Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Структурная однородность МКП 8
1.1 Конструкция и принцип действия МКП 8
1.2 Базовый технологический метод изготовления МКП 10
1.3 Анализ требований к качеству МКП 13
1.4 Структура и структурная однородность МКП 23
Глава 2. Факторы структурной однородности МКП 27
2.1 Классификация дефектов структуры 27
2.2 Определение факторов структурной однородности 33
Глава 3. Исследование факторов структурной однородности МКП 38
3.1 Параметры и характеристики рабочих стекол 38
3.2 Фактор технологии изготовления МЖС 53
3.3 Модель усиления деформированного канала 58
3.4 Фактор технологии сборки 71
3.5 Факторы технологии спекания 82
Глава 4. Оптимизация факторов и пути повышения структурной однородности МКП 95
4.1 Оптимизация технологии вытяжки МЖС 95
4.2 Пути совершенствования структурной однородности МКП 103
Заключение 112
Литература
- Базовый технологический метод изготовления МКП
- Определение факторов структурной однородности
- Модель усиления деформированного канала
- Пути совершенствования структурной однородности МКП
Введение к работе
Актуальность темы. Микроканальные пластины (МКП) - компактные стеклянные вакуумные многоканальные вторично-электронные преобразователи и усилители организованных в пространстве потоков заряженных частиц и излучений. МКП находят все возрастающее применение в науке, технике, производстве, управлении, медицине, экологии, информационных технологиях. Основное применение МКП связанно с электронно-оптическими преобразователями (ЭОП) для приборов ночного видения (ПНВ), где МКП выполняет функцию усиления электронных изображений.
МКП являются особо сложными изделиями электронной техники, технология их производства - сложный, прецизионный процесс. Во всем мире только отдельные высокоразвитые в области высоких технологий государства производят МКП, качество которых удовлетворяет требованиям современной техники ночного видения.
С каждым годом выдвигаются новые, более жесткие требования к качеству ЭОП и, как следствие, к основной его части - МКП. Прежде всего это касается качества электронного изображения, разрешающей способности, фактора шума, газовыделения пластины, устойчивости и стабильности ее характеристик в процессе изготовления, хранения и эксплуатации прибора применения. Изготовление современных качественных МКП, отвечающих новым требованиям, ставит ряд серьезных технологических задач. Главной из которых является обеспечение структурной однородности МКП.
Изучение закономерностей формирования структуры в технологическом методе изготовления МКП, структурного фактора качества МКП, обоснование путей и методов совершенствования структурной однородности является актуальной задачей и необходимым условием развития изделий класса МКП в целях прогресса современной техники ночного видения.
Объект исследования. Современные микроканальные пластины для техники ночного видения.
Предмет исследования. Структура МКП, технология ее формирования и влияние на выходные характеристики МКП.
Цель диссертации. Обоснование путей и методов повышения структурной однородности МКП, оптимизация структурного фактора качества МКП.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
установление особенностей и закономерностей формирования структуры в технологическом процессе изготовления МКП;
диагностика и классификация структурных дефектов МКП;
рассмотрение факторов и механизмов образования структурных дефектов МКП;
определение влияния основных технологических факторов на структурную однородность МКП;
разработка методов улучшения структурной однородности МКП.
Методы исследования: физический, промышленный, пассивный и активный эксперимент, физико-техническая локальная и интегральная диагностика, статистический анализ, разработка и анализ физико-математических и экспериментально-статистических моделей.
Научная новизна:
-
Сформулированы и обоснованы представления о структурной однородности системы каналов МКП, учитывающие геометрический, физико-химический и функциональный аспекты. Этот подход применим не только к МКП, но и другим жестким многоканальным системам (волоконно-оптическим и метало-волоконным пластинам), имеющим схожую технологию формирования структуры.
-
Разработана математическая модель для оценки усиления деформированного канала в рамках шаговой теории усиления.
-
Установлены закономерности возникновения закручивания многожильных световодов (МЖС) в процессе вытяжки. Предложены, опробованы и внедрены способы устранения данного явления.
