На правах рукописи ПОПОВ Иван Андреевич СОЗДАНИЕ МАТРИЧНЫХ АВТОЭМИССИОННЫХ КАТОДОВ
реклама
На правах рукописи ПОПОВ Иван Андреевич СОЗДАНИЕ МАТРИЧНЫХ АВТОЭМИССИОННЫХ КАТОДОВ ИЗ СТЕКЛОУГЛЕРОДА ДЛЯ ПРИБОРОВ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСА ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Специальность 05.27.02 – Вакуумная и плазменная электроника Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Саратов 2013 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» Научный руководитель – доктор технических наук, профессор, Лауреат государственной премии СССР в области науки и техники Чеботаревский Юрий Викторович Официальные оппоненты: Царев Владислав Алексеевич доктор технических наук, профессор, «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», профессор кафедры «Электронные приборы и устройства» Шестеркин Василий Иванович кандидат физико-математических наук, ОАО «НПП «Алмаз», ведущий научный сотрудник Ведущая организация – Саратовский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Защита состоится «2» июля 2013 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, ауд. 319/1. С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.». Автореферат разослан «31» мая 2013 г. Ученый секретарь диссертационного 2 совета Димитрюк А.А. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Около пятидесяти лет назад в США были начаты работы по созданию матричных автоэмиссионных катодов (МАЭК), в результате получивших наименование катодов Спиндта. В настоящие время появилось множество публикаций по разработке и конструкции различных типов МАЭК и катодно-сеточных узлов (КСУ), построенных на принципах конструкции Спиндта. Существенный вклад в развитие физики и технологии автоэмиссионных источников электронов внесли и российские ученые: Бондаренко Б.В, Горфинкель Б.И., Григорьев Ю.А., Гуляев Ю.В., Рахимов А.Т., Синицын Н.И., Торгашов Г.В., Фурсей Г.Н, Шешин Е.П. и многие другие. Преимущества МАЭК по сравнению с другими источниками свободных электронов (устойчивость к колебаниям температуры, малая чувствительность к радиации, безынерционность, высокая крутизна вольтамперных характеристик) определяют их область применения, которая охватывает почти все типы электровакуумных приборов от ЛБВ и клистронов до быстродействующих коммутационных приборов. Конструктивно автоэмиссионные структуры МАЭК выполняются на основе различных материалов, в том числе углеродных, среди которых выделяются катодные структуры из монолитного стеклоуглерода. Они отличаются повышенной механической прочностью, хорошей стабильностью тока автоэмиссии, способны выдержать интенсивную бомбардировку ионами остаточных газов и пондеромоторные нагрузки в несколько кг/см2. Кроме того, стеклоуглерод обладает пониженной адсорбцией остаточных газов по сравнению с другими катодными материалами. Это обусловливает перспективность его использования в конструкциях электронно-оптических систем электровакуумных приборов. Наиболее распространенная в настоящее время технология изготовления МАЭК содержит протяженный технологический маршрут, включающий фотолитографию, термохимическое травление в среде водорода в присутствии металлического катализатора, ионно-плазменное заострение, электроискровую обработку и операции химической очистки поверхности стеклоуглерода как перед выполнением, так и после каждого из указанных технологических процессов. Недостатками данной технологии являются: сложный и длительный маршрут изготовления, дорогостоящее оборудование, экологически грязное производство, наличие примесей в приповерхностных слоях полученных микроструктур, ухудшающих эмиссионные свойства катода, что затрудняет промышленное освоение МАЭК. Поэтому разработка новых нетрадиционных способов изготовления матричных многоострийных АЭК, обеспечивающих повышение средней плотности токоотбора с их поверхности и снижение трудоемкости их изготовления, является весьма важной и актуальной научной и практической задачей. И наиболее 3 перспективным в этом направлении представляется широкое использование лазерных технологий на всех этапах изготовления многоострийных АЭК из монолитного стеклоуглерода. Возможность применения отдельных лазерных операций для обработки стеклоуглерода рассматривается в работах Zhao, Ueno, Bae, Кучерик А.О., Kuhnke M., Шешина Е.П. Для лазерной модификации поверхностей с целью получения массива микроострий ранее были предложены: метод формирования самоорганизующихся структур под действием лазерного излучения и метод пересекающихся перпендикулярных линий, основанный на формировании острий лазерной микрогравировкой. Однако первый из них для создания многоострийных эмитирующих структур на основе монолитного стеклоуглерода вообще неприменим. Второй метод, хотя и может быть применен в производстве МАЭК, но имеет пока ограниченное применение, так как не позволяет создавать автоэмиссионные структуры с высокой плотностью упаковки острий с периодом меньше диаметра пятна лазерного излучения. К тому же полный технологический цикл изготовления МАЭК из монолитного стеклоуглерода с применением метода ЛМГ до сих пор не разработан. Недостаточно изучены физические процессы, происходящие при формировании микроострий этим методом, не отработаны технологические режимы получения микроразмерных матричных