для защиты спаев стекла с металлом от излучения тел накала).
Синтетическая слюда является бесцветной и представляет собой кристаллы фторфлогопита (KMg3AlSi30ioF2), которые отличаются от кристаллов природного флогопита тем, что в них гидроксильные группы в кристаллической решетке заменены ионами фтора. Ввиду отсутствия кристаллизационной воды ^синтетическая слюда обладает большей нагревостойкостью (до 1100°С), чем природная, и превосходит мусковит по электрическим характеристикам.
Пары воды в составе остаточных газов являются «ядом» для синтетической слюды и снижают ее рабочую температуру, так как они взаимодействуют при повышенных температурах с фтором и образуют летучий фтористый водород. Синтетическая слюда имеет почти в 100 раз меньшее газовыделение в вакууме, чем природная. Это связано с тем, что фтор, заменяющий в синтетической слюде кристаллизационную воду, имеет более прочные связи с кристаллической решеткой и не выделяется при нагреве.
В процессе обработки слюду раскалывают, нарезают, штампуют, сверлят и фрезеруют. Слюдяные детали изготовляют методом штамповки откалиброванного подбора слюды. Калиброванным подбором называются пластины слюды произвольного контура, имеющие строго заданную толщину (с допуском ± 5 мкм) и полезную площадь. С увеличением толщины слюды и разброса по толщине значительно повышается отвод теплоты от деталей, посаженных в слюду (например, от катода), и снижается их рабочая температура.
При изготовлении и эксплуатации прибора на слюдяные изоляторы могут напыляться электропроводящие материалы, испаряющиеся с катода и раскаленных электродов прибора — это приводит к появлению на изоляторе сплошных электропроводящих мостиков и пленок, вызывающих утечки между электродами. Для повышения сопротивления слюдяных изоляторов их магнезируют — наносят на поверхность слюды шероховатый пористый слой изоляционного покрытия на основе оксида магния.
В последнее время для нанесения изоляционного покрытия на слюду применяется также суспензия на основе оксида церия. Оптимальная толщина покрытия 10 —15 мкм, увеличение толщины приводит к осыпанию покрытия и повышенному газовыделению в вакууме (в основном выделяются пары воды, хлор и углеводороды). Практически магнезированная слюда, нагретая излучением от катода, выделяет в объем ламп в 5 раз
больше газов и паров, чем внутренняя арматура, и в 100 раз больше, чем стеклянная оболочка прибора. На слюдяные диски, служащие подложками под люминесцентные экраны или катоды в электронно-оптических преобразователях, часто наносят полупроводящие покрытия на основе оксидов олова, что позволяет отводить с подложек электростатические заряды и стабилизировать потенциал слюдяных подложек.
Непосредственное спаивание слюды cb стеклом и металлом невозможно, так как даже при сравнительно низкой температуре структура слюды разрушается, из нее выделяется кристаллизационная вода и резко ухудшаются физико-химические свойства. Поэтому вакуумно-плотное соединение слюды со стеклом или металлом достигается путем склеивания их эпоксидными смолами или стеклокристаллическими цементами и эмалями. Эти спаи слюды являются несогласованными. ТКР а слюды имеет разные значения в различных направлениях (100 • 10~ 1/°С в направлении, параллельном плоскости спайности, и 300 • 10“7 1/°С в других направлениях) и зависит от состава, структуры слюды и ее предшествующей термической обработки. ТКР стеклоэмали должен быть меньше ТКР слюды и стеклянной детали, в этом случае в слое эмали возникают напряжения сжатия, что предотвращает возникновение в ней трещин и ухудшение герметичности, а в слюде — напряжения растяжения (как известно, слюда в отличие от стекла и металла более прочна на растяжение, чем на сжатие). Качество несогласованного спая во многом зависит от величины и формы зазора между слюдой и стеклом (или металлом) и дозировки стеклоэмали. Обычно применяют эмали на основе легкоплавких свинцово-боратных стекол, имеющие ТКР а « 75 • 10“7 1/°С, что значительно меньше ТКР а слюды и стекла. Для получения качественного спая края слюдяных окошек не должны иметь трещин, обычно образующихся при вырезании и вырубании слюдяного окошка методами штамповки (мелкие трещины обнаруживаются по беловатой окраске краев вырезанной слюды). Поэтому края слюды не режут, а получают окаливанием кислородно-водородным пламенем. Иногда пайка слюды с металлом производится в вакууме порядка 1 • 10~ Па при температуре « 800°С.
ГЛАВА 17. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ
РАЗНОВИДНОСТИ ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ J И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ
Подогреватель — металлический проволочный керн (тело на-| кала), по которому пропускают ток, обеспечивающий нагрев| подогревателя до рабочей температуры. 1
Подогреватели служат для нагрева катодов косвенного накала до температуры, необходимой для придания ' им высокой эмиссионной способности. Нагрев катода происходит в результате теплоизлучения от подогревателя и теплопроводности изо- дяционного покрытия.
По способу изоляции подогревателя от катода подогреватели подразделяются на следующие типы: алундированные, в которых металлический керн покрыт изоляционным слоем алунда; не -докрытые изоляционным слоем (на керамических держателях); залитые в керне катода изоляционными и теплопроводящими составами; «приклеенные» (припаянные) к керну катода; керметные.
Основными параметрами и характеристиками подогревателей являются рабочая температура и мощность накала. Рабочая температура подогревателя оксидных катодов * 1130°С, а для особо долговечных и надежных приборов = 1050°С.
Чем ниже рабочая температура подогревателя, при которой достигается рабочая температура катода, тем выше долговечность, надежность подогревателя и электровакуумного прибора и меньше шумы и паразитные сигналы. Например, повышение рабочей температуры подогревателя на 50 — 70°С сверх оптимальной в 8 — 10 раз увеличивает вероятность перегорания нити накала.
Снижения рабочей температуры подогревателя можно достигнуть: повышением излучательной способности подогревателя, т.е. черчением поверхности подогревателя; заполнением' промежутка катод — подогреватель теплопроводным составом; повышением поглощающей способности катода, т.е. чернением внутренней поверхности катода и другими способами.
Рабочую температуру подогревателя можно определить по отношению «горячего» сопротивления проволоки Л юр1 к «холодному» сопротивлению 7?хол. Это отношение должно быть = 2,2 для проволоки из сплава ВР-20 и 6,4 для вольфрамовой проволоки.
Для обеспечения требуемого тока накала и температуры (при данном напряжении накала Uh) подогреватель должен иметь определенное электрическое сопротивление Rxon. Требуемое сопротивление обеспечивают подбором определенной длины I и диаметра d керна подогревателя по формуле
Rxon ■ р \АИ № d2) ],
где р — удельное электрическое сопротивление металла керна.
Горячее сопротивление подогревателя определяется по формуле КГОр-ин/1н.
Подогреватели должны обладать формоустойчивостью, достаточной для сохранения неизменного расстояния между катодом в подогревателем (тем самым достигается постоянная и равномерная температура катода в течение всего срока эксплуатации прибора).
Электрическая изоляция между катодом и подогревателем должна быть надежной, так как нарушение изоляции и снижение электрического сопротивления может привести к-—^-
привести к утечкам, пробоям между электродами и искажениюпривести к утечкам, пробоям между электродами и искажениюзамыканиямзамыканиямпараметров.параметров.Рис. 17.1. Принципиальные технологические‘ схемы изготовления петлевых и спиральных подогревателейРис. 17.1. Принципиальные технологические‘ схемы изготовления петлевых и спиральных подогревателейи коротким
привести к утечкам, пробоям между электродами и искажению
привести к утечкам, пробоям между электродами и искажению
замыканиям
замыканиям
параметров.
параметров.
Рис. 17.1. Принципиальные технологические‘ схемы изготовления петлевых и спиральных подогревателей
Рис. 17.1. Принципиальные технологические‘ схемы изготовления петлевых и спиральных подогревателей
Подогреватели должны иметь высокую механическую прочность, чтобы выдерживать вибрационные и ударные нагрузки, возникающие при работе приборов. Повышенная хрупкость керна подогревателя часто объясняется его перегревом и образованием крупнозернистой структуры.
При рабочем напряжении подогреватели должны иметь минимальный разброс по току накала (а также по мощности накала и температуре катода). Причинами изменения тока накала могут являться колебания длины и диаметра керна, изменение структуры материала подогревателя (и, как следствие, изменение его сопротивления), а также замыкания между отдельными участками подогревателя и увеличение коэффициента излучения при появлении на покрытии подогревателя различных налетов.
На рис. 17.1 приведены принципиальные технологические схемы изготовления петлевых (складчатых) и спиральных подогревателей.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ КЕРНОВ ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ
Металлы и сплавы для кернов подогревателей должны иметь: высокую температуру плавления, хорошую формоустойчивость при высоких температурах и малую скорость испарения; высокую температуру начала рекристаллизации (что препятствует снижению механической прочности и появлению хрупкости); малое давление насыщенных паров (что предотвращает «отравление» катодов и ухудшение вакуума в приборе); достаточно большое удельное электрическое сопротивление (что позволяет применять керны с большим диаметром и соответственно с более высокой механической прочностью и формоустойчивостью); химическую инертность к материалу изоляционного покрытия (что исключает снижение электрического сопротивления изоляции). Например, недопустимо образование оксидов вольфрама, так как они вступают в реакцию с оксидом алюминия изоляционного покрытия и ухудшают его изоляционные свойства.
Указанным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют сплавы вольфрама с различными присадками.
Сплав марки ВА — вольфрам с присадками оксидов алюминия, кремния и щелочных материалов. Эти присадки способствуют повышению температуры рекристаллизации, препятствуют росту кристаллов и появлению хрупкости при длительных температурных нагрузках.
Сплав марки ВР (например, ВР-20) — вольфрам с рением. Этот сплав пластичен, хорошо поддается формовке, характеризуется малой скоростью рекристаллизации и сохраняет достаточную механическую прочность в рекристаллизованном состоянии,
химически менее активен по отношению к алунду, чем чистый вольфрам. Для получения одинакового тока накала и одинаковой температуры керн подогревателя из ВР-20 должен иметь больший диаметр, чем из чистого вольфрама, так как при рабочей температуре подогревателя удельное электрическое сопротивление ВР-20 в 1,5 раза выше, чем чистого вольфрама. Это позволяет улучшить прочностные характеристики подогревателя при эксплуатации прибора.
Применение сплавов вольфрама с рением позволяет устранить обрывы подогревателей, повысить устойчивость к циклическим нагрузкам и «водяному циклу». Недостаток сплава — нестабильность структуры в процессе срока службы вследствие сравнительно низкой температуры рекристаллизации.
Сплав марки ВАР (например, ВАР-5, ВАР-10) помимо рения содержит присадки оксидов кремния, алюминия и щелочных металлов. Высокая температура рекристаллизации сплава ВАР-5 (2000 — 2300°С) обеспечивает стабильность структуры, отсутствие хрупкости и малую формоизменяемость в течение срока службы (в отличие от сплавов ВР).
В последнее время наблюдается тенденция введения в сплавы вольфрама дополнительных присадок, способствующих улучшению их технологических и эксплуатационных характеристик. Например, для повышения пластичности и жаростойкости вольфрам и его сплавы с молибденом легируются такими металлами, как олово, железо, кобальт, а также оксидом тория; сплавы вольфрама с рением легируются присадками тория, циркония, титана, гафния, осмия, углерода, нитридов и боридов различных металлов.
Для кернов подогревателей высоконадежных приборов разработан новый сплав марки TH-ЗОР на основе тантала с добавкой 33 — 35% ниобия и 3 — 4% рения. Преимущества этого материала: устойчивость к длительному термоциклированию; высокая прочность сцепления с алундовым покрытием.
Петлевые керны подогревателей (рис. 17.2, а) применяют преимущественно в ПУЛ, ЭЛТ, в которых напряжение накала не превышает 6,3 В.
Спиральные керны (по сравнению с петлевыми) обладают рядом преимуществ: более слабым магнитным полем, более равномерным распределением температуры вдоль катода (особенно
спиральные керны с переменным шагом навивки), меньшей удельной нагрузкой, меньшей рабочей температурой.
В качестве накала находят применение следующие виды спиралей.
Монофилярные — проволока в виде спирали с постоянным или переменным шагом (рис. 17.2, б); основным недостатком монофилярных спиралей является образование сильного магнитного поля.
Бифилярные — проволока в виде спирали с постоянным "или переменным шагом; бифилярные спирали имеют две ветви, по которым ток накала проходит в разных направлениях (рис. 17.2, в); это позволяет обеспечить более равномерный нагрев катода и компенсировать магнитное поле, возникающее при прохождении тока накала по каждой из ветвей подогревателя, и устранить его влияние на формирование электронного луча в электронно-лучевых приборах; недостаток бифилярных спиралей — возможность возникновения разности потенциалов между их двумя концами, что может привести к пробоям и коротким замыканиям; особенно это опасно при механических вибрациях прибора или при электролизе алундового покрытия, когда происходит местное нарушение изоляции спиралей.
Плоские спирали максимально приближены по своей конфигурации к керну катода (типа «улитки», рис. 17.2, д); их применяют для торцевых катодов.
Основные размеры спиралей (рис. 17.3) приведены в табл. 17.1.
Рис. 17.2. Конструкции подогревателей:
в — петлевой; б — моиофилярнын; в — бифилярный; г — монобифилярный; д — типа «улитки»; « ж — с керамической вставкой
Рис. 17.3. Основные размеры спирали
Коэффициент керна Ак — отношение диаметра керна а диаметру </н навиваемой проволоки. По мере уменьшения повышается формоустойчивость спирали и ее устойчивость к вибрационным нагрузкам, однако увеличиваются тепловые потери и повышается степень деформации навиваемой проволоки (что может привести к ее обрывам).
Коэффициент шага спирали Кт — отношение шага спирали t к диаметру навиваемой проволоки dH. При малом Кт любое незначительное отклонение в размере шага может вызвать замыкание витков и их перегорание.
Градиент спирали — отношение подводимого к прибору напряжения к суммарной длине всех пустых промежутков между витками спирали. С увеличением градиента повышается опасность перегорания спиралей ввиду опасности возникновения электрической дуги.
Резонансная частота керна подогревателя (частота собственных поперечных механических колебаний жестко закрепленного керна) должна быть как можно более высокой — это уменьшает вероятность возникновения резонанса, способного вызвать разрушение керна в условиях больших механических перегрузок.
Резонансная частота подогревателя зависит от его размеров:
v - (</н/(Ь2</к).
Из этой формулы следует, что частота собственных колебаний v и прочность спирали повышаются с увеличением диаметра нити и шага спирали и с уменьшением длины спирали и диаметра керна.
Оптимальная длина проволоки (спирали) определяется по формуле
/ - Кгорл d^ltA г]р^,
где 1) - ^гор/^хол — отношение горячего сопротивления спирали к холодному (для сплава В А это отношение равно 2,2 для сплава ВР-20 — 6,4); ро — удельное сопротивление проволоки подогревателя при комнатной температуре.
Иногда диаметр выводов накала подогревателя делают меньше диаметра проволоки самой спирали, что позволяет уменьшить рдияние колебаний сетевого напряжения на напряжение накала л температуру подогревателя. В противном случае флуктуаций напряжения в нерегулируемых источниках питания могут привести к перегреву подогревателей до температуры значительно выше рабочей.
На рис. 17.4 показана типовая технологическая схема изготовления спиралей.
Проволока должна иметь правильное круглое сечение, малый допуск на диаметр (не более 1 %) и постоянное относительное удлинение по длине проволоки. Поверхность проволоки должна быть гладкой, без трещин, сечение не должно быть эллипсным.
Таблица 17.1
Параметры
Обозначение
Размер
Характеристика
Диаметр навиваемой проволоки
</н
30— 200 мкм
Зависит от силы тока, мощности и температуры тела накала
Шаг навивки
t
В зависимости от конструкции
Шаг навивки — расстояние между осями двух соседних витков, измеренное вдоль оси спирали
Число витков спирали на 1 мм ее длины
п
0,5 — 50
С увеличением плотности навивки (т.е. с уменьшением t или увеличением л) снижаются тепловые потери, увеличивается световая отдача, замедляется распыление материала детали (положительные факторы), однако увеличивается вероятность засорения витков и их замыкания при работе приборов (отрицательные факторы)
Полная ; длина спирали
1
В зависимости от конструкции
Размеры выбираются в зависимости от конструкции и параметров приборов (в частности, от расчетного напряжения)
Длина тире
1т
Длина навитой части
L
Диаметр керновой проволоки
(к
Тоже
От dK зависят диаметр и шаг навиваемой спирали, а также полное число витков
спирали №я((4 + й)
| Входной контроль вольфрамовой проволоки
i ..
Комплектация проволоки по диаметру
Очистка
Навивка проволоки на керн
Вторичная навивка для биспиралей и третьядля триспиралей
Обезжиривание
Термическая обработка На керне
Резка спиралей с керном
Удаление керна травлением
Рассортировка и укладка типовых спиралей для последующейтермообработки
I Термическая обработка без керна
Формовка
Отжиг для рекристаллизации вольфрама для спиралей некоторыхавтомобильных и специальных ламп
Контроль |
Очистка проволоки заключается в удалении с ее поверхности графитовой смазки (аквадага), которая при работе прибора может образовывать с вольфрамом карбиды, приводящие к точечной хрупкости и, как следствие, к провисанию и короблению тела накала. Очистка вольфрамовой проволоки осуществляется отжигом в атмосфере влажного водорода, химическим, электрохимическим иди ультразвуковым травлением в растворах кислот, щелочей или расплавах солей.
Спираль изготовляют путем изгибания и осевого смещения очищенной проволоки вокруг оправки, т.е. путем сложения двух движений — вращательного и поступательного. При этом геометрическая форма спирали повторяет форму оправки, а шаг спиральной укладки зависит от соотношения скоростей враща
тельного и поступательного движения.
Навивка спиралей осуществляется несколькими методами: навивкой проволоки на вытравляемый (непрерывный) керн, навивкой проволоки на постоянный керн, методом бескерновой спирализации. Для навивки на непрерывный керн применяют различные автоматы (СГ, СГТМ, СГТК и др.), классификация которых показана на рис. 17.5.
Изготовление спиралей на вытравливаемом керне показано на рис. 17.6. В качестве керна (оправки) используют проволоку большого диаметра, к материалу и форме которой предъявляются следующие требования: высокая твердость (исключает «врезание» вольфрамовой проволоки спирали в поверхность керна, что
предотвращает нарушение размеров спирали); точность диаметра
по всей длине керна; хорошая
растворимость в кислотах, нерастворимость в кислотах, неРис. 17.5. Классификация машин для навивки спиралейРис. 17.5. Классификация машин для навивки спиралейвзаимодействующих с вольфрамовой проволокой (что позволяет вытравливать керн), высокая прочность на разрыв; большое значение относительного удлинения; высокая температура плавления. Исходя из вышеперечисленных требований в качестве керна обычно используют молибденовую и реже стальную проволоку. Керновая проволока сматывается со спускной катушки 1 и наматывается на приемную Дырчатую катушку 8. При перемотке керн проходит через направляющий ролик 2, вращающийся пустотелый
растворимость в кислотах, не
растворимость в кислотах, не
Рис. 17.5. Классификация машин для навивки спиралей
Рис. 17.5. Классификация машин для навивки спиралей
Рис. 17.6. Схема установки для навивки спирали на вытравливаемый кернРис. 17.6. Схема установки для навивки спирали на вытравливаемый керн44ff
Рис. 17.6. Схема установки для навивки спирали на вытравливаемый керн
Рис. 17.6. Схема установки для навивки спирали на вытравливаемый керн
4
4
f
f
шпиндель 3 и дюзу из твердого сплава 7, имеющую выходите отверстие (около места навивки) только на 10 мкм больше диаметра керна. Вместе со шпинделем вращается спира- лизационная головка 4 и заправленная в нее шпуля 5 с вольфрамовой проволокой. Вольфрамовая проволока сбегает со шпули через ролик б, навивается вокруг поступательно движущегося керна и укладывается на нем параллельными витками, образуя спираль. Шаг спирали зависит от соотношения скорости перемещения керна и частоты вращения шпули. Качество спирализации определяется величиной натяжения керна и вольфрамовой проволоки, температурой подогрева проволоки, скоростью вращения шпинделя и углом наклона вольфрамовой проволоки к керну. В процессе спирализации вольфрамовую проволоку обычно подвергают прямому или косвенному электрическому нагреву до 300 — 400°С — для увеличения ее пластичности и более плотного облегания керна в момент навивки (иначе возможен излом или расслоение вольфрама). Для получения равномерного шага и плотного прилегания спирали к керну должно обеспечиваться равномерное натяжение вольфрамовой проволоки и керна. Для каждого диаметра проволоки устанавливается свое оптимальное натяжение, зависящее от площади поперечного сечения проволоки (чем толще проволока, тем сильнее ее натягивают). При чрезмерном натяжении наблюдается вытягивание керна и навиваемой проволоки с изменением их диаметра, а также врезание проволоки в керн и ее обрывы; при слабом натяжении — неравномерное перемещение керна, смещение витков и другие дефекты.
Получение спиралей с проскоком — тире (т.е. участками неспирализованной проволоки) может быть осуществлено тремя способами:
керн перемещается с постоянной скоростью, а спирализационная головка (шпуля) прекращает вращаться, образуется прямое и параллельное керну тире;
спирализационная головка вращается с постоянной скоростью, а керну сообщается резкое ускоренное движение вперед — при этом образуется тире в виде растянутого витка;
в момент образования тире керн перемещается с постоянной скоростью, а головке сообщается резкое перемещение в сторону, противоположную движению керна.
Рис. 17.7. Схема навивки бифилярных подогревателей:в — захват проволоки иглой; 6 — формовка проволоки вкладышем; в — навивка (Ц > 12 >1з—длина заготовки)Рис. 17.7. Схема навивки бифилярных подогревателей:в — захват проволоки иглой; 6 — формовка проволоки вкладышем; в — навивка (Ц > 12 >1з—длина заготовки)Для изготовления биспиралей (бифилярных подогревателей) сначала навивают вольфрамовую проволоку на тонкий молибденовый керн и получают первичную спираль — монофилярную. Затем керн с навитой первичной монофилярной спиралью навивают еще раз на более толстый керн и получают вторичную спираль — биспираль. Приемную катушку, на которую навивают первичную спираль, применяют в качестве шпули при вторичной спирализации. На рис. 17.7 показана схема работы полуавтомата для изготовления бифилярных спиралей. Отрезок монофилярной спирали 1 своей серединой подается в прорезь иглы — оправку 2. Конец иглы с монофилярной заготовкой автоматически поступает в неподвижную оправку с вкладышем 3 — при этом заготовка проходит через фигурные вырезки вкладыша, а игла — через его центральное отверстие. Механизм навивки с помощью шагового винта приводит иглу во вращение и одновременно сообщает ей поступательное движение, при этом из заготовки получается биспираль. Шаг навивки биспирали обеспечивается соответствующим профилем винтового копира механизма навивки. После навивки спираль отжигают сначала вместе с керном, а затем после вытравливания керна.
Рис. 17.7. Схема навивки бифилярных подогревателей:
в — захват проволоки иглой; 6 — формовка проволоки вкладышем; в — навивка (Ц > 12 >1з—длина заготовки)
Рис. 17.7. Схема навивки бифилярных подогревателей:
в — захват проволоки иглой; 6 — формовка проволоки вкладышем; в — навивка (Ц > 12 >1з—длина заготовки)
Отжиг спирали вместе с керном производится для Устранения в проволоке на-
клепа, снятия внутренних напряжений, превращения волокнисто^ структуры в зернистую и закрепления формы спирали. Затей производят резку отожженных спиралей в средней части тире j травление для удаления керна, оксидов вольфрама и графитовом смазки. Термическую обработку спиралей после удаления керщ проводят в среде водорода — это необходимо для снятия оставшихся внутренних напряжений, закрепления формы спирали, очистки поверхности и удаления оставшихся газов и паров.
Для получения спиралей специальной формы (например, некруглой, или с формованными концами, или с большим внутренним диаметром) применяют метод навивки на постоянней керн. При этом методе вольфрамовую проволоку навивают на стальной керн, который механически извлекается из спирали и вновь используется для следующих навивок.
Метод бескерновой спирализации не получил широкого применения, так как не позволяет изготовлять спирали с тире и биспирали, не обеспечивает точность навивки и приводит к быстрому износу профилирующего инструмента. При бескерновой навивке (рис. 17.8) проволока 1, подаваемая роликами 2, на своем пути встречает сферическую лунку в алмазе 3 и завивается в спираль 4.
Складчатые или петлевые подогреватели имеют вид нескольких петель из проволоки. На рис. 17.9 показана схема технологического процесса. Металлический барабан 1 совершает прерывистое вращательное движение. На поверхности барабана имеются иглы 3. Катушка 2 с проволокой совершает возвратно-качательное движение. Она заводит проволоку за ту иглу барабана, которая
Рис. 17.8. Схема метода бескерновой навивки спиралейРис. 17.8. Схема метода бескерновой навивки спиралейРис. 17.9. Схема технологического процесса формовки складчатых подогревателей
Рис. 17.8. Схема метода бескерновой навивки спиралей
Рис. 17.8. Схема метода бескерновой навивки спиралей
в данный момент находится в вертикальном положении. Натянутая на иглы проволока разрезается специальным режущим устройством, а затем снимается с игл пластинкой — съемником. Формуют подогреватели, последовательно перегибая проволоку на иглах, расположенных так, чтобы получить необходимые размеры и форму подогревателя.
Рассмотрим дефекты спиралей, возникающие при их изготовлении.
Разбитые витки, срезы и выбоины наблюдаются при плохой наладке спирализационной установки, а также при ударах в процессе формовки спиралей.
Расслой спирали вызывается перенагартованностью исходной проволоки, низкой температурой нагрева при спирализации, недостаточным прогревом при формовке, тупыми ножами при резке или малым диаметром керна.
Хрупкость спиралей образуется в результате их перегрева при отжиге, загрязнения вольфрама углеродом, оксидами никеля, а также железом в процессе навивки, резки, вытравливания или отжига (при применении стальных кернов или стальных лодочек).
Провисание, коробление или обрыв спиралей объясняется низким качеством исходной проволоки, несовпадением направлений вращения при первичной и вторичной спирализации, недостаточным закреплением формы спиралей в процессе отжига (низкая температура или плохая укладка спиралей в лодочке), изменением структуры вольфрама при загрязнении углеродом, железом, никелем (при их испарении с деталей ламп), неправильным соотношением диаметров проволоки и керна.
Обрыв спирали при монтаже возникает при расплющивании спирали сварочным электродом и перегреве при контактной сварке.
НАНЕСЕНИЕ ИЗОЛЯЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ
НА КЕРНЫ ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ
Изоляционное покрытие должно иметь высокое электрическое сопротивление, малую скорость испарения в вакууме и низкое давление насыщенных паров при повышенных температурах, высокую механическую прочность сцепления с подложкой, большую теплопроводность, химическую устойчивость к материалу керна. Перечисленным требованиям в наибольшей степени удовлетворяет алунд — оксид алюминия, получаемый из плавленого корунда. Алунд имеет температуру плавления 2050°С, не
вступает в химическое взаимодействие с вольфрамовым керном до 2000°С, имеет удельное электрическое сопротивление Ю” Ом • см при комнатной температуре и 105 Ом • см при температуре 1100°С.
Малое различие в температурных коэффициентах расширение алунда и вольфрама предотвращает отслаивание алундового покрытия от керна в процессе нагрева и охлаждения подогревателя и обеспечивает хороший тепловой контакт между керном и покрытием. Однако ввиду того, что ТКР этих материалов все Хе не совпадают (ТКР оксида алюминия составляет 8,5 — 12,5- 10“6 град-"1, а вольфрама 4,4 • 10—6 град-1), на поверхности алундированных подогревателей при высоких температурах и особенно в течение длительного срока службы образуются трещины.
Загрязнение алунда примесями щелочных и щелочноземельных металлов, а также железом и марганцем ухудшает изоляционные свойства алундового покрытия. В алунде нежелательно наличие примесей типа РегОз, так как они вызывают собственную эмиссию подогревателя и приводят к появлению в приборе шумов и утечек. Наличие примесей типа SiOi ухудшает изоляционные свойства, уменьшает теплопроводность покрытия, а также способствует увеличению его хрупкости. В качестве плавня, образующего с алундом легкоплавкие соединения и обеспечивающего спекания покрытия, в алунд добавляют 1 — 7 % талька. При большем количестве талька ухудшаются изоляционные свойства покрытия. Добавление в алунд оксидов иттрия и скандия ускоряет процесс спекания алунда и препятствует росту его зерен, а также повышает электрическую и механическую прочность. Для повышения механической прочности и снижения пористости покрытия рекомендуется вводить в суспензию паравольфрамат аммония или оксид алюминия. Добавление к алунду оксида галлия позволяет значительно снизить температуру спекания изоляционного покрытия.
В последнее время рекомендуется применять многослойные изоляционные покрытия: например, первый слой из оксида алюминия, второй — из карбидов или боридов тугоплавких металлов, улучшающих теплоизлучение.
Чернение изоляционного алундового слоя позволяет увеличить коэффициент излучения1 и на 100 — 300°С снизить рабочую
температуру подогревателя — без опасности снижения температуру катода. Снижение рабочей температуры подогревателя замед- дяет процессы рекристаллизации, испарения тела накала и растрескивания изоляционного покрытия. Чернящее вещество обычно наносится на поверхность алундированного подогревателя методами пульверизации, катафореза, пропитки или напыления.
Для чернения изоляционного слоя применяют оксиды, карбиды, силициды титана, циркония, молибдена, вольфрама, Арома, алюминиевые соли вольфрамовой кислоты и др.
тер-тер-В последнее время проводятся работы по применению изоляционных покрытий на основе оксидов бериллия, иттрия и нитрида бора. Такие подогреватели обладают высокой электрической и механической прочностью, имеют в 2 — 3 раза большую долговечность, чем алундированные подогреватели, и могут применяться, в частности, в СВЧ-приборах. ТКР нитрида бора мало отличается от ТКР вольфрамового керна (в отличие от ТКР
тер-
тер-
icicалунда), что обеспечивает устойчивость покрытия моциклированию и отсутствие на нем трещин вплоть до 1500°С.
ic
ic
Для катодов, рабочая температура которых выше 1250°С,
нельзя применять алундированные подогреватели, так как при высоких температурах алунд активно взаимодействует с вольфрамовым керном. При этом образуются химические соединения, обладающие малым электрическим сопротивлением, что приводит к утечкам, пробоям, коротким замыканиям и перегоранию подогревателя. В этих условиях используют непокрытые подогреватели. Чтобы обеспечить формоустойчивость таких подогревателей и предотвратить межвитковые замыкания, обычно их укрепляют на керамических вставках. Отсутствие изоляционного покрытия позволяет увеличить рабочую температуру подогревателя в вакуумных приборах до 1700 — 2000°С.
На практике применяют механические и электрофорезные методы нанесения алундового изоляционного покрытия на керны подогревателей.
К механическим методам относятся: намазка алундовой суспензии на проволоку, из которой формуют подогреватели, так называемый метод протяжки или «железной дороги», пуль- веризация (опрыскивание) алундовой суспензии на керн подогре- ®ателя.
Методом «железная дорога» алундируют проволоку, предназ- Наченную для последующей формовки складчатых подогревателей, вольфрамовую проволоку протягивают через ряд последовательно Установленных ванночек с алундовой суспензией и печей Мекания. Алундовая суспензия состоит из алунда и раствора
азотно-кислого алюминия. Проволока перематывается с катущК|| на катушку, намазываясь суспензией1 в улублениях роликов изготовленных из органического стекла. При прохождении покрытой суспензией проволоки через печи с температурой 400 — 700°С происходит разложение азотно-кислого алюминия: при этом образуется оксид алюминия, который вместе с расплавленными остатками азотно-кислого алюминия скрепляет частицы алунда между собой и с проволокой. При температуре 365°С происходит реакция разложения:
4А1(МОз)з -* 2AI2O3 + 12МОг t + ЗО2 t
При слишком высокой температуре в печи проволока становится хрупкой, при низкой температуре наблюдается плохое сцепление покрытия с проволокой. Покрытия, нанесенные этим способом, механически непрочны и имеют очень большую плотность, что может приводить к усадке и образованию кольцевых трещин на подогревателе в работающем приборе. Поэтому этот метод применяется для изготовления подогревателей, которые в приборах не подвергаются значительным механическим нагрузкам. На рис. 17.10 показана схема многоручейковой установки алундирования проволоки методом протяжки. Оиа состоит из двух ванночек с суспензией, в которые погружены ролики с зигзагообразным профилем, и наклонной разъемной печи.
Пульверизацией обычно наносят покрытия значительной толщины на проволоку с большим диаметром (« 120 мкм). Это объясняется тем, что покрытия, нанесенные пульверизацией, имеют сравнительно небольшую усадку при обжиге и температурной нагрузке и менее склонны к разрушению и образованию трещин, возникающих вследствие разности ТКР а вольфрама и алунда.
К недостаткам метода пульверизации относятся неравномерность и шероховатость изоляционного покрытия. Уменьшение шероховатости достигается подбором оптимального расстояния между пульверизатором и подогревателем, а также повышением давления воздуха, применяемого для расплавления суспензии. Алундовая суспензия для пульверизации обычно содержит алунд, тальк, амилацетат и нитролак.
При нанесении покрытия методами электрофореза происходит осаждение заряженных частиц алунда на керна
Рис. 17.10. Многоручейковая установка механического алундирования подогревателей:
I— подающая катушка; 2, 5— верхний н нижний блоки роликов; 3, 6— верхняя и нижняя ванны; 4— печь сушки; 7—вариаторы; 8— электродвигатель; 9—червячный редуктор; 10— приемная катушка; механизм блокировки
подогревателя, подсоединенном к одному из электродов электро- Форезной ванны. Процесс, при котором частицы алунда несут на себе положительный заряд, а керны подвешены на катод, называется катафорезом (рис. 17.11). Процесс, при котором частицы алунда несут на себе отрицательный заряд, а керны подвешены на анод, называется анафорезом.
К электрофорезным способам нанесения алундовых покрытий вносятся следующие:
катафорезное или анафорезное осаждение из органических сУспензий;
анафорезное осаждение из водных суспензий.
Методом электрофореза можно получить гладкие, равномер- Нь,е> однородные изоляционные покрытия на подогревателях любой
Рис. 17.11. Установка для нанесения покрытий методом катафореза:Рис. 17.11. Установка для нанесения покрытий методом катафореза:I— мешалка; 2— суспензия; 3— подогреватель; 4— ванна; 5— потенциометр; 6— выпрямительI— мешалка; 2— суспензия; 3— подогреватель; 4— ванна; 5— потенциометр; 6— выпрямительсложной конструкции Недостатком метода эле^ трофореза является слох. иость изготовления качественных покрытий боль- шой толщины.
Рис. 17.11. Установка для нанесения покрытий методом катафореза:
Рис. 17.11. Установка для нанесения покрытий методом катафореза:
I— мешалка; 2— суспензия; 3— подогреватель; 4— ванна; 5— потенциометр; 6— выпрямитель
I— мешалка; 2— суспензия; 3— подогреватель; 4— ванна; 5— потенциометр; 6— выпрямитель
Для нанесения алуц. дового покрытия методом катафореза широкое рас- пространение получил восьмипозиционный полуавтомат, на котором последовательно выполняют-
ся операции: нанесение покрытия; промывка покрытия в ацетоне — для удаления капель алундо- вой суспензии и затеков;
сушка покрытия в среде горячего воздуха; закрепление покрытия путем обработки специальным раствором.
Сущность нанесения алундового покрытия методом катафореза
заключается в том, что на твердых частицах алунда осаждаются положительные ионы, находящиеся в жидкой среде суспензии. При этом частицы алунда приобретают положительный заряд и движутся к отрицательному электроду — катоду. Для нанесения изоляционного покрытия методом катафореза применяют суспензию, содержащую твердую или жидкую фазу, связующее вещество и перезарядчик алунда.
Твердая фаза — алунд повышенной чистоты, имеющий электропроводность не выше 1,5 • 10“6 Ом-1 • см-1 и определенный гранулометрический состав.
Жидкая фаза — метиловый спирт с электропроводностью не выше 1-10 Ом • см- . Жидкая фаза обеспечивает требуемую вязкость суспензии и удерживает частицы алунда но взвешенном состоянии (предотвращает комкование, слипание частиц алунда и выпадение их в осадок под действием силы тяжести, т. е. повышает кинетическую и агрегативную устойчивость). При повышенной электропроводности жидкой фазН наряду с увеличением скорости электрофореза (положительный фактор) возникает интенсивный процесс электролиза (отрицательный фактор). Электролиз приводит к интенсивному выделению на катоде пузырьков газообразного водорода и, следовательно, * разрыхлению и вспучиванию изоляционного покрытия, образованию в нем «кратеров» и трещин. Количество выделяющихся ^ электродах газов, ухудшающих качество покрытия, зависит 01 напряжения, при котором разряжаются ионы, эту величии)
называют потенциалом выделения. Потенциал выделения водорода на катоде значительно ниже потенциала выделения кислорода на аноде, поэтому газовыделение при катафорезе больше, чем при анафорезе.
Связующее вещество (биндер) — раствор коллоксилина в амилацетате. Биндер служит клеящим веществом, которое образует полимеризационную (наподобие паутины) сетку, соединяющую частицы алунда друг с другом и с керном подогревателя. Однако в процессе спекания покрытия при разложении кол- лЗксилина образуется углерод и карбиды вольфрама, что приводит к снижению прочности вольфрамовой проволоки на разрыв, а также к уменьшению электрического сопротивления изоляционного покрытия, повышению токов утечки и возникновению пробоев между катодом и подогревателем.
В качестве биндера вместо коллоксилина в последнее время применяют раствор поливинилбутираля в смеси метилового спирта и изоамилацетата. Поливинилбутираль по сравнению с коллоксилином обладает в 2 раза меньшей водопоглощаемостью, имеет в 10 раз меньшую зольность, более пластичен, выделяет в 5 раз меньше газов при разложении в вакууме, характеризуется в 4 — 5 раз лучшей адгезией к вольфраму, покрытия получаются с меньшими внутренними напряжениями, меньшей усадкой и повышенной механической прочностью. Однако поливинилбутираль снижает рассеивающую способность суспензии.
Перезарядчик алунда — 3%-ный раствор азотно-кислого церия Се(МОз)з • 6Н2О в метаноле. Азотно-кислый церий диссоциирует в растворе, образуя положительные ионы церия Се+3, которые осаждаются на поверхности частиц алунда и сообщают им положительный заряд. Положительно заряженные частицы алунда движутся к катоду, нейтрализуются на нем и осаждаются на подвешенные на катод керны подогревателей. Отклонение от оптимальной концентрации азотно-кислого церия приводит к снижению величины заряда частиц и оползанию покрытия (при малом количестве азотно-кислого церия) или к повышенному газовыделению и кратерообразованию в покрытии (при большом количестве азотно-кислого стронция). Применение соли азотнокислого свинца вместо азотно-кислого церия позволяет повысить плотность покрытия и рассеивающую способность суспензии.
Электрофорезные суспензии характеризуются кроющей и Рассеивающей способностью.
Кроющая способность — количество осажденного на катоде или на аноде алунда, приходящегося на единицу прошедшего через сУспензию количества электричества. Кроющая способность суспензии тем выше, чем ниже электропроводность суспензии и Меньшая доля тока расходуется на вредный побочный процесс электролиза.
Рассеивающая способность определяется возможностью получения равномерного по толщине покрытия по всей поверхности покрываемых подогревателей. Рассеивающая способность повышается по мере увеличения заряда частиц алунда в суспензии.
Толщину или привес изоляционного покрытия регулируют напряжением на ванне (50 — 150 В) и временем проведения процесса катафореза (2 — 10 с). По мере роста толщины алундового слоя плотность тока и скорость осаждения резко уменьшаются, поэтому способом катафореза нельзя получить покрытие толщиной более 100 мкм. Для уменьшения кислотности суспензий и, следовательно, кратерообразования в покрытия в суспензии добавляют корректирующий раствор углекислого аммония. Однако при избытке углекислого аммония покрытие становится шероховатым или происходит его сползание.
В последнее время рекомендуется наносить многослойное изоляционное покрытие в 10 — 30 слоев1. Нанесение покрытия слоями улучшает его эластичность и качество изоляции. При нанесении покрытия слоями можно в 7 — 8 раз снизить напряжение в электрофорезной ванне и соответственно уменьшить вероятность электролиза и повысить качество и сопротивление изоляции.
В анафорезных суспензиях частицы алунда приобретают отрицательный заряд и движутся к аноду: на поверхности частиц алунда сорбируются отрицательные ионы гидроксила ОН-> образующиеся при диссоциации молекул щелочи (NaOH Na + + ОН”). Щелочь образуется ввиду наличия в самом алунде следов оксида натрия и влаги. Поэтому в анафорезные суспензии в отличие от катафорезных для придания частицам алунда электрического заряда не вводят дополнительный электролит — зарядчик. Вследствие отсутствия дополнительных электролитов — зарядчиков при анафорезе практически исключается процесс электролиза, не происходит выделения пузырьков кислорода на аноде, не образуется кратеров, трещин на покрытии и повышается в сотни раз кроющая способность суспензии (положительные факторы), однако уменьшается заряд частиц алунда, снижается рассеивающая способность суспензии и ухудшается равномерность толщины алундового слоя (отрицательные факторы). В качестве биндера и стабилизатора в анафорезных суспензиях применяется водорастворимая натриевая соль карбоксиметилцеллюлозЫ (Na КМЦ).
30-кратное в течение 0,3 с за каждую операцию.30-кратное в течение 0,3 с за каждую операцию.Например, вместо однократного нанесения пасты в течение 9 с возмо*110
30-кратное в течение 0,3 с за каждую операцию.
30-кратное в течение 0,3 с за каждую операцию.
Для повышения рассеивающей способности в анафорезные суспензии вводят раствор сложного органического соединения — здкамона.
Жидкой фазой в анафорезных суспензиях является ацетон, амилацетат или дистиллированная вода.
Ввиду большого сопротивления анафорезной суспензии процесс анафореза производят при более высоких напряжениях (до 300 В), чем при катафорезе. Газовыделение на аноде, на котором подвешены керны подогревателей, незначительно, и привес докрытая не понижается по мере роста толщины изоляционного покрытия. В отличие от катафореза при анафорезе могут быть получены алундовые слои значительной толщины. По сравнению с катафорезным покрытием анафорезное имеет более высокую плотность (= на 20 %) и механическую прочность (на 40 %), но толщина его неравномерна.
Наиболее перспективным является метод плазменного напыления изоляционных покрытий: толщина покрытия может достигать 250 мкм, покрытие характеризуется большой плотностью и прочностью, практически исключаются дефекты вида «растрескивание» и «осыпание» покрытия.
Обжиг — спекание алундового покрытия — производится для повышения прочности сцепления частиц алунда друг с другом и с поверхностью подложки, обезгаживания покрытия и улучшения его изоляционных свойств (повышения электрического сопротивления). Обжиг производится в среде влажного водорода при температуре 1600— 1650°С. Кислород, который образуется при диссоциации паров воды, содержащихся во влажном водороде, удаляет из покрытия следы углерода и предотвращает образование карбидов вольфрама, способных вызвать хрупкость и снизить электрическое сопротивление.
КОНТРОЛЬ ГОТОВЫХ ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ
Контроль холодного сопротивления подогревателей производят Для отбраковки подогревателей, которые в процессе термической й химической обработки изменили свои размеры и структуру Материала и соответственно удельное электрическое сопротивление (например, отбраковываются подогреватели, у которых диаметр проволоки при травлении уменьшился ниже допустимого предела).
Испытания на прерывистый режим накала (ПРН) производят для имитации практической работы подогре- вателя в условиях эксплуатации. При этих испытаниях подогре- ватель через равные промежутки времени попеременно подверга- нагреву и охлаждению. При включении прибора подогревать нагревается и удлиняется в соответствии с температурным
коэффициентом линейного расширения (ТКР) материала, из которого он изготовлен, а при остывании сокращается д0 первоначальной длины.
ТКР алунда больше ТКР вольфрама, поэтому алундовое покрытие расширяется в 2 раза больше, чем керн, и соответственно растягивает его. Попеременное растяжение и сжатие керна может привести к возникновению в нем микротрещин, приводящих к разрушению керна в процессе эксплуатации. Вероятность разрушения керна будет тем выше, чем больше в вольфраме содержится вредных примесей, снижающих его пластичность. В режиме прерывистого накала наблюдается деформация и изменение геометрической формы керна, а также расстояния между подогревателем и катодом. Это снижает температуру и ухудшает равномерность нагрева катода. В некоторых случаях за счет деформации происходит трение подогревателя о стенки катода, приводящее к осыпанию алунда и короткому замыканию катод — подогреватель.
Деформации, возникающие при включении и выключении тока накала, не компенсируют друг друга, и наблюдается постепенно увеличивающееся формоизменение металла керна, что приводит к изменению геометрии узлов и их разрушению.
Применение сплавов вольфрама с рением значительно повышает долговечность работы приборов в режиме ПРИ.
Укажем основные дефекты подогревателей и причины, их вызывающие.
Обрыв нитей накала прямонакальных катодов и подогревателей катодов косвенного накала может быть вызван различными причинами.
Неравномерность распределения температуры по длине нити обусловлена различием электрического сопротивления на разных участках подогревателя. Разброс электрического сопротивления может быть связан, например, с условиями крепления нити (повышенным сопротивлением в контактах), наличием микротрещин в металле (увеличивающих сопротивление), отклонениями диаметра нити от номинального. На участках с повышенным электрическим сопротивлением наблюдается перегрев и испарение металла.
Перегорание подогревателей на концах, не покрытых алундом. Перегорание происходит в первые моменты после подачи напряжения накала. Это явление объясняется тем, что ие покрытые алундом концы имеют меньшую теплоемкость, чем алундированный участок подогревателя, и соответственно нагре* ваются с большей скоростью и до более высокой температуры; 8 момент включения накала ток, идущий через подогреватель, приблизительно в 8 раз больше, чем в рабочем режиме, 3
годность накала на неалундированных концах подогревателя в 16 раз превышает стационарное значение (так как удельное электрическое сопротивление материала нити в холодном состо- яНии почти на порядок меньше, чем при рабочей температуре). Поэтому в момент включения накала температура неалундирован- нЫх концов подогревателя более чем в 2 раза превышает их температуру в рабочем режиме: например, если рабочая температура подогревателя около 1500°С, то в момент включения накала она достигает 3000°С.
■ 3. Концы подогревателя и крепежные элементы имеют различные температурные коэффициенты расширения (ТКР), поэтому в местах контакта возникают внутренние напряжения, приводящие к разрушению этого места соединения (сварки или пайки) или самого металла.
Оксидирование керна при работе подогревателя в условиях плохого вакуума, при этом на внутренней поверхности алундового слоя наблюдаются полосы (следы окисленного вольфрама). Особенно интенсивное окисление наблюдается при высоком парциальном давлении кислорода и водяных паров.
Короткое замыкание в цепи катод — подогреватель. Причинами короткого замыкания могут являться: загрязнение алундового покрытия электропроводящими примесями — наличие металлической пыли на катодной трубочке, выплесков металла при сварке, следов щелочи; несоблюдение вакуумной гигиены на монтаже (в частности, загрязнение керна и алундового покрытия следами пота и грязи от рук монтажниц); нарушение целостности изоляционного покрытия; повышенное напряжение в цепи катод — подогреватель, превышающее предельное напряжение пробоя; наличие дефектов шага спиралей, вызывающих сближение и замыкание витков (чем меньше шаг спирали, тем меньше потери теплоты в окружающую среду и выше температура спирали и тепловые деформации).
Повышенная хрупкость металла и нити накала — результат нарушения режимов сварки при монтаже подогревателя в прибор (при оптимальных режимах сварки температура нити на участках соприкосновения со сварочными электродами не превышает 1500°С " при этом никаких структурных изменений в вольфраме не. происходит и увеличения хрупкости не наблюдается).
Нагрев подогревателя выше допустимой температуры — перекал, сопровождающийся интенсивным испарением, Рекристаллизацией и другими процессами, снижающими ме- Ханическую прочность.
Загрязнение вольфрамовой проволоки следами никеля, Например, температура плавления вольфрама при содержании в “^ 0,3 % никеля снижается с 3410 до 1500°С, что приводит к
перегоранию подогревателя в местах загрязнения. Поэтому запрещается наматывать вольфрамовую проволоку на никелевые катушки, пользоваться пинцетом и другим монтажным инстру. ментом, покрытым никелем.
Расслой спиралей может быть вызван как перенагар. тованностью исходной проволоки, так и нарушением режимов изготовления спиралей (низкой температурой нагрева при спирализации проволоки или формовке спирали, малым диаметром керна, на который производится навивка).
Хрупкость появляется в результате интенсивной кристаллизации вольфрама при нагреве (образуется крупнозернистая структура), неоптимального соотношения между толщиной алундового покрытия и диаметром керна (толщина алунда более чем в 1,5 раза превышает диаметр керна), перегрева спиралей выше температуры 1700°С и длительной выдержки при повышенных температурах, а также загрязнения вольфрама углеродом, железом или никелем в процессе навивки, резки, травления или отжига спиралей.
При взаимодействии вольфрама с углеродом образуются карбиды, которые не только увеличивают хрупкость, но и значительно снижают электропроводность спирали и соответственно вызывают уменьшение тока накала.
Провисание и коробление спирали — изменение ее первоначальных размеров и формы при отжиге или длительной эксплуатации прибора. Провисание спирали приводит к увеличению расстояния между витками на отдельных растянутых участках спирали, возрастанию тепловых потерь, снижению температуры спирали и суммарного электрического сопротивления и соответственно к увеличению тока, проходящего через спираль. Увеличение тока спирали вызывает перегрев, интенсивное испарение и обрыв нерастянутых участков спирали вблизи держателей.
Провисание и коробление спирали могут быть вызваны следующими причинами: плохое качество исходной проволоки, имеющей большое количество пор; несовпадение направлении вращения первичной и вторичной спирализации при изготовлении биспиралей; недостаточно полное закрепление формы спирали и процессе отжига (низкая температура, малая продолжительность или плохая укладка спиралей в лодочке); изменение структура вольфрама, обусловленное загрязнением его углеродом, железой или никелем; плохой натяг спирали при монтаже прибора.
Распыление материала керна и напыление вольфрама на детали внутренней арматуры и стенки оболочки прибор3 (например, потемнение отдельных участков ножки прибора) ио*61 быть вызвано следующими причинами: превышением оптимально!0 температурного режима в процессе высокочастотного обеЗ' 288
гаживания арматуры или активировки катода; неправильно конструированной высокочастотной системой, вызывающей «паразитные» наводки тока и напряжения в цепи подогревателя (см. с. 476); высоким парциальным давлением кислорода и паров воды в колбе прибора; сильной шероховатостью вольфрамовой проволоки, обусловленной нарушением режимов ее травления в агрессивных жидкостях (желательно изготовлять подогреватели из полированного вольфрама: при высокой температуре подогревателя происходит «термическая полировка» шероховатой поверхности, сопровождающаяся интенсивным испарением неровностей поверхности).
Осыпание алунда и нарушение целостности изоляционного покрытия происходит при: деформации подогревателя в режиме ПРН (см. с. 285); разрушении алунда на операции высокочастотного и высоковольтного прожига утечек и пробоев в приборах; малой механической прочности алундового слоя, обусловленной низкой температурой и недостаточной продолжительностью обжига (спекания) изоляционного покрытия.
Потемнение поверхности алундового покрытия может быть вызвано следующими причинами: загрязнением алундовой суспензии или водорода в печи спекания покрытия; высоким парциальным давлением кислорода и паров воды, приводящим к окислению вольфрамовой проволоки; оксиды вольфрама вступают в химическое взаимодействие с алундом и диффундируют через слой алунда; оба эти процесса приводят к потемнению алундового покрытия, изменению электрического сопротивления, увеличению тока утечки и повышению тока накала.
Кратеры на покрытии образуются при загрязнении поверхности керна, высоком напряжении в процессе электрофореза, повышенной кислотности электрофорезной суспензии, попадании в суспензию воды.
§ 17.5. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ
На рис. 17.12 показаны подогреватели, залитые в керне катода изоляционным и теплопроводящим составом. В этих Подогревателях передача теплоты катоду происходит не излу- Нением, а теплопроводностью.
561561289289Преимущества залитых подогревателей перед алундирован- Ными: улучшение изоляции; снижение мощности накала на 30%; Уменьшение перепада температуры между катодом и подогрева- Телем до 50 — 200°С и соответственно снижение рабочей темпе- Ратуры подогревателей; повышение вибропрочности. • 10—
561
561
289
289
Недостатком залитых подогревателей является увеличение времени разогрева катодного узла вследствие увеличения е^ теплоемкости.
В качестве материалов для заполнения объема между подо, гревателем и катодом обычно используются суспензии на основе алунда с добавками тугоплавких оксидов и порошков тугоплавких металлов. Например, для изготовления вибропрочного катодно- подогревательного узла алундированный вольфрамовый подогрева- тель помещается в керн катода и засыпается смесью порошков никеля и молибдена, которая пропитывается летучей жидкостью (раствором изопропилового спирта в воде).
Приклеенные подогреватели изготавливаются путем приклейки или приварки подогревателя к керну катода (рис. 17.13). В этом случае катодный узел представляет собой керамическую шайбу (из окислов алюминия, иттрия или бериллия), на одной стороне которой расположен подогреватель, на другой — катод. Подогреватель из вольфрама (рения, молибдена или тантала) приклеивается к керамической шайбе электроизоляционным клеем с высокой теплопроводностью. С другой стороны шайба металлизируется и на поверхность наносится слой никеля, который служит подложкой для катода. Подогреватель может быть изготовлен гальваническим осаждением на металлизированную керамику или напылением.
Керметные подогреватели характеризуются повышенной вибропрочностью, эффективностью передачи тепла, низкой рабочей температурой, малым изменением электрического сопротивления при эксплуатации. В качестве материала для
Рис. 17.13. Катодный узел с при) ным подогревателем:1— керн катода; 2— подогреватель; ляциониый составРис. 17.13. Катодный узел с при) ным подогревателем:1— керн катода; 2— подогреватель; ляциониый составРис. 17.12. Подогреватели, залитые изоляционным составом:
Рис. 17.13. Катодный узел с при) ным подогревателем:
1— керн катода; 2— подогреватель; ляциониый состав
Рис. 17.13. Катодный узел с при) ным подогревателем:
1— керн катода; 2— подогреватель; ляциониый состав
/—керн катода; 2—подогреватель; 3—изоляционный состав
п0ДОгревателя используются смеси тугоплавких металлов и окислов, например:
W — AI2O3; W — Y2O3; Nb— AI2O3; Мо — AI2O3.
Особенности работы подогревателей в газоразрядных приборах. К факторам, отрицательно влияющим на долговечность работы подогревателей в условиях газового разряда, относятся следующие:
Более высокие тепловые нагрузки — это объясняется наличием теплопроводящей газовой среды. Перенос теплоты частицами газа-наполнителя существенно изменяет тепловой баланс катодного узла. Например, в приборах с водородным наполнением (Р = 0,2 + 0,5 мм рт. ст.) мощность накала возрастает на 20 — 30 %, что значительно увеличивает рабочую температуру подогревателя.
Большая вероятность химического взаимодействия между материалом подогревателя и газом-наполнителем — это объясняется диссоциацией и ионизацией газа и образованием атомов, ионов и радикалов, обладающих повышенной активностью. Например, изобарный потенциал реакции взаимодействия молекулярного водорода с оксидом алюминия составляет 218 ккал/моль, а атомарного водорода — 78 ккал/моль.
Интенсивное протекание окислительно-восстановительных процессов, подобных «водяному циклу». В газоразрядных приборах пары воды образуются при взаимодействии водорода (являющегося газом-наполнителем) с оксидами тугоплавких металлов, никеля, меди, имеющихся на деталях внутренней арматуры приборов. Реакции «водяного цикла» приводят к постепенному испарению вольфрама, утонению керна подогревателя и его обрыву.
ГЛАВА 18. ИЗГОТОВЛЕНИЕ КАТОДОВ
18.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОКСИДНЫХ КАТОДАХ
Наиболее широкое применение находят оксидные катоды на основе оксидов щелочноземельных металлов, оксидно-ториевые и °ксидно-иттриевые катоды.
Заготовка оксидного катода на основе оксидов щелочноземель- Ны* металлов представляет собой металлический керн / — п°Дложку, на поверхность которой нанесена паста 2, состоящая Из Углекислых солей бария, стронция и кальция, равномерно Определенных в связующем веществе (биндере) и пластифика- т°Ре. Эта заготовка катода (полуфабрикат катода) монтируется в Р^атуру прибора и не обладает эмиссионной способностью.
а)5)8)а)5)8)Рис. 18.1. Структура оксидиого катода: а —после нанесения карбонатного покрытия; б — после разложения карбонатного покрытия; в — после активирования катодаРис. 18.1. Структура оксидиого катода: а —после нанесения карбонатного покрытия; б — после разложения карбонатного покрытия; в — после активирования катодаКатод приобретает эмиссионную способность в процессе операции активирования: термической обра. ботки в вакууме при откачке и тренировке прибора (см. с 480).
а)5)8)
а)5)8)
Рис. 18.1. Структура оксидиого катода: а —после нанесения карбонатного покрытия; б — после разложения карбонатного покрытия; в — после активирования катода
Рис. 18.1. Структура оксидиого катода: а —после нанесения карбонатного покрытия; б — после разложения карбонатного покрытия; в — после активирования катода
Оксидный катод в готовом приборе после операции активирования представляет собой металлический керн /, на поверхности которого находится полупроводниковый слой твердого раствора
оксидов бария, стронция и кальция 3, а в толще и на поверхности равномерно распределены атомы свободного металлического бария 5 (рис. 18.1).
Именно атомы бария (содержание которых практически не превышает 0,01 %) являются источниками электронов, обусловливающих электронную эмиссию.
Преимуществами оксидного катода являются малая работа выхода (1,15—1,2 эВ), большая эффективность (~ 100 мА/Вт) и высокая эмиссионная способность при относительно низких температурах (660 — 900°С).
Недостатки оксидного катода на основе оксидов щелочноземельных металлов: химическое взаимодействие с остаточными газами в приборе и с загрязнениями в керне катода (это приводит к снижению эмиссии); разрушение оксидного слоя под действием сильных электрических полей и при бомбардировке быстрыми ионами; постепенное испарение бария и напыление его на электроды и изоляторы прибора (это приводит к снижению эмиссии и возникновению утечек, пробоев, паразитной эмиссии); высокое электрическое сопротивление, обусловленное пористой структурой оксидного покрытия и образованием запорного слоя 4 с повышенным сопротивлением в контакте между оксидным покрытием и подложкой (это приводит к искрению и пробоям).
Различают основные конструкции оксидных катодов: прямо- накальные и подогревные.
В прямонакальных конструкциях нагрев катодов производится теплотой, которая выделяется при пропускании тока накала непосредственно через керн катода. Катоды прямого накала характеризуются высокой экономичностью и малым временем теплового разогрева (положительные факторы), однако имею1 разный потенциал и разную температуру по длине катода- изменяют свою геометрическую форму при иагреве, имеют низку10
надежность при работе в циклическом режиме (отрицательные факторы).
В подогревных катодах (катодах косвенного накала) для нагрева служат специальные подогреватели, расположенные в полости катода и изолированные от его металлической части.
На нагрев эмиссионного вещества катода практически расходуется только /ю мощности накала — полезная мощность накала. Остальная часть мощности накала тратится бесполезно — это потери мощности. Потери мощности накала обусловливаются процессами: излучением с рабочей поверхности катода (более 1 /з мощности), излучением с нерабочих поверхностей керна катода и других деталей, входящих в катодный узел; потерей теплоты керном катода за счет процессов теплопроводности (в местах непосредственного контакта керна с крепежными соединителями и изолирующими деталями катодного узла).
Поэтому при изготовлении высокоэффективных катодных узлов косвенного накала необходимо соблюдать следующие условия: располагать подогреватель относительно рабочей поверхности катода таким образом, чтобы образовалась узкая зона нагрева вблизи эмиссионного покрытия катода; устанавливать в катодном узле экранирующие детали, предупреждающие потери теплоты излучением; уменьшать поверхность контакта керна катода с изоляторами, что снижает теплообмен и отвод теплоты от катода за счет теплопроводности.
Мощность накала и температура катода в значительной мере зависят от материала деталей узла, толщины керна, от стабильности формы и положения подогревателя в трубочке катода, уровня теплоотвода и излучающей поверхности керна.
При выборе оптимальных размеров катода следует учитывать, что уменьшение размеров эмиттирующей поверхности катода приводит к увеличению плотности отбираемого с катода тока и соответственно к повышению рабочей температуры и снижению Долговечности (отрицательный фактор), но снижает мощность накала и время теплового разогрева катода (положительные Факторы). Например, катоды 0 1,1 мм имеют мощность накала 0-6 Вт, 0 2 мм — 2 Вт, 0 2,9 мм — 4 Вт.
В настоящее время в большинстве ЭЛТ применяются стандар- ТнЫе катодно-подогревательные узлы (КПУ).
Различают две разновидности конструкций КПУ.
КПУ, в которых контакт катодного колпачка с керамическим Изолятором осуществляется только по торцевой поверхности к°лпачка (рис. 18.2, а). Это уменьшает контактирующую ^Плопроводящую поверхность и соответственно снижает беспо- '^зные потери теплоты катода за счет процессов теплопроводности.
Рис. 18.2. Типовые конструкции катодно-подогревательных узлов
К этому типу относится широко применяемый КПУ-1. Колпачок катода 1 калиброван по высоте; по контуру юбки колпачка имеются крепящие усики 5. Несущий керамический изолятор выполнен из двух частей 3 и 4, сочлененных так, что между ними образуется щелевой лабиринт, благодаря этой щели при напылении металла с колпачка катода на керамику не образуется сплошной проводящий мостик и исключаются утечки по катодному изолятору. Часть изолятора 4 имеет два отверстия, армированных пистонами б, в которые вводятся концы подогревателя 2.
КПУ (например, КПУ-50), в которых непроизводительные потери теплоты уменьшаются за счет применения специальных держателей-экранов 7, 8 и 9 из материалов с малой теплопроводностью (рис. 18.2, б). Держатели-экраны практически теплоизолируют катодный колпачок 1 от керамики 3.
Иногда производят чернение внутренней поверхности катодной трубочки, что способствует интенсивному поглощению теплового излучения подогревателя 2 и повышению температуры катода.
В некоторых конструкциях КПУ, например в КПУ-18 (рИС| 18.2, в), на керамическом изоляторе 3 имеются специальные калиброванные выступы 10, обеспечивающие точное соблюдение расстояния между катодом и модулятором. Гильза катода ^ закреплена в держателе 11 таким образом, что ее торен установлен на заданном расстоянии д относительно плоскости, проходящей через вершины калибровочных выступов 10 изолятор3. Этот катод (как КПУ-9, КПУ-13, КПУ-1 б, имеющие аналогичнУ10 конструкцию и отличающиеся только размерами элементов Й
пе#имами работы) обеспечивает заданный размер «катод — модулятор» и не требует подбора и установки этого размера при сборке электронно-оптической системы (ЭОС).
В последнее время разработаны КПУ, у которых в централь-
ную часть торцевого катода встроен газопоглотитель.
Очень перспективными являются катоды на керамическом керне, которые изготовляются методами пленочной технологии. На одну сторону керамической подложки напыляется пленка, тужащая подогревателем катода; на противоположную сторону — никелевая пленка, являющаяся керном катода, на который
наносится оксидное покрытие.
Синтерированными (или металлогубчатыми) называются катоды, в которых на металлический керн наносится металлическая губка, поры которой заполняются эмиссионным веществом. Изготовление оксидных катодов на основе оксидов щелочноземельных металлов слагается из следующих операций (рис. 18.3): изготовление, химическая и термическая обработка металлического керна; получение смешанных кристаллов двойных или тройных карбонатов щелочноземельных металлов (углекислых солей бария, стронция и кальция); приготовление рабочей суспензии карбонатов щелочноземельных металлов; нанесение эмиссионного покрытия на керны катодов; термическая обработка («спекание») эмиссионного покрытия; обезгаживание и активирование катода в процессе вакуумной обработки и тернировки прибора.
18.2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ КЕРНОВ КАТОДОВ
Керном катода называется металлическая деталь, на поверхность которой наносится вещество, эмиттирующее электроны. Керн выполняет несколько функций: придает катоду требуемую форму и размеры, является контактирующей поверхностью для поддержания на катоде определенного электрического потенциала, служит источником активирующих присадок, удерживает подогреватель.
Керны прямонакальных катодов изготовляют из тонкой проволоки. Они должны иметь высокую температуру плавления (выше 2800°С), хорошую формоустойчивость, достаточно высокое электрическое сопротивление, малый коэффициент термического Расширения. Обычно применяется вольфрамовая, танталовая Проволока, содержащая упрочняющие присадки рения, алюминия, ”ли проволока из сплавов никеля с вольфрамом (марок НИВО-6 й НИВО-25), которая обладает высокой механической прочностью и более высоким электрическим сопротивлением, чем вольфрам.
Химическая и термическая подготовка проволоки производится путем ее электрохимического травления и отжига в увлажненном водороде с последующей калибровкой по диаметру. Калибровка обеспечивает равномерность диаметра по длине проволоки и следовательно, постоянство тока накала и температуры катода’ Большое значение имеет степень натяжения катода при его монтаже в прибор. При слабом натяжении возможно провисание катода вследствие его удлинения при нагревании. Это может привести к изменению расстояния между электродами, уменьшению устойчивости к вибрационным и ударным нагрузкам, коротким замыканиям и возникновению помех, называемых микрофонным эффектом. Слишком сильное натяжение приводит к разрыву проволочного керна в процессе работы прямоканального -катода.
Керны катодов косвенного накала обычно изготовляют из цельнотянутых никелевых трубок круглого, овального или прямоугольного сечений.
Применяются следующие разновидности конструкций кернов: трубчатые — эмиссионное вещество наносят на внешнюю боковую поверхность трубок;
торцевые — эмиссионное вещество наносят на поверхность диска или колпачка, который либо приваривается к металлическому цилиндру, либо выштамповывается в виде плоского или сферического дна в цельнометаллических конструкциях;
полые — эмиссионное вещество наносят на внутреннюю боковую поверхность трубок. Полые конструкции применяют в приборах с газовым наполнением; это позволяет снизить потери теплоты и предотвращает охлаждение и уменьшение эмиссии катода.
Технологический процесс изготовления кернов состоит из 20 — 30 операций, включающих механическую, термическую, химическую обработку и контроль (см. рис. 18.3).
Формование кернов обычно производят методами холодной штамповки (как на задающих оправках, так и свободной формовкой), выдавливанием, гидравлическим прессованием иди профильным волочением (см. § 9.4, 9.5). Материалы для керно® выпускаются в виде трубок или лент. Для обеспечения минималь' ных допусков на геометрическую форму и размеры кернов следуй учитывать неоднородность химического состава исходного ма- териала, разброс диаметра и толщины исходного материала <п° длине, поперечному сечению), а также отклонения трубок 01 цилиндрической формы.
Технологическая схема изготовления кернов катодов косвен- ного накала из трубок показана на рис. 18.4. Никелев^ цельнотянутые трубки режут на отдельные заготовки определенной
б овального или прямоугольногоб овального или прямоугольногоРис. 18.5. Приспособление для выдавливания боковых упоровРис. 18.5. Приспособление для выдавливания боковых упоров
б овального или прямоугольного
б овального или прямоугольного
Рис. 18.5. Приспособление для выдавливания боковых упоров
Рис. 18.5. Приспособление для выдавливания боковых упоров
длины 3 на специальном приспособлении, представляющем собой вращающуюся зажимную цангу / с дисковым ножом 2 (I). Для 5одее надежного крепления керна катода производят изготовление круглого буртика (у круглых и овальных кернов) или боковых упоров (у овальных и прямоугольных кернов). Керн катода зажимают в оправку 5 и вводят в его полость иглу 6, имеющую выступ (ID. Игла эксцентрично вращается, выдавливая буртик своим выступом. Если катоду необходимо придать плоскую или овальную форму сечения, то это осуществляют на специальных Грессах с помощью штампов, надевая заготовки кернов катодов на оправки (Ша). К отформованным кернам 8 приваривают соединитель (IV). Если керн не имеет буртика, то необходимую форму сечения ему придают на штампе (III6). Боковые упоры (пукли) выдавливают после формовки керна катода. Для выдавливания одновременно двух или четырех упоров применяют приспособления, основанные на действии клина. Отформованную заготовку 4 (рис. 18.5) а и б овального или прямоугольного
сечения надевают на оправкусечения надевают на оправку, состоящую из двух половинок
сечения надевают на оправку
сечения надевают на оправку
₽ис. 18.6. Схема формообразования Плоскоовальных кернов катодов:
1_~заготовка; 2—заготовка после обжатия;
"^справка
Рис. 18.7. Принципиальная схема формообразования кернов катодов методом свободной формовки
клиновидного сечения. При подаче клина 2 влево оправка расходится и прижимает заготовку керна в стенке матрицы Л выдавливая своими выступами боковые упоры.
Холодная штамповка из листового материала на задающих оправках производится обычно в несколько этапов: первак формовка (рис. 18.6, а); пуклевка (рис. 18.6, б); втора® калибровочная формовка (рис. 18.6, в).
Свободная формовка (рис.18.7)—формообразование керно® профильных катодов без задающей оправки в разъемной матрии6 с задающим профилем. Принцип деформирования заготовки пр11 свободной формовке (рис. 18.7, а) основан на том, что прй сближении матриц на заготовку все время действует пара сил ^'
решенных относительно гео- метрической оси заготовки на /. При этом одновременно происходит сжатие и поворот заготовки, в итоге задающий профиль матриц полностью заполняется матери- ддом заготовки (рис. 18.7, б).
Гидравлическая формовка осуществляется подачей жидкости под давлением внутрь заготовки, находящейся в форме.
Формовка с помощью гидро- пласта — деформируемого наполнителя (рис. 18.8) — для изготовления катодов сложной формы, в частности с переменными по длине катодной трубки сечениями (/-/и// — II).
При изготовлении кернов следует применять смазки, не содержащие серу. Сера приводит к снижению прочности керна и уменьшению эмиссионной способности катодов.
В качестве материалов для
Рис. 18.8. Схема формовки гидропластомРис. 18.8. Схема формовки гидропластомизготовления кернов катодовизготовления кернов катодовкосвенного накала обычно применяют никель с активирующими и упрочняющими присадками (табл. 18.1). Никель имеет малую скорость испарения в вакууме, обладает формоустойчивостью, легко обезгаживается, не вступает в химические реакции с оксидным покрытием и выделяющимися газами. Кроме того, в нем не содержится легколетучих примесей (висмут, цинк, свинец, кадмий), которые могут образовывать на изоляторах прибора проводящие пленки.