-
Разработаны и защищены патентами Российской Федерации способ изготовления микроканальной пластины и устройство для его осуществления.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
-
Работа проводилась в связи с необходимостью разработки и промышленного освоения высокоразрешающих мелкоструктурных МКП с повышенным уровнем параметров для техники ночного видения новых поколений и в соответствии с Соглашением №02.120.11.1998 об условиях предоставления и использования гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущих научных школ Российской Федерации НШ-1998.2006.8 от 15.06.2006 г.
-
Результаты работы непосредственно использованы при проведении НИОКР и освоения производства новейших МКП Владикавказского технологического центра «Баспик» МКПО 18-8, МКПО 25-8, МКПО 18-6, МКПО 18-5, которые идут на комплектацию микроканальных ЭОП ряда организаций Российской Федерации (ОАО «Катод», ОАО «Экран-ОС» г. Новосибирск, ОАО «НПО Геофизика-НВ», ООО «МЭЛЗ-ЭВП» г. Москва).
Основные положения, диссертационного исследования
-
Представления о структурной однородности системы каналов МКП, включающие три взаимосвязанных аспекта: физико-химический, геометрический и конструктивный, рассматриваемые в отношении и взаимосвязи с функциональными и эксплуатационными характеристиками МКП.
-
Структурная однородность МКП детерминирована принятым базовым технологическим методом изготовления, характеристиками применяемых рабочих стекол, операциями изготовления одножильных и многожильных световодов, сборкой и спеканием микроканального блока.
-
Выводы из математической модели усиления деформированного канала.
-
Форма боковых поверхностей многожильных световодов оказывает существенное влияние на геометрический аспект структурной однородности.
-
Высокая вязкость рабочего стекла жилы является необходимым, но недостаточным условием для исключения деформации каналов по границам и в углах спекания МЖС. Достаточным условием является отсутствие сдвигов структуры - гексагональная упаковка каналов по границам сочленяемых МЖС.
6. Пути совершенствования структурной однородности связаны с реализацией принципов самоорганизации, что достигается сглаживанием микрорельефа граней МЖС, устранением закручивания МЖС и радиальным спеканием блока.
Обоснованность и достоверность
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных средств и методик проведения исследований. В работе использован большой объем экспериментальных данных, на основании статистической обработки которых получены новые знания о процессе формирования структуры МКП. Обоснованность полученных данных подтверждается практической апробацией результатов диссертационной работы, которые защищены патентами Российской Федерации, обсуждены на научно-технических конференциях и опубликованы в научных журналах.
Личное участие автора в получении научных результатов изложенных в диссертации
Личное участие в получении результатов, изложенных в диссертации, заключается в следующем:
систематизация и классификация структурных дефектов;
вклад в разработку методики регистрации микропористости;
- разработка методики контроля, определения факторов, предложение
методов и их реализация по устранению закручивания МЖС;
- построение модели усиления деформированного канала;
получение экспериментально-статистических моделей влияния режимов спекания на параметры МКП;
вклад в разработку способа изготовления микроканальной пластины и устройства для его осуществления, защищенного патентом Российской федерации №2177187;
вклад в разработку устройства для изготовления микроканальной пластины, защищенное патентом Российской Федерации №2173905. Апробация работы
Основные положения и результаты работы были представлены и обсуждены на научно-технической конференции "Вакуумная электроника на Северном Кавказе" (Нальчик, 2001 г.), IV международной конференции "Химия твердого тела и современные миро- и нанотехнологии." (Кисловодск, 2004 г.), международной научно-технической конференции " Микро- и нанотехнологии и фотоэлектроника " (Нальчик, 2008 г.), международной научно-технической конференции " Микро- и нанотехнологии в электронике "(Нальчик, 2009 г.).
Публикации. По теме диссертации имеется 13 публикаций, в том числе 2 публикации в рецензируемых изданиях рекомендованных ВАК и 2 патента на изобретение.
Структура и объем диссертации
Работа состоит из введения, четырех глав основной части, заключения, библиографии насчитывающей 104 источника. Общий объем диссертации 123 страницы, в том числе 46 рисунков и 27 таблиц.