структур из стеклоуглерода с плотностью упаковки острий 106см-2. Не определена последовательность лазерных операций обработки стеклоуглерода при изготовлении МАЭК с высокими энергетическими характеристиками, сводящая эти операции в единый комплекс технологий. Не разработаны способы оценки прочности стеклоуглерода как хрупкого материала при воздействии серии коротких и ультракоротких импульсов лазерного излучения с высокой плотностью энергии. Отсутствуют математические модели для оценки возникающих при лазерной обработке стеклоуглерода механических напряжений и деформаций. Цель работы: создание новой технологии изготовления МАЭК из монолитного стеклоуглерода СУ-2000 с высокой плотностью упаковки микроострий на катодных выступах и повышенной воспроизводимостью их геометрических параметров на основе разработанного комплекса лазерных технологических операций. Для достижения поставленной цели решались следующие научнотехнические задачи: проведение аналитического обзора современного состояния исследований в области разработок МАЭК из углеродных материалов; разработка методики численно-аналитического моделирования напряженно-деформированного состояния хрупких материалов при воздействии серии коротких и ультракоротких импульсов лазерного излучения с высокой плотностью энергии 4 численное моделирование напряженно-деформированного состояния заготовок МАЭК из стеклоуглерода при воздействии коротких и ультракоротких импульсов лазерного излучения с высокой плотностью энергии; разработка технологических режимов получения микроразмерных матричных структур из стеклоуглерода с плотностью упаковки острий 106см-2; определение последовательности лазерных операций обработки стеклоуглерода при изготовлении МАЭК с целью объединения этих операции в единый комплекс технологий; получение рекомендаций по выбору параметров лазерного излучения, необходимых для создания МАЭК из стеклоуглерода; внедрение результатов работы в опытное производство МАЭК. Методы и средства исследований. При выполнении работы использованы научные основы вакуумной электроники и электроники СВЧ, квантовой электроники, оптики, механики деформируемого твердого тела и основные положения теории теплопередачи. Экспериментальные исследования проводились на базе стандартных лазерных технологических установок «Квант-15», «4р222ф2», «ЛТИ-502», «ЛТИ-701», «ДМарк-06 RL», «KLS 246-102», металлографических микроскопов NU(Carl Zeiss), Биолам-М и ММР-2Р, установки лазерного эмиссионного микроанализа на базе спектроаналитического комплекса. Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью постановки задач, выбора соответствующих физических моделей, сопоставлением расчетных данных с данными экспериментальных исследований и использованием сертифицированной стандартной аппаратуры. Обработка результатов выполнена на компьютере класса Athlon 64×2 5600+ с использованием программного пакета инженерных расчетов Mathcad 14 Enterprise Edition. На защиту выносятся: 1. Математическая модель для оценки механических напряжений и деформаций, возникающих в заготовке из монолитного стеклоуглерода при воздействии на нее в процессе изготовления МАЭК коротких и ультракоротких лазерных импульсов с высокой плотностью энергии. Модель позволяет, не прибегая к натурным экспериментам, оперативно определить и исключить режимы лазерного излучения, вызывающие деградацию катодной поверхности: образование трещин и скалывание острий. 2. Предложенный «метод глухих отверстий» обеспечивает при лазерном формировании многоострийной микроструктуры на поверхности МАЭК из стеклоуглерода повышение плотности упаковки острий в 1,5-2 раза, хорошую воспроизводимость геометрической формы и топологической равномерности получаемых структур, по сравнению с 5 методом «пересекающихся перпендикулярных линий», что позволяет поставить в одинаковые автоэмиссионные условия большинство микроострий по всей катодной матрице и повысить плотность автоэмиссионного тока до 5-10 А/см2. 3. Единый комплекс лазерных технологических операций, включающий операции: микроструктурирования, фрезерования, резки и лазерной очистки, обеспечивает по сравнению с известной технологией изготовления МАЭК из монолитного стеклоуглерода (фотолитография, термохимическое травление, электроэрозионная обработка) снижение операционного времени изготовления катодной матрицы в 10-12 раз. Научная новизна работы: исследованы закономерности напряженно-деформированного состояния заготовок МАЭК из стеклоуглерода при воздействии на них сфокусированного короткоимпульсного лазерного излучения высокой интенсивности; разработана математическая модель, позволяющая исследовать напряженно-деформированное состояние заготовок МАЭК из стеклоуглерода при воздействии коротких и ультракоротких импульсов лазерного излучения с высокой плотностью энергии; предложен новый способ лазерного микроструктурирования монолитного стеклоуглерода, обеспечивший создание микроразмерных автоэмиссионных матричных структур из пирамидальных острий с периодом 10 мкм и повышенной, по сравнению с известным методом «пересекающихся перпендикулярных линий», не менее чем в 1.5-2 раза, плотностью упаковки острий и хорошей воспроизводимостью геометрической формы эмитирующих микроструктур в сочетании с повышенной производительностью и плотностью упаковки острий