Рис. 18.8. Схема формовки гидропластом
Рис. 18.8. Схема формовки гидропластом
изготовления кернов катодов
изготовления кернов катодов
Активирующие присадки (кремний, магний, вольфрам, гафний, кальций, цирконий, алюминий, стронций), имеющие большое сродство с кислородом, отнимают кислород у оксида бария и способствуют образованию свободного бария в толще и на поверхности оксидного покрытия и соответственно увеличению тока эмиссии катода (например, ВаО + Mg -» MgO + Ва). Для обеспечения большей скорости активирования присадки должны иметь высокую скорость диффузии из керна в оксид. Наибольшей скоростью диффузии обладает магний, наименьшей — вольфрам.
Чем меньше скорость диффузии присадки в материале керна, тем больше должно быть ее процентное содержание.
Таблица^д
Присадка
Промежуточный слой
Сопротив* ление промежуточного слоя
Влияние присадки иа эмиссию
Испарение присадки
Влияние присадки'на физико-химические свойства ,
Магний
MgO
Незначительно
Увеличивает эмиссию
При 0,06% заметно, при 0,07% сильное испарение
Испарение магния прнво- днт: к утечкам между катодом н подогревателем; нестабильности эмиссии
Присадка
Промежуточный слой
Сопротив ление промежуточного слоя
Влияние присадки на эмиссию
Испарение присадки
Влияние присадки на физико-химические свойства
Кремний
Ba2SiO4
Велико
Оптимальная эмиссия при концентрации 0,05%
Испарения не происходит
Применяется для приборов с малым сроком службы
Вольфрам
BajWOe
Незначительно
Очень слабо влияет
То же
Придает большую механическую прочность кернам
Алюминий
BaAhOa
При содержании AI < 0,2% мало; при 0,4% велико
При содержании А1 ~ ~ 0,1% увеличивает, при больших концентрациях уменьшает
Испарения не происходит
При повышенных концентрациях ухудшает прочность сцепления покрытия с керном, вызывая осыпание покрытия
Недостатком активирующих присадок является появление на границе между керном катода и оксидным покрытием промежуточного запорного слоя, обладающего большим электрическим сопротивлением (например, при применении никеля с присадкой кремния образуется запорный слой в виде силиката бария Ba2SiO4). Запорный слой замедляет диффузию активирующий присадок в оксидное покрытие, резко снижает тепло- и электро' проводность в месте контакта керна с оксидом. При большой толщине и высоком сопротивлении запорного слоя это приводит к замедлению процессов активирования катода во время работы прибора, перегреву отдельных участков оксидного покрытия, искрениям, пробоям, возрастанию шумов, частичному распылени10 слоя оксида, снижению долговечности катода и уменьшению крутизны модуляционной характеристики.
Запорный слой на границе керн — оксид, несмотря на очень малую толщину (= 1 мкм), имеет сопротивление на несколько порядков выше, чем сопротивление оксидного слоя. В процессе эксплуатации сопротивление запорного слоя постепенно увеличивается до нескольких десятков и даже сотен ом на квадратный сантиметр.
Увеличение сопротивления промежуточного слоя вызывает постепенное уменьшение крутизны анодно-сеточной или моду- дяционной характеристики в процессе эксплуатации, искажение формы импульсов анодного тока в импульсном режиме и изменение амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) широкополосных усилителей.
Катоды на никелевом керне с присадкой кремния легко активируются, обладают высокой первоначальной эмиссией, но имеют малую долговечность.
Никель с присадкой магния обладает наибольшей активирующей способностью, образуя запорный слой с очень малым сопротивлением, однако характеризуется высокой скоростью испарения магния, что приводит к напылению магниевых пленок на электроды и изоляторы прибора и вызывает утечки и пробои.
Никель с присадкой вольфрама обладает малой активирующей способностью, но имеет большую прочность, формоустойчивость, низкую скорость испарения и незначительное электросопротивление запорного слоя. Это позволяет применять его для долговечных катодов в приборах с малым расстоянием между катодом и другими электродами, а также в приборах, подвергающихся сильным механическим воздействиям в условиях вибрационных и ударных нагрузок.
Сплавы никеля с кальцием (= 0,1 + 0,025% > характеризуются усадочной рыхлостью в слитках, наличием трещин на поверхности заготовок и высокими токами утечки между катодом и подогревателем.
Упрочняющие присадки типа вольфрама, рения, тантала, молибдена, ниобия, циркония, гафния вводят для улучшение механических свойств и уменьшения скорости испарения материала керна. Некоторые из этих присадок обладают одновременно и активирующими свойствами. Например, цирконий повышает механическую прочность, снижает интенсивность испарения никеля и вероятность его напыления на детали прибора и в то же время имеет высокую скорость диффузии и является хорошим активатором. Легирование никеля рением (например, сплав НР-10ВП) значительно повышает его прочность, твердость, Формоустойчивость и позволяет уменьшать оптимальную толщину
стенок катодной трубочки, что сокращает время, необходимое д^ разогрева катода до рабочей температуры. 7
Наиболее часто применяют никель, в котором малоактивная но упрочняющая присадка (например, вольфрам) находитсй ё комбинации с активной активирующей присадкой (например, с магнием)—сплав НВМ-ЗВ, содержащий 3% вольфрама у 0,07% магния. „ I
В последнее время для кернов оксидных катодов с пониженной рабочей температурой применяют тройные сплавы никеля с вольфрамом и цирконием, а также сплавы никеля с вольфрамом и ванадием. Эти сплавы обеспечивают хорошее сцепление оксидного покрытия с керном катода.
Материалы для держателей («хвостовиков», катодов) должны быть немагнитными, иметь низкую теплопроводность, большую формоустойчивость и высокую рекристаллизационную стойкость.
Наилучшими механическими свойствами при повышенных и длительных температурных нагрузках обладают держатели катодов, изготовленные из никель-молибденово-рениевых сплавов (типов 40Н10Р, НИМО-25), а также никель-молибденово-рениево- го сплава, содержащего 75% никеля, 15% молибдена и 10% рения. Ранее применявшийся сплав ФЕНИ-42 магнитен, что практически может приводить к искажению электрического поля в приборе.
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАРБОНАТНЫХ СУСПЕНЗИЙ
Эмитирующим веществом катодов являются оксиды щелочноземельных металлов и чистый барий. Однако эти вещества обладают очень высокой химической активностью, на атмосферном воздухе они крайне неустойчивы и вступают в химическое взаимодействие с парами воды и углекислым газом. Поэтому на керны катодов наносят не оксиды, а суспензию карбонатов щелочноземельных металлов1.
Для изготовления карбонатного покрытия применяются твердые растворы (смешанные кристаллы) карбонатов бария, стронция и кальция. Нецелесообразно изготовлять эмиссионное покрытие только из карбоната бария (ВаСОз). Это объясняется тем, что карбонат бария имеет низкую температуру плавления: при
1
На керны катодов люминесцентных ламп вместо карбонатов щелочноземельны* металлов обычно наносят пероксиды (BaO, SrO). Пероксиды превращаются в оксиды при более низкой температуре, чем карбонаты, и образуют больше активного вещее00 в покрытии, но пероксидные соединения менее устойчивы при хранении — 310 приводит к большему разбросу в параметрах отдельных катодов.
304304I
304
304
наГревании он сильно спекается и даже оплавляется, оксидный уюй получается плотным, непористым, со слабо развитой эмиссионной способностью и замедленной скоростью диффузии свободного бария из толщи катода на поверхность. Поэтому для изготовления эмиссионного покрытия применяются твердые растворы (смешанные кристаллы) карбонатов бария, стронция и кальция.
Карбонаты стронция (SrCOs) и кальция (СаСОз) при нагревании в вакууме легко разлагаются и образуют тугоплавкие оксиды SrO и СаО, которые препятствуют спеканию оксидного слоя, повышают пористость и шероховатость, снижают коэффициент излучения и скорость испарения активного вещества катода. Это способствует повышению эмиссионной способности и долговечности катода и снижению его рабочей температуры. Следует отметить, что с увеличением содержания карбоната кальция несколько ухудшается эмиссия, но улучшается прочность эмиссионного покрытия.
Карбонаты щелочноземельных металлов получают путем смешивания раствора азотно-кислых солей бария, стронция, кальция с раствором углекислого натрия или аммония:
[Ba, Sr, Са] (NOs)2 + МагСОз -* 4 [Ba, Sr, Са] СОз + + 2NaNO3. осадок
При низких температурах осаждения образуются мелкие кристаллы сферической формы, а при высоких — крупные кристаллы игольчатой формы. Размер и форма кристаллов карбонатов определяет плотность или шероховатость эмиссионного покрытия. Кристаллы игольчатой формы обладают лучшими эмиссионными свойствами и образуют шероховатое покрытие. Однако повышенная шероховатость может быть причиной разрушения катодов вследствие возникновения высоких напряженностей поля на выступающих остриях покрытия. Для гладких и плотных покрытий используют мелкозернистые карбонаты со сферической структурой, дающие более плотную упаковку. Гладкие оксидные покрытия используются в малошумящих лампах, приборах СВЧ, в потенциалоскопах, высоковольтных ЭЛТ. Эти катоды требуют более жестких режимов для активирования, имеют несколько меньшую величину эмиссии, но обладают лучшей теплопередачей Между керном и оксидным слоем, более равномерной эмиссией, менее подвержены искрению и пробоям, имеют повышенную Механическую прочность, более инертны по отношению к остаточным газам, не склонны к образованию шумов и «паразитной эмиссии». _
Осадок карбонатов тщательно отмывают от ионов NO з и от Других загрязнений и сушат в электрическом шкафу при 150 —
250°С. Во время сушки удаляется влага, легколетучяе органические загрязнения, а также происходит разложение образовавшихся при осаждении бикарбонатов:
Ва(НСОз)2^ВаСОз + НгО + СОг
бикарбонат карбонат ]
Карбонаты, применяемые для изготовления плотных покрытий дополнительно прокаливаются при 480°С. Это предотвращает растрескивание покрытий в процессе вакуумной обработки катода, вызываемое структурными изменениями и усадкой непрокаленного карбоната в вакууме.
Для повышения тепло- и электропроводности оксидного слоя (что особенно важно при работе на больших плотностях тока) рекомендуется производить мелкодисперсную металлизацию карбонатов щелочноземельных металлов никелем или тонким слоем карбонатов никеля (или других металлов). При вакуумной обработке приборов карбонаты никеля разлагаются с образованием вокруг зерен оксидного покрытия никелевых прослоек толщиной 0,1 мкм — это предотвращает искрение и пробои, однако несколько ухудшает эмиссионные характеристики катодов.
Суспензия, наносимая на керны катодов, содержит карбонаты, жидкую фазу, связующее вещество и пластификатор. Связующее вещество цементирует покрытие и служит для сохранения его геометрической формы, размеров и прочности, предохраняет от повреждений при сборке прибора. Однако в дальнейшем при вакуумной обработке прибора связующее вещество и пластификатор необходимо удалить из покрытия, иначе они будут служить источниками постоянного газовыделения при эксплуатации прибора. Связующее вещество (биндер) должно удовлетворять двум требованиям: разлагаться в вакууме без остатка (причем образующиеся газы и пары не должны отравлять катод); образовывать после испарения растворителей прочные пленки, сцепляющие частицы покрытия друг с другом и с поверхностью керна.
В качестве связующего вещества обычно применяли растворы коллоксилина в изоамилацетате определенной вязкости. Однако коллоксилин взрывоопасен, изменяет вязкость при хранении и образует черный углеродный остаток после активирования катода (черный налет повышает коэффициент излучения и снижает эффективную температуру катода).
В последнее время вместо коллоксилина стали применять высокомолекулярные соединения, образующие полимерные, паутинообразные пленки (полибутилметакрилаты, поливинилбутираль и др.). При термической обработке катода в вакууме высокомолекулярные соединения улетучиваются в виде мономеров, при хранении не стареют и содержат в 10 раз меньше золы, чем
коллоксилин. Полимерные связующие обеспечивают повышенную механическую прочность и эластичность покрытий.
Пластификаторы (диэтилоксалат, дибутилфталат) служат для повышения эластичности пленки, уменьшения ее усадки при рысыхании, предотвращения растрескивания и отслаивания оксидного покрытия от керна.
НАНЕСЕНИЕ КАРБОНАТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА КЕРНЫ
КАТОДОВ
Карбонатное покрытие должно быть однородным по толщине, плотности, шероховатости, иметь прочное сцепление с керном, обеспечивать достаточно высокую тепло- и электропроводность на границе с керном и не содержать примесей. При плохом контакте оксидного слоя с керном катода, малой тепло- и электропроводности оксидного слоя наблюдается искрение — пробой между катодом и анодом с разрушением части оксидного покрытия.
Для нанесения карбонатных покрытий на керны катодов применяют методы пульверизации, катафореза, плазменного напыления (см. § 5.6) и объемной печати.
Методом пульверизации обычно наносят покрытия на керны катодов косвенного накала. Преимуществом пульверизации является возможность нанесения покрытий любой толщины, требуемой шероховатости и пористости на керны катодов любой геометрической формы. Недостаток пульверизации — большой непроизводительный расход суспензии и плохая равномерность покрытия (большой разброс по толщине).
узлом установки является вдоль вытяжной камеры, внутри которой на держателе 2 закреплена рамка 1 с кернами катодов. Суспензия поступает в пульверизатор из бачка 4 с метанолом 3.Массу, плотность и шероховатость покрытия можноизменять,регулируя расстояние от пульверизатора до рамки с покрываемыми деталями, количество проходов пульверизатора, давление воздушной среды иузлом установки является вдоль вытяжной камеры, внутри которой на держателе 2 закреплена рамка 1 с кернами катодов. Суспензия поступает в пульверизатор из бачка 4 с метанолом 3.Массу, плотность и шероховатость покрытия можноизменять,регулируя расстояние от пульверизатора до рамки с покрываемыми деталями, количество проходов пульверизатора, давление воздушной среды и//Рис. 18.9. Полуавтомат для нанесения карбонатных покрытий методом пульверизацииРис. 18.9. Полуавтомат для нанесения карбонатных покрытий методом пульверизацииДля нанесения карбонатного покрытия методом пульверизации служит полуавтоматическая установка (рис. 18.9). Основным пульверизатор 5, перемещающийся
узлом установки является вдоль вытяжной камеры, внутри которой на держателе 2 закреплена рамка 1 с кернами катодов. Суспензия поступает в пульверизатор из бачка 4 с метанолом 3.
Массу, плотность и шероховатость покрытия можноизменять,
регулируя расстояние от пульверизатора до рамки с покрываемыми деталями, количество проходов пульверизатора, давление воздушной среды и
узлом установки является вдоль вытяжной камеры, внутри которой на держателе 2 закреплена рамка 1 с кернами катодов. Суспензия поступает в пульверизатор из бачка 4 с метанолом 3.
Массу, плотность и шероховатость покрытия можноизменять,
регулируя расстояние от пульверизатора до рамки с покрываемыми деталями, количество проходов пульверизатора, давление воздушной среды и
/
/
Рис. 18.9. Полуавтомат для нанесения карбонатных покрытий методом пульверизации
Рис. 18.9. Полуавтомат для нанесения карбонатных покрытий методом пульверизации
диаметр отверстия сопла. Обеспечение равномерности толщины & структуры покрытия достигается в результате поступательно^ вращательного или колебательного движения деталей или пульверизатора.
В зависимости от расстояния между соплом пульверизатора и кернами катодов изменяется влажность струи суспензии, т.е. соотношение в ней твердой и жидкой фаз. Струя суспензии может быть влажной, средней влажности и сухой. При малом расстоянии между пульверизатором и рамкой струя будет влажной и образуется гладкое покрытие; влажная струя обеспечивает хорошее склеивание частиц карбонатов между собой, но покрытие неэластично и легко отслаивается от металлического керна катода.
При слишком большом расстоянии жидкая фаза суспензии испаряется прежде, чем суспензия достигает кернов катодов. При этом образуется сухая струя, частицы карбонатов теряют защитные оболочки, комкуются, слабо сцепляются друг с другом и покрытие получается сильно шероховатым. Влажность струи уменьшается также по мере снижения давления воздуха, увеличения диаметра сопла и повышения температуры окружающего воздуха.
Наличие воды в суспензии приводит к отлипанию карбонатного покрытия от керна. При распылении из суспензии испаряется растворитель и струя охлаждается. На охлажденных участках струи может происходить конденсация влаги (выпадение росы) из окружающего воздуха. Для предупреждения конденсации влаги необходимо, чтобы точка росы воздуха высокого давления была ниже —35°С, относительная влажность атмосферного воздуха яе превышала 50%, а керны катодов перед нанесением на них покрытия были нагреты до 70°С.
Следует учитывать, что динамический напор и скорость движения частиц карбонатов при пульверизации убывают от центра к периферии струи. Соответственно изменяются плотность и толщина покрытия в поперечном сечении следа, образуемого струей пульверизатора при перемещении катода. Поэтому для получения однородных покрытий (особенно на катодах больших размеров и сложных форм) надо подбирать соответствующие кинематические схемы взаимного перемещения распылитель — катод и условия работы распылителя (форма струи, давление, угол наклона и др.).
В последнее время созданы полуавтоматы с программным управлением, которое регулирует положение рамки относительно пульверизатора, число проходов рамок с катодами, параметры процесса.
После сушки катодов контролируют привес, - толщину и шероховатость покрытия. Привес определяют обычно нД
торзионных весах путем взвешивания покрытых и непокрытых кернов катодов. Толщину оксидного покрытия измеряют методом калибровки или с помощью часового проектора или микроскопа МИС-11.
Контроль прочности оксидного покрытия производят визуально после погружения катода в горячую воду с температурой от 70 С до 80°С и этиловый спирт (по 5 с в каждой жидкости) с последующей подсушкой при температуре от 100 до 120 С в течение 5—10 мин.
Методом катафореза наносят карбонатное покрытие на керны прямоканальных катодов. Керны катодов подвешивают на отрицательный электрод электрофорезной ванны (см. с. 281). Этим методом получают карбонатные покрытия высокой плотности (до 3 г/см3). В карбонатной суспензии на границе раздела карбонат — жидкая фаза (смесь растворителей) происходит частичное растворение карбонатов и образование положительных ионов бария, стронция и кальция (Ba , Sr , Са ). Эти ионы адсорбируются на частицах карбонатов, придают им положительный заряд и заставляют двигаться к отрицательному электроду и осаждаться на кернах катодов. Заряд частиц карбонатов, который зависит от количества осевших на них положительных ионов, определяет качество, массу, толщину и структуру изготовляемых покрытий. Методом катафореза можно получать плотные гладкие однородные покрытия. Раствор коллоксилина служит не только связующим веществом (биндером), но и стабилизатором катафорезной суспензии, он способствует повышению механической прочности и сплошности покрытия.
Ввиду того, что процесс катафореза сопровождается побочным процессом электролиза, на катоде выделяется водород, в результате этого ухудшается прочность сцепления карбонатного покрытия с поверхностью керна катода. Уменьшить газовыделение можно путем импульсной подачи напряжения между катодом и анодом с кратковременной переменной полярности. Частицы карбонатов в десятки тысяч раз тяжелее отдельных ионов. При перемене на короткий промежуток времени потенциала они не изменяют направления своего движения, в то время как концентрация ионов водорода у поверхности катода резко уменьшается. Для уменьшения интенсивности вредного процесса электролиза следует применять высокоомные^суспензии, имеющие Удельную электропроводность не более 10 Ом • см
Плазменным методом на подложку можно напылить любое вещество, которое размягчается или плавится без разложения и изменения химического состава. Плазменный метод нанесения карбонатного покрытия заключается в расплавлении и переносе карбонатов на охлаждаемые керны катодов (см. с. 66).
Режим должен быть подобран так, чтобы зерна карбонатов в струе плазмы не успевали полностью разложиться до оксидов. Это связано с тем, что эмиссионные покрытия, нанесенные в виде оксидов, неустойчивы во время хранения и имеют худщие эмиссионные характеристики.
Преимуществом плазменного метода является возможность получения плотных, однородных по структуре и толщине покрытий с ничтожным количеством примесей. Катоды, изготовленные плазменным методом, отличаются высокой электрической прочностью, не склонны к искрениям и пробоям, обеспечивают постоянство расстояния между катодом и близлежащими электродами.
Для нанесения покрытия на торцевые и кольцевые катоды малых размеров удобным оказался метод объемной п е ч а- 'ти. Метод заключается в нанесении слоя карбонатного состава определенной толщины и вязкости на вспомогательную поверхность (например, промежуточный валик или диск), которая затем приводится в соприкосновение с керном катода. В момент соприкосновения происходит смачивание керна карбонатной суспензией, а после отрыва — естественное формирование покрытий.
Пленочный метод нанесения покрытия применяется обычно для изготовления губчатых синтерированных никелевых катодов. Предварительно отформованная пленка определенной толщины, содержащая никелевый и карбонатный порошок, отделяется от полиэтиленовой подложки и приклеивается к поверхности плоских катодов.
В зависимости от металла керна для нанесения металлической губки применяют никелевые, танталовые или молибденовые порошки. Синтерированные катоды обычно используют в высоковольтных приборах, работающих при больших плотностях тока.
Металлическая губка увеличивает поверхность контакта и соответственно прочность сцепления оксидного слоя с керном катода; предотвращает разрушение и осыпание эмиссионного покрытия при ионной бомбардировке и пробоях в приборе; улучшает условия теплопередачи от керна к эмиссионному покрытию; снижает электрическое сопротивление запорного слоя и уменьшает вероятность пробоев и искрений катодов при отборе с них повышенных плотностей тока; снижает интенсивность испарения активного эмиссионного вещества и напыления его на арматуру и оболочку прибора.
Никелевый порошок наносят на керны катодов косвенного накала путем: равномерного насева или пульверизации, причем поверхность катода предварительно покрыта тонким слоем нитро- целлюлозы или другого связующего; намазки порошка металла
на поверхность кернов; сухого синтерирования, т.е. заполнения металлическим порошком пространства между керном катода и специальной оправкой.
При любом методе нанесения никелевая губка спекается в атмосфере водорода при 750 — 1400°С — при этом она обезгажива- ется, выгорает биндер, улучшается сцепление частиц.
ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
И АКТИВИРОВАНИЯ ПЛЕНОЧНЫХ КАТОДОВ
Пленочные катоды представляют собой керн из тугоплавкого металла (вольфрама, молибдена, титана), на поверхности которого находится моноатомная пленка электронно-положительного элемента (бария или тория). Атомы бария или тория образуют с вольфрамовой подложкой диполи, отрицательный полюс которых обращен к вольфраму. Совокупность этих диполей (моноатомная пленка) создает на поверхности катода двойной электрический слой, электрическое поле которого уменьшает работу выхода электронов из подложки и тем самым значительно увеличивает эмиссионный ток. Таким образом, в пленочном катоде электроны испускаются подложкой, а моноатомная пленка тория или бария только способствует облегчению вылета электронов из подложки.
Наиболее широко применяют вольфрамово-ториевые и вольф- рамово-бариевые пленочные катоды.
Заготовка торированного вольфрамового катода, монтируемого в прибор, представляет собой вольфрамовую проволоку, содержащую несколько процентов оксида тория.
При термическом активировании в условиях высокого вакуума происходят следующие процессы:
оксид тория частично восстанавливается вольфрамом и образует свободный торий:
ThO2 + W - Th + WO2;
атомы тория диффундируют по границам зерен вольфрама из толщи проволоки на поверхность и образуют на ней моноатомную Пленку тория;
двойной электрический слой, образуемый моноатомной пленкой тория и вольфрамовой подложкой, создает электрическое поле, которое снижает работу выхода электрона из вольфрама с 4,42 До 2,27 эВ.
Активирование обычно производится в две стадии.
Подъем температуры до 2400°С, что способствует ускорению восстановления оксида тория и созданию избытка свободного тория в катоде. Однако при этой высокой температуре скорость Испарения атомов тория с поверхности катода превышает скорость
их диффузии из толщи на поверхность и моноатомная пленка тория не образуется.
Снижение температуры до 1700— 1800°С и прокалка при этой температуре. Скорость испарения атомов тория становится соизмеримой со скоростью их диффузии к поверхности, и ^ поверхности катода происходит накопление атомов тория: образуется устойчивая стабильная моноатомная пленка. Полиатомная пленка тория при оптимальных температурах активирования не образуется (так как скорость испарения избыточных атомов тория с поверхности моноатомной пленки значительно больше, чем скорость испарения самой моноатомной пленки тория с поверхности вольфрама).
В случае образования полиатомной пленки тория пропадает эффект действия двойного электрического слоя; электроны начинают испускаться не вольфрамом, а торием, работа выхода электрона из которого выше, чем работа выхода электрона из активированного двойным электрическим слоем вольфрама.
Температура « 1700°С является оптимальной рабочей температурой; при более низких — резко замедляются процессы образования и диффузии свободного тория, а при более высоких — испаряется и разрушается моноатомная пленка тория, катод истощается и имеет малую долговечность.
В карбидированных вольфрамово-ториевых катодах на границе между вольфрамом и пленкой тория имеется слой карбида вольфрама.
Углерод, входящий в состав карбида, выполняет следующие функции:
ускоряет процесс образования свободного тория при активировании и эксплуатации катода за счет реакции ТЬОг + + 2С -* Th + 2СО t, что позволяет снизить температуру на 1-й стадии активирования до 2000°С;
обеспечивает прочное сцепление моноатомной пленки тория с поверхностью вольфрама — это позволяет повысить рабочую температуру катода до 1800°С без опасности увеличения скорости испарения тория и снижения долговечности катода. Скорость испарения тория с карбидированной поверхности вольфрама в 6 раз меньше, чем с некарбидированной;
повышает устойчивость катода к ионной бомбардировке. Карбидирование производят путем действия паров углеводородов, например бензола СбНб (бензина, ацетилена, нафталина), на раскаленную вольфрамовую проволоку. Выделяющийся при разложении бензола углерод диффундирует в толщу вольфрама и вступает с ним в химическую реакцию, при этом поверхностный слой вольфрама превращается в слой карбидов вольфрама W?C и WC.
Карбидирование обычно производят в среде водорода или в вакууме. Степень карбидирования характеризуется отношением электросопротивлений катода до карбидирования и после карбидирования и выражается в процентах: чем больше увеличение сопротивления после карбидирования, тем толще слой карбида вольфрама. Толщина слоя карбида не должна превышать 0,1 диаметра проволоки, иначе повышается хрупкость и снижается механическая прочность катода.
Вольфрамово-бариевые катоды в зависимости от конструкции подразделяются на металлокапиллярные, прессованные и пропитанные. _
Эти катоды обладают устойчивостью к ионной бомбардировке, электропрочностью, низким уровнем шумов и эквипотенциальностью эмиттирующей поверхности, стойкостью к тепловым перегрузкам и остаточным газам.
Заготовка металлокапиллярного Ь=катода (рис. 18.10) представляет собой молибденовый стакан — камеру 1, в которой заключено активное вещество 3 (двойной или тройной карбонат щелочноземельных металлов). Сверху камера закрыта круглым колпачком или цилиндром из пористого вольфрама — вольфрамовой губкой 2. Нагрев катода осуществляется с помощью подогревателя 4.
Вольфрамовый штабик изготовляется методом порошковой металлургии путем опрессовки в гидравлической бомбе.
Для изготовления губки применяется вольфрамовый порошок с размером зерен не более 1,5 — 2,5 мкм, иначе увеличивается размер пор в вольфрамовой губке и соответственно повышается скорость испарения бария и снижается долговечность катода. При изготовлении колпачков L-катодов из вольфрамовых штабиков их предварительно меднят. Вольфрамовые штабики укладывают в молибденовую лодочку, дно которой покрыто медной стружкой. При Т = 1350-5- 1450°С медь расплавляется и благодаря капиллярным силам проникает в поры штабиков. Из медненых штабико^ на токарных станках вытачивают колпачки и диски L-катодов . При термической активировке в условиях высокого вакуума происходят следующие процессы: разложение карбонатов в камере с образованием оксидов щелочноземельных металлов (выделяющиеся газы откачиваются через вольфрамовую губку); диффузия оксидов щелочноземельного металла через поры вольфрамовой губки; восстановление оксидов щелочноземельных металлов вольфрамом с образованием свободного бария: бВаО + W -* BaaWOb + ЗВа (для ускорения процессов получения свободного бария в
'При токарной обработке медь как бы смазывает частицы вольфрама, облегчая его механическую обработку. После токарной обработки медь удаляют путем травления в разбавленной азотной кислоте — с последующей термической высокочастотной обработкой при Т - 1650+1750°С в вакууме или в среде водорода.
Рис. 18.10. Схема металлокапиллярного L -катодаРис. 18.10. Схема металлокапиллярного L -катодая
Рис. 18.10. Схема металлокапиллярного L -катода
Рис. 18.10. Схема металлокапиллярного L -катода
активное вещество иногда вводятся вое- станавливающие присадки кремния циркония, тория); диффузия свободного бария по поверхности пор губки с последующим испарением бария через поры; адсорбция бария на внешней поверхности вольфрамовой губки с образованием моноатомной пленки бария, которая снижает работу выхода электронов из вольфрама до 1,7 эВ.
Толщина и пористость вольфрамовой губки определяют скорость диффузии и образования моноатомной пленки бария, а также интенсивность испарения бария с поверхности вольфрама. Пористость вольфрамовой губки зависит от давления прессования и зернистости исходного материала, а
также от продолжительности и температуры спекания в процессе ее изготовления.
Недостатком L-катода является длительность процесса его обезгаживания и активирования. Это может вызвать окисление молибденового резервуара и вольфрамовой губки. Оксиды молибдена имеют высокое давление насыщенных паров при сравнительно низких температурах (= 600 + 700°С), испаряются с катода и конденсируются на холодных участках прибора. Это вызывает нестабильную работу приборов.
В металлопористых и пропитанных катодах активное вещество помещается непосредственно в пористую вольфрамовую губку (в отличие от L-катодов). Недостаток этих катодов — большая скорость испарения активного вещества и напыления его на электроды, что приводит к искажению параметров.
Заготовка матричного спрессованного катода представляет собой микропористую губку из вольфрамового порошка, заполненную активным составом — вольфраматами бария и кальция с добавкой 1 % алюминия. После запрессовки вольфрамовой губки с эмиссионным составом в керн катода производят спекание катода в атмосфере водорода. В процессе спекания катода алюминии превращает вольфрамат бария в алюминат бария, который является исходным активным веществом катода: ВазWOe + 2А1*- 5^ВазА120б + W.
В процессе активировки в условиях высокого вакуума и повышенной температуры происходят следующие реакции:
ВазА120б ■* 2ВаО + ВаА12О4
6ВаО + W -> ЗВа + ВазАМОб
Атомы бария диффундируют к поверхности губки и образуют на ней моноатомную пленку бария.
Разложение алюминатов и вольфраматов не сопровождается сильным газовыделением, что облегчает откачку и предотвращает отравление катодов.
Для снижения скорости испарения бария и повышения долговечности прессованных катодов увеличивают давление прессования; добавляют в активный состав катода диоксид кремния; применяют в качестве активного вещества катода скандат бария, спрессованный с вольфрамовым порошком; покрывают металлопористый катод пленкой осмия толщиной до 1 микрона — это позволяет снизить рабочую температуру катода на 70 — 80°С и увеличить плотность тока эмиссии в 6 — 8 раз.
Пропитанные катоды (импрегнированные) представляют собой макропористую вольфрамовую губку, пропитанную алюминатами, вольфраматами и силикатами щелочноземельных металлов. Пористость губки 10 — 40 %.
После меднения вольфрамового штабика из него вытачивают заготовку катода требуемой формы (медь как бы смачивает частицы вольфрама, что облегчает механическую обработку вольфрама).
На рис. 18.11 показана схема технологического процесса изготовления пропитанных катодов. Пропитка губки 1 активным веществом 2 производится в потоке сухого водорода (точка росы —50°) при температуре 1750— 1850°С. Катод нагревают токами высокой частоты или в водородной печи. Расплавленное активное вещество заполняет поры губки. После термической обработки пропитанные катоды имеют в своем составе те же компоненты, что и прессованные катоды: ВазА120б, ВаА1гО4 и ВазАЮб. Губку
Рис. 18.11. Схема технологического процесса изготовления пропитанных катодов
в керне катода закрепляют пайкой, электронно-лучевой или плазменной сваркой, завальцовкой, а также другими способами.
Снижение скорости испарения бария достигается путем изготовления губки из смеси порошков вольфрама, молибдена и рения.
Керметкатоды — металлокерамические катоды представляют собой шайбы из спрессованных порошков вольфрама, карбида вольфрама и оксидов тория или оксидов редкоземельных металлов. Активирование керметкатодов производится в вакууме при температуре = 1700°С; происходит восстановление тория (или редкоземельного металла) из оксида, диффузия атомов свободного тория (или редкоземельного металла) на поверхность катода с образованием моноатомной пленки металла. При этом, как и в случае оксидно-ториевых катодов, возникает двойной электрический слой, снижающий работу выхода электронов из вольфрама.
Для получения высоких плотностей тока и устойчивой работы при повышенных давлениях остаточного газа (до 10“ Па) применяют гексаборидные катоды, которые представляют собой соединения бора с редкоземельными элементами, например лантаном. Наличие эмиссионных свойств у катодов на основе гексаборидов лантана объясняется образованием на поверхности катода пленки чистого лантана, которая обеспечивает уменьшение работы выхода электронов. Катоды на основе гексаборида лантана изготовляют путем плазменного нанесения порошка гексаборида лантана на танталовую или графитовую подложку (губчатые катоды) или путем прессования заготовки нужной геометрической формы (прессованные гексаборидные катоды). Материал подложки не должен взаимодействовать с гексаборидами и разрушаться при диффузии в него бора. Например, рений, вольфрам и молибден энергично реагируют с гексаборидом лантана.
В последнее время рекомендуется защищать подложку пленкой дисилицида молибдена (M0S12).
Максимальная прочность прессованных гексаборидных катодов достигается при горячем прессовании в защитной среде.
Диски-таблетки требуемой формы нарезают методом электро- эрозионной обработки с последующей химической очисткой. Необходимый контакт между таблеткой гексаборида лантана и металлической подложкой достигается их пайкой с добавкой дисилицида молибдена при температуре 2050°С. Катоды необходимо активировать — подвергать термической обработке при 1550 — 1750°С. Эмиссионные свойства гексаборидных катодов повышаются при добавке к гексабориду лантана 10 % платины или рения. Основной недостаток гексаборидных катодов — высокая рабочая температура (« 1650°С) и соответственно малый срок службы (» 500 ч) из-за перегорания подогревателей. В качестве 316
и*
пОдогревателей гексаборидных катодов применяются вольфрамовые спирали, не покрытые изоляционным материалом.
Металлосплавные катоды представляют собой интерметаллические соединения чистых металлов (твердые растворы, химические соединения). В качестве металлосплавных катодов используют соединения палладия с барием (98 % Pd + 2 % Ва), платины с барием (98 % Pt + 2 % Ва); иридия с редкоземельными металлами, например титаном, церием, неодимом, самарием; .рения с торием (® 3 % Th), платины с торием, осмия с торием и т.д. Интерметаллические соединения имеют меньшую работу выхода и соответственно лучшую эмиссионную способность, чем основной металл (например, работа выхода чистой платины — 5,3 эВ, а соединения платины с 2 % бария — 2,2 эВ). Это объясняется образованием на поверхности сплава дипольного слоя того металла, который имеет меньшую температуру плавления (например, бария на поверхности палладия или редкоземельного металла на поверхности иридия).
При изготовлении металлосплавных катодов эмиссионный сплав, например PdBa, прокатывается в фольгу толщиной доли миллиметра и укрепляется на керн катода, изготовляемого из какого-либо тугоплавкого металла, например вольфрама. Закрепление фольги в керне должно исключать интенсивную диффузию материала керна в эмиссионный сплав даже при высоких рабочих температурах катода (= 1050°С), диффундирующий в фольгу вольфрам связывает активный барий, истощает катод и снижает его эмиссионную способность в процессе эксплуатации прибора. Металлосплавные катоды устойчивы к электронной и ионной бомбардировкам, применяются в основном в приборах магнетронного типа.
ГЛАВА 19. ПРИНЦИП РАБОТЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОЭЛЕКТРОННЫХ КАТОДОВ
§ 19.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФОТОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ
Фотоэлектронной эмиссией называется эмиссия электронов из вещества в вакуум под действием электромагнитного излучения. Процесс фотоэлектронной эмиссии слагается из трех основных этапов:
поглощение квантов излучения электронами вещества, что приводит к их возбуждению и переходу на более высокие энергетические уровни (горячие электроны);
движение возбужденных (горячих) электронов из толщи эмиттера к границе эмиттера с вакуумом (транспорт электронов);
выход электронов через потенциальный барьер из эмиттера в вакуум.
Поглощенные фотокатодом фотоны один на один взаимодействуют с электронами вещества, увеличивая их энергию на величину, равную кванту энергии h v (любой электрон не может получить больше одного кванта энергии). На пути от места возбуждения до границы эмиттера с вакуумом возбужденный электрон теряет часть своей энергии за счет столкновения с другими электронами. Потери энергии тем больше, чем выше концентрация электронов в материале (например, в металлах) и । чем дальше от поверхности эмиттера находится возбужденный электрон (длина свободного пробега электрона не превышает 1 — 2 мкм). Вылететь из эмиттера в вакуум смогут только те электроны, энергия которых при подлете к поверхности катода j остается достаточной для преодоления электрического притяжения со стороны положительных ионов поверхности фотокатода. Наличие этого электрического притяжения создает потенциальный (энергетический) барьер на границе поверхности эмиттер — вакуум. Величина потенциального барьера Еа равна разности энергии, соответствующей уровню вакуума Ев, и энергии, соответствующей дну зоны проводимости Е3 пр (рис. 19.1).
Величина потенциального барьера характеризует электронное сродство материала фотокатода к электрону. Чем больше электронное сродство Еа, тем меньше глубина выхода электрона из материала фотокатода и меньше вероятность фотоэмиссии. Практически для фотоэмиссии материала с большим электронным сродством требуется излучение с малой длиной волны, состоящее из квантов большой энергии.
Чистые металлы практически не применяются для фотоэмиттеров. Металлы характеризуются высокой отражательной способностью по отношению к излучению, что снижает коэффициент поглощения излучения; в металлах возбужденные излучением электроны претерпевают большое число столкновений со свободными электронами зоны проводимости (каждое из которых сопровождается потерей энергии), что уменьшает длину свободного пробега и глубину выхода электрона.
Рис. 19.1. Энергетическая диаграмма фотокатода:
й —энергетическая диаграмма полупроводника п-типа; б — энергетическая диаграмма полупроводника p-типа; в — энергетическая диаграмма катода с отрицательным электронным сродством
Изоляторы также не применяются для фотоэмиттеров, из-за малой электропроводности изоляторов уход эмиттированных электронов не успевает компенсироваться притоком электронов от внешнего источника, что изменяет потенциал фотокатода. Наибольшее распространение в качестве фотокатодов получили материалы, обладающие полупроводниковыми свойствами.
Полупроводники характеризуются высоким коэффициентом поглощения, низким коэффициентом отражения и достаточной электропроводностью. Полупроводники p-типа (рис. 19.1, б) обычно являются более эффективными эмиттерами, чем полупроводники /z-типа (рис. 19.1, а), они характеризуются более длинноволновой границей фотоэффекта. В полупроводниках и- типа электроны с донорных уровней переходят на свободные поверхностные уровни и образуют у поверхности эмиттера отрицательный пространственный заряд, обусловливающий изгиб 2 энергетических зон вверх, — это тормозит фотоэлектроны, Движущиеся к поверхности, и препятствует их выходу в вакуум. В полупроводниках р-типа электроны с энергетически более вьюоких поверхностных уровней переходят на акцепторные Уровни, поэтому на поверхности эмиттера образуется неском- пенсированный положительный заряд, что приводит к изгибу Z энергетических зон вниз и соответственно облегчает вылет Фотоэлектронов из толщи полупроводника в вакуум. Условие обеспечения фотоэлектронной эмиссии в полупроводнике:
h vo - hell > e p + (Eq — EB3) = Ea + AE, где ep —энергия, которая необходима электрону, находящемуся на уровне Ферми, для вылета в вакуум — работа выхода электрона; Eq — Евз — энергия, необходимая для перевода электрона на уровень Ферми (равна энергетическому расстоянию между уровнем Ферми Ео и вершиной внешней валентной зоны Евз); Е—ширина запрещенной зоны.
Следовательно, условие фотоэмиссии удовлетворяется только при
Я° 5 ер(Ео - Евз) 1f
Таким образом, чем больше работа выхода, тем меньше должна быть длина волны излучения, вызывающая фотоэмиссию. Поэтому для каждого фотоэмиттера существует граничная (пороговая) длина волны, выше которой фотоэмиссия не наблюдается. Эта пороговая длина волны называется красной (или длинноволновой) границей фотоэмиссии. При длинах волн больше X пор электронам вещества не хватает энергии для вылета в вакуум. Следует учесть, что красная граница фотоэлектронной эмиссии зависит не только от состава вещества фотокатода, но и от структуры, чистоты и степени шероховатости его поверхности.
Из формулы следует, что при заданной материалом полупроводника ширине запрещенной зоны ДЕ любые технологические приемы, способствующие уменьшению Ео — Евз и ор , приводят к снижению потенциального барьера и электронного сродства Еа и соответственно повышению интенсивности фотоэмиссии и пороговой длины волны (красной границы) фотоэмиссии.
Снижение работы выхода достигается нанесением на поверхность полупроводников пленки атомов электроположительного вещества (например, Cs) или молекул с большим дипольным моментом (например, CsaO, ВаО и др.).
Следует отметить, что в полупроводниках (в отличие от металлов) энергетические уровни, определяющие порог фотоэмиссии и термоэлектронной эмиссии, не совпадают, что позволяет раздельно воздействовать на фото- и термоэмиссионные свойства фотокатодов и получать фотокатоды с большим порогом фотоэмиссии (большой пороговой длиной волны) и малым значением термотока.
i 19.2. ПРИНЦИП РАБОТЫ ЭМИТТЕРОВ
С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ СРОДСТВОМ
В эмиттерах с отрицательным электронным сродством (ОЭС) энергетический уровень вакуума Ев находится ниже дна зонУ
проводимости Е3 пр в объеме р-полупроводника (рис. 19.1, в). Это приводит к отсутствию потенциального барьера, препятствующего выходу электронов проводимости в вакуум. Электронам необходимо лишь преодолеть без потерь энергии потенциальную яМу вблизи поверхности полупроводника, связанную с изгибом энергетических зон вниз, — электрон легко преодолевает эту потенциальную яму при условии, что ширина области изгиба зон меньше длины свободного пробега электрона (~ 1 мкм). фотоэмиссия в фотокатодах с обратным электронным сродством состоит из ряда последовательных этапов: возбуждение электронов и их переход в зону проводимости; термализация электронов на дно зоны проводимости; диффузия электронов по дну зоны проводимости к поверхности полупроводника; вылет электронов в вакуум.
В обычных фотокатодах с положительным электронным сродством в вакуум могут выйти только возбужденные (горячие) электроны, энергия которых превышает потенциальный барьер между зоной проводимости полупроводника и уровнем вакуума, в результате в вакуум выходит сравнительно небольшая часть фотоэлектронов, возбужденных светом в объеме полупроводника.
В фотокатоде с отрицательным электронным сродством в вакуум могут выйти не только возбужденные (горячие) электроны, находящиеся на верхнем уровне зоны проводимости, но и электроны, диффундирующие к поверхности раздела полупроводник — вакуум по дну зоны проводимости. Глубина выхода электронов в катодах с отрицательным электронным сродством в 1000 раз больше, чем в обычных катодах, и составляет порядка нескольких микрон. При этом повышается как интенсивность фотоэмиссии, красная граница фотоэмиссии, так и отношение полезный сигнал — шум.
Для получения электронов с отрицательным электронным сродством необходимо:
Уменьшить до нуля энергетическое расстояние между Уровнями Ферми и вершиной валентной зоны, что достигается сильным легированием полупроводника акцепторной примесью. Ширина области Z изгиба зоны проводимости (рис. 19.1, в), которую необходимо преодолевать для вылета в вакуум, тем меньше, чем выше концентрация основных носителей в полупроводнике. Легирование полупроводника способствует совме- Щению уровня Ферми и вершины валентной зоны, это дозволяет повысить концентрацию основных носителей до 10— см и соответственно уменьшить ширину области изгиба до значения, Не превышающего длины свободного пробега электрона.
Снизить работу выхода ер до значения, меньшего ширины запрещенной зоны (е р < А£). Это достигается путем нанесения
на поверхность полупроводника трех-четырех слоев (моноатомных) цезия и кислорода. При оптимальной толщине цезиево-кислород. ной пленки, нанесенной на максимально чистую поверхность кристалла арсенида галия (имеющую ширину запрещенной зоны Е = 1,425 эВ), можно снизить работу выхода до 0,8 эВ, что значительно меньше ширины запрещенной зоны.
В принципе в качестве катодов с ОЭС применяются соединения типа Am, Bv и их твердые растворы. Красная граница чувствительности фотокатодов с ОЭС, созданных на основе твердых растворов GaJnAsP, составляет 1,1 — 1,2 мкм. Смещение красной границы в ИК-область достигается стимулированием фотоэмиссии положительным электрическим полем.
ТЕМНОВЫЕ ТОКИ ФОТОКАТОДОВ
Недостатком большинства фотоэлектронных приборов является наличие в них темнового (паразитного) тока, возникающего при отсутствии излучения.
Темновой ток слагается из суммы токов термоэмиссии фотокатода (термотока), утечки между электродами и автоэлектронной эмиссии с электродов, находящихся под отрицательным потенциалом. Он значительно увеличивается с ростом анодного напряжения.
Темновой ток непостоянен во времени, зависит от температуры и влажности окружающей среды и других факторов, его трудно отделить от фотокатода — полезного сигнала. На низких уровнях облучения (т. е. слабых лучистых или световых потоках) полезный фототок может оказаться равным или меньшим паразитного темнового тока.
Снизить термоэмиссионный ток можно охлаждением катода и уменьшением его площади.
Токи утечки возникают при низком электрическом сопротивлении изоляции между электродами (например, токи утечки по внешней и внутренней поверхности стеклянной колбы, по цоколю прибора и т. д.).
Токи утечки по внешней поверхности стеклянной колбы значительно возрастают при нахождении прибора во влажной атмосфере, при этом влага конденсируется на стекле колбы и частично растворяет поверхностный слой стекла с образованием электропроводящей пленки. Для предотвращения влияния влаЖ' ности на внешнюю поверхность фотоэлектронного прибора обычно наносят влагоотталкивающее покрытие, например, на основе дихлорметилсилана. м
Токи утечки по внутренней поверхности колбы связаны с конденсацией на стекле паров цезия, натрия, сурьмы и других вешеств.
К разновидностям темновых токов относятся: газоразрядные токи, образуемые ионами остаточных газов (чем хуже вакуум в приборе, тем выше степень ионизации и больше газоразрядные токи); токи обратной связи, образуемые при засветке внутренней поверхности фотокатода излучением с экрана, анода, внутренних боковых стенок колбы; токи, образуемые при попадании на катод люминесцентного излучения стекла колбы прибора (люминесценция стекла обычно происходит под действием космических лучей или в результате радиоактивного излучения изотопа К-40, который содержится в составе стекол, применяемых для изготовления приборов).
Под действием внешних причин, например под влиянием внешних электрических и магнитных полей, радиоактивного излучения, вибрации, в фотоэлектронных приборах появляются так называемые шумы. Шумы представляют собой переменную составляющую темнового тока (флуктуации тока).
Важными эксплуатационными характеристиками фотокатодов являются: утомление — постепенное снижение чувствительности при его облучении и работе в рабочем режиме; старение — постепенное снижение чувствительности при хранении прибора (в результате взаимодействия с остаточными газами).
Утомление усиливается с увеличением падающего на фотокатод светового потока и анодного напряжения, а также при охлаждении фотокатода.
РАЗНОВИДНОСТИ ФОТОКАТОДОВ
Полупроводниковые фотокатоды разделяются на:
пленочные полупрозрачные, толщиной 20 — 30 нм, работающие на просвет (тыловое освещение), при этом световое излучение падает на одну сторону подложки фотокатода, а Фотоэлектроны эмиттируются с другой стороны;
массивные непрозрачные (фронтальное освещение), при этом Фотоэлектроны эмиттируются с той же стороны катода, на которую падает излучение.
В пленочных полупрозрачных катодах ток фотоэмиссии Постигает максимума только при оптимальной толщине фото- чУвствительного слоя катода. При толщине меньше оптимальной Фотоэмиссия уменьшается ввиду низкого коэффициента поглощения излучения (большая часть излучения проходит сквозь Катод, не успевая возбудить электроны и сообщить им энергию, Необходимую для вылета из катода): при толщине больше
оптимальной эмиссия снижается в результате торможения возбужденных электронов, проходящих из толщи катода к ещ поверхности.
Для снижения работы выхода и повышения эмиссии на поверхность полупроводниковых катодов наносят тонкие атомар. ные пленки электроположительных металлов (например, цезия) или тонкие пленки оксидов молекул с большим дипольным моментом (например, пленки закиси цезия или оксида бария).
Различают фотокатоды для видимого, инфракрасного и ультрафиолетового спектра излучения.
Фотокатоды для видимого спектра излучения представляют собой в большинстве случаев соединение сурьмы с одним, двумя или тремя щелочными металлами.
Наиболее чувствительными фотокатодами в видимой области * спектра являются сурьмяно-цезиевые (CsaSb), многощелочные (например, Na2KSb —- Cs) и двущелочные (K2CsSb), (Rb2CsSb).
Полупрозрачные сурьмяно-цезиевые катоды имеют высокое продольное электрическое сопротивление, что затрудняет «транспортировку» электронов. Для снижения электрического сопротивления на подложку катода предварительно напыляют тонкую пленку электропроводящего материала, например хрома или вольфрама. Высокой прозрачностью обладают электропроводящие пленки на основе диоксида олова, однако диоксид олова может вступать в химическую реакцию с цезием, применяемым для активировки катода.
Многощелочные (мультищелочные) катоды (в состав которых наряду с сурьмой и цезием входят еще два щелочных металла: калий и натрий) обладают более высоким квантовым выходом, чем сурьмяно-цезиевые. В трехщелочном катоде: Na, К, Sb (Cs)— число атомов натрия вдвое больше, чем калия, а количество цезия намного меньше, чем калия.
В полупрозрачных мультищелочных фотокатодах вследствие отражения и пропускания излучения теряется более половины падающего света. При нанесении такого фотокатода на зеркальную, например алюминиевую, подложку его спектральная чувствительность увеличивается почти в два раза, так как возрастает коэффициент поглощения излучения в фото- чувствительном слое. Многощелочные катоды имеют очень низкую удельную термоэмиссию 10—17 — 10—16 А/см2.
Для приборов, где требуется высокая чувствительность фотокатодов в красной и близкой к ИК-областям спектра, применяются многощелочные (мультищелочные) катоды с продленной чувствительностью в красной области (в технической литератур6 они называются Extended Read Multi Alxani). Повышенная чувствительность в длинноволновой области спектра (спектральная
324«
цувствительность на длине волны 800 ммкм составляет 35% от максимальной) достигается за счет большей их толщины, однако это одновременно приводит к понижению чувствительности в коротковолновой части спектральной характеристики.
Для инфракрасного излучения (при X > 1,1 мкм) обычно применяют кислородно-серебряно-цезиевый катод (Ag — 0 —Cs).
Для инфракрасного излучения применяют также новые типы катодов, изготовляемых на материалах с отрицательным элект- '‘ронным сродством. Интегральная чувствительность этих катодов (например, Ga Jn As Р — Cs2 О) в 20 раз превышает интегральную чувствительность кислородно-серебряно-цезиевых и достигает 800 мкА/лм.
Для ультрафиолетового излучения выпускают так называемые «солнечно-слепые» катоды, красная граница их спектральной характеристики меньше 0,35 мкм. «Солнечно-слепые» катоды не реагируют на излучение солнца, поэтому их можно использовать при измерении даже слабых ультрафиолетовых сигналов на фоне интенсивного дневного освещения.
В ультрафиолетовой части спектра (при длине волны X = 0,2-^- + 0,35 мкм) высоким квантовым выходом обладают фотокатоды из теллуридов цезия и рубидия.
Для измерения излучений с X < 0,1 мкм (исследования солнечной радиации в космосе на ракетах и спутниках) наиболее удобны фотокатоды, представляющие собой напыленные слои флюорита магния MgF2. Красная граница их спектральной характеристики соответствует 0,14 мкм.
Ультрафиолетовые лучи попадают на катод через оптические окна, изготовляемые из специальных увиолевых и эритемных стекол (для излучения X < 0,250 мкм), кварцевых дисков (для излучения X < 0,2 мкм), сапфира (для излучения X <0,14 мкм) или флюорита лития (для излучения X < 0,100 мкм). Увиолевые и эритемные стекла отличаются от простых малым содержанием примеси железа.
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОКАТОДОВ
Для изготовления фотокатодов чаще всего применяются Щелочные металлы (калий, натрий, цезий). В химическом отношении эти металлы очень активны: интенсивно окисляются кислородом и на воздухе (поэтому хранить их можно только без Доступа кислорода под защитой слоя нейтральной жидкости или в откачанных стеклянных ампулах); бурно реагируют с водой, ВьЩеляя водород; энергично вступают в реакцию с водородом, оксидом и диоксидом углерода.
Пары щелочных металлов агрессивны по отношению к силикатным стеклам, поэтому для приборов с горячими парами щелочных металлов применяют специальные стекла, устойчивые к парам калия, натрия, цезия. Свинцовое стекло, например С-87-1, активно поглощает пары щелочных металлов и при этом темнеет, оно используется в фотоэлектронных приборах как газопоглотитель избыточного количества паров щелочных металлов, например — при активировании фотокатодов.
Хлорированные углеводороды (трихлорэтилен) энергично взаимодействуют с щелочными металлами. В то же время сухие углеводороды (бензол, толуол, бензин) не взаимодействуют с щелочными металлами, поэтому их следует промывать не в трихлорэтилене или четыреххлористом углероде, а в безводном чистом бензоле или петролейном эфире, нагретом до Т « 35°С.
Щелочные металлы в большинстве случаев получают из их хромовых или вольфрамовых солей, которые вместе с активными металлами типа титана нагревают до Т ~ 950 + 1000°С; при этом происходит реакция восстановления: 14
4С$2СгО4 + 5Ti ^: 8Cs + 5Т1О2 + 2СггОз ®
Для замедления скорости протекания реакции восстановления в .таблетку добавляют вольфрамовый или танталовый порошок. Вместо титана в качестве восстановителя может быть применен кремний. При этом повышается чистота зеркала щелочного металла, но уменьшается его выход. Равномерное испарение щелочного металла происходит при использовании в качестве восстановителя сплава циаль.
Для производства фотоэлектронных приборов применяют также чистые металлы: калий, натрий, литий, рубидий и цезий, расфасованные в стеклянные или металлические ампулы на специальных предприятиях, где их получают методами электролиза расплавов их соединений или методами восстановления.
В последнее время для изготовления фотокатодов используют сплавы цезия с висмутом и сурьмой. На обезгаженную подложку катода непосредственно в приборе напыляется пленка сурьмы толщиной 5 — б нм, состоящая из 15 — 20 атомных слоев. При оптимальной толщине пленки сурьмы коэффициент пропускания света лампы накаливания составляет 75 — 85%. Температура пленки сурьмы не должна превышать 350°С, при более высоких температурах начинается испарение и окисление сурьмы. Пленка сурьмы обрабатывается (активируется) при повышенной темпера-
туре (* ISO + 18О°С) в парах цезия; при этом образуется химическое соединение сурьмы с цезием (типа SbCsa). В случае оптимального активирования катода на поверхности слоя химического соединения сурьмы с цезием образуется пленка атомарного чистого цезия, которая уменьшает работу выхода электрона из катода. Реакция паров цезия с пленкой сурьмы сопровождается тремя характерными явлениями: образующаяся пленка приобретает красноватый цвет (при наличии в сурьме загрязнений слой вместо красного имеет мутный желтоватый оттенок); сопротивление SbCsa пленки увеличивается на много порядков по сравнению с пленкой сурьмы; сурьмяно-цезиевый слой приобретает способность эмиттировать электроны (т.е. становится фото- чувствительным). В процессе обработки цезием фототок увеличивается до максимального значения, а затем быстро падает, что свидетельствует об избытке цезия.
Когда вся сурьма прореагирует с цезием, его избыток необходимо откачать, так как дальнейшая обработка катода парами цезия снижает его чувствительность. Кроме того, избыток цезия, осаждаясь на стенках колбы, увеличивает их проводимость и соответственно темновой ток и вызывает появление сцинтилляций. Избыток цезия можно удалить с катода, нагревая его до 200°С.
Далее катод подвергается обработке в потоке кислорода при давлении 10~2 Па (сенсибилизируется). При этом на поверхности катода образуется очень тонкая мономолекулярная пленка оксида цезия 4SbCs3 + ЗО2 -* 4Sb + 6CS2O. Сенсибилизация способствует увеличению интегральной чувствительности в 1,5 — 2 раза, и спектральная характеристика сдвигается в длинноволновую область.
Но сенсибилизация, увеличивая фоточувствительность катода (положительный фактор), в то же время вызывает значительное возрастание паразитных термотоков и ухудшает стабильность чувствительности катода во время хранения и эксплуатации прибора (отрицательные факторы). Для получения катодов с повышенной чувствительностью рекомендуют несколько раз попеременно испарять сурьму и цезий и после каждого подпыления Цезия прогревать фоточувствительный слой с целью формирования катода.
В последнее время для повышения стабильности чувствительности и увеличения красной границы фотоэмиссии рекомендуется перед изготовлением катода образовывать на стеклянной подложке подслой оксида марганца.
Для изготовления мультищелочных фотокатодов на подложку катода напыляют полупрозрачную пленку сурьмы до получения слоя с коэффициентом пропускания около 50 %- сурьмяной слой обрабатывают в парах калия (активирование калием) при температуре « 180 + 210 °C; при этом образуется соединение типа Na2KSb. Окончание активирования определяют по прекращению роста фототока, что совпадает с окраской светочувствительного слоя в сиреневый цвет.
Полученный слой Кз8Ь обрабатывают в парах натрия при Та «210 + 230 °C. При этом атомы калия частично замещаются атомами натрия и образуется соединение типа Na2KSb, имеющее желтый цвет. Обработку в парах натрия рекомендуется производить до начала резкого падения чувствительности, которое свидетельствует об избытке натрия в слое фотокатода. Признаком оптимального активирования натрием служит рост фототока при охлаждении фотокатода. При активировании фотокатода нельзя допускать больших избытков свободного натрия в катоде (так как избыток атомов натрия в дальнейшем будет препятствовать внедрению в кристаллическую решетку катода цезия, обеспечивающего высокую чувствительность катода). Практически это можно осуществить, прекращая активирование натрием уже при замедлении роста фототока (т. е. несколько раньше окончательного формирования фоточувствительного слоя), а также температурной отгонкой избытков натрия перед активированием цезием.
Полученный слой Na2KSb поочередно снова обрабатывается в парах калия и натрия при Т « 160 °C до достижения максимума фоточувствительности.
Рекомендуется после каждой обработки катода щелочными металлами (калием и натрием) производить подпыление на фоточувствительный слой сурьмы — до достижения каждый раз максимальной чувствительности. Это способствует увеличению чувствительности катода в красной (длинноволновой) области спектра.
Фоточувствительный слой обрабатывается в парах цезия при Т ~ 160 °C до образования Na2KSb (Cs); при этом на поверхности катода адсорбируется тонкая пленка цезия, уменьшающая работу выхода электронов из катода, и соответственно значительно увеличивается интегральная чувствительность катода.
Избыток цезия отгоняется из катода дополнительным прогревом прибора при Т « 180 + 200 °C.
Максимальная чувствительность фотокатода достигается после сенсибилизации катода кислородом при комнатной температуре-
Весь процесс изготовления мультищелочных катодов символически можно представить в виде следующих друг за другом операций:
160° С 220° с
) Sb + К - (2) K3Sb + Na - (3) Na>2K<i Sb +
+ (K)Sb - (4) Na2KSb + (Cs, Sb) •♦ (5) CsNa2KSb
Для снижения темнового тока и уменьшения вероятности -появления сцинтилляций (кратковременных вспышек на люминесцентном экране, вызванных паразитной эмиссией с боковых стенок прибора), а также повышения стабильности чувствительности катода при хранении приборов рекомендуется при сенсибилизации катода производить его охлаждение до температуры порядка 5 °C — при этом происходит удаление из объема прибора избыточных паров щелочных металлов путем их интенсивной сорбции на холодном катоде с последующим окислением.
Для улавливания избытка цезия в приборах применяют специальные поглотители цезия, например свинцовое стекло, аквадаг, ситаллоцемент. Эти материалы интенсивно поглощают пары щелочных металлов.
Катоды с отрицательным электронным сродством (ОЭС) на основе полупроводниковых соединений III — V групп (например, на основе арсенида галия GaAs) обычно изготовляются методом газовой эпитаксии. Главной особенностью изготовления ОЭС фотокатодов является необходимость тщательного удаления с поверхности «заготовки» фотокатода всех неорганических и органических загрязнений — для получения атомарно чистой поверхности производится обезгаживание «заготовок» в условиях сверхвысокого вакуума (~ 10'9 Па) при температурах, близких к точке разложения материала (— 630 + + 650 °C).
Иногда поверхность дополнительно очищается электронным лучом, ионной бомбардировкой или тлеющим разрядом в кислороде. Следующим этапом является процесс активации, заключающийся в формировании на поверхности слоя электроположительных атомов Cs (чаще всего при — 150°С), при этом образуются диполи, снижающие работу выхода. Добавление электроотрицательных атомов, например кислорода, приводит к дальнейшему Снижению работы выхода и возникновению состояния отрицательного электронного сродства. Иногда при активации фотокатодов с ОЭС вместо цезия применяется рубидий, а вместо кислорода ■— фтор. Применение катодов с ОЭС на основе оксида кремния ограничено ввиду больших значений темновых токов.
ГЛАВА 20. ИЗГОТОВЛЕНИЕ СЕТОК
РАЗНОВИДНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ И ТРЕБОВАНИЯ ■ К СЕТКАМ ”
Сетки располагаются между катодом и анодом и служат для управления потоком электронов: на сетку подается входной сигнал изменение значения или полярности которого приводит к изменению потенциала сетки и соответственно изменению анод- ного тока.
Сетки обычно имеют спиральную, щелевую или ячеистую конструкцию. На рис. 20.1 показаны основные конструкции сеток, применяемых в ЭВП:
спиральные сетки — навитые на траверсы спирали круглого, эллиптического и прямоугольного профилей (рис. 20.1, б, в, г);
рамочные сетки — металлическая рамка, на которую натянута в одном или в двух направлениях металлическая проволока или сеточное полотно (рис. 20.1, д, ж);
стержневые сетки или сетки типа «беличье колесо» (рис. 20.1, а) состоят из ряда расположенных вертикально (параллельно катоду) стержней, лент, обрезков проволоки, скрепленных сверху и снизу соединительными кольцами (или скрепленных по всей длине редкой спиралью).
Плетеные (рис. 20.1, з— к), ленточные (рис. 20.1, л), петлевые (рис. 20.1, м — о) сетки применяются в основном в СВЧ-приборах, где требуется очень высокая прозрачность для электронного потока (не менее 80 — 90%), повышенная формо- устойчивость и механическая прочность. В этих приборах даже малейшие изменения междуэлектродных расстояний могут привести к изменению рабочей частоты и выходной мощности. Недостаток плетеных сеток — низкая теплопроводность, связанная с малым поперечным сечением заплетаемой проволоки и плохой теплопередачей от витка к витку в точках ее переплетения. Это может вызвать перегрев сеток электронным потоком, особенно при большой концентрации и высокой кинетической энергии электронов.
Материалы для изготовления всех типов сеток должны обладать высокой механической прочностью, электро- и теплопроводностью, низким давлением насыщенных паров при рабочих температурах, хорошей свариваемостью и иметь повышенную коррозионную стойкость. Обычно витки сеток изготовляют из
I
Рис. 20.1. Основные конструкции сеток
вольфрама, молибдена, сплава вольфрама с молибденом, сплава никеля с молибденом (НИМО-25), марганцовистого никеля (НМц 5), бескислородной меди: траверсы изготовляют из никеля, меди, сплава меди с марганцем и хромом, молибдена, вольфрама. Иногда на сетки наносятся различные покрытия.
Например, золочение или титанирование сеток позволяет предотвратить «паразитную» автоэлектронную и термоэлектронную эмиссию с сеток (золото и титан связывают барий напыляющийся на сетки с катода при работе прибора, и превращают его в вещества с высокой работой выхода электронов).
Чернение сеток путем их титанирования, карбонизации, нанесения тонкого слоя ситаллоцемента позволяет повысить коэффициент вторичной эмиссии, а также предотвращает перегрев и термическую деформацию сеток.
$ 20.2. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЕТОК
На рис. 20.2 показана схема устройства для навивки спиральных сеток с вращающейся траверсной проволокой. Спиральные сетки получают путем огибания и осевого смещения витковой (сеточной) проволоки вокруг оправки, которая может иметь в сечении прямоугольную, овальную или круглую форму. Оправка 4, закрепленная в шпинделе 1, имеет пазы, по которым скользит траверсная проволока 3. В результате вращения и осевой
подачи шпинделя траверсная проволока одновременно совершает вращательное и поступательное движения. Витковая проволока поступает с катушки 2, укладывается в пазы, нарезаемые на траверсной проволоке дисковым ножом 5, и завальцовывается в пазах траверсной проволоки вальцующим диском 6. Кромки дискового ножа должны иметь ширину, равную диаметру витковой проволоки, а кромка завальцовывающего диска должна быть примерно в 3 раза шире диаметра витковой проволоки и иметь прямую площадку
Некоторые устройства навивки позволяют получать спиральные сетки с переменным шагом. Иногда (гораздо реже) применяется способ навивки с невращающейся траверсной проволокой (имеющей только поступательное перемещение).
В большинстве случаев наматывают не отдельные сетки, а сеточные полосы, представляющие собой ряд сеток на общих траверсах, отделенных друг от друга участками, на которых витки механически не закреплены на траверсах,— эти участки называют проскоками. Во время нарезки пазов и завальцовки нож 5 и диск 6 подводятся к траверсам и удерживаются пружинами. После изготовления каждой сетки дисковый нож 5 и завальцовывающий диск б отводятся от траверс (при помощи кулачка и вилки), при этом навивка на небольшом участке продолжается без насечки и завальцовки (т. е. без закрепления навиваемой проволоки в траверсах) и соответственно образуется проскок. Некоторые сетконавивальные автоматы (например, П-39) имеют механизм безвиткового проскока, он позволяет навивать сеточные полосы с участком, свободным от витковой проволоки (рис. 20.3). После навивки очередной сетки специальный зажим 3 захватывает отрезок витковой проволоки 4 на участке перед оправкой 2 для
Рис. 20.3. Технологическая схема иавивки сеточных полос
навивки (позиция 1 на рис. 20.3). Происходит отрыв витковой
1
Витки сеток могут не завальцовываться, а свариваться с траверсами — я этом случае вместо дисковых ножей устанавливается сварочный электрод.
проволоки, удерживаемой зажимом на выходе из последнее запрессованного паза (надреза) на траверсе,— это связано с тем что оправка с траверсами 6 продолжает вращаться и прочность витковой проволоки именно на этом участке ослаблена ударом вальцующего диска 5 и резким изгибом (позиция II). Во время проскока (при отведенных режущем ноже 1 и завальцовывающем диске 5) зажим 3 вместе с зажатым кольцом проволоки проходит между оправкой и ножом на противоположную сторону оправки и устанавливается так, чтобы витковая проволока касалась траверс при их вращении (позиция III). Направление движения проволоки при протягивании ее зажимом сохраняется, поэтому проволока попадает на первый паз на траверсе следующей сетки и завальцовывается в нем подошедшим завальцовывающим ножом (позиция IV). После этого свободный конец проволоки обрывается, а витковая проволока вновь навивается на траверсы. За время навивки зажим раскрывается, выбрасывая оторванный конец проволоки (позиция V), и возвращается в исходное положение перед оправкой (позиция Г). При скреплении витков сеток с траверсами происходит частичное искривление траверс и они приобретают небольшую кривизну, поэтому после навивки сеточные полосы подвергают холодной или горячей вытяжке.
В рамочных сетках витки проволоки (полотно) натягиваются на жесткую цельноштампованную рамку (односторонние сетки) либо на рамку, сваренную или спаянную из нескольких деталей (двусторонние сетки). Для изготовления двусторонних рамочных сеток траверсы нарезают из предварительно откалиброванной золоченой молибденовой проволоки диаметром 0,8—1,5 мм, а перемычки — из молибденовой плющенки, затем перемычки приваривают к траверсам и формуют рамку на специальной оправке до получения требуемых размеров и формы. Навивка рамочных сеток осуществляется при вращательном движении рамки и поступательном движении раскладывающего устройства вдоль ее оси. На рис. 20.4 показано устройство для навивки мелкоструктурных рамочных сеток с малым размером шага. Рамка 2, на которую навивается витковая проволока, закрепляется в шпинделе 1. Шаг навивки задается перемещением ползуна раскладки 4 с катушкой 3 витковой проволоки вдоль оси рамки. Точность шага навивки зависит от: кинематической точности станка навивки; величины натяжения проволоки (недостаточное натяжение может привести к сдвигу витков, а чрезмерное натяжение — вызвать остаточное удлинение проволоки и е® размеров); равномерности натяжения проволоки (определяемой формой и размерами поперечного профиля рамки и ускорением
Рис. 20.4. Устройство для навивки мелкоструктурных точных рамочных сетокРис. 20.4. Устройство для навивки мелкоструктурных точных рамочных сетокпродольного движения проволоки при сматывании ее с катушки); микрогеометрии поверхности траверс и навиваемой проволоки.
Рис. 20.4. Устройство для навивки мелкоструктурных точных рамочных сеток
Рис. 20.4. Устройство для навивки мелкоструктурных точных рамочных сеток
Закрепление витков проволоки на рамке производят с помощью специальных цементов и глазурей, либо диффузионной пайкой, либо гальваническим методом.
s При диффузионной пайке сетки помещают в водородную печь и выдерживают в течение 5—б мин при Т- 1120+ 1150 °C, в качестве припоя обычно используют золото.
При креплении витков сетки к раме гальваническим способом
оправку с рамочными сетками помещают в гальваническую ванну никелирования на электрод, выполненный в виде рамки — «браслета». После никелирования сеточную полосу снимают с оправки и помещают в печь, где при Т ~ 600°С происходит спекание, витки прочно закрепляются на рамке.
Плетеные сетки изготовляются из сеточного полотна, получаемого на станках типа ткацких, из вольфрамовой проволоки диаметром 20—40 мкм.