Базовый технологический метод изготовления МКП
Электроны, составляющие выходное изображение j\(x,y), разгоняются полем, приложенным к промежутку МКП - экран, бомбардируют его и вызывают свечение последнего. Оно по плоскости пропорционально падающему на него току, следовательно, на экране возникает пространственно распределенная освещенность - усиленное и преобразованное изображение, которое через выходное окно (или ВОП) визуализируется наблюдателем.
Принцип действия МКП основан на эффекте канального умножения за счет вторично-электронной эмиссии [1 - 12]. Электрон, влетающий в канал на входе, сталкивается с поверхностью резистивно-эмиссионного слоя (РЭС) и
При ЭТОМ ВыбиваеТСЯ Некоторое КОЛИЧеСТВО ВТОРИЧНЫХ ЭЛеКТрОНОВ, В Среднем 7; (GJ- коэффициент ВЭЭ при первом соударении). Под действием электрического поля канала, напряженность которого Е = U/1 (где / - длина канала), вторичный электрон набирает энергию. Он ускоряется под действием осевой силы F = еЕ смещается вдоль канала к выходу, а под действием поперечной составляющей начальной скорости смещается также и поперечно. В результате траектория вторичного электрона представляет собой параболу, вид которой определяется начальной энергией Uo, углом вылета в и напряженностью поля в канале. Двигаясь по этой траектории, электрон сталкивается со стенкой и выбивает новые вторичные электроны. Далее процесс неоднократно повторяется и в результате на выходе канала оказывается электронная лавина. Число выходящих электронов (от одного попадающего в канал) является коэффициентом усиления канала М»1.
В настоящее время известны несколько методов изготовления канальной структуры МКП, однако наиболее распространенным и повсеместно используемым, является метод удаляемой стеклянной жилы (УСЖ) [1,3,9,12,14,22 -24].
Схематически технологический процесс изготовления МКП методом УСЖ показан на рисунке 3. Исходными материалами являются: основное ра 11
бочее стекло МКВ - свинцово-силикатное стекло (С87-2), вспомогательное стекло жилы - растворимое в кислоте, боратно-бариевое (С78-5), стекло монолитного обрамления - свинцово-силикатное (С78-4). Исходными комплектующими являются: механически изготовленная трубка из основного стекла матрицы (ТИМО) и механически изготовленный штабик из вспомогательного стекла жилы (ШИМО).
Комплект, образованный из штабика, помещенного в трубку, перетягивается на установке вытяжки световодов в одножильный световод (ОЖС) диаметром 0,5 - 0,6мм. Параллельно из штабика вытягивают стержни таким же размером, что и ОЖС, но только из растворимого стекла. ОЖС укладываются в шестигранный пакет - пучок ОЖС размером 40 - 45мм по двойной апофеме. По периферии пучка несколько крайних рядов укладывается из стержней растворимого стекла.
Пучок ОЖС перетягивается на установке вытяжки в многожильные световоды (МЖС) размером 0,5 - 0,8мм. Крайние ряды стержней растворимого стекла, спаиваясь друг с другом, образуют вокруг МЖС слой защитного растворимого стекла (ЗС), который предохраняет поверхность МЖС от повреждений и загрязнений при вытяжке и дальнейших манипуляциях.
После резки и калибровки по размерам с МЖС стравливается ЗС. Из травленных МЖС собирают микроканальный блок (МКБ), в виде неправильного симметричного двенадцатигранника с рифленой боковой поверхностью. Его фиксируют с помощью обвязки никелевой проволокой и помещают в колбу из стекла монолитного обрамления. Полученную конструкцию помещают в установку спекания и соответственно обрабатывают при температурах порядка 600С с приложением внешнего давления и откачкой газов из колбы. Спеченный блок разрезают на пластины, которые проходят механическую обработку -кругление, фацетирование, шлифовку, полировку. Полученные не вытравленные заготовки (НВЗ) обрабатываются технохимическим способом, в процессе которого производится вытравливание жилы из вспомогательного стекла и специальная обработка стенок каналов. Заготовки с вытравленными каналами (ВЗ) подвергают нагреву в среде водорода, в ходе которого происходит восстановление окислов свинца, входящего в состав основного стекла МКВ.