N=5×105 - 106 см-2; разработан способ получения МАЭК из монолитных подложек стеклоуглерода СУ-2000, состоящий из комплекса лазерных технологических операций лазерной резки, фрезеровки, микроструктурирования и лазерной очистки обрабатываемой поверхности, позволивший полностью реализовать процесс их изготовления на одной и той же лазерной установке с единой точкой позиционирования заготовки, обеспечивает по сравнению с известной технологией изготовления МАЭК из монолитного стеклоуглерода (фотолитография, термохимическое травление, электроэрозионная обработка) снижение операционного времени изготовления катодной матрицы в 10-12 раз; даны рекомендации по выбору технологических режимов лазерной обработки при изготовлении МАЭК из стеклоуглерода СУ-2000. Практическая значимость. На основании проведенных исследований разработан комплекс лазерных технологических процессов, позволяющий снизить временные затраты и повысить экономическую 6 эффективность изготовления одного образца МАЭК из монолитного стеклоуглерода в 3-5 раз по сравнению с существующими методами. Технология изготовления МАЭК прошла апробацию на ФГУП «НПП «Алмаз». Полученные экспериментальные результаты и методики позволят разработать ЭВП СВЧ с микросекундным временем готовности. Подана заявка №2013101115 от 9.01.13 на патент «Способ изготовления автоэмиссионного катода». Внедрение результатов работы. Разработанный комплекс лазерных технологических процессов внедрен в опытное производство МАЭК из монолитного стеклоуглерода в НПЦ «Электронные системы ОАО «НПП «Алмаз» и НПФ «Прибор-Т» СГТУ имени Гагарина Ю.А. Большая часть исследований проведена при выполнении грантов в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы НК-423П/52 НК-566П/8; 2012-1.2.1-12-0001010-071; Грант Президента РФ МК-8473.2010.8; ФЦП мероприятия 1.4 «Развитие внутрироссийской мобильности научных и научнопедагогических кадров путем выполнения научных исследований молодыми учеными и преподавателями в научно-образовательных центрах» 2009 г., 2011 г., 2012 г. Материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедре «Электронное машиностроение и сварка» СГТУ при подготовке бакалавров и магистров по направлению № 150200. Апробация работы. Материалы работы доложены и обсуждены на VI Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Быстрозакаленные материалы и покрытия» (МАТИ, Москва, 2007, 2008), 7-й Всероссийской молодежной научной школе «Нано-, микро, оптоэлектроники и Волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 2008, 2010) 16th International School on Quantum Electronics “Laser physics and applications” (Болгария, Нессебр, 2010), International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (Казань, 2010), IV Российском семинаре по волоконным лазерам (Ульяновск, 2010), International Conference on Lasers, Applications, and Technologies (Казань, 2010), 13-14th International Conference Laser Optics'2008-2010 (СанктПетербург, 2008, 2010), XV International School for Young Scientists and Students on Optics, Laser Physics & Biophysics (Саратов, 2010, 2011, 2012), XVI Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2010» (Москва, 2010,2011), 20th International Laser Physics Workshop LPHYS’11 (Сараево, Босния и Герцеговина, 2011), 16-20th International Conference on Advanced Laser Technologies (Венгрия, 2008, Турция, 2009, Нидерланды, 2010, Болгария, 2011, Швейцария, 2012) Работа удостоена гран-при на VII, серебряной медали на IV, V, VI и бронзовой медали на III и VII «Саратовском салоне изобретений, инноваций, инвестиций»; диплома II степени на конкурсе Международной 7 научно-технической организации «Лазерная ассоциация» на лучшую отечественную разработку в области лазерной аппаратуры и лазернооптических технологий. Публикации. По теме диссертации опубликованы 16 работ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и 11 статей в научных сборниках. Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, проведении численных расчетов, необходимых для интерпретации полученных экспериментальных и теоретических результатов, разработке экспериментального оборудования, проведении экспериментальных исследований. Обсуждение полученных теоретических и экспериментальных результатов проводилось совместно с соавторами научных статей. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 150 наименования, и акта внедрения. Диссертация изложена на 140 листах машинописного текста, содержит 60 рисунков и 5 таблиц. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, и практическая значимость работы. Изложено краткое содержание диссертации. В первой главе содержится аналитический обзор основных моделей и конструкций существующих МАЭК. Рассмотрены преимущества и недостатки их применения в производстве перспективных электровакуумных СВЧ приборов. Проанализированы используемые для их создания материалы, а также технологические сложности их изготовления. Особое место уделено многоострийным автоэмиссионным микроструктурам на основе монолитного стеклоуглерода. Обладая стабильными автоэмиссионными свойствами при работе в высоковольтном режиме в условиях технического вакуума 10-5 мм. рт. ст., выдерживая интенсивную бомбардировку ионами остаточных газов при высоких пондеромоторных нагрузках, достигающих нескольких десятков кг/см2, многоострийные матричные автоэмиссионные катоды (ММАЭК) из монолитного стеклоуглерода являются перспективными источниками автоэлектронной эмиссии при создании СВЧ ЭВП с микросекундным временем готовности. Также в главе проанализирована технология получения поверхностной микроструктуры МАЭК из стеклоуглерода методом термохимического травления, отмечены её достоинства и недостатки. Проведен сравнительный анализ данной технологии с предлагаемым в работе комплексом лазерных технологий. 