Очень перспективными являются электролитический, электро- эрозионный и фотолитографический методы изготовления с е- точного полотна и ленточных сеток.
При электролитическом методе на матрицу из непроводящего материала (например, органического стекла) наносят риски в двух направлениях. Матрицу промывают, высушивают и втирают в риски электропроводящий материал (графит или палладий). Матрицу помещают в гальваническую ванну и наносят сначала слой меди (обеспечивающей высокую электропроводность), а затем последующие слои других металлов, например никеля или золота. Высаженную электролитическим путем сетку отделяют от матрицы, промывают, сушат и укладывают в кассету.
Для изготовления сеток методом электроэрозии необходим профилированный электрод-инструмент, представляющий собой точное негативное изображение сетки. Этот профилированный электрод-инструмент в виде изображения сетки изготовляют также Электроэрозионным методом с помощью непрофилированного Электрода — тончайшей вольфрамовой проволоки, натянутой в вертикальном положении и помещенной в электрофорезную ванну вместе с заготовкой (см. с. 105). Путем движения заготовки в Двух взаимно перпендикулярных направлениях в ней вырезаются пазы любой формы, причем ширина пазов делается равной
требуемой ширине перемычки сетки, а расстояние между пазами — величине ячейки будущей сетки. На рис. 20.5 показана схема установки для изготовления сеток электроэрозионным методом, в качестве заготовки сетки применяется металлическая фольга 2 она выполняет роль анода (подсоединяется к положительному полюсу источника) и устанавливается на столе 4 ванны j заполненной жидким диэлектриком, например керосином, в качестве катода в ванну на расстоянии 10—12 мкм от заготовки сетки помещается профилированный электрод-инструмент, являющийся точной копией изготовляемой сетки. Между заготовкой сетки и профилированным электродом-инструментом возникают кратковременные электрические разряды, вызывающие эрозию металлической фольги: при этом в заготовке воспроизводятся точные контуры рельефа торца электрода-инструмента в виде Аотверстий сетки. На рис. 20.6 показана схема изготовления ленточных сеток из двух лент: вольфрамовой с медным гальваническим покрытием и стальной. Толщина вольфрамовой ленты должна быть равна толщине перемычек, а стальной — расстоянию
Рис. 20.5. Схема эрозионного изготовления сетокРис. 20.5. Схема эрозионного изготовления сетокРис. 20.6. Схема изготовления ленточных сеток:
Рис. 20.5. Схема эрозионного изготовления сеток
Рис. 20.5. Схема эрозионного изготовления сеток
2— стальная и вольфрамовая ленты; 3— оправка; 4— секторы; 5— диск, вырезанный из сектора; б— платиновая трубка; 7— стальной диск
межДУ ними- Ленты укладывают руГ на друга, наматывают на цилиндрическую оправку (рис. 20.6, й) и нагревают, при этом они спаиваются с помощью меди, нанесенной на вольфрам в виде гальванического покрытия. После этого диск разрезают на секторы (рис. 20.6, б) и шлифовкой получают из них новые диски (рис. 20.6, в), диаметр которых должен быть равен диаметру будущих сеток. Полученные диски укладывают в тонкостенную платиновую трубку (рис. 20.6, г), которую впаивают в стальной диск, разрезают на новые диски, стачивая их с обеих сторон (рис. 20.6, д) до толщины, соответствующей высоте перемычек будущей сетки (~ 0,1 мм), и вытравливают сталь в растворе хлористой меди.
Фотолитографическим методом (рис. 20.7) обычно изготовляют петлевые сетки и маски для цветных кинескопов. Технологический цикл состоит из следующих про
цессов: очистка поверхности металлической ленты 1 (толщина, которой должна быть приблизительно равна высоте перемычек сетки); нанесение на ленту фоточувствительного слоя 2; экспонирование (задубливание) фоточувствительного изображения путем его светового облучения 4 через специальный фотошаблон 3; проявление изображения сетки; травление в растворе; обрезка. Для уменьшения конусности перемычек сеток (особенно при большом отношении между высотой перемычек и толщиной сетки) производят двустороннее травление (фоточувствительный слой соответственно наносится на обе стороны металлической заготовки сетки).
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СЕТОК
Основные характеристики сеток, подлежащих контролю: Раствор (называемый еще малым диаметром), натяжение витков, прозрачность, чистота поверхности, геометрическая форма и Размеры. Для контроля сеток применяются обычные универсальные контрольно-измерительные инструменты для линейных измерений (в частности, шатографы, часовые проекторы, калибры,
Рис. 20.8. Схема измерения натяжения витков методом резонансаРис. 20.8. Схема измерения натяжения витков методом резонанса
Рис. 20.8. Схема измерения натяжения витков методом резонанса
Рис. 20.8. Схема измерения натяжения витков методом резонанса
микрометры, микроскопы и др.), а также специальные устройства и методы измерений.
На рис. 20.8 показана схема неразрушающего метода контроля величины натяжения витков сетки. Способ основан на определении резонансной частоты колебаний дефектных витков сетки. Каждый виток сетки в зависимости от его натяжения имеет определенную собственную частоту колебаний. Дефектные витки имеют частоту собственных колебаний, отличную от хорошо натянутых витков сетки. При настройке внешнего возбуждения на собственную частоту дефектного витка возникает резонанс, дефектный виток начинает колебаться с большой амплитудой. Экспериментально определив резонансную частоту бездефектного витка, расчетным путем определяют натяжение Т дефектного витка: /=А7'Г, где К— коэффициент, зависящий от длины витка и свойств проволоки.
Для определения резонансной частоты дефектного витка сетку 1 помещают в держателе 2 на штоке магнитострикционного преобразователя электрических колебаний в механические Л питаемого от генератора 4 (генератор 4 обеспечивает изменение частоты выходного напряжения в требуемом диапазоне).
Магнитострикционный преобразователь 3 преобразует электрические колебания в возвратно-поступательные движения штока с соответствующей частотой до 20 кГц (при этом частота механических колебаний штока преобразователя не должна совпадать с собственной частотой колебаний хорошо натянуты* витков сетки).
Амплитуда колебаний штока в отсутствие резонанса весьма мала, поэтому хорошо натянутые витки сетки, даже при наблюдении под микроскопом, кажутся неподвижными. Одна*0 при наличии одного или нескольких дефектных витков (имеюШН* слабое натяжение) наступает резонанс, плохо натянутые витки начинают колебаться с большой амплитудой, что визуально наблюдается в кажущемся «утолщении» этих витков.
Рис. 20.10. Схема контроля однородности прозрачности
На рис. 20.9 показана схема контроля раствора (малого диаметра) сеток калибрами. Сетка 2 последовательно помещается над проходной 1 и непроходной 5 скобами и опускается.
В общем случае в процессе такого контроля сетки могут: застревать на проходной скобе — раствор больше нормы (брак по плюсу);
проходить через проходную скобу и застревать на непроходной — раствор сетки в допуске (годные сетки);
проходить через непроходную скобу — раствор сетки меньше нормы (брак по минусу).
Применение калибров основано на принципе подобия: проходные калибры являются прототипом сопрягаемой детали и ограничивают все элементы сопряжения, а непроходными калибрами проверяется каждый элемент отдельно.
На рис. 20.10 приведена схема контроля однородности прозрачности сеток: световой поток от источника света 1 (рис. 20.10, а), проходящий через сетку 2, попадая на фотоэлемент 3, вызывает появление фотоЭДС, значение которой регистрируется на ленте записывающего устройства 5 (после преобразования с помощью устройства 4).
«Обход» сетки лучом автоматизирован — например, луч проходит траекторию, показанную на рис. 20.10, б.
ГЛАВА 21. ИЗГОТОВЛЕНИЕ АНОДОВ, РЕЗОНАТОРОВ И ЗАМЕДЛЯЮЩИХ СИСТЕМ
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АНОДОВ
Аноды служат для приема и собирания электронов, вылетающих с катода, либо для ускорения или фокусировки электронного потока.
Аноды могут иметь цилиндрическую, плоскую, овальную ъ другую геометрическую форму. В крупных ЭВП, например * мощных генераторных лампах, аноды служат частью оболочки лампы (рис. 21.1). На аноде выделяется значительное количество энергии, характеризуемое рассеиваемой мощностью,— это может вызвать перегрев материала анода сверх допустимой температуру Перегрев анода может привести к деформации и искажению'em конструкции; изменению расстояния между электродами и соответственно изменению параметров прибора; распылению материала анода с образованием электропроводящих мостиков и возникновением пробоев, утечек и «паразитной эмиссии», увеличению давления насыщенных паров материала анода и ухудшению вакуума в приборе; «отравлению» катода и т. д. Поэтому необходимо обеспечить охлаждение анодов.
По роду охлаждения аноды подразделяются на две основные группы: с естественным и искусственным охлаждением.
Рис. 21.1. Аноды с естественным охлаждением (в), искусственным — воздушным ^ или водяным (в) охлаждением:
цилиндр; 2— пластина; 3— таю. 4— ребра; 5— баллон
340
В анодах с естественным охлаждением рассеивание выДеляемой мощности осуществляется за счет повышенного теплоизлучения и частично за счет теплопередачи через крепеж- нЫе детали приборов. В этих конструкциях для повышения теплоизлучения увеличивают эффективную поверхность анодов (путем применения анодов с ребрами жесткости, матирования поверхности и придания ей повышенной шероховатости) или наносят на аноды специальные чернящие покрытия (на основе мелкоизмельченного графита, карбидов металлов, порошков титана й циркония, черного хромирования), обладающие высоким коэффициентом излучения.
Цирконирование и титанирование анодов позволяют придать им газопоглощащщие свойства.
В анодах с искусственным охлаждением охлаждение осуществляется путем передачи теплоты потоку жидкости или охлажденного воздуха. Материалы для изготовления анодов должны отвечать следующим требованиям: хорошо свариваться, а также сочетать достаточную прочность с высокой пластичностью (это позволяет изготовлять аноды сложной формы); сохранять формоустойчивость при длительном воздействии термических нагрузок; хорошо обезгаживаться при вакуумной обработке приборов (т. е. обеспечивать высокий коэффициент диффузии газов и паров), иметь низкое давление насыщенных паров и малую скорость испарения при повышенных температурах; быть устойчивыми к электронной и ионной бомбардировке; не содержать агрессивных и активных компонентов, способных выделяться в объем прибора или отравлять катод при эксплуатации прибора; обладать высоким интегральным коэффициентом излучения поверхности.
Для анодов с естественным охлаждением обычно применяют никель, молибден, титан, тантал, тантало-ниобиевые сплавы, графит и плакированные материалы (алюминий-железо, алюминий-никель, алюминий-железо-никель, алюминий-железо- алюминий). Алюминированные плакированные би- и триметаллы получают путем плакирования листов стали, железа или никеля тонким слоем алюминия. При прокатке в вакууме или водороде образуется тонкая поверхностная пленка сплава, обладающая высоким коэффициентом излучения и газопоглощающими свойствами.
Недостатки плакированных материалов: возможность отслаивания плакирующего слоя от основного металла и трудность сварки с другими металлами. При отслаивании плакирующего слоя обнажаются участки чистого железа, которое характеризуется Постоянным и интенсивным газовыделением.
Материалы для анода с искусственным охлаждением должны обладать также высокой теплопроводностью и полной газонепроницаемостью, поэтому обычно применяются медь или алюминий.
Эти аноды должны иметь очень малый разброс в толщине стенок через которые происходит передача теплоты. Аноды обычно изготовляют методами холодной штамповки (в том числе объемной штамповкой, ударным выдавливанием, штамповкой с гидро, пластичной матрицей, литьем под давлением, применение^ контурного травления, электроэрозионной обработки, а такще давильных операций, резки, сварки и т. д.
При изготовлении анодов методом штамповки применяется листовой металл, который на роликовой машине разрезается на полосы необходимой ширины. В процессе штамповки получают целый анод (с одновременной сшивкой и формовкой) или отдельные части анода, которые в дальнейшем соединяют контактной электросваркой (рис. 21.2, а) или сшивкой (21.2, б), Для изготовления анодов применяются штампы совмещенного действия, выполняющие одновременно несколько операций (вырубку, гибку или вытяжку), и штампы последовательного действия. Как показано на рис. 21.3, штамп совмещенного действия имеет три пуансона 6, 7, 8, крепящихся на общей верхней плите 1, и три матрицы 4, закрепленные на общей нижней плите 5. При помощи первой пары (пуансон и матрица) осуществляется вырубка — отделение заготовки анода от основного материала (полосы); при помощи второй пары — гибка заготовки и третьей пары — вытяжка, т. е. окончательное придание аноду необходимых геометрических размеров.
Штампы последовательного действия представляют собой набор различных операционных штампов, собранных в одном блоке и расположенных последовательно по ходу технологического процесса штамповки. Этот штамп производит все необходимые операции штамповки данного анода (вырубку, обрезку, гибку), но на разных рабочих позициях, с перемещением штампуемого материала с позиции на позицию после каждого удара пуансона.
На рис. 21.4 показана технологическая схема изготовления анода на штампе последовательного действия. Штамп состоит из восьми пар соединенных в одном блоке пуансонов 1 и матриц 2’ каждая из которых выполняет строго определенную операций' Первая пара вырубает из полосы круглую заготовку (/), вторая пара вытягивает цилиндр (//), на третьей — оформляется буртиК (///), четвертая создает основу колпачка (IV), пятая осуществляв его дальнейшее вытягивание (V), шестая — его обжатие (^' седьмая придает окончательную форму детали (VII), восьмая осуществляет прокол отверстия на торце колпачка (Vl№‘ Автоматическая подача заготовок с позиции на позицию осу®6' ствляется без отделения их от общей металлической поЛ^ (валковая подача) или с отделением (грейферная подача).
Повышение износостойкости штампов достигается с помойЬ вставных втулок из твердого сплава (твердосплавные штамп111''
Рис. 21.2. Скрепление половинок анода:
1— половинка анода; 2— стержень для крепления анода на выводе ножки
Рис. 21.3. Штамп совмещенного действия (а) и готовый анод (6):
1—верхняя плита; 2—съемник-прижим; Л—выталкиватель; 4—матрица! 5— нижняя плита; б, 7,8— пуансоны; 9— пуансоиодержатель
Рис. 21.4. Технологическая схема изготовления анода на штампе последовательного действия:Рис. 21.4. Технологическая схема изготовления анода на штампе последовательного действия:
Рис. 21.4. Технологическая схема изготовления анода на штампе последовательного действия:
Рис. 21.4. Технологическая схема изготовления анода на штампе последовательного действия:
которые закрепляются на основании пуансона или матрицы скобами, шплинтом или приклеиваются эпоксидными смолами. Стойкость режущих поверхностей таких штампов в 40—50 раз „ревышает стойкость штампов со стальными пуансоном и матрицей.
Аноды из твердых металлов, таких, как ниобий, тантал и молибден, изготовляют давильным способом на токарных станках. Заготовку закрепляют на оправке, имеющей форму готовой детали, и поджимают к оправке прижимом. Давильник перемещается вдоль вращающейся заготовки, прижимает ее к оправке и придает ей тем самым требуемую форму.
При изготовлении анодов методом резания производят: обтачивание и шлифование наружных поверхностей; сверление, растачивание, развертывание и шлифование внутренних полостей.
Аноды, после их изготовления, подвергают операциям зачистки заусенцев, механической доводки (формовки), химической и термической обработки.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ РЕЗОНАТОРОВ И ЗАМЕДЛЯЮЩИХ СИСТЕМ
В СВЧ-диапазоне элементы схем и электронных приборов должны иметь конструкцию, при которой их электромагнитные поля полностью находятся внутри замкнутых металлических объемов. Иначе происходит излучение высокочастотной энергии, приводящее к увеличению потерь и возникновению нежелательных, неконтролируемых связей между элементами радиотехнических схем. Высокочастотная энергия распространяется в основном вне материала самих проводников, проводники Либо ограничивают пространство, внутри которого распространяется энергия (волноводы, коаксильные линии), либо задают направление распространения энергии (линии передачи энергии, например, замедляющие системы). К широкому классу радиовол- новодов относятся самые различные устройства, вдоль которых могут распространяться электромагнитные волны: коаксиальные кабели, волноводы в виде полых металлических труб различного п°перечного сечения (прямоугольного, круглого, П-образного, ^-образного), объемные резонаторы, замедляющие системы и т' Д.
В зависимости от типа высокочастотной системы фокусировки “Ч-приборы подразделяются на резонансные и нерезонансные.
В резонансных СВЧ-приборах, например магнетронах и Эстронах, для повышения эффективности взаимодействия элек- тР°Нов с высокочастотным полем применяются резонаторы, ^орые увеличивают амплитуду поля.
Резонаторы обычно представляют собой полости, ограниченные металлическими стенками. Длина резонатора должна быть равна целому числу полуволн в волноводе. На рис. 21.5 показана конструкция резонатора анодного блока магнетрона: медный цилиндр 1 имеет внутри расположенные в радиальном направлении боковые камеры-резонаторы сложной формы, окружающие центральное (анодное) отверстие 3. Вместе с анодным отверстием эти камеры образуют полость, которую называют резонаторной системой.
Основными параметрами объемных резонаторов являются: резонансная частота соо (или собственная резонансная длина волны); характеристическое сопротивление р ■ V Бэю!Сэкв, где Д?кв и Сэкв — значения эквивалентных индуктивности и емкости; активная проводимость о, являющаяся мерой активных потерь в резонаторе.
Необходимо так конструировать объемные резонаторы, чтобы значение характеристического сопротивления р было как можно больше, т. е. по возможности увеличивать эквивалентную индуктивность L экв и уменьшить эквивалентную емкость Сэкв. В этом случае потери СВЧ-энергии в резонаторе, идущие на нагрев металлических стенок, уменьшаются, а КПД электронных приборов увеличивается.
Рис. 21.6. Резонаторные системы. а — щель-отверстие; б — щелевая; в — ЛОЛ1' точная; t — «восходящее солнце»Рис. 21.6. Резонаторные системы. а — щель-отверстие; б — щелевая; в — ЛОЛ1' точная; t — «восходящее солнце»Рис. 21.5. Анодный блок магнетрона:
Рис. 21.6. Резонаторные системы. а — щель-отверстие; б — щелевая; в — ЛОЛ1' точная; t — «восходящее солнце»
Рис. 21.6. Резонаторные системы. а — щель-отверстие; б — щелевая; в — ЛОЛ1' точная; t — «восходящее солнце»
медный цилиндр; 2— камеры-резонаторы; 3— анодное отверстие
Собственная резонансная длина волны Л о определяется размерами резонатора и типом колебаний. Для прямоугольных резонаторов
,2
°Ч/Ь1 + г7/2 ’
гд6 т, п и р — целые положительные числа, а и b — размеры широкой и узкой стенок прямоугольного волновода; / — расстояние между металлическими пластинами, закорачивающими отрезок прямоугольного волновода. На рис. 21.6 показаны разновидности резонаторных систем. Практически применяются резонаторы на основе волноводов, кольцевые и радиальные и т. д. Точность размеров резонаторов определяет КПД, воспроизводимость и малый разброс частот генерируемых ими электромагнитных колебаний.
Основным методом изготовления щелевых резонаторных систем является механическая обработка: выдавливание заготовок, токарная обработка их торцевых поверхностей и анодного отверстия, рассверливание анодных отверстий, распиливание щелочей, чистовая токарная обработка и обработка плоскости полученного блока и отверстия под вывод энергии. В последнее время щели в резонаторных системах изготовляют методом электроэрозионной обработки (см. с. 100) с помощью непрофилированного электрода-инструмента.
В нерезонаторных приборах, например лампах бегущей волны (ЛЕВ), применяются замедляющие системы (рис. 21.7).
Замедляющие системы (ЗС) выполняют в виде ячеек той или иной формы, периодически повторяющихся в одном или нескольких направлениях. Обычно электронный поток, с которым взаимодействует электромагнит-ная волна, пропускают внутри спирали ЗС.
5)г)5)г)Рис. 21.7. Замедляющие системы:а — штыревая; б — гребенчатая; в — ленточная спиральная; a — диафрагмированный круглый цилиндрический волноводРис. 21.7. Замедляющие системы:а — штыревая; б — гребенчатая; в — ленточная спиральная; a — диафрагмированный круглый цилиндрический волноводВ замедляющих систе- мах обеспечивается замед- пение скорости распространения электромагнит- 8ых волн приблизительно скорости электронного Потока. Простейшим ти- ®°м ЗС является спираль, ввитая из проволоки или 8енты (рис. 21.7, в). Если Читать, что вдоль про- ДНика спирали волна спространяется со ско-
5)г)
5)г)
Рис. 21.7. Замедляющие системы:
а — штыревая; б — гребенчатая; в — ленточная спиральная; a — диафрагмированный круглый цилиндрический волновод
Рис. 21.7. Замедляющие системы:
а — штыревая; б — гребенчатая; в — ленточная спиральная; a — диафрагмированный круглый цилиндрический волновод
ростью света с, то в направлении ее продольной оси скорость будет в т раз меньше: v=chn. Замедление т электромагнитной волны в направлении продольной оси спирали приблизительно рагно отношению длины витка спирали к ее шагу:
т = 7(2лЬ)2+ h^/h = l/cosy>, ■ где b — радиус спирали по центру поперечного сечения про ™ волоки; А — шаг намотки; <р — угол между направлением витков и продольной осью спирали.
При больших замедлениях длину витка спирали можно считать равной 2лЬ и тогда при А «2лЬ m = hib/h= tgp . Замедление скорости электромагнитной волны до скорости электронного потока в ЗС обеспечивает синхронное движение волны и электронов и позволяет за счет эффективного обмена энергией между электронами и волной получить усиление входного СВЧ-сигнала.
Замедляющие системы должны иметь хороший теплоотвод (что позволит работать при значительных плотностях потока мощности в электронном пучке) и мелкую структуру (структура должна быть тем мельче, чем короче длина рабочей волны). Поэтому очень высокие требования предъявляются к точности их изготовления. Обычно замедляющие системы изготовляют из меди фрезерованием, штамповкой, выдавливанием, электронно-лучевой, лазерной или электроэрозионной обработкой, а в некоторых случаях — фотокопированием или электролитическим осаждением.
В широкополюсных усилителях и широкодиапазонных генераторах применяются замедляющие системы в виде одно-, двухза- ходных и концентрических спиралей. Спирали изготовляются из молибденовой или вольфрамовой проволоки диаметром 0,03—0,5 мм, которую иногда для повышения поверхностной электропроводности покрывают слоем серебра, сначала горячей металлизацией, а затем гальваническим путем.
ГЛАВА 22. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ГАЗОПОГЛОТИТЕЛЕЙ
НАЗНАЧЕНИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАЗОПОГЛОТИТЕЛЕЙ
Газопоглотители выполняют следующие функции: снижают на 1,5—2 порядка давление остаточных газов в приборе; уменьшав парциальное давление паров, в частности воды и органически^ веществ (как известно, пары в отличие от газов не откачиваю^ насосами, уменьшить давление паров можно только за сЧ
сорбционных процессов); создают условия для поддержания высокого и стабильного вакуума в течение всего срока службы прибора (путем поглощения газов и паров, выделяющихся из внутренней арматуры, покрытий и оболочки прибора в процессе хранения и эксплуатации прибора); обеспечивают чистоту газа- наполнителя в газонаполненных приборах.
Поглощение остаточных газов и паров газопоглотителями происходит за счет процессов адсорбции, абсорбции, хемосорбции, растворения, образования химических соединений и их диффузии, jf работе газопоглотителя предъявляется ряд требований: в каждый данный момент времени скорость газопоглощения должна превышать скорость суммарного газовыделения внутри прибора; парциальное давление наиболее активных газов и паров (хлора, фтора, кислорода, сернистых газов, паров воды) в объеме прибора не должно превышать 10"7 Па; в составе остаточной атмосферы прибора должны преобладать инертные, нейтральные или восстановительные газы; газопоглотитель должен прочно удерживать поглощенные газы и пары и не выделять их при термических, механических и электрических перегрузках (например, при нагреве, ионной и электронной бомбардировке газопоглотителя, вибрации прибора). По способу применения газопоглотители подразделяются на распыляемые (пленочные) и нераспыляемые.
Основными характеристиками как распыляемых, так и нерас- пыляемых газопоглотителей являются скорость сорбции, сорбционная емкость и рабочая температура.
Скорость сорбции и сорбционная емкость газопоглотителя увеличиваются при увеличении поверхности, пористости и температуры слоя газопоглотителя.
РАСПЫЛЯЕМЫЕ ГАЗОПОГЛОТИТЕЛИ
Распыляемыми называются газопоглотители, активное вещество которых поглощает газы как при переводе его в паровую Фазу (т. е. при возгонке), так и после конденсации на внутренней аоверхности прибора в виде тонкой металлической пленки (зеркала газопоглотителя).
У большинства распыляемых газопоглотителей активным газопоглощающим веществом является барий (Тпл = 704°С, ТКИп = 1540°С).
Барий реагирует с кислородом и парами воды, а также в Меньшей степени с азотом, водородом, диоксидом и оксидом Углерода. Однако барий не поглощает инертных газов (аргона, ^еона) и очень слабо поглощает углеводороды. Скорость поглощения каждого данного газа зависит от критической т е м- ^ературы реакции бария с этим газом. Например, критическая
температура реакции бария с кислородом около 40°С. При температуре ниже критической поглощение газа зеркалом бария быстро прекращается.
При температурах выше критической сорбционная емкость пропорциональна количеству бария, т. е. зависит от толщины зеркала газопоглотителя. При температурах ниже критической — емкость пленки газопоглотителя не зависит от толщины, а определяется лишь величиной ее поверхности. Однако при Т> >200°С сорбционная способность бария понижается в результате его рекристализации и значительного увеличения давления насыщенных паров самого бария.
Состав остаточных газов в приборах с бариевым зеркалом зависит от температуры катода и интенсивности электронных потоков. При холодном катоде, т. е. при хранении прибора в нерабочем состоянии, в нем постоянно накапливаются метан, этан, пропан, аргон. При работе прибора, т. е. при нагреве катода до 900°С и токоотборе с катода, происходит диссоциация углеводородов с образованием водорода, азота, оксида углерода, которые значительно лучше поглощаются газопоглотителем, чем углеводороды. Поэтому часто встречаются случаи, когда при хранении прибора в нерабочем состоянии происходит необратимое отравление катода (из-за неблагоприятного состава остаточных газов), а при работе аналогичного прибора катод долгое время сохраняет свои эмиссионные характеристики. Катоды приборов, работающих при низких потенциалах на электродах, «отравляются» в основном из-за химического взаимодействия остаточных газов с оксидным покрытием, а катоды высоковольтных приборов «отравляются» в основном в результате их бомбардировки положительными ионами.
На практике замечено, что приборы с высокими потенциалами на электродах более чувствительны к повышенным давлениям остаточных газов, что связано с большой энергией ионов, бомбардирующих катоды (особенно в приборах с магнитной фокусировкой, нацеливающей ионы на катод). Для этих приборов рекомендуется увеличивать продолжительность выдержки между операциями распыления газопоглотителя и тренировки.
Изготовлять газопоглотитель из одного чистого бария практически невозможно: барий мгновенно окисляется на воздухе и теряет газопоглощающую способность в процессе монтажа его в прибор.
Для защиты бария от действия окружающей атмосферы его вводят в состав сплава с алюминием — газопоглотитель «Альбац
Алюминий служит для образования пассивирующей оксидно0 пленки, которая не пропускает газы и пары из атмосферы 8
толШУ сплава и защищает барий от внешнего воздействия. К недостаткам газопоглотителя «Альба» относятся: высокая температура, необходимая для распыления газопоглотителя (= 1050+ + 1150°С); большая летучесть алюминия в вакууме и, как следствие, возможность загрязнения активного бариевого зеркала алюминием и снижение его сорбционной емкости; малая механиче- ская прочность остатка сплава после распыления, что приводит к появлению в приборе посторонних частиц осыпавшегося газопоглотителя.
Поэтому наибольшее распространение получили газопоглотители «Бати» и «Альбани», в которых к сплаву типа «Альба» добавляют порошки титана или никеля. В процессе распыления титан или никель вступают в химическое взаимодействие с алюминиевым сплавом:
Т
ВаА14 + 4Ni —- 4NiAl + Ba + Q (теплота)
В процессе этой реакции никель или титан связывают алюминий в малолетучее соединение NiAl, что предотвращает испарение алюминия вместе с барием и загрязнение алюминием бариевого зеркала. Кроме того, эта реакция является экзотермической и сопровождается выделением теплоты, что позволяет снизить мощность, необходимую для разогрева газопоглотителя до температуры распыления и соответственно уменьшает вероятность перегрева близлежащих электродов, их деформацию, газовыде- ление и образование металлических налетов на изоляторах.
В газопоглотитель «Бати» иногда добавляют оксид железа, он вступает в экзотермическую реакцию с титаном, что позволяет Уменьшить мощность внешнего разогрева и обеспечивает более плавное и равномерное испарение бария.
^ ганавливается3°поглотителей^ ганавливается3°поглотителейВ последнее время широкое применение находят бариевые газопоглотители, которые в процессе изготовления специально насыщаются определенным количеством инертных газов, например азотом. При распылении газопоглотителя происходит выделение азота или другого насыщающего газа — это приводит к повышению Язвления в приборе в момент образования «зеркала» бария до *"~10-1 Па. Распыление бария при повышенном давлении Митральных газов вызывает рассеивание потока паров бария, что способствует созданию рыхлого пористого слоя зеркала газопог- л°тителя с очень высокой поглощающей способностью. Нейтраль- 8|<е газы, выделившиеся при распылении газопоглотителя, затем Мглощаются зеркалом газопоглотителя, и вакуум в приборах . Например, применение в цветных кинескопах КРАБ-26 и КРАБ-26 МАА позволило значитель-
^ ганавливается3°поглотителей
^ ганавливается3°поглотителей
но увеличить площадь зеркала газопоглотителя (до « 300 см2) в 2 раза повысить сорбционную емкость и в 5 раз уменьши^ конденсацию паров бария на поверхности маски кинескопа Повышенное давление при распылении газопоглотителя значительно снижает длину свободного пробега частиц бария (до 5 мм) которые не долетают до маски и экрана и в виде рыхлого слоя осаждаются на конусной поверхности кинескопа (на маске и экране конденсируется не более 8 % общего количества распыленного бария; в то время как при распылении обычных газопоглотителей на маске и экране конденсируется более 50 %). Как известно, наличие пленки бария на маске и экране кинескопа является отрицательным фактором и приводит к ухудшению его параметров:
возникает тепловая деформация маски (на участках маски, где образуется налет газопоглотителя, снижается тепловая радиация и ухудшаются условия отвода теплоты);
наблюдается интенсивное газовыделение под действием электронов и ионов, бомбардирующих маску и экран.
Конструктивно распыляемый газопоглотитель обычно состоит из газопоглощающего состава и держателя (полочки, подложки, трубки, контейнера — рис. 22.1).
Газопоглощающие составы изготовляют в виде таблеток, например таблеточный газопоглотитель (рис. 22.1, а), порошков и паст с органической связкой — биндером или без нее, например шовно-трубчатый и трубчатый газопоглотитель (рис. 22.1, д, е).
Держатель является емкостью и нагревателем для газопоглощающего состава, а также экраном, который направляет поток паров бария в требуемом направлении.
Наибольшее распространение получили кольцевые газопоглотители КРБ (в виде порошка, запрессованного в предварительно сформованный кольцевой контейнер, рис. 22.1, в ,?> и порошкодавленые газопоглотители ПД (в виде порошка, запрессованного в металлический диск, рис. 22.1, б).
Соответствие между формой кольцевого газопоглотителя, формой колбы ЭВП и цилиндрической высокочастотной катуш0* обеспечивает равномерный нагрев кольца и получение пленки бария одинаковой толщины и структуры. Направленность распН' ления бария в кольцевом газопоглотителе зависит от форм11 контейнера и отражателя-рефлектора. Отражатель предотврати^ напыление бария на детали прибора. Для обеспечения возмо# ности быстрого распыления бария (без опасности перегорай0* контейнера) некоторые газопоглотители имеют тепловой торМ° (рис. 22.2). Роль теплового тормоза играет внутреннее по^ кольца, которое нагревается значительно слабее, чем желобок газопоглощающим составом.
Рис. 22.1. Основные конструкции распыляемых газопоглотителей:1— активная масса; 2—подлежка; 3— держатель; 4— отражатель; 5— спейсерРис. 22.1. Основные конструкции распыляемых газопоглотителей:1— активная масса; 2—подлежка; 3— держатель; 4— отражатель; 5— спейсерК основным недостаткам распыляемых газопоглотителей отно- сятся: возможность возникновения (особенно в высоковольтных приборах) токов утечки и коротких замыканий, появления вторичной эмиссии, изменение межэлектродных емкостей, контактной разности потенциалов, роста высокочастотных потерь
Рис. 22.1. Основные конструкции распыляемых газопоглотителей:
1— активная масса; 2—подлежка; 3— держатель; 4— отражатель; 5— спейсер
Рис. 22.1. Основные конструкции распыляемых газопоглотителей:
1— активная масса; 2—подлежка; 3— держатель; 4— отражатель; 5— спейсер
(из-за напыления бария на детали и узлы прибора); появление после распыления газопоглотителя дополнительных газовых компонентов (в частности, аргона, метана, нодорода); частичное отравление катода газами и парами, выделяющимися из газопоглотителя при его обез- Гаживании и распылении.
Рис. 22.2. Газопоглотитель с тепловым тормозом:1— контейнер; 2—активная масса; 3—тепловой тор-Рис. 22.2. Газопоглотитель с тепловым тормозом:1— контейнер; 2—активная масса; 3—тепловой тор-ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАСПЫЛЯЕМЫХ ГАЗОПОГЛОТИТЕЛЕЙ
Рис. 22.2. Газопоглотитель с тепловым тормозом:
1— контейнер; 2—активная масса; 3—тепловой тор-
Рис. 22.2. Газопоглотитель с тепловым тормозом:
1— контейнер; 2—активная масса; 3—тепловой тор-
Изготовление распыляемых газопоглотителей проводят в две ^адии — приготовление рабочего состава газопоглотителя и упа-
Рис. 22.3. Способы технологического процесса изготовления распыляемого газопоглотителяРис. 22.3. Способы технологического процесса изготовления распыляемого газопоглотителяковка-прессование рабочее состава в контейнер. ца рис. 22.3
Рис. 22.3. Способы технологического процесса изготовления распыляемого газопоглотителя
Рис. 22.3. Способы технологического процесса изготовления распыляемого газопоглотителя
пиальная
дана принцу, технологическаядана принцу, технологическаясхема процесса изготовления распыляемого газо- поглотителя типа «Бати».
дана принцу, технологическая
дана принцу, технологическая
СплавСплавбария сбария салюминием типа «Альба*алюминием типа «Альба*получаютполучаютв вакуумных
Сплав
Сплав
бария с
бария с
алюминием типа «Альба*
алюминием типа «Альба*
получают
получают
печах при вакууме 1—Ю*
Па. Установка для получения сплава «Альба» состоит из реакционной трубы, печи сопротивления, которую надвигают на реакционную трубу, и откачной системы. В тигель, помещенный в реакционную трубу, послойно ровными чередующимися слоями загружают барий в виде мелких кусков (15—25 мм) и алюминий в виде мелкой стружки. При этом верхним слоем обязательно должен быть алюминий, который ограничивает процесс испарения более легколетучего
бария до момента его сплавления с алюминием. После достижения в установке вакуума 1—10"1 Па включают нагревательный элемент. Сплав образуется при Т=950+ 1000°С (процесс сплавления продолжается 1—1,5 ч). Готовый сплав подвергают анализу на общее содержание бария и на стабильность.
Стабильность сплава определяют по содержанию свободного (не связанного с алюминием в сплаве) бария — чем его меньше в сплаве, тем стабильность сплава выше и более постоянны его свойства.
. Полученный сплав дробят, размалывают (в среде защитного инертного газа для предотвращения загорания порошка) 0 рассеивают на фракции. Фракции с зернами в десятки микро* метров используют для ленточных и шовно-трубчатых газопог- лотителей, размером 70—500 мкм — для таблеток, размером 1$ — 150 мкм — для порошкодавленых газопоглотителей.
Для приготовления рабочего состава газопоглотителя «Бати* смешивают порошки сплава типа «Альба» и «Титан». Пре^'
Рис. 22.4. Технологическая схема работы автомата изготовления кольцевых газопоглотителей
варительно производится обжиг титанового порошка в вакууме, при этом происходит обезгаживание титана и повышается его химическая активность. Дробление, размол и просеивание титанового порошка производится в инертной среде.
Процесс прессования газопоглотителя можно выполнить несколькими способами.
Первый способ — из смеси формуют отдельную деталь (табаку, кольцо), которую помещают в заранее сформованный Контейнер.
На рис. 22.4 показана технологическая схема работы автомата Изготовления кольцевых газопоглотителей типа КРБ. Автомат Имеет две рабочие позиции (рис. 22.4, бив, г), отличающиеся
устройством верхней части пресс-формы. В первой позищщ центрируются нижняя и верхняя части пресс-формы (рис. 22.4 а) с помощью ловителя 1, затем подается питатель 2 и засыпается смесь (рис. 22.4,6), количество которой определяется (настраивается) положением нижнего штока 3. Затем опускается пуансон 4 верхней части пресс-формы, уплотняя смесь, и возвращается в исходное положение. Нижняя пресс-форма с кольцом активного вещества 5 перемещается на вторую позицию, здесь сначала подходит питатель с контейнером (кольцом) 7 (рис. 22.4, в), затем последовательно опускается и поднимается верхняя пресс- форма 8, в которой за счет сил трения (плотной посадки) остается кольцо. Питатель 6 уходит за очередным кольцом, а верхняя пресс-форма опускается до упора в нижнюю (рис. 22.4, г), после чего подъемом нижнего штока смесь запрессовывается в контейнер газопоглотителя. В следующий момент верхняя пресс-форма поднимается (одновременно опускается нижний шток, подготавливая место для очередной порции смеси) и из нее за счет «относительного опускания» цилиндра 10 выталкивается готовый газопоглотитель 11, попадающий в лоток 9.
Второй способ — смесь засыпается в заранее подготовленный контейнер, где и спрессовывается до требуемой плотности (рис. 22.5). Сначала питатель 1 подает контейнер 2 (рис. 22.5, а), который захватывается пуансоном 3 верхней пресс-формы 4. Затем контейнер переносится (опускается) в нижнюю пресс-форму 5 (рис. 22.5, б) и после отхода верхней пресс-формы засыпается порошок (рис. 22.5, в). Для более точной дозировки производится
Рис. 22.5. Схема работы автомата изготовления газопоглотителей методом’ запрессовки порошка в контейнер‘
слабое уплотнение смеси подъемом пуансона 6 нижней пресс-фор- мЬ1 на высоту А, подбираемую при настройке (рис. 22.5, г). Далее пуансоном 3 смесь уплотняется (рис. 22.5, д), и готовый газопоглотитель 7 выталкивается из нижней пресс-формы (рис. 22.5, е).
НЕРАСПЫЛЯЕМЫЕ ГАЗОПОГЛОТИТЕЛИ
Нераспыляемыми называются газопоглотители, которые не фебуют перевода их в паровую фазу с последующей конденсацией в виде пленки (зеркала).
Механизм газопоглощения нераспыляемыми газопоглотителями состоит из следующих стадий: сорбция и образование химических соединений между газопоглотителем и остаточными газами и парами; растворение остаточных газов в газопоглотителе; диссоциация и ионизация растворенных газов, паров и загрязнений с образованием атомов и ионов; диффузия атомов и ионов в толщу газопоглотителя.
Нераспыляемые газопоглотители используются для обеспечения высокого вакуума, а также необходимого качественного состава остаточных газов, удаления наиболее вредных для прибора агрессивных активных газов и паров, поддержания в приборе восстановительной атмосферы, благоприятно влияющей на работу оксидного катода.
В газоразрядных приборах применение нераспыляемых газопоглотителей позволяет достигнуть высокой степени чистоты инертного рабочего газа.
Преимущества нераспыляемых газопоглотителей: большая скорость и емкость газопоглощения, отсутствие напылений и утечек между электродами.
Применяются три основные разновидности нераспыляемых газопоглотителей: компактные, газопоглощающие покрытия и пористые прессованные блоки (рис. 22.6).
Компактные газопоглотители применяются в виде конструкционных деталей прибора, например в виде фокусирующих Цилиндров, анодов, спиралей, лент, пластин и т. д. В качестве Материалов компактных газопоглотителей обычно применяют элементы IV и V групп таблицы Менделеева (титан, тантал, т°рий, ниобий, цирконий) и их сплавы, изготовляемые методами вакуумной плавки или электронно-лучевой переплавки.
При изготовлении компактных газопоглотителей (рис. 22.7, а) бедует учитывать, что низкая удельная теплоемкость и теплопроводность титана приводят при его обработке (например, Юзанием) к местным перегревам, плавлению металла, снижению его шероховатости и сорбционных свойств, образованию наростов
Компактные газопоглотителиКомпактные газопоглотителиПористые газопоглотителиПористые газопоглотителиГазопоглощающие покрытия (пористые)Газопоглощающие покрытия (пористые)
Компактные газопоглотители
Компактные газопоглотители
Пористые газопоглотители
Пористые газопоглотители
Газопоглощающие покрытия (пористые)
Газопоглощающие покрытия (пористые)
НамазкаПульверизацияОкунание— ЭлектрофорезЭлектролиз солейРазложение гаплоидных соединенийПлазменно-дуговойНамазкаПульверизацияОкунание— ЭлектрофорезЭлектролиз солейРазложение гаплоидных соединенийПлазменно-дуговойС последующим спеканиемв вакуумных печахС последующим спеканиемв вакуумных печах—Свободная засыпка в пресс-формы—Прессование в пресс-формахГидростатическое прессованиеПротяжка в оболочкахПрессование взрывомПрессование с пластификаторомПрокатка пористых лент—Свободная засыпка в пресс-формы—Прессование в пресс-формахГидростатическое прессованиеПротяжка в оболочкахПрессование взрывомПрессование с пластификаторомПрокатка пористых лент— Штамповка — Точение — Фрезерование — Сверление — Фотохимический — Электроискровой —Электроннолучевой —Лазерная обработка —Плакирование неакт ных металлов
Намазка
Пульверизация
Окунание
— Электрофорез
Электролиз солей
Разложение гаплоидных соединений
Плазменно-дуговой
Намазка
Пульверизация
Окунание
— Электрофорез
Электролиз солей
Разложение гаплоидных соединений
Плазменно-дуговой
С последующим спеканиемв вакуумных печах
С последующим спеканиемв вакуумных печах
—Свободная засыпка в пресс-формы
—Прессование в пресс-формах
Гидростатическое прессование
Протяжка в оболочках
Прессование взрывом
Прессование с пластификатором
Прокатка пористых лент
—Свободная засыпка в пресс-формы
—Прессование в пресс-формах
Гидростатическое прессование
Протяжка в оболочках
Прессование взрывом
Прессование с пластификатором
Прокатка пористых лент
Рис. 22.6. Разновидности нераспыляемых газопоглотителей и способы их изготовлИЬ на инструменте, поэтому рекомендуется применять резцы с пластинками из твердых сплавов. Для снятия наклепа и нагартовки рекомендуется проводить промежуточные отжиги в вакууме.
Перспективным является изготовление компактных газопоглотителей механической обработкой многослойных материалов, которые плакируются горячим способом в вакууме активными газопоглощающими металлами. Например, отечественной промыт- ленностью выпускаются ленточные и листовые многослойные материалы: биметалл «Армо» (железо-титан) и триметалл (титая- железо-алюминий), в которых плакирующий слой титана имеет толщину «30 мкм. Тонкие пленки нераспыляемого газопоглотителя можно наносить плазменным методом (см. с. 67) или
методом горячего плакирования в вакууме.
Порошковые газ опо г л ощающие покрытв1 одновременно обычно выполняют роль чернящих покрытий. Д®® покрытий обычно применяют газопоглотитель «Цето», котор^ представляет собой спеченную смесь сплава цермишметалла 0 алюминия с торием (цермишметалл — сплав церия и лантана с
примесями других редкоземельных элементов). На рис. 22.7, б показана технологическая схема изготовления газопоглощающих покрытий. Промытые в дистиллированной воде и спирте порошки (для очистки их от хлоридов и сульфатов) смешиваются с биндером, и полученная суспензия методом пульверизации наносится на деталь. Грунтовка или синтерирование подложки мелким никелевым порошком с последующим обжигом в среде водорода при Т = 1050-5- П50°С способствует повышению механической прочности покрытия. Спекание газопоглощающего Покрытия производят в вакууме порядка 10'"5 Па при Т = 950 + + 1Ю0°С.
Высокопористые нераспыляемые газопоглотители, монтируемые в виде блоков внутри прибора, обычно изготовляют методами прессования на прессах неударного действия (без связки под давлением 80—150 МПа) по технологии, аналогичной прессованию распыляемых порошкодавленых газопог-
рис. 22.7. Технологическая схема изготовления нераспыляемых газопоглотителей
лотителей. Спекание прессованных газопоглотителей проводят при Т = 800+1000°С в вакууме не ниже 10"3 Па на установках обеспечивающих высокую скорость откачки (так как при спекании интенсивно выделяются газы) и медленное повышение темпера, туры (для предотвращения растрескивания газопоглотителя), g качестве исходного материала применяются порошки титана сплава «Циаль» (84 % циркония и 16 % алюминия) или смесь из порошков титана (60 %), циаля (20 %), вольфрама (20 %) и алюминия (10 %). Сплав «Циаль» имеет в десятки раз большую сорбционную емкость, чем чистый цирконий, обладает высокой скоростью поглощения в диапазоне температур 20—900°€, характеризуется механической прочностью и устойчивостью к воздействию атмосферы и паров воды. «Циаль» в отличие от других газопоглотителей предотвращает повышение парциального давления метана в процессе эксплуатации приборов.
Применяют также подогревные газопоглотители — с встроенным подогревателем, по которому пропускается ток.
Перспективным является метод изготовления высокопористых газопоглотителей способом свободной засыпки порошка в контейнер определенной формы — с последующим спеканием в вакууме (при Т = 940°С). Этот метод обеспечивает в два раза более высокую пористость (до 65 %) и соответственно сорбционную емкость по сравнению с газопоглотителями, изготовленными способом прессования. Для сочетания высокой пористости с высокой прочностью рекомендуется свободную засыпку металлического порошка производить на металлическую плющенку, играющую роль арматуры — каркаса газопоглотителя (аналогично изготовлению железобетона).
Пористость и механическая прочность высокопористых газопоглотителей и газопоглощающих покрытий во многом зависит от оптимальности выбора температуры спекания, она должна быть достаточно высокой для обеспечения механической прочности, однако не должна превышать предел, при котором снижается пористость и шероховатость газопоглотителя.
В процессе изготовления, хранения, монтажа газопоглотителей их поверхность насыщается оксидами и другими загрязнениями, образующимися при контакте материала газопоглотителей с атмосферным воздухом и содержащимися в нем агрессивными газами и парами.
Для удаления оксидов и других загрязнений необходимо проактивировать газопоглотитель, т. е. нагреть его в вакууме при высокой температуре.
Температура активирования — оптимальная температура, Д° которой необходимо в вакууме нагреть газопоглотитель №* обеспечения эффективного поглощения остаточных газов и паре5. При активировании происходит диффузия всех загрязнений, 8
также газов и паров (за исключением водорода), находящихся на поверхности, в его толщу — при этом поверхность газопоглотителя становится сорбционно активной. Водород в отличие от других газов при активировании выделяется в объем прибора с последующей медленной конденсацией по мере остывания газопог- кутителя. Это позволяет создать в приборе восстановительную среДУ-
Нераспыляемый газопоглотитель должен иметь по возможности низкую температуру активирования, что предотвращает перегрев и* искажение геометрии близлежащих деталей, изменение межэлектродных расстояний, предупреждает возникновение термических напряжений и повышенное газовыделение в объеме прибора.
При активировании нераспыляемого газопоглотителя при температурах выше оптимальной наблюдается испарение отдельных компонентов газопоглотителя — с образованием налетов на окружающих деталях, а также повышается спекаемость и снижается пористость и сорбционная емкость газопоглотителя.
Обычно активирование газопоглотителя производится в уже отпаянном приборе путем его индукционного нагрева высокочастотными токами при одновременной подаче напряжения накала на подогреватель катода. Нагрев катода предотвращает сорбцию на катоде газов и паров, выделяющихся из деталей прибора.
Активирование нераспыляемых газопоглотителей можно проводить также путем их электронной или ионной бомбардировки и лучевого нагрева.
Лучевой нагрев обеспечивает равномерность прогрева всей толщи газопоглотителя и локальность нагрева газопоглотителя без опасности перегрева близлежащих деталей — ввиду возможности фокусировки и концентрации излучения.
В некоторых типах нераспыляемых газопоглотителей предусмотрен прямой нагрев — путем пропускания тока через подогре- ватель, встроенный непосредственно в газопоглотитель.
Селективность (избирательность) газопоглотителя характеризуется различием в скоростях поглощения по отношению к Различным газам и парам остаточной атмосферы в приборе. Селективность газопоглощения позволяет формировать требуемый качественный состав остаточных газов внутри прибора. В част- н°сти, нераспыляемые газопоглотители позволяют создать восста- Новительную атмосферу, в которой парциальное давление водорода Способствующего активированию оксидного катода) на 1—2 °орядка выше парциального давления окислительных газов типов ^2, СО, НгО, СО2 (являющихся «ядом» для катода).
Нераспыляемые газопоглотители имеют более высокую р а б о- 4Ую температуру по сравнению с распыляемыми — это их
основной недостаток. Для эффективного газопоглощения необ. ходим непрерывный нагрев газопоглотителя в процессе эксплуа. тации прибора.
При низких температурах (до 600°С) происходит только поверхностное поглощение газов и паров с постепенным образованием прочной пленки оксидов, которая снижает активность скорость и емкость газопоглощения.
При Т > 700°С начинается объемное поглощение с растворением газов и паров в массе газопоглотителя и диффузией загрязнений в его толщу.
Рабочая температура газопоглотителей по отношению к разным газам имеет разное значение. Рабочая температура поглощения кислорода титаном — более 700°С, цирконием — более 800°С, «Цето» — 600°С (наибольшую активность к кислороду имеет газопоглотитель «Циаль»).
Рабочая температура поглощения водорода компактным титаном— 300—400°С, порошковым—100—150°С, пористым—200— 400°С. В принципе чем больше атомный вес металла газопоглотителя, тем меньше его активность к водороду: например, титан имеет более высокую сорбционную активность к водороду, чем тантал.
Водород является единственным газом, поглощение которого нераспыляемым газопоглотителем является обратимым.
С повышением температуры скорость сорбции водорода не увеличивается, а снижается — начинается процесс десорбции. Например, при Т > 800°С и непрерывной откачке водород можно полностью удалить из титана и церия.
Рабочая температура для паров воды у пористых газопоглотителей « 200°С, компактных ~ 500°С. При Т « 700 + 800°С скорость поглощения паров воды снижается.
Возможность нагрева газопоглотителя до температуры активирования и поддержание рабочих температур в требуемом диапазоне во многом зависят от расположения газопоглотителя в приборе. Нагрев нераспыляемого газопоглотителя может осуществляться токами высокой частоты, переменным током, теплоизлучением от нагретых деталей или электронной бомбардировкой.
Путем присоединения концов газопоглотителя к узлам или деталям с различной температурой можно создать в нем различные тепловые зоны. При этом высокотемпературные зоны газопоглотителя будут активно поглощать кислород, азот, диоксид 8 оксид углерода, а низкотемпературные — водород, метан и пар11 воды. Это позволяет уравнять скорости поглощения различны* газов и сделать газопоглотитель универсальным ко всем остато4' ным газам и парам.
Рис. 22.8. Различные варианты комбинированных газопоглотителейРис. 22.8. Различные варианты комбинированных газопоглотителейУменьшение избирательности сорбции по отношению к даточным газам достигается также применением комбинированных газопоглотителей,
Рис. 22.8. Различные варианты комбинированных газопоглотителей
Рис. 22.8. Различные варианты комбинированных газопоглотителей
т. е. совмещением в одном узле распыляемого и нераспыляемого газопоглотителя (рис. 22.8). Например, кольцевой нераспы- дяемый газопоглотитель может располагаться концентрично с наружным распыляемым. Контейнер 7 такого комбинированного газопоглотителя имеет два желобка: периферийный — для
запрессовки распыляемого 2 и внутренний концентричный ^ для расположения нераспыляемого вещества 3. При температуре распыления периферийного (распыляемого) газопоглотителя температура нераспыляемого достигает 900°С, что достаточно для
обезгаживания и активирования.
В последнее время наблюдается тенденция изготовления ряда
приборов (генераторных и модуляторных ламп, газовых лазеров, рентгеновских трубок) в сочетании с миниатюрными электрораз-
рядными насосами; они выполняют роль газопоглотителя и откачивают газы и пары из приборов непосредственно в процессе их эксплуатации или отпаиваются после вакуумной обработки и тренировки прибора.
ГЛАВА 23. ИЗГОТОВЛЕНИЕ НОЖЕК ЭЛЕКТРОВАКУ
УМНЫХ ПРИБОРОВ
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПЛОСКИХ НОЖЕК
Ножкой называется конструктивный элемент, через который осуществляется электрическая связь внутренних электродов прибора с элементами внешней электрической схемы. Плоская ножка (рис. 23.1) представляет собой стеклянную тарелочку 3, в которую впаяны металлические вводы 1 и штенгель 4.
Преимущества плоских ножек: малая длина металлических вводов, что снижает их индуктивность и позволяет использовать Ножку для изготовления высокочастотных приборов; большое Расстояние между соседними вводами, что улучшает изоляцию, аовыщает пробивное напряжение, снижает межэлектродные емкости (это позволяет изготовлять многоштырьковые ножки);
Рис. 23.1. Плоская стеклянная ножка:1—ввод; 2—буса; 3—тарелочка; 4— штенгельРис. 23.1. Плоская стеклянная ножка:1—ввод; 2—буса; 3—тарелочка; 4— штенгель
Рис. 23.1. Плоская стеклянная ножка:
1—ввод; 2—буса; 3—тарелочка; 4— штенгель
Рис. 23.1. Плоская стеклянная ножка:
1—ввод; 2—буса; 3—тарелочка; 4— штенгель
высокая прочность крепления внут. ренней арматуры на широко расстав- ленных вводах-держателях.
Заготовками для штамповки плоских ножек являются Металлические вводы, стеклянные бусы или кольца и стеклянный штенгель. Стеклянные заготовки изготовляют из стекол С93-1, С52-1, С40-1 или С48- 2, выбор которых обусловлен их высоким электрическим сопротивлением при рабочих температурах прибора (большим значением ТК- 100), хорошей термостойкостью, способностью образовывать вакуумноплотные спаи с металлами.
Металлические вводы для впаев в стекла платинитовой группы (например, в С93-1) изготовляют из платинита, феррохрома или сплава
Н47ХР; для спаев в стекла молибденовой группы (например, в С52-1 и С48-2)—из ковара или молибдена. На металлах, вплавленных в стекло, не должно быть продольных рисок, расслоя, выбоин, сетки трещин, а также других внутренних и наружных дефектов, контролируемых при увеличении примерно в 20—30 раз. Иногда поверхностные дефекты определяют только после стравливания небольшого (20—30 мкм) слоя металла, например после травления ковара в 50 %-ном растворе азотной кислоты. Заготовки перед штамповкой подвергают химической и термической обработке. Например, коваровые вводы обрабатываются по следующей схеме: обезжиривание — травление — черновое окисление (при Т = 600-5-700°С) — травление в смеси кислот — отжиг во влажном водороде (при Тросы = 20°С) — окисление на воздухе (при Т > 800°С) — впаивание вводов в стекло.
Черновое окисление с последующим травлением придает поверхности вводов повышенную шероховатость, что увеличивает поверхность контакта между стеклом и металлом, повышает прочность и плотность спая.
Отжиг во влажном водороде и окислительный отжиг слу#3* для: создания на поверхности металла тонкой пассивируюШе11 оксидной пленки; выжигания и удаления следов углерода 11 органических загрязнений, способных привести к появлению «пузырей» в спае и к нарушению его герметичности; повышению пластичности металла вводов, что улучшает вакуумную плотност6 и термохимические характеристики спая (в процессе отжиг3 364
ковара происходит фазовый переход ковара в у-фазу, что также удучшает качество спая,— см. с. 231).
Плоские ножки изготовляют на стационарных прессах или полуавтоматических многопозиционных карусельных машинах. Во всех случаях заготовки загружают в матрицу пресс-формы (рис. 23.2). Стекло (кольца или бусы) нагревается пламенем горелки до пластического состояния, затем его штампуют в закрытой пресс-форме, нижним формующим инструментом которой является матрица, а верхним — пуансон (при этом пуансон и матрица Синхронно вращаются вокруг своей оси).
Стеклянное кольцо перед штамповкой прогревается одновременно с двух (наружной и внутренней) сторон. Для нагрева внутренней стороны кольца пламя одной из горелок направляется на кольцо сверху (позиция V— VI на рис. 23.2).
В случае нагрева только с наружной стороны в поверхностном слое стекла, обращенном к пламени, образуются напряжения растяжения; при нагреве кольца с двух сторон напряжения растяжения сдвигаются внутрь, в толщу стекла. Как известно, напряжения растяжения в поверхностном слое стекла более опасны, чем в толще стекла,— это объясняется наличием на поверхности стекла различных дефектов вида трещин, сколов, царапин. Внешний нагрев стеклянных колец до температуры
Рис. 23.2. Схема штамповки ножек:
1 -- металлический ввод; II, III— стеклянные кольца; IV— матрица с установленной заготовкой; V, VI— Разогрев стекла; VII, УШ— первая и вторая штамповки пуансоном; IX— готовая ножка
трансформации стекла (которую легко визуально определить ц0 красному калению стекла) должен быть по возможности медлен, ным, иначе происходит их растрескивание под действием времен- ных термических напряжений. Дальнейший нагрев может производиться практически с любой скоростью. При неправильной настройке огней (как по температуре, так и по геометрии) происходит перегрев и пережог металлических выводов (особенно с внутренней стороны, где вводы не экранированы стеклянным кольцом и огни непосредственно касаются металлических вводов). Это приводит к значительному увеличению толщины пленки на металле и нарушению герметичности спая, а также к пережогу металла. Поэтому в последнее время находит применение метод штамповки с использованием концентрических колец разной высоты, между которыми располагаются электроды. В этом случае вся поверхность электродов предохраняется от воздействия открытого пламени горелок и пережога.
При использовании широких стеклянных колец часто наблюдается треск, если огни горелок прогревают только середину кольца, а крайние и торцевые участки кольца остаются более холодными. При этом в двух разделенных огнем половинках кольца возникают напряжения растяжения, особенно опасные на краях и торцах кольца, где практически всегда имеются царапины и посечки, снижающие прочность. Непосредственно в процессе штамповки пуансоном ножка не разогревается огнями и соответственно постепенно охлаждается, поэтому продолжительность штамповки должна быть оптимальной.
При большой длительности штамповки происходит неравномерное охлаждение тарелочки ножки и образование временных тангенциальных напряжений, которые приводят к появлению трещин, проходящих снаружи вглубь (внутрь) стекла.
При малой длительности штамповки на поверхности тарелочки ножки, особенно на ее краях, появляется множество мелких трещин — поверхностные слои стекла, непосредственно соприкасающиеся с металлом пресс-формы, практически мгновенно охлаждаются до температуры пресс-формы и сильно сжимаются, что приводит к их растрескиванию.
Для предотвращения поверхностного растрескивания ножек температуру пресс-формы (матрицы и пуансона) необходим0 увеличить до 300—340°С и поддерживать в этом интервале.
Идеальные условия охлаждения ножки создаются, когда крзЯ тарелочки ножки охлаждаются более медленно, чем ее середин3' в этом случае в плоскости тарелочки возникает радиальной напряжение растяжения, а на краю тарелочки — тангенциальн сжатие. На практике применяют принудительное охлажден3 середины тарелочки тонкой струей воздуха. В случае, когда пр остывании середина тарелочки ножки имеет более высокУ
температуру, чем края, в плоскости тарелочки возникает радиаль- яОе сжатие, а на краях — тангенциальное растяжение.
Ножки, имеющие на краях постоянные (остаточные) напряжения растяжения, обычно трещат на операции заварки ножки в колбу.
Это объясняется тем, что при заварке в процессе нагревания на краях ножки возникают временные напряжения растяжения, которые суммируются с остаточными постоянными напряжениями растяжения, при этом их суммарная величина может превысить предел прочности стекла на растяжение. При наличии на краях ножки остаточных напряжений сжатия происходит их частичная компенсация временными напряжениями растяжения, возникающими при заварке, и суммарная величина напряжений становится минимальной. Поэтому при изготовлении ножек стараются искусственно создать на их краях направленные напряжения сжатия.
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КАЧЕСТВО НОЖКИ
На рис. 23.3 показаны наиболее распространенные формы бус, толщина их должна мало отличаться от толщины средней части тарелочки ножки (иначе бусы будут остывать медленнее тарелочки, что вызовет концентрацию местных термических напряжений) .
Однако при выборе оптимальной толщины бус следует учитывать, что уменьшение толщины бус может приводить как к снижению коэффициентных растягивающих радиальных напряжений (при ТКР «мет > ТКР а ст), так и к увеличению коэффициентных напряжений (при ТКР а мет < ТКР «ст).
Рис. 23.3. Наиболее расйрОстранепные формы бусин
Конструкция бус в форме, имеющей очертания тела вращения (рис. 23.3, а — г), неудачна, так как в месте выхода электрода из бусины стекло имеет небольшую толщину, что приводит к возникновению трещин и отколов части стекла.
Более надежна пологая форма бусины в виде полусферы (рИс 23.3, б), однако ее получение в процессе штамповки вызывает технологические трудности.
Наиболее механически стойкой является бусина, имеющая воронки-кратеры по обе стороны (рис. 23.3, в) — наличие кратеров предотвращает, в частности, отколы кусочков стекла от бус и появление трещин в процессе посадки внутренней арматуры на ножку и на последующих сборочных операциях. Для получения ножки, имеющей форму бус, показанную на рис. 23.3, е, штамповку производят в две стадии.
На первой стадии происходит равномерное распределение размягченного стеклянного кольца с образованием плоской тарелочки ножки и образование наплывов стекла — бус в местах впая вводов. Инструмент, применяемый на 1-й стадии штамповки, придает бусам форму, показанную на рис. 23.4, а.
На второй стадии штамповки изменяется форма бус у верхнего конца спая: под действием сил поверхностного натяжения стекла и его сцепления с вводами ножки бусы принимают вид кратеров (рис. 23.4, б).
При плохой адгезии стекла к металлу вводов получить форму бус в виде кратера технологически невозможно.
Для ножек, в которых адгезия стекла к металлу в спае невысокая, например для ножек тугоплавкого стекла с вводами из молибдена и вольфрама, наиболее предпочтительной конструкцией бусины является форма, показанная на рис. 23.4, ж (нижняя часть вводов обычно служит контактными штырьками). В эксплуатации к концам штырьков прикладываются значительные изгибающие усилия, которые могут привести к трещинам и отколам стекла с нижней стороны ножки — этим объясняется наличие кратеров по обе стороны вводов.
Форма бусины на рис. 23.3, з вызвана соображениями повышения механической прочности заделки штырьков в ножку.
Иногда для этой же цели штырек снабжается шейкой вблизи заделки (см. рис. 23.3 и, к). В некоторых таких ножках в стекле вокруг ввода изготовляют разгружающие канавки (рис. 23.5). Сочетание кратеров, проточек (шеек) на вводах и разгружающих канавок на стекле позволяет вдвое снизить концентрации5 напряжений в спае (особенно ослабить усталостные влияния 8 спае).
На рис. 23.3, л показана ножка, у которой бусины распол0' жены в непосредственной близости друг от друга. Граница межДУ j
Рис. 23.5. Разгружающие канавки в стекле вокруг вводаРис. 23.5. Разгружающие канавки в стекле вокруг ввода
Рис. 23.5. Разгружающие канавки в стекле вокруг ввода
Рис. 23.5. Разгружающие канавки в стекле вокруг ввода
бусинами представляет наиболее опасное место, где происходит концентрация напряжений и разрушение стекла.
Для уменьшения напряжений между бусинами зазор между ними заполняется «мостиком» стекла округленной формы (см. рис. 23.3, м). Эти мостики являются необходимыми при изготовлении ножек из тугоплавкого стекла (при расстоянии между бусинами меньше половины диаметра бусины с <0,50 d, рис. 23.6).
На рис. 23.7 показаны различные формы кромки ранта ножки. Ножки с рантами, соответствующие рис. 23.7, а, б, в, эксплуатационно ненадежны, на них имеются участки с резкими изменениями геометрических форм и размеров и высокой концентрацией напряжений.
Для обеспечения качественной сварки ножки с колбой необходимо, чтобы рант ножки был по возможности тонким. Переход от утолщенной центральной части ножки к тонкому ранту должен быть плавным — это предотвращает концентрацию напряжений в ножке (рис. 23.7, г — ж).
Для повышения механической и термической прочности ножек рекомендуется их обрабатывать в парах сероводорода.
Магнезирование ножек — это нанесение электроизоляционного покрытия с целью предотвращения пробоев и утечек между вводами ножек, находящимися под разными потенциалами. При отсутствии изолирующего покрытия между вводами ножек могут образовываться проводящие мостики, которые вызываются напылением на ножки продуктов испарения с катода, с нагретых электродов прибора, а также паров бария при распылении газопоглотителя.
Изолирующие свойства покрытия на основе оксида магния объясняются большой шероховатостью покрытия (и, следовательно, трудностью проникновения паров металла в его поры с образованием сплошных проводящих пленок), а также химическим взаимодействием оксида магния с парами металлов с образованием 8 результате этого непроводящих изолирующих веществ. Маг-
А-АА-АРнс. 23.6. Мостнкн между бусинами для тугоплавкого стекла прн с < 0,5dРнс. 23.6. Мостнкн между бусинами для тугоплавкого стекла прн с < 0,5dРнс. 23.7. Ножкн с различной формой кромки рантаРнс. 23.7. Ножкн с различной формой кромки ранта
А-А
А-А
Рнс. 23.6. Мостнкн между бусинами для тугоплавкого стекла прн с < 0,5d
Рнс. 23.6. Мостнкн между бусинами для тугоплавкого стекла прн с < 0,5d
Рнс. 23.7. Ножкн с различной формой кромки ранта
Рнс. 23.7. Ножкн с различной формой кромки ранта
незирование производят методами пульверизации или намазывания суспензии, содержащей оксид магния и метиловый спирт.
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГРЕБЕШКОВЫХ И КОНЦЕНТРИЧЕСКИХ НОЖЕК
Гребешковые ножки (рис. 23.8) состоят из трубки (основания) / с тарелочкой 2, штенгеля 3, откачного отверстия 6, гребешка (лопатки) 4 и заштампованных сквозных электродов 5.
Конструкция приборов с гребешковыми ножками позволяет расположить место сварки ножки с колбой на достаточном расстоянии от внутренней арматуры прибора и тем самым уменьшить вероятность окисления электродов. К недостаткам гребешковых ламп относятся малые расстояния между вводами, трудность экранирования вводов друг от друга, большая длина вводов, высокая индуктивность и межэлектродная емкость, что затрудняет их применение для высокочастотных приборов. В установке для штамповки гребешковых ножек основным элементом являются клещи, в которые загружаются детали заготовок ножек. Клещи (рис. 23.9) поддерживают заготовки, (тарелочку, штабик, штенгель и электроды) в строго определенном взаимном расположении и осуществляют процесс штамповки. Клещи имеют кубик с несквозными отверстиями для штабика и электродов, тарелкО- держатель, штангельдержатель и два бакена (расколотки). На рабочих позициях клещи приводятся во вращение, при этом детали ножки нагреваются до размягчения тарелочки, штабика 8 штенгеля. Расколотки сближаются и сплющивают размягченное стекло в плоскую лопатку-гребешок. В месте переход3 цилиндрической части тарелочки в лопатку образуется сквознО6 370 1?
Рнс. 23.9. Клещн полуавтомата для сборки ножек:
1—держатель штенгеля; 2— держатель тарелочки; 3— держатель электродов и штабика (кубнк); 4— расколотки для штамповки лопатки; 5—карусель; 6—хвостовик, приводящий в действие расколотки; 7— пружины для закрывания клещей
отверстие (с помощью острых огней, направленных навстречу друг Другу). Это отверстие служит для откачки воздуха из прибора при его вакуумной обработке.
При штамповке металлостеклянных ножек происходят те же физико-химические процессы, что и при штамповке стеклянных ножек. Концентрические ножки позволяют осуществлять симметричное крепление деталей арматуры, уменьшать габариты, повысить механическую прочность и включать прибор непосредственно в коаксиальный контур. Конструкция концентрических ножек состоит из чередующихся стеклянных и металлических Колец (рис. 23.10, а) или из металлической чашки 3 с несколькими концентрическими спаями (рис. 23.10, б). Концентрические металлические кольца являются выводами от электродов прибора. Чашка служит опорой ножки, а также выводом. При выборе материала для концентрических ножек необходимо, чтобы ТКР наружного металлического кольца был
Рис. 23.10. Конструкции концентрических ножек:1—металлическое кольцо; 2— стеклянное кольцо; 3— чашкаРис. 23.10. Конструкции концентрических ножек:1—металлическое кольцо; 2— стеклянное кольцо; 3— чашкабольше, чем внутренних металлических колец и спаиваемого с ним стекла. Это обеспечивает наличие в стекле напряжений сжатия (а не рас- тяжения) и направление напряжений от наружного спая к центру (что создает наиболее мягкие и благоприятные условия работы ножки и предотвращает ее разрушение под воздействием остаточных напряжений). Для изготовления концентрических ножек применяют в основном коваровые вводы, молибденовые стержни и стекла молибденовой группы (в частности, С40-2).
Рис. 23.10. Конструкции концентрических ножек:
1—металлическое кольцо; 2— стеклянное кольцо; 3— чашка
Рис. 23.10. Конструкции концентрических ножек:
1—металлическое кольцо; 2— стеклянное кольцо; 3— чашка
Концентрическиеножки обычно изготов-
ляют в разъемных графитовых формах, определяющих геометрию будущих спаев и взаимное расположение элементов ножки. Нагрев формы до 1000°С производится в конвейерных печах в атмосфере
смеси азота и водорода.