Базовый технологический процесс изготовления МКП Таким образом на поверхности каналов происходит образование тонкого резистивно-эмиссионного слоя (РЭС), а сами они приобретают необходимую электропроводность - очувствляются. Заготовки пластин на этом этапе называются очуствленные вытравленные заготовки (ОВЗ). На обе стороны ОВЗ, термическим испарением в вакууме наносится металлическая пленка, которая выполняет функцию контактных электродов. Металлизированные заготовки (МЗ) поступают на выходной контроль и далее - потребителю. 1.3 Анализ требований к качеству МКП
Качество МКП определяется степенью соответствия её характеристик требованиям применения. Исходя из условий использования в ЭОП, их можно разделить на три группы: а) функциональные; б) конструктивные; в) эксплуатационные.
Функциональные требования связаны с выполнением основной функции МКП в ЭОП - усилением электронных изображений. С точки зрения прибора применения (ЭОП), качество МКП оценивается по степени соответствия выходного изображения j\ (х, у) входному jQ (х, у), с учетом коэффициента усиления исходного изображения - М.
Абсолютно точного соответствия между входным и выходным изображениями, строго говоря, достичь невозможно, вследствие того, что при преобразовании происходит: а) потеря некоторой части исходного изображения; б) искажение исходного изображения [2, 25 - 28].
Потеря части исходного изображения связана с тем, что МКП дискретно преобразующая периодическая структура, обладающая определенной прозрачностью. Электроны, попадающие на торцы каналов, не умножаются, следовательно, эта часть исходного изображения теряется. Другая часть электронов, попадающая в канал, умножается, но в силу особенностей канального умножения характер распределения плотности тока на входе одного канала, теряется и на выходе канала, мы имеем равномерную плотность тока пропорциональную средней входной [29 - 32].
Определение факторов структурной однородности
Понятие структурного дефекта основано на понятии структурной однородности МКП, которая определяется в трех основных аспектах - геометрическом, физико-химическом и конструктивном. Следовательно, данные аспекты целесообразно рассматривать как первый уровень деления при классификации дефектов структуры МКП. Целесообразность такого подхода выражается еще и в том, что для наблюдения и изучения различных аспектов структурной однородности необходимо применение различных методов.
Дефекты геометрической структуры МКП
Для проведения наблюдения дефектов геометрической структуры использовались оптические методы. В качестве инструментов использовался микроскоп МБС - 10 с увеличением до 56х и микроскоп "Leica" с увеличени-ем до 1000 , а для измерения размеров дефектов применялась микрометрическая насадка к микроскопу - МОВ-16. Наблюдения проводились в проходящем и отраженном свете. Объектами являлись невытравленные заготовки (НВЗ) и металлизированные заготовки (МЗ).
Проводилось наблюдение дефектов по границам спекания МЖС, выявлялись их общие признаки, затем осуществлялась классификация. Для этого была разработана специальная методика. Работа проводились в два этапа. Первый этап - обнаружение дефекта и выделение зоны его расположения у проводился на микроскопе МБС-10 при увеличении 32 . После обнаружения дефекта с помощью шариковой ручки выделялась зона вокруг его. Выделение зоны необходимо для проведения второго этапа для уверенного обнаружения наблюдаемого дефекта при большом увеличении, как с лицевого, так и с обратного торца пластины.
Второй этап - наблюдение и фотографирование - проводился на микроскопе "Leica". Наблюдаемый дефект контролировался и фотографировался при увеличениях 100х, 200х, 500х, 1000х в проходящем свете. Фотографирование проводилось цифровым фотоаппаратом Nikon Coolpix 995, специально доработанным для фотографирования с помощью микроскопа. Контроль проводился поочередно с двух торцов пластины. Помимо этого использовались дополнительные возможности микроскопа "Leica" - контроль в «темном поле». Наблюдения в этом режиме проводились при увеличениях 200х или 500х, о чем подробно будет рассказано ниже.
В результате проведенных наблюдений получены по шесть фотографий каждого наблюдаемого дефекта при увеличениях 100х, 200х, 1000х и в режиме «темного поля» при увеличении 200х для одного торца пластины, а также две фотографии при увеличениях 100 и 500 для наблюдения дефекта с другого торца пластины. Всего было получено более 800 фотографий.