8 Описаны физические и химические свойства стеклоуглерода марки СУ-2000. Обоснована необходимость обеспечения воспроизводимости геометрических и эмиссионных параметров при изготовлении катодных эмитирующих микроструктур при разработке технологических процессов изготовления МАЭК. Вторая глава посвящена описанию теоретических основ взаимодействия лазерного излучения с веществом и изучению особенностей лазерной обработки ультракороткими импульсами, а также теоретическому исследованию механических процессов, происходящих в хрупких материалах при воздействии серии ультракоротких импульсов лазерного излучения с высокой плотностью энергии. Для исследования напряженно-деформированного состояния, возникающего в хрупких материалах при воздействии серии ультракоротких импульсов лазерного излучения с высокой плотностью энергии, была сформулирована следующая математическая модель. В качестве меры механического воздействия лазерного излучения на обрабатываемый материал в процессе холодной абляции или абляции выпариванием была принята реактивная сила, возникающая при интенсивном истечении некоторого объема вещества с поверхности обрабатываемого объекта за один импульс: F u, (1) t где: u – скорость истечения обрабатываемого материала; υ – объем вещества, удаляемого за время действия одного импульса лазерного излучения; Δt – длительность истечения материала из зоны воздействия импульса лазерного излучения; ρ – плотность обрабатываемого материала, t – время. При кратковременности лазерного воздействия скорость истечения материала считалась постоянной. Учитывалось, что при наносекундном воздействии основной вынос массы осуществляется за счет вылета твердых частиц размером в несколько микрон со средней скоростью 1000 м/с. При исследовании пикосекундного воздействия лазерного излучения на вещество учитывался механизм так называемого кулоновского взрыва, сопровождающегося образованием поверхностного облака плазмы, истекающего со скоростью примерно 105 м/с с поверхности обрабатываемого материала. Изменением плотности энергии излучения по лазерному пятну в силу малости его диаметра (от 10 до 50 мкм) и большой интенсивности пренебрегалось. И в первом приближении считалось, что порождаемое реактивной силой давление на обрабатываемый материал, обратно пропорциональное площади пятна лазерного излучения, распределено по нему равномерно: h , (2) P u t 9 где h – толщина слоя материала, удаляемого в результате воздействия одного импульса лазерного излучения. При исследовании напряженно-деформированного состояния подложек учитывалось, что стеклоуглерод как хрупкий материал может испытывать пластические деформации только в областях высокотемпературного нагрева. При комнатных температурах он разрушается хрупко, без признаков макропластичности, практически оставаясь упругим во всем интервале нагружения. С учетом этого и того, что в процессе холодной абляции или абляции выпариванием практически не происходит разогрева обрабатываемого материала, он с механической точки зрения рассматривался как идеально упругий во всем диапазоне нагружения вплоть до его разрушения. С геометрической точки зрения обрабатываемый объект был представлен в виде тонкой прямоугольной пластины, свободно опирающейся на упругое основание (рис. 1) и находящейся под q ( x, y , t ) , эквивалентной воздействием распределенной нагрузки оказываемому на неё импульсному давлению: a b P q( x, y, t ) dx dy . (3) 0 0 Центр приложения импульсной нагрузки, распределенной по круговой области радиуса r, равного радиусу пятна лазерного воздействия, определялся произвольными координатами x = α и y = β (рис. 1). Рис. 1. Схема нагружения пластины при лазерном воздействии Влияние упругого основания на напряженно – деформированное состояние пластины учитывалось в соответствии с моделью Винклера путем введения в уравнение движения пластины опорной реакции основания, пропорциональной его жесткости и прогибу срединной плоскости пластины. Исследование напряженного и деформированного состояния подложки проводилось в рамках теории тонких упругих пластин в предположении, что её края свободно оперты и в начальный момент времени все её точки находятся в покое. Для случая, когда прикладываемая к пластине распределенная нагрузка для импульса давления длительности Δt, возникающего в момент 10 времени t=mT0(m=0,1,2,…), где T0 – период следования импульсов, задается соотношением q( x, y, t ) q0 е x y H t mT0 H t mT0 t , (4) выражение для прогиба получено в виде 2 w ( m ) ( x, y , t ) 2 1 q kn H (t mT0 ) H (t mT0 t ) 1 cos kn (t mT0 ) h k 1 n 1 kn2 k n H (t mT0 t ) cos kn (t mT0 t ) cos kn (t mT0 )sin x sin y . (5) a b t mT 0 (m = 0,1,2, …) В формулах (4) и (5): k x k x qkn q( x, y, t ) sin sin dydx ; (6) a n 0 0 a b 2 2 4 k n D k 0 h , h a b 2 kn 2 (7) 3 Eh 12 1 2 – цилиндрическая