РАЗНОВИДНОСТИ ДЕФЕКТОВ НОЖЕК
Основными причинами дефекта натекание по спаям в ножке являются следующие: отлипание стекла от металлического ввода (например, при неоптимальном соотношении диаметра ввода и толщины стекла тарелочки ножки, неоптимальной толщине пассивирующей оксидной пленки, разрушении пленки буры при длительном хранении платинита во влажной атмосфере и дрЭ> переокисление или пережог металлического ввода; наличие микроскопических каналов между железоникелевым сердечником и медной оболочкой или на поверхности платинита (например, при наличии царапин или загрязнений на сердечнике платинита перед меднением); отсутствие меди на отдельных участка* платинита; крупнокристаллическая структура коваровых вводов! наличие продольных трещин, каналов, расслоя в вольфрамовЫ* и молибденовых вводах (расслой связан с неоптимальныМй режимами механической обработки или разрыхлением поверхности
при перетравливании вводов); образование капилляров в спае (например, при плохом прогреве и низкой пластичности стекломассы перед штамповкой); межкристаллитная коррозия фуродито- вУх вводов (например, разрушение структуры сплава под действием влаги или паров плавиковой кислоты);
Дефект пузыри в спае вызывается следующими причинами: наличие масляных углеродистых загрязнений или сажи на поверхности спаиваемых деталей (например, из-за низкой температуры или малой продолжительности предварительного отжига вводов, низкой температуры точки росы влажного водорода при отжиге); чрезмерно сильные огни перед штамповкой (что приводит к растворению борно-закисного слоя платинита в стекле); большое газосодержание в металлических вводах или стеклянных деталях; повышенная влажность слоя буры.
Наличие дефекта треск ножки вызывается следующими причинами: плохой прогрев стекла перед штамповкой; наличие напряжений в ножке (например, при различии ТКР стекла и металла, при низкой температуре и продолжительности отжига, большей толщине металлического ввода); неоптимальная форма развертки штенгеля перед штамповкой; наличие механических дефектов в стеклянных заготовках; малая толщина медной оболочки на платините; наличие а -фазы в коваровых вводах.
Черные полосы в спае — этот дефект имеет место при превращении пленки закиси меди СигО на планините, где медь одновалентна, в оксид меди СиО, в котором медь двухвалентна (например, при перегреве вводов, при нарушении целостности слоя буры, при применении сильно окислительного пламени). Черные полосы наблюдаются также при неравномерности и неконцентричности медной оболочки платинита.
Складки или посечки на стекле — дефект имеет место при слабом разогреве и высокой вязкости стекломассы в процессе штамповки. Посечки образуются также при контакте горячего стекла с холодным металлом штампа (например, при плохой термоизоляции матрицы).
ГЛАВА 24. ЭКРАННЫЙ УЗЕЛ КИНЕСКОПОВ
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЭКРАНОВ
Параметр «яркость видимого излучения» характеризуется количеством световой энергии, которая излучается с единицы площади экрана. Единицей световой яркости является Кандел на квадратный метр (1 кд/м2), т. е. яркость, при которой сила света в один кандел испускается с площади в 1 м по НоРмали к поверхности.
Яркость зависит от свойств люминофора, технологии приго. товления люминесцентного экрана, прозрачности стекла, конструкции и режимов эксплуатации прибора. Яркость экрана пропорциональна ускоряющему напряжению и плотности тока в данном приборе (до наступления режима насыщения).
Для возможности объективного сравнения люминесцентных экранов по яркости (независимо от напряжения и плотности тока в разных приборах) пользуются параметром «световая отдача экрана».
Световая отдача экрана определяется силой света в свечах, излучаемого люминофором в направлении, перпендикулярном экрану, при затрате мощности в 1 Вт на возбуждение экрана.
К технологическим факторам, определяющим яркость экранов, помимо типа люминофора, его гранулометрического состава и - методов предварительной обработки относятся: толщина слоя люминофора, органической, алюминиевой и антидоминговой пленок, методы их нанесения, размеры цветных точек, триад или полос, температура и условия возбуждения и т. д.
Яркость экрана понижается при отклонении толщины люминесцентного покрытия от оптимальной (как в случае увеличения, так и в случае уменьшения толщины). Это объясняется тем, что при толщине покрытия меньше оптимальной электроны частично проходят через тонкий слой люминофора, не успев возбудить его, и бесполезно расходуют свою энергию на бомбардировку стеклянной подложки. При толщине покрытия больше оптимальной энергии электронов не хватает для проникновения в толщу покрытия и они возбуждают только поверхностные слои люминофорного слоя, удаленные от стеклянной подложки.
В масочных кинескопах яркость повышается при увеличении диаметров люминофорных точек в триадах или ширины люмино- 4юрных полос (так как при этом уменьшается неактивная нелюминесцирующая поверхность экрана).
Для обеспечения высокой яркости изображения необходимо, чтобы спектр излучения люминофора мало отличался от спектр ральной чувствительности человеческого глаза — «кривой видимости».
Параметр «разрешающая способность» определяет число изолированных элементов изображения, которые могут быть воспроизведены и различимы на экране. Этот параметр является определяющим для получения высокой четкости изображения. Разрешающая способность тем выше, чем большее количество изолированно святящихся строк можно различить на каждом квадратном сантиметре экрана. Поэтому разрешающая способность характеризуется двумя факторами: минимальным расстоянием между двумя отдельными светящимися точками или линиями йа экране, при котором эти светящиеся точки или линии кажу^ изолированными друг от друга, а также шириной светящейся
динии (электронного следа) на экране. Для повышения разрешающей способности рекомендуется:
Уменьшить размер зерен люминофора. Минимальное расстояние между двумя изолированно светящимися точками на экране обычно равно 5—10-кратному диаметру зерен люминофора.
Уменьшить толщину люминесцентного покрытия. Это снижает вероятность рассеивания излучения в толще люминофорного слоя. Поэтому наибольшей разрешающей способностью обладают пленочные экраны, изготовляемые методом напыления Люминофора на подложку в вакууме.
Улучшить фокусировку электронных лучей. Это уменьшает диаметр сечения электронного луча и соответственно уменьшает ширину светящейся линии.
Уменьшить величину тока луча, возбуждающего люминофор. При сильных токовых перегрузках наблюдается искажение нормального распределения яркости в светящемся пятне, что ухудшает разрешающую способность. Ввиду того, что при уменьшении тока луча повышается разрешающая способность, но снижается яркость, при эксплуатации кинескопа приходится выбирать компромисс между этими параметрами путем регулировки и корректировки величины тока.
Уменьшить шаг и диаметр отверстия в маске цветного кинескопа, это способствует уменьшению размера люминофорных точек в триадах или ширины цветных полос.
Снизить величину остаточного несведения на экране цветного кинескопа. Для обеспечения устойчивого сведения всех трех лучей напряжение на анод должно подаваться от стабильного высоковольтного выпрямителя с малым внутренним сопротивлением.
Уменьшить толщину стеклянной подложки, на которую наносится люминофор. Это уменьшает диаметр кольцевых ореолов, окружающих светящиеся точки (радиус ореольного кольца равен примерно удвоенной толщине подложки). Следует учитывать, что Рефлектирующая алюминиевая пленка (см. с. 398) увеличивает почти в 2 раза светоотдачу экрана, но снижает на 20—30 % Разрешающую способность за счет многократных отражений и Рассеивания света на пленке и зернах люминофора.
Увеличить яркость экранов (за счет повышения светоотдачи). С повышением яркости улучшается разрешающая способ- иость глаза.
Под контрастностью понимают отношение яркости светящейся точки (или участка) экрана к яркости окружающего Ф°на. Контрастность считается высокой, когда светится только та точка экрана, куда попал электронный луч, а близлежащие Фаничные участки экрана остаются темными.
Максимальный контраст определяется как отношение яркостей самого светлого (Вшах) и самого темного (Bmin) участков изображения.
Яркость самого светлого участка соответствует максимальной яркости экрана при рабочих значениях токов и ускоряющею напряжения. Яркость самых темных участков соответствует запертому электронному лучу. Практически максимальный контраст лежит в интервале 50—200.
Относительный контраст или коэффициент сохранения контраста (Кс) характеризуется соотношением Кс= (Вс-Вт)/ (Вс+Ввн), где Вс и Вт — яркости самого светлого и самого темного близлежащих участков изображения; Ввн — яркость внешней засветки экрана.
Относительный контраст снижается при увеличении яркости внешней засветки и при действии комплекса факторов, увеличивающих яркость «темного» фона. Поэтому для получения высокой четкости изображения в условиях дневного или искусственного освещения применяются различные конструктивные и технологические способы сохранения высокого контраста.
Нанесение люминесцентного покрытия на стеклянный экран, изготовленный из контрастного стекла, имеющего малую прозрачность (коэффициент пропускания света у контрастных стекол не превышает 40—45 %). Это стекло представляет собой нейтральный фильтр, который, не изменяя спектрального состава пропускаемого света, снижает яркость как полезного свечения люминесцентного экрана (отрицательный фактор), так и яркость «паразитного» внешнего излучения, отражаемого от внутренней поверхности стеклянного экрана и нанесенных на него покрытий (положительный фактор). Однако снижение интенсивности «паразитного» отраженного излучения (проходящего через нейтральный фильтр в прямом и обратном направлении) в два раза сильнее, чем снижение интенсивности полезного излучения.
Повышение яркости свечения экранов за счет применения люминофоров с повышенной светоотдачей, подбора оптимальных режимов нанесения органической и алюминиевой пленки на экране.
Нанесение на стеклянный экран черной матрицы и антидопингового покрытия.
Уменьшение степени оптического контакта зерен люминофора с поверхностью стеклянного экрана.
Снижение автоэлектронной и «паразитной» эмиссии с деталей и оболочки прибора, создающей «паразитное» свечение и увеличивающей яркость темного фона Вт.
Уменьшение аберраций и рассеивания электронов в элек' тронном пучке путем оптимальной активировки катодов, сни^а' 376
6)6)юшей разброс в начальных скоростях электронов, и улучшения фокусировки электронного луча.
6)
6)
Контраст любого элемента изображения зависит от раз-
мера и формы данного эле- __., „ ,
Л „"ис* 24.1. Изображение на экране трубки
мента оригинала или количе- ^определенияконтраста р ру0 ^тва элементов оригинала на
единице длины. Поэтому различают контраст крупных деталей,
который часто называют габаритным или полным, и контраст мелких деталей, который называют детальным. Габаритный
контраст измеряют на прямоугольном растре с чередующимися светлыми и темными участками в виде полос или шахматного поля (рис. 24.1, а). Детальный контраст определяют как отношение яркости равномерно светлого поля к яркости небольшого темного пятна, расположенного в середине этого поля (рис. 24.1, б).
Для оценки детального контраста изображения, состоящего из чередующихся мелких и крупных деталей, служит частотно-контрастная характеристика (ЧКХ), которая показывает изменение коэффициента сохранения контраста на экране в зависимости от пространственной частоты оригинала. Для построения ЧКХ (рис. 24.2) по оси у откладывается значение отношения контраста изображения к контрасту оригинала, а по оси х — значение, соответствующее пространственной частоте оригинала. Пространственная частота оригинала характеризуется количеством отдельных визуально различимых элементов, приходящихся на 1 мм длины. Например, пространственная частота может характеризоваться густотой — числом пар линий (штрихов), приходящихся на 1 мм миры оригинала (рис. 24.3). При этом каждая пара линий (один штрих) состоит из черной и белой линий, равных по ширине и отстоящих друг от друга на расстоянии половины периода а (шага) миры.
Как видно из рис. 24.2, контраст воспроизводимого изображения снижается по мере уменьшения размера деталей, т. е. по Мере увеличения их пространственной частоты. Поэтому чем Мельче детали на изображении, тем хуже их различимость. Это Связано, главным образом, с аберрациями электронного изображения — рассеиванием электронов в электронном луче и рассеива- нием света в толще экрана и на границе стекло — люминофор.
Таким образом, ЧКХ дает возможность для каждой простран- ^венной частоты (для каждого размера детали) определить ^эффициент сохранения ее контраста. Минимальная величина к°эффициента сохранения контраста, при которой можно еще
Рис. 24.2. Частотно-контрастные характеристики (ЧКХ) люминесцентных экрановРис. 24.2. Частотно-контрастные характеристики (ЧКХ) люминесцентных экрановРис. 24.3. Изображение штриховой прямоугольной мирыРис. 24.3. Изображение штриховой прямоугольной миры
Рис. 24.2. Частотно-контрастные характеристики (ЧКХ) люминесцентных экранов
Рис. 24.2. Частотно-контрастные характеристики (ЧКХ) люминесцентных экранов
Рис. 24.3. Изображение штриховой прямоугольной миры
Рис. 24.3. Изображение штриховой прямоугольной миры
отличить одну деталь от другой, называется пороговым контрастом. Чем меньше пороговый контраст (выражается в процентах), тем лучше качество экрана, выше его разрешающая способность и легче получить четкое изображение. Например, пороговому контрасту 25 % соответствует разрешающая способность Ni, а пороговому контрасту 5 % соответствует значительно большая разрешающая способность Ny (см. рис. 24.2). При низкой яркости изображения (см. рис. 24.2, кривая 2) пороговый контраст имеет большое значение (~ 25 %) — глаз наблюдателя не в состоянии опознать детали, имеющие различие в яркости, разрешающая способность Ni экрана мала. Повышение яркости изображения (рис. 24.2, кривая 7) способствует снижению порогового контраста (до 2—5 %)—разрешающая способность увеличивается до Ny и глаз наблюдателя получает возможность различать более мелкие детали.
КОНСТРУКЦИЯ ЭКРАННОГО УЗЛА
Люминесцентный экран современного масочного кинескопа состоит из огромного числа (~ 1 000 000) последовательно чередующихся отдельных трехцветных элементов изображения" триад (точек в мозаичном точечном экране или полос"в линейчатом штриховом экране, рис. 24.4). В мозаичном точечном экране каждую триаду можно представить в виде равностороннего треугольника, в одном углу которого находится набор люмино* форных зерен зеленого цвета свечения, в другом — синего и третьем — красного. Количество триад на экране равно количеству отверстий в цветоделительной маске, которая устанавливается малом расстоянии от экрана.
Рис. 24.4. Разновидности люминесцентных экранов для воспроизведения цветного изображенияРис. 24.4. Разновидности люминесцентных экранов для воспроизведения цветного изображенияРис. 24.5. Структура идеальной мозаикиРис. 24.5. Структура идеальной мозаики
Рис. 24.4. Разновидности люминесцентных экранов для воспроизведения цветного изображения
Рис. 24.4. Разновидности люминесцентных экранов для воспроизведения цветного изображения
Рис. 24.5. Структура идеальной мозаики
Рис. 24.5. Структура идеальной мозаики
В процессе изготовления люминесцентного экрана против каждого отверстия в маске образуется своя триада.
В процессе работы кинескопа через каждое отверстие в маске под разными углами проходят три электронных луча, один из которых возбуждает только зеленый круг (точку) триады, второй — только синий, третий — только красный.
Каждый из цветных кругов (точек) триады возбуждается одновременно и независимо друг от друга электронными лучами, несущими соответственно сигнал зеленой, синей и красной составляющих изображения. Таким образом, каждая триада дает самостоятельное свечение — самостоятельный цветной элемент изображения передаваемого оригинала, состоящий из суммы излучений зеленого, синего и красного люминофоров. В каждый Данный момент суммарная яркость, цветовой тон и насыщенность Цвета триады будут определяться взаимным соотношением относительных яркостей зеленого, синего и красного кругов (точек) триады. При этом яркость свечения зеленого круга триады прямо пропорциональна мощности в данный момент зеленого электрон- иого луча, синего круга — синего электронного луча, а красного кРуга — красного электронного луча. Сложение зеленого, синего н красного свечений элементов триады, обусловливающее Результирующий цвет триады, происходит не на экране, а непосредственно в глазу наблюдателя.
Три электронных луча последовательно обегают все триады, имеющиеся на экране. При этом относительная мощность каждого Нз трех электронных лучей изменяется во времени синхронно с Изменениями цвета в передаваемой картине оригинала (на Передающей станции). Поэтому совокупность свечения всех триад
Рис. 24.6. Образование охранных колец:ЛТ — люминофорная точка с диаметром t/л; ЭС — электронный след с диаметром t/эРис. 24.6. Образование охранных колец:ЛТ — люминофорная точка с диаметром t/л; ЭС — электронный след с диаметром t/эсоздает на экране кинескопа цветное изображение, полностью соответствующее оригиналу.
Рис. 24.6. Образование охранных колец:
ЛТ — люминофорная точка с диаметром t/л; ЭС — электронный след с диаметром t/э
Рис. 24.6. Образование охранных колец:
ЛТ — люминофорная точка с диаметром t/л; ЭС — электронный след с диаметром t/э
В идеальной мозаике (рис. 24.5) соблюдаются следующие условия: центр триады О (с радиусом гтр) равноудален от центров зеленых, синих и красных точек О', образующих триаду; центры О трех соприкасающихся триад лежат в вершинах равностороннего треугольника.
Шаг экрана аэ — расстояние между центрами двух близлежащих триад.
Диаметр люминофорной точки da — это диаметр окружности зеленого, синего или красного люминофорного круга триады:
dn ■ a3HS.
Вокруг каждой люминофорной точки в триаде должно быть охранное кольцо (рис. 24.6), т. е. участок люминофора, куда не попадает электронный луч. Наличие охранного кольца предупреждает нарушение чистоты цвета, которое может иметь место при попадании электронного луча на две или три люминофорные точки разного цвета свечения.
Ширина охранного кольца определяется разницей между диаметрами люминофорной точки и следа электронного луча на ней (tZ3):
<5 = (dn-dg)/2.
Оптимальная ширина охранного кольца » 50 мкм.
С увеличением ширины охранного кольца уменьшается вероятность «сползания» электронного луча со «своей» люминофорной точки на соседнюю (например, с зеленой точки триады на синюю) и соответственно уменьшается вероятность искажения чистоты цвета.
«Сползание» электронного луча со «своей» точки (рис. 24.7) может быть связано с: нарушениями технологических процессов фотопечати, склейки, монтажа внутренней арматуры, заварки, юстировки; отклонениями от оптимальных режимов эксплуатации кинескопа (в частности, от оптимального режима питания кинескопа); влиянием магнитного поля земли и локальных магнитных полей, создаваемых близлежащими элементами аппа' ратуры или внешними источниками (в частности, цветные
фотопечать
- погрешность ^ ’сферы экрана
-погрешность сферы экрана-погрешность сферы экрана-погрешность сферы маски-погрешность сферы маскиСистемы настройки и коррекцииСистемы настройки и коррекциио>5 - погрешность диаметра окружности расположения световодово>5 - погрешность диаметра окружности расположения световодовШирина охранного кольцаШирина охранного кольцаш^ — погрешность расстояния от ЭОС до сферы экранаш^ — погрешность расстояния от ЭОС до сферы экрана^эос" погрешность диаметра электронно-оптической системы^эос" погрешность диаметра электронно-оптической системы^л - погРешность диаметра электронного луча^л - погРешность диаметра электронного лучаы »- погрешность угла наклона экранного уэлаы »- погрешность угла наклона экранного уэла^dM " погрешность диаметра отверстия маски^dM " погрешность диаметра отверстия маскиРабота в динамическом режимеРабота в динамическом режимеэ - погрешность диаметра отверстия маскиэ - погрешность диаметра отверстия маски%с- погрешность отклоняющих систем%с- погрешность отклоняющих систем; - погрешность ^м сферы маски; - погрешность ^м сферы маскиэ -погрешность расстояния от световодов до полюса сферы экранаэ -погрешность расстояния от световодов до полюса сферы экранау - погрешность угла наклонаэкранного узлау - погрешность угла наклонаэкранного узласс^а -погрешность расстояния между номинальными сферами экрана и маскнсс^а -погрешность расстояния между номинальными сферами экрана и маскнb)d -погрешность диаметра голов ки световодаb)d -погрешность диаметра голов ки световода;« - погрешность р угла наклона ЭОС;« - погрешность р угла наклона ЭОС• погрешность корректирующей линзы
-погрешность сферы экрана
-погрешность сферы экрана
-погрешность сферы маски
-погрешность сферы маски
Системы настройки и коррекции
Системы настройки и коррекции
о>5 - погрешность диаметра окружности расположения световодов
о>5 - погрешность диаметра окружности расположения световодов
Ширина охранного кольца
Ширина охранного кольца
ш^ — погрешность расстояния от ЭОС до сферы экрана
ш^ — погрешность расстояния от ЭОС до сферы экрана
^эос" погрешность диаметра электронно-оптической системы
^эос" погрешность диаметра электронно-оптической системы
^л - погРешность диаметра электронного луча
^л - погРешность диаметра электронного луча
ы »- погрешность угла наклона экранного уэла
ы »- погрешность угла наклона экранного уэла
^dM " погрешность диаметра отверстия маски
^dM " погрешность диаметра отверстия маски
Работа в динамическом режиме
Работа в динамическом режиме
э - погрешность диаметра отверстия маски
э - погрешность диаметра отверстия маски
%с- погрешность отклоняющих систем
%с- погрешность отклоняющих систем
; - погрешность ^м сферы маски
; - погрешность ^м сферы маски
э -погрешность расстояния от световодов до полюса сферы экрана
э -погрешность расстояния от световодов до полюса сферы экрана
у - погрешность угла наклона
экранного узла
у - погрешность угла наклона
экранного узла
сс^а -погрешность расстояния меж
ду номинальными сферами экрана и маскн
сс^а -погрешность расстояния меж
ду номинальными сферами экрана и маскн
b)d -погрешность диаметра голов ки световода
b)d -погрешность диаметра голов ки световода
;« - погрешность р угла наклона ЭОС
;« - погрешность р угла наклона ЭОС
СборкаСборка^ -погрешностьрасстояния междуэкраном и маской^ -погрешностьрасстояния междуэкраном и маскойрис. 24.7. Перечень основных погрешностей цветного кинескопа, влияющих на Кирицу охранного кольца
Сборка
Сборка
^ -погрешностьрасстояния междуэкраном и маской
^ -погрешностьрасстояния междуэкраном и маской
кинескопы нельзя располагать вблизи силовых сетей и больше магнитных масс); нарушением оптимального взаимного расположения узлов кинескопа при транспортировке и внешнем механическом воздействии на прибор; влиянием внешних факторов способствующих изменению оптимальных расстояний экран — маска и смещению отверстий маски относительно поверхности люминофорных триад экрана (например, при перегреве и тепловом деформировании маски).
Практически охранная зона не представляет собой геометрически правильное кольцо — это связано с тем, что центр сферы стеклянного экрана лежит далеко за пределами центра отклонения электронных лучей и соответственно оси люминофорной точки и электронного следа на ней не совпадают (особенно на краях экрана). Более того, по мере удаления от центра экрана все точки триады деформируются, превращаясь из круглых образований в эллиптические.
С учетом этих погрешностей ширина охранного кольца по краям экрана делается всегда больше, чем в центре,— это достигается применением масок с переменной величиной шага и отверстия, изменяющейся к краю экрана по определенному закону. Поэтому размеры люминофорных точек и особенно триад оказываются также переменными, они уменьшаются по направлению от центра к периферии экрана (например, размер триады уменьшается на 20—30%).
МЕТОДЫ НАНЕСЕНИЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ПОКРЫТИЙ
В электровакуумном производстве нашли применение следующие методы нанесения люминесцентных покрытий.
Метод центрифугирования светочувствительной суспензии люминофора на подложку (см. § 24.4) для изготовления
экранов цветных кинескопов.
Метод сухого напыления люминофора в электростатическом поле для изготовления экранов цветных кинескопов.
Метод осаждения (с еди м е нта ци и) люминофора на подложку из суспензии люминофора в какой-нибудь жидкости для изготовления экранов черно-белых ЭЛТ и ЭОП.
Метод пульверизации на подложку суспензии люминофора в воде или в легколетучих растворителях для изготовления экранов черно-белых ЭЛТ.
Метод возгонки люминофора в вакууме на горячую или холодную подложку для изготовления экранов ЭОП и ЭЛТ* Люминофор непосредственно из твердого состояния превращается в пар, который конденсируется на подложке и образует тонкую
монокристаллическую люминесцентную пленку, находящуюся в полном оптическом контакте с подложкой.
Метод электрофореза (катаф о реза). В этом методе используется эффект движения заряженных частиц люминофора под действием электрического поля — для изготовления экранов ЭОП и ЭЛТ. В суспензию люминофора в изопропиловом спирте добавляется электролит — водный раствор нитрата тория, содержащий ионы Th+4 с высоким положительным зарядом. Ионы тория адсорбируются на поверхности зерен люминофора, сообщают им положительный заряд и заставляют двигаться к экрану, подключенному к отрицательному полюсу источника тока и являющемуся катодом. Для создания одинакового потенциала по всей поверхности «экрана — катода» на стеклянный экран предварительно наносят электропроводящую пленку на основе оксида олова. Непосредственно на экране зерна люминофора разряжаются и образуют сплошное равномерное покрытие с высокой разрешающей способностью.
Метод воздушной струи — для изготовления экранов ЭОПов. Предварительно на подложку наносят очень тонкую термопластичную пленку, которая перед нанесением слоя люминофора нагревается до температуры размягчения. Под действием воздушной струи зерна люминофора приобретают большую кинетическую энергию и с высокой скоростью внедряются в пластичную размягченную пленку.
Компрессионный метод — распределение суспензии люминофора с помощью сжатого воздуха или вакуума по поверхности подложки.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭКРАНОВ ЦВЕТНЫХ КИНЕСКОПОВ
Для изготовления экранов цветных кинескопов (мозаичных, Штриховых линейчатых) применяется метод фотопечати.
В основе этого метода лежат десять основных технологических операций:
Приготовление трех светочувствительных суспензий для нанесения зеленого, синего и красного люминофоров.
Нанесение на стеклянный экран методом центрифугирования светочувствительной суспензии зеленого люминофора.
Сушка нанесенного покрытия.
Фотоэкспонирование покрытия — облучение светочувстви- Тельного покрытия ультрафиолетовыми лучами через маску, Едящую в экраномасочный узел кинескопа (см. с. 389).
. life.
При фотоэкспонировании происходит задубливание свето, чувствительного вещества на участках покрытия, которые подвергаются ультрафиолетовому облучению. Под «задубливание^» подразумевается полимеризация светочувствительного вещества сопровождающаяся его переходом в нерастворимое состояние и соответственно закреплением частиц люминофора на стеклянном экране. Благодаря маске и определенному, строго фиксированному расположению источника ультрафиолетового излучения, задубливание зеленого люминофорного слоя происходит либо только в одной из вершин каждой триады (мозаичный экран), либо на строго определенных полосах (линейчатый экран). Остальные участки светочувствительного слоя оказываются незадубленными и для их удаления достаточно промыть экран водой.
Проявление задубленных участков люминофорного пок- А рытия. В процессе проявления незадубленные, незакрепленные частицы светочувствительного вещества и зеленого люминофора удаляются (смываются) с тех участков экрана, на которые впоследствии должны быть нанесены люминофоры другого цвета свечения (синего и красного). Таким образом, после проявления сплошной слой зеленого люминофорного покрытия превращается в мозаику из чередующихся в определенной последовательности точек или полос люминофора зеленого цвета свечения.
Контроль качества мозаики.
Вышеперечисленные операции дважды повторяют для нанесения мозаики из частиц синего, а затем красного люминофоров.
Нанесение органической пленки.
Алюминирование люминесцентного экрана.
Обжиг экрана в окислительной воздушной атмосфере.
На рис. 24.8 показана принципиальная технологическая схема изготовления мозаичного экрана на многопозиционном конвейере.
Светочувствительная суспензия состоит из люминофора, жидкой фазы, светочувствительного связующего вещества (биндера), фотосенсибилизатора, смачивателя, пеногасителя и вещества, стабилизирующего pH суспензии.
Светочувствительная суспензия должна удовлетворять следу; ющим требованиям: быть агрегативно и кинетически устойчивой и не расслаиваться в процессе ее приготовления и хранения (частицы люминофора не должны слипаться друг с другом, комковаться и оседать на дно под действием силы тяжести)! хорошо смачивать поверхность подложки и соответственно равномерно растекаться по стеклянному экрану и ранее нанесений слоям люминофорной мозаики.
Оптимальный размер зерен люминофора 3—10 мкм. Умонь; шение размера зерен способствует повышению разрешаюЩей способности экранов, прочности закрепления покрытия, получений
Суспензия красного цвета
МоечноеотделениеМоечноеотделениеПриготовлениеподложки исуспензииПриготовлениеподложки исуспензииСуспензия синего цветаСуспензия синего цветаСуспензия зеленого цветаСуспензия зеленого цветаПроявлениеПроявлениеНанесение органической пленкиНанесение органической пленкиРаспределение подложки по поверхности экрана и сливРаспределение подложки по поверхности экрана и сливУстановка экранаУстановка экранаСушка подложкиСушка подложкиСлив подложкиСлив подложкиЗаливка подложки под зеленую суспензиюЗаливка подложки под зеленую суспензиюОхлаждение подложкиОхлаждение подложкиОхлаждение экрана с ПОМОЩЬЮ вентилятораОхлаждение экрана с ПОМОЩЬЮ вентилятораСушка подложки с помощью инфракрасной лампыСушка подложки с помощью инфракрасной лампыРаспре- деление подложкиРаспре- деление подложкиУстановка "Уран-Г’ для красного люминофораУстановка "Уран-Г’ для красного люминофораУстановка "Уран-1” для синего люминофораУстановка "Уран-1” для синего люминофораУстановка "Уран-Г’ для зеленого люминофораУстановка "Уран-Г’ для зеленого люминофораЧистый! экран с I маскойЧистый! экран с I маскойФото- * экспонированиеФото- * экспонированиеОхлажОхлаждениедениеСливСливи сушкаи сушкасуспензиисуспензииНанесениеНанесениесуспензиисуспензиисинегосинегоцветацветаРаспреРаспределениеделениесуспензиисуспензиии сливи сливЗачисткаЗачисткабортовбортовэкрана отэкрана отсуспензиисуспензииСушкаСушкаинфракрасинфракрасныминымилампамилампамиСъемСъемна фо-на фо-тоэк по-тоэк по-ннрованнрованиениеОхлажОхлаждение экранадение экранавентилятовентиляторомромРис. 24.8. Принципиальная технологическая схема изготовления мозаичного экрана на конвейереРис. 24.8. Принципиальная технологическая схема изготовления мозаичного экрана на конвейереОхлаждениеэкранаОхлаждениеэкранаЗаливка подложки под красную суспензиюЗаливка подложки под красную суспензиюСлив и сушка суспензииСлив и сушка суспензииСвободная позицияСвободная позицияСливи сушкасуспензииСливи сушкасуспензии
Моечноеотделение
Моечноеотделение
Приготовлениеподложки исуспензии
Приготовлениеподложки исуспензии
Суспензия синего цвета
Суспензия синего цвета
Суспензия зеленого цвета
Суспензия зеленого цвета
Проявление
Проявление
Нанесение органической пленки
Нанесение органической пленки
Распределение подложки по поверхности экрана и слив
Распределение подложки по поверхности экрана и слив
Установка экрана
Установка экрана
Сушка подложки
Сушка подложки
Слив подложки
Слив подложки
Заливка подложки под зеленую суспензию
Заливка подложки под зеленую суспензию
Охлаждение подложки
Охлаждение подложки
Охлаждение экрана с ПОМОЩЬЮ вентилятора
Охлаждение экрана с ПОМОЩЬЮ вентилятора
Сушка подложки с помощью инфракрасной лампы
Сушка подложки с помощью инфракрасной лампы
Распре- деление подложки
Распре- деление подложки
Установка "Уран-Г’ для красного люминофора
Установка "Уран-Г’ для красного люминофора
Установка "Уран-1” для синего люминофора
Установка "Уран-1” для синего люминофора
Установка "Уран-Г’ для зеленого люминофора
Установка "Уран-Г’ для зеленого люминофора
Чистый! экран с I маской
Чистый! экран с I маской
Фото- * экспонирование
Фото- * экспонирование
Охлаж
Охлаж
дение
дение
Слив
Слив
и сушка
и сушка
суспензии
суспензии
Нанесение
Нанесение
суспензии
суспензии
синего
синего
цвета
цвета
Распре
Распре
деление
деление
суспензии
суспензии
и слив
и слив
Зачистка
Зачистка
бортов
бортов
экрана от
экрана от
суспензии
суспензии
Сушка
Сушка
инфракрас
инфракрас
ными
ными
лампами
лампами
Съем
Съем
на фо-
на фо-
тоэк по-
тоэк по-
ннрова
ннрова
ние
ние
Охлаж
Охлаж
дение экрана
дение экрана
вентилято
вентилято
ром
ром
Рис. 24.8. Принципиальная технологическая схема изготовления мозаичного экрана на конвейере
Рис. 24.8. Принципиальная технологическая схема изготовления мозаичного экрана на конвейере
Охлаждениеэкрана
Охлаждениеэкрана
Заливка подложки под красную суспензию
Заливка подложки под красную суспензию
Слив и сушка суспензии
Слив и сушка суспензии
Свободная позиция
Свободная позиция
Сливи сушкасуспензии
Сливи сушкасуспензии
Потной люминофорной точки (положительные факторы), однако взывает снижение яркости, увеличивает вероятность комкования, Перекрестного загрязнения люминофоров разного цвета свечения 11 соответственно появлению брака «искажение чистоты цвета» и ^равномерность яркости в белом» (отрицательные факторы). Наличие в покрытии мелких зерен люминофора, затрудняет
процесс задубливания при фотоэкспонировании (требуется повышенная длительность процесса).
Оптимальная концентрация люминофора в суспензии порядка 350—370 г/л. При малой концентрации суспензии образуются тонкие, рыхлые слои люминофора, нерезко очерченные элементы мозаики. При большой концентрации люминофора образуются толстые, чрезмерно уплотненные люминофорные покрытия, затрудняется процесс задубливания, искажается геометрическая форма элементов мозаики при проявлении экрана.
Синий и зеленый люминофор рекомендуется предварительно подвергать ультразвуковой обработке в разбавленном растворе силиката калия. При этом одноименно отрицательно заряженные частицы диоксида кремния осаждаются на зернах люминофора и предотвращают их слипание и комкование в суспензии. Комко- * вание люминофоров, в частности, может привести к образованию в покрытии радиально расходящихся лучей (полос) и появлению кратеров и бугристых поверхностей.
В качестве связующего светочувствительного вещества (биндера) обычно применяют поливиниловый спирт (ПВС), но можно применять также желатин, шеллак, декстрин, крахмал, поливинилацетат.
Поливиниловый спирт с низкой степенью полимеризации хорошо растворяется в воде и в разбавленных растворах солей, однако обладает высокой стойкостью к действию большинства органических растворителей.
Под действием ультрафиолетового излучения (например, с длиной волны 360—420 ммкм) происходит полимеризация ПВС, сопровождающаяся переходом ПВС в нерастворимое состояние (увеличивается молекулярный вес, уменьшаются растворимость, эластичность, степень набухания).
Светочувствительная способность ПВС к полимеризации и переходу в нерастворимое состояние используется на операции фотоэкспонирования. На облученных ультрафиолетом участках покрытия образуется твердая нерастворимая полимеризационная сетка ПВС, в узлах которой будут находиться прочно связанные друг с другом и с поверхностью подложки зерна люминофоров.
Для удовлетворения вышеперечисленных требований ПВС должен иметь определенные значения вязкости (« 20 сп), степени полимеризации (= 700 + 2200) и процента содержания ацетатных групп (=12+17%), иметь малую фоточувствительность 8 видимому свету, полностью выгорать и удаляться из покрытия при Т = 400°С — в процессе окислительного обжига экрана 8 воздушной среде. Во всех случаях чем выше степень поли" меризации, тем более качественно происходит задубливание слоя-
О уменьшением содержания ацетатных групп понижается растворимость ПВС и ухудшается его растекаемость.
Повышенное содержание ацетатных групп приводит к усилению пенистости и снижению агрегативной и кинетической устойчивости светочувствительной суспензии.
Растворы ПВС склонны к старению: они изменяют свой состав и свойства под действием кислорода воздуха, света, температуры и ДРУ™Х факторов.
Оптимальная концентрация ПВС в суспензии люминофора «6%. Уменьшение отношения количества ПВС к количеству люминофора в суспензии облегчает условия его выжигания при обжиге экранов и повышает яркость экранов, но ухудшает механическую прочность задубленных точек.
Фотосенсибилизатор (бихромат аммония) служит для повышения светочувствительности ПВС к действию ультрафиолетового излучения. Фотосенсибилизатор является катализатором фотохимических процессов, вызывающих переход ПВС в нерастворимое состояние. При малом содержании в суспензии бихромата аммония снижается светочувствительность слоя и наблюдается отлипание элементов мозаики; повышенное его содержание приводит к снижению яркости и увеличению вероятности «темнового» задубливания.
Темновое задубливание затрудняет проявление мозаики, вызывает перекрестное загрязнение люминофоров и искажение чистоты цвета.
Ввиду того, что применение бихроматов снижает светоотдачу люминофоров и яркость экранов, ведутся работы по применению в качестве фотосенсибилизаторов органических веществ. Например, добавление в суспензию триэтиленгликоля позволяет на 40—50 % уменьшить время задубливания фоточувствительного слоя.
Смачиватели (некаль, СВ-102 и др.) применяются для Улучшения растекаемости суспензии люминофора по поверхности стеклянного экрана и ранее нанесенным слоям мозаики.
Все смачиватели являются поверхностно-активными веществами и вызывают снижение поверхностного натяжения на границе между поверхностью подложки и наносимой суспензией.
Принцип действия поверхностно-активных веществ заключайся в следующем. Они адсорбируются в виде пленки на п°верхности раздела суспензия — подложка так, что ориентируются своими гидрофильными (хорошо смачиваемыми
I в°Дой) группами в сторону наносимой суспензии. Поэтому сУспензия практически растекается не по плохо смачиваемой стеклянной подложке или элементам мозаики, а по пленке Поверхностно-активного вещества, хорошо смачиваемой водой.
Рис. 24.9. Принципиальная схема центрифугиРис. 24.9. Принципиальная схема центрифугиповышения щелочности и соотве!повышения щелочности и соотве!
Рис. 24.9. Принципиальная схема центрифуги
Рис. 24.9. Принципиальная схема центрифуги
повышения щелочности и соотве!
повышения щелочности и соотве!
Оптимальное количество поверхностно-активного вещества должно быть тем больше чем ниже температура в помещении и чем выше вязкость суспензии. Однако смачиватели вызывают сильное пенообразование суспензии. Для гашения пены и предупреждения ее образования в суспензию рекомендуется добавлять этиловый спирт.
Пептизатор применяется для предотвращения комкования и слипания зерен люминофора, а также для венно pH суспензии.
Пептизатор, например, пирофосфат натрия На4РгО7, диссоциирует в растворе на катионы Na и многозарядные анионы. Анионы адсорбируются на зернах люминофора и придают им одноименный отрицательный заряд, препятствуют их слипанию и образованию агломератов.
Величина pH является одной из основных характеристик суспензии, оптимальное ее значение 5—9. При pH менее 5 и более 9 наблюдатюся свертывание, коагуляция суспензии. Например, красный люминофор — оксид иттрия, активированный европием, обладает растворимостью в кислой среде (при pH < 5).
Для увеличения сроков хранения суспензии (без опасности ее разложения и изменения pH) рекомендуется добавлять небольшое количество раствора аммиака или диоксида германия.
Нанесение люминофорной мозаики и органи- ч е с к ой пленки производится на многопозиционном конвейере, каждая позиция которого представляет собой центрифугу, перемещающуюся по замкнутому контуру. Центрифуга (рис. 24.9) состоит из горизонтального вала 3, на котором находится вакуумный присос 2. Экран 1 закрепляется на вакуумном присосе и вместе с ним может вращаться в двух плоскостях: вокрУг собственной оси экрана; вокруг горизонтальной оси центрифуги (т. е. вокруг оси горизонтального вала 3).
Качество люминофорного покрытия зависит не только от состава и свойств люминофорной суспензии, но и от комплекса технологических факторов: температуры и влажности в помещении, чистоты и степени шероховатости поверхности стекла, угла наклона, частоты вращения и опрокидывания экрана, 388
температуры поверхности экрана, вязкости и концентрации суспензии и т. д.
Сушка люминофорного слоя производится обычно путем нагрева его до 50°С излучением инфракрасных ламп или электрическими нагревательными элементами.
При более высокой температуре происходит «паразитное», тепловое (темновое) задубливание, это затрудняет проявление экрана, поэтому зеленый люминофор частично закрепляется и на тех участках экрана, на которые в дальнейшем необходимо нанести мозаику синего и красного люминофоров. Низкая температура и малая продолжительность сушки приводят к затруднению процесса задубливания при фотоэкспонировании и отлипанию частиц люминофора при проявлении экрана. Это объясняется тем, что способностью к полимеризации и переходу в нерастворимое состояние обладает только воздушно - сухой слой хромированного ПВС.
Сушку следует проводить медленно, иначе увеличиваются время экспонирования и размер отдельных люминофорных элементов мозаики.
Фотоэкспонирование слоя зеленого люминофора производится на установках типа «Уран», при этом частицы зеленого люминофора закрепляются в соответствующих вершинах триад или на соответствующих полосах экрана. При фотоэкспонировании поток ультрафиолетового излучения направляется под определенным углом к поверхности маски.
Ультрафиолетовое излучение засвечивает и задубливает не весь участок люминофорного покрытия, лежащий под отверстием в маске, а только */з этого участка — одну из трех вершин будущей триады (или одну из полос линейчатого экрана).
При нанесении люминофора другого цвета свечения (например, синего) ультрафиолетовое излучение направляется через то же отверстие в маске уже под другим углом, при этом происходит засвечивание и задубливание люминофора в другой вершине тРиады. Практически для задубливания зеленого, синего и красного люминофорных слоев применяют три ультрафиолетовых Пучка, сдвинутых относительно друг друга на 120°С.
При фотоэкспонировании источник ультрафиолетового излучения должен быть помещен в центр отклонения соответствующего Электронного луча в готовом приборе. Расположение источника Ультрафиолетового излучения зависит от расстояния между маской
экраном, расстояния между отверстиями в маске (шага маски)
диаметра самих отверстий (или ширины полос в маске).
Принципиальная схема установки для фотоэксйонирования Сказана на рис. 24.10. Экран 1 с вставленной маской 2 строго
Рис. 24.10. Принципиальная схема установки для фотоэкспоннрования
фиксируется в держателе. Ртутная, или ксеноновая, лампа 8 с помощью рефлекторов 7 и 9, диафрагмы 6, оптического световода 5 и линзы 3 с нейтральным фильтром 4 позволяет получить узкий, равномерный и направленный пучок ультрафиолетового излучения с длиной волны 360 мкм.
Назначение световода, работающего по принципу полного внутреннего отражения, состоит в том, чтобы увеличить апертуру пучка электромагнитного излучения путем последовательного полного внутреннего отражения (ПВО) проходящего излучения.
Критический угол ПВО
iKp = arcsin 1/и,
где п — показатель преломления кварца.
Показатель преломления и соответственно критический угол полного внутреннего отражения зависят от длины волны ультрафиолетового излучения. При i < zKp имеют место значительные потери энергии в световоде.
Непосредственным источником засветки является матовая головка световода. Поверхность головки световода выполняется в виде параболоида вращения, когда элементы мозаики должны иметь вид круглых точек, или в виде параболического цилиндра» когда элементы мозаики должны состоять из непрерывных люминофорных полос. Длина параболического цилиндра выбирается из условия равномерного распределения облученности по люминофорной полосе. Ширина цилиндра (от 0,5 до 2,0 мм) зависит от геометрических размеров экраномасочного узла 0 ширины люминофорной полосы. Установка фотоэкспонирования позволяет менять освещенность экрана путем изменения тока лампы и ее юстировки относительно отражателя. Поверхность головки световода предварительно матируется для обеспечени
более однородного излучения головки по разным направлениям. Скорость процесса фотоэкспонирования зависит от спектральной чувствительности светочувствительного слоя, от соответствия спектра излучения источника ультрафиолета и спектра поглощения ПВО, а также от интенсивности излучения. Для процесса фотопечати наиболее эффективной является ближняя ультрафиолетовая часть спектра.
Наибольшей интенсивностью в этой области спектра обладают ртутные, ксеноновые и ртутно-ксеноновые лампы.
В наиболее эффективной для фотопечати области спектра (280—380 мкм) ртутно-ксеноновые лампы излучают порядка 30% энергии, что значительно больше, чем ксеноновые.
Повышенный выход излучения ртутно-ксеноновых ламп в ультрафиолетовой области спектра ускоряет процесс фотопечати (по сравнению с ксеноновыми) — особенно при задубливании матричного покрытия и элементов красной мозаики. Это объясняется тем, что поливиниловый спирт наиболее фоточувствителен к ультрафиолетовому излучению именно с длиной волны в диапазоне 280—380 мкм (на который приходится максимум излучаемой энергии у ртутно-ксеноновой лампы).
Перспективным является использование принципиально новой оптической системы без световода, в которой источником засветки является непосредственно разряд лампы. Например, для фотоэкспонирования экранов ЦЭЛТ с линейчатой структурой применяются оптические установки с капиллярной ртутной лампой, которые не имеют световода, и источником засветки экрана является непосредственно разряд лампы. К источнику засветки в этом случае предъявляются повышенные требования: размер светящегося тела (равный межэлектродному расстоянию в лампе) должен обеспечивать требуемый размер элемента мозаики; яркость поверхности светящегося тела (разряда лампы) должна быть постоянной и стабильной во времени; положение источника засветки разряда в оптической системе должно быть строго определенным и постоянным; разряд лампы должен обеспечить создание требуемого или легко корректируемого распределения облученности по экрану.
Основное условие фотоэкспонирования — постоянство светосуммы. Светосумма — произведение светоотдачи источника ультрафиолетового излучения на время фотоэкспонирования. При достижении заданной (требуемой) для данного типа люминофора светосуммы срабатывает реле, которое отключает или перекрывает Источник ультрафиолетового излучения. Оптимальная светосумма зависит от: состава, структуры и толщины люминесцентного Покрытия, величины зерен люминофора, температуры экрана, требуемого размера элементов мозаики и т. д. Критерием Правильности выбора светосуммы является практически получае-
мый размер задубленной люминофорной точки и прочность ее закрепления на экране. Оптимальную светосумму можно получить корректировкой светоотдачи ультрафиолетового источника или корректировкой времени фотоэкспонирования. Практически целесообразно по возможности увеличивать светоотдачу источника ультрафиолета и соответственно сокращать продолжительность фотоэкспонирования.
Линейная зависимость диаметра (.d) задубленной точЯ/ю времени экспонирования (t) выражается формулой
d = aEt + b.
где Е — облученность экрана ультрафиолетовым излучением; а и b— коэффициенты, зависящие от спектрального состава ультрафиолетового излучения, геометрических параметров при фотоэкспонировании и характеристик светочувствительного материала.
Назначение корректирующих линз —- обеспечить аналогию между подходом к экрану ультрафиолетовых лучей при фотоэкспонировании и электронных лучей при эксплуатации кинескопа. Точность расчета корректирующих линз определяет чистоту цвета изображения. Так как засветка всего экрана при фотоэкспонировании производится из одной неподвижной точки, то световые лучи будут подходить к экрану в периферийных областях под иным углом, чем электронные лучи в кинескопе. В результате электронные лучи не будут совпадать с люминофорными точками. Для их совпадения необходимо обеспечить коррекцию хода световых лучей при фотоэкспонировании — в полном соответствии
с учетом осевого и радиального смещения центра отклонения
электронных лучей (при их отклонении в однородном магнитном поле отклоняющими катушками).
На рис. 24.11 показана плосковогнутая корректирующая линза, форма и место расположения которой в
Рис. 24.11. Положение и форма плО' сковогнутой сферической корректирующей линзы:
I—ось экрана; 2— ось линзы; А — реальное положение источника света относительно линзы * экрана на установке фотоэкспонирования; ЛО— изображение источника света А, даваемо6 параксиальными лучами, т. е. расчетное положение источника света при печати без К°Р' реагирующей линзы; Л —положение источник света, видимое иа экране при максимальном Уг;1С отклонения, г. е. смещенное на А. и Av-
установке экспонирования рассчитаны исходя из осевого и радиального смещений центра отклонения электронных лучей при изображении растра на экране. Плосковогнутая линза наклонена к оси экрана и несколько смещена относительно ее. Расстояние от источника света Л до экрана подбирается в процессе производства по оптимальному в отношении «чистоты цвета» и «среза кадра» положению отклоняющей системы (ОС), имеющей возможность перемещения вдоль оси на 10—И мм. Линза изготовляется из оптического кварца, что обеспечивает минимальную потерю энергии ультрафиолетовых лучей, для которых кварц практически прозрачен. При печати двух других цветов линза поворачивается вокруг оси экрана на 120°С в ту или иную сторону, а экран смещается на необходимое расстояние (при неподвижном источнике ультрафиолетового излучения). Однако при применении плосковогнутых линз трудно получить полное совпадение центров люминофорных точек и электронных следов — обычно на краях экрана электронные следы смещаются относительно люминофорных точек.
Наиболее оптимальным вариантом, с точки зрения обеспечения требований по чистоте цвета, являются асферические асимметричные линзы. Они обрабатываются на специаль
ных прецизионных оптических станках, управляемых от ЭВМ по специальным программам, в соответствии с полученными расчетными данными. Расчетные данные можно получить на основе расчета электронных траекторий по экспериментально измеренному распределению маг-нитного поля отклоняющей системы или на основе чисто аналитического расчета исходя из номинальной конфигурации витков катушек отклоняющей системы.
Рис. 24.12. Конструкция установки фотоэкспонированияРис. 24.12. Конструкция установки фотоэкспонированияНа рис. 24.12 показана конструкция установки Фотоэкспонирования. Экран * с вмонтированной теневой Чаской устанавливается т°Рцами на три упора 2 и Прижимается к упорам 3 №ки 4. Упоры 2 определяют
Рис. 24.12. Конструкция установки фотоэкспонирования
Рис. 24.12. Конструкция установки фотоэкспонирования
положение экрана отно-сительно плоскости основания головки световода 7; упоры 3 определяют положение центра экрана относительно оптической оси излучателя И, состоящего из источника излучения 12 (например, лампы ДКсР-3000) эллипсоидного отражателя 13, сферического контротражателя 14 В зависимости от цвета экспонируемого элемента мозаики центр экрана занимает одно из трех возможных положений относительно оптической оси излучателя. Излучатель // шарнирно закреплен на подвижной плите 10, которая может перемещаться в двух взаимно перпендикулярных направлениях для совмещения фокуса эллиптического отражателя с дугой лампы. Для совмещения оси эллипсоидного отражателя с осью системы «источник света — световод» служат подвески 15. Установка запускается нажатием пусковой кнопки, при этом заслонка 9 смещается в сторону от оптической оси, пропуская пучок лучей от отражателя на входную поверхность световода 7. Световод закреплен на подвижной плите 8, которая имеет возможность перемещения в двух взаимно перпендикулярных направлениях на плоскости плиты 5, с целью совмещения действительной оси световода с ее расчетным положением. Лучи, испускаемые выходной поверхностью световода, попадают на нижнюю поверхность корректирующей линзы 6. Ось линзы совмещена с осью излучателя и развернута на угол 4°. В зависимости от цвета экспонируемого элемента мозаики линза занимает одно из трех положений, сохраняя наклон к оси излучателя. Угловой шаг между двумя соседними положениями 120°. На плоскую поверхность линзы 6 нанесен методом напыления в вакууме нейтральный фильтр (металлическая пленка хрома), плотность которого меняется от максимума в центре до минимума на периферии (этот фильтр обеспечивает оптимальную корректировку светораспределения, создаваемого световодом). После двойного лучепреломления в линзе пучок лучей попадает на теневую маску и входное окно фотоэлемента 16, установленного между экраном / и световодом 7. Фотоэлемент связан со светосуммирующим устройством, определяющим продолжительность процесса фотоэкспонирования. Проходя через отверстия маски, лучи попадают на люминофорное покрытие экрана и задубливают его в виде отображения головки световода через соответствующее отверстие маски. Установка имеет аппаратуру управления режимом горения лампы ДКсР-3000, стабилизацией тока лампы, выпрямления напряжения и сглаживания пульсаций.
Практически диаметр люминофорной точки в центре экрана должен быть на 10—20 % больше, чем на краях экрана. Большой размер точки в центре экрана обеспечивает высокую яркость экрана; уменьшение размера точки к краям экрана обеспечивает чистоту цвета на поверхности экрана. Это связано с тем, что
форма триады, являющаяся в центре правильным равносторонним треугольником, искажается на краях экрана. В большинстве случаев на краях большой оси экрана (в правой и левой частях) триада вытягивается вниз: высота ее увеличивается по отношению к ширине. При этом синяя точка удаляется от центра своей триады и приближается к красной и зеленой точкам соседней триады. При больших размерах люминофорных точек на краю экрана происходит их перекрытие друг с другом, что вызывает перекрестное загрязнение и ухудшение чистоты цвета. Однако уменьшить размер люминофорной точки на краю экрана более чем на 10—20 % по сравнению с ее размером в центре нецелесообразно: резко уменьшается яркость и ухудшается «равномерность яркости» по экрану. Для обеспечения этого условия облученность экрана на краях при его фотоэкспонировании также должна быть на 10—20 % меньше, чем в центре. Практически облученность экрана должна плавно уменьшаться от центра к краю, достигая отношения примерно 1,2—1,5 (рис. 24.13, кривая 2).
Однако, учитывая, что головка световода является точечным источником света, практически облученность экрана на краях в 4—6 раз меньше, чем в центре (рис. 24.13, кривая /). Это объясняется тремя факторами.
Облученность изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от источника ультрафиолета до поверхности внутренней сферы экрана (это расстояние увеличивается в направлении от центра экрана к его краям; например, для кинескопов с углом отклонения 110° расстояние увеличивается в 1,4 раза).
Рис. 24.13. Распределеиие облученности по экрану в зависимости от угла отклонения на установке фотоэкспоиироваиия
Распределение потока энергии ультрафиолетового излучения от головки световода не является равномерным — поток энергии в осевом направлении значительно больше, чем в боковых направлениях.
На краевых участках экрана поток ультрафиолетовых лучей Подходит к экрану неперпендикулярно поверхности экрана.
Поэтому если при фотоэкспонировании не принять специальных мер по коррекции облученности, то при номинальных размерах элементов мозаики в центре экрана на краях они будут очень маленькими или вообще не задубятся. Этот недостаток можно устранить: увеличением времени экспонирования периферийных участков экрана по сравнению с центральными участками (для этого между источником ультрафиолета и экраном устанавливается вращающийся сектор — обтюратор соответствующей формы); увеличением облученности периферийных участков экрана. Это достигается путем применения нейтрального фильтра с переменной прозрачностью, уменьшающего облученность в центре экрана и регулирующего относительную облученность по полю экрана. В существующих установках фотоэкспонирования пропускание фильтра изменяется от 20 в центре до 100 % на краю. Этот фильтр изготовляется нанесением в вакууме пленки хрома или непосредственно на поверхность корректирующей линзы, обращенную к источнику света, либо на отдельную плоскую кварцевую пластину, установленную по ту или другую сторону линзы. Точечная форма источника напыления хрома позволяет получить наибольшую толщину пленки хрома в центре поверхности линзы и наименьшую по краям. Изменяя расстояние от источника распыления до линзы, можно подобрать оптимальное распределение хрома по ее поверхности. Однако практически даже при применении нейтрального фильтра на экране образуется зона, где облученность выше, чем в центре и по краям экрана (см. рис. 24.13, кривая 2).
Проявление мозаики производится с целью удаления люминофорного покрытия с незадубленных участков экрана. В процессе проявления на экране остается только */з нанесенного сплошного слоя, в виде мозаики или полос из частиц люминофора определенного цвета свечения.
Проявление производится путем облива люминофорного покрытия струей теплой деионизованной воды (обычно из специального пульверизатора). Задубленные участки покрытия не набухают и не растворяются в воде. На незадубленных участках покрытия поливиниловый спирт растворяется в воде и люминофор легко удаляется с экрана. Оптимальная температура воды при проявлении порядка 30°С. При меньшей температуре имеет место неполное удаление незадубленных участков покрытия, взаимно®
перекрестное загрязнение люминофоров и появление «вуали» на экране. При более высокой температуре воды происходит частичное набухание и растворение ПВС даже на задубленных участках покрытия, что приводит к пористости, размытию, выкрашиванию люминофорных точек, искажению их геометрической формы и размеров, отлипанию от поверхности стекла.
Увеличение кислотности воды (уменьшение pH) приводит к уменьшению размера задубленных люминофорных точек и повышает вероятность их отлипания от подложки.
§ 24.5. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАТРИЧНЫХ ЭКРАНОВ
Для экранов обычных цветных кинескопов нельзя применять стекло с высокой прозрачностью: повышение прозрачности стекла наряду с увеличением яркости (положительный фактор) приводит к снижению контрастности изображения (отрицательный фактор).
Снижение контраста объясняется отражением внешнего света от внутренних и внешних поверхностей стеклянного экрана, не покрытых люминофором и не обладающих собственным излучением.
В матричных экранах промежутки между отдельными элементами люминофорной мозаики заполнены черным светопоглощающим покрытием — черной матрицей (рис. 24.14). Черная матрица поглощает рассеянный свет элементов мозаики и внешнее излучение и соответственно препятствует его отражению от внутренней поверхности экрана в глаз наблюдателя. Это позволяет применять для экранов стекло с повышенной оптической прозрачностью и соответственно увеличить яркость экранов (без опасности ухудшения контраста) и улучшить чистоту цвета (чистоту цветового фона) и насыщенность цвета.
Рис. 24.14. Светопоглощающая матрица с ячейками для люминофора
Технологический цикл изготовления черной матрицы слагается из следующих последовательных операций: химическая очистка стеклянного экрана; нанесение на внутреннюю поверхность экрана методом центрифугирования сплошной светочувствительной пленки; экспонирование светочувствительной пленки на установке типа «Уран» (фотоэкспонирование светочувствительной пленки проводится при трех разных положениях экрана относительно излучателя световой энергии, вызывающей задубливание,— угловой шаг между двумя соседними положениями 120°С); проявление задубленного при фотоэкспонировании светочувствительного слоя деионизованной водой. После проявления образуется мозаика из чередующихся участков «голого» стекла и участков, покрытых светочувствительной пленкой (на участки, где осталась задублен- ная светочувствительная пленка, в дальнейшем будут нанесены люминофорные точки; на голые участки стеклянного экрана, с которых при проявлении удалена незадубленная светочувствительная пленка, в дальнейшем будет нанесено черное светопоглощающее покрытие); нанесение поверхностно-активного раствора с последующей сушкой; нанесение методами облива или пульверизации коллоидно-графитового препарата, образующего сплошное черное покрытие (аквадаговое покрытие); обработка черного аквадагового покрытия 5%-ным раствором пероксида водорода (задубленные элементы светочувствительного покрытия вступают в химическую реакцию с пероксидом водорода — при этом выделяются газообразные пузырьки, которые ослабляют сцепление с экраном задубленных элементов светочувствительной пленки и лежащих на них элементов черного аквадагового покрытия); проявление аквадагового покрытия деионизованной водой (аквадаговое покрытие смывается с тех участков, где оно лежало на задубленных элементах светочувствительной пленки, и остается на тех участках, где оно лежало непосредственно на «голом» чистом стекле экрана); контроль черной матрицы, образовавшейся после проявления аквадагового слоя.
$ 24.6. НАЗНАЧЕНИЕ И ТРЕБОВАНИЯ К АЛЮМИНИЕВОМУ ПОКРЫТИЮ
Алюминиевое покрытие, нанесенное на люминесцентные экраны, выполняет следующие функции.
Увеличивает яркость экранов. Излучение, создаваемое возбужденным зерном люминофора, распространяется во все стороны: и к наблюдателю, и внутрь прибора. Непрозрачная для световых лучей зеркальная алюминиевая пленка «отражает назад» 398
„в сторону наблюдателя ту часть излучения люминофора, которая в неалюминированных экранах бесполезно пропадает, рассеиваясь внутри прибора.
Повышает контрастность изображения на экране (непрозрачная для световых лучей алюминиевая пленка предохраняет люминесцентное покрытие от засветки и возбуждения лучами, отраженными от боковых стенок и внутренней арматуры прибора).
Защищает люминесцентное покрытие от ионной бомбардировки, от нарушения его структуры и появления дефекта «ионное пятно».
Устраняет насыщение экрана по яркости: яркость алюминированных экранов увеличивается пропорционально увеличению анодного напряжения (в неалюминированных экранах при анодных напряжениях выше 2-го критического потенциала наступает насыщение по яркости — при повышении анодного напряжения яркость экрана не изменяется).
Алюминиевая пленка служит подложкой для зеркала газопоглотителя, напыляемого на экран,— это позволяет получить газопоглощающую поверхность с большой сорбционной емкостью.
Алюминиевая пленка предохраняет люминофор от конденсации на нем паров металлов, способных вызывать его разложение, изменение цвета свечения или потерю светоотдачи (например, паров щелочных металлов калия, натрия, цезия, применяемых при активировании фотокатодов в ЭОП).
Алюминиевая пленка предотвращает «паразитную» эмиссию фотокатодов в ЭОП, она задерживает световые лучи, испускаемые люминесцентным покрытием внутрь прибора — по направлению к фотокатоду.
Алюминиевое покрытие на внутренней боковой поверхности электронных приборов выполняет различные функции: является анодом, создающим однородное электрическое поле, ускоряющее и фокусирующее электронный поток с катода; является электропроводящим покрытием на стекле, снимающим электрический заряд с поверхности стекла (стеклянная поверхность является изолятором, и в зависимости от коэффициента вторичной эмиссии на ней может возникать отрицательный или положительный заряд — это может привести к нарушению электрического поля, снижению разрешающей способности, миганию изображения, сцинтилляциям, пробоям между электродами и «паразитной» эмиссией); является газопоглотителем, повышающим вакуум в приборе.
Применение в качестве пленкообразователя алюминия объясняется его физико-химическими свойствами:
высоким давлением насыщенных паров алюминия при сравнительно низких температурах и легкостью перевода алюминия в парообразное состояние;
химической инертностью алюминия по отношению к люминофорам, стеклу и материалу испарителя;
малым положительным зарядом атомов алюминия — это уменьшает рассеивание электронов при прохождении через пленку и обеспечивает ее проницаемость для электронов;
высоким коэффициентом отражения света и непрозрачностью для световых лучей любой длины волны, испускаемых люминофорами (это особенно важно для цветных экранов, имеющих три разных люминофора);
наличием газопоглощающей способности по отношению к остаточным газам и парам в приборе (после откачки прибора).
Алюминиевая пленка на экране должна иметь толщину порядка 50—500 ммкм в зависимости от энергии электронов, бомбардирующих экр^н.
При оптимальной толщине алюминиевой пленки она прозрачна для электронов, но непрозрачна для ионов и световых лучей. Оптимальная толщина пленки зависит от анодного напряжения в приборе: чем меньше потенциал анода, тем меньше оптимальная толщина пленки.
При толщине пленки 50 ммкм и анодном напряжении 16 кВ электроны теряют 5% своей энергии, при анодном напряжении 10 кВ — 20% энергии, а при анодном напряжении менее 5 кВ —100% энергии (т. е. полностью тормозятся пленкой).
Во всех случаях при отклонении толщины пленки от оптимальной в сторону уменьшения снижается коэффициент отражения света (ухудшается ее зеркальность) и тем самым ухудшаются яркость и контрастность экрана.
При отклонении толщины пленки от оптимальной в сторону увеличения снижается яркость экранов (так как уменьшается кинетическая энергия электронов, бомбардирующих люминофоры), появляется брак «неравномерность яркости по экрану» и «темные пятна» на экране.
При толщине пленки свыше 1000 ммкм она коробится и провисает под действием собственного веса и соответственно отслаивается и отлипает от подложки.
1
Оптимальной считается толщина пленки, при преодолении которой электроны теряют не более 1,5—2 кЭВ энергии.
2
Алюминирование экранов низковольтных приборов ( 5 кВ) нецелесообразно, так как приводит к снижению яркости.
ГЛАВА 25. МОНТАЖ ВНУТРЕННЕЙ АРМАТУРЫ ЭВП
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К МОНТАЖНЫМ ОПЕРАЦИЯМ
Монтаж — технологический процесс, состоящий из комплекса последовательных операций:
соединения отдельных деталей в сборочные единицы (например, сборка мишений, катодно-подогревательных узлов, замедляющих систем и др.);
соединение сборочных единиц друг с другом — сборка внутренней арматуры прибора (например, электронно-оптических систем кинескопов);
закрепление внутренней арматуры на ножке прибора — посадка арматуры на ножку;
создание постоянного электрического контакта между электродами внутренней арматуры и соответствующими выводами ножки;
очистка внутренней арматуры от жировых и оксидных загрязнений, выплесков металла, ворса, заусенцев (например, в плазменном разряде).
Внутренняя арматура выполняет задачу создания требуемого распределения электрических полей в приборе и содержит обычно несколько деталей и сборочных единиц: электроды, например катоды, аноды, отклоняющие пластины, сетки, подогреватели; керамические, стеклянные, слюдяные изоляторы (служащие для жесткого закрепления электродов, обеспечения электрической изоляции электродов и требуемого расстояния между ними); различные вспомогательные детали, например, экраны, необходимые для предотвращения взаимного влияния электрических полей.
В конструкции каждого электрода можно выделить геометрические элементы, имеющие различное назначение (рис. 25.1).
Рабочие элементы / электрода участвуют в создании и определяют формирование электростатического поля; составляющие рабочего контура описываются математическими зависимостями, определяющими в конечном счете электронные и ионные характеристики внутренней арматуры. В ЭЛТ в большинстве случаев рабочие контуры — это круглые отверстия или Цилиндрические поверхности электродов асимметричных систем.
Фиксирующие элементы 2 наружного контура электродов, Цазываемые обычно держателями, служат для сопряжения элек- тРода с несущими изоляторами.
Технологические элементы 3 контура электрода — поверхности сопряжения рабочих и фиксирующих элементов в объемных
электродах и наружные контуры между держателями д^ электродов.
Базирующие поверхности 4 детали определяют расположение форму и размеры поверхностей, по которым осуществляются базирование детали при изготовлении и взаимная ориентация электродов при сборке. Базирующие поверхности выбираются да основе принципа единства баз на всех технологических операциях изготовления детали и сборки арматуры. В качестве баз ца электродах принимаются элементы рабочего контура (например, в асимметричных системах — круглые отверстия или цилиндрические поверхности), участки наружного контура детали а также специально выполненные технологические базы (отверстия, вырубки контура) на фланцах электродов и на плоских диафрагмах. От правильного выбора базирующих поверхностей детали зависит высокая точность расположения электродов в конструкции и соответственно требуемое распределение электрического поля внутри арматуры прибора.
К монтажным операциям предъявляются некоторые требования. На деталях не должно быть заусенцев и острых краев (особенно на электродах, находящихся под отрицательным потенциалом). На острых краях арматуры создается высокая напряженность электрического поля, что приводит к автоэлектронной эмиссии и пробоям, к появлению «паразитных» сигналов, расплавлению электродов и разрушению эмиссионного покрытия катодов. Если неровности нагреты до высоких температур, то наряду с холодной эмиссией наблюдается и паразитная термоэмиссия; такое сочетание процессов (комплексная паразитная эмиссия) вызывает их взаимное усиление, приводящее к нарушению режимов работы прибора. Например, источником комплексной паразитной эмиссии в кинескопах служат края отверстия
iidtihiidtihРис. 25.1. Контуры электродовРис. 25.1. Контуры электродов1бйМя1бйМя
iidtih
iidtih
Рис. 25.1. Контуры электродов
Рис. 25.1. Контуры электродов
1бйМя
1бйМя
диафРагмы модулятора, имеющие заусенцы, на которые напылялся оксиды щелочноземельных металлов с катода. Скорость напыления на модулятор резко увеличивается при повышении температуры катода. При увеличении температуры катода на 200°С скорость напыления оксида бария увеличивается в 100 раз. Наибольший уровень паразитной эмиссии наблюдается при использовании модулятора из стали Х18Н9, наименьший — при изготовлении модулятора из никеля.
Для снижения уровня паразитной эмиссии с модулятора рекомендуется: наносить на него специальные антиэмиссионные покрытия, например сплав олова с никелем, золото или титан; изготовлять отверстие в модуляторе методом электроискровой прошивки, которая позволяет получать модуляторы без заусенцев и острых краев; проводить тщательную электрохимическую полировку модуляторов для сглаживания заусенцев и удаления аморфных пленок (так как после химической полировки на деталях могут оставаться следы аморфных пленок, способных вызвать «паразитную» эмиссию и пробои). Для удаления заусенцев рекомендуется также оплавление сварочных швов лазерным лучом.
Материалы, применяемые для деталей внутренней арматуры, должны быть немагнитными, потому что намагниченность деталей приводит к появлению магнитных полей, искажающих параметры прибора. Кроме того, к намагниченным деталям интенсивно прилипают металлические частицы и выплески металла, образовавшиеся при некачественной сварке, а также содержащиеся в окружающей среде — при вибрации и ударных нагрузках на прибор эти частицы («посторонние тела») попадают в зазоры между электродами и вызывают пробои, утечки, «паразитную эмиссию» и повышенное газовыделение.
Снижения намагниченности деталей можно достигнуть:
Применением материалов с малой магнитной проницаемостью. Величина остаточной намагниченности в сталях снижается по мере увеличения в стали содержания никеля (например, сталь Х18Н12, содержащая 12% никеля, характеризуется значительно меньшей намагниченностью, чем сталь Х18Н9, содержащая 9% никеля); или увеличения содержания в стали углерода (например, сталь Х18Н9, содержащая более 1% углерода, характеризуется меньшей намагниченностью, чем сталь вакуумной пленки °00Х18Н9, содержащая тысячные доли процента углерода). Поэтому применение сталей вакуумной плавки с малым содержанием углерода (т. е. сталей с большим числом нулей перед названием марки) возможно только при высоком содержании в них никеля.
Применением материалов для деталей с возможно меньшим ^Держанием примесей — колебание количества примесей даже в
пределах нормы ГОСТа на сталь приводит к резкому изменению магнитных свойств (поэтому каждую партию стали необходимо контролировать на остаточную намагниченность).
Применением операции отжига при высокой температуре (превышающей точку Кюри) и с достаточной длительностью — при холодной штамповке за°рчет образования нагартованной волокнистой структуры даже нержавеющие стали приобретают магнитные свойства, которые можно устранить только рекристаллизационным отжигом.
Размагничиванием в специальных высокочастотных катущ. ках собранных узлов и собранной внутреннКй арматуры — щу связано с тем, что намагничивание деталей может происходить при сварке деталей в процессе монтажа прибора.
К внутренней арматуре предъявляются следующие основные требования: точность сборки элементов, надежность электрических контактов, механическая прочность, чистота поверхности.
Точность сборки — это требуемые расстояния между электродами, соосность их расположения, отсутствие деформаций и искажений геометрической формы отдельных элементов арматуры. Точность сборки обеспечивают малыми допусками на геометрические размеры электродов, изоляторов и крепежных элементов; стабильностью механических и теплофизических свойств материала деталей (в частности, твердости, пластичности, теплопроводности и др.); оптимальной конструкцией и высокой точностью изготовления сборочных оправок и приспособлений, применяемых при монтаже; оптимальным выбором базовых поверхностей; технологичностью конструкции внутренней арматуры.