В связи с большим объемом полученного материала, возникла необходимость в новых подходах и разработке новой методики отбора и систематизации полученной информации. С помощью программы MS Access была создана база данных и разработана специальная форма для отображения фотографий дефектов. При анализе информации добавлялись дополнительные поля по признакам классификации.
Классификация дефектов проводилась последовательным делением по определенным при обработке фотографий признакам. Все дефекты геометрической структуры сначала разделены на два вида: сдвиг и деформация каналов (1) и включения в структуре (2), а затем классифицировались по топологическим признакам. После проведения дискриминационного анализа по каждому из последних, были выделены наиболее общие группы дефектов.
При проведении работы был обнаружен и описан новый вид дефекта -микропористость стенок каналов (далее - микропористость) [55]. Существование данного вида дефекта, предсказывалось давно [19,25,39]. Действительно, стенка между каналами МКП образована из двух половинок основного свинцово-силикатного стекла, спеченных вместе. Стенки внутренних каналов МКС образуются во время операции вытяжки пучка, при спекании двух ОЖС. Стенки же пограничных каналов МКС образуются во время спекания МКБ. Таким образом, можно говорить о двух разных механизмах создания элементов структуры [56].
Очевидно, что при спекании стекол условия могут быть далеки от идеальных, и в спае двух стекол могут возникать различного рода дефекты. Наиболее известным при спекании двух стекол, является пузырение спая [24, 57 -60].
Впервые микропористость удалось обнаружить при контроле границ спекания МКС обычными оптическими методами, при большом увеличении. При контроле стенок каналов внутри МКС не удалось обнаружить какие-либо следы микропористости.
Наблюдая субмикронные дефекты в стенках пограничных каналов, можно предположить, что это только верхняя часть айсберга, и должны существовать ультрамикронные дефекты. Следовательно, для их обнаружения и регистрации обычные оптические методы не подходят.
В качестве методики для обнаружения данных дефектов можно использовать идею ультрамикроскопа, и контролировать НВЗ при косой боковой засветке в темном поле. Данный режим является стандартным для микроскопа "Leica", однако у него слишком большое увеличение для того, чтобы охватить взглядом всю площадь пластины, поэтому удалось воспроизвести данный режим на микроскопе МБС - 10 при увеличении 32 . Физико-химические дефекты
Для проведения измерения и наблюдения физико-химических дефектов, в силу величин измеряемых объектов и требований точности измерений, соответствующих методов либо не существует, либо они слишком громоздки и дорогостоящи. Поэтому, для проведения классификации физико-химических дефектов, пришлось использовать косвенные методы наблюдений,
Модель усиления деформированного канала
С точки зрения геометрической однородности, на этапе вытяжки МЖС будущие каналы создаются индивидуально-групповым способом. Индивидуально, прообразы каналов создаются на операции вытяжки ОЖС, а индивидуально-групповым способом на операции вытяжки МЖС. От точности и настроенности данных операций зависит такой важный параметр геометрической однородности МКП, как вариация каналов по полю МКВ.
Поскольку МЖС является совокупностью единичных каналов, то размер МЖС по двойной апофеме определяется диаметром единичного канала и их количеством. Разброс диаметров каналов по полю МКВ определяется распределением размеров ОЖС в пучке и распределением размеров МЖС в микроканальном блоке. Вариация диаметров каналов по полю МКВ в этом случае будет равна:
к =V ожс +омжс где 5К - вариация диаметров каналов по полю МКВ, $ожс - вариация размеров ОЖС в пучке, Змжс - вариация размеров МЖС в микроканальном блоке. Принятые в настоящее время технологические допуски на размеры ОЖС и МЖС составляют 0,5%. Следовательно, с точки зрения вариации каналов по полю МКВ, технологические допуски на размеры МЖС и ОЖС оправданы и не подлежат пересмотру.
С другой стороны, допуски на размеры МЖС нас интересуют с точки зрения их укладки в МКБ. Укладка многожильных структур, это проблема не только МКП-производства, но и технологии ВОП. В литературе [23] рассмот 54 рены вопросы, связанные с укладкой многожильных гексагональных структур и применение принудительно - укладывающих сил, однако, как будет показано далее, этот принцип не всегда применим. Отмечено, что укладка гексагональных структур — связанная. То есть при которой отдельные слои не имеют свободы смещения относительно друг друга без нарушения укладки в соседних слоях, справедливо и обратное утверждение: нарушение укладки одного слоя, аналогично повлияет на последующие слои. Таким образом, пути к созданию качественной, регулярной геометрической структуры следует искать в месте соприкосновения МЖС с матрицей или ранее уложенными слоями. Для этого рассмотрим строение МЖС и его поверхности.