жесткость пластины; k0 – коэффициент жесткости (коэффициент постели) основания, на котором лежит пластина; E– модуль упругости материала пластины; ν – коэффициент Пуассона; H+(t) – ассиметричная единичная ступенчатая функция Хэвисайда, μ – коэффициент сосредоточенности. Для определения прогиба при воздействии серии импульсов выражение (5) должно быть просуммировано по числу импульсов. На основе получаемого при этом соотношения показано, что при значениях периода следования импульсов лазерного излучения, равных или кратных периоду какой-либо из гармоник собственных колебаний пластины ωkn 2 T0 i (i 0,1,2,...) , (8) D kn в ней возникает явление ударного резонанса, при котором значения прогиба в точках пластины неограниченно возрастают пропорционально числу импульсов лазерного излучения. Для достаточно больших значений числа импульсов в серии M>>1 приближенное выражение для прогиба при резонансе получено в виде M qkn H (t MT0 ) H (t MT0 t )cos kn (t M 1 T0 ) w ( M ) ( x, y , t ) 2 k 1 n 1 kn 2 (9) M 1 k k H (t MT0 t ) cos kn (t T0 t ) sin x sin y . 2 a b ( t MT0 ) Выражения для напряжений, возникающих в пластине, определены путем подстановки найденных значений для её прогиба в известные формулы. В качестве параметра, позволяющего оценить прочность материала пластины, принята интенсивность возникающих в ней 11 напряжений. Оценка прочности производилась путем сравнения её значений с пределами прочности на сжатие и растяжение материала пластины. Полученные результаты позволили прогнозировать расчетным путем диапазоны параметров неразрушающих режимов различных видов лазерной обработки стеклоуглерода. В третьей главе описываются экспериментальные исследования взаимодействия лазерного излучения различной длительности импульсов с веществом, рассматриваются технологические особенности применения различных типов лазерного оборудования для решения технологической задачи по изготовлению МАЭК из стеклоуглерода. На основе результатов анализа существующих методов прецизионной лазерной микрообработки материалов и возможностей их применения к решению поставленной в диссертации задачи разработан новый способ формирования многоострийных микроструктур на поверхности монолитных подложек из стеклоуглерода. На рис. 2 показаны области применения лазерных технологических операций, используемых при изготовлении МАЭК. Рис. 2. Применение лазерных технологических операций при изготовлении МАЭК: 1 – элемент катодной структуры «пенёк»; 2 – структурированная микроострийная эмиттирующая поверхность; 3– основание катода; 4– зона лазерной фрезеровки; 5 – заготовка МАЭК из стеклоуглерода (пунктирно). A – лазерное скрайбирование заготовки МАЭК из пластины стеклоуглерода; B – лазерная фрезеровка «пеньков» (заглубление до 500 мкм); C – лазерное структурирование поверхности катода; D – лазерная очистка поверхности; E – лазерный микроспектральный анализ МАЭК; F – лазерная резка основания катода (заглубление до 2 мм) С целью повышения плотности упаковки острий и улучшения качества микроструктурированных эмитирующих поверхностей катодов автором был разработан метод перекрывающихся глухих отверстий (лунок). Идея и отличие данного метода от метода двухкоординатного сканирования проиллюстрированы на рис. 3. Использование этого метода позволило увеличить плотность упаковки острий в два раза. В процессе его разработки были проведены экспериментальные исследования влияния на качество и равномерность распределения острий по высоте, на их форму и рельеф таких параметров лазерного воздействия как длительность импульсов, их количество на одну лунку, радиус пятна лазерного излучения и уровень его мощности. Выявлено, что наибольшее влияние на исследуемые параметры оказывают длительность импульса, радиус пятна сфокусированного лазерного излучения и пиковая мощность излучения в импульсе. 12 Рис. 3. Схема нанесения эмитирующей структуры на поверхность МАЭК: а) метод перпендикулярного сканирования поверхности лазером, линии, обозначенные 1 (серые) – линии реза, светлые квадраты 2 – острия; б) черные точки 1 – лунки, светлые точки 2 – острия а б На рис. 4 приведена фотография структурированной поверхности стеклоуглерода марки СУ-2000, полученной методом перекрывающихся глухих отверстий (лунок) на лазерной установке со сканатором, длиной волны излучения 1060 нм, скоростью перемещения луча 50 мм/с, средней мощностью излучения 0.7 Вт, частотой следования импульсов 4 кГц и длительностью импульса 50 нс. Полученная структура обладает хорошей равномерностью распределения пиков, как по высоте, так и по площади, имеет пирамидальную форму острий с шириной основания пирамид около 12 мкм. Время формирования данной микроструктуры на поверхности монолитного стеклоуглерода площадью в 1 мм2 равно 8 секундам. Рис. 4. Микроструктура на поверхности стеклоуглерода СУ-2000, полученная методом пересечения отверстий, ширина основания пиков 12 мкм, высота 20 мкм Предложенный метод позволяет в два раза повысить плотность упаковки микроострий на поверхности стеклоуглерода по сравнению с методом «пересекающихся перпендикулярных линий» независимо от типа используемой лазерной установки. Предполагается, что использование пикосекундных лазеров с длиной волны 198 нм позволит получить структуры с периодом до 1 мкм, и точностью изготовления ±100 