Во всех случаях резонансная частота колебания арматуры должна находиться вне пределов частот механических нагрузок, которым может подвергаться прибор в процессе его эксплуатации. Амплитуда колебаний арматуры на собственной резонансной частоте должна быть по возможности малой. При эксплуатации прибора в условиях резонанса может происходить полное или частичное разрушение арматуры.
Основные операции монтажа производятся методами электро- контактной сварки на монтажно-сварочных столах.
При монтаже применяют специальные и универсальные инструменты. К специальным инструментам относятся оправки, предназначенные для предварительного фиксирования взаимного положения электродов, а также различные приспособления, предназначенные для выполнения переходов. Главная часть любой оправки — система стержней и направляющих поверхностей, 113 которых располагаются электроды собираемой арматуры в точно фиксированных положениях. Из универсальных инструментов
„аде всего применяют пинцеты, ножницы, монтажные иглы, плоскогубцы, кусачки, бокорезы и т. п.
Посте монтажа арматуры ее обязательно очищают от загрязнений одним из следующих способов: арматуру промывают в кнпящей дистиллированной воде с последующим обезвоживанием в спирте и сушкой в термостате при Т = 100 + 150°С или в вакуумных шкафах; промывают в ультразвуковых установках с органическими растворителями, а также подвергают плазменной очистке с использованием тлеющего или высокочастотного разряда в среде разреженного инертного газа или воздуха.
В последнее время монтаж многих типов ЭВП осуществляется на поточно-механизированных линиях, которые состоят из отдельных механизмов (рабочих позиций), сборочных автоматов и полуавтоматов, соединенных общей транспортной системой. Весь процесс монтажа делится на операции, имеющие равные или хотя бы кратные длительности. При полуавтоматической сборке пакетов ПУЛ укладка электродов в слюдяные держатели, центровка и фиксирование электродов производятся в специальных оправках, а досылка электродов и скрепление пакета производятся не вручную, а при помощи механизмов.
При механизированной сборке должны соблюдаться жесткие допуски на размеры деталей, а также на геометрию и точность работы сборочных механизмов. Это обеспечивает сочленение деталей между собой, точную посадку в направляющих, фиксирование, центровку и механическую досылку деталей.
ОСОБЕННОСТИ МОНТАЖА ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ТРУБОК
Электронно-оптическая система (ЭОС) электронно-лучевых трубок служит для создания электронного луча, управления его характеристиками и перемещением по экрану.
Основой электронно-оптической системы является арматура — совокупность электродов (катодно-модуляторного узла, ускоряющих, фокусирующих и управляющих анодов, пластин, экранов, собранных в единую систему на изоляторах).
Электронная пушка (ЭП), включающая катодно-модуляторный Узел и ускоряющий анод, является фукнциональным элементом, общим для всех типов ЭЛТ вне зависимости от разнообразия их конструкций, принципа действия и назначения.
К а т о д н о-м о д у л я т о р н ы й узел состоит из катодно- нодогревательной сборочной единицы, вставленной и закрепленной в Цилиндре модулятора (рис. 25.2).
Принципиальная схема ЭП (рис. 25.2) определяет конструкцию модулятора (а — чашечная, б — сборная): форму и
12123
Рис. 25.2. Варианты конструкции модулятора:
1— модулятор; 2— КПУ; 3— несущая диаграмма; 4— кольцедержатель
размеры рабочего отверстия, поверхностей, по которым базируется КПУ, толщину диафрагмы.
В сборочных конструкциях важно обеспечить точность ориентации отверстия модулятора по базовым элементам, иначе нарушается соосность всей ЭОС.
Основные характеристики и параметры электронного луча тем лучше, чем меньше диаметр отверстия и толщина диафрагмы модулятора в зоне отверстия. Однако с уменьшением толщины диафрагмы повышается вероятность ее деформаций, коробления и изменения оптимального расстояния между электродами. Оптимальная толщина диафрагмы модулятора от 0,14 до 0,2 мм. Наиболее целесообразна конструкция модулятора с утонением диафрагмы в зоне отверстия. Например, при исходной толщине материала 0,25—0,3 мм в зоне отверстия методами штамповки, травления или резания делают утонение с толщиной порядка 0,15 мм. Конструкция модулятора с утонением имеет хороший теплоотвод, более устойчива к механическим и термическим воздействиям и менее критична к допускам на толщину металла. Дальнейшее утонение модулятора в зоне отверстия до 0,1 мм возможно на основе методов гальванопластики и лазерной технологии. Очень перспективной является конструкция модуля^ тора на основе диэлектрика с напыленным слоем металла заданной толщины.
Отверстия в модуляторе можно изготовлять различными технологическими способами: традиционной технологией пробивки отверстий на штампах (этот способ имеет два основных недостатка — наличие заусенцев по контуру отверстия, невозможность получения отверстий с диаметром менее 0,5 мм); электр0" эрозионной прошивкой отверстия, что позволяет получаТЬ 406
отверстия с минимальным диаметром порядка 0,25 мм. До- огоинством электроэрозионной технологии является практическое отсутствие заусенцев и возможность прошивки за одну операцию соосных отверстий в последовательно расположенных электродах арматуры.
Лазерная и ионная технология позволяет получать отверстия с диаметром менее 0,2 мм. Очень перспективным способом является прошивка отверстия в модуляторе сфокусированным мощным пучком электронов с катода, в этом случае отверстие в модуляторе по форме и размеру точно соответствует диаметру электронного луча. Прошивка отверстия электронным лучом производится посте откачки и тренировки прибора и приобретения катодом эмиссионной способности.
В высоковольтных приборах в качестве материала для модулятора вместо стали применяют никель — это позволяет уменьшить вероятность появления «паразитной» эмиссии.
Изготовление модулятора из константана может привести к отравлению катода легколетучими компонентами, выделяющимися из константана (особенно при перегреве модулятора: при малом расстоянии катод — модулятор, высокой температуре катода, положительном потенциале на модуляторе во время тренировки и т. д.).
Расстояние между катодом и модулятором определяет такие важные параметры электронно-лучевых трубок, как запирающее напряжение, модуляция, рабочая поверхность катода, крутизна эмиссионной характеристики и др. В зависимости от конструкции ЭЛТ это расстояние составляет 0,1—0,3 мм и должно обеспечиваться с точностью до 0,01 мм.
Большое значение имеет плоскостность (параллельность) торца катодного колпачка: при наличии кривизны (особенно в центре) затрудняется установка катода на точном расстоянии от модулятора и обеспечение равномерной температуры по всей поверхности катода. Разброс температуры катода зависит также от точности Установки подогревателя внутри катодной трубочки (от его Расстояния до торца и боковых поверхностей катодной трубочки).
Различают две конструкции катодно-модуляторных узлов; Расстояние катод — модулятор задается с помощью специальной Установочной детали — спейсера; это расстояние устанавливается без спейсера механическим, оптическим, пневматическим или емкостным методом.
В современных катодно-подогревательных узлах (например, ^ПУ-21, КПУ-16, КПУ-13) роль спейсера выполняют дополнительные калиброванные выступы на керамическом изоляторе Катода (см. с. 294).
Сборка внутренней арматуры (ЭОС) на изоляторах Производится следующим образом. Собранные металлические узлы
и отдельные детали объединяют в неразъемную арматуру с помощью стеклянных или керамических несущих изоляторов Несущие изоляторы должны иметь высокое электрическое сопротивление, большую прочность и малое газовыделение в вакууме, не содержать компонентов, склонных к автоэлектронной эмиссии под действием электрических полей.
На рис. 25.3 показаны структурные схемы различных видов сборки электронно-оптических систем. Холодная сборка арматуры обычно осуществляется на керамических стержнях с помощью держателей-хомутиков.
При горячей (огневой) сборке арматуры электроды крепят на стеклянных изоляторах путем запрессовки (накалывания) в размягченные изоляторы держателей электродов. Процесс горячей сборки арматуры называется штабикованием. Основными факто- * рами при горячей сборке, влияющими на соблюдение требуемой геометрии и точности межэлектродных расстояний, являются:
Рис. 25.3. Структурные схемы видов сборки арматуры электронно-оптических систсм 408
Рис. 25.4. Схема штабико- вания:1— механизм накалывания; 2— штабик на иголках; 3—электронно-оптическая система; 4— призмаРис. 25.4. Схема штабико- вания:1— механизм накалывания; 2— штабик на иголках; 3—электронно-оптическая система; 4— призма
Рис. 25.4. Схема штабико- вания:
1— механизм накалывания; 2— штабик на иголках; 3—электронно-оптическая система; 4— призма
Рис. 25.4. Схема штабико- вания:
1— механизм накалывания; 2— штабик на иголках; 3—электронно-оптическая система; 4— призма
цисло несущих изоляторов в арматуре; выбор метода посадки щтабиков (последовательная или параллельная посадка); тепловой режим штабикования (температура нагрева изоляторов, время выдержки на оправке после посадки штабиков); деформация щтабиков и держателей при остывании.
Стеклянные изоляторы предварительно нагревают до высокой температуры. Размягченное стекло обтекает и обволакивает расплющенный конец металлического держателя электрода и после остывания образует с ним механическое соединение.
После запрессовки держателей в штабики между поверхностями держателя и стекла должен находиться небольшой зазор, который компенсирует расширение металлического держателя при нагреве арматуры в процессе изготовления и эксплуатации прибора (например, при высокочастотном обезгаживании арматуры). Наличие зазора предотвращает возникновение напряжений и разрушение штабиков при термических и вибрационных нагрузках на арматуру. Поэтому при штабиковании должен образовываться
не спай, а несмачиваемое механическое соединение стекла с металлом.
Для образования зазора необходимы следующие условия: ТКР а металла держателя должен быть выше ТКР а стекла штабика — в этом случае в процессе охлаждения после штабикования металл держателя будет сжиматься больше, чем штабик, и между ними образуется зазор, размер зазора зависит от разницы ТКР стекла и металла.
На металле держателя должна отсутствовать хорошо смачиваемая стеклом пассивирующая оксидная пленка. При наличии смачиваемой стеклом оксидной пленки вместо механического соединения образуется спай стекла с металлом. Поэтому детали необходимо пРедварительно подвергать очистительному восстановительному отжигу в ва- кУУме или в среде сухого водорода с Низкой температурой точки росы. На Рис. 25.4 показана схема процесса Штабикования.
Прочность, соосность и точность ^крепления держателей электродов в Штабиках зависят от температуры
штабиков, формы конца держателя, глубины его погружения и угла входа держателя в штабик:
температура нагрева штабика должна быть достаточной дЛя образования вокруг держателя равномерного по толщине «кратера» — размягченное стекло за счет сил поверхностного натяжения обтекает контур держателя;
расплющенные концы держателей электродов должны находиться в одной плоскости — иначе некоторые из них будут направлены в стекло под разными углами, что вызывает уменьшение прочности крепления и повышенную вероятность возникновения межэлектродных пробоев.
Температура штабика в момент накалывания может колебаться в широких пределах: при изменении температуры пламени горелок, например за счет колебаний давления и теплотворной способности газа; при разбросе величин теплоемкости штабиков, зависящей от массы и химического состава стекла штабика; при изменении интенсивности теплоотвода от штабика — при колебаниях температуры и циркуляции атмосферного воздуха, массы и температуры призмы и др.
Неблагоприятные сочетания этих факторов могут привести к недогреву или перегреву штабика и соответственно к деформации держателей, треску штабика, несоосности и низкой прочности
закрепления электродов в арматуре.
Глубина внедрения д держателя в стекло должна лежать в пределах 0,5—0,7 диаметра или толщины штабика (при меньшей глубине внедрения — механическая прочность низкая; при слишком большой происходит растрескивание стеклянного изолятора).
Глубина внедрения д держателей также зависит от многих факторов: величины хода / механизма накалывания держателя
(см. рис. 25.4), который может изменяться в зависимости от точности настройки станка; степени износа; снижения жесткости в процессе эксплуатации станка и др.; разброса в допусках на диаметр штабика; размера держателей, диаметра электродов, к которым по периферии приварены держатели.
Эксцентриситет е между осью штабика и траекторией перемещения держателей (по их остриям) обусловливается еле' дующими причинами: погрешностями сборки направляют^ призмы и направляющих механизма накалывания; геометрическом неточностью приварок держателей по окружности, их уровнем
заострения, механическими свойствами и т. д.
При грубом нарушении эксцентриситета держатель может войти в штабик не по центру и согнуться. Штабики обычно изготовляют из стекол, обладающих высоким электрическим сопротивлением. При напряжениях между электродами менее *
КВ рекомендуется применять стекло С93-1, а при напряжениях более 20 кВ — спрессованное порошковое стекло С25-1 или С25-2, обеспечивающее более высокую электрическую прочность.
Штабики из спрессованного стеклянного порошка (в отличие от штабиков из монолитного стекла) не имеют продольных воздушных капилляров. Наличие в штабиках капилляров может привести к межэлектродным пробоям, перегреву штабиков «паразитными» токами и их разрушению.
В качестве материала для держателей электродов обычно применяют немагнитную сталь, константан или нихром, имеющие ТКР 100 • 10"71/°С.
Перед сборкой арматуры электронно-оптической системы электроды устанавливают в монтажной оправке. Назначение оправки — центрирование электродов и обеспечение определенных межэлектродных расстояний до скрепления электродов изоляторами. Применяются два основных способа базирования электрода в сборочной оправке: по центральному керну, проходящему через рабочие отверстия электродов; по базовым технологическим отверстиям на фланцах электродов или по вырезам их наружного контура.
Наилучшую соосность обеспечивает центровка электродов по их внутренним диаметрам и отверстиям.
Для точного расположения электродов в оправке и обеспечения тем самым требуемых межэлектродных расстояний применяют специальные прокладки, которые удаляют после закрепления электродов в стеклянных изоляторах. Размер прокладки, задающий межэлектродное расстояние, должен быть больше требуемого межэлектродного расстояния, так как охлаждение изоляторов сопровождается усадкой. Из-за усадки изоляторов упругие держатели электродов деформируются и межэлектродное расстояние изменяется (например, взаимное смещение двух соседних электродов для стекла С25-1 составляет 0,01—0,03 мм, а для стекла С93-1—0,02—0,08 мм). Усадка стекла приводит также к перекосу электродов.
В современных ЭЛТ система анодов представляет собой набор пластинчатых плоских диафрагм, расположенных на определенном Расстоянии друг от друга и закрепленных в стеклянных штабиках. Применение пластинчатой электронно-оптической системы позво- ляет упростить ее конструкцию, механизировать процесс сборки, снизить браки ЭЛТ типа «срез кадра», «велик угол образующей» и Улучшить токораспределение. Кроме того, пластинчатая элект- Р°нно-оптическая система поддается более тщательной очистке и промывке перед окончательным монтажом.
Расстояние между плоскими диафрагмами должно быть °Птимальным. Увеличение расстояния между диафрагмами (и
соответственно уменьшение числа дифрагм) приводит к проникновению внешнего поля в пространство между диафрагмами, нарушает эквипотенциальность пространства (за счет «провисания» поля) и ухудшает электронно-оптические характеристики прибора (например, снижает разрешающую способность, увеличивает остаточное несведение электронных лучей в цветных кинескопах и т. д.). Допустимая величина интервала между дифрагмами тем больше, чем меньше отношение диаметра рабочего отверстия в диафрагме к внешнему диаметру окружности диафрагмы (т. е. чем меньше вероятность «провисания» внешнего поля) и чем меньше разность потенциалов между электродами.
На практике применяют способы последовательной и параллельной сборки штабиков. На стационарных однопозиционных установках штабикования применяют способ последовательной сборки, при котором штабики поочередно накалываются (запрессовываются) на арматуру.
Собранная оправка с арматурой устанавливается в головку станка или полуавтомата штабикования (рис. 25.5). Стеклянный штабик 1 укладывается на желобок, сделанный в плите 7 (призме) из жаростойкой стали. При помощи газовой горелки 5, перемещающейся на кронштейне, штабик разогревается до размягчения. В это время на него опускается головка 5 с оправкой 4, в которой находится собранная арматура электронно-оптической системы. При этом ряд держателей электродов, находящихся в нижнем положении, входит (впрессовывается) в штабики примерно до половины их толщины. Затем головка 5 вместе с оправкой 4 и штабиком 1 под действием возвратной пружины 6 поднимается в исходное положение. Далее оправка поворачивается вокруг своей оси так, что в нижнем положении оказывается следующий ряд держателей, которые впрессовываются во второй штабик.
При параллельном штабиковании происходит одновременное накалывание (запрессовка) двух, трех или четырех штабиков. Параллельная сборка повышает приозводительность и обеспечивает более высокую точность и соосность арматуры — это объясняется более равномерной усадкой стекла при охлаждении.
Параллельное штабикование осуществляют тремя способами: с прямолинейной траекторией внедрения держателей электродов в изоляторы (рис. 25.6, а); с круговой траекторией внедрения держателей в изоляторы (рис. 25.6, б); с комбинированной траекторией (рис. 25.6, в).
В случае кругового движения изолятора держатели электродов внедряются в него под углом, отличном от прямого, при этом в стенке изолятора происходит перемещение размягченной стекломассы в вертикальной плоскости. Таким образом, с одной сторон111 держателя образуется «кратер» — углубление, а с другой — наплыв
Рис. 25.5. Станок для скрепления металлических деталей стеклянными изоляторами:
Рис. 25.6. Способы параллельного штабикования:1— стеклянный штабик; 2— держатель электродаРис. 25.6. Способы параллельного штабикования:1— стеклянный штабик; 2— держатель электрода1—штабик; 2—экономайзер; 3— газовая горел- ка> 4— оправка; 5— головка; 6— возвратная пружина; 7— плита
Рис. 25.6. Способы параллельного штабикования:
1— стеклянный штабик; 2— держатель электрода
Рис. 25.6. Способы параллельного штабикования:
1— стеклянный штабик; 2— держатель электрода
стекла. При этом снижается механическая прочность крепления арматуры электронно-оптической системы, нарушается соосность электродов и происходит выпадение отдельных электродов.
Несоосность электродов в основном зависит от разброса глубины погружения держателей в штабики из-за неравномерности нагрева изоляторов и разнотолщинности концов держателей. Несоосность возрастает также при увеличении расстояния между Центром вращения изолятора и осью арматуры и при повышении начальной скорости внедрения держателей в изолятор.
Посадка собранной арматуры на ножку — это операция закрепления арматуры на ножке, в процессе которой обеспечивайся электрический контакт между электродами и выводами ножки, что позволяет подавать на электроды требуемое напряжение.
При посадке ЭОС на ножку требуется высокая точность Остановки расстояния и ориентации ЭОС относительно штырьков
11 оси ножки, а также относительно люминесцентного экрана.
На операциях завершающего монтажа к арматуре приваривают Центрирующие и контактные пружины, а также газопоглотитель.
Для предотвращения холодной эмиссии с контейнера газопог- лотителя его не рекомендуется крепить на электродах с низким потенциалом.
Упругие элементы (пружина) изготовляются из дисперсионно- твердеющих сплавов (марки 36ХТЮ и 36НХТЮМ), сохраняющих свои упругие характеристики при воздействии повышенных температур.
Жесткость пружин должна быть достаточной для предотвращения резонансных колебаний арматуры в заданном диапазоне. Однако нецелесообразно повышать устойчивость арматуры к вибрационным и ударным нагрузкам только за счет дополнительных центрирующих элементов: при вставлении арматуры к ножке прикладываются значительные осевые усилия, значения которых зависят от жесткости центрирующих пружин и диаметра горловины. Усилие вставления через держатели и выводы передается на штабики и электроды, причем малейшее изменение направления прилагаемого усилия может вызвать эффект «шарнирной лестницы», так как жесткость электродов на изгиб незначительна.
При механических воздействиях на ножку или арматуру возникают непредсказуемые и неоцениваемые по величине и направлению постоянные и переменные местные нагрузки как на штырьки и бусы ножки, так и на держатели в местах их заделки в штабики и сварки со штырьками. Это является причиной больших местных напряжений, вызывающих растрескивание и разрушение стекла. При этом очень жесткие или дополнительные центрирующие пружины являются источником постоянной нагрузки, направленной перпендикулярно оси прибора и прилагаемой к элементам сопряжения ножки с арматурой.
ОСОБЕННОСТИ МОНТАЖА ЦВЕТНЫХ КИНЕСКОПОВ
К характерным особенностям ЭОС цветных кинескопов относятся:
Необходимость утроенной мощности накала для одновременного нагрева трех катодов до рабочей температуры. Это может вызывать перегрев близлежащих деталей, их деформацию и смещение соответственно, ухудшение сходимости электронных лучей, чистоты цвета, а также повышение газовыделения в приборе.
Строгая ориентация трех электронных пушек относительно друг друга и относительно экраномасочного узла.
Малые межэлектродные расстояния ввиду необходимости размещения трех электронных пушек в одной горловине кинО' скопа, диаметр которой должен быть по возможности минималь ным (как известно, чем меньше диаметр горловины, тем менЫИ6
Рис. 25.7. Смещение следов электронных лучей за счет поворота блока электроннооптической системы относительно осн экрана:1—люминофорная точка; 2—электронный след; б— смещение центров люминофорных точек и электронных следовРис. 25.7. Смещение следов электронных лучей за счет поворота блока электроннооптической системы относительно осн экрана:1—люминофорная точка; 2—электронный след; б— смещение центров люминофорных точек и электронных следов
Рис. 25.7. Смещение следов электронных лучей за счет поворота блока электроннооптической системы относительно осн экрана:
1—люминофорная точка; 2—электронный след; б— смещение центров люминофорных точек и электронных следов
Рис. 25.7. Смещение следов электронных лучей за счет поворота блока электроннооптической системы относительно осн экрана:
1—люминофорная точка; 2—электронный след; б— смещение центров люминофорных точек и электронных следов
мощность, потребляемая отклоняющей системой, и выше чувствительность отклонения). з'то приводит к повышению вероятности появления дефекте типа «паразитная эмиссия» и «межэлектродные пробои» в случае наличия на деталях малейших загрязнений и заусенцев.
Резкое ухудшение чистоты цвета при неправильной ориентации трехпушечного блока ЭОС относительно экраномасочного узла: при наклоне оси блока пушек относительно оси ЭМУ, боковом и продольном смещении этого блока относительно его номинального поло
жения, повороте электронно-оптической системы относительно экрана (рис. 25.7).
Недопустимость разброса в величинах запирающего напряжения в электронных пушках, иначе затрудняется регулировка баланса белого цвета.
Оси трех электронных пушек должны пересекать плоскость отклонения электронных лучей в тех местах, где при фотоэкспонировании располагались источники света (головки световодов).
Невозможность применения фокусирующих электродов большого диаметра, поэтому в цветных кинескопах нельзя применять триодную систему с одиночной линзой (как известно, одиночная линза имеет малые аберрации и искажения электронного пятна только при применении фокусирующих электродов большого диаметра; например, в черно-белых кинескопах). Поэтому для обеспечения качественной фокусировки в ЭОС ЦЭЛТ применяется тетродная система с иммерсионной Фокусирующей линзой, состоящая из катодно-модуляторного узла, • Скоряющего и фюкусирующего электродов и анода.
В цветных кинескопах с мозаичным экраном, состоящим из набора триад, применяется обычно дельтаобразная элект- Ронно-оптическая система. Она представляет собой три отдельные ^Лектронные пушки, оси которых наклонены под небольшим углом 86 1°) к общей оси электронно-оптической системы. Это обвешивает сходимость: электронных лучей в отверстиях маски и
попадание каждого луча на «свой» люминофор (зеленый, синий или красный).
Для совмещения всех трех неотклоненных лучей в одном отверстии маски в центре экрана (при отключенной отклоняющей системе) применяется статическая система сведения, которая устраняет: геометрические погрешности сборки во взаимном расположении трех электронных пушек относительно друг друга и относительно экраномасочного узла; искажения геометрии связанные с деформацией деталей при термических нагрузках на ЭОС; искажения размеров и геометрии электронных пятен на экране, которые могут возникать под действием неконтролируемых электрических и магнитных полей (например, при накоплении электростатических зарядов на внутренней поверхности горловины при бомбардировке ее рассеянными электронами; при наличии остаточного магнетизма на деталях ЭОС; влиянии магнитного поля земли и полей, создаваемых ферромагнитными деталями телевизора или монитора).
Статическая система сведения позволяет уменьшить остаточное несведение лучей, повысить разрешающую способность, чистоту цвета в центре экрана. Электронные лучи, статически сведенные в центре, при их развертке по полю экрана могут «сползать со своих люминофорных точек». Это явление может быть связано с погрешностями фотопечати экрана (малой величиной охранного кольца) и с разбросом параметров отклоняющих систем.
Магнит чистоты цвета, выполняемый в виде системы кольцевых магнитов, вращаемых относительно друг друга вокруг оси горловины, служит для уменьшения сползания электронных лучей со «своих» люминофоров. Магнит чистоты цвета воздействует сразу на все три электронных луча одновременно, перемещая их следы по экрану в произвольном направлении. Напряженность результирующего магнитного поля зависит от взаимного расположения полюсов магнита, а общая ориентация системы магнитов на горле определяет направление этого поля. Регулированием поля этого магнита добиваются оптимального совмещения электронных лучей на люминофорных триадах по всей поверхности люминесцентного экрана.
Действие корректирующего магнитного поля на электронные лучи может вызвать дополнительное искажение, например астигматизм.
Компланарная электронно-оптическая система состоит из трех электронных пушек, оси которых располагаются в одной горизонтальной плоскости.
Применяются три разновидности компланарной электронно' оптической системы: блочная конструкция; система с трем51 отдельными пушками, выполненными на цилиндрических элект'
родах; система с общими для всех трех лучей электродами в виде плоских пластин с тремя отверстиями.
При компланарном расположении электронных пушек упрощается система сведения лучей и практически применяется принцип самосведения, однако в 2—4 раза ужесточаются допуски на размеры деталей и резко повышаются требования к точности сборки по сравнению с дельтаобразной электронно-оптической системой.
Для самосведения лучей используются прецизионные отклоняющие системы, в которых специальным расположением витков создается магнитное поле с заданным астигматизмом. В таком поле три электронных луча, расположенных в одной горизонтальной плоскости и сведенных в одну точку в центре экрана (за счет системы статического сведения), сохраняют свою сходимость и при отклонении их в любую точку экрана.
Компланарные системы используются обычно в кинескопах с линейчатым цветным экраном (в кинескопах со щелевой маской).
Большинство дисплейных кинескопов относится к гибридному типу, они имеют компланарную электронно-оптическую систему и мозаичный экран, состоящий из набора триад (дельта-экран).
ГЛАВА 26. СОЕДИНЕНИЕ СТЕКЛЯННЫХ ДЕТАЛЕЙ
ЗАВАРКА ГАЗОВЫМ ПЛАМЕНЕМ
На практике для соединения стеклянных деталей применяют различные виды сварки: газовым пламенем; газоэлектрическую, электродуговую; высокочастотную индукционную; лазерную, плазменную; с использованием лучистой энергии; термодиффузионную, а также соединение деталей стеклокристаллическими Цементами.
Для получения герметичного и прочного соединения необходимо, чтобы соединяемые стекла были согласованы по температурному коэффициенту расширения, форме и вязкости.
Заваркой называется операция окончательной сборки оболочки ЭВП перед ее вакуумной обработкой. Заварка ножки — операция герметичного соединения собранной ножки с колбой. После заварки образуется оболочка электровакуумного прибора, внутри которой находится арматура.
Принципиальная технологическая схема заварки собранной ножки в колбу состоит из нескольких операций: наполнение колбы Инертным или восстановительным газом; предварительный подог- Рсв ножки или колбы; сварка собранной ножки с колбой в единую
оболочку, внутри которой находится внутренняя арматура прибора; отжиг заваренной оболочки; контроль заваренной оболочки.
На практике применяют три способа предварительного подогрева ножки и колбы: огневая обработка с помощью газовых горелок; теплоотдача в электрических печах- излучение от накаленных спиралей или лучевой нагрев специальными лампами.
Скорость разогрева стекла зависит от способа нагрева и должна быть тем ниже, чем больше толщина стенок, сложнее конфигурация и меньше термостойкость стекла.
Скорость разогрева стекла пламенем газовых горелок не должна превышать 200°С/мин. Ввиду малой теплопроводности стекла более быстрый нагрев приводит к неравномерному прогреву внешних и внутренних слоев стекла, следствием чего являются сильные временные внутренние напряжения и растрескивание стекла.
При предварительном прогреве места заварки газовым пламенем (а также в процессе заварки и отжига) необходимо, чтобы весь баллон прогревался до температуры не менее 200°С. Тогда на холодных стенках баллона не конденсируются пары воды, образующиеся при сгорании газа:
СН4 + 2О2^ СО2 + 2Н2О
При использовании газовых печей подогрева штенгсль прибора должен находиться по возможности дальше от газового пламени, что предотвращает попадение внутрь прибора продуктов неполного сгорания газа, сажи и копоти.
В последнее время широкое распространение получил лучевой нагрев стеклооболочек и их элементов галогенными лампами. Спектр излучения галогенных ламп близок к спектру поглощения стекла, что обеспечивает высокий КПД поглощения излучения и позволяет равномерно прогревать стекло по всей толщине с высокими скоростями (в начальный период скорость нагрева достигает 1300°С/мин — это в несколько раз превышает скорость нагрева в электрических конвекционных печах).
Разогрев излучением можно производить со скоростью 1000°С/мин. Возможность быстрого нагрева объясняется тем, что лучистая энергия поглощается не поверхностью, а всей толщей стекла. Поэтому при нагреве излучением малая теплопроводность стекла не может привести к неравенству и перепаду температуры по толщине стекла и к появлению избыточных напряжений.
На рис. 26.1 показана схема щелевой печи лучевого нагрева места заварки. Галогенные лампы 5 помещены в фокус6 эллипсоидного отражателя, а сама нагреваемая оболочка враша' 418
Рис. 26.1. Щелевая печь лучевого нагрева: 1—свеча станка заварки; 2—ножка; 3, б— эллипсоидные отражатели; 4— горловина кинескопа; 5— галогенные лампы; 7— щекаРис. 26.1. Щелевая печь лучевого нагрева: 1—свеча станка заварки; 2—ножка; 3, б— эллипсоидные отражатели; 4— горловина кинескопа; 5— галогенные лампы; 7— щека
Рис. 26.1. Щелевая печь лучевого нагрева: 1—свеча станка заварки; 2—ножка; 3, б— эллипсоидные отражатели; 4— горловина кинескопа; 5— галогенные лампы; 7— щека
Рис. 26.1. Щелевая печь лучевого нагрева: 1—свеча станка заварки; 2—ножка; 3, б— эллипсоидные отражатели; 4— горловина кинескопа; 5— галогенные лампы; 7— щека
ется, что обеспечивает равномерность прогрева по периметру горловины.
Применение лучевой печи при заварке имеет ряд преимуществ:не происходит
окисления деталей внутренней арматуры; температура керна катода при лучевом нагреве не превышает 150—170°С— это предотвращает разложение оксидного покрытия катода и образование на нем темного налета углерода; снижается вероятность образования термических напряжений в стекле ввиду равномерного нагрева всей толщи стекла и уменьшения перепада температуры между поверхностными и внутренними слоями стекла.
Рассмотрим технологию заварки газовым пламенем. На заварочном станке или заварочных позициях полуавтомата обычно происходят следующие операции: размягчение стекла ножки и колбы в месте заварки; соединение ножки и колбы; образование заварочного шва .и придание ему механической прочности и вакуумной плотности. Сварка газовым пламенем имеет ряд недостатков: неравномерность нагрева по толщине свариваемых стеклодеталей — это приводит к браку вида «треск стекла», нарушению поверхностного слоя стекла (кристаллизации стекла) и затрудняет сварку толстостенных деталей (наравномер- ность нагрева толщи стеклодеталей объясняется низкой теплопроводностью стекла); попадание продуктов неполного сгорания газа (паров воды, оксидов углерода, сажи), а также сернистых, хлористых, аммиачных примесей, содержащихся в горючих газах, на внутренние элементы конструкции прибора.
Основной рабочей частью любого оборудования для заварки является свеча. Она представляет собой металлическую трубку, в которую вставляется штенгель ножки прибора.
Применяют три разновидности конструкции свечи (рис. 26.2): внутрь свечи входит лишь штенгель прибора, а вводы ножки остаются вне свечи (рис. 26.2, ау вводы ножки входят внутрь свечи и поэтому не подвергаются сильному перегреву, не пережигаются, не становятся хрупкими
(рис. 26.2, б); большая часть ножки экранирована от огня, чтобы предотвратить деформацию спаев в ножке;
вводы размещаются в специально просверленных отверстиях (рис. 26.2, в); в результате строгой фиксации вводов и хорошего отвода теплоты от спаев предотвращается их деформация.
В любой из указанных конструкций через отверстие в свече поддувают в колбу азот или другой нейтральный газ.
Ввиду различия в ТКР стекла ножки и материала наконечника свечи тарелочка ножки прибора может растрескиваться. Поэтому в последнее время рекомендуется устанавливать наконечники квадратного сечения. Это уменьшает площадь соприкосновения тарелочки ножки и свечи.
Колба нагревается открытым огнем, а тарелочка ножки — в результате теплопередачи через стенки баллона. Во избежание
Рис. 26.2. Свечи, применяемые при заварке ножек:
Рис. 26.3. Изменение формы колбы при заваркеРис. 26.3. Изменение формы колбы при заваркеI— горло; 2— ножка; 3— свеча
Рис. 26.3. Изменение формы колбы при заварке
Рис. 26.3. Изменение формы колбы при заварке
ч .ч .5 ч5 чРис. 26.4. Направление огней при сварке ножки с баллоном:2— кромка баллона; 2— тарелочка ножки; 3— шаблон для крепления штырьков; 4—жесткое газокислородное пламя; 5—горелка; б— ролик для обкаткн места спаяРис. 26.4. Направление огней при сварке ножки с баллоном:2— кромка баллона; 2— тарелочка ножки; 3— шаблон для крепления штырьков; 4—жесткое газокислородное пламя; 5—горелка; б— ролик для обкаткн места спаярастрескивания ножки наконечник свечи, в которую вставляется щтенгель ножки, должен быть тщательно прогрет.
ч .
ч .
5 ч
5 ч
Рис. 26.4. Направление огней при сварке ножки с баллоном:
2— кромка баллона; 2— тарелочка ножки; 3— шаблон для крепления штырьков; 4—жесткое газокислородное пламя; 5—горелка; б— ролик для обкаткн места спая
Рис. 26.4. Направление огней при сварке ножки с баллоном:
2— кромка баллона; 2— тарелочка ножки; 3— шаблон для крепления штырьков; 4—жесткое газокислородное пламя; 5—горелка; б— ролик для обкаткн места спая
Сначала колбу (рис. 26.3, а) обогревают «мягким» газовым пламенем, затем «жестким» огнем газовоздушных или газокислородных горелок (рис. 26.3, б).
Равномерное, постепенное повышение температуры стекла предотвращает его растрескивание. При достижении температуры размягчения стекла его можно нагревать с любой скоростью (так как в размягченном стекле не образуется напряжений). При дальнейшем нагреве стекло колбы в зоне тарелочки размягчается настолько, что начинается его деформация под действием собственной массы или под давлением потока газов горелки. Деформация стекла сопровождается уменьшением диаметра и толщины стенок колбы в месте сварки (рис. 26.3,6). Наконец, зазор между колбой и тарелочкой исчезает и они свариваются (рис. 26.3, г). При размягчении стекла колбы и ножки происходит взаимное растворение стекол друг в друге. При этом создается промежуточный по составу и свойствам тонкий слой расплава двух стекол, который надежно и герметично соединяет ножку и колбу и образует сварочный шов. Азот, поддуваемый через свечу (см. § 26.2), способствует лучшему взаимному растворению стекла ножки и колбы.
Под действием собственной массы и сил поверхностного натяжения размягченный шов в течение нескольких секунд принимает требуемую форму. Качество и форма заварочного шва сильно зависят от направления и интенсивности пламени горелок. В процессе заварки жесткое газокислородное пламя должно направляться по касательной к окружности ножки, тогда уменьшается вероятность перегрева и окисления деталей арматуры прибора и предотвращается проникновение внутрь прибора водяных паров, образующихся при сгорании газа (рис. 26.4).
Во всех случаях при заварке ножки внутренние детали прибора не должны соприкасаться с газовым пламенем, с нагретым в°здухом, с горючими продуктами неполного сгорания газа, Содержащими пары воды и серу, иначе теряется смысл предше- ^вующей очистки арматуры приборов.
После образования заварочного шва он проваривается жестким Каменем для повышения прочности и герметичности и раздува-
стоя азотом для придания требуемой формы. При этом стекло становится гладким и блестящим.
Проваренный шов и прилегающие к нему участки стекла снова обогреваются мягким пламенем вплоть до момента затвердевания стекла. Обогрев мягким пламенем способствует равномерному охлаждению стекла и предотвращает возникновение сильных напряжений в процессе затвердевания заварочного шва.
При заварке ножки в колбу в стеклооболочке возникают большие термические и коэффициентные напряжения, на которые влияют: толщина стекла (с увеличением толщины напряжения повышаются); теплопроводность стекла (с уменьшением теплопроводности напряжения увеличиваются); ТКР стекла и его зависимость от температуры (с увеличением ТКР и его зависимости от температуры напряжения увеличиваются); скорость охлаждения стекла (с повышением скорости охлаждения напряжения увеличиваются); уровень циркуляции воздуха, окружающего стеклооболочку (интенсивная циркуляция воздуха увеличивает напряжения).
Для снятия напряжений в заварочном шве производится отжиг. Следует учитывать, что при температуре и длительности отжига, превышающих оптимальную величину, может произойти перегрев катода, что приводит к разложению биндера, выделению углерода (обугливанию катода), потемнению катода и соответственно повышению его излучательной способности, снижению фактической температуры катода в процессе эксплуатации прибора и резкому уменьшению эмиссии. Температура катода в процессе заварки не должна превышать 280°С.
ПРИМЕНЕНИЕ АЗОТА НА ОПЕРАЦИЯХ СВАРКИ
В процессе операций предварительного прогрева, сварки и отжига внутрь оболочки прибора поддувают инертный (аргон), нейтральный (азот) или восстановительный (формир-газ) газы.
Обычно применяют предварительно осушенный и подогретый азот, который выполняет следующие функции: вытесняет из оболочки прибора воздух и создает нейтральную среду (т. е. предохраняет внутреннюю арматуру прибора от окисления кислородом воздуха при высоких температурах заварки); поглощает водяные пары, образующиеся при сгорании газа, и тем самым предотвращает их конденсацию внутри оболочек (поглощение водяных паров азотом тем интенсивней, чем суше азот и выШе его температура); препятствует излишней деформации стекла колбы в зоне нагрева; способствует взаимному растворению свариваемых стекол и образованию расплава двух стекол в шве’
предотвращает перегрев деталей внутренней арматуры прибора (так как снижает их температуру на 100—150°С).
Однако с повышением давления азота усиливается циркуляция нагретого газа внутри колбы, что может вызвать конденсацию паров воды, ранее поглощенных азотом, на холодных участках оболочки.
С повышением давления азота ухудшается качество отжига заваренных колб (особенно если азот поддувается в холодном состоянии), так как холодный азот повышает скорость охлаждения стеклооболочки и тем самым увеличивает вероятность возникновения напряжений.
В последнее время вместо азота начинает применяться диоксид углерода, который благодаря большей плотности и меньшей загрязненности воздухом позволяет заваривать приборы совершенно без окисления внутренней арматуры.
Поддержание нейтральной газовой среды вокруг катода и других электродов внутренней арматуры может быть достигнуто также предварительным трехразовым наполнением колб азотом до заварки (газовая промывка) или откачкой колб до Р ~ 10 Па с последующим однократным заполнением их азотом.
Азот, применяемый в электровакуумном производстве, должен содержать не более 0,005% кислорода. Если в азоте содержится 0,1% кислорода (что соответствует его парциальному давлению 10 Па), то последний может вызвать при Г = 300400°С окисление молибденовых, никелевых, медных деталей внутренней арматуры прибора. О содержании в азоте паров воды судят по его температуре точки росы. Чем ниже температура точки росы, тем более сухим является азот. Азот, применяемый на заварке, должен иметь температуру точки росы не выше — 50°С.
Чтобы очистить азот от органических соединений (например, метана), его пропускают через керамические кольца, пропитанные палладием, или через окисленную медь, нагретую до 650—750°С:
4СиО + СН4 = 4Cu + СО2 + 2Н2О
Очистка азота от кислорода производится с помощью металлической меди, нагретой до 300—350°С:
2Си + О2 -* 2СиО
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЗАВАРКИ
Для заварки применяют следующие разновидности оборудования:
одношпиндельный вертикально-заварочный станок с нет- подвижными горелками и вращающимся шпинделем с колбой (рис. 26.5);
Рис. 26.5. Одпошпиндельиый вертикально-заварочный станок:Рис. 26.5. Одпошпиндельиый вертикально-заварочный станок:1—педаль; 2—педаль экономайзера; 3—маховик подъема свечи; 4—горелки; 5—обойма патронов; б—очиститель газа; 7—свеча (сменная); 8— рукоятка для перемещения горелки; Я 12— краны для воздуха; 10— кран для газа; 11— кран для кислорода1—педаль; 2—педаль экономайзера; 3—маховик подъема свечи; 4—горелки; 5—обойма патронов; б—очиститель газа; 7—свеча (сменная); 8— рукоятка для перемещения горелки; Я 12— краны для воздуха; 10— кран для газа; 11— кран для кислорода
Рис. 26.5. Одпошпиндельиый вертикально-заварочный станок:
Рис. 26.5. Одпошпиндельиый вертикально-заварочный станок:
1—педаль; 2—педаль экономайзера; 3—маховик подъема свечи; 4—горелки; 5—обойма патронов; б—очиститель газа; 7—свеча (сменная); 8— рукоятка для перемещения горелки; Я 12— краны для воздуха; 10— кран для газа; 11— кран для кислорода
1—педаль; 2—педаль экономайзера; 3—маховик подъема свечи; 4—горелки; 5—обойма патронов; б—очиститель газа; 7—свеча (сменная); 8— рукоятка для перемещения горелки; Я 12— краны для воздуха; 10— кран для газа; 11— кран для кислорода
одношпиндельный вертикально-заварочный станок с вращающимися или качающимися горелками и неподвижным шпинделем с колбой;
многошпиндельные полуавтоматы заварки.
Вертикально -зава- рочый станок с неподвижными горелками имеет синхронно вращающиеся шпиндель 7, называемый «свечой», и патрон 5 (шаблон), в котором закрепляется колба прибора. Вращение завариваемого прибора обеспечивает равномерность нагрева шва заварки. Частоту вращения выбирают с таким расчетом, чтобы каждый элемент заварочного шва, выйдя из зоны обогрева и совершив полный оборот, не только не успевал остыть, но и с каждым оборотом увеличивал свою температуру. Поэтому оптимальную ско
рость вращения горелок можно снизить путем увеличения числа горелок. Обычно оптимальная скорость вращения заварочного гнезда 70—ЮО об/мин; при прочих равных условиях частота вращения тем больше, чем меньше диаметр горловины. Однако при очень высокой частоте вращения изнашивается втулка, в которой вращается вал гнезда заварки, и сбиваются огни, что приводит к дефекту вида «кривое горло».
Несоосность держателя колбы и свечи не должна превышать 0,3 мм, радиальное биение свечи должно быть не более 0,1 мМ — это обеспечивает синхронность вращения шаблона и свечи (й
«dihii
соответственно колбы и ножки с внутренней арматурой) и предотвращает смещение и скручивание шва заварки и появление в нем сквозного отверстия.
Для заварки крупногабаритных приборов (например, цветных кинескопов) рекомендуется применять станки, в которых ножки и баллоны в процессе заварки остаются неподвижными, а вращаются горелки,— это связано с тем, что вращение крупногабаритного прибора может вызвать смещение внутренней арматуры и отдельных деталей и нарушить систему юстировки отдельных электродов.
ОСОБЕННОСТИ ЗАВАРКИ ДИСПЛЕЙНЫХ КИНЕСКОПОВ
Особо жесткие требования к соосности ножки (с посаженной на нее внутренней арматурой) и колбы прибора предъявляются при заварке цветных и особенно дисплейных кинескопов.
Основное условие качественной заварки — фиксация ЭОС относительно экраномасочного узла кинескопа так, чтобы оси трех электронных пушек совпадали с осями световых лучей, применявшихся при фотоэкспонировании соответствующих слоев мозаичного экрана (т. е. оси электронных пушек должны проходить через точки, в которых находились источники света при фотоэкспонировании). Смещение блока электронных систем вдоль оси кинескопа и в радиальном направлении от оси приводит к смещению центра электронного пучка относительно центра люминофорных точек триад и соответственно к смещению цветов и ухудшению чистоты цвета.
Опасен поворот ЭОС относительно оси ножки и относительно оси экрана (допустимый угол поворота не должен превышать у = = 20').
В принципе допустимый угол поворота у при заварке определяется из соотношения
У ■ 6/гтрКпос,
где <5 — допустимое смещение центра электронного следа относительно центра люминофорной точки, гтр — радиус триады, ^пос — коэффициент, учитывающий возможную погрешность в повороте ЭОС на операции посадки ЭОС на ножку (^пос =1,5 + ■=•2,0).
Допуск на внутренний диаметр горловины не должен превышать 0,2 мм — снижение разброса горловин по диаметру достигался их предварительной вакуумной калибровкой.
Фиксация оболочки кинескопа при заварке производится путем Установки ее параболической частью конуса на опору и прижима к трем опорным штырям тремя шлифованными приливами или
реперными точками экрана. Ножка вставляется штырьками в отверстия свечи, ориентированной относительно опор экрана. При этом ось втулки, центрирующей горловину (или центр системы кулачков), и ось свечи должны лежать на одной прямой, которая в свою очередь, должна проходить через центр сферы экрана й совпадать с осью вращения.
На рис. 26.6 показаны основные геометрические погрешности которые практически имеют место после заварки ЭОС в колбу цветного кинескопа.
Идеальным является совмещение оси экранного узла, проходящей через центр сферы экрана 01, с центром электроннооптической системы 04 на уровне расположения базовых пружин и с центром Од сечения горловины на уровне заварки. В этом случае оси экранного узла и электронно-оптической системы будут совпадать.
Практически центр ЭОС не совпадает с точкой О4 и находится в точке Оз на некотором расстоянии от оси экрана, проходящей через точки О1—О4,— это объясняется разнотолщинностью стенок горловины, различием в упругости пружин, механическими перекосами при вставлении ЭОС в колбу, несоосностью внутренней поверхности горловины, практическим несовмещением центра ножки с осью горловины конуса и др.
Положение ЭОС относительно экрана при заварке в оболочку будет определяться: расположением центра ЭОС; расположением
Рис. 26.6. Схема установки электронно-оптической системы при заварке:
а — базирование ЭОС; б — схема к определению погрешности Щэос; о—схема к определению погрешности <Уо=
будет равнабудет равнаПогрешность несовпадения центра сферы экрана О1 с осью
будет равна
будет равна
электронно-оптической системы (O3O9)
Нд to30C= ± <03-^ ,
уровне базовых пружин через точки O1O4 (т. е.уровне базовых пружин через точки O1O4 (т. е.эде о 3— смещение центра ЭОС на относительно оси экрана, проходящей
уровне базовых пружин через точки O1O4 (т. е.
уровне базовых пружин через точки O1O4 (т. е.
расстояние между точками Од и Оз); Нд— расстояние от центра Од свечи станка заварки до центра экрана Oi; Лз— расстояние от центра свечи станка заварки (точка О9) до центра ЭОС на уровне базовых пружин.
Эта погрешность вызывает попадание электронного луча на «чужую» люминофорную точку триады и приводит к нарушению чистоты цвета.
Для контроля смещения и угла разворота ЭОС современные машины заварки снабжены оптическим устройством центровки ЭОС (рис. 26.7).
Это устройство состоит из видеокамеры 3, видеоконтрольного устройства 4, блоков автоматики 5 и б, блока привода двигателя центровки 7.
Видеокамера служит для преобразования изображения реперных отверстий, сделанных в цилиндрах ЭОС, в телевизионный сигнал. Изображение на нее поступает по гибкому оптическому волоконному световоду 2 от оптической системы 1, установленной на заварочной машине. На видеокамеру поступают также синхроимпульсы строк и кадров от синхрогенератора, расположенного в блоке автоматики. Видеокамера вырабатывает полный телевизионный сигнал, который передается в видеоконтрольное устройство — телевизор или монитор, снабженный однокаскадным усилителем — ограничителем видеосигнала.
Следует отметить, что перед заваркой дисплейных кинескопов очистки ЭОС и колбы.Следует отметить, что перед заваркой дисплейных кинескопов очистки ЭОС и колбы.Вышеописанное устройство центровки позволяет визуально наблюдать на экране телевизора процесс центровки ЭОС; причем изображение щели, имеющей размеры порядка 1x4 мм, увеличено примерно в 30 раз.
Следует отметить, что перед заваркой дисплейных кинескопов очистки ЭОС и колбы.
Следует отметить, что перед заваркой дисплейных кинескопов очистки ЭОС и колбы.
производится операция вихревой
Рис. 26.7. Схема функционирования устройства центровкиРис. 26.7. Схема функционирования устройства центровкиВихревая очистка производится на установке, работа Которой основана на пневмо- в и х р е в о м эффекте.
Рис. 26.7. Схема функционирования устройства центровки
Рис. 26.7. Схема функционирования устройства центровки
Очистка производится вихревым потоком, представляющим Собой турбулентное спиральное Движение газа в рабочей камере вихревого устройства. Этот
Рис. 26.8. Устройство для очистки электронно-оптической системы цветных кинескоповРис. 26.8. Устройство для очистки электронно-оптической системы цветных кинескоповвихревой поток в зависимости от его параметров обладает кинетическими, эжекционными у энергетическими свойствами.
Рис. 26.8. Устройство для очистки электронно-оптической системы цветных кинескопов
Рис. 26.8. Устройство для очистки электронно-оптической системы цветных кинескопов
При очистке создаются ДВа потока газа (например, воздуха);
тангенциальный, который пода- ется через сопло 4 (рис. 26.8) и имеет высокую тангенциальную скорость и большую кинетическую энергию. Тангенциальный высокоскоростной поток 3 механически сбивает загрязнения с поверхности внутренней арматуры и выносит их в атмосферу или на фильтр;
осевой, который подается через штенгель 1 прибора в осевом направлении. Этот поток сдувает механические загрязнения с поверхности изделия в область восходящего потока, откуда они выносятся высокоэнергетическим тангенциальным вихревым потоком. При отсутствии осевого потока в центральной зоне вихревой трубы создается разрежение и частицы загрязнений, оторванные от загрязненной поверхности тангенциальным потоком, могут засасываться 1 центральную зону и накапливаться в ней.
Внутренний объем камеры 2 для очистки может быть разделен на зоны: 5, в которой находится устойчивый спиральный поток газа, / переходных процессов и 6, в которой происходит осевое перемещение газового потока.
$ 26.5. ОСНОВНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ ДЕФЕКТОВ ПРИ ЗАВАРКЕ
При заварке недопустим перегрев катода. При повышенных температурах катода (» 400°С) и большой длительности нагрева происходит разложение и частичное сгорание связующего вещества, а также начинается процесс разложения карбонатов. Пр” этом в оксидном покрытии происходит отложение углерода- Углерод вызывает потемнение оксидного покрытия, снижение ег° температуры и ухудшение эмиссии. В случае перегрева катода 8
процессе заварки оксидное покрытие имеет серый цвет и частично угслаивается от керна. Газы, образующиеся при этом, вызывают окисление деталей внутренней арматуры и никелевого керна катода. Окисление недопустимо для электродов, которые подвергаются сильному нагреву в процессе работы прибора. Оксиды металлов испаряются при меньшей температуре и с большей скоростью, чем чистые металлы, что вызывает повышенное газовыделение при откачке и эксплуатации приборов. Однако следует учитывать, что наличие тонких оксидных пленок на электродах, находящихся в приборах под отрицательными потенциалами (например, модуляторе), является даже желательным, так как окисленные детали меньше подвергаются катодному распылению и, следовательно, меньше испаряются при бомбардировке их положительными ионами.
Разложение эмиттирующего вещества происходит также при попадании в объем оболочки продуктов неполного сгорания газа и запыленной атмосферы (это имеет место при низкой температуре оболочки и неоптимальной настройке огней), а также при наличии на ножках масляных загрязнений, выделении фтора и фтористых соединений из стекла, при плохой очистке и сушке азота.
Остальные дефекты заварки и причины их возникновения приведены в табл. 26.1.
Таблица26.1
Виды дефектов
Причины возникновения дефектов
Трещины штенгеля и ножки
Низкое положение огней горелки и недостаточный прогрев свечи; неоптимальный режим подогрева колбы и ножек перед заваркой
Трещины в заварочном шве
Неполный провар шва (отдаленность огней горелки от места заварки); наличие остаточных термических или коэффициентных напряжений
Дефекты заварочного шва (кривой или высокий шов, отверстие в шве)
Эллипсность тубуса колбы в плоскости заварки; неоптимальное расположение горелок и направления пламени; неравномерное вращение шпинделей из-за плохого натяжения цепи привода вращения шпинделей; слабый нажим ролика обкатки на стекло шва
Трещины в тарелочке и между выводами ножки
Отклонение режимов предварительного подогрева перед заваркой; плохой отжиг после заварки; деформация стекла ножки и нарушение взаимного расположения выводов из-за перегрева стекла; неоптимально подобранные электрические сопротивления нагревателей или неравномерность шага спиралей (при заварке с электрическим подогревом)
Продолжение табл. 26.1
Виды дефектов
Причины возникновения дефектов
Окисление внутренней арматуры приборов
Подсос холодного воздуха в оболочку при переносе заваренной колбы со станка в печь отжига; неправильная ориентировка пламени горелок; проникновение в оболочку продуктов неполного сгорания газа; малое давление азота или загрязненность его кислородом; наличие влаги на заготовках; неоптимальный размер электрических печей подогрева и отжига; высокая температура на операциях подогрева, заварки, отжига
Посерение и отлипание ак- вадагового покрытия в ЭЛТ
Проникновение водяных паров и продуктов неполного сгорания газа в объем прибора (при недостаточном и неравномерном прогреве оболочки прибора, а также прн малом давлении и плохой осушке азота)
Образование на электродах прибора изоляционных и полупроводниковых пленок
Наличие по поверхности ножек тонких полимеризованных пленок минерального масла; перегрев стекла при заварке и испарение из него ионов К+, Na+ и частиц Si02, А12ОЗ
Нарушение герметичности спаев в ножке
Восстановление пассивирующей оксидной пленки на электродах (например, восстановительным мягким пламенем)
Обгорание электродов
Неправильная настройка огней
Потемнение свинцового стекла (С93-1) — образование налета металлического свинца
Слабая обработка заварочного шва окислительным газокислородным пламенем
§ 26.6. ГАЗОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ И ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ СВАРКА
В основу газоэлектрической и электродуговой сварки заложена способность нагретого стекла проводить электрический ток. При электрической сварке стеклянных деталей для размягчения стекла используют джоулеву теплоту, выделяющуюся при прохождении через стекло электрического тока.
Электросварка имеет следующие преимущества по сравнению с газовоздушной: обеспечивает быстрый и локальный нагрев именно того участка стекла, который подвергается сварке (без значительного повышения температуры близлежащих участков стекла),— это уменьшает вероятность перегрева, деформации, ухудшения механических свойств и окисления металлических деталей, покрытий и других элементов, находящихся внутри свариваемых деталей; устраняет возможность проникновения внутрь свариваемой оболочки продуктов неполного сгорания газа и паров воды, что позволяет резко снизить браки видов «затеки
на люминесцентном экране», «посерение» и «отслаивание аквада- гового покрытия», «налеты на катодных подложках фотоэлектронных приборов», «загрязнение внутренней арматуры прибора»; теплота выделяется в объеме, а не поступает к поверхности изделий, тем самым предотвращается разрушение — эрозия поверхностных слоев стекла (эрозия возникает при перегреве поверхности стекла в результате испарения легколетучих компонентов стекла).
Поэтому применение электросварки особенно целесообразно для соединения толстостенных деталей (при газовой сварке толстостенных деталей к моменту размягчения внутренних слоев поверхностные слои стекла перегреваются до недопустимо высоких температур).
Принципиальная технологическая схема газоэлектрической и электродуговой сварки состоит из трех основных процессов:
предварительный разогрев стекла до температуры, при которой стекло становится проводником электрического тока;
размягчение всей толщи стекла и соединение стеклянных изделий путем пропускания электрического тока через предварительно нагретое стекло (формование стекла);
отжиг заваренной стеклооболочки.
При нагреве стекла до 450—600°С (в зависимости от марки и физико-химических свойств стекла) подвижность ионов значительно увеличивается, удельное электрическое сопротивление стекла снижается до Кг—104 Ом • см и стекло начинает проводить электрический ток. Зависимость удельного электрического сопротивления стекла от температуры выражается формулой
1gр -А + (В/Т),
где р — удельное электрическое сопротивление стекла, Ом • см; А и В — константы, зависящие от состава стекла.
При подведении к месту сварки двух электродов (подсоединенных к высоковольтному источнику тока) по предварительно разогретому стеклу начинает протекать электрический ток.
Выделяющаяся теплота вызывает дополнительный разогрев стекла в месте сварки, а это способствует дальнейшему повышению температуры, снижению электрического сопротивления стекла и увеличению силы тока. В свою очередь, увеличение силы тока сопровождается дополнительным выделением джоулевой теплоты и постепенным прогревом все более внутренних слоев
Рис. 26.9. Схема установки газоэлектрической сварки:Рис. 26.9. Схема установки газоэлектрической сварки:стекла (до более высоких температур). При этом ток начинает проходить не только по поверхности, но и по всей толще стекла — происходит размягчение стекла в месте сварки и образование сварочного шва.
Рис. 26.9. Схема установки газоэлектрической сварки:
Рис. 26.9. Схема установки газоэлектрической сварки:
На рис. 26.9 представлена схема установки газоэлектрической сварки.
I— горелки-электроды;2— свариваемоеизделиеI— горелки-электроды;2— свариваемоеизделиеПламя газовых горелок-электродов 1 служит: для предварительного нагрева стекла в месте сварки до температуры, при которой стекло становится проводником электрического тока; «подвижным проводником», по которому контактным способом к месту сварки подается электрическое напряжение (горелки электрически изолированы друг от друга и подсоединены к высоковольтному источнику переменного тока промышленной частоты); последовательно включенным электрическим сопротивлением, которое позволяет регулировать силу тока, проходящего через стекло.
I— горелки-электроды;2— свариваемое
изделие
I— горелки-электроды;2— свариваемое
изделие
Ток проходит по всему периметру сварочного шва от одного электрода-горелки к другому. В результате прохождения электрического тока весь объем стекла в зоне сварки быстро нагревается до температуры, превышающей 1000°С.
К недостаткам газоэлектрической сварки относятся необходимость предварительного прогрева стеклянных деталей до сравнительно высоких температур и неизбежность использования газового пламени.
При электродуговой сварке электроды, подводимые к месту соединения стеклянных деталей, подсоединяются к источнику тока высокой частоты порядка 10—10' Гц. Увеличение частоты тока, применяемого для сварки, позволяет снизить продолжительность и температуру предварительного нагрева стеклянных изделий (до 200—250°С). Это связано с тем, что электрическое сопротивление стекла для токов высокой частоты меньше, чем для токов низкой частоты. Температура, при которой стекло становится проводником токов высокой частоты, меньше температуры, при которой стекло становится проводником токов низкой частоты.
СОЕДИНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИМИ ЦЕМЕНТАМИ
В последнее время широкое распространение получил метод соединения стеклянных, слюдяных, керамических и металлических деталей склеиванием их специальными кристаллизующимися стеклами — стеклоцементами.
Стеклоцементы позволяют соединить детали друг с другом при температурах более низких, чем температуры размягчения соединяемых деталей. Они характеризуются газонепроницаемостью, механической прочностью, высокой температурой деформации и хорошей термостойкостью.
Применение стеклоцементов особенно целесообразно, когда сварка деталей при высоких температурах (с использованием газового пламени или токов высокой частоты) может привести к оксидированию и деформации деталей, изменению геометрии .и расстояния между отдельными узлами, изменению состава и структуры внутренних покрытий или их отравлению газами и парами, выделяющимися при сварке.
При склейке стеклоцементами ножек с оболочками миниатюрных ПУЛ температура оксидного катода не превышает 230°С, в то время как при обычных способах заварки оксидный катод подвергается перегревам до 500—600°С.
При соединении деталей в процессе термической обработки стеклоцементы образуют однородную мелкокристаллическую структуру, ориентированную в пространстве и создающую жесткий прочный каркас — шов склейки.
Как известно, некоторые стекла под воздействием внешних факторов склонны к кристаллизации. Однако процесс кристаллизации обычных стекол неуправляем, он протекает неравномерно и преимущественно на поверхности стекла. При этом на поверхности стекла образуется неоднородная крупнокристаллическая структура, которая ведет к снижению его механической и термической прочности.
При изготовлении шва склейки путем подбора определенного состава и режима термической обработки стеклоцемента удается сделать процесс кристаллизации управляемым, при этом образуется мелкокристаллическая структура, равномерно распределенная во всем объеме стекла.
Кристаллическая фаза стеклоцементов обычно имеет следующий состав:
пРЬО • £ZnO • /пВгОз,
AZnO • 7ПВ2О3, пРЬО • /ПВ2О3,
п, к и т — различные коэффициенты, характеризующие Количество данного оксида в соединении.
После образования кристаллической фазы температура плавления (деформации) цемента становится гораздо выше температуры размягчения стекла, из которого изготовляется цемент, что способствует прочности шва.
При склеивании стеклоцементами в его слое и в склеиваемых деталях по границе соприкосновения с цементом возникают напряжения растяжения или сжатия.
Величина напряжения зависит от следующих факторов* температурного режима склеивания (температуры, при которой производится кристаллизация стеклоцемента, продолжительности выдержки при максимальной температуре, скорости подъема и снижения температуры), толщины слоя стеклоцемента, состава и удельной поверхности порошка стеклоцемента.
ТКР цемента должен быть равен ТКР склеиваемых деталей. При ТКР цемента, большем ТКР материала детали, в самом цементе после затвердевания возникают напряжения растяжения (а в детали — напряжения сжатия) — это может привести к растрескиванию соединительного шва. При ТКР цемента, меньшем ТКР материала стеклянной детали, напряжения растяжения возникают в стекле (а в слое цемента — напряжения сжатия), в результате может произойти растрескивание склеиваемых деталей.
Следует учесть, что при склеивании стеклоцементами наиболее опасны временные напряжения, которые могут превышать остаточные более чем в 15 раз. Наиболее опасные временные напряжения растяжения возникают в интервале температур 320—380°С.
Кристаллизация большинства стеклоцементов происходит в температурном интервале 380—460°С. Практика показывает, что при повышении этой температуры на 20°С снижаются термические напряжения на поверхности склеиваемых деталей приблизительно в два раза, но увеличивается вероятность деформации деталей, окисления внутренней арматуры и ухудшения качества покрытий.
Наоборот, кристаллизация стеклоцемента при пониженных температурах (например, при температуре менее 380°С) приводит к возникновению опасных напряжений, вызывающих разрушение стеклянных деталей.
Напряжения резко повышаются при увеличении толщины слоя стеклоцемента. Поэтому наибольшая вероятность растрескивания наблюдается в местах наплывов стеклоцемента, где его толщина практически достигает 3—4 мм.
В качестве стеклоцементов обычно применяют свинцово-бо' ратные стекла, содержащие большое количество оксида свинца (70-85 %).
Оксид свинца снижает температуру размягчения и растекания цемента в процессе образования соединительного шва. Однако п°
мере увеличения содержания оксида свинца повышается ТКР стеклоцемента; при содержании оксида свинца сверх 85 % ТКР цемента становится значительно больше ТКР склеиваемых стекол.
Борный ангидрид снижает поверхностное натяжение и улучшает смачивающую способность и растекание стеклоцемента, снижает в требуемых пределах коэффициент термического расширения цемента, повышает его влагостойкость, является плавнем, т. е. веществом, снижающим температуру размягчения и растекания цемента в процессе образования соединительного шва.
Оксид бария повышает текучесть (снижает вязкость) в процессе растекания цемента, улучшает сцепление со склеиваемыми деталями и повышает прочность соединительного шва.
Оксиды цинка, алюминия (и частично бария) повышают химическую стойкость и уменьшают вероятность выщелачивания свинцово-боратных стекол.
Оксид никеля служит для улучшения сцепления цемента с поверхностью склеиваемых деталей (для этой же цели ‘применяют оксиды кобальта и марганца).
Диоксид титана увеличивает кристаллизационную способность стеклоцементов и является катализатором процесса кристаллизации (катализаторами процесса кристаллизации могут служить также оксиды кадмия, меди, ванадия и др.).
Диоксид кремния служит для регулирования скорости кристаллизации.
Широкое применение нашел стеклокристаллический цемент марки СЦ90-1 следующего состава: РЬО— 74,6 %; ZnO—12 %; В2О3—8,8 %; SiO2—2,1 %; ВаО-1,7 %; А12Оз-0,8 %.
После приведения в контакт склеиваемых поверхностей производят предварительную сушку цемента при 160°С в течение 25—30 мин для удаления воды. Затем место склеивания медленно1 (со скоростью 2—3 мин) разогревается до температуры растекания Цемента 380°С и выдерживается при этой температуре в течение 30 мин, пока не произойдет полного выгорания органических компонентов шликера и равномерного и полного смачивания склеиваемых стекол (с заполнением расплавленным стеклоцемен- том каждой неровности и углубления соединяемых поверхностей). Затем с той же скоростью температура поднимается до температуры кристаллизации стеклоцемента 440°С и выдерживается в
1
Повышение скорости подъема температуры приводит к интенсивному взрывному Разложению и испарению органики и образованию пористого шва.
।
течение 1 ч. Допуск на температуру при кристаллизации не должен превышать 5°С.
Место склейки охлаждают медленно со скоростью 3—5 С/мин. После остывания образуется вакуумно-плотный, термически и химически прочный шов.
На рис. 26.10 показаны различные практически встречающиеся формы шва склейки:
форма спая, показанная на рис. 26.10, а, характеризуется одинаковыми хорошо совмещенными торцами конуса и экрана, при этом обеспечивается наибольшая ширина шва;
на рис. 26.10, б показана форма спая, образующаяся при плохом растекании шликера — низкая термомеханическая и электрическая прочность шва;
на рис. 26.10, в —форма спая, обусловленная низкой смачиваемостью, ведущая к скалыванию и пониженной механической прочности;
на рис. 26.10, г —форма спая, образующаяся при разнице размеров соединяемых поверхностей или при их плохом совмещении;
на рис. 26.10, д —форма спая при большой разнице в размерах торцов соединяемых деталей (в случаях, указанных на рис. 26.10, гид, возникают повышенные напряжения, вызывающие разрушение стекол, а также наблюдается низкая электрическая прочность спаев);
на рис. 26.10, е — форма шва при избытке или низкой вязкости стеклоцемента, характеризующаяся малой термомеханической прочностью и разрушением валика шва;
на рис. 26.10, ж — форма шва при малом количестве шликера — шов имеет низкую вакуумную плотность, что приводит к медленному натеканию в прибор атмосферного воздуха.
ОРис. 26.10. Формы швов склейки
Для обеспечения необходимой точности совмещения осей конуса и экраномасочного узла при склейке цветных кинескопов применяются специальные контейнеры.
Рис. 26.11. Принципиальная схема установки контроля шва спайки скользящим электродом:/— шина; 2— щетка; 4, 7— скользящие электроды; 5— узел центровки; 6— стеклооболочка; 8— шпиндель; 9— блок измеренияРис. 26.11. Принципиальная схема установки контроля шва спайки скользящим электродом:/— шина; 2— щетка; 4, 7— скользящие электроды; 5— узел центровки; 6— стеклооболочка; 8— шпиндель; 9— блок измеренияНа рис. 26.11 показана принципиальная схема установки контроля герметичности и электрической прочности шва склейки экрана с конусом с помощью скользящего электрода. Стеклооболочка 6 вставляется во вращающийся шпиндель 8, на анодный вывод кинескопа 4 через шинно-щеточный механизм и зажим подается постоянное высокое напряжение — 25 + 50 кВ. Неподвижный подпружиненный электрод 7 скользит по шву спайки, прохо-
Рис. 26.11. Принципиальная схема установки контроля шва спайки скользящим электродом:
/— шина; 2— щетка; 4, 7— скользящие электроды; 5— узел центровки; 6— стеклооболочка; 8— шпиндель; 9— блок измерения
Рис. 26.11. Принципиальная схема установки контроля шва спайки скользящим электродом:
/— шина; 2— щетка; 4, 7— скользящие электроды; 5— узел центровки; 6— стеклооболочка; 8— шпиндель; 9— блок измерения
дя по всему периметру оболочки.
Электрод, прикладываемый к шву склейки, заземляется через микроамперметр, фиксирующий ток утечки. Величина тока утечки, превышающая 0,25 мА, характеризует низкую электрическую прочность шва, приводящую к пробоям по шву и натеканию при эксплуатации кинескопа.
ГЛАВА 27. ВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА ПРИБОРОВ
НАЗНАЧЕНИЕ ВАКУУМА ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ И РАБОТЕ ПРИБОРА
Вакуумная техника — прикладная наука, которая изучает получение и сохранение вакуума, технику проведения вакуумных измерений, а также вопросы разработки, конструирования и применения вакуумных систем и их функциональных элементов.
Снижение давления в приборе может быть достигнуто: откачкой газов и паров насосами, улавливанием паров вымораживающими ловушками, а также связыванием газов и паров газопоглотителями.
В процессе вакуумной обработки и в готовых приборах высокая степень вакуума необходима для следующих целей: предотвращения перегорания деталей (например, нитей накала) во время их прогрева при высокой температуре; обеспечения достаточно
полного обезгаживания деталей, газопоглотителей, покрытий оболочки приборов; ускорения физико-химических процессов активировки катодов; уменьшения степени взаимодействия остаточных газов с катодами приборов (при плохом вакууме происходит распыление вещества катода, окисление кернов и т. д.); предотвращения возникновения газового разряда и пробоев в процессах высокочастотного и электронного обезгаживания; обеспечения беспрепятственного движения электронов по определенным траекториям под действием электрических и магнитных полей между электродами приборов; обеспечения малой инерционности работы приборов, что позволяет фиксировать быстропротекающие процессы; создания теплоизолирующего «щита» между электродами, находящимися при различных температурах, что препятствует потерям теплоты и снижению температуры электродов (например, катода), которые при работе прибора должны находиться в нагретом состоянии; снижения вероятности ионизации остаточных газов и предотвращения появления в объеме приборов положительных и отрицательных ионов (положительные ионы могут вызвать катодное распыление электродов, разрушение эмиссионного покрытия катодов, компенсировать пространственный отрицательный заряд у поверхности катода и тем самым снизить его долговечность; отрицательные ионы могут вызвать разрушение люминесцентных экранов, снижение их яркости, появление ионных пятен, обильное газовыделение, лавинную ионизацию, что может привести к пробоям, утечкам между электродами).
Применительно к изготовлению и работе электровакуумных приборов понятие «вакуум» характеризуется двумя факторами:
меньшей, чем при атмосферном давлении, вероятностью взаимных столкновений молекул газа при их движении внутри прибора (что характеризует принципиальную возможность данного прибора работать в качестве электровакуумного);
меньшей, чем при атмосферном давлении, вероятностью физико-химических процессов взаимодействия газа с деталями прибора (что определяет надежность и долговечность прибора).
Вакуум считается высоким при малой вероятности столкновения и физико-химических взаимодействий молекул газа.
Интенсивность обоих вышеуказанных факторов зависит от концентрации газа, т. е. от количества молекул в единице объема газа. Поэтому вакуумом следует называть разреженное состояние газа, при котором его концентрация меньше, чем при атмосферном давлении. Задача вакуумной обработки заключается в том, чтобы в данном объеме газа уменьшить его концентрацию. На практике для характеристики вакуума вместо параметра «концентрация»
газа применяется параметр «давление» газа — это объясняется тем, что давление газа пропорционально концентрации.
При практической работе вакуумом называют состояние газа, при котором его давление ниже атмосферного. Единицей давления в Международной системе единиц СИ (ГОСТ 9867—61) является паскаль (Па), 1 Па — это давление, вызываемое силой в 1 Н, равномерно распределенной по поверхности площади в 1 м2 (1 Па=Н/м2). Ранее применялась единица давления — миллиметр ртутного столба: 1 мм рт. ст. = 133,32 Н/м- 133,32 Па.
Для работы электровакуумного прибора важна не только количественная оценка вакуума по величине суммарного давления газов, но и качественная — по составу остаточных газов и паров в приборе. Это связано с тем, что одни газы являются ядами для оксидных катодов (например, кислород, фтор, хлор), другие — для фотокатодов (например, водород, пары углеводородов), третьи приводят к резкому возрастанию утечек и пробоев в высоковольтных приборах (например, газы, имеющие малый потенциал ионизации). Поэтому даже при очень низком суммарном давлении остаточных газов содержание отдельных наиболее вредных для данного прибора газов и паров может превысить предельно допустимое количество. О содержании каждого отдельного газа в составе остаточных газов судят по его парциальному давлению.
Давление, которое имел бы газ, входящий в смесь, если бы он один занимал весь объем смеси (а других газов не было), называется парциальным давлением этого газа. Парциальное давление газа не зависит от наличия в смеси других газов. Например, парциальное давление водорода не изменится, если в смесь водорода и азота добавить какое-то количество азота (хотя общее давление при этом увеличивается).
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ВАКУУМЕ
Электрический ток, проходящий через вакуум,— это направленное движение электронов и ионов остаточного газа под действием разности потенциалов между электродами, находящимися в вакууме. Свободные электроны и ионы в газе обычно образуются при ионизации молекул остаточного газа. Ионизация остаточного газа может происходить под действием бомбардировки нейтральных молекул электронами, ионами или а -, /3 - и у- частицами. Для ионизации необходимо, чтобы электроны, бомбардирующие молекулы, обладали энергией, превышающей энергию ионизации остаточного газа, называемую потенциалом ионизации. Потенциал ионизации кислорода 12,6 эВ, водорода
— 13,6 эВ, оксида углерода—14,1 эВ, азота—14,5 эВ, аргона— 15,6 эВ.
Электроны в вакууме обладают тепловой энергией, зависящей от температуры, или электрической, зависящей от напряжения электрического поля. Под действием электрического поля с разностью потенциалов U электроны дополнительно к тепловой энергии получают энергию eU, измеряемую в электрон-вольтах (эВ). 1 эВ— энергия, которую приобретает электрон при движении между электродами, имеющими разность потенциалов в 1 В. Электроны, ускоренные разностью потенциалов всего в 1 В, имеют такую же энергию, как при температуре 7530°С без электрического поля.
Электропроводность вакуумного промежутка определяется концентрацией свободных электронов и соответственно зависит от остаточного давления.
При низком вакууме электропроводность мала. Это объясняется тем, что электроны имеют малую длину свободного пробега (длина свободного пробега обратно пропорциональна давлению газа).
При высоком вакууме электропроводность также мала ввиду малого количества молекул остаточного газа, способных к ионизации. Наибольшая электропроводность имеет место при среднем вакууме.
Пробивное напряжение £7Пр, необходимое для протекания цепного процесса ионизации в данном газе и зажигания газового разряда, зависит от произведения давления газа на расстояние между электродами (по закону Пашена), а не от каждого из этих параметров в отдельности. Пробивное напряжение имеет наименьшее значение в области среднего вакуума. Прохождение электрического тока через разреженный газ в области среднего вакуума сопровождается свечением, цвет которого зависит от рода газа и давления: воздух светится розовым цветом, кислород — желтым, азот — оранжевым, гелий — розовым, пары воды — голубым, аргон — фиолетовым, неон — красным.
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ВАКУУМНЫХ УСТАНОВОК
Вакуумная установка должна быть сконструирована так, чтобы обеспечить: снижение парциального давления отдельных наиболее «вредных» для данного прибора газов и паров до значения, при котором не может произойти отравления катода и ухудшения параметров прибора; быстроту откачки, при которой скорость удаления из приборов газов и паров в каждый момент времени превышает скорость газовыделения внутри прибора; защиту прибора от обратной диффузии газов и паров из вакуумной
системы в прибор (обратная диффузия наблюдается, когда давление в приборе становится ниже, чем давление в системе, см. с. 466).
Конструкционные материалы для вакуумных систем должны иметь низкое давление насыщенных паров при температурах, до которых они могут нагреваться при работе установки. Поэтому такие материалы, как латунь, медь, никель, алюминии, малоуглеродистые стали, применяются крайне ограниченно. Входящий в латунь цинк испаряется при низких температурах. Медь окисляется при 200°С, изменяет структуру при высоких температурах и взаимодействует с парами воды, образуя оксиды, испаряющиеся в вакууме (летучие оксиды).
Наиболее предпочтительным материалом для вакуумных систем являются нержавеющие стали (например, Х18Н9Т, Х18Н10Т и ОООХ18Н12). Они хорошо свариваются, немагнитны, обладают достаточной прочностью, антикоррозионной стойкостью и малым давлением насыщенных паров. Недостаток нержавеющих сталей — высокое газоотделение при Т > 400°С и низкая теплопроводность. Надежным конструкционным материалом для вакуумной техники является также титан и его сплавы.
В большинстве вакуумных установок основным конструкционным материалом является стекло, так как его гладкая внутренняя поверхность обладает малым газовыделением, легко обезгаживается. В качестве уплотнителя в вакуумном оборудовании применяют резину. Для уменьшения газовыделения рекомендуется предварительно обезгаживать резиновые уплотнители в вакууме (= 1,33 Па) не менее 10 ч.
Фторопласт-4, применяемый для изоляторов и уплотнителей вместо резины, имеет более высокую термостойкость, морозостойкость (до —110°С), меньшее удельное газовыделение, более высокую электрическую прочность, но обладает меньшей эластичностью и большой текучестью.
В электровакуумном производстве применяют два вида вакуумных наСосов (рис. 27.1): предварительного (механические, сорбционные, водоструйные) и высокого (пароструйные, молекулярные, электроразрядные, геттерно-ионные, криогенные, турбо- молекулярные) вакуума.
Работа пароструйного насоса существенно зависит от мощности, затрачиваемой на нагрев рабочей жидкости. Для каждого насоса существует предельная мощность, ниже которой насос перестает работать. С повышением мощности нагрева сверх оптимальной величины ухудшается предельно достижимый вакуум, что объясняется повышением давления насыщенного пара рабочей жидкости вблизи впускного патрубка насоса и увеличением газовыделения насоса.
Средний
Низкий
Высокий
Сверхвысокий
Рис. 27.1. Классификация насосов в зависимости от степени вакуума
Быстрота действия насоса с увеличением мощности подогрева сначала увеличивается, достигает максимума, а затем уменьшается. Это объясняется тем, что с увеличением мощности нагрева повышается скорость струи пара (это увеличивает скорость откачки), однако одновременно увеличивается плотность струи пара (это снижает скорость откачки).
Следует учитывать, что при увеличении температуры воды, охлаждающей насос, от 20 до 50°С (и соответственно увеличении температуры стенок насоса) предельное остаточное давление при работе на масле ВМ-1 повышается в несколько раз (в насосе с воздушным охлаждением при увеличении температуры охлаждающего воздуха до 30°С предельное остаточное давление возрастает на два порядка).
Основной недостаток пароструйных насосов — возможность проникновения паров рабочей жидкости в откачиваемые приборы. Для улавливания паров между откачиваемым прибором и пароструйным насосом устанавливают ловушки, которые
11*111*1
11*1
11*1
значительно снижают предельное давление пароструйных насосов (положительные факторы,) однако оказывают сопротивление потоку газов из прибора и снижают быстроту откачки (отрицательный фактор).
Понижение температуры конденсирующей поверхности ловушки позволяет значительно снизить давление насыщенных паров в объеме. Например, давление насыщенных паров воды при снижении температуры от +15 до — 19б°С уменьшается соответственно с 2- КГ3 до 10"19 Па, а у ртути — с 10'1 до 10'30 Па.
Для паромасляных насосов применяют минеральные нефтяные масла после специальной перегонки: ВМ-1, ВМ-2, ВМ-5. Недостаток нефтяных масел — легкая окисляемость и значительная растворяющая способность по отношению к газам (поэтому при запуске насоса из масла выделяется большое количество разнообразных газов и паров). При окислении эти масла образуют смолистые налеты на внутренней поверхности насоса. Спектр остаточных газов в значительной мере определяется продуктами разложения минеральных масел в кипятильнике насоса и обычно
содержит тяжелые углеводороды, метан, оксид углерода и др.
Кремнийорганические жидкости — силиконовые масла ВКЖ- 94А, ВКЖ-94Б, ПФМС-1, ПФМС-2 — применяют, когда насосы в процессе работы периодически соприкасаются с атмосферным воздухом (например, в автоматических и полуавтоматических многопозиционных карусельных установках). Эти масла обладают очень высокой противоокислительной стойкостью. Однако использование этих масел может приводить к образованию на электродах откачиваемых приборов кремнийорганических пленок (особенно при отсутствии в системе азотных ловушек). При электронной и ионной бомбардировке эти пленки разлагаются и образуются твердые и газообразные продукты, в частности выделяется кислород, что резко снижает эмиссионные характеристики прибо
ров.
Полифениловые эфиры ПФ-Э обладают очень низким давлением паров при комнатной температуре (10"9—10'11 Па) и
высокой термоокислительной стойкостью. Они позволяют создавать вакуум 10'7 Па без ловушек с жидким азотом. В спектре остаточных газов практически отсутствует углеводород.
Наибольшую окислительную стойкость имеет жидкость МФТ-1 (метил фенилциклотетрасилоксан).
Г е т т е р н о-и о н н ы е насосы являются сверхвысоковакуумными и обеспечивают снижение давления в системе до 5 • Ю'7—2 • 10'8 Па.
Принцип работы насосов основан на термическом распылении титана и поглощении титановым газопоглотителем нейтральных молекул и положительных ионов остаточного газа. Следует
учитывать, что титан поглощает остаточные газы в процессе распыления или после формирования газопоглощающей пленки. Он образует нелетучие и устойчивые при комнатной температуре твердые соединения или твердые растворы почти со всеми газами, имеющимися в вакуумных системах. Однако он не поглощает инертных газов и углеводородов, пока они находятся в виде нейтральных молекул.
Электроразрядные насосы отличаются тем, что прогрев и возгонка титана производятся бомбардировкой испарителя положительными ионами (а не пропусканием тока через испаритель, как в геттерно-ионных насосах). Распыление материала испарителя при бомбардировке его положительными ионами называется катодным распылением. Ионизация молекул остаточного газа происходит с помощью возбуждения в насосе холодного электрического разряда. Применение магнитного поля позволяет значительно увеличить длину свободного пробега электронов и соответственно повышает вероятность ионизации и быстроту откачки насосов. Ионизированные газы поглощаются как свежераспыленным титаном, осевшим на аноде, так и поверхностью титановых катодов. Анодом поглощаются преимущественно азот, кислород, пары воды, а катодом — водород и инертные газы.
Быстрота откачки разных газов электроразрядным насосом не одинакова; лучше всего откачивается водород (вдвое быстрее воздуха), хуже азот, затем кислород и совсем плохо инертные газы, например аргон в 100 раз медленнее, чем азот.
Поглощение водорода (при температурах выше 19б°С) может сопровождаться образованием метана СНд, так как титан является катализатором реакции водорода с углеродом. При поглощении паров воды может выделяться водород.
Турбомолекулярные механические сверхвакуумные насосы обеспечивают снижение давления в откачиваемом объеме до 10"7 Па. Они относятся к безмасляным средствам откачки» в составе остаточных газов присутствует в основном водород (в небольших количествах также пары воды, азот, оксид и диоксид углерода) и практически не содержится углеводородов, масляных паров и других тяжелых газов и паров.
Преимущества турбомолекулярных насосов: малое время запуска, постоянство скорости откачки в широком диапазоне давлений (практически от 10 до 10'6), возможность получения высокого вакуума (и безмасляной среды) без вымораживающих азотных ловушек.
Турбомолекулярные насосы имеют большую быстроту действия при откачке газов с малой молекулярной массой, обычно трудно удаляемых из высоковакуумных систем (например, Нг).
$ 27.4. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КРИОГЕННЫХ НАСОСОВ
Действие криогенных насосов основано на физических явлениях, происходящих при низких температурах.
В зависимости от физико-химических процессов, заложенных в принцип работы криогенных насосов, различают следующие их разновидности (рис. 27.2).
Криоконденсационныенасосы работают на принципе конденсации откачиваемых газов на металлических поверхностях насоса, охлажденных до температуры порядка —250°С.
Криоадсорбционные насосы работают на принципе адсорбции газов на твердых охлажденных адсорбентах, нанесенных на криопанель (в качестве сорбентов наиболее часто используют активированный уголь, цеолиты, силикагели, оксидные пленки металлов). Физическая поверхность адсорбентов на много порядков превышает геометрическую поверхность криопанели, достигая значений 107 см2/г.
Конденсационн о-a дсорбционные насосы работают на принципе адсорбции газов на слое предварительно сконденсированного вспомогательного легкоконденсируемого газа (в качестве вспомогательного газа используют пары воды, спирта, ацетона, диоксид углерода; аргон, азот и др., в этом случае вакуумную камеру с криоповерхностью предварительно откачивают до возможно более низкого давления и после отсоединения
Рис. 27.2. Разновидности криогенных насосов:
а — криоконденсациоиный; 5 — криоадсорбциоиный; в —конденсационно-адсорбционный; 8— криозахватный; д — криогеттерный (1— криопанель; 2— откачанные молекулы; 3— свободные молекулы; 4— твердый адсорбент; 5— сконденсированный вспомогательный газ; б— частицы геттера; 7— хемосорбированные молекулы; 5— адсорбированные молекулы)
Рис. 27.3. Принципиальная схема крионасоса:1—криопанель; 2—экран; 3—жалюзийная часть экрана; 4— корпус; 5— фланец камеры; 6—фланец насоса; 7--криоосадок; 8— форвакуумный фланецРис. 27.3. Принципиальная схема крионасоса:1—криопанель; 2—экран; 3—жалюзийная часть экрана; 4— корпус; 5— фланец камеры; 6—фланец насоса; 7--криоосадок; 8— форвакуумный фланец
Рис. 27.3. Принципиальная схема крионасоса:
1—криопанель; 2—экран; 3—жалюзийная часть экрана; 4— корпус; 5— фланец камеры; 6—фланец насоса; 7--криоосадок; 8— форвакуумный фланец
Рис. 27.3. Принципиальная схема крионасоса:
1—криопанель; 2—экран; 3—жалюзийная часть экрана; 4— корпус; 5— фланец камеры; 6—фланец насоса; 7--криоосадок; 8— форвакуумный фланец
насоса от камеры охлаждают криопанель и вводят в камеру вспомогательный газ для образования на криоповерхности конденсата) .
Криогеттерные насосы работают на принципе поглощения газов пленками геттера, осаждаемого на криопанель насоса (происходит физическое и химическое связывание газов на поверхности и в объеме непрерывно наносимой на криопанель пленкой титана). Криогеттерные насосы имеют удельную сорбционную емкость примерно в 3 раза большую, чем обычные геттерные насосы, работающие при нормальной температуре. Кроме того, при криогенной откачке (в отличие от откачки
геттерно-ионными и электроразрядными насосами) не синтезируются и не выделяются посторонние газы, например метан, и происходит снижение равновесного давления легкокон- денсируемых газов. Для работы насосов этого типа достаточна температура —200°С.
Принципиальная конструктивная схема любого крионасоса содержит следующие конструктивные элементы (рис. 27.3): криопанель, теплозащитный экран, охлаждающее устройство, корпус.
Криопанель — откачивающий элемент насоса, представляющий собой поверхность (в виде диска, цилиндра, змеевика), охлажденную до криогенных температур. Во время работы крионасоса на охлажденной поверхности криопанели происходит постоянное выделение теплоты конденсации, связанное с переходом газа в
конденсированное (связанное) состояние. Поэтому для эффективной откачки необходим постоянный отвод теплоты конденсации и поддержание температуры криопанели на предельно низком уровне.
Теплозащитный экран охлаждается до температуры, промежуточной между температурами стенки корпуса и криопанели. Теплозащитный экран поглощает и отводит на себя тепловую энергию, излучаемую с теплых поверхностей насоса, и предохраняет криопанель от нагрева излучением.
Охлаждающее устройство служит для предварительного охлаждения криопанели от нормальной температуры до рабочей, а также для компенсации тепловых
нагрузок на криопанель и поддержания температуры криопанели во время работы крионасоса на низком уровне.
Крионасосы классифицируются по следующим основным признакам: принципу действия, температурному уровню криопанели, быстроте откачки, способу охлаждения криопанели и конструктивной схеме.
Температурный уровень криопанели представляет собой основной фактор, определяющий давление паров откачиваемого газа, а следовательно, и предельный вакуум, создаваемый насосом. По температурному уровню крионасосы подразделяют на четыре группы в соответствии с температурами кипения азота (—196°С), неона (—245°С), водорода (—253°С) и гелия (—268,8°С).
РАЗНОВИДНОСТИ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
На основании требований, предъявляемых к вакуумной обработке, рассчитывают оптимальную вакуумную систему: подбирают тип насосов, ловушек, геометрию трубопроводов, составляют принципиальную вакуумную схему. Прямоточная вакуумная система, которая обеспечивает получение разрежения до 5 • 10-5 Па, показана на рис. 27.4, а. Механический насос 1 создает в системе предварительное разрежение 10 1 Па. Форвакуум необходим для предотвращения окисления паров масла диффузионного насоса и снижения противодавления на выходном патрубке диффузионного насоса 3, служащего для создания в системе высокого вакуума. Ловушка 4, заполняемая жидким азотом, служит для вымораживания паров масла и паров воды. Датчики 5 предназначены для измерения давления в приборе 6 (они всегда размещаются выше ловушки 4). Ловушка 2 предотвращает проникновение паров масла механического насоса в диффузионный.
В этой прямоточной системе не требуются различные вакуумные краны, переключатели и уплотнения, что обеспечивает высокую скорость откачки, однако повышает вероятность обратной диффузии загрязнений в откачиваемый прибор из вакуумной системы.
В последнее время разработаны силиконовые масла, мало окисляющиеся при высоких температурах, которые при впуске воздуха в систему достаточно охлаждать на 10—20°С ниже точки их кипения. Для этого в цепь подогревателя диффузионного насоса включают добавочный резистор, снижающий ток накала подогревателя насоса.
Для вакуумной обработки дорогах и трудоемких приборов более надежной и не имеющей вышеуказанных недостатков является система с байпасной линией откачки (рис. 27.4, б).
Рис. 27.4. Основные разновидности схем вакуумных систем
Высоковакуумный вентиль 3 этой системы изолирует ее от атмосферы во время установки (напайки) нового изделия.
После снижения давления в приборе до 10 Па (давление определяется по манометру 5) вентиль 8 закрывается, а вентили 3 и 7 открываются; при этом откачиваемый прибор соединяется с диффузионным насосом и откачка газа происходит по схеме прибор — ловушка 2— диффузионный насос 1— предохранительный баллон 12— механический насос 11 (давление измеряется манометрами 4, б).
ititСледует учитывать, что после выключения установки масло из механического насоса (под давлением атмосферного воздуха на вакуумный патрубок 10) может попасть в трубопроводы и загрязнить вентили 7 и 8. Поэтому после выключения механического насоса через вентиль 9 в объем над входным патрубком механического насоса впускается воздух (таким образом устраняется перепад давлений между впускным и выпускным патрубками механического насоса). На рис. 27.4, в показана цельнометалличе-
it
it
ская вакуумная система, позволяющая достигнуть сверхвысокого вакуума ф<10-7 Па) и применяемая для обработки особо надежных приборов, например малошумящих ламп бегущей волны.
Сначала механическим вакуумным насосом 6 с сорбционной ловушкой откачивают газы из прибора, холодного пароструйного насоса 5 и системы до давления порядка 7 Па. Затем включают подогреватель насоса 5 с азотной ловушкой 4 и с его помощью ! производят предварительное обезгаживание приборов, системы и через цельнометаллический прогреваемый вентиль 2 сверхвысоковакуумного насоса (обычно электроразрядный насос) 1 до давления порядка 10'4 Па. В дальнейшем давление снижают сверхвысоковакуумным насосом — при этом насосы 5 и 6 отсоединяют от вакуумной системы цельнометаллическим прогреваемым вентилем 3.
На рис. 27.4, г показана схема установки, работающая по системе «вакуум в вакууме». Такая система широко применяется в установках для откачки металлостеклянных изделий, в частности сверхвысокочастотных вакуумных приборов.
Перед вакуумной обработкой прибора из вакуумного колпака 5 через вентиль 8 с помощью одной из камер многокамерного механического вакуумного насоса 1 откачивают воздух до давления 5 Па (давление в колпаке измеряют датчиком 6). Затем через вентиль 7 производят предварительную откачку самого прибора. После достижения в изделии предварительного вакуума вентиль 7 закрывают, открывают высоковакуумный вентиль 3 и откачивают газы из прибора пароструйным диффузионным насосом 2, снабженным маслоотражателем 4.
РАЗНОВИДНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ВАКУУМНОЙ ОБРАБОТКИ ПРИБОРОВ
Вакуумная обработка приборов производится на вакуумном оборудовании: стационарных откачных постах (обычно с программным управлением), конвейерных машинах с непрерывным перемещением изделия и карусельных многопозиционных полуавтоматах.
Вакуумная система этого оборудования состоит из насосов, ловушек, трубопроводов и других элементов, служащих для откачки из прибора газов и паров, а также манометров, необходимых для измерения остаточного давления. Эти элементы связаны между собой вакуумной арматурой, к которой относятся стеклянные и металлические трубки, соединители,. прокладки, краны, зажимы, вентили и т. д. Соединение вакуумных элементов с арматурой осуществляется твердыми припоями, сваркой или с помощью резиновых трубок.
15—56*1
Помимо вакуумной системы в вакуумную установку входят машины, устройства и приспособления, обеспечивающие работу вакуумного оборудования (например, двигатели к насосам, измерительные приборы к манометрам, золотники в карусельных машинах и т. д.). Большинство вакуумных установок оборудовано вспомогательными устройствами, например печами для прогрева и обезгаживания оболочек приборов, активаторами для подачи напряжений на электроды прибора и т. д. Установки для вакуумной обработки приборов имеют пульты электрического питания и управления, которые содержат блоки измерения, регулирования и контроля электрических параметров. К основным относятся следующие блоки.
Блок управления вакуумной системой, содержащей коммутационную, регулирующую и сигнализирующую аппаратуру.
Блок питания системы нагрева откачных позиций с автоматической системой регулирования — это обеспечивает определенную скорость подъема температуры, заданную продолжительность выдержки при максимальной температуре и определенную скорость снижения температуры.
Блок электрической тренировки прибора, обеспечивающий подачу на электроды требуемых напряжений.
Блок регистрирования, измерения параметров и сигнализации.
Рассмотрим откачные посты, которые в зависимости от конструкции технологической камеры подразделяют на колпаковые, камерные и шахтные. По принципу соединения приборов с вакуумной системой различают посты штенгельной и бесштен- гельной откачки. По виду технологической рабочей среды различают газонаполненные камеры, когда средой является воздух или какой-нибудь газ, и вакуумные. На рис. 27.5 приведена структурная схема постов, в которую вписывается все многообразие вариантов откачных постов. На откачных постах можно контролировать и управлять технологическими процессами, режим которых корректируется в зависимости от условий, создавшихся в каждом конкретном приборе. Оптимальной является термовакуумная обработка, при которой скорость изменения температуры (при обезгаживании, активировании) корректируется в зависимости от изменения давления в вакуумной системе,— такой режим называется режимом «с обратной связью».
На откачных постах скорость подъема температуры при обезгаживании деталей и оболочки корректируется так, чтобы скорость газовыделения не превышала скорости откачки.
Современные откачные посты имеют программное управление и совмещенный цикл откачки. Сущность совмещенного цикла заключается в том, что при нагреве одного из элементов прибора 450
Рис. 27.5. Структурные схемы откачных постов:Рис. 27.5. Структурные схемы откачных постов:а — с воздушной рабочей средой; б — с инертной рабочей средой; в— с подачей инертного или защитного газа в камеру после откачки из иее воздуха; г — по принципу «вакуум в вакууме»; д — с вакуумной рабочей средой (2— откачиваемый прибор; 2— камера обезгаживания; 3— вакуумная система откачки прибора; 4— система подачи защитного газа; 5— система откачки рабочей камеры (в установках «вакуум в вакууме*); 6— устройство для герметизации прибора; 7— блоки питания)а — с воздушной рабочей средой; б — с инертной рабочей средой; в— с подачей инертного или защитного газа в камеру после откачки из иее воздуха; г — по принципу «вакуум в вакууме»; д — с вакуумной рабочей средой (2— откачиваемый прибор; 2— камера обезгаживания; 3— вакуумная система откачки прибора; 4— система подачи защитного газа; 5— система откачки рабочей камеры (в установках «вакуум в вакууме*); 6— устройство для герметизации прибора; 7— блоки питания)
Рис. 27.5. Структурные схемы откачных постов:
Рис. 27.5. Структурные схемы откачных постов:
а — с воздушной рабочей средой; б — с инертной рабочей средой; в— с подачей инертного или защитного газа в камеру после откачки из иее воздуха; г — по принципу «вакуум в вакууме»; д — с вакуумной рабочей средой (2— откачиваемый прибор; 2— камера обезгаживания; 3— вакуумная система откачки прибора; 4— система подачи защитного газа; 5— система откачки рабочей камеры (в установках «вакуум в вакууме*); 6— устройство для герметизации прибора; 7— блоки питания)
а — с воздушной рабочей средой; б — с инертной рабочей средой; в— с подачей инертного или защитного газа в камеру после откачки из иее воздуха; г — по принципу «вакуум в вакууме»; д — с вакуумной рабочей средой (2— откачиваемый прибор; 2— камера обезгаживания; 3— вакуумная система откачки прибора; 4— система подачи защитного газа; 5— система откачки рабочей камеры (в установках «вакуум в вакууме*); 6— устройство для герметизации прибора; 7— блоки питания)
все остальные находятся также при достаточно высокой темпера- туре, что предотвращает сорбцию на них газов и паров.
Особую конструкцию имеют посты для бесштенгельной откачки (рис. 27.6). Анодный блок 2 и катодную ножку 4 помещают в камеру 1. С помощью вакуумной системы в камере создается разрежение порядка 10-6—10 7 Па. В нижней части камеры в крышке 7 расположен механизм герметизации 5, шток 6 которого приводится в движение пневмоприводом 9. Место ввода штока в камеру герметизируется сильфоном 8. Система нагрева прибора до 600—700°С состоит из трех трубчатых молибденовых элементов 3.
Достоинства бесштенгельной откачки: одновременно производится нагрев оболочки и всей арматуры прибора; отпадает надобность в подаче накала на катод, так как он обезгаживается и активируется в результате непосредственного нагрева в камере.
Вакуумные системы оборудуются автоматическими защитными устройствами. Например, если давление в вакуумной системе и приборе внезапно превысит предельно допустимое (в частности, при аварии форвакуумного насоса и при перегреве корпуса диффузионного насоса из-за недостаточного воздушного или водяного охлаждения), автоматически выключаются нити накала манометрических ламп (иначе возможно перегорание нитей) и отключаются диффузионные насосы (иначе рабочая жидкость насоса может окислиться и выплеснуться из насоса).
Вакуумные системы, длительное время находясь в рабочем состоянии, постепенно сами обезгаживаются: уменьшается выде-
^JZ'6' Схема откачного поста для бесштенгельной
ление газов и паров из стенок арматуры, из рабочих жидкостей насосов, уплотняющих смазок (соответственно снижается предельное давление, до которого можно откачать системы, уменьшается парциальное давление вредных примесей). Обычно в первые дни после ремонта и сборки вакуумная система имеет пониженную скорость откачки, и поэтому для достижения предельного вакуума требуется значительное время. Следует отметить, что металлические, керамические, стеклянные детали электровакуумных систем, находящиеся в процессе эксплуатации под постоянной
нагрузкой (вызванной, например, разностью ТКР материалов сочлененных деталей), могут потерять герметичность задолго до появления следов видимых механических повреждений.Общее время пребывания прибора на полуавтомате от загрузки до съема называется циклом откачки. Цикл откачки на многопозиционных машинах равен числу позиций, умноженных на такт откачки. Тактом откачки называется время пребывания прибора на одной позиции полуавтомата плюс время перехода прибора с позициинагрузкой (вызванной, например, разностью ТКР материалов сочлененных деталей), могут потерять герметичность задолго до появления следов видимых механических повреждений.Общее время пребывания прибора на полуавтомате от загрузки до съема называется циклом откачки. Цикл откачки на многопозиционных машинах равен числу позиций, умноженных на такт откачки. Тактом откачки называется время пребывания прибора на одной позиции полуавтомата плюс время перехода прибора с позицииВо&Г,Во&Г,7878К механ вескому насосуК механ вескому насосучу---.чу---.Рис.Рис.27.7. Схема карусельного полуавто27.7. Схема карусельного полуавтомата вакуумной обработкимата вакуумной обработкина позицию.на позицию.
нагрузкой (вызванной, например, разностью ТКР материалов сочлененных деталей), могут потерять герметичность задолго до появления следов видимых механических повреждений.
Общее время пребывания прибора на полуавтомате от загрузки до съема называется циклом откачки. Цикл откачки на многопозиционных машинах равен числу позиций, умноженных на такт откачки. Тактом откачки называется время пребывания прибора на одной позиции полуавтомата плюс время перехода прибора с позиции
нагрузкой (вызванной, например, разностью ТКР материалов сочлененных деталей), могут потерять герметичность задолго до появления следов видимых механических повреждений.
Общее время пребывания прибора на полуавтомате от загрузки до съема называется циклом откачки. Цикл откачки на многопозиционных машинах равен числу позиций, умноженных на такт откачки. Тактом откачки называется время пребывания прибора на одной позиции полуавтомата плюс время перехода прибора с позиции
Во&Г,
Во&Г,
7
8
7
8
К механ вескому насосу
К механ вескому насосу
чу---.
чу---.
Рис.
Рис.
27.7. Схема карусельного полуавто
27.7. Схема карусельного полуавто
мата вакуумной обработки
мата вакуумной обработки
на позицию.
на позицию.
Существуют две разновидности автоматических машин: карусельные и конвейерные многопозиционные машины вакуумной обработки приборов.
Карусельные машины (полуавтоматы) представляют собой периодически вращающуюся карусель, по окружности которой расположены откачные гнезда с установленными в них приборами. Они (рис. 27.4) состоят из станины, карусели, вакуумной системы, привода, высокочастотной, электрической, водяной и огневой систем и туннельной печи.
Неподвижная станина 1 служит для соединения частей полуавтомата. Вращающаяся карусель 8 обеспечивает перемещения откачиваемых приборов 4 по позициям откачки 3. Вакуумная система 2 предназначена для откачки из прибора воздуха и других газов и паров. Привод обеспечивает вращение карусели, подъем и опускание высокочастотных индукторов (когда индукторы сделаны в виде катушек, надеваемых на определенную часть прибора).
Высокочастотная система состоит из высокочастотного генератора и индуктора. Индуктор представляет собой подвижные катушки или неподвижные туннельные высокочастотные шины, между которыми проходят приборы.
Электрическая система полуавтомата 5 обеспечивает питание электродвигателей насосов, печи, генератора высокой частоты, а также подачу напряжения на подогреватели, катоды, модуляторы и другие электроды откачиваемых приборов.
Питание подводится к каждому откачному гнезду через вращающийся коллектор, или откачиваемые лампы по очереди подсоединяют к неподвижным контактам, установленным на
определенных позициях полуавтомата. Управляют электрической системой со специального пульта, имеющего несколько реле времени.
Водяная система охлаждения б и 7 служит для охлаждения диффузионных насосов и высокочастотных индукторов.
Огневая система обеспечивает разогрев (на автоматах с газовыми горелками) и отпай ламп. Она обязательно снабжается автоматическими регуляторами давления газа и воздуха.
Туннельная печь предназначена для нагрева оболочки стеклянных, керамических и слюдяных деталей прибора на всех позициях полуавтомата.
Вакуумная система откачной позиции на автоматической машине обычно аналогична схемам, представленным на рис. 27.4 для откачных постов.
По способу соединения вакуумной системы откачного гнезда с вакуумной системой насосов различают три конструкции карусельных машин: с золотниками в области низкого или высокого вакуума; и без золотника.
На рис. 27.8 показана принципиальная схема устройства откачной машины с золотником (а — схема устройства; б — общий вид).
Золотник состоит из двух находящихся в контакте массивных стальных дисков. Поверхности соприкасающихся золотников тщательно отшлифованы и представляют собой вакуумные уплотнения типа плоского шлифа. Нижний диск золотника 7 неподвижен и закреплен в станине б. По окружности неподвижного диска равномерно расположено столько отверстий (6—9 мм), сколько рабочих откачных позиций имеет машина. Эти отверстия соединены каналами с впаянными трубками (рис. 27.8, б), к которым подсоединены трубопроводы, идущие от неподвижных насосов.
Верхний диск золотника Уб подвижный, он вращается вместе с каруселью и рабочими откачными позициями. Каждое отверстие в верхнем диске соединяется высверленным каналом с боковой поверхностью диска, куда впаиваются трубки 15, подсоединенные к выходному патрубку диффузионного насоса (когда золотник в области низкого вакуума) либо непосредственно к рабочему откачному гнезду (когда золотник в области высокого вакуума). Количество отверстий в верхнем и нижнем дисках одинаково. После поворота карусели 10 вместе с подвижным диском 16 на определенное число градусов она автоматически останавливается и каждое отверстие трубки 15 верхнего диска обязательно совпадает (перекрывается) с одним из отверстий 11 нижнего диска 7. В таком положении карусели происходит откачка газов и паров из приборов, находящихся в рабочих гнездах полуавтоматов. В
2 32 3ififa)a)Рис. 27.8. Золотник откачной карусельной машины:1— бак с водой; 2— трубка подачи воды для охлаждения откачного гнезда; 3— трубка стока воды; 4— рубашка откачного гнезда; 5— ловушка; 6— станина; 7— неподвижный диск золотника; 8— трубопровод к вакуумному иасосу; 9—опорный Шарикоподшипник; 10— карусель; 11— канал в неподвижном диске золотника, по которому течет откачиваемый газ; 12— резиновые уплотнения; 13— зажим; 14— металлические трубки; 15— канал в подвижном диске золотника, по которому течет откачиваемый газ; 16— подвижный диск золотника; 17— полая ось; 18— кольцевые канавки вРис. 27.8. Золотник откачной карусельной машины:1— бак с водой; 2— трубка подачи воды для охлаждения откачного гнезда; 3— трубка стока воды; 4— рубашка откачного гнезда; 5— ловушка; 6— станина; 7— неподвижный диск золотника; 8— трубопровод к вакуумному иасосу; 9—опорный Шарикоподшипник; 10— карусель; 11— канал в неподвижном диске золотника, по которому течет откачиваемый газ; 12— резиновые уплотнения; 13— зажим; 14— металлические трубки; 15— канал в подвижном диске золотника, по которому течет откачиваемый газ; 16— подвижный диск золотника; 17— полая ось; 18— кольцевые канавки в
2 3
2 3
if
if
a)
a)
Рис. 27.8. Золотник откачной карусельной машины:
1— бак с водой; 2— трубка подачи воды для охлаждения откачного гнезда; 3— трубка стока воды; 4— рубашка откачного гнезда; 5— ловушка; 6— станина; 7— неподвижный диск золотника; 8— трубопровод к вакуумному иасосу; 9—опорный Шарикоподшипник; 10— карусель; 11— канал в неподвижном диске золотника, по которому течет откачиваемый газ; 12— резиновые уплотнения; 13— зажим; 14— металлические трубки; 15— канал в подвижном диске золотника, по которому течет откачиваемый газ; 16— подвижный диск золотника; 17— полая ось; 18— кольцевые канавки в
Рис. 27.8. Золотник откачной карусельной машины:
1— бак с водой; 2— трубка подачи воды для охлаждения откачного гнезда; 3— трубка стока воды; 4— рубашка откачного гнезда; 5— ловушка; 6— станина; 7— неподвижный диск золотника; 8— трубопровод к вакуумному иасосу; 9—опорный Шарикоподшипник; 10— карусель; 11— канал в неподвижном диске золотника, по которому течет откачиваемый газ; 12— резиновые уплотнения; 13— зажим; 14— металлические трубки; 15— канал в подвижном диске золотника, по которому течет откачиваемый газ; 16— подвижный диск золотника; 17— полая ось; 18— кольцевые канавки в
диске золотника
период последующего движения карусели отверстия в дисках смещаются относительно друг друга. При этом рабочее откачное гнездо отсоединяется от вакуумной системы и откачка газов из прибора практически прекращается. Однако в результате вакуумного уплотнения между дисками вакуум, достигнутый в приборе при остановке карусели (и совпадении отверстия в верхнем и нижнем диске), сохраняется. К моменту новой остановки карусели каждое отверстие в верхнем подвижном диске снова совпадает с одним (но уже другим) отверстием в неподвижном диске. При этом снова начинается откачка газов из вакуумной системы, расположенной выше золотника, но уже другим насосом.
В конвейерных машинах каждая рабочая откачная позиция представляет собой индивидуальный откачной пост, перемещающийся по прямым линиям, замкнутым на концах, с независимой вакуумной системой. Например, многопозиционная
машина для вакуумной обработки кинескопов представляет собой горизонтально замкнутый, непрерывно движущийся конвейер состоящий из 165 индивидуальных откачных постов (ячеек) соединенных тяговой цепью 4 (рис. 27.9). В процессе вакуумной обработки цветных кинескопов одновременно с откачкой производится прогрев и обезгаживание стеклянной оболочки, поверхностных покрытий, масочного узла, обезгаживание внутренней арматуры и газопоглотителя, активирование катодов, отпай штенгеля прибора. В конвейерную машину кроме откачных ячеек входят туннельная газовая печь 2, подвешенная на раме 1 (печь служит для прогрева прибора до 450—480°С); высокочастотные катушки 3, образующие коридор и служащие для обезгаживания электронно-оптической системы и газопоглотителя; токоведущие шины 5, протянутые вдоль конвейера, для подачи электроэнергии к откачным позициям.
Контактная система состоит из троллейных шин 5 и смонтированной на транспортных тележках системы контактных щеток 6 подачи напряжения сети для питания электродвигателей вращательных насосов, печей диффузионных насосов, печей обезгаживания и средств измерения вакуума, а также подачи напряжения на электроды откачиваемого прибора. На различных участках конвейера к шинам подводится различное напряжение. При подходе откачной ячейки к определенным откачным позициям конвейера с помощью щеток 6 с шин 5 снимается и подается напряжение на подогреватель, катод, модулятор и другие электроды прибора.
На рис. 27.10 показана схема активировки катода. Активиров- ка проводится подачей регулируемого по величине и в дальнейшем стабилизируемого тока, проходящего через подогреватели кинескопов. Режим активировки задается по току, риулируется потенциометром Ri, напряжение обратной связи снимается с сопротивлений R\ и Ri и через стабилитрон VDi подается на базу составного транзистора ₽Ti, VTi. Параллельно стабилитрону VDs включена сигнальная лампа. Диоды KZ>6 и VD\ обеспечивают защиту источника от случайного попадания высокого напряжения на выход. Схема обеспечивает защиту блока активировки от короткого замыкания на выходе блока и стабилизацию заданного значения тока ± 1% при изменении сопротивления подогревателя в пределах ± 20% и колебаний напряжения сети ± 10%.
Конструкция печи для нагрева откачиваемых приборов должна обеспечивать тепловой режим с минимальными перепадами температуры между соседними тепловыми зонами, исключить колебания температуры вдоль каждой секции нагрева, обусловленные термодинамикой, стабилизировать тепловой режим каждой зоны регулирования. Это позволяет увеличить скорости нагрева
Рис. 27.9. Поперечный разрез конвейерной машины для откачки кинескопов:
2-|™ж2-туние™м^^™^
щетки для снятия напряжения|л_аткачиые посты; 12— откачное гнездо
движутся посты; 9- паромасляные насосы; 10-откачиые поста ,
Рис. 27.10. Схема блока активировки катода
и охлаждения откачиваемых приборов без опасности их термического разрушения и сократить длительность термовакуумной обработки.
Система автоматического регулирования температуры связана непосредственно с ЭВМ, которая производит обработку поступающей информации, сравнение ее с заданной и поддержание оптимального теплового режима в каждой зоне нагрева.
НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ВАКУУМНОЙ ОБРАБОТКИ
Вакуумная обработка прибора служит для создания в приборе высокого вакуума, обеспечения условий, исключающих ухудшение вакуума в процессе хранения и эксплуатации прибора, и придания катоду способности эмигрировать электроны.
В процессе вакуумной обработки производятся следующие основные операции: откачка газов и паров из объема прибора; обезгаживание оболочки, внутренней арматуры прибора и газопоглотителя с непрерывной откачкой выделяющихся газов и паров; активирование или сенсибилизация катода, т. е. термическая обработка катода в условиях высокого вакуума; высоковольтный прожиг проводящих мостиков, образуемых различными загрязнениями и напылениями на детали прибора; герметизация прибора.
Помимо тщательной вакуумной обработки оболочки газоразрядных приборов могут наполняться инертными газами, ртутью, галогенами, парами металлов и разных соединений, а в фотоэлектронных приборах непосредственно в процессе вакуумной обработки изготовляют фотокатод.
В табл. 27.1 и на рис. 27.11 приведена принципиальная технологическая схема вакуумной обработки ЭВП с оксидным катодом.
Таблица 27.1
Технологические операции
Способ проведения операции
Примечание
1. Подсоединение прибора к вакуумной системе
Напайка штенгеля прибора на отросток коллектора вакуумной системы или закрепление штенгеля в уплотнителе откачного гнезда
Не рекомендуется допускать охлаждения приборов после операции «заварка ножки в колбу». Прибор желательно подсоединить к вакуумной системе в нагретом состоянии
2. Подсоединение выводов электродов прибора к соответствующим электрическим зажимам, через которые на электроды подаются различные напряжения
Вручную
Электроды прибора, на которые не подаются напряжения, обязательно заземляются
3. Проверка наличия контакта в электрических цепях и отсутствия коротких замыканий между электродами
Электрическим пробником
4. Создание в приборе предварительного разрежения — откачка газов до давления 1 Па
Механическими вакуумными насосами с масляным уплотнением или адсорбционными насосами
Предварительное разрежение должно соответствовать давлению, при котором высоковакуумный насос имеет максимальную скорость откачки
5. Создание в приборе высокого вакуума — откачка газов из объема до давления 10" —10 Па
Подсоединением вакуумной системы к высоковакуумному насосу (например, паро- масляному диффузионному Н-1 С-1, парортутному диффузионному, геттерно- ионному ГИН-05М1, элект- роразрядному магнитному НОРД-10 или Трион-150)
Скорость откачки насоса должна быть минимум в десять раз выше пропускной способности вакуумной системы
Продолжение табл?27а
Технологические операции
Способ проведения операции
Примечание
6. Контроль прибора и вакуумной системы на отсутствие натекания
Концом высокочастотного провода искрового течеиска- теля или щупом незаземлен- ного вывода аппарата «Тесла» проводят по стеклянной оболочке прибора. При наличии течи в приборах или вакуумных трубопроводах наблюдается высокочастотный разряд, сопровождающийся лилово-красным свечением остаточных газов. При приближении вывода к месту течи разряд переходит в яркую искру (разряд в месте течи формируется в тонкий ярко-белый искровой пучок, направленный своим концом точно в место течи). В сильно натекающих приборах от электродов к стеклянной колбе проскакивают светящиеся фиолетовые искры
Искры не должны пробивать стекло, поэтому вывод течеискателя или аппарата «Тесла» изготовляют в виде метелки из тонких проволок, разделяющих одну искру на множество мелких. С уменьшением давления остаточного газа свечение, возбуждаемое аппаратом «Тесла», последовательно переходит от красного к оранжевому, фиолетовому и зеленому. Свечение не наблюдается при давлении остаточных газов меньше 5 Па. Нельзя прикасаться щупом аппарата «Тесла» к люминесцентному экрану во избежание разрушения люминофора и появления на экране темных пятен и полос
7. Обезгаживание стеклянной оболочки, стеклянных, керамических, слюдяных деталей, а также всех покрытий, нанесенных на оболочку прибора (люминесцентного, аквадагового, полупроводникового и т.д.)
Нагрев оболочки прибора до 370—480°С электрической, газовой печью или инфракрасными лампами. Непрерывная откачка выделяющихся газов
Выбор оптимальной температуры зависит от состава стекла, формы и толщины стенок колбы, конструкции вакуумной системы, термической стойкости покрытий (например, люминесцентного). Время и скорость подъема температуры выбирают такими, чтобы скорость откачки в каждый данный момент времени превышала скорость газовыделения
8. Обезгаживание газопоглотителя и металлических деталей арматуры прибора токами высокой частоты
Прогрев осуществляется высокочастотными токами, индуцируемыми в, металлических деталях с помощью катушек высокой частоты (индукторов), подсоединенных к генератору высокой частоты (обычно применяется гейератор, создающий переменный ток с частотой колебаний 400 кГц или 66 кГц). Непрерывная откачка выделяющихся газов
Желательно, чтобы обезгаживание металлических деталей и газопоглотителя токами высокой частоты происходило одновременно с обезгаживанием оболочки приборов в печи (совмещенный режим откачки). Скорость обезгаживания должна выбираться в зависимости от скорости откачки вакуумной системы
Продолжение табл. 27.1
Технологические операции
Способ проведения операции
Примечание
9. Повышение вакуума в приборе перед активированием катода за счет уменьшения давления насыщенных паров (воды, масла и других загрязнений)
Улавливание паров с помощью ловушек (заливка жидкого азота в ловушки или пропускание тока через полупроводниковые ловушки). Непрерывная откачка выделяющихся газов
Желательно, чтобы оболочка и детали прибора находились в нагретом состоянии и не сорбировали газы и пары, выделяющиеся с катода. Необходимо применять стабилизаторы тока
10. Обезгаживание и предварительное активирование катода
Нагрев катода пропусканием тока через подогреватель (катоды косвенного накала) или непосредственно через катод (катоды прямого накала). Иногда одновременно проводят дополнительный нагрев катодного узла высокочастотными индукционными токами. Для исключения потерь на неплотных контактах режим активирования устанавливается по току, а не по напряжению
Подъем температуры должен быть медленным во избежание растрескивания оксидного покрытия или образования оксида никеля на границе между керном и покрытием. Давление газов при предварительном активировании не должно превышать 5 Па. Предупреждение резкого повышения давления достигается корректировкой тока накала. Накал на подогреватель подается только после достижения высокого вакуума, так как окисление вольфрамового керна может привести к утечкам и пробоям между катодами и подогревателем
11. Окончательное активирование катода с отбором эмиссионного тока и окончательное обезгаживание электродов электронной и ионной бомбардировкой
Нагрев катода пропусканием тока накала. Подача положительного потенциала (относительно катода) на электроды прибора. При этом электроны и отрицательные ионы, испу- скаемые катодом, бомбардируют и обезгаживают электроды прибора. Для ограничения тока, предотвращения возникновения дугового разряда и распыления электродов в цепь электрода устанавливается буферное сопротивление
Величина положительного потенциала, который подается на электроды, определяется расстоянием между катодом и электродом, материалом электрода, загрязнениями поверхности электрода, быстротой откачки, составом газов и паров, выделяющихся из электродов, температурой катода и эмиссионной способностью катода
12. Вторичное обезгаживание газопоглотителя
Газопоглотитель прогревают индукционными токами высокой частоты. Одновременно катод нагревают пропу сканием тока накала
Температура вторичного обез- гаживания газопоглотителя должна быть ниже температуры первичного
Продолжение табл. 27. /
Технологические операции
Способ проведения операции
Примечание
13. Отпай прибора
Отпаивают газовой горелкой, электрической печью (электроотпай) или методом холодной диффузионной сварки
В процессе отпая температура оболочки прибора должна быть не менее 250°С, катода — не менее 500°С, электродов не менее 600°С
14. Распыление газопоглотителя
Прогрев газопоглотителя высокочастотными индукционными токами
Оболочка прибора должна находиться при комнатной температуре (для получения не- окисленного зеркала газопоглотителя с хорошей структурой) , а катод должен быть нагрет до рабочей температуры (для предупреждения сорбции на нем газов)
15. Контроль технологического процесса вакуумной обработки
На передовых предприятиях действует автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУТП), которая обеспечивает автоматическое управление процессами вакуумной обработки. Получая данные от локальных программных устройств или от электрических вычислительных машин, ЭВМ на центральном пульте управления выбирают оптимальные условия проведения вакуумной обработки
Все исполнительные механизмы (вакуумные, водяные краны, реле) должны иметь дистанционное управление и сигнализацию о положении «открыто» и др. Контрольноизмерительная аппаратура (вакуумметры, самопишущие потенциометры) должна иметь дистанционное включение и автоматическую настройку и выдавать сигнал, пропорциональный измеряемой или регулируемой величине
Иногда операцию обезгаживания катода, разложения карбонатов и первоначального активирования проводят до заварки внутренней арматуры с катодом в оболочку прибора и его откачки — это уменьшает вероятность распыления эмиссионного вещества катода, снижает уровень паразитной эмиссии и шумов в приборе. Разложение карбонатов в этом случае производят на специальной установке в вакууме или в потоке водорода. Частично про- активированный катод защищают от внешней атмосферы на время его переноса в оболочку лампы и ее заварки либо с помощью нейтральной среды (аргон, азот), либо путем нанесения на катод герметичной органической пленки (в процессе откачки эта пленка разлагается и удаляется).
Рис. 27.11 ■ Принципиальная схема технологической линии вакуумной обработки
ОТКАЧКА ГАЗОВ ИЗ ОБЪЕМА ПРИБОРА
Характер и режим течения газов и паров в вакуумной системе зависят от диаметра трубопроводов и величины давления остаточных газов в каждый данный момент времени.
Существует три режима течения газов: турбулентный, ламинарный (вязкостный) и молекулярный.
В первые секунды откачки при высоком давлении и высокой скорости откачки (особенно в системах с большими диаметрами трубопроводов) в системе имеет место турбулентное движение газа. Оно характеризуется завихрениями и беспорядочным перемещением газа.
В дальнейшем по мере снижения давления в системе перемешивание газа прекращается. Газ практически разделяется на отдельные слои, которые имеют различную скорость течения и перемещаются параллельно друг другу. Этот режим течения газа называется ламинарным. При ламинарном режиме скорость слоя газа у стенок трубопровода равна нулю; скорость слоя газа в середине трубопроводов максимальная, остальные слои газа имеют одну из промежуточных скоростей. Между слоями газа, перемещающимися друг относительно друга с разными скоростями (скользящими друг по другу), возникают силы трения. Ввиду того, что внутреннее трение и, следовательно, вязкость
Рис. 27.12. График измеиения давления остаточных газов в процессе откачкиРис. 27.12. График измеиения давления остаточных газов в процессе откачкиопределяют характер перемещения газов при ламинарном течении, это течение называют также вязкостным.
Рис. 27.12. График измеиения давления остаточных газов в процессе откачки
Рис. 27.12. График измеиения давления остаточных газов в процессе откачки
Ламинарный (вязкостный) режим течения газа имеет место при следующем соотношении между давлением газа й диаметром вакуумного трубопровода: dP > 70, где d — диаметр трубопровода, см; Р
— среднее давление в вакуумном трубопроводе, Па.
При дальнейшем умень
шении давления, когда длина свободного пробега молекул газа становится соизмеримой с поперечными размерами трубопроводов, наступает молекулярный режим течения газов. При молекулярном режиме отсутствуют скольжение и перемещение слоев газа параллельно друг другу. Течение газа представляет собой движение молекул от одной стенки трубопровода к другой с последующим рассеиванием их
от стенок в произвольном направлении.
Суммарным результатом молекулярного течения является скольжение рассеянных молекул газа по стенкам трубопровода. Таким образом, при молекулярном режиме наблюдается картина, обратная вязкостному: наибольшую скорость вдоль трубопровода достигают молекулы газа у его стенок, в то время как в центре трубопровода эта скорость равна нулю.
Откачка газов из приборов, отпаиваемых при высоком вакууме, проходит последовательно стадии вязкостного, молекулярно-вязкостного и молекулярного режимов.
На рис. 27.12 показаны изменения давлений в приборе (кривая /) и в вакуумной системе в процессе вакуумной обработки прибора (кривая 2).
На первом этапе вакуумной обработки (участок Л) происходит откачка атмосферного воздуха из объема прибора и из вакуумной системы (операции 4 и 5 в табл. 27.1). Длительность этого этапа — несколько секунд. Штенгель оказывает некоторое сопротивление потоку атмосферного воздуха, откачиваемого из прибора, поэтому давление остаточных газов в приборе несколько превышает давление в вакуумной системе (обычно на один порядок). Однако состав остаточных газов и паров в приборе и в вакуумной системе один и тот же. Следует отметить, что в начальный период откачки (при большой скорости откачки) резко снижается температура
внутри оболочки прибора; при этом влага, содержащаяся в остаточных газах, может конденсироваться на катоде с образованием кристалликов льда, что приводит к появлению трещин и кратеров в оксидном покрытии. Чтобы исключить конденсацию влаги, рекомендуется перед вакуумной обработкой оболочки наполнять сухим азотом или просушивать колбу при Т = 60*70°С.
На втором этапе вакуумной обработки (участок Б) происходит обезгаживание оболочки покрытий и арматуры прибора (операции 7 и 8 в табл. 27.1). В процессе обезгаживания вакуумная система находится при комнатной температуре, а прибор нагревается до высоких температур. Повышение давления в системе и в приборе в начале второго этапа вакуумной обработки обусловлено сильным газовыделением из обезгаживаемых деталей. На этой стадии откачиваемый газ течет по вакуумным трубопроводам в вязкостном режиме. При вязкостном режиме происходит соприкосновение и трение газов о стенки прибора и вакуумных трубопроводов, что приводит к сорбции газов и паров стеклянными и металлическими поверхностями. Ввиду того, что стенки вакуумной системы холодные и имеют большую поверхность, на них сорбируется гораздо больше газов и паров, чем в приборе. На стенках трубопроводов преимущественно сорбируются хлор, фтор, пары воды, углеводороды (в частности, пары рабочих масел насосов), т. е. газы и пары, которые имеют большое «сродство» с материалом трубопроводов. Поэтому в процессе обезгаживания не только давление, но и состав остаточных газов в приборе и в вакуумной системе становится разным.
На третьем этапе вакуумной обработки (участок В) продолжается удаление газов и паров из деталей и объема прибора, снижается суммарное давление остаточных газов в приборе и вакуумной системе (операция 9 в табл. 27.1). Однако молекулы фтора, хлора и других газов, которые на этапе обезгаживания сорбировались стенками трубопроводов, вновь выделяются в объем вакуумной системы. Хотя суммарное давление остаточных газов в вакуумной системе ниже суммарного давления остаточных газов в приборе, парциальное давление хлора, фтора, углеводородов, паров и воды в вакуумной системе становится выше, чем в приборе. Под действием разности концентраций и парциальных давлений начинается обратная диффузия этих газов и паров из вакуумной системы в прибор навстречу основному потоку откачиваемых газов. Обратная диффузия газов и паров из системы в прибор возможна только на третьем этапе вакуумной обработки, когда из-за уменьшения суммарного давления наступает молекулярный режим течения газов. При молекулярном режиме поведение каждого отдельного газа не зависит от давления и
наличия в приборе и в системе других газов и определяется только парциальным давлением именно этого газа.
Таким образом, при большой длительности откачки улучшается суммарный вакуум в приборе, но одновременно увеличивается содержание отдельных наиболее агрессивных и вредных для прибора газов и паров, т. е. ухудшается качественный состав остаточных газов. Поэтому желательно отпаивать прибор от вакуумной системы, не дожидаясь предельно достижимого вакуума. Дальнейшее снижение давления остаточных газов в приборе достигается после распыления газопоглотителя и «жестчения» газов при тренировке прибора.
Следует отметить, что по мере увеличения диаметра штенгеля прибора ускоряется процесс откачки на участках А в Б кривой (положительный фактор), но резко увеличивается обратная диффузия газов из системы в прибор на участке В (отрицательный фактор).
Однако обратная диффузия газов из вакуумной системы в прибор протекает наиболее интенсивно, если суммарное давление остаточных газов в приборе по какой-либо причине становится меньше суммарного давления остаточных газов в вакуумной системе.
Суммарное давление в приборе может оказаться ниже давления в вакуумной системе в следующих случаях:
при быстром охлаждении стеклянных или металлических оболочек, покрытий и деталей после их обезгаживания (при этом холодная поверхность начинает интенсивно сорбировать газ, т. е. работает как газопоглотитель);
в момент вспышки газового разряда при индукционном i прогреве деталей (при этом образуются атомы и ионы, которые энергично сорбируются оболочкой и деталями прибора);МН
при перегреве и преждевременном распылении газопоглотителя в приборе до его спаивания с вакуумной установкой;МН
при переактивировании оксидного покрытия и образовании свободного бария в оксидном покрытии прибора, напаянного на вакуумную установку. Свободный барий является активным газопоглотителем, связывающим остаточные газы, что приводит к отравлению катода и засасыванию газов и паров из системы в прибор. Поэтому рекомендуется окончательное активирование катода производить уже после отпайки прибора с вакуумной i установки и распыления газопоглотителя (например, при тренировке прибора). Практика показывает, что катоды, имеющие ; высокую эмиссию до спаивания прибора с вакуумной системы I (т. е. катоды, в которых свободный барий образовался уже непосредственно в процессе вакуумной обработки), обычно «отрав- Me ляются» газами и имеют малый срок службы.
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОБЕЗГАЖИВАНИИ ДЕТАЛЕЙ В ПРОЦЕССЕ ВАКУУМНОЙ ОБРАБОТКИ ПРИБОРОВ
Поглощение газов, паров и других загрязнений деталями ЭВП происходит в результате процессов сорбции и химических реакций. Поэтому газы и пары могут находиться в деталях в виде пленок на поверхности твердого раствора или газовых пузырей внутри материала, в виде химических соединений с материалом деталей.
В процессе хранения и эксплуатации приборов может происходить процесс десорбции, т. е. выделение в объем прибора газов и паров, ранее поглощенных деталями приборов.
Процесс десорбции усиливается по мере повышения температуры и уменьшения давления данного газа в приборе. Десорбция может вызываться не только нагревом, но и бомбардировкой деталей ионами, электронами или фотонами.
Назначение обезгаживания — удалить именно те газы и пары, которые в процессе хранения или эксплуатации могут выделяться в объем оболочки или мигрировать (переходить) на другие детали.
Для работы электровакуумных приборов основную опасность представляет не содержание газов в деталях, а вероятность их газовыделения из деталей при работе прибора (газы и пары, которые при хранении и эксплуатации прибора остаются внутри деталей, не оказывают влияния на работу приборов). Это следует учитывать при выборе материала для деталей, подборе метода и режимов обезгаживания. Например, наиболее полно должны обезгаживаться газопроницаемые материалы, имеющие малое сопротивление диффузии газов и паров из толщи материала к поверхности. Эффективность обезгаживания зависит от режима подъема и снижения температуры, давления в вакуумной системе, скорости откачки, состава материала и его толщины, плотности, структуры, материала детали, качества предварительной термической и химической очистки.
Существуют правила обезгаживания в процессе вакуумной обработки прибора.
Температура обезгаживания детали должна быть выше рабочей температуры детали при тренировке, испытании и эксплуатации прибора.
Интенсивность электронной и ионной бомбардировки деталей при их обезгаживании должна быть выше, чем при тренировке и эксплуатации прибора.
В каждый данный момент обезгаживания суммарное количество газов и паров, которые выделяются всеми деталями прибора, не должно превышать количества газов и паров, которое может откачать вакуумная система (т. е. скорость газовыделения внутри прибора должна быть меньше скорости откачки. Снижение скорости газовыделения достигается корректировкой скорости подъема температуры в зависимости от вакуума в приборе).
Обезгаживание должно производиться в «совмещенном» режиме — при обезгаживании одного элемента прибора (например, газопоглотителя) все остальные элементы (оболочка, покрытия, внутренняя арматура) должны быть в нагретом состоянии, тотда предотвращается сорбция на них газов и паров, выделяющихся из обезгаживаемой детали.
Следует учитывать, что повышение температуры обезгаживания сверх оптимального значения может привести к ухудшению качества приборов в результате: выделения агрессивных газов и паров из толщи детали (где они не опасны) в объем прибора или скапливания их в поверхностных слоях детали; коробления, изменения формы деталей и, следовательно, нарушения оптимальных расстояний между электродами прибора; ухудшения механических свойств материала деталей; напыления материала нагреваемой детали на соседние более холодные детали прибора (появляются пробои и утечки между электродами, паразитная и холодная эмиссия, потемнение оксидного слоя и т. д.); резкого повышения давления в приборе в процессе вакуумной обработки (что может вызвать сорбцию газов и паров холодными деталями, отравление катодов, окисление деталей прибора и рабочих масел насосов).
Газовыделение зависит от материала деталей, от предшествующей технологической обработки и состояния атмосферы, в которой находился материал до помещения его в вакуум. В процессе обезгаживания приборов наибольшее количество газов и паров выделяется различными покрытиями, нанесенными на его детали. Например, при обезгаживании кинескопов 55 % общего газовыделения приходится на аквадаговое покрытие, 12,5% — на люминесцентное покрытие, 15% — на стеклянную оболочку прибора, 17,5% — на электронно-оптическую систему, включая газопоглотитель. Следует учесть, что аквадаговое и люминофор-
ное покрытия, а также стеклооболочка выделяют в основном водяные пары, электронно-оптическая система — водород, а оксидное покрытие — углеродсодержащие соединения.
§ 27.10. ОСОБЕННОСТИ ОБЕЗГАЖИВАНИЯ СТЕКЛЯННЫХ ДЕТАЛЕЙ
Газы и пары имеют малый коэффициент диффузии через стекло: при рабочих температурах прибора из толщи стекла диффундирует к поверхности лишь ничтожное количество газа, содержащегося в объеме стеклянной детали. Поэтому в процессах вакуумной обработки практически необходимо обезгазить лишь поверхностные слои стеклянных деталей (толщина приповерхностных слоев составляет 20—40 мкм).
Стекло может обезгаживаться четырьмя способами: нагревом в электрических и газовых печах; инфракрасным, ультрафиолетовым или световым излучением специальных ламп (чем больше в стекле содержится паров воды, тем сильнее оно поглощает инфракрасные лучи); излучением от раскаленной арматуры прибора; электронной и ионной бомбардировкой стекла. При прикосновении щупом аппарата «Тесла» к различным участкам стеклооболочки внутри прибора возникает высокочастотный разряд, что приводит к электронной и ионной бомбардировке стекла и к мгновенной десорбции газа.
Электронную бомбардировку стекла можно осуществить также возбуждением в объеме прибора вторичного электронного резонанса: откачиваемый прибор помещают между двумя металлическими пластинами, к которым прикладывают высокое напряжение определенной частоты. Вторичный электронный резонанс сопровождается флуоресценцией стекла, вызываемой его электронной бомбардировкой.
Зависимость газовыделения стекла от температуры в процессе его обезгаживания в печах вакуумных установок показана на рис. 27.13. Как видно на рис. 27.13, наибольшее количество газов и паров выделяется при температуре 250—300оС*. В интервале температур Ti— Tmin происходит удаление газов и паров, сорбированных в приповерхностных слоях стекла, Tmin в
1
Основная масса паров воды, адсорбированных при хранении стекла, выделяется при Т — 220°С.
зависимости от состава стекла колеблется от 350—450°С. При 450°С удаляются все газы, проникшие в стекло при его хранении и химической обработке. Практика показывает, что, даже нагревая стекло до температуры размягчения, нельзя полностью обезгазить всю его толщу (для обезгаживания всей толщи стекла необходима температура, при которой стекло практически теряет свою форму). Однако ввиду того, что при Т = 35 + 450°С можно полностью обезгазить поверхностные и приповерхностные слои стеклянной детали, обезгаженное стекло является хорошим вакуумным материалом, не ухудшающим вакуума в приборе в процессе его эксплуатации. Будучи обезгажено в вакууме при оптимальной температуре, стекло практически не выделяет газов при более низкой рабочей температуре прибора. Применение вакуумных установок типа «вакуум в вакууме» позволяет повысить температуру обезгаживания стеклянных оболочек приборов, так как устраняет возможность их деформации под действием внешнего атмосферного давления.
При обезгаживании стекла неприменим принцип «чем выше температура и больше длительность обезгаживания, тем лучше». Стекла, в состав которых входят оксиды щелочных металлов, уже при нагреве свыше 360°С выделяют большое количество нейтральных частиц, ионов калия и натрия. Эти продукты термического разложения стекла оседают на внутриламповых деталях, окисляются в присутствии кислорода, создают на электродах изоляционные и полупроводниковые пленки. На таких пленках
возникают положительные заряды, которые изменяют потенциалывозникают положительные заряды, которые изменяют потенциалыэлектродов и снижаютэлектродов и снижаютРис. 27.13. Кривая зависимости газовьщеления стекла от температурыРис. 27.13. Кривая зависимости газовьщеления стекла от температурыпробивное напряжение. Так, из боросиликатных стекол при 450°С интенсивно выделяется борный ангидрид.
возникают положительные заряды, которые изменяют потенциалы
возникают положительные заряды, которые изменяют потенциалы
электродов и снижают
электродов и снижают
Рис. 27.13. Кривая зависимости газовьщеления стекла от температуры
Рис. 27.13. Кривая зависимости газовьщеления стекла от температуры
Основными веществами, выделяющимися из стекла при обезгаживании, являются пары воды, диоксид углерода и водород. Установлено, что стекла с пониженной химической устойчивостью (С52-1, С96-1) обладают повышенным газовы- делением. Хранение стеклооболочек в
воздушной среде с повышенной влаж-
ностью увеличивает газовыделение при
обезгаживании прибора более чем в два раза.
Существует три способа снижения газовыделения стекол.
Предварительная (перед вакуумной обработкой прибора) прокалка стекла при высокой температуре в атмосфере сухого воздуха или азота. Поэтому отжиг, которому подвергают стеклооболочки для снятия внутренних напряжений после заварки, снижает суммарное газовыделение из стекла во время вакуумной обработки (особенно резко уменьшается содержание вредных для катода водяных паров). Для уменьшения газовыделения и улучшения эмиссии катодов необходимо, чтобы на вакуумную обработку поступали горячие стеклооболочки, не успевшие остыть после операции «заварка ножки», иначе в процессе остывания стеклооболочка снова поглотит из воздуха значительное количество газов и паров. Хранение во влажной атмосфере стеклообо- лочек после заварки ножки увеличивает газовыделение более чем в семь раз.
Предварительное обезгаживание стеклооболочки в вакууме — предварительная откачка прибора с прогревом стеклооболочки до высокой температуры.
Промывка стеклооболочек в разбавленной 1%-ной плавиковой кислоте: тонкий поверхностный слой стекла, содержащий основное количество сорбированных газов и особенно паров воды, растворяется, тем самым снижается газовыделение в вакууме более чем в восемь раз. Следует учесть, что применение более концентрированной плавиковой кислоты (например, 4—8%-ной), наоборот, увеличивает газовыделение стекла, так как образуется шероховатая поверхность стекла, активно • поглощающая газы и пары из атмосферы.
Наиболее качественная очистка стекла, снижающая его газовыделение в вакууме, достигается обработкой стеклянных деталей парами изопропилового спирта.
При работе ЭВП внутреннюю поверхность стеклооболочки могут бомбардировать рассеянные электроны и стекло заряжается до положительного потенциала близлежащего электрода. По мере увеличения положительного потенциала стекла электронная бомбардировка становится все более интенсивной и приводит к диссоциации оксидов, из которых состоит стекло. Поэтому рекомендуется защищать стекло от рассеянных электронов путем нанесения на него электропроводящих слоев, находящихся под потенциалом катода. Большинство стекол под действием электронной бомбардировки темнеет.
Введение в стекла оксидов бария и церия придает им устойчивость к воздействию электронной бомбардировки
(например, стекла С54-1 и С88-9), введение этих примесей необходимо для стекол люминесцентных экранов высоковольтных приборов.
ОСОБЕННОСТИ ОБЕЗГАЖИВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
По степени уменьшения газосодержания металлы можно расположить в следующем порядке: железо, никель, медь, молибден, вольфрам (в железе содержание газов достигает 500 см3 на 0,1 кг металла, а в вольфраме — не превышает 0,1 см3 на 0,1 кг). Однако эта закономерность условна, так как количество и состав газов в металлических деталях зависят не только от разновидности металла и сплава, но и от способа его изготовления, механической и химической обработки, хранения и других причин. Например, обычные сорта никеля содержат в основном оксид углерода (до 80—90 % общего количества газов в металле), в состав электролитического никеля входит преимущественно водород (до 80 %). Никель совершенно не содержит кислорода, поэтому его легко обезгаживать. Газовыделение никеля
Выбор оптимальной температуры обезгаживания зависит от формоустойчивости деталей, температуры начала интенсивного
распыления металла и температуры плавления.