нм. На основе экспериментальных исследований определены следующие параметры лазерного воздействия, позволяющие достичь наилучших результатов при формировании многоострийных эмитирующих микроструктур на поверхности стеклоуглерода: длина волны излучения 1.064 мкм; длительность импульса 10-50 нс; средняя мощность излучения 0.5-1 Вт; частота следования импульсов 5-12 кГц; скорость перемещения луча 10 мм/с; задержка луча в одной в точке 20-30 мс. 13 Превышение значений указанных выше параметров привело к увеличению размеров и нестабильности по высоте получаемых острий, которые становятся похожими на иглы с куполообразными вершинами высотой до 60 мкм. Применение на первом этапе изготовления катода операции лазерного скрайбирования для разделения пластины стеклоуглерода на квадратные заготовки позволило исключить механическую резку и в отличие от технологии термохимического травления производить эту операцию до процесса получения микроструктуры на поверхности будущего катода, что исключает вероятность механического повреждения структурированной поверхности, появления остаточных напряжений и образования сколов на краях заготовки. По результатам проведенных исследований наиболее подходящими для данной операции оказались лазерные системы с наносекундной длительностью и частотой следования импульсов не 5-30 кГц. Разработка способов формирования катодной структуры («пеньков») на верхней поверхности заготовки и тела будущего катода методом лазерного фрезерования потребовала проведения исследований по выбору требуемых параметров лазерного излучения, а именно определения нужного соотношения скорости перемещения луча и частоты следования импульсов (коэффициента перекрытия) с учетом поглощательной способности материала, качества его поверхности до и после первого прохода излучения, возможности перегрева заготовки, наряду с выбором векторов наиболее приемлемых перемещений. При выборе аппаратных решений предпочтение было отдано использованию оптических фокусирующих систем сканирующего типа (сканаторов), обладающих относительно большим фокусным расстоянием и соответственно глубиной фокуса. Это позволило производить фрезеровку стеклоуглерода на глубину до 2 мм без дополнительного перемещения заготовки по вертикали. Для обеспечения требуемых точности и качества лазерного фрезерования поверхностей наиболее подходящими оказались следующие экспериментально установленные параметры выходного излучения лазера: средняя мощность излучения 8-10 Вт, скорость перемещения луча 40-120 мм/с и частота следования импульсов 5-7 кГц. Применение метода лазерной очистки обработанных и подлежащих обработке поверхностей катода на данном и последующем этапах его изготовления потребовало точного подбора мощности излучения, необходимой для выполнения этой операции. Мощность излучения при лазерной очистке должна быть достаточной для эффективного удаления осажденных в процессе фрезеровки частиц стеклоуглерода на будущую эмитирующую поверхность катода и в то же время не повреждающей её. Поскольку наличие загрязнений, повреждений и царапин на этой поверхности перед началом операции микроструктурирования может служить причиной появления дефектов в получаемой структуре. 14 На рис. 5 показана поверхность катода перед операцией лазерной очистки с осажденными на неё в процессе фрезеровки частицами стеклоуглерода (рис. 5 а), и три зоны очищаемой поверхности (рис. 5 б). а б Рис. 5: а) поверхность катода с осажденными частицами углерода после фрезеровки, диаметр 250 мкм, б) три зоны очищаемой поверхности: 1 – очищенная, 2 – переходная, 3 – загрязнённая осажденными частицами стеклоуглерода Результаты сравнительного анализа преимуществ использования разработанного способа изготовления МАЭК с наиболее распространенной технологией термохимического травления приведены в табл. 1. Таблица 1 Сравнение технологий получения МАЭК Комплекс лазерных технологий Скрайбирование с последующим простым разлом монолитного стеклоуглерода на заготовки Технология термохимического травления Механическая резка Лазерная фрезеровка тела и «пеньков» катода Электроэрозионная обработка Лазерное микроструктурирование эмитирующей поверхности Фотолитография и термохимическое травление Лазерная очистка после каждой из перечисленных операций Химическая очистка Все операции можно производить на одной установке Для каждой операции своя специализированная установка Преимущества лазерных технологий Производится до получения микроструктур на эмитирующих поверхностях. Отсутствуют остаточные напряжения и сколы Производится на воздухе, обладает высокой производительностью. Высокая производительность 0,1мм2/с, производится на одной установке, не вносит примеси в приповерхностный слой, высокая воспроизводимость геометрической формы Высокая производительность 0,2 см2/с, не требует утилизации химикатов, химически нейтральна Изготовление в одном техпроцессе с единой точкой привязки позволяет повысить точность позиционирования На рис. 6 представлены фотографии вариантов МАЭК из монолитного стеклоуглерода СУ-2000, изготовленного описанным выше способом. 15 а б Рис. 6.: а) слева головка спички, справа шестипеньковый МАЭК из стеклоуглерода СУ-2000, диаметр основания 2.2 мм, высота 2 мм, высота выступов 0.5 мм, диаметр 250 мкм; б) девятнадцатипеньковый МАЭК из стеклоуглерода СУ-2000, диаметр основания 3.2 мм, высота 2 мм, высота выступов 1 мм, диаметр выступов 250 мкм Исследование эмиссионных характеристик опытных образцов МАЭК из монолитного стеклоуглерода СУ-2000 с площадью катодной матрицы Sк=0.8·10-2см2 и плотностью упаковки микроострийной эмитирующей структуры порядка 1×105 см-2 (высота острий 20 мкм) проводилось на макете диода с подвижным относительно катода, плоским анодом из стеклоуглерода. В процессе экспериментов в режиме непрерывной откачки давление в рабочей камере составляло 2×10-7 тор, измерения проводились в импульсном режиме при длительности импульса τ=5÷10 мкс и скважности 1000÷10000. На рис. 8а представлены графики ВАХ исследуемого образца, кривая 1 – величина зазора катод-анод dк-а=2 мкм, Imax=20 мА при Uк-а =460 В, средняя по матрице плотность тока J=2,5А/см2, при макроскопической напряженности электрического поля в диоде Е=230 В/мкм, крутизна ВАХ S=300 мкСм, кривая 2 – величина зазора катод-анод dк-а=5 мкм , Imax=8 мА при Uк-а =500 В, средняя по матрице плотность тока J=1А/см2 при макроскопической напряженности электрического поля в диоде Е=120 В/мкм, крутизна ВАХ S=125 мкСм. а б Рис. 8. а) ВАХ МАЭК в импульсном режиме, б) ВАХ в координатах ФаулераНордгейма: 1– величина зазора катод-анод dк-а= 2 мкм, 2 – величина зазора dк-а=5 мкм 16 На рис. 8б показаны ВАХ МАЭК для двух зазоров 1 – dк-а=2 мкм и 2 – dк-а=5 мкм в координатах Фаулера-Нордгейма. Прямолинейность полученных зависимостей свидетельствует об устойчивой работе МАЭК, изготовленных из монолитного стеклоуглерода с применением разработанного комплекса лазерных технологических операций, в режиме автоэмиссии. При плотности упаковки N=106 см-2 в режиме коротких импульсов τ=5 мкс и скважности 10000 наибольшее значение плотности тока составило 10А /см2. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований на основе разработанного комплекса лазерных технологических операций решена актуальная научно-техническая задача по созданию многоострийных МАЭК из монолитного стеклоуглерода с высокой плотностью тока, обеспечивающих возможность практической реализации эффективных приборов вакуумной сверхвысокочастотной электроники с микросекундным временем готовности. 1. Определены особенности механизма локального разрушения стеклоуглерода импульсным лазерным излучением с различной частотой и длительностью импульса. 2. Предложена математическая модель для исследования напряженнодеформированного состояния заготовок из стеклоуглерода при воздействии импульсов сфокусированного лазерного излучения короткой и ультракороткой длительности импульса и высокой интенсивности. Полученные результаты расчетов положены в основу выбора режимов лазерной обработки формирования микроструктурированных поверхностей МАЭК из заготовок стеклоуглерода импульсным лазерным излучением, при которых сохраняется их целостность за пределами зоны обработки. 3. Разработан метод получения микроструктурированных эмиттерных поверхностей для МАЭК из монолитного стеклоуглерода методом перекрывающихся глухих отверстий (лунок), который позволяет получить на имеющемся лазерном оборудовании структуру с плотностью упаковки в 2 раза большей по сравнению с известным методом двухкоординатного сканирования. Структурированная поверхность состоит из массива острий в виде четырехгранных пирамид высотой 15-20 мкм и шириной основания 1015 мкм. Максимальная плотность упаковки острийной эмитирующей структуры составила порядка 106 см-2. 4. Опробованы и выбраны обоснованные технологические режимы лазерных операций фрезеровки, прошивки отверстий, резки, структурирования поверхности, скрайбирования и очистки стеклоуглерода импульсным лазерным излучением для различных плотностей мощности, 17 частоты следования и длительностей импульсов для различных лазерных систем. Даны рекомендации по выбору технологических режимов лазерной обработки при изготовлении МАЭК из стеклоуглерода СУ-2000. 5. Разработан комплекс лазерных операций изготовления многоострийных автоэмиссионных микроструктурированных матричных катодов из монолитных подложек стеклоуглерода СУ-2000 с применением методов лазерной резки, фрезеровки, гравировки, микроструктурирования и лазерной очистки обрабатываемой поверхности (заявка №2013101115 приоритет от 9.01.13 на патент «Способ изготовления автоэмиссионного катода»). Разработанный комплекс лазерных технологических процессов внедрен в опытное производство МАЭК из монолитного стеклоуглерода в НПЦ «Электронные системы ОАО «НПП «Алмаз» и НПФ «Прибор-Т» СГТУ имени Гагарина Ю.А. 6. Опробованы и выбраны обоснованные технологические режимы лазерных операций фрезеровки, прошивки отверстий, резки, структурирования поверхности, скрайбирования и очистки стеклоуглерода импульсным лазерным излучением для различных плотностей мощности, частоты следования и длительностей импульсов для различных лазерных систем. Даны рекомендации по выбору технологических режимов лазерной обработки при изготовлении МАЭК из стеклоуглерода СУ-2000. 7. Получены опытные образцы МАЭК из монолитного стеклоуглерода марки СУ-2000 с применением комплекса лазерных технологических процессов. 