Температура обезгаживания детали должна быть ниже температуры начала интенсивного распыления металла. Температура
начала интенсивного распыления в вакууме — это температура,
при которой давление насыщенного пара материала детали достигает КГ3 Па. Для большинства металлов эта температура
намного меньше температуры плавления металла, поэтому нельзя ускорить процесс обезгаживания деталей нагреванием их до температур, близких к температуре плавления металла (например, температура плавления никеля 1450°С, а температура начала интенсивного распыления всего 950—1050°С, поэтому оптимальная температура обезгаживания никеля не превышает 900°С).
Температура начала интенсивного распыления в вакууме (°C): алюминия— 90, бария— 500, вольфрама— 2500, железа— 1050, магния—300, меди—950, молибдена—1950, тантала—2200, серебра— 800, цинка —200.
Температуру детали можно приближенно (визуально) оценить
по ее цвету в процессе нагрева:
ЦветТемно-красный,ЦветТемно-красный,
Цвет
Темно-красный,
Цвет
Темно-красный,
резко возрастает при содержании в нем присадки магния.
При обезгаживании металла легче удаляется водород, что связано с его малой относительной молекулярной массой, легкостью диффузии и неустойчивостью химических соединений. Наиболее трудно удаляется кислород (особенно из легко окисляющихся металлов). Детали, очищенные методом электролиза (катодная очистка) или вакуумной плавкой, не содержат кислорода, этим объясняется легкость их обезгаживания.
За время полного обезгаживания детали принимается время, в течение которого скорость газовыделения (т. е. количество газа, выделяющегося из детали за единицу времени) уменьшается до 0,1—1 % от максимального значения.
По мере нагрева деталей ускоряются физико-химические процессы, способствующие удалению газов и паров: разложение химических соединений металла с газами и парами; диссоциация молекул газов и паров на атомы и радикалы; диффузия атомов через толщу металла на поверхность; возгонка газов и паров с поверхности. С повышением температуры скорость обезгаживания резко возрастает, так как скорость диффузии (самого медленного процесса) экспоненциально зависит от температуры. Наиболее целесообразно обезгаживать металлические детали в период, когда
температура оболочки 200°С.
Температура, °C
-600
заметный при затемнении предмета
Темно-красный~700
Вишнево-красный~850
Светло-красный~950
Желтый' — 1100
Белый.— 1300
Ослепительно белый~ 1500
В каждый данный момент обезгаживания давление в приборе не должно превышать 1 • 10"1 Па. При более высоком давлении в приборе (например, при малой скорости откачки) во время нагрева детали вместо обезгаживания будет происходить обратный процесс — растворение газов в металле (а также отравление катода, окисление арматуры, распыление материала' электродов, разрушение люминесцентного покрытия и т. д.).
Для обеспечения более полного обезгаживания металлические детали, в которых растворимость газов увеличивается при
№«I«I«X«J№«I«I«X«JРис. 27.14. Принципиальная схема индукционного нагреваРис. 27.14. Принципиальная схема индукционного нагреваповышении температуры, следует охлаждать медленно (например, детали из Ni, Fe, Си, Ag, No, W), иначе в объеме детали останется «замороженным» значительное количество газов, которые не успели выделиться при быстром охлаждении. Металлические детали (например, из Ti и Та), в которых растворимость газов уменьшается
№«I«I«X«J
№«I«I«X«J
Рис. 27.14. Принципиальная схема индукционного нагрева
Рис. 27.14. Принципиальная схема индукционного нагрева
при повышении температуры, по этой же причине следует охлаждать по возможности быстро.
Применяют четыре метода нагрева металлических деталей: 1) токами высокой частоты (индукционный); 2) постоянным или переменным током промышленной частоты, пропускаемым непосредственно через детали; 3) электронной или ионной бомбардировкой детали; 4) теплоизлучением от других нагретых деталей.
Для обезгаживания деталей токами высокой часто- т ы вблизи них помещается высокочастотная катушка-индуктор, по виткам которой пропускают переменный ток (рис. 27.14). При этом создается переменное магнитное поле, магнитный поток которого замыкается в плоскости, перпендикулярной направлению электрического тока в витках индуктора. Магнитный поток пересекает замкнутый контур, образуемый обезгаживаемыми деталями, и возбуждает (индуцирует) в них высокочастотные вихревые токи (токи Фуко), что вызывает нагрев и обезгаживание деталей. Ввиду того, что сопротивление массивного проводника- детали очень мало, вихревые токи достигают очень большого значения. Индуктор /
Рис. 27.15. Схема генератора высокой частотыРис. 27.15. Схема генератора высокой частотыпо отношению к нагреваемой детали 3 является первичной обмоткой трансформатора, а нагреваемая деталь выполняет роль вторичной обмотки трансформатора, содержащей один короткозамкнутый виток (рис. 27.14). Переменный магнитный поток 2, создаваемый первичной обмоткой- индуктором /, пропорционален его магни-
Рис. 27.15. Схема генератора высокой частоты
Рис. 27.15. Схема генератора высокой частоты
тодвижущей силе (МДС) и обратно пропорционален сопротивлению магнитной цепи.
При индукционном нагреве включение нагреваемой детали в цепь тока производится за счет магнитной связи. Вихревые токи 4 протекают в пределах площади, охватываемой индуктором, при этом нагревается только участок детали, который находится в магнитной связи с индуктором вне зависимости от общих размеров детали.
Токи высокой частоты создаются генератором высокой частоты, схема которого показана на рис. 27.15.
Генератор построен на принципе ударного возбуждения колебательного контура импульсом тока, при этом в колебательном контуре, состоящем из индуктора-соленоида и блока конденсаторов, возникают свободные затухающие колебания, определенные собственной частотой / генератора. Обычно / имеет одно из трех значений: 440, 880 кГц или 1,76 МГц.
Преобразовательная часть генератора состоит из импульсного водородного тиратрона (например, ТГИ2-260/12), накопительного конденсатора Сн, зарядного дросселя Ыу, разрядной катушки LLp и колебательного контура LLk, расположенного непосредственно на откачной позиции.
Колебательная мощность в контуре равна
где Ен — напряжение на накопительном конденсаторе, В; Сн — емкость накопительного конденсатора, мФ; /—задающая частота, МГц.
Схема генератора состоит из следующих основных узлов: источника анодного напряжения Аг; блокинг-генератора Аа— формирователя запускающих импульсов со схемой стабилизации мощности; преобразовательной части фильтра Л1 для защиты питающей сети от радиопомех.
Нагрев детали индукционными вихревыми токами обусловлен выделением джоулевой теплоты в соответствии с законом Джоуля — Ленца или теплоты, связанной с потерями электрической энергии на перемагничивание (гистерезис).
Полезная мощность, которая инициируется в нагреваемых деталях, определяется по формуле
Мюл = 2,81 aO'6XzV/^T,
где А — постоянная величина, зависящая от конструкции высокочастотного индуктора, в частности от соотношения высоты и диаметра высокочастотной катушки и диаметра нагреваемых электродов. Из этой формулы следует, что с увеличением частоты тока /, магнитной проницаемости ^ , удельного электрического сопротивления р материала детали и особенно числа ампер-витков катушки г уменьшается время, необходимое для разогрева деталей до оптимальной температуры. Эффективность нагрева деталей зависит от их материала и геометрической формы, конфигурации высокочастотных катушек и расположения обезгаживаемых деталей относительно катушек. Цилиндрический индуктор применяют обычно для нагрева замкнутых цилиндров, расположенных вдоль его оси; он позволяет осуществлять избирательный нагрев деталей арматуры и обеспечивает высокий КПД системы индуктор — нагреваемая деталь. Торцевой индуктор применяют обычно для прогрева плоских металлических деталей, он позволяет регулировать напряженность магнитного поля в зоне нагрева изменением расстояния между индуктором и деталью. Иногда для улучшения высокочастотного нагрева к детали приваривают специальные перемычки, образующие с ней замкнутый проводящий контур. Индуктор обычно изготовляют из меди — немагнитного металла и охлаждают водой.
Ток индукторов составляет от сотен до нескольких тысяч ампер при средней плотности тока порядка 20 А/мм2.
Число ампер-витков N индуктора, необходимое для нагрева электродов в процессе их обезгаживания, определяется формулой
... 2,04567^
KiWV1
где / — ток высокой частоты, проходящий через индуктор, А; S — поверхность электрода, см2; г — излучательная способность металла электрода; К — постоянная, зависящая от отношения диаметра индуктора к диаметру прогреваемого электрода.
При выборе оптимального числа ампер-витков индуктора исходят из следующего: число ампер-витков должно быть тем больше, чем выше температура обезгаживания и излучательная способность материала, чем больше поверхность деталей и отношение диаметра индуктора к диаметру прогреваемого электрода; число ампер-витков может быть уменьшено по мере увеличения частоты тока, магнитной приницаемости и удельного электрического сопротивления.
Эффективность передачи энергии от индуктора к нагреваемой детали зависит от зазора между ними и повышается при его уменьшении. Необходимость зазора объясняется тем, что индуктор находится под напряжением и охлаждается хладагентом, а деталь нагревается до высокой температуры. Потери мощности в зазоре между индуктором и нагреваемой деталью зависят от взаимных размеров сопрягающихся деталей.
Неправильно сконструированная высокочастотная система или неоптимальный режим прогрева могут являться причиной всевозможных дефектов прибора.
В замкнутых контурах и электрических цепях, образующихся при соединении электродов прибора в процессе его вакуумной обработки, могут появляться паразитные наводки тока. В частности, в цепи подогревателя в дополнение к току накала может возникать индукционный высокочастотный ток, вызванный наличием электромагнитного поля высокочастотной катушки, что приводит к потере управления режимом активирования катода и перегоранию подогревателя. Паразитные наводки тока могут приводить также к распылению материала электродов и электролизу стекла ножки.
На незаземленных деталях прибора могут иногда возникать напряжения высокой частоты, образование которых объясняется тем, что при вакуумной обработке его электроды имеют нулевой или невысокий потенциал относительно земли, в то время как на высокочастотном индукторе напряжение относительно земли достигает нескольких киловольт. Под действием наведенных высоких напряжений разрушается оксидное покрытие катодов, происходит разложение люминофора (появляются темные пятна на экране), распыляется материал электродов.
Устранить явления наводки паразитных токов и высоких напряжений можно подбором формы высокочастотной катушки, числа витков, силы и частоты тока, величины самоиндукции в цепи накала, а также путем заземления всех электродов, на которые в процессе вакуумной обработки не подаются определенные потенциалы.
Детали, находящиеся под напряжением высокой частоты, не должны иметь острых углов, заусенцев, по которым возможно стекание зарядов и пробой изоляционных промежутков.
При очень быстром подъеме температуры в процессе обез- гаживания и резком повышении давления в приборе под действием электромагнитного поля индуктора может возникнуть тлеющий разряд. При разряде образуются ионы, обладающие высокой
химической активностью и большой кинетической энергией, что приводит к пробою, отравлению, разрушению оксидного покрытия и распылению материала электродов.
Наличие в системе индуктор — нагреваемая деталь двух потоков магнитной энергии (прямого и обратного, вызванного наведенными токами проводимости) приводит к возникновению механической силы, действующей на каждый элемент нагреваемой детали или узла и называемой электродинамической силой. С увеличением магнитной проницаемости и частоты сжимающее усилие возрастает. Наличие сжимающих усилий приводит к деформации нагретых деталей, искажениям расстояний между ними, появлению коротких замыканий и утечек.
Тепловая энергия, выделяемая за счет вихревых токов, распределяется по сечению детали неравномерно. Наибольшее количество теплоты выделяется на поверхности — это объясняется скин-эффектом, эффектом близости и катушечным эффектом (рис. 27.16).
Скин-эффект (поверхностный) свойствен любым переменным
токам и заключается в том, что плотность переменного тока уменьшается от поверхности к внутренним слоям металла (рис. 27.16, а).
С увеличением частоты тока и магнитной проницаемости уменьшается глубина проникновения высокочастотного электро
магнитного поля в толщу детали и тем самым ухудшается равномерность прогрева детали (при частоте 1 кГц ток практически сосредоточен в слое металла толщиной не менее 2 мм, при частоте 1000 кГц ток проходит по слою толщиной не более 0,2 мм). Поэтому оптимальная частота тока при индукционном нагреве 440—1760 кГц. Это объясняется тем, что индукционный нагрев по своей природе является поверхностным
Рис. 27.16. Проявление скин-эффекта (а), эффекта близости (б) и катушечного (кольцевого) эффекта (в) при прохождении тока высокой частоты по проводникуРис. 27.16. Проявление скин-эффекта (а), эффекта близости (б) и катушечного (кольцевого) эффекта (в) при прохождении тока высокой частоты по проводнику— по мере продвижения в толщу детали ток проводимости создает встречное магнитное поле, препятствующее продвижению внешнего
Рис. 27.16. Проявление скин-эффекта (а), эффекта близости (б) и катушечного (кольцевого) эффекта (в) при прохождении тока высокой частоты по проводнику
Рис. 27.16. Проявление скин-эффекта (а), эффекта близости (б) и катушечного (кольцевого) эффекта (в) при прохождении тока высокой частоты по проводнику
поля.
Под глубиной проникно-j вения высокочастотного поля и нагреваемую деталь, называем мой толщиной скин-слоя! понимают такую толщину ц слоя металла, на которой
амплитуда электромагнитной волны затухает примерно на 37 %. Глубину проникновения можно рассчитать по формуле (мм):. А = 503 <ОД .
При одной и той же частоте тока немагнитные материалы нагреваются значительно медленнее, чем ферромагнитные. Поэтому в стали, например, удельная поглощаемая полезная мощность почти в 8 раз больше, чем в меди.
Эффект близости заключается в том, что неравномерное распределение плотности тока по сечению близко расположенных проводников зависит от направления тока в них. При одинаковой направленности переменного тока наибольшая его плотность наблюдается на противоположных сторонах, а при разной — на обращенных друг к другу сторонах проводника (рис. 27.16, б). Эффект близости проявляется тем сильнее, чем меньше расстояние между проводниками. На рис. 27.17, а показан пример проявления эффекта близости в случае эксцентрического расположения детали в одновитковом индукторе. В этом случае выделение теплоты происходит неравномерно — более интенсивный нагрев будет происходить на участках деталей, приближенных к индуктору.
Внутри многовиткового индуктора напряженность магнитного поля по сравнению с одновитковым увеличивается, действие эффекта близости уменьшается и при высоте индуктора более 2 диаметров оказывается незначительным. При зазоре между
Рис. 27.17. Эффект близости при индукционном нагреве деталей:
А — нагреваемая, деталь; В — индуктор: С — нагретый слой
индуктором и изделием 1 /4 диаметра индуктора нагрев происходит практически равномерно по всей длине и поверхности детали, несмотря на ее эксцентричное расположение в индукторе (рис. 27.17, б).
Катушечный (кольцевой) эффект возникает в результате несимметричности электромагнитного поля проводника при свертывании его в кольцо: линии поля сгущаются у внутренней поверхности кольца и разряжены с внешней стороны (см. рис. 27.16, в). В случае, когда требуется нагреть наружную цилиндрическую поверхность, то этот эффект благоприятствует нагреву и облегчает его.
Высокочастотным обезгаживанием практически невозможно удалить пленки оксидов, силикатов и напыленные на детали загрязнения, так как температура начала интенсивного распыления металла электродов и максимально допустимая температура обезгаживания ниже температуры испарения этих пленок. Однако в процессе эксплуатации прибора эти вещества под действием электронной или ионной бомбардировки могут разлагаться с выделением кислорода и других газообразных продуктов, отравляющих катод и ухудшающих вакуум. Поэтому в процессе вакуумной обработки прибора металлические детали помимо высокочастотного нагрева необходимо подвергать обез- гаживанию методом электронной или ионной бомбардировки.
Для обезгаживания деталей электронной бомбардировкой необходимы условия: высокий вакуум в приборе; высокая скорость откачки; наличие катода, способного эмиттировать электроны; разность потенциалов между обезгаживаемой деталью и катодом.
Сущность обезгаживания электронной бомбардировкой состоит в том, что кинетическая энергия электронов и ионов превращается в теплоту, нагревающую детали.
Поэтому температура поверхности и отдельных участков детали (бомбардируемых электронами и ионами) значительно превышает среднюю температуру детали. Это способствует удалению загрязнений с поверхности детали без опасности распыления материала детали.
КПД электронной бомбардировки зависит от состава загрязнений, материала подложки, плотности тока, величины положительного потенциала на обезгаживаемой детали.
Величина положительных потенциалов на электродах должна быть такой, чтобы энергия электронов, бомбардирующих деталь, составляла несколько электрон-вольт (например, для разложения
480
№0 достаточна энергия 2,5 эВ, для СиО—1,5, для WO3—8,1, для BaO, СаО, SrO—6, для AI2O3—17,3 эВ).
С повышением энергии электронов увеличивается глубина проникновения электронов в деталь и толщина восстановленного от оксида и обезгаженного слоя металла. Однако с увеличением энергии электронов возрастает опасность распыления металла электродов. При низком вакууме и малой скорости откачки возможно возникновение электрической дуги, образование положительных ионов, бомбардирующих и разрушающих катод. Для предотвращения возникновения дуги в цепь обрабатываемых электродов включают гасящие сопротивления, ограничивающие ток1.
Для обезгаживания газоразрядных приборов с холодными катодами и фотоэлектронных приборов применяют ионную бомбардировку путем возбуждения в приборе высокочастотного или высоковольтного разряда.
ОБЕЗГАЖИВАНИЕ И АКТИВИРОВАНИЕ ОКСИДНЫХ КАТОДОВ ПРИ ВАКУУМНОЙ ОБРАБОТКЕ ПРИБОРОВ
" Процесс вакуумной обработки заключается в последовательном обезгаживании и активировании катодов, в результате чего они приобретают способность эмиттировать электроны.
При обезгаживании удаляются газы и пары, содержащиеся в покрытии катода, происходит разложение и удаление связующего вещества и пластификатора, разложение карбонатов щелочноземельных металлов на оксиды и удаление из них газообразных продуктов.
При активировании происходит формирование структуры и состава оксидного катода, взаимное растворение оксидов бария, стронция и кальция друг в друге, образование свободного металлического бария и его диффузия из толщи катода на поверхность.
Обезгаживание катода происходит в результате следующих процессов: теплоизлучения от нагретых деталей и оболочки
Обезгаживание электронной бомбардировкой рекомендуется проводить в импульсном режиме с целью предотвращения резкого ухудшения вакуума в приборе при интенсивном газовыделении.
16—5Л ' ' - 481
прибора; пропускания тока накала через подогреватель или непосредственно через керн катода; отбора тока эмиссии с катода путем подачи на электроды положительного потенциала.
Начинать обработку катода рекомендуется при температуре стеклооболочки и деталей внутренней арматуры в пределах 200—300°С. При этих температурах они имеют гораздо меньшую сорбционную способность, чем в холодном состоянии, и не поглощают газов, выделяемых катодом.
В большинстве случаев обезгаживание катода производится при давлениях, не превышающих 1 • 10" Па. Максимальное давление в процессе обработки катода не должно превышать 0,6 Па, а при высоких температурах на конечных стадиях обез- гаживания должно уменьшаться до 1 • 10"—5 • 10" Па.
При температуре до 300°С1 испаряются остатки растворителей и пластификаторов и происходит интенсивное разложение нитроклетчатки или другого биндера:
C6H8O5(NO2>2 - 5C + 2NO2t +4Н2О t + СО |
Образующиеся газообразные продукты, а также пары тяжелых углеводородов, уксусной кислоты, альдегидов откачиваются, а углерод остается в покрытии, придавая ему серый цвет2.
Дальнейший нагрев катода производится путем пропускания тока накала. При температуре 570—600°С заканчивается разложение связующего вещества, при « 600°С начинается разложение карбонатов кальция, а при более высоких — разложение карбонатов стронция и, наконец, карбонатов бария. При заданной температуре, например 730°С, скорости разложения ВаСОз, ВгСОз и СаСОз относятся как 1:50:500 (т. е. скорость разложения карбоната бария в 500 раз меньше, чем карбоната кальция).
В процессе разложения карбонатов на катоде протекают три реакции.
Термическая диссоциация карбонатов с образованием оксидов щелочноземельных металлов, например,
ВаСОз ^ ВаО + СОг t
— эта реакция является полезной, она необходима для формирования структуры катода, состоящей из оксидов. Скорость процесса превращения карбонатов в оксиды увеличивается при повышении температуры и уменьшении парциального давления диоксида углерода над катодом.
Химическое взаимодействие карбонатов с материалом керна катода или с активирующими присадками:
ВаСОз + Ni -* NiO + BaO + СО t
— эта реакция является вредной, она приводит к окислению материала керна и активирующих присадок. Образующийся при реакции оксид никеля сосредоточивается на границе между керном и оксидным покрытием. Наличие прослойки оксида никеля приводит к бесполезному расходованию и истощению запасов активного вещества в катоде (так как NiO вступает в реакцию с барием и активирующими присадками), а также замедялет диффузию активирующих присадок из керна в оксидное покрытие. Это затрудняет процесс активирования, приводит к повышению рабочей температуры катода и снижению его долговечности.
Скорость этой вредной реакции резко возрастает при повышении скорости подъема температуры и давления диоксида углерода.
Кроме того, быстрый подъем температуры приводит к интенсивному выделению газов и паров из толщи катода и соответственно отлипанию и растрескиванию поверхностных слоев покрытия.
Углерод, оставшийся в покрытии после разложения кол- локсина, при температуре свыше 800°С химически взаимодействует с диоксидом углерода, выделяющимся при разложении карбонатов:
C + CO2^2COf
Образующийся оксид углерода откачивается вакуумной установкой. Неполное удаление углерода может привести к нежелательным последствиям: потемнению оксидного слоя, повышению теплоизлучательной способности катода, уменьшению его температуры и эмиссионной способности.
Интенсивность удаления углерода из покрытия повышается с увеличением температуры, скорости откачки и с уменьшением давления оксида углерода над катодом.
Чем выше вакуум, тем меньшая температура достаточна для обезгаживания и активирования катода. Например, при вакууме 10 Па для полного разложения карбонатов и удаления углерода
требуется 1000°С, при вакууме 10"2 Па —830°С, а при вакууме 10"4 Па—750°С.
Активирование катода происходит при его нагреве до 800— 1000°С. При этой температуре в толще оксидного слоя образуется свободный барий. При образовании свободного бария протекают следующие физико-химические процессы.
Термическая диссоциация оксида бария:
2ВаО^2Ва + О2 t
Восстановление бария из его оксидов активирующими присадками
2ВаО + Si -» 2Ва +SiO2
и за счет взаимодействия оксида бария с углеродом или оксидом углерода:
2ВаО + С -» 2Ва + СО21
Взаимодействие оксидов щелочноземельных металлов с водородом, выделяющимся из керна катода и других деталей, предварительно отожженных в водороде:
ВаО + Н2 -* Ba + Н2О
Процесс активирования катода водородом следует проводить при небольших парциальных давлениях водорода (~103 Па) и TS 930°С, а также при возможно быстром удалении паров образующейся воды.
Электролитическое разложение оксида бария. При низкой температуре оксид бария является изолятором, при высокой — проводником: при Т ~ 900°С электрическое сопротивление оксида бария снижается до значения, при котором начинается электролиз покрытия. При этом ионы Ва2+ и О2", из которых состоят кристаллы оксида бария, начинают перемещаться под действием электрического поля; ионы бария Ва2+ движутся к катоду (которым является никелевый керн катода), разряжаются на нем, превращаются в нейтральные атомы бария и оседают на границе между никелевым керном и оксидным слоем, ионы кислорода движутся к аноду (которым является поверхностный слой оксидного покрытия), превращаются в нейтральные атомы и молекулы и удаляются в виде газообразного кислорода.
Поэтому под действием электролитического разложения оксида бария в катоде будет накапливаться некоторое количество свободного бария.
Частный случай электролитического разложения оксида бария с образованием свободного бария происходит при бомбардировке катода положительными ионами (например, при высокочастотном разряде в остаточном газе). Тогда положительные ионы играют роль анода, на котором выделяется кислород, а свободный барий осаждается на границе между никелевым керном и оксидным слоем.
При повышении температуры до 1000°С одновременно с появлением свободного бария происходят еще два процесса, обусловливающие высокую эмиссию катода:
диффузия свободного бария из толщи катода на поверхность; это приводит к равномерному распределению бария в толще и на поверхности катода;
взаимное растворение и появление смешанных кристаллов оксидов бария, стронция и кальция.
Повышение температуры сверх 1000°С при активировании нецелесообразно по следующим причинам: начинается интенсивное испарение свободного бария и оксидов щелочноземельных металлов, что приводит к истощению катода, утечкам, пробоям, «паразитной эмиссии», напылению на изоляторы и электроды проводящих пленок оксидов, искажающих электрическое поле внутри прибора (пленки оксидов являются также постоянным источником кислорода в приборе, они разлагаются при электронной и ионной бомбардировке и выделяют кислород); происходит интенсивное испарение никелевого керна с образованием темных налетов на деталях и оболочке ЭВП; происходит интенсивный рост размеров смешанных кристаллов оксидов, что вызывает снижение эмиссионной способности (например, прогрев катода в течение 1 мин при Т — 1100°С приводит к снижению эмиссии в несколько раз); значительно повышается вероятность высокочастотного пробоя изоляции и повреждения алундового и оксидного покрытия.
Улучшение эмиссионных характеристик при вакуумной обработке и тренировке прибора достигается за счет токоотбора с катода путем подачи на близлежащий электрод (например, модулятор) положительного потенциала относительно катода.
Во всех случаях активирование катода в приборе до его отпая с вакуумной системы (в процессе откачки) не рекомендуется доводить до максимальной эмиссии.
Степень активирования катода в неотпаянном приборе не должна превышать 40% от максимально достижимой: окончательную финишную активировку следует производить после отпаивания прибора на операции «тренировка». В случае пере- активирования в процессе откачки начинается процесс обратной диффузии газов и паров.
27.13. ВЛИЯНИЕ ОСТАТОЧНЫХ ГАЗОВ, МЕХАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ И НАПЫЛЕНИЙ НА РАБОТУ ОКСИДНОГО КАТОДА
В процессе изготовления, хранения и эксплуатации прибора может происходить отравление катода остаточными газами. Отравление катода может быть связано с комплексом различных физико-химических процессов: уменьшение концентрации свободного бария за счет его химического взаимодействия с остаточными газами и парами; окисление металла керна и активирующих присадок; увеличение электрического сопротивления запорного слоя между керном и оксидным покрытием; механическое разрушение оксидного покрытия при его бомбардировке положительными ионами; уменьшение шероховатости, пористости и суммарной эмиссионной поверхности за счет спекания покрытия при попадании в него «плавней»; повышение коэффициента излучения и снижение фактической температуры катода (ниже рабочей температуры) за счет напыления на катод различных пленок; разрушение эмиссионного покрытия при пробоях и разрядах между электродами и возникновении электрического разряда; выделение в объеме прибора кислорода при электронной и ионной бомбардировке стеклооболочки и окисленных электродов; выделение в объем прибора газов и паров при нагреве деталей внутренней арматуры, стеклооболочки при эксплуатации прибора.
На отравление катода влияют суммарное давление и качественный состав остаточных газов, свойства материалов оболочки, покрытий и внутренней арматуры и режимы эксплуатации прибора. Во всех случаях отравление катода тем интенсивней, чем ниже вакуум в приборе, выше парциальное давление химически активных газов и паров (вызывающих химическое разрушение) и тяжелых многоатомных газов (вызывающих механическое разрушение), а также чем ниже температура катода.
■Наиболее часто отравление катода связано с наличием кис- лородсодержащихгазов и паров, таких, как О2, СО2, Н2О, СО: степень отравления хорошо проактивированного катода в перечисленном ряду убывает от Ог к СО.
Кислород и водяные пары при их парциальном давлении порядка 10‘3 Па реагируют со свободным барием и переводят его в химические соединения, не обладающие эмиссией. Отравляющее действие кислорода и водяных паров уменьшается по мере повышения температуры катода.
Наличие кислорода в ЭВП может быть связано с разложением оксидов на деталях (например, напылившейся пленки оксида бария) при их бомбардировке электронами и ионами с энергией в несколько десятков электрон-вольт.
Наличие в атмосфере прибора водорода уменьшает химическое отравление катода, облегчает его работу при пониженной температуре и повышенном давлении остаточных газов, способствует активированию катода и удалению оксидов с поверхности деталей.
Иногда водород искусственно вводится внутрь прибора: на внутренней арматуре прибора располагается источник водорода в виде нераспыляемого газопоглотителя, например, гидрид титана, который при нагревании выделяет водород, а при охлаждении поглощает избыток водорода. При избытке водорода ухудшается суммарный вакуум в приборе, повышается вероятность ионного разрушения катода и образования паров воды, например, по реакции:
ВаО + Н2 -* Ва + НзО
Водород вводится в состав распыляемого газопоглотителя вместо азота — нагрев газопоглотителя производится при активировании и тренировке катода.
Хлористые и фтористые соединения, попадая на катод, вступают в химическое взаимодействие с оксидами, образуют хлориды и фториды щелочноземельных металлов. Эти соли имеют низкую температуру плавления, поэтому они приводят к расплавлению, спеканию и окрашиванию оксидного слоя 5 темные цвета. Оксидное покрытие теряет свою пористость, шероховатость, превращается в стеклообразный слой с высокой теплоизлучающей способностью, уменьшаются активная поверхность и температура катода и соответственно снижается его эмиссионная способность. Кроме того, хлориды и фториды бария, стронция, кальция имеют высокую скорость испарения, при этом
они уносят с катода щелочноземельные металлы, истощают его активный слой, вызывают утечки и пробои, искажение электрического поля внутри прибора.
Хлор- и фторсодержащие соединения взаимодействуют с активированными и с неактивированными, с нагретыми и с холодными катодами. Поэтому отравление катода может происходить как при изготовлении, так и при хранении и эксплуатации прибора.
Хлористые и фтористые соединения попадают на детали следующими путями: при прикосновении к детялям потными руками, так как в основной компоненте пота (вода) растворены хлориды натрия (поваренная соль), кальция, а также сульфаты, карбонаты, молочная кислота, мочевина, аминокислоты и другие органические соединения; при шлифовке катодной керамики с последующей обработкой ее в соляной кислоте; из воздуха промышленных предприятий, в котором содержатся, например, пары плавиковой кислоты; при мойке стеклооболочек в растворах плавиковой кислоты и бифторида аммония; при варке некоторых сортов стекол (например, бариево-литиевого), в которые специально вводят хлористые и фтористые соединения в виде «плавней» (например, стекло С95-3 содержит 0,5 % фтора, а стекло С94-1— 0,8 % фтора). Поэтому эти стекла нельзя применять для тубусов , приборов — в процессе заварки ножки прибора тубус разогревается до температуры размягчения и выделяет содержащиеся в стекле галогены, отравляющие катод. Для определения наличия хлора и фтора в стеклянных и металлических материалах и деталях применяют спектральный и рентгеноструктурный методы анализа, обычными химическими методами анализа определить следы галогенов в материалах практически очень трудно.
Для предупреждения отравления катодов хлористыми и фтористыми загрязнениями рекомендуются следующие способы.
Прогрев катода, внутренней арматуры и стеклооболочки в процессе откачки в «совмещенном» режиме, при этом хлориды и фториды, испаряющиеся с катода, не смогут сконденсироваться на горячих поверхностях прибора и совершать круговой цикл, они будут откачиваться вакуумной установкой.
Обезгаживание стеклооболочки, содержащей следы хлористых и фтористых загрязнений, в процессе вакуумной обработки при температуре, не превышающей 380°С, что предотвращает выделение галогенов в объем прибора.
Очистка собранных ножек приборов (со смонтированной на них внутренней арматурой) в плазменном разряде.
Окислительный отжиг катодной керамики в воздушной среде при температуре 1200°С с выдержкой при максимальной температуре не менее 2 ч.
Следует отметить, что катоды, отравленные хлором, можно «вылечить» — эмиссия восстанавливается после нагрева катода до температуры выше рабочей, при которой хлористые загрязнения выпариваются из катода (например, путем увеличения напряжения накала до значения, на 25—30 % превышающего рабочее напряжение накала).
Сернистые загрязнения могут попадать на детали электровакуумного прибора: при обработке деталей и оболочки приборов моющими жидкостями (например, четыреххлористым углеродом), водой, смазочными маслами и эмульсиями; при сгорании топливных газов (топливные газы обычно содержат примеси сернистого газа и сероводорода. Детали, извлеченные из ламп, катоды которых «отравлены» сернистыми соединениями, пахнут сероводородом); при сорбции сернистого газа из воздуха промышленных предприятий; при электролитических процессах (например, при электролитической очистке), когда электролиты содержат примеси сернистых соединений.
Сернистые соединения, попадая на катод, вызывают потемнение оксидного слоя, повышение его теплоизлучения, уменьшение температуры и эмиссии катода.
Катод, отравленный сернистыми соединениями, не поддается «лечению» и непригоден для дальнейшего применения.
Углеводородные загрязнения (жировые, масляные) попадают на детали в следующих случаях: при контакте деталей со смазочными материалами (в процессе их механической обработки), с инструментом, сборочными приспособлениями, оправками, переносной тарой; при обдувке деталей и оболочек приборов сетевым воздухом, содержащим масляный туман; при использовании для обработки деталей воздуха высокого давления, загрязненного парами масла от компрессора; при сорбции углеводородистых загрязнений из загрязненного атмосферного воздуха — в процессе хранения деталей и изготовления прибора; при откачке воздуха из приборов насосами, в которых рабочей жидкостью является масло (особенно при повышенной мощности накала подогревателей насосов и низкой температуре охлаждающей воды); при промывке деталей и стеклооболочки деионизованной водой (все детали, промытые в деионизованной воде, которая в отличие от дистиллированной воды не очищена от органических соединений, необходимо подвергать отжигу при температуре не менее 350°С — для выжигания органики); при
низкой температуре или малой длительности обжига внутренних покрытий и выжигания органической пленки; при Высоком парциальном давлении водяных паров в приборе: при взаимодействии паров воды с углеродом, содержащимся, например, в аквадаговом покрытии или в магнезированных деталях, образуются углеводороды, в частности метан.
Отравление катодов углеводородами объясняется следующими физико-химическими процессами.
Пары углеводородов конденсируются на катоде, деталях внутренней арматуры прибора и поверхности стеклооболочки.
Углеводороды, осевшие на холодные поверхности, разлагаются под действием электронной и ионной бомбардировки, а осевшие на горячие поверхности разлагаются под действием высокой температуры.
, При разложении одной молекулы углеводородов с длинной углеродистой цепочкой (например, жиров) образуется много молекул элементарных газов: СН4, СО4, НгО, Нг и др. Это приводит к резкому повышению давления в приборе, появлению большого количества положительных ионов, бомбардирующих и разрушающих центр катода, а также большого количества, отрицательных ионов, разрушающих люминесцентное покрытие.
При диссоциации углеводородов на горячем катоде образуется углерод, который осаждается на поверхности оксидного покрытия и придает ей темный цвет, что снижает фактическую температуру катода и уменьшает ток эмиссии. Восстановить эмиссию катодов, отравленных углеводородами, практически не удается.
Наличие пленок углеводородов приводит также к изменению и ухудшению параметров и характеристик приборов. Пленки углеводородов на металлических деталях имеют высокое электрическое сопротивление, высокий коэффициент вторичной эмиссии. На них скапливаются положительные и отрицательные заряды, искажающие электрические поля у поверхности электродов,— это, в частности, приводит к ухудшению фокусировки электронного луча, снижению разрешающей способности, миганию изображения, уменьшению чувствительности отклоняющих пластин и другим отрицательным последствиям. Пленки углеводородов на изоляторах (например, стеклянных штабиках, стекло- оболочке) могут быть причиной автоэлектронной и «паразитной эмиссии» в приборах.
При наличии перепада температур частицы пыли интенсивно движутся от горячего предмета к холодному и осаждаются на охлажденные поверхности — это явление называ-
ется термофорезом. Поэтому загрязнение деталей пылью может, в частности, происходить в сушильных шкафах, печах отжига, при освещении деталей мощными лампами накаливания или инфракрасным облучением (в этом случае пыль будет двигаться от горячих стенок печей или ламп к деталям).
Наиболее трудно очищать от пыли влажные детали, покрытые водяной пленкой, влажные детали являются пылеуловителем.
Наличие пыли на катоде или других накаленных деталях приводит к ее нагреву и разложению с выделением в объем прибора большого количества газов и паров, в основном углеводородов: это может вызвать газовый разряд, пробой, утечку, отравление катода и нестабильную работу прибора. Практически газовыделение, вызванное наличием даже небольшого количества пыли, значительно превышает газовыделение даже самых газонасыщенных деталей, таких, как магнезированная слюда, карбонатное покрытие и др.
Наличие пыли в объеме прибора приводит также к рассеиванию электронов, шумам, сцинтилляциям, изменению интенсивности и фокусировки электронного луча.
При производстве и эксплуатации ЭВП происходит частичное распыление материалов деталей и покрытий. Оно может возникать при нагреве деталей до высоких температур (термическое распыление) или при электронной и ионной бомбардировке (например, катодное распыление электродов, находящихся под отрицательным потенциалом, под действием бомбардировки положительными ионами). Пары распыленных материалов могут конденсироваться на катоде, электродах и изоляторах прибора и вызывать снижение эмиссии катода, усиление шумов, пробои, появление паразитной термоэмиссии и холодной эмиссии.
Паразитная термоэмиссия возникает, например, при напылении материала оксидного покрытия на модулятор или стенки прибора, находящиеся под отрицательным потенциалом и нагретые до высоких температур тепловым излучением катода (см. с. 511).
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ЭМИССИЮ ОКСИДНОГО КАТОДА
Эмиссионные свойства катода в процессе эксплуатации прибора зависят от соотношения скоростей образования свободного бария
в толще катода, его диффузии к поверхности (процессы, вызывающие эмиссию), скорости испарения бария с катода и отравления его остаточными газами (процессы, ухудшающие эмиссию).
На интенсивность протекания полезных и вредных процессов влияют режимы работы катода в приборе.
Режим работы определяется температурой катода, напряженностью электрического поля, плотностью тока, отбираемого с катода, наличием или отсутствием пространственного заряда, частотой включения и выключения тока накала (при работе прибора в условиях прерывистого режима накала — ПРН).
Рабочая температура — минимальная температура катода, которая необходима для обеспечения требуемой плотности тока эмиссии.
Всегда следует стремиться работать при возможно более низкой рабочей температуре катода*, потому что снижается скорость испарения бария, оксидов щелочноземельных металлов и металла керна (снижение рабочей температуры катода на 15—20°С повышает его долговечность в 2 раза, снижение температуры катода на 60—70°С повышает его долговечность в 10 раз); снижается интенсивность напыления металлических пленок на детали и стеклооболочку прибора и соответственно уменьшается вероятность пробоев, паразитной эмиссии и утечек в приборе; уменьшается интенсивность образования запорного слоя с высоким сопротивлением на границе между керном и оксидным покрытием; снижается вероятность разрыхления и осыпания оксида; облегчается тепловой режим и уменьшается деформация сетки или модулятора (практически эти детали поглощают ~ 30% мощности, излучаемой катодом); уменьшаются временные термические нагрузки в спаях металла со стеклом и керамикой (см. с. 139); уменьшается вероятность электролиза стекла между вводами ножки, приводящего к медленному натеканию воздуха в прибор; предотвращается перегорание нитей накала; уменьшается размер кроссовера, увеличивается плотность тока луча и соответственно повышаются разрешающая способность, яркость и контрастность ЭЛТ.
Снижения рабочей температуры катода без уменьшения его эмиссионной способности можно добиться путем уменьшения
1
Оптимальная температура катодов сверх долговечных приборов со сроком службы более 5000 ч не должна превышать 680°С.
работы выхода катода (например, за счет применения эффективных материалов для эмигрирующего покрытия и керна катода, оптимизации режимов активирования катода и т. д.) и повышения вакуума в приборе.
Однако следует учитывать, что снижение рабочей температуры катода допустимо только при наличии в приборе высокого вакуума. Это обусловлено тем, что по мере снижения рабочей температуры катода повышается вероятность сорбции на катод остаточных газов и его «отравления». Так, например, давлению остаточных газов 10"4 Па соответствует минимально допустимая температура катода 900°С, давлению 10"6 Па—800°С, при давлении 10° Па рабочая температура может быть снижена до 710°С.
Практическая температура катода имеет разброс как в различных экземплярах одного и того же типа прибора, так й во времени.
Практически на температуру катода влияют следующие технологические факторы и конструкция аппаратуры, в которой применяются ЭВП:
разброс тока накала однотипных катодов, обусловленный допусками на геометрию и состав материала подогревателей (по техническим условиям на катоды допускаются отклонения тока накала ±7—10 % от номинального);
неуправляемые скачки тока накала в момент подачи на подогреватель катода напряжения, обусловленные тем, что сопротивление нитей накала в холодном состоянии в 9 раз меньше, чем в разогретом. Поэтому в момент включения напряжения накала необходимо ограничивать пусковые токи: либо путем плавного постепенного повышения напряжения накала при включении, либо увеличением индуктивного напряжения рассеивания трансформатора накала, которое при включении накала выполняет функцию пускового сопротивления;
разброс напряжения накала однотипных приборов (обычно в пределах ± 5—10%), обусловленный недостатками конструкции трансформаторов и стабилизаторов напряжения накала (в частности, напряжение на выходе мощных стабилизаторов существенно отличается от синусоидальной формы, что вносит дополнительные погрешности при установке номинального напряжения накала); разброс напряжений накала, обусловленный колебаниями напряжения в электрической сети питания. Следует учитывать, что практическое повышение напряжения накала катода на 7% от номинального (и соответственно повышение температуры катода на 50°С) приводит к снижению гарантированной долговечности
катода в 3 раза. Для регулирования и установки оптимального накала ЭВП на входе трансформатора накала в зависимости от мощности накала включают соответствующие регуляторы накала (магнитоуправляемые дроссели, тиристорные регуляторы или реостаты накала; наиболее эффективны управляемые дроссели с самоподмагничиванием и отрицательной обратной связью);
потемнение поверхности катода, обусловленное образованием углеродистой пленки (например, при высокой температуре на заварке приборов или наличии на деталях органических загрязнений) или напылением на катод пленки металлов;
выделение джоулевой теплоты при отборе с катода тока — это приводит к повышению температуры катода (относительное приращение подогрева катода примерно пропорционально квадрату катодного тока).
На катоде магнетронов в динамическом режиме рассеивается дополнительная высокочастотная мощность (иногда превышающая 100 % номинальной мощности накала): за счет интенсивной обратной бомбардировки их катодов электронами, возвращающимися на катод; за счет джоулевой теплоты и диэлектрических потерь в активном покрытии катода.
Время теплового разогрева катода — время, необходимое для нагрева катода до рабочей температуры (с):
/раз = СкШк &Т / Рнак,
где Ск и тк — теплоемкость и масса катода; ДТ — разность между конечной и начальной температурой катода; РНак — мощность, затрачиваемая на нагрев катода.
Время разогрева прямонакальных катодов обычно в 50—100 раз меньше, чем катодов косвенного накала. При прочих равных условиях для снижения времени разогрева следует повышать вакуум в приборе, уменьшать толщину керна и эмиссионного покрытия, улучшать теплообмен между подогревателем и катодом, а также между керном и покрытием.
Количество электронов, вылетающих из катода в единицу времени, зависит только от его температуры и не зависит от анодного напряжения.
Количество электронов, достигающих анода, зависит от анодного напряжения.
Режимом пространственного заряда называется режим работы прибора, при котором количество электронов, вылетающих в единицу времени из катода, превышает количество электронов, достигающих в единицу времени анода. При этом часть электронов
остается вблизи катода и образует отрицательный пространственный заряд, который ограничивает напряженность поля, экранирует и защищает поверхность катода от разрушения электрическим полем анода: анодное поле вытягивает электроны не из катода, а из области пространственного заряда. Поэтому работа прибора в режиме пространственного заряда обеспечивает высокую долговечность и стабильность катода.
В режиме пространственного заряда анодный ток не увеличивается при увеличении напряжения накала (температуры катода), однако постепенно увеличивается по мере повышения анодного напряжения. Этот режим имеет место при высоких температурах катода и относительно низких анодных напряжениях.
При увеличении анодного напряжения (или снижении напряжения накала) наступает режим насыщения.
В режиме насыщения отрицательный пространственный заряд около катода отсутствует: все электроны, испускаемые катодом, достигают анода. В режиме насыщения анодный ток равен току эмиссии с катода: анодный ток не увеличивается при повышении анодного напряжения, однако значительно увеличивается при повышении напряжения накала (температура катода). При работе в режиме насыщения катод испытывает сильные перегрузки под действием электрических полей, вырывающих электроны непосредственно из пор оксидного покрытия, а не из области пространственного заряда.
На практике работа катода в режиме насыщения наступает: при уменьшении тока накала в случае нестабилизированного напряжения накала или увеличенного сопротивления подогревателя; при включении высоких анодных напряжений раньше, чем произошел нагрев катода до рабочей температуры; при низком вакууме в приборе, приводящем к охлаждению катода (за счет теплопроводности остаточных газов) и к отравлению катода; в процессе длительной эксплуатации прибора, так как наступает постепенное истощение запасов бария в катоде и снижение его удельной эмиссии.
Наиболее неблагоприятным режимом для ЭВП с оксидным катодом является дежурный режим без токоотбора, в этом случае скорость роста электрического сопротивления запорного слоя катода имеет наибольшее значение.
При работе катода в прерывистом режиме ПРН периодически производится включение и выключение тока накала (10 000—100 000 раз). Такой режим более жесткий, чем непре-
рывный режим токоотбора с катода, в нем проводят испытание приборов на долговечность.
При работе в условиях ПРИ повышается вероятность появления различных дефектов: усадка и растрескивание оксидного покрытия — это объясняется различием в ТКР никелевого керна и оксидного покрытия; растрескивание и осыпание изоляционного слоя подогревателя, что связано с различием в ТКР вольфрамовой проволоки и алундового покрытия; деформация и изменение геометрической формы подогревателя и соответственно изменение расстояния между катодом и подогревателем и снижение фактической температуры и эмиссии катода, ухудшение эмиссионной способности катода по мере увеличения числа циклов ПРИ — это объясняется длительным пребыванием катода в режиме насыщения при включениях и отключениях накала.
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА КАТОДОВ В ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ
ТРУБКАХ
В электронно-лучевых трубках (в отличие от приборов, не имеющих модулятора) рабочей поверхностью катода практически является только незначительная часть (~ 10%) общей поверхности оксидного покрытия. Ток отбирается только с небольшого центрального участка катода, расположенного напротив центра отверстия диафрагмы модулятора: по мере уменьшения напряжения смещения (уменьшение отрицательного напряжения на модуляторе) рабочая поверхность катода увеличивается. При нулевой разности потенциалов между катодом и модулятором (нулевом напряжении смещения) рабочая поверхность катода приблизительно равна площади отверстия в модуляторе. При положительном потенциале на модуляторе относительно катода рабочей поверхностью катода становится вся площадь оксидного покрытия, однако работа ЭЛТ при положительном потенциале на модуляторе недопустима ввиду отравления катода газами и парами, выделяющимися из модулятора при его бомбардировке электронами и отрицательными ионами.
Для характеристики эмиссионной способности катода вне зависимости от геометрии электронно-оптической системы служит коэффициент качества катода
М = /щах/ ((/зап + MJ?2",
где /тах — ток с катода в данной ЭЛТ при нулевом напряжении на модуляторе; {/зап — запирающее напряжение в данной ЭЛТ; Д(/—статическая поправка, устанавливаемая в технических условиях на каждый тип катода.
Два кинескопа, имеющие одинаковый максимальный ток (например, 600 мкА) и разное запирающее напряжение (например, 35 и 75 В), будут иметь различные коэффициенты качества катода:
Ml = ImaxlU^n312^ 600143?= 3,0; М2 = 600/444? 0,9.
Катод первого кинескопа, имеющий коэффициент качества 3,0, обладает в 3 раза лучшей эмиссионной способностью (лучше проактивирован, менее отравлен остаточными газами, содержит больше активного вещества), чем катод второго кинескопа, имеющего коэффициент качества ~ 0,9.
По изменению коэффициентов качества в процессе эксплуатации приборов катоды подразделяются на:
нормальные, для которых характерна стабильность коэффициента качества в начале эксплуатации; недотренированные, в которых коэффициент качества в начале эксплуатации растет; слабые, коэффициент качества которых в начале эксплуатации интенсивно уменьшается.
Следует учесть, что высокий коэффициент качества катода не всегда гарантирует его надежность и долговечность. Например, катод с отравленным или разрушенным центром, но с большой эмиссией на остальных нерабочих участках оксидного покрытия может иметь высокий коэффициент качества, но малую долговечность. Это объясняется тем, что коэффициент качества оценивает суммарную эмиссионную способность всей площади катода, равной диаметру отверстия в модуляторе, а практически рабочей поверхностью катода в процессе эксплуатации прибора является только центральная часть катода.
В производственных условиях для ориентировочного прогнозирования долговечности катода обычно служит отношение анодного тока при недокале (т. е. при напряжении накала на
10 /0 ниже номинального) к анодному току при перекале (т.
при напряженииКачественные условию:при напряженииКачественные условию:7а при Цн7а при Цн5,75,77а при UH = 6,77а при UH = 6,7> 0,95 ,> 0,95 ,накала на 10% больше номинального), катоды должны удовлетворять следующе!
при напряжении
Качественные условию:
при напряжении
Качественные условию:
7а при Цн
7а при Цн
5,7
5,7
7а при UH = 6,7
7а при UH = 6,7
> 0,95 ,
> 0,95 ,
чем больше величина этого отношения, тем больше пространа венный заряд в прикатодной области при номинальном напряжении накала.
В лабораторных условиях для оценки эмиссионной способности (активности) катода строят его недокальную характеристику. Для получения нелокальной характеристики обычно применяется так называемый dip-метод: при постоянном напряжении анода путем уменьшения напряжения накала постепенно снижают температуру катода — при этом с помощью двухкоординатного самописца вычерчивается график зависимости катодного тока от температуры катода (рис. 27.18). Температура катода в процессе остывания контролируется инфракрасным пирометром.
Как известно, каждой температуре катода соответствует определенное напряжение накала, поэтому недокальную характеристику можно представить на графике как зависимость катодного тока от напряжения накала (постепенно уменьшающегося от номинального значения до нуля).
Нелокальная характеристика катода 3 состоит из трех четко различающихся характерных областей:
крутой спад тока прикрутой спад тока приРис. 27.18. Зависимость тока катода от температуры:Рис. 27.18. Зависимость тока катода от температуры:область 7— катод работает в режиме насыщения, наблюдается
крутой спад тока при
крутой спад тока при
Рис. 27.18. Зависимость тока катода от температуры:
Рис. 27.18. Зависимость тока катода от температуры:
снижении напряжения накала (температуры). Эта область соответствует низким значениям напряжения накала;
область 777— катод работает в режиме пространственного заряда: ток катода практически не изменяется при снижении напряжения накала (температуры катода). Эта область соответствует напряжениям накала, близким к
номинальным (или температурам, близким к рабочей температуре);
/—эмиссионно неактивный, но однородный катод; 2— эмиссионно неоднородный и эмиссионно неактивный катод; 3—эмиссионно активный и эмиссионно однородный катод/—эмиссионно неактивный, но однородный катод; 2— эмиссионно неоднородный и эмиссионно неактивный катод; 3—эмиссионно активный и эмиссионно однородный катодобласть 77— переходная область, в которой отдельные наиболее горячие участки катода работают в режиме пространственного заряда, а отдельные
/—эмиссионно неактивный, но однородный катод; 2— эмиссионно неоднородный и эмиссионно неактивный катод; 3—эмиссионно активный и эмиссионно однородный катод
/—эмиссионно неактивный, но однородный катод; 2— эмиссионно неоднородный и эмиссионно неактивный катод; 3—эмиссионно активный и эмиссионно однородный катод
наиболее холодные недоактивированные участки катода работают в режиме насыщения. Этот участок характеризует неоднородность распределения температуры и эмиссионной активности по поверхности катода. На переходном участке наблюдается медленное уменьшение катодного тока по мере снижения напряжения накала (и температуры катода). По ширине этой переходной области можно судить о степени неоднородности эмиттирующей поверхности катода. Количественной характеристикой эмиссионной неоднородности катода служит интервал температур АТ, соответствующий изменению тока эмиссии в 10 раз.
Характеристической температурой 6 называется температура, которая соответствует катодному току в точке перегиба нелокальной характеристики. Точка перегиба лежит в области II на пересечении касательных к областям I и III нелокальной ха рактеристики.
Характеристическая температура — минимальная температура катода в данном конкретном приборе, при которой вокруг катода еще имеется отрицательный пространственный заряд.
Во всех случаях эмиссионная способность и потенциальная долговечность катода тем выше, чем меньше характеристическая температура.
Для максимального повышения долговечности ЭВП необходима оптимизация рабочей температуры катода путем максимально возможного ее приближения к характеристической температуре катода в динамическом режиме. На рис. 27.18 кривая 3 соответствует эмиссионно активному (для получения тока 10 мА/см2 требуется сравнительно низкая температура) и эмиссионно однородному катоду (для изменения тока катода с 10 mA/cmz до 1 мА/см2 требуется сравнительно небольшой интервал температур АТ); кривая 2 соответствует эмиссионно неактивному и эмиссионно неоднородному катоду (для получения тока 10 mA/cmz требуется высокая температура, а для снижения тока в 10 раз требуется большой интервал температур). Кривая 1 соответствует эмиссионно неактивному, но эмиссионно однородному катоду.
Оценку качества катода ЭЛТ можно производить путем проецирования увеличенного электронного изображения поверхности катода на люминесцентный экран. Для получения на экране изображения катода отключается развертка луча и подбираются соответствующие напряжения на модуляторе и ускоряющем электроде.
Участки оксидного покрытия с высокой эмиссией образуют на экране ЭЛТ равномерно яркую поверхность; участки оксидного покрытия, с которых эмиссия отсутствует или ослаблена, выглядят
на изображении катода темными пятнами. На рис. 27.19 и в табл. 27.2 приведены основные дефекты, наблюдаемые на электронном изображении катодов.
Таблица 27.2
Характер дефекта
Причины дефекта
Способ устранения дефекта
В центре катода темное пятно (рис. 27.19,а)
Разрушение катода ионной бомбардировкой
Неисправимый дефект
На катоде темноватые пятна, разделенные светлыми полосками (рис. 27.19,6)
Растрескивание оксида из-за неправильного режима вакуумной обработки (см. с 483)
Тоже
В центре катода темное пятно с мелкими точками по бокам (рис. 27.19,в)
Налет углерода на катоде (см. с. 490)
Пятно исчезает после повторных активиррвания и тренировки
Темное пятио неопределенной формы и размеров на любом участке поверхности катода (со светлыми участками в темной зоне или без светлых участков, рис. 27 .19,г)
Осыпание или отлипание оксида (обычно это связано с высокой скоростью подъема температуры; с отслоением, обусловленным различием ТКР керна и оксидного покрытия; с наличием паров воды в приборе)
С повышением напряжения накала (и температуры катода) пятно светлеет. Для уменьшения влияния паров воды рекомендуется непосредственно перед откачкой прибора прогреть катод при 80—100°С путем подачи напряжения иакала 1,5— 2В
Темные пятна или точки на поверхности оксида (обычно ближе к краям катода, рис.
27.19,6)
а) Локальные испарения оксида с поверхности керна (например, при увеличении температуры катода под воздействием токов утечек между катодом и подогревателем)
а) С повышением напряжения накала (температуры катода) пятна светлеют
б) Сбивание оксида при высоковольтном прожиге в условиях низкого вакуума или повышенного газовыделения в приборе
б) Тоже
Оксидное покрытие рыхлое, с большим количеством мелких темных точек (рис.
27.19,е)
Катод иедотренирован
При повышении напряжения накала темные пятна исчезают
Темная поверхность всего катода, дефектов в виде пятеинет (рис. 27.19,ж)
Поверхностное отравление катода
1ри повышении напряжения накала катод светлеет
Одним из основных показателей качества катода в ЭЛТ является модуляционная характеристика — графическая зависимость тока луча (анодного тока) от напряжения на модуляторе (рис. 27.20). Эмиссионная способность и качество катода тем лучше, чем круче модуляционная характеристика (т. е. чем больше ее крутизна и меньше модуляция).
Дефектные катоды (например, катоды, центр которых разрушен ионной бомбардировкой или отравлен остаточными газами, а также катоды с большим электрическим сопротивлением запорного слоя или плохим электрическим контактом между оксидным покрытием и керном) имеют аномальные модуляционные характеристики. Аномальные модуляционные характеристики имеют «провал» на определенном участке характеристики: ток луча при снижении отрицательного смещения на модуляторе не увеличивается (как в нормальной модуляционной характеристике), а уменьшается (кривая 2 на рис. 27.20). В ЭЛТ с аномальной модуляционной характеристикой наблюдается негативное изображение — увеличению полезного сигнала соответ-
Рис. 27.20. Модуляционные характеристики:1— нормальная; 2— с «провалом» (падающим участком)Рис. 27.20. Модуляционные характеристики:1— нормальная; 2— с «провалом» (падающим участком)
Рис. 27.20. Модуляционные характеристики:
1— нормальная; 2— с «провалом» (падающим участком)
Рис. 27.20. Модуляционные характеристики:
1— нормальная; 2— с «провалом» (падающим участком)
ствует снижение тока луча: вместо новы- шения яркости наблюдается снижение яркости участка изображения.
Помимо вышеперечисленных дефектов катода на аномалии модуляционной характеристики влияет несоосность между электродами прибора (особенно при наличии в электронно-оптической системе диафрагм с малым диаметром отверстия, срезающих часть электронного луча).
Одним из дефектов модуляционной характеристики является нестабильность тока луча: при постоянном напряжении на модуляторе ток луча не остается постоянным, а медленно растет во времени. Этот дефект обычно связан с недотренированностью като
да или высоким сопротивлением запорного слоя.
Для устранения «провалов» в модуляционной характеристике и брака вида «нестабильный ток» рекомендуется производить дополнительную тренировку прибора с повышенным токоотбором с катода (= 2-$-3 мА): при напряжении накала на 20—30 % больше номинального, малом отрицательном смещении на модуляторе « —50-ь—10 В и рабочих напряжениях на других электродах (см. с. 536). Повышенный токоотбор способствует более равномерному распределению свободного бария в толще и на поверхности оксидного слоя и вызывает растворение и удаление запорного слоя на границе между керном и оксидным покрытием. Активирование при токоотборе происходит за счет следующих процессов: выделение джоулевой теплоты непосредственно в эмиссионном покрытии катода Q = 0,24/27?(. (Эта дополнительная
тепловая энергия в отличие от энергии, передаваемой излучением от подогревателя, равномерно распределяется по объему покрытия и способствует равномерному ускорению физико-химических реакций, обусловливающих активировку); бомбардировка недо- активированных частиц оксидного покрытия потоком электронов, движущихся через поры в оксидном слое, что приводит к диссоциации оксида бария и равномерному распределению образующегося свободного бария в толще и на поверхности покрытия; удаление из катода ионов кислорода и их переход на электрод.
Наиболее эффективна тренировка катода с повышенным токоотбором в импульсном режиме. Джоулева теплота, выделяю-
щаяся в активном сопротивлении приповерхностного слоя оксидно- Го покрытия в течение коротких микросекундных импульсов, не успевает распространиться внутрь и достигнуть керна вследствие низкой теплопроводности оксида. При этом, с одной стороны, происходит интенсивный процесс активирования оксидного слоя (ввиду высокой температуры в слое оксида), а с другой стороны, не происходит роста сопротивления запорного слоя (ввиду низкой температуры на границе керн — оксид).
«Утомление» катода проявляется в падении тока во времени при постоянном напряжении на модуляторе — этот дефект объясняется перетренировкой катода, истощением активного вещества в катоде и практически не поддается «лечению».
Иногда для выяснения причин брака производят демонтаж готовых приборов, извлечение из них дефектных катодов и анализ катодов под лупой, микроскопом или на шатографе. При дефекте вида «ионный пробой» диаметр разрушений центральной зоны оксидного покрытия (кратера) равен примерно диаметру отверстия диафрагмы модулятора. При ионном пробое вокруг «кратера» обычно видны следы напыленного металла.
В процессе эксплуатации ЭЛТ при нагреве катода происходит удлинение керна катода, что приводит к изменению расстояния катод — модулятор и соответственно к изменению запирающего напряжения, величины модуляции и тока (при одной и той же величине полезного сигнала). Практически в разных образцах ЭЛТ с одним и тем же типом КПУ имеют место флуктуации удлинения катода, связанные с некоторой неоднородностью теплоотвода, разбросом температуры катода от образца к образцу и комплексом других неучитываемых факторов. Удлинение катода в некоторых типах КПУ достигает 75 мкм.
6 27.16. ВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА РАСПЫЛЯЕМЫХ ГАЗОПОГЛОТИТЕЛЕЙ
В готовом приборе распыленный газопоглотитель («зеркало поглотителя») обычно представляет собой тонкий слой бария, нанесенный на деталь или внутреннюю поверхность оболочки прибора.
Зеркало газопоглотителя образуется в несколько стадий: нагрев газопоглотителя до температуры, при которой происходит полное обезгаживание металлической оболочки (контейнера) газопоглотителя и всех его компонентов; нагрев газопоглотителя до
температуры, при которой происходит интенсивная возгонка бария; распыление паров бария на определенный участок прибора (стеклянный купол, алюминированный экран, горловину стекло- оболочки и т. д.); конденсация паров бария на поверхности подложки с образованием рыхлой пористой пленки, обладающей большой газопоглощающей способностью.
Газы и пары поглощаются распыляемым газопоглотителем в основном на двух этапах технологического процесса:
в момент его распыления (в парообразном состоянии барий обладает огромной химической активностью и большой сорбционной емкостью по отношению почти ко всем остаточным газам и парам);
после образования зеркала бария (путем сорбции газов и паров, выделяющихся из деталей прибора).
Наиболее интенсивно зеркало бария поглощает ионизированные и диссоциированные газы и пары, образующиеся при тренировке прибора. Газ в атомарном состоянии и в виде ионов прочнее связывается газопоглотителем под воздействием электрических сил сцепления. Кроме того, ионы легче вступают в химическую реакцию с зеркалом газопоглотителя, чем нейтральные атомы.
Превращение нейтральных молекул в атомы и ионы с последующим интенсивным поглощением их зеркалом газопоглотителя (и повышением вакуума в приборе) принято называть жестчением остаточных газов.
Газопоглотитель нагревается индукционными токами высокой частоты (вихревыми токами или токами Фуко) либо постоянным или переменным током, пропускаемым непосредственно через газопоглотитель.
Скорость и продолжительность разогрева газопоглотителя до заданной температуры зависят от следующих факторов: формы контура газопоглотителя, теплопроводности, теплоемкости и электрического сопротивления материалов контейнера и активного вещества, расстояния и расположения высокочастотной катушки относительно контура газопоглотителя, степени соосности геттера и индуктора, силы и частоты тока, числа ампер-витков, степени вакуума и быстроты откачки, экранирования контура газопоглотителя от поля высокочастотной катушки внешними проводящими покрытиями и деталями внутренней арматуры.
Многие из этих факторов определяются качеством выполнения сборочных технологических операций, например ориентировкой и соосностью расположения рамок с газопоглотителями на операциях
монтажа арматуры, ориентировкой и соосностью арматуры прибора относительно стенок стеклооболочки при заварке иожки прибора в колбу, кривизной штенгеля относительно тарелочки ножки и расположением оси арматуры прибора относительно катушек высокой частоты на полуавтоматах вакуумной обработки.
Оптимальная температура обезгаживания зависит от состава газопоглотителя. Обезгаживание газопоглотителя рекомендуется проводить при температуре, которая на 50—70°С ниже температуры его распыления. К концу процесса обезгаживания давление в приборе должно снизиться до значения, которое оно имело к началу обезгаживания,— это является признаком полного обезгаживания.
Недостаточное предварительное обезгаживание газопоглотителя приводит к выделению из него газов и паров непосредственно в момент распыления активного вещества газопоглотителя, что может вызвать процессы, уменьшающие долговечность работы прибора: отравление частично проактивированного катода газами и парами, выделяющимися из газопоглотителя; уменьшение запаса активного бария в зеркале газопоглотителя, так как плохо обезгаженный газопоглотитель при распылении частично работает «сам на себя», ухудшение структуры, состава и газопоглощающих свойств зеркала бария, что обусловливается окислением паров бария газами, выделяющимися из плохо обезгаженного газопоглотителя.
Распыление газопоглотителя в принципе может производиться как до отпайки прибора от вакуумной системы, так и в отпаянном приборе.
К недостаткам распыления газопоглотителя до отпайки прибора относится то, что в момент распыления газопоглотителя давление остаточных газов в приборе становится меньше давления остаточных газов в вакуумной системе; в результате происходит обратная диффузия вредных активных газов и паров (хлора, фтора, ■углеводородов) из вакуумных трубопроводов в прибор. Кроме того, значительная доля активного бариевого зеркала расходуется на поглощение газов и паров, которые должны откачиваться вакуумной системой.
Ввиду указанных недостатков распыление газопоглотителя на практике обычно производится после спаивания прибора с откачной системы.
Иногда распыление газопоглотителя производят в несколько этапов (в конце откачки, после откачки и во время тренировки).
В последнее время рекомендуется распылять геттер во время тренировки прибора. В этом случае на все электроды подаются
постоянные напряжения (через специальные буферные | сопротивления, предупреждающие возникновение разряда в лам- v пе), происходит отбор тока с катода (в 3—4 раза превышающий номинальное значение) и интенсивная бамбардировка электродов. При этом газы, выделяемые электродами, поглощаются газопоглотителем непосредственно в процессе его распыления. Это резко улучшает вакуум и срок службы катода.
Основными параметрами и характеристиками распыления являются «выход бария», температура, общее и начальное время, а также направленность.
«Выходом бария» принято называть количество чистого , свободного бария, которое образуется в газопоглощающем зеркале при распылении газопоглотителя. Выход бария зависит не только j от состава и содержания бария в газопоглотителе, но и от * температуры, скорости и продолжительности его обезгаживания и 1 распыления.
В современных газопоглотителях реакция образования свободного бария является экзотермической, т. е. протекает с выделением теплоты. Сначала газопоглотитель нагревается за счет подводимой извне теплоты до температуры, соответствующей j началу экзотермической реакции (например, для состава «Альбани» эта реакция начинается при Т = 720°С, для состава «Бати» — при ~ 830°С, для состава «Альба» — при = 1100°С), затем происходит дальнейший самопроизвольный мгновенный разогрев газопоглотителя до Т = 1200°С и интенсивное распы- ; ление бария за счет выделяющейся внутри газопоглотителя тепловой энергии.
Для характеристики продолжительности процесса распыления газопоглотителя, необходимой для получения требуемого выхода бария, ввиду экзотермичности процесса применяют два параметра: общее и начальное время распыления.
Общее время распыления (общ — время от начала разогрева газопоглотителя до окончания распыления (т. е. время от начала до конца приложения к газопоглотителю энергии от катушки высокой частоты).
Начальное время распыления (нач— время от начала разогрева газопоглотителя до начала его распыления (т. е. до начала экзотермической реакции).
Скорость и продолжительность распыления газопоглотителя оказывают значительное влияние на газопоглощающую способность бариевого зеркала.
Преимущества высокой скорости (малой длительности) распыления газопоглотителя: резкое повышение давления паров бария над распыляемым газопоглотителем; это способствует объединению отдельных частиц бария в крупные агломераты, которые при конденсации образуют рыхлую пористую структуру зеркала с большой сорбционной емкостью; малая вероятность повышения температуры и газовыделения окружающих газопоглотителей деталей и оболочки прибора (предотвращается возможность окисления и лучистого перегрева зеркала бария, растрескивания стеклооболочки и т. д.); малая вероятность перегрева стеклянной подложки, на которую напыляется газопоглотитель и в связи с этим отсутствие «спекания» (уменьшение пористости) зеркала бария.
Недостатки высокой скорости распыления: возможность перегрева и распыления материала контейнера и контура газопоглотителя, что приводит к загрязнению бариевого зеркала и окислению бария; образование проводящих мостиков напыленного металла на изоляторах прибора, что вызывает утечки и пробои.
При распылении газопоглотителя следует придерживаться следующих правил.
В процессе обезгаживания и распыления газопоглотителя катод должен находиться в нагретом состоянии, тогда на нем не осаждаются газы и пары, выделяющиеся из газопоглотителя.
Поверхность подложки, на которой образуется зеркало газопоглотителя, должна быть охлаждена до комнатной температуры. Это связано с тем, что при напылении на горячую подложку частицы бария спекаются между собой в сплошной слой со слаборазвитой сорбционной поверхностью и плохим сцеплением с подложкой; кроме того, при пылении на горячую подложку происходит окисление паров бария и ухудшение изоляции между электродами ввиду отражения паров бария от поверхности.
Толщина зеркала бария должна быть порядка 1 мкм (что соответствует нагрузке порядка 0,3 мг/смЭ. Практически по мере увеличения толщины зеркала повышается температура стеклянной подложки и ухудшается структура бариевого зеркала.
В процессе распыления газопоглотителя температура контейнера и контура должна быть значительно ниже температуры начала их интенсивного распыления, иначе зеркало газопоглотителя будет загрязнено посторонними материалами. Для этого контейнер и контур должны иметь соответствующую конфигурацию и изготовляться из материалов с большим электрическим сопротивлением, малой теплоемкостью, высокой излучающей
способностью, высокой температурой начала интенсивного испарения и иметь незначительную толщину и диаметр.
Распыление бария должно быть направленным. Для достижения направленности распыления бария создается высокий вакуум в приборе перед распылением и подбираются конструкция и расположение газопоглотителя внутри прибора.
При ненаправленном распылении пленки бария осаждаются на стеклянных, керамических и слюдяных изоляторах, что вызывает межэлектродные пробои и утечки. Пары бария при попадании на изоляторы образуют мостики проводимости, для сжигания которых приходится вводить дополнительную операцию — высоковольтный или высокочастотный прожиг, при этом внутрь прибора выделяется большое количество газов и паров.
Оболочка с газопоглотителем должна монтироваться по возможности дальше от стеклянной подложки, на которую распыляется барий; тогда предотвращается сильный нагрев стекла и увеличиваются поверхность и пористость зеркала.
В кинескопах барий распыляется непосредственно на алюминированный экран и конус. Это позволяет получить большую поверхность газопоглощающего зеркала. Однако зеркало газопоглотителя на экране не должно быть толстым, иначе будет происходить торможение электронного луча, снижение яркости и будет появляться пятнистое свечение экрана.