8. Экспериментально исследованы эмиссионные характеристики опытных образцов МАЭК из монолитного стеклоуглерода СУ-2000 с площадью катодной матрицы Sк=0.8·10-2см2 и плотностью упаковки микроострийной эмитирующей структуры порядка 1×105 см-2 9. Показано что МАЭК, полученные с помощью разработанных технологий обеспечивают стабильную работу в режиме автоэмиссии со средней по матрице плотностью тока до 1 А/см2 в импульсном режиме. Максимально достигнутое значение плотности тока составило 10А /см2 в режиме коротких импульсов τ=5 мкс и скважности 10000, при плотности упаковки N=106 см-2. Содержание диссертации изложено в следующих работах: В изданиях, рекомендуемых ВАК РФ 1. Попов И.А. Катодно-сеточные узлы / А.С. Белов, Г.В. Сахаджи, Ж.Н. Бабанов, Попов И.А.// Вестник Саратовского государственного технического университета. – 2010. – №49. – С. 161-165. 2. Попов И.А. Лазерные технологии и современное оборудование при изготовлении автоэмиссионных катодов из монолитного стеклоуглерода / 18 Е.Л. Сурменко, И.А. Попов, Т.Н. Соколова, Ю.В. Чеботаревский // Вакуумная техника и технология. – 2011. – Т. 21. – № 2. – С. 95-98. 3. Попов И.А. Лазерная очистка микроструктурированной поверхности микроострийных автоэмиссионных катодов / Е.Л. Сурменко, И.А. Попов, Т.Н. Соколова, Ю.В. Чеботаревский // Вестник Саратовского государственного технического университета. – 2010. – № 4. – Вып. 1. – С. 170-175. 4. Popov I.A. Complex of laser processing techniques for production of fine-meshed grids of refractory materials / I.A. Popov, E.L. Surmenko, T.N. Sokolova, Yu.V. Chebotarevsky // Applied Physics B. – 2011. – DOI: 10.1007/s00340-011-4537-9. 5. Попов И.А. Лазерная обработка поверхности металло-пористых катодов в целях улучшения эмиссионных характеристик электронных компонентов / Ю.В. Чеботаревский, А.В. Конюшин, Е.Л. Сурменко, Т.Н. Соколова, И.А. Попов // Известия Волгоградского государственного технического университета. – 2012. – Т. 6. – № 6. – С. 113-115. В других изданиях 6. Попов И.А. Комплекс лазерных технологических процессов для создания микроострийной эмитирующей поверхности автоэмиссионных катодов из монолитного стеклоуглерода / И. А. Попов, А. В. Конюшин, Т. Н. Соколова, Е. Л. Сурменко // Быстрозакаленные материалы и покрытия : матер. VI Всероссийской с международным участием науч.техн. конф. / МАТИ. – М., 2007. – С. 261-266. 7. Попов И.А. Лазерная модификация поверхности материалов, используемых в производстве электронных приборов / И. А. Попов, А. В. Конюшин, Т. Н. Соколова, Е. Л. Сурменко // Быстрозакаленные материалы и покрытия : матер. VII Всероссийской с международным участием науч.-техн. конф. / МАТИ. – М., 2008. – С. 198-199. 8. Popov I.A. Application of fiber lasers for laser trimming in electronics / E. L. Surmenko, I. A. Popov, A. S. Kurkov, E. M. Sholokhov, T.N. Sokolova // Tech. Dig. of Conf. LO’2008. – St.Petersburg, Russia, 2008. –– С.79. 9. Попов И.А. Исследование возможности технологического применения фемтосекундных лазеров для обработки диэлектриков / И.А. Попов, А.В. Конюшин, Е.Л. Сурменко, Т.Н. Соколова // Труды НИЦ фотоники и оптоинформатики: сб. статей. / ИТМО. – СПб., 2009. – С. 204-214. 10. Popov I.A. Laser treatment of monolithic glass-carbon / E. L. Surmenko, T.N. Sokolova, I. A. Popov, A.V. Konyushin // SPb.: National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics Press. – International Conference “Fundamentals of Laser Assisted Micro- & Nanotechnologies”: Book of Abstracts. – 2010. – P.103. 19 11. Popov I.A. Manufacture of microstructured glass-carbon surface using laser technologies / E. L. Surmenko, T.N. Sokolova, I. A. Popov // Institute of Electronics Bulgarian Academy of Sciences Press, 16th International School on Quantum Electronics “Laser physics and applications”: Book of Abstracts. – 2010. – P.45. 12. Popov I.A. Complex of Laser Technologies for Manufacture of Microstructured Glass-Carbon Surface / T. N. Sokolova, I. A. Popov, E. L. Surmenko, A.V. Konyushin // International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO 2010) International Conference on Lasers, Applications, and Technologies (LAT 2010). Book of summaries. – 2010. – YSTuE31 13. Попов И.А. Очистка наноструктурированной поверхности микроострийных автоэмиссионных катодов / И.А. Попов, Т.Н. Соколова, Е.Л. Сурменко, А.В. Конюшин // Материалы IV Российского семинара по волоконным лазерам / под. ред. проф. А.С. Куркова. – Ульяновск: УлГУ, 2010. – С.54-55. 14. Popov I.A. Laser nanostructuring of glass-graphyte surface / T. N. Sokolova, I. A. Popov, E. L. Surmenko, A.V. Konyushin // 14th International Conference Laser Optics'2010. Book of summaries. – 2010. – С. 630. 15. Popov I.A. Laser Structuring of the Emitting Surface of Metal Porous Cathodes / T. N. Sokolova, E. L. Surmenko, A.V. Konyushin, I.A. Popov, Yu.V. Chebotarevsky, G.V. Sahaji // 20th Intl. Laser Physics Workshop LPHYS’11. Seminar 5. 05_P_05.pdf 16. Popov I.A. Laser structuring of glass-carbon for improvement of its emitting properties / T.N. Sokolova, E.L. Surmenko, I.A. Popov, Yu.V. Chebotarevsky // International Conference Advanced Laser Technologies ALT’12: Book of Abstracts. – 2012. – P. 315. Подписано в печать 27.05.13 Формат 6084 1/16 Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ 87 Бесплатно Саратовский государственный технический университет 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел. 24-95-70, 99-87-39. е-mail: izdat@sstu.ru 20