Зеркало бария должно иметь серебристо-черный цвет и ровно очерченные края. К основным дефектам зеркала относятся радужные пятна на зеркале (в результате окисления бария и недостаточного обезгаживания газопоглотителя или распыления газопоглотителя в плохом вакууме); радужные кольца на зеркале (связанные с распылением материала контура или контейнера газопоглотителя); белесые, полупрозрачные края зеркала (этот дефект является признаком плохого вакуума в приборе, он вызывается окислением бария кислородом воздуха и последующим взаимодействием оксида бария с диоксидом углерода); размытые, плохо очерченные края зеркала (обусловленные оплавлением и распылением материала контейнера газопоглотителя и растеканием по нему расплавленного бария).
При впуске в прибор воздуха (или кислорода) цвет бариевого зеркала изменяется. При этом чистое бариевое зеркало образует прозрачную пленку оксида бария или белесый налет карбоната бария; при наличии загрязнений в бариевом зеркале, при контакте с атмосферой на нем появляются темные налеты и пятна. Следует отметить, что карбонат бария имеет склонность к шелушению и
отслаиванию от подложки, что затрудняет регенерацию приборов. Поэтому рекомендуют обрезку горловин при регенерации кинескопов производить в вакуумном гнезде с последующим напуском азота (это предотвращает образование карбоната бария).
ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТЬ ПРИБОРОВ
Под газопроницаемостью понимают процесс диффузионного проникновения газов из внешней среды в вакуумный объем через оболочку прибора. Газопроницаемость — результат последовательного действия следующих процессов:
сорбции газов из окружающей атмосферы на внешней поверхности оболочки;
диссоциации молекул на атомы и ионы, обладающие большой проникающей способностью;
растворение атомов и ионов в материале оболочки;
диффузии атомов и ионов газа через толщу материалов оболочки к поверхности, обращенной к вакуумному объему.
Интенсивность газопроницаемости зависит от свойств материала и размеров оболочки, разновидности газа, температуры оболочки и давления вне и внутри прибора.
Наибольшей проницаемостью через металлы обладает водород, далее по степени уменьшения проницаемости идут азот и кислород.
Для снижения газопроницаемости рекомендуется места спаев и возможных микродефектов с пониженной вакуумной плотностью покрывать анаэробными герметизирующими составами.
Анаэробные герметизирующие составы содержат полимеризационно-способные соединения, отвердители, пластификаторы, загустители, красители, модификаторы.
Анаэробные составы способны длительное время сохраняться на воздухе в исходном жидком состоянии, однако в отсутствие или при недостатке кислорода они обладают способностью быстро затвердевать с образованием вакуумно-плотного полимера, практически негазопроницаемого для атмосферного воздуха.
Анаэробные жидкости обладают высокой проникающей способностью, поэтому они обеспечивают заполнение и уплотнение всех микродефектов и микротрещин и по мере вытеснения кислорода из микрополостей полимеризуются. Наибольшее применение находит анаэробный герметик «Анатерм-1»— это прозрачная жидкость желтого или коричневого цвета, хорошо растворяется в ацетоне, сохраняет работоспособность при температурах от —193 до +150°С.
Наиболее универсальным является масс-спектрометрический ■ способ контроля герметичности, который основан на выделении ионов пробного газа из общей смеси газов и паров, поступающих в анализатор из контролируемого объекта, и последующем измерении ионного тока, пропорционального размеру течи. В качестве пробного газа чаще всего используется гелий, обладающий следующими необходимыми свойствами: инертностью, низкой молекулярной массой (М-4), малым содержанием в окружающей среде.
ГЛАВА 28. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ПРИБОРОВ
ВЛИЯНИЕ ПРОБОЕВ НА РАБОТУ ПРИБОРОВ
Наличие пробоев приводит к окончательному браку ЭВП (например, расплавлению материала электродов, растрескиванию стеклооболочки и штабиков, образованию сквозных каналов в
изоляторах, разрушению катода, ухудшению вакуума) или к кратковременной потере работоспособности (например, миганию изображения, ухудшению фокусировки, снижению яркости и нарушению сведения лучей на экране кинескопа).
Пробои вызывают выход из строя электровакуумных приборов или аппаратуры, в которой этот прибор применяется. В частности, пробои вызывают перераспределение потенциалов между электродами прибора. Это связано с тем, что импульсы тока, возникающие при пробоях, достигают многих сотен ампер и создают значитель
ные падения напряжения даже наные падения напряжения даже напроводниках.проводниках.Рис. 28.1. Упрощенная схема питания кинеРис. 28.1. Упрощенная схема питания кинескопаскопакоротких соединительных
ные падения напряжения даже на
ные падения напряжения даже на
проводниках.
проводниках.
Рис. 28.1. Упрощенная схема питания кине
Рис. 28.1. Упрощенная схема питания кине
скопа
скопа
Пробои могут привести к повреждению электронных схем (например, выходу из строя полупроводниковых приборов, даже если они электрически не связаны с электродами, между которыми произошел пробой), а также к возникновению вторичных, третичных пробоев между
другими электродами прибора. Например, если в кинескопе произошел пробой между вторым анодом Аг и фокусирующим Л1, то может выйти из строя полупроводниковый триод Т (находящийся в цепи выходного каскада видеоусилителя) или разрушиться катод, хотя ни триод, ни катод электрически не связаны с электродами, между которыми произошел пробой (рис. 28.1). При этом ток пробоя замыкается по контуру А1ВС1С5Д и все анодное напряжение практически оказывается приложенным к контуру, состоящему из соединительных проводов (так как падение напряжения в промежутке пробоя Л2Л1 незначительно). На каждом сантиметре длины соединительных проводов, в частности на участке С2С3 и С3С4, будут возникать импульсы напряжения порядка 50—500 В, что значительно превышает допустимые напряжения в цепи коллектор — эмиттер и база — эмиттер полупроводникового триода. Кроме того, потенциал фокусирующего электрода практически становится равным потенциалу второго анода.
Возрастание напряжения на фокусирующем электроде Ai до напряжения второго анода Аг приводит, в свою очередь, к увеличению разности потенциалов между фокусирующим электродом и модулятором, при этом возникает вторичный пробой между фокусирующим электродом и модулятором и третичный пробой между модулятором и катодом. Таким образом, дуговой разряд пробоя замыкается между анодом и катодом и вызывает разрушение катода.
При пробое между высоковольтными электродами и катодом высокое напряжение может возникнуть между катодом и подогревателем. Если напряжение катод — подогреватель превышает 1,5—2,0 кВ, катод теряет изоляционные свойства, между гильзой катода и подогревателем возникает дуга пробоя, что может привести к расплавлению гильзы катода, разрушению алунда и керна подогревателя.
Пробои могут быть вызваны неправильным режимом эксплуатации ЭВП: например, недопустимо появление положительного потенциала на модуляторе ЭЛТ, в этом случае модулятор бомбардируется потоком электронов со всей поверхности катода, что вызывает его распыление и интенсивное газовыделение, способствующее развитию пробоя. Например, в схемах с заземленным анодом при питании ЭЛТ от общего делителя на модуляторе может резко увеличиться положительный потенциал при включении питания и отрицательный потенциал при выключении питания.
Рис. 28.2. Схемы распределения напряженности поля по длине изолятора:Рис. 28.2. Схемы распределения напряженности поля по длине изолятора:а — изменение потенциала вдоль изолятора; б — распределение потенциала при равномерном распределении проводимости; е — то же, при наличии проводя» щей пленки на участкеа — изменение потенциала вдоль изолятора; б — распределение потенциала при равномерном распределении проводимости; е — то же, при наличии проводя» щей пленки на участке
Рис. 28.2. Схемы распределения напряженности поля по длине изолятора:
Рис. 28.2. Схемы распределения напряженности поля по длине изолятора:
а — изменение потенциала вдоль изолятора; б — распределение потенциала при равномерном распределении проводимости; е — то же, при наличии проводя» щей пленки на участке
а — изменение потенциала вдоль изолятора; б — распределение потенциала при равномерном распределении проводимости; е — то же, при наличии проводя» щей пленки на участке
Источником пробоев могут служить и паразитные емкости ' электродов. Например, если прибор не имеет внешнего заземленного проводящего покрытия, разрядным конденсатором при пробое ’ может служить емкость между внешним металлическим экраном и внутренним проводящим покрытием.
ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ ПРОБОЕВ В ПРИБОРАХ
Изоляторы, применяемые в ЭВП, обладают очень высокой электрической прочностью. Например, пробивная прочность стекла . составляет 20—30 кВ/мм, вакуума —50 кВ/мм. Следовательно, теоретически между электродами, разделенными стеклянным изолятором толщиной 5 мм, можно подавать напряжение порядка 100 кВ, не опасаясь возникновения пробоя. Однако практически пробивное напряжение зависит от технологии изготовления и . режимов эксплуатации приборов.
Междуэлектродная электрическая прочность и соответственно напряжение пробоя зависят от расстояния между электродами, радиуса кривизны, формы электродов, структуры, загрязненности и температуры их поверхности, а также от значения, вида и длительности воздействия приложенного напряжения, емкости и сопротивления цепи пробоя и многих других факторов.
Пробои могут возникать при снижении электрического сопротивления между электродами или при повышении напряженности электрического поля.
Снижение электрического сопротивления практически происходит при: напылении электропроводящих материалов на изоляторы прибора; применении для изготовления изоляторов недостаточно очищенных материалов (например, при наличии примесей типа Na, К в алундовом покрытии подогревателя); загрязнении поверхности изоляторов в процессе их хранения и сборки приборов; наличии в стеклооболочке и изоляторах посечек, мелких трещин, капилляров, газовых включений, «разъ- » ездов»; попадании посторонних частиц в промежутки между электродами (поэтому вибрация и удары снижают электрическую прочность прибора); образовании на поверхности изолятора полимеризованных масляных и кремнийорганических пленок в случае откачки приборов паромасляными насосами.
Пробой между электродами возникает, когда вышеперечисленные пленки загрязнения или частицы неравномерно и не
полностью покрывают поверхность изоля- 32*1
тора 2 между двумя электродами /, 3, находящимися над разными потенциалами (рис. 28.2) *. Например, при ■ наличии загрязнения на участке de изолятора разность потенциалов оказывается приложенной не между электродами / и 3, а между электропроводящим загрязнением на изоляторе в точке с и электродом /.
Практически это приводит к умень- 1 шению длины изолятора, снижению электрического сопротивления между электродами и соответственно повышению напряженности поля в промежутке между загрязнением и электродом, т. е. на участке cb изолятора. При отсутствии загрязнения напряженность поля между электродами равна Е\= Ul db; при наличии пленки загрязнения de напря
женность поля равна Ei=U/bc (так как bc<db, то £г>Е1). При малых размерах промежутка cb напряженность поля Ei превышает электрическую прочность участка изолятора cb и возникает пробой.•
При прочих равных условиях вероятность пробоя значительно повышается с увеличением температуры изолятора.
На практике часто встречается тепловой пробой стекла горловины кинескопа в зоне под отклоняющей катушкой, это имеет место при неправильной конструкции или неисправности работы отклоняющих систем (наличие в катушке межвиткового замыкания, перегрузка отклоняющей системы, малый зазор между отклоняющей катушкой и горловиной).
Тепловой перегрев приводит к электролизу стекла, т. е. к изменению его однородности и химического состава и, как правило, к снижению электрического сопротивления. Все эти факторы способствуют точечному пробою через толщу стекла с внутренней поверхности горловины (находящейся под наведенным
1
В случае, когда плеики загрязнения полностью покрывают поверхность изолятора, возникает не пробой, а утечка между электродами (см. с. 521).
«плавающим» потенциалом « 25 кВ) на отклоняющую систему (находящуюся под низким потенциалом). Вероятность пробоя через толщу стекла резко повышается при наличии в стекле пузырей.
Напряженность поля у поверхности электрода не должна превышать критического значения (6—8•)107 В/м.
Повышение напряженности электрического поля обычно связано с наличием на деталях заусенцев, острых кромок, микроскопических неровностей и нитевидных микроострий.
Эти дефекты особенно опасны на деталях, находящихся под отрицательным потенциалом и при малых расстояниях между электродами, а также на деталях, находящихся при высокой температуре и подвергающихся интенсивной электронной и ионной бомбардировке.
Причинами появления дефектов обычно являются: применение некачественного инструмента или нарушение технологии при штамповке деталей; неоптимальные режимы травления и полировки деталей; попадание на детали брызг и выплесков металла на операциях пайки, сварки внутренней арматуры, распыления газопоглотителя; наличие на деталях пыли, а также нагрев деталей на воздухе или в атмосфере собственных паров при температуре 200—400°С (при этом образуются нитевидные микроострия, так называемые «вискеры», у которых отношение длины к диаметру достигает 100—1000).
Вблизи острия возникает очень большая напряженность электрического поля (в 100—200 раз выше, чем средняя t напряженность поля между гладкими электродами). Например, при микронном диаметре острия и напряжении 4 кВ напряженность поля у вершины острия превысит 107 В/мм.
Кроме того, заусенцы, нитевидные и другие острия ориентируются электрическим полем в направлении силовых линий поля — перпендикулярно плоскости детали, что приводит к уменьшению расстояния между электродами и дальнейшему повышению напряженности поля.
При высокой напряженности поля имеет место автоэлектронная (холодная) эмиссия — электрическое поле вырывает электроны с острия и ускоряет их по направлению к аноду и в приборе возникает «паразитный», автоэлектронный ток.
При протекании тока автоэлектронной эмиссии выделяется теплота, микроострия нагреваются до высоких температур (ввиду малой толщины микроострий и плохого отвода от них теплоты локальная температура острий значительно превышает среднюю
температуру поверхности электрода) и начинают испускать не только автоэлектроны, но и термоэлектроны. Таким образом, почти каждое острие становится одновременно и автоэлектронным, и термоэлектронным «паразитным» катодом. Общий ток «паразитной» эмиссии, приводящий к появлению посторонних шумов, засветок и пробоев, слагается из суммы токов автоэлектронной и термоэлектронной эмиссий.
Особенно большие токи «паразитной» эмиссии наблюдаются при напылении на острые края и заусенцы пленок, имеющих малую работу выхода (например, частиц оксидного покрытия с катода или бария с газопоглотителя и т. д.).
Электроны, вылетающие с острых краев и заусенцев, образуют так называемый предпробойный ток, они бомбардируют электроды внутренней арматуры, находящиеся под положительным потенциалом, поверхности изоляторов и стеклооболочки прибора.
При бомбардировке электронами деталей внутренней арматуры и стеклооболочки прибора происходят следующие процессы, способствующие возникновению пробоев, приводящих к потере работоспособности приборов.
Быстрое локальное возрастание температуры деталей, бомбардируемых «паразитными» электронами, приводит к десорбции газов и паров, распылению и испарению металлов и различных загрязнений и соответственно к резкому повышению давления в приборе
Ионизация газов и паров, «выбитых» из электродов: атомы металлов превращаются в положительные ионы, которые устремляются по направлению к электродам, находящимся под отрицательным потенциалом,— вокруг каждого пучка ионов образуется магнитное поле, фокусирующее и стягивающее ионы в узкий электропроводящий <шшур>, с большой плотностью заряженных частиц.
Ионная бомбардировка электродов, вызывающая интенсивное газовыделение и распыление материала электродов, приводит к лавинообразному возрастанию давления в приборе, концентрации заряженных частиц и возникновению дугового разряда — пробоя между электродами.
Появление высокого положительного потенциала на внутренней поверхности стеклооболочки, слюде, керамике, стеклянных изоляторах — это объясняется тем, что коэффициент вторичной эмиссии изоляторов при бомбардировке их электронами превышает единицу. Наличие высокого положительного потенциала на изоляторах создает предпосылки для возникновения пробоев между
изоляторами и близко расположенными электродами с низким потенциалом (например, между внутренней поверхностью горловины и фокусирующим электродом), а также между отдельными участками изоляторов, приобретающими при работе приборов разные потенциалы.
Следует учитывать, что чем лучше проактивирован катод и выше его эмиссия, тем меньше вероятность пробоя на эмиттирую- щую поверхность катода, так как плотный поток электронов, испускаемый из катода, «гасит» (нейтрализует) положительный заряд ионов и предотвращает лавинообразное возрастание тока разряда — происходит как бы самогашение разряда и пробоя не возникает. Поэтому пробой в высоковольтных приборах обычно наблюдается не между эмиттирующей поверхностью катода и
находящимся против нее высоковольтным электродом, а в зазорах между поверхностями этих электродов, не имеющими эмиссионных покрытий (например, на ободке катода, рис. 28.3).
Таким образом, появлению пробоев на катод способствуют любые факторы, снижающие ток эмиссии катода: недостаточный разогрев катода к моменту подачи высоких напряжений на электроды; неоднородность эмиссии на поверхности катода; истощение (снижение эмиссионной способности) прибора.
При низких напряжениях на электродах может возникнуть пробой на катод в виде искрения. Искрение является как бы первой фазой пробоя. При искрении происходит частичное распыление материала катода, однако лавинообразный процесс образования разряда длится очень малое время: разряд успевает погаснуть, не достигнув анода. Искрение наблюдается при отборе больших токов, когда происходит перегрев током отдельных
а)6)а)6)1
а)6)
а)6)
Сетка!
_-3_-3Сетка 1
_-3
_-3
Рис. 28.3. Направления преимущественного возникновения пробоев (обозначены зигзагообразной стрелкой) в СВЧ-приборах с фокусированным электронным лучом (а) и в приборах с сетками (б): 1— анод, 2— фокусирующий электрод. 3— катод, 4— тепловой экран)
Рис. 28.4. Функциональные взаимосвязи различных процессов, непосредственно или косвенно приводящих к понижению электрической прочности междуэлектродных промежутков ЭВП
участков катода (например, при большом сопротивлении запорного слоя, плохом контакте между оксидным покрытием и подложкой, при истощении и возрастании сопротивления оксидного слоя, пои большой шероховатости, пористости растрескивании и неоднородности сопротивления оксидного покрытия). Длительность катодных искрений обычно очень мала (0.1—0,02 мкс) и они, в отличие от пробоев, не сопровождаются заметным спадом напряжения на электродах.
На рис. 28.4 показаны функциональные взаимосвязи различных процессов, непосредственно или косвенно приводящих к понижению электрической прочности и возникновению пробоя междуэлектродных промежутков ЭВП.
§ 28.3. СПОСОБЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ПРОБОЕВ И ЗАЩИТА ОТ ИХ ПОСЛЕДСТВИЙ
Борьба с вредными последствиями пробоев осуществляется путем усовершенствования технологии и конструкции ЭВП, а также применением специальных схемных методов защиты ЭВП и аппаратуры. К усовершенствованиям, вводимым в технологию и конструкцию ЭВП, относятся:
Тщательная химическая, электрохимическая и особенно абразивная полировка деталей, приводящая к сглаживанию и удалению заусенцев. Механическая полировка обеспечивает более высокую электрическую прочность.
Высоковольтный или высокочастотный прожиг загрязнений и заусенцев в процессе вакуумной обработки или в отпаянном приборе.
Изготовление отверстий в деталях методом электро- эрозионной обработки вместо штамповки.
Нанесение на поверхность изоляторов полупроводящих покрытий, способствующих равномерному распределению потенциала вдоль поверхности изолятора.
Нанесение на изолятор вблизи низковольтного электрода покрытия с коэффициентом вторичной эмиссии меньше 1. это предотвращает возникновение на изоляторе высокого положительного потенциала. Например, тонкое покрытие из Ре?.Оз на прикатодном участке керамического или стеклянного изолятора значительно повышает напряжение пробоя; применяются тонкие покрытия на основе закиси меди, оксидов хрома, марганца, титана
и др. В кинескопах на стеклянный штабик надевается металлическая проволока, которая после откачки кинескопа нагревается токами ВЧ, при этом металл проволоки частично распыляется и образует на поверхности стеклянной горловины тонкое проводящее покрытие с коэффициентом вторичной эмиссии меньше 1, что предотвращает возникновение на стекле положительного потенциала при его бомбардировке рассеянными электронами (см. с. 132).
Снижение температуры катода и электродов, что предупреждает напыление металлов и оксидного покрытия на изоляторы прибора.
Применение немагнитных металлов.
Применение нераспыляемых газопоглотителей, безмасляных средств откачки и других конструкторско-технологических способов, способствующих повышению вакуума и созданию благоприятного состава остаточных газов в приборе.
Применение для анодов металлов, не подвергающихся окислению, имеющих большую работу выхода, высокую стойкость в электронной бомбардировке (например, вместо вольфрамовых, никелевых и медных анодов рекомендуется применять аноды из нержавеющей стали, титана или молибдена); применение для анодов титана позволяет в 10 раз уменьшить длительность высоковольтного прожига и повысить электрическую прочность — это объясняется тем, что титан активно растворяет поверхностные пленки оксидов, препятствует образованию на электродах микронеровностей и заусенцев.
Внедрение в конструкцию дополнительного электрода — искрогасителя, который располагается между высоковольтным и низковольтными электродами; ток пробоя проходит через искрогаситель на землю, что предохраняет катод и электроды от разрушения разрядным током.
Придание шероховатости поверхности изолятора на участке вблизи катода — это снижает напряженность поля в прика- тодной области.
Снижение газосодержания в изоляторе и уменьшение десорбции газов при электронной и ионной бомбардировке изолятора.
В РЭА предусматриваются защитные устройства, предотвращающие или ограничивающие развитие пробойных процессов. Для эффективной защиты ЭВП и элементов РЭА от пробоев время гашения разряда при пробое не должно превышать 10"6—10’5 с, поэтому используются устройства быстродействующей защиты
RzRzРис. 28.5. Схема быстродействующей защиты ЭВП источника питания с управляемым разрядникомРис. 28.5. Схема быстродействующей защиты ЭВП источника питания с управляемым разрядникоммежду электродами, возникающиемежду электродами, возникающие(БДЗ) на электронном принципе, срабатывающие за несколько микросекунд.
Rz
Rz
Рис. 28.5. Схема быстродействующей защиты ЭВП источника питания с управляемым разрядником
Рис. 28.5. Схема быстродействующей защиты ЭВП источника питания с управляемым разрядником
между электродами, возникающие
между электродами, возникающие
Применяются устройства БДЗ трех типов: с шунтированием источника питания; с отключением приложенного напряжения; с кратковременной инверсией приложенного напряжения.
Устройства БДЗ не могут устранить «первичные» пробои при нормальном напряжении,
однако они предохраняют от пробоев, возникающих при появлении перенапряжений на электродах, т. е. перенапряжений, связанных с колебаниями напряжения в электрической сети или сопровождающих «первичный» пробой, и соответственно способных вызвать «вторичные» пробои и неуправляемый дуговой разряд.
На рис. 28.5 показана схема БДЗ шунтированием источника питания, она состоит из датчика пробоев (ДП), исполнительного устройства (ИП), в качестве которого используются управляемые разрядники (в качестве исполнительного устройства могут применяться также тригатроны); резистора Rv, служащего для ограничения тока короткого замыкания источника питания, и резистора Ri, предотвращающего резкое изменение напряжения на исполнительном устройстве в момент пробоя ЭВП. При пробое сигнал с датчика пробоев приводит к срабатыванию исполнительного устройства (разрядника) и обесточиванию ЭВП. Для защиты ЭВП от повторных пробоев время восстановления работоспособности БДЗ должно быть меньше времени восстановления напряжения на конденсаторе фильтра или накопителя.
К схемным методам защиты от пробоев также относятся: а) применение маломощных источников питания с большим внутренним сопротивлением и малых емкостей конденсаторов фильтра схемы; в этом случае длительность пробоя весьма кратковременна — при прохождении тока пробоя стационарное напряжение выпрямителя (и, следовательно, напряжение между электродами, где возник пробой) становится близким к нулю; б) рациональный монтаж схемы, который позволяет уменьшить до минимума общие участки контуров питания различных электродов прибора (для этого, например, в разобранной нами схеме питания кинескопа, приведенной на рис. 28.1, следует объединить все точки зазем-
ления Ci —С5 и исключить протекание токов пробоя по проводникам, входящим в состав электронных схем (например, по полупроводниковым приборам); в) применение ограничивающих резисторов, которые подключаются непосредственно к выводам электродов; эти резисторы увеличивают полное сопротивление контуров, обтекаемых токами пробоев,— это способствует резкому уменьшению максимальных значений импульсов тока пробоя, мощности, рассеиваемой на электродах трубки, и снижению пиков напряжений, возникающих на соединительных проводниках; однако применение ограничительных резисторов не устраняет опасности возникновения вторичных пробоев между электродами.
ТОКИ УТЕЧКИ В ЦЕПЯХ ЭЛЕКТРОДОВ
Возникновение токов утечки, как и пробоев, связано с наличием электропроводящих включений на поверхности или в объеме изолятора. Однако пробои образуются, если электропроводящие включения располагаются только на отдельных участках изолятора и практически приводят к повышению напряженности электрического поля; токи утечки возникают в том случае, если электропроводящие включения равномерно распределяются по всей поверхности или толще изолятора и практически приводят к снижению напряженности электрического поля и равномерному изменению потенциала между электродами.
Токи утечки, связанные с загрязнением изоляторов, не стабильны по величине и по времени; они создают дополнительное неуправляемое падение напряжений в цепях электродов, перераспределение потенциалов между электродами и искажают параметры приборов. Во всех случаях токи утечки увеличиваются при повышении температуры изоляторов и соответственно уменьшении их электрического сопротивления.
Появление токов утечки в цепи катод — подогреватель обычно вызывается: низким электрическим сопротивлением на участках контакта алундового покрытия подогревателя с керном катода (например, при нарушении целостности алундового покрытия, наличии в покрытии примесей типа магния, щелочных и других металлов, пылинок щелочных стекол); наличием трещин, пор, оголенных участков в алундовом покрытии, через которые перемещаются электроны, испускаемые нагретым керном подог-
ревателя или катода; процессами электролиза, происходящими в алундовом покрытии.
Токи утечки между катодом и подогревателем зависят от полярности напряжения между катодом и подогревателем и схемы питания прибора.
При эксплуатации приборов на подогреватель рекомендуется подавать отрицательный потенциал относительно катода. В этом случае между подогревателем и катодом допускается разность потенциалов до 125 В (и допускается ток утечки до 30 мкА при рабочем напряжении накала).
При положительном потенциале на подогревателе относительно катода возникает термоэлектронная эмиссия с катода на подогреватель, что вызывает электролиз алундового покрытия. Электроны, испускаемые с внутренней поверхности керна катода, бомбардируют алундовое покрытие, т. е. происходит диссоциация и ионизация алунда с образованием положительных и отрицательных ионов, движущихся к противоположным электродам. При этом происходит разложение и изменение состава алундового покрытия и проникновение в него вольфрама из керна подогревателя, что вызывает резкое уменьшение электрического сопротивления изолирующего покрытия и увеличение тока утечки. В этом случае токи утечки имеют большие значения, поэтому разность потенциалов между катодом и подогревателем не должна превышать 10 В. Интенсивность процесса электролиза алунда усиливается при нагреве подогревателя постоянным током накала.
В ЭЛТ при подаче управляющего сигнала на модулятор один из выводов подогревателя обычно закорачивается с выводом катода, в этом случае сопротивление изоляции и ток утечки между катодом и подогревателем практически не влияют на параметры прибора.
При подаче управляющего сигнала на катод наличие тока утечки приводит к нарушению работоспособности прибора:
в случае, когда вывод подогревателя заземляется и не контактирует с катодом, ток утечки приводит к паразитной модуляции луча переменным напряжением накала;
в случае, когда вторичная обмотка накального трансформатора не заземляется, а соединяется с катодом через большое (~ 100 кОм) сопротивление, ток утечки может привести к появлению на катоде переменного напряжения сети.
Однако во всех случаях большая утечка между катодом и подогревателем недопустима, она может привести к постепенному разрушению алундовой изоляции и возникновению пробоя.
Рис. 28.6. Вольт-амперная характеристика алундовой изоляции подогревателей в катодах косвенного накалаРис. 28.6. Вольт-амперная характеристика алундовой изоляции подогревателей в катодах косвенного накалаРазличают три формы пробоя изоляции подогревателей: электрический, тепловой и электролитический.
Рис. 28.6. Вольт-амперная характеристика алундовой изоляции подогревателей в катодах косвенного накала
Рис. 28.6. Вольт-амперная характеристика алундовой изоляции подогревателей в катодах косвенного накала
Электрический пробой связан с уменьшением электрического сопротивления изоляционного слоя; он наступает при определенной критической напряженности поля в толще изолятора между керном и подогревателем и обусловлен загрязнением и процессами ионизации алунда под действием тока утечки.
Тепловой пробой связан с уменьшением электрического сопротивления алундовой изоляции при повышении ее температуры сверх критического значения.
накала и при большойнакала и при большойТепловой пробой изоляции наблюдается при повышенном напряжении плотности тока через катод.
накала и при большой
накала и при большой
Электролитический пробой обусловлен снижением электрического сопротивления за счет диффузии в слой алунда ионов вольфрама из керна подогревателя, при этом образуется вольфрамат алюминия, который по своим изоляционным свойствам гораздо хуже, чем алунд.
На рис. 28.6 показана вольт-амперная характеристика алундовой изоляции, характеризующая изменение тока утечки в зависимости от напряжения накала и различной полярности напряжения между катодом и подогревателем.
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОЖИГА
Назначение прожига — удалить все дефекты, способствующие возникновению пробоев и утечек в приборе (заусенцы, острые края, микронеровности, следы напылений, микрочастицы и др.).
При прожиге между электродами прикладывается напряжение, которое в 2—2,5 раза больше рабочего напряжения при эксплуатации прибора.
Методы прожига подразделяются по принципу действия (физико-химические процессы) и по виду прикладываемого напряжения.
По принципу действия различают следующие виды прожига: пробоями; электронной и ионной бомбардировкой.
По виду напряжений различают следующие методы прожига: постоянным напряжением с положительной или отрицательной полярностью на катоде или аноде; переменным напряжением; высокочастотным напряжением; однополярным импульсным напряжением положительной или отрицательной полярности; импульсным напряжением с переменной полярностью или нано- секундной длительностью.
В установках прожига применяют следующие электрические схемы подачи напряжения: между анодом (или коллектором) и заземленным катодом; между катодом и заземленным анодом; между анодом и всеми другими электродами, которые закорачиваются между собой и соединяются с землей (с помощью проводника, имеющего минимальную длину и сопротивление); между фокусирующим или управляющим электродом и металлическим кольцом, надеваемом на горловину прибора; между электродами с одновременной подачей напряжения накала на подогреватель катода (при горячем катоде).
Структурная схема всех устройств прожига принципиально одинакова и показана на рис. 28.7.
При прожиге пробоями плавно или ступенчато повышают анодное напряжение. При этом на потенциально ненадежных участках между электродами, где нет запаса электрической прочности, возникают пробои. При возникновении пробоев анодное напряжение снижается до их прекращения и после выдержки в течение 5—10 мин вновь повышается: эти циклы повторяются до полного прекращения пробоев при напряжении на 30—50 % выше рабочего.
Различные варианты прожига пробоями отличаются друг от друга значением энергии пробоя и методами ее ограничения, а также полярностью.
На рис. 28.8, а показана схема прожига ЭВП пробоями с накопительной емкостью. Энергия, выделяющаяся на электродах, и соответственно энергия пробоя определяются суммарной емкостью, состоящей из: емкости кабеля, подводящего высокое напряжение; емкостей схем, параллельно подключенных к элек-
Рис. 28.7. Структурная схема устройства для прожига ЭВПРис. 28.7. Структурная схема устройства для прожига ЭВП
Рис. 28.7. Структурная схема устройства для прожига ЭВП
Рис. 28.7. Структурная схема устройства для прожига ЭВП
тродам ЭВП и шунтирующих анод и катод прожигаемого прибора; межэлектродной емкости ЭВП.
Во избежание лавинообразного возрастания тока разряда пробоя и порчи ЭВП емкость конденсатора Ci подбирают с таким расчетом, чтобы энергия разрядов при прожиге не превышала 0,01—0,5 Дж.
Так, при 1/тр = 20 кВ энергия разряда, запасенная в емкости, равной 100 пФ, составляет 0,02 Дж, что достаточно для разрушения микроострий с высотой 10 мкм. Сопротивление R1 определяет ток разряда.
С увеличением энергии разрядов ускоряются процессы сглаживания заусенцев и острых краев, удаления загрязнений и проводящих пленок с изоляторов (положительные факторы), однако одновременно повышается вероятность распыления электродов и напылений на близлежащие детали и стеклооболочку, перегрева и растрескивания изоляторов, разрушения катода и повышения давления в приборе (отрицательные факторы).
Общий ток через прибор после разряда конденсатора (точка А на рис. 28.8, б) должен быть меньше тока, при котором разряд гаснет и пробой прекращается.
Рис. 28.8. Прожиг ЭВП пробоями с накопительной емкостьюРис. 28.8. Прожиг ЭВП пробоями с накопительной емкостьюб)б)
Рис. 28.8. Прожиг ЭВП пробоями с накопительной емкостью
Рис. 28.8. Прожиг ЭВП пробоями с накопительной емкостью
б)
б)
В принципе ток гашения разряда различен для разных приборов и зависит от конструкции, материала электродов, состояния их поверхности и других факторов: практически дуговой разряд гаснет при токах, меньших 0,5 А. Величина послеразряд- ного тока зависит от ограничивающего сопротивления Ai. Однако при большой мощности источника постоянного тока и малой величине сопротивления К\ пробой через прибор (даже после разряда конденсатора) не прекращается, происходит лавинообразный процесс возрастания тока дугового разряда во времени и прибор выходит из строя.
Время зарядки и разрядки конденсатора Ci зависит от сопротивления Кт чем меньше это время, тем быстрее происходит разряд конденсатора и чаще следуют разряды и импульсы пробоя через прибор. С увеличением частоты импульсов повышается интенсивность удаления заусенцев, однако резко ухудшается вакуум и «отравляется» катод. Это объясняется тем, что при большой скорости чередования пробоев и малой длительности пауз между пробоями газопоглотители не успевают поглотить выделяющиеся в объем газы и пары, которые сорбируются на катоде.
Наиболее рационально проводи v прожиг с постепенным уменьшением емкости конденсатора Ci и сопротивления К\.
В случае, когда при прожиге электроды, находящиеся между катодом и анодом (например, фокусирующий электрод), не заземляются, на них наводится плавающий неуправляемый положительный потенциал, они подвергаются бомбардировке током пробоя и очищаются от загрязнений и заусенцев, что способствует повышению электрической прочности.
К недостаткам прожига пробоями постоянным напряжением относятся: нестабильность достигнутого эффекта повышения электрической прочности — это объясняется тем, что одновременно с разрушением при прожиге одних источников пробоев и «паразитной» эмиссии создаются новые, которые имеют тенденцию к росту во времени в процессе хранения и эксплуатации прибора; практически не удаляются микроострия и другие неровности микрорельефа с поверхности анода и других электродов, находящихся под положительным потенциалом.
Прожиг электровакуумных приборов пробоями при переменном напряжении обеспечивает более качественную очистку изоляторов, а также более полное удаление заусенцев с анодов прибора. Это объясняется тем, что при отрицательном потенциале на аноде (обратной полярности) с его заусенцев начинается автоэлектронная эмиссия, которая приводит к их разогреву,
расплавлению и сглаживанию. Кроме того, в течение отрицательных полупериодов анод подвергается бомбардировке положительными ионами, а при положительных полупериодах — бомбардировке электронами.
При прожиге переменным напряжением происходит очистка всех электродов прибора (в отличие от прожига постоянным напряжением).
Широко применяется также прожиг в импульсном режиме. Он позволяет проводить прожиг при оптимальной, экспериментально подобранной длительности импульсного пробоя и паузы между импульсами.
Оптимальными будут являться режимы, при которых: в период пауз между импульсами газы и пары, выделяющиеся в объем прибора при прохождении тока пробоя, успевают поглотиться газопоглотителем; продолжительность импульса пробоя должна быть недостаточной для развития лавинообразного процесса и возникновения дугового разряда. Обычно длительность импульса в 100—1000 раз меньше длительности паузы между импульсами.
Заусенцы на электродах во время каждого импульса разогреваются, а в промежутках между импульсами остывают. Тепловое расширение и сжатие поверхностного слоя при большом числе импульсов приводит к возникновению микротрещин на заусенцах, которые затрудняют передачу и отвод теплоты; в результате температура на торцах заусенцев становится значительно выше температуры поверхности металла, они расплавляются, округляются и частично испаряются. Поэтому для разрушения заусенцев на меди при непрерывном нагреве требуется нагревать ее до более 700°С, а при импульсном — до 110°С; для разрушения заусенцев вольфрама при непрерывном нагреве его необходимо нагреть до температуры свыше 3000°С, а при импульсном — до 845°С.
Импульсный нагрев способствует также очистке изоляторов, на поверхности которых имеются проводящие загрязнения или пленки. В момент прохождения импульса (при подаче анодного напряжения на прибор) эти пленки заряжаются, а при снятии напряжения (в период пауз между импульсами) разряжаются. В момент заряда и разряда по пленкам проходят токи. Зарядный и разрядный токи нагревают пленку загрязнения: пленка
расширяется, деформируется и отрывается от поверхности изолятора. При нарушении контакта с подложкой уменьшается теплоотвод от пленки, она сильно перегревается и испаряется в объем прибора.
Во всех случаях эффективность импульсного прожига повышается при уменьшении длительности и увеличении частоты повторения импульсов, поэтому наиболее целесообразно применение импульсов пробоя наносекундной длительности.
Прожиг высоковольтных ЭЛТ в импульсном режиме производится в двух вариантах:
без напряжения накала на катоде — с подачей импульсного напряжения между катодом и анодом от высоковольтного источника — генератора высоковольтных импульсов;
с напряжением накала на катоде — в схеме с частичным разрядом накопительной емкости, путем подачи импульсного напряжения на управляющий электрод (рис. 28.9).
Сопротивление 2?i предотвращает затягивание пробоя и возникновение неуправляемого дугового разряда (значение сопротивления должно быть « 0,5-5-1,0 МОм).
Сопротивление Ri ограничивает ток разряда накопительной емкости (значение сопротивления должно быть 10-г-20 кОм). Величина накопительной емкости подбирается исходя из следующих факторов. Накопительная емкость, определяющая энергию разрядов, должна быть соизмерима по величине с межэлектродной емкостью (« 50-$-100 пФ), что обеспечивает наибольшую эффективность прожига. По мере увеличения накопительной емкости сверх оптимальной электрическая прочность в процессе прожига не улучшается, а снижается.
Время восстановления напряжения накопительной емкости должно быть больше времени восстановления эмиссионных свойств катода, который частично «отравляется» при каждом акте пробоя (иначе наблюдается окончательная потеря эмиссии).
По мере прожига (т. е. по мере разрушения все более мелких острий) целесообразно постепенно снижать энергию разрядов путем уменьшения длительности импульсов или увеличивать амплитуду импульсов путем повышения напряжения прожига.
Рекомендуется прожиг разнополярными чередующимися импульсами, в этом случае потенциалы на электродах поочередно изменяются, что позволяет сочетать преимущества катодного и анодного прожига и взаимно компенсировать их недостатки.
Практика показывает, что наиболее эффективным обычно является комбинированный прожиг, при котором на прибор
последовательно подаются постоянное, импульсное и переменное напряжения.
При прожиге электронной или ионной бомбардировкой электронный или ионный поток используется в качестве энергоносителя, распыляющего микроострия, разрушающего оксидные пленки и загрязнения на электродах. В процессе прожига электронной бомбардировкой очистке подвергается электрод, находящийся в данный момент под положительным потенциалом (рис. 28.10)1. Прожиг электронной бомбардировкой осуществляется за счет потока электронов, испускаемых с микроострий на отрицательных электродах за счет автоэлектронной эмиссии. При прожиге автоэлектронной эмиссией напряжение на электродах ЭВП Ui должно быть больше порогового напряжения Uo* вызывающего автоэлектронную эмиссию, но меньше напряжена t/np, вызывающего пробой в приборе: Uo<Ui<Unp (рис. 28.11).
Отсутствие пробоев при прожиге позволяет разрушать микроострия и сглаживать микрорельеф поверхности электродов — безопасности возникновения новых микронеоднородностей и самопроизвольной перестройки поверхности электродов, сопровождающейся ускоренным ростом нитевидных кристаллов.
Стабилизация режима автоэлектронной эмиссии (предотвращающая возникновение пробоев при прожиге) обеспечивается включением последовательно с тренируемым прибором высокоомного балластного резистора Ябал (см. рис. 28.10), сопротивление которого должно быть на порядок выше сопротивления межэлек-
Рис. 28.9. Схема прожига в импульсном режиме с частичным разрядом накопительной емкостиРис. 28.9. Схема прожига в импульсном режиме с частичным разрядом накопительной емкостиРис. 28.10. Схема прожига ЭВМ электронной бомбардировкой с выключе иным накаломРис. 28.10. Схема прожига ЭВМ электронной бомбардировкой с выключе иным накалом
Рис. 28.9. Схема прожига в импульсном режиме с частичным разрядом накопительной емкости
Рис. 28.9. Схема прожига в импульсном режиме с частичным разрядом накопительной емкости
Рис. 28.10. Схема прожига ЭВМ электронной бомбардировкой с выключе иным накалом
Рис. 28.10. Схема прожига ЭВМ электронной бомбардировкой с выключе иным накалом
1
Прожигать ЭВП электронной бомбардировкой целесообразно при высоком напряжении отрицательной полярности на катоде или модуляторе и заземленном аноде. В этом случае воздух помещения ионизируется отрицательными ионами, а не положительными, которые вызывают повышенную утомляемость обслуживающего персонала.
Рис. 28.11. Зависимость напряжения на электродах ЭВП и тока через них от входного напряжения в схемах с балластным сопротивлениемРис. 28.11. Зависимость напряжения на электродах ЭВП и тока через них от входного напряжения в схемах с балластным сопротивлениемтродного промежутка ЭВП при заданном значении автоэлектронного тока (» 10 МОм—5 ГОм — в зависимости от мощности ЭВП). При прожиге электронной бомбардировкой необходимо, чтобы на модуляторе или близлежащей к катоду сетке был более отрицательный потенциал, чем на катоде, иначе положительные ионы, образующиеся при ионизации электронами остаточного газа, будут бомбардировать и разрушать катод1.
Рис. 28.11. Зависимость напряжения на электродах ЭВП и тока через них от входного напряжения в схемах с балластным сопротивлением
Рис. 28.11. Зависимость напряжения на электродах ЭВП и тока через них от входного напряжения в схемах с балластным сопротивлением
Прожиг электронной бомбардировкой целесообразно применять как финишный, после предварительного прожига пробоями. Это объясняется тем, что электроны ввиду своей малой массы могут разрушить только микроострия небольшого диаметра и практически не удаляют диэлектрические пленки с электродов.
Прожиг ионной бомбардировкой отличается от прожига электронной бомбардировкой полярностью напряжений на электродах и более высоким напряжением прожига, подаваемым на электроды.
При ионном прожиге очистка электродов производится положительными ионами, поэтому на анод подается напряжение отрицательной полярности или на катод — напряжение положительной полярности. При этом модулятор в ЭЛТ и другие изолированные от катода конструктивные элементы (сетки в ПУЛ, замедляющая спираль в ЛЕВ, резонаторы в клистронах, газопоглотитель и др.), не присоединяются к источнику напряжения, находятся под «плавающим» потенциалом и под действием электронной бомбардировки приобретают относительно катода большой отрицательный потенциал и аналогично аноду подвергаются очистке положительными ионами.
Внутренние стенки стеклооболочки также приобретают отрицательный заряд — при бомбардировке положительными ионами
1
Следует отмстить, что балластный резистор Лбал по своему назначению и принципу действия принципиально отличается от ограничительного резистора R в схемах прожига пробоями (см. с.521). Ограничительный резистор только ограничивает ток пробоя до его гашения; /?бал не допускает возникновения пробоя и стабилизрует напряжение на электродах в заданных пределах. Поэтому сопротивление балластного резистора па 2—3 порядка выше сопротивления ограничительного резистора.
происходит десорбция из стекла газа и удаление напылившегося на стекло активного вещества катода (на участках стеклянной поверхности, на которой имеются следы напыленного активного вещества, наблюдается бледно-голубое свечение).При ионном прожиге практически нет опасности разрушенияпроисходит десорбция из стекла газа и удаление напылившегося на стекло активного вещества катода (на участках стеклянной поверхности, на которой имеются следы напыленного активного вещества, наблюдается бледно-голубое свечение).При ионном прожиге практически нет опасности разрушения^2^2Рис. 28.12. Схема прожига, позвоРис. 28.12. Схема прожига, позволяющая преобразовать постоянное напряжение в импульсноеляющая преобразовать постоянное напряжение в импульсное
происходит десорбция из стекла газа и удаление напылившегося на стекло активного вещества катода (на участках стеклянной поверхности, на которой имеются следы напыленного активного вещества, наблюдается бледно-голубое свечение).
При ионном прожиге практически нет опасности разрушения
происходит десорбция из стекла газа и удаление напылившегося на стекло активного вещества катода (на участках стеклянной поверхности, на которой имеются следы напыленного активного вещества, наблюдается бледно-голубое свечение).
При ионном прожиге практически нет опасности разрушения
^2
^2
Рис. 28.12. Схема прожига, позво
Рис. 28.12. Схема прожига, позво
ляющая преобразовать постоянное напряжение в импульсное
ляющая преобразовать постоянное напряжение в импульсное
катода ионами: катод находится под положительным потенциалом и защищен термозащитным полем модулятора (или сетки),
находящегося под отрицательным «плавающим» потенциалом. Эффективность ионного прожига возрастает с ростом напряжения прожига: по мере повышения энергии ионов увеличивается глубина их проникновения в толщу бомбардируемого электрода — ионы «замуровываются» в толще электрода и вакуум в приборе улучшается; при напряженности поля Е = 3-10э В/см микро
острия полностью разрушаются.
Оптимальная продолжительность ионного прожига 30—500 с. На рис. 28.12 показана схема прожига, которая позволяет путем повышения входного напряжения переходить от прожига постоянным напряжением к импульсному; путем изменения сопротивления резистора Ri осуществить либо прожиг пробоями (при малом значении сопротивления RD. либо электронной и ионной бомбардировкой (при большом значении RD.
При прожиге прибора, напаянного на вакуумную установку, его наполняют нейтральным газом (например, Н2, Не, Ar, N2, SiF6 или сухим воздухом до давления 10 —1,0 Па) и возбуждают тлеющий разряд. При этом происходит интенсивная электронная и ионная бомбардировка электродов и очистка их от загрязнений и заусенцев. В последнее время рекомендуется в состав компонентов тлеющего разряда вводить небольшое количество активных газов, например, кислорода; в процессе тлеющего разряда они вступают в реакцию с материалом заусенцев, образуют легколетучие соединения, испарение которых приводит к сглаживанию микрорельефа деталей.
ТРЕНИРОВКА ПРИБОРОВ
ЭВП после вакуумной обработки на откачном оборудовании имеют ряд недостатков: большое содержание газов и паров на поверхности и в толще деталей внутренней арматуры и стекло-
оболочки прибора; недостаточно высокий вакуум в объеме прибора; малая величина и нестабильность эмиссии катода; наличие проводящих и полупроводящих загрязнений и пленок на деталях, приводящих к утечкам и пробоям.
Это объясняется следующими причинами:
при охлаждении прибора, напаянного на откачную систему, происходит обратная диффузия газов и паров из вакуумной системы в прибор (см. с. 465) и их сорбция на поверхности деталей и стеклооболочки;
при спаивании прибора с откачного оборудования происходит интенсивное газовыделение из штенгеля, сопровождающееся ухудшением вакуума, газонасыщением деталей и «отравлением» катода;
пары в отличие от газов практически не откачиваются диффузионными и механическими насосами и повышают давление в объеме прибора;
в объеме прибора газы и пары находятся в виде нейтральных атомов и молекул, по отношению к которым газопоглотители имеют малую сорбционную емкость;
невозможность окончательной доактивировки катода до момента отпая прибора — иначе в катоде образуется барий, вызывающий обратную диффузию и поглощение загрязнений.
Для устранения этих недостатков производится тренировка прибора. Тренировкой называется заключительная технологическая операция изготовления прибора, при которой к электродам прикладываются напряжения, обеспечивающие улучшение и стабилизацию основных параметров, повышение надежности и долговечности приборов.
В процессе тренировки улучшаются и стабилизируются эмиссионные свойства катодов; снижается давление остаточных газов и паров в объеме прибора; очищаются электроды прибора; улучшается изоляция между электродами, стабилизируется контактная разность потенциалов, улучшаются светотехнические параметры.
Тренировка обычно состоит из двух этапов.
Окончательное активирование катода. Катод нагревают постепенно (ступенчато) до температуры на 30—40 % выше рабочей температуры катода; при этом в катоде происходят физико-химические процессы формирования структура оксидного слоя, образования в толще катода свободного бария и его диффузии на поверхность. Оптимальная температура окончательного активирования тем ниже, чем меньше давлений остаточного газа в приборе.
Стабилизация параметров и характеристик прибора. Катод нагревают до температуры на 10—20 % выше рабочей температуры, а на электроды прибора подаются экспериментально подобранные положительные относительно катода потенциалы. При этом происходит интенсивный отбор тока с катода, вызывающий электронную бомбардировку электродов прибора и их обезгаживание; диссоциацию и ионизацию молекул остаточных газов быстролетящими электронами; электролитическое разложение оксидов щелочноземельных металлов в оксидном покрытии, поглощение ионов газопоглотителем и активными поверхностями стеклооболочки и деталей.
Поглощение остаточных газов при тренировке происходит: ионной откачкой — путем внедрения ионов газов и паров в материал электродов при их бомбардировке; или сорбционной откачкой — путем поглощения газов и паров газопоглотителем.
Как известно, ионы и диссоциированные атомы газов и паров более интенсивно поглощаются газопоглотителем, чем нейтральные молекулы. Поэтому давление остаточных газов в приборе снижается.
Процесс превращения нейтральных молекул остаточных газов в ионы и диссоциированные атомы с последующим поглощением их внутренними поверхностями прибора и газопоглотителем, сопровождающийся улучшением вакуума в приборе, называется жестчением остаточных газов. Жестчение остаточных газов приводит к повышению вакуума в приборе практически на 1—2 порядка.
Для обезгаживания электродов электронной бомбардировкой и интенсивного протекания процесса жестчения газов необходимы следующие условия: энергия электронов, вылетевших с катода, должна превышать энергию диссоциации и потенциала ионизации остаточных газов и паров; практически потенциалы ионизации газов невелики: кислорода—12,6 эВ, водорода—13,5, азота — 14,5, аргона—15,7; энергия электронов должна быть достаточной, чтобы обеспечить высокую вероятность ионизации остаточного газа (например, максимальная вероятность ионизации молекул азота достигается при ускоряющем напряжении 180 В, максимальная ионизация аргона составляет 50 % и достигается при ускоряющем напряжении 150 В).
Следует отметить, что в процессе тренировки с положительным потенциалом на электродах одновременно с бомбардировкой электродов электронами и ионами (полезный процесс) происходит
бомбардировка катода положительными ионами, приводящая к разрушению центрального участка катода — ионному пробою (отрицательный процесс).
Практика показала, что наиболее эффективно процесс жестчения происходит при подаче на все электроды относительно катода отрицательного потенциала — это связано с тем, что положительные ионы лучше сорбируются и «замуровываются» в электроды, чем отрицательные. Положительные ионы остаточного газа при ударе о поверхность электрода нейтрализуются и, распыляя и разрушая оксиды металлов и другие загрязнения, сами поглощаются поверхностью и толщей электрода (глубина и прочность замуровывания ионов повышаются при увеличении энергии ионов). Наличие на катоде при тренировке положительного потенциала предотвращает его бомбардировку и разрушение положительными ионами.
Выбор оптимального напряжения на электроде зависит от свойств материала электрода (температуры и скорости его испарения) и расстояния от электрода до катода. Например, на константовые модуляторы ЭЛТ нельзя подавать положительное напряжение выше 6 В, а на стальные — выше 25 В (причем чем меньше расстояние катод — модулятор, тем меньше допустимое напряжение). Иначе поток электронов, обладающих высокой энергией, вызывает распыление материала модулятора, напыление его на катод и отравление эмиссионного покрытия.
С внедрением в практику управляющих электронно- вычислительных машин можно производить тренировку каждого отдельного прибора по индивидуальному режиму в зависимости от его характеристик до тренировки и их изменений в процессе тренировки — это называется тренировкой с обратной связью. Тренировка с обратной связью предотвращает появление дефектов, связанных как с недотренировкой, так и с перетренировкой прибора.
При тренировке с обратной связью напряжение на электродах автоматически повышается при снижении давления остаточных газов в приборе и, наоборот, автоматически уменьшается при повышении давления (например, при давлении остаточных газов в приборе свыше 5 • 10"3 мм рт. ст. тренировку следует прекратить и допылить газопоглотитель — иначе разрушается катод и происходит окисление материала электродов); напряжение накала при тренировке должно постепенно снижаться по мере приобретения катодом оптимальной величины эмиссионной способности.
В последнее время рекомендуется распылять газопоглотитель непосредственно при тренировке прибора — в процессе жестчения остаточных газов.
Газопоглотитель распыляют посте подачи на подогреватель рабочего напряжения накала, на модулятор — небольшого отрицательного смещения (-3 *5 В) и рабочего напряжения на аноды. Этот способ имеет следующие преимущества.
Пары бария, образующиеся в момент распыления газопоглотителя, имеют значительно большую сорбционную емкость, чем «зеркало» газопоглотителя (поэтому они поглощают газы, выделяющиеся при электронной бамбардировке электродов, и Предотвращают их осаждение на катоде).
Газы, поглощенные парами газопоглотителя, «замуровываются» в толще зеркала газопоглотителя при конденсации паров бария на подложке, что предохраняет поверхностный слой зеркала газопоглотителя от насыщения остаточными газами и позволяет повысить долговечность приборов.
Высокая температура катода при распылении газопоглотителя предотвращает химическое отравление катода остаточными газами (см. с. 485), а наличие отрицательного потенциала на модуляторе препятствует проникновению положительных ионов газа на катод и защищает его от разрушения.
В процессе тренировки производится также операция прожига проводящих мостиков в изоляции между катодом и подогревателем.
Тренировку подогревателей производят путем приложения в готовом приборе разности потенциалов (порядка 200 В) между катодом и подогревателем, нагретым до температуры на 20—30 % выше рабочей. При этом очистка изоляционного покрытия подогревателя происходит в результате испарения и возгонки легколетучих примесей, а также диссоциации и разложения примесей, ионы которых направляются к электродам.
Наилучшие результаты дает тренировка при положительной полярности на катоде по отношению к подогревателю (однако тренировку можно производить и при переменном напряжении между катодом и подогревателем).
Повышение электрической прочности алундовой изоляции подогревателей катодов производится путем приложения к подогревателю импульса напряжения отрицательной полярности — значением порядка 10 кВ в течение 1—2 с — это позволит повысить электрическую прочность изоляции до 1,0—1,5 кВ и
значительно снизить величину утечек и пробоев между катодом и подогревателем.
Иногда применяют дополнительный этап тренировки — активный прогон приборов с повышенным токоотбором при подаче на электроды предельно допустимых рабочих напряжений. Это позволяет провести окончательную стабилизацию параметров и характеристик приборов и отбраковать потенциально ненадежные приборы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Настоящее и будущее электровакуумного производства — это постепенный переход на гибкие автоматизированные системы производства и управления в сочетании с внедрением современных электрофизических процессов лазерной, плазменной, ультразвуковой, лучевой, электронной, ионной и электроэрозионной технологии. Книга знакомит учащихся с научными основами технологии, физико-химическими принципами, заложенными в технологический цикл изготовления приборов, с конструкцией современного электровакуумного оборудования, что поможет творчески освоить изготовление приборов, активно участвовать в рационализаторской и изобретательской деятельности, предлагать и внедрять конкретные методы предупреждения брака, улучшения параметров и надежности приборов.
В книге использованы опыт предприятий отрасли, а также отечественные и зарубежные литературные источники. При изложении материала учтены особенности технологии изготовления различных классов электровакуумных приборов, в частности электронно-лучевых трубок, дисплейных кинескопов, фотоэлектронных и сверхвысокочастотных приборов, электронных и осветительных ламп, указываются перспективные направления и тенденции усовершенствования технологии и автоматизации производства, что будет способствовать подготовке специалистов широкого профиля.
Создание этой книги стало возможным благодаря научно- технической помощи, оказанной автору коллективом объединения «МЭЛЗ», генеральным директором В. Г. Лапшиным и главным инженером С. Н. Поливиным
Список литературы
Александрова А. Т., Полетай Г. А. Заготовка деталей электровакуумных приборов.— М.: Высшая школа, 1986.
Александрова А. Т. Оборудование электровакуумного производства.— М.: Энергия, 1974.
Барановский В. И. Технология производства приемных электронно-лучевых трубок.— М.: Энергия, 1970.
Производство цветных кинескопов/ Под ред. В. И. Барановского.— М.: Энергия, 1978.
Берковский А. Г., Гаванин В. А., Зайдель И. Н. Вакуумные фотоэлектронные приборы.— М.: Энергия, 1976.
Волчкевич Л. И. Автоматизация производства электронной техники.— М.: Высшая школа, 1988.
Дмитриев Г. В., Кузнец М. И. Электрооборудование электровакуумного производства.— М/. Энергия, 1977.
Ермаков Е. С.Робототехнологическиекомплексыэлектроннойтехники. —М.: Высшая школа, 1983.
Закиров Ф. Г., Николаев Е. А. Откачка и заварка в электровакуумном производстве.—М.: Высшая школа, 1983.
Ингберман М. И., Эпштейн М. С. Оптимальные режимы применения и эксплуатации электровакуумных приборов.— М.: Радио и связь, 1985.
Иофис Н. А., Будникова Е. И., Захарычева А. П. и др. Базовые конструкции катодно-подогревательных узлов для электронно-лучевых приборов. Труды конференции по электронной технике.— М.: Электроника, 1969, № 1.
Неймарк А. М. Роботы на службе человека.— М.: Наука, 1982.
Никонов Б. П. Оксидный катод.— М.: Энергия, 1979.
Попов В. Ф., Горин Ю. Н. Прбцессы и установки электронно-ионной технологии.— М.: Высшая школа, 1988.
Потемкин Ю. П., Бродский С. И. и др. Комплексная автоматизация сборочного производства цветных электронно-лучевых трубок.— М.: Радио и связь, 1984.
Роус Б. Стекло в электронике/ Пер. с чешского под ред. Г. А. Степанова.— Советское радио, 1969.
Лазеры в технологии/ Под ред. М. Ф. Стельмаха.— М.: Энергия, 1975.
Тарасов л. в. Знакомьтесь — лазеры! — М.: Радио и связь, 1983.
Куркин В. И., Житников В. С. Устройство и наладка оборудования электровакуумного производства.— М.: Высшая школа, 1981.
Хруничев Ю. А., Куркин В. И., Варламов В. А., Шехмейстер Е. И. Технология и оборудование производства электровакуумных приборов.— М/. Высшая шкала, 1979.
Шехмейстер Е. И. Сборочные операции в электровакуумном производстве.— М.: Высшая школа, 1987.
Шехмейстер Е. И. Общая технология электровакуумного производства.— М.: Высшая школа, 1984.
Шехмейстер Е. И., Вассерман Р. Н., Майзель Л. С. Технохимические работы в электровакуумном производстве.— М.: Высшая школа, 1978.
Ткаченко А. А., Евстигнеев С. И. Катоды и подогреватели электровакуумных приборов.— М.: Высшая школа, 1975.
Вакуумная техника. Справочник/ Под ред. Е. С. Фролова.— М.: Машиностроение, 1985.
Предисловие .. . з
Введение 4
Глава!. Основы электровакуумного производства 6
Типовой технологический процесс производства электровакуумных6
приборов
Основы классификации деталей, узлов и готовых приборов9
Основные требования к деталям, сборочным единицам, готовым изделиям и методы их испытания 10
Гл а в а 2. Оборудование электровакуумного производства 16
Классификация оборудования 16
Основные характеристики оборудования 18
Гл а ваЗ. Промышленные роботы 25V
Основные сведения о промышленных роботах 25
Конструкция роботов 26
Системы управления промышленными роботами 30
Принцип работы ЭВМ 32
Классификация роботов 37
Интеллектуальные роботы 39-у
Г л а в а 4. Автоматизация производства и гибкие производственные системы. 42
Автоматизация производства 42
Гибкие автоматизированные производства 49
Классификация гибких производственных систем 52
Г л а в а 5. Плазменная обработка деталей 56
Основные сведения о плазме 56
S 5 2. К * чкрукциг >. принцип действия плазмотронов 57
3. Основные характеристики плазменного факела 60
Плазменная сварка и резка 62
Плазменная очистка 64
Плазменное нанесение покрытий .66
Технология и оборудование магнетронного нанесения покрытий. .70
Г л а в а 6. Изготовление и обработка деталей лазерным лучом 72
Основные характеристики лазерного луча 72
Механизм образования лазерного луча 74
Конструкция и принцип работы промышленных лазеров 78
Лазерная обработка деталей 82
Г л а в а 7. Ультразвуковые методы изготовления, обработки и соединения деталей. 89
Механизм процесса ультразвуковой обработки. 89
Конструкция ультразвуковых установок 91
Ультразвуковая очистка деталей 93
Применение ультразвука при механической обработке и штамповке 96 деталей
Применение ультразвука при сварке и пайке 99
Г л а в а 8. Электроэрозиониые методы изготовления и обработки деталей. . . 100
Технология и оборудование электроэрозиониой обработки100
Режимы электроэрозиониой обработки 106
Г л а в а 9. Изготовление металлических деталей и сборочных единиц. 107
Общие сведения о металлах и сплавах 107
Структура металлов и типы кристаллических решеток 109
Изменение структуры и свойств металлов при механической обработке 111
Методы изготовления заготовок металлов 114
Изготовление деталей методами штамповки 116
Инструмент для штамповки деталей 122
Основные разновидности дефектов при штамповке 124
Г л а в а 10. Изготовление стеклянных деталей 126
Основные сведения о стекле 126
Варка стекла 127
Термические свойства стекла 128
Электрические свойства стекла 131
Химические и механические свойства стекла 135
Основные сведения о напряжениях встекле. ' 137
Изготовление стеклянных деталей из жидкой стекломассы 140
Резка и калибровка стеклянных деталей 148
Особенности изготовления баллонов цветных кинескопов153
Г л а в а 11. Изготовление и применение стекловолоконных деталей 155
Применение и принцип работы волоконно-оптических пластин. .155
Характеристики волоконно-оптических дисков 158
Принцип работы и основные характеристики микроканальных пластин 161
Особенности применения стекловолоконных деталей в фотоэлектронных приборах 164
Технология изготовления стекловолоконных деталей. 165
Г л а в а 12. Очистка деталей 170
Разновидности процессов очистки деталей 170
Принципиальнаятехнологическаясхемаочистки 172
Химическое обезжиривание органическими растворителями. . . .172
Химическое обезжиривание в щелочных растворах 175
Химическое травление деталей 176
Электрохимическое обезжиривание и травление деталей181
Особенности технологии химического и электрохимическогополирования 182
Промывка и сушка деталей 183
Особенности очистки стеклянных и керамических деталей 185
Контроль качества очистки деталей 189
Г л а в а 13. Термическая обработка деталей 90
Разновидности термических операций 190
Особенности отжига металлов и сплавов, способных к фазовым превращениям 195
Особенности термической обработки в среде водорода 197
Особенности термической обработки в вакууме 201
Термическая обработка в окислительной среде 203
Отжиг стеклоизделий 203
Г л а в а14. Соединения металлических деталей 206
Разновидности методов соединения деталей 206
Элсктроконтактная сварка 207
Режимы сварки 209
Оборудование для сварки 211
Электроино-лучевая сварка 216
Сварка в твердом состоянии 217
Соединение деталей пайкой 219
Технология пайки 222
Виды брака сварных и паяных соединений 224
Глава15. Соединение металлических деталей со стеклом. . . .227
Основные разновидности спаев стекла с металлом 227
Металлы и сплавы, применяемые для спаев 230
Способы улучшения герметичности и прочности спаев 235
Способы изготовления металлостекляниых спаев 237
Разновидности коэффициентных напряжений в спаях 239
Факторы, влияющие иа коэффициентные напряжения в спае. . . 243
Особенности отжига спаев 247
Соединение кварцевого стекла с металлами 250
Гл а в а16. Соединение металлов с керамикой, ситаллами и слюдой251
Основные сведения о керамике 251
Технология изготовления керамических деталей 253
Особенности отжига керамических деталей 256
Соединения керамики с металлами 257
Технология изготовления металлокерамических спаев 259
Соединение слюды с металлами и стеклом 261
Гл а в а17. Изготовление подогревателей 264
Разновидности подогревателей и требования к ним 264
Изготовление кернов подогревателей 267
Нанесение изоляционных покрытий на керны подогревателей. . . 277
17.4. Контрольготовых подогревателей 285
Перспективные конструкции подогревателей 289
291291Г л а в a 18. Изготовление катодов
291
291
Основные сведения об оксидных катодах 291
Изготовление кернов катодов 295
Технология изготовления карбонатных суспензий 304
Нанесение карбонатных покрытий на керны катодов 307
Особенности изготовления и активирования пленочных катодов. .311
Глава 19. Принцип работы и технология изготовления фотоэлектронных катодовv 317
L Общие сведения о фотоэлектронной эмиссии 317
Принцип работы эмиттеров с отрицательным электронным сродством- •320
Темновые токи фотокатодов 322
Разновидности фотокатодов 323
Технология изготовления фотокатодов 325
Г л а в а 20. Изготовление сеток. 330
Разновидности конструкций и требования к сеткам 330
Технология изготовления сеток 332
Контроль качества сеток 337
Гл а в а 21. Изготовление анодов, резонаторов и замедляющих систем 339
Технология изготовления анодов 339
Изготовление резонаторов и замедляющих систем 345
Г л а в а 22. Изготовление газопоглотителей 348
Назначение и характеристики газопоглотителей 348
Распыляемые газопоглотители 349
Технология изготовления распыляемых газопоглотителей353
Нераспыляемые газопоглотители 357
Гл а в а23. Изготовление ножек электровакуумных приборов -363
Изготовление плоских ножек 363
Факторы, влияющие на качество ножки 367
Особенности технологии изготовления гребешковых и кон- 370 центрических ножек.
Разновидности дефектов ножек 372
Г л а в а 24. Экранный узел кинескопов 373
Основные параметры люминесцентных экранов 373
Конструкция экранного узла 378
Методы нанесения люминесцентных покрытий 382
Технологическая схема изготовления экранов цветных кинескопов 383
Особенности изготовления матричных экранов 397
Назначения и требования к алюминиевому покрытию 398
Г л а в а 25. Монтаж внутренней арматуры ЭВП 401
Основные требования к монтажным операциям 401
Особенности монтажа электронно-лучевых трубок 405
Особенности монтажа цветных кинескопов 414
Г л а в а 26. Соединение стеклянных деталей 417
Заварка газовым пламенем 417
Применение азота на операциях сварки 422
Оборудование для заварки 423
Особенности заварки дисплейных кинескопов 425
Основные разновидности дефектов при заварке 428
Газоэлектрическая нэлектродуговая сварка 430
Соединение деталей и узлов стеклокристаллическими цементами 433
Г л а в а 27. Вакуумная обработка приборов 437
Назначение вакуума при изготовлении и работе прибора 437
Электрические явления в вакууме 439
Особенности конструирования и эксплуатации вакуумных устано- 440 вок
Особенности конструкции и эксплуатации криогенных насосов. . 445
Разновидности вакуумных систем 447
Разновидности оборудования для вакуумной обработки приборов 449
Назначение и принципиальная технологическая схема вакуумной 458 обработки
Откачка газов из объема прибора 463
Основные сведения об обезгаживании деталей в процессе вакуумной обработки приборов 469
Особенности обезгаживания стеклянных деталей 468
Особенности обезгаживания металлических деталей 472
Обезгаживание и активирование оксидных катодов при вакуум- 481 ной обработке приборов
Влияние остаточных газов, механических загрязнений и напылений на работу оксидного катода 486
Влияние режимов эксплуатации на эмиссию оксидного катода. . 491
Контроль качества катодов в электронно-лучевых трубках. . . .496
Вакуумная обработка распыляемых газопоглотителей 503
Газопроницаемость приборов 509
Г л а в а 28. Методы повышения электрической прочности приборов. 510
Влияние пробоев на работу приборов 510
Причины появления пробоев в приборах 512
Способы предупреждения пробоев и защита от их последствий. . . 518
Токи утечки в цепях электродов 521
Технология и оборудование для прожига 523
Тренировка приборов 531
Заключение 533
Список литературы 538
В качестве примера приведем спай, в котором допуск в технических условиях на металл ±3 • 10”7 1/°С, а допуск в технических условиях на стекло ±1,5 • 10”7 1/°С. Тогда разность ТКР а для различных партий стекла и металла, имеющих гРаничные значения в пределах допуска, может составить ±4,5 • Ю”7 1/°С. Известно, что погрешность измерения ТКР металлов составляет ±2-10”7 1/°С, а стекла ±1 • 10”7 1/°С, поэтому возможная реальная разность ТКР металла и стекла практически может достигать ±7-10 7 1 /°C. Поэтому даже в идеально подобранной паре металл — стекло, которая теоретически Должна обеспечивать получение идеально согласованного спая, Разность ТКР а металла и стекла (только за счет допуска на
Излученная черненым подогревателем лучистая энергия поглощается
материалом катода и повышает его температуру. Это позволяет при сравнительно
низкой температуре подогревателя достичь высокой температуры катода.
Увеличение концентрации азотно-кислого алюминия повышает механическУ10 прочность, снижает температуру спекания, но ухудшает изоляционные свойств* покрытия.
Например, в ЭЛТ с диаметром катода 3 мм ток отбирается с рабочей поверхности порядка 0,75 мм , для сравнения — рабочая поверхность в лампе 6ШЗС равна 320 мм2.
ББК 32. 851. 1 Ш54
УДК 621.3.032.11
Рецензенты: А.И. Короткий — зам. начальника Главного технологического управления Министерства электронной промышленности СССР; Т.А. Козлова — преподаватель Саратовского техникума электронных приборов им. П.Н. Яблочкова.
Э"^8^ 55^
Шехмейстер Е.И.
Ш54 Технология производства электровакуумных приборов: Учеб, для учащихся техникумов по спец. «Производство изделий электр. техники». - М.: Высш, шк., 1992. - 543 с.: ил.
ISBN 5-06-002157-2
В книге рассматривается полный технологический цикл изготовления элек- тровакуумных приборов. Показаны перспективные направления и важнейшие достижения электровакуумного производства, связанные с внедрением в технологический цикл изготовления приборов лазерных, плазменных, магнетронных, ультразвуковых и других современных электрофизических методов.
m 2304040000(4308000000) —187 im_oiББК 32.851.1
Ш001(01)—92 186 - 926Ф.0.31 J
ISBN 5-06-002157-2©Е.И. Шехмейстер, 1992