В процессе перетяжки пакета ОЖС наряду с уменьшением геометрических размеров происходит спекание ОЖС с изменением формы поперечного сечения. Чтобы оценить изменение формы сечения единичного элемента, рассмотрим спекание двух ОЖС. Данный процесс можно описать классическим примером из теории упругости о сжатии двух упругих цилиндров, т.н. «задача Герца» [93.]. Форма границы спекания двух цилиндров (в нашем случае ОЖС), зависит от соотношения вязкостей материалов спекаемых цилиндров. В случае равенства вязкостей (r/i = г/2), что справедливо для нашего случая, граница спекания будет прямой линией в поперечном сечении. Если вязкости спекаемых стекол не равны (r/i Ф г/2), что справедливо для случая спекания ОЖС и ЗС, то граница спекания в поперечном сечении будет иметь вид кривой, направленной в сторону стекла с меньшей вязкостью, радиус кривизны которой определяется соотношением вязкостей спекаемых стёкол.
При рассмотрении вопроса изменения формы поперечного сечения ОЖС при перетяжке пучка можно выделить три основных варианта:
а) ОЖС внутри пучка; б) ОЖС на грани пучка при изготовлении МЖС без ЗС; в) ОЖС на грани пучка при изготовлении МЖС с ЗС. В первом случае ОЖС спекается с шестью соседними, выполняется условие по равенству вязкостей и диаметров, следовательно, форма сечения еди 55 ничного ОЖС внутри пучка при перетяжке будет изменяться от круглой к шестигранной.
Во втором случае конечная форма сечения единичного волокна будет представлять собой сложную фигуру. Там, где ОЖС будет соприкасаться с соседними, граница спекания будет иметь форму прямой, а с внешней стороны на поверхность ОЖС будет действовать сила поверхностного натяжения, которая будет стремиться уменьшить кривизну единичного элемента. Таким образом, форма сечения пограничного ОЖС при изготовлении МЖС без ЗС зависит от вязкости и силы поверхностного натяжения стекла оболочки или температуры вытяжки (см рис. 13).
В третьем случае необходимо особо рассмотреть образование поверхностей в местах соприкосновения ОЖС и ЗС. Для определения формы поверхности нас прежде всего будет интересовать соотношение вязкостей стекла оболочки и стекла ЗС. Можно выделить три основных варианта (рис 16).
В отечественной технологии, МЖС изготавливаются с защитным слоем из растворимого стекла жилы. Учитывая равенство вязкостей рабочих стекол при температурах вытяжки пучка, форма рифления боковых поверхностей МЖС будет такой, как показано на рис 16 в) [85].
Рассчитаем вероятность укладки двух соседних МЖС с разными размерами по двойной апофеме, Р(х) = f(5), где 5 - абсолютная разность размеров укладываемых МЖС. Распределение вероятности будет биноминальным (рис 17) Р(5), % 8, мкм Рис. 17. Распределение вероятности укладки двух соседних МЖС с абсолютной разностью в размере двойной апофемы
Как видно из представленного распределения, наиболее вероятным будет укладка двух соседних МЖС с разностью в размерах двойной апофемы 1 - 2 мкм, она же с разностью в размерах около 5 мкм - маловероятна, а с разностью в размерах двойной апофемы 10 мкм - практически равна нулю.
Учитывая форму рифления боковых поверхностей и результаты расчета вероятностей укладки, проведем моделирование укладки МЖС при 8 = 2 мкм и б = 5 мкм (рис 18).
Моделирование укладки МЖС при 8 = 2 мкм и 8 = 5 мкм По результатам моделирования, сделаны следующие выводы: - укладка МЖС с разницей в размерах по двойной апофеме 2 мкм вызывает незначительный сбой упаковки каналов по границам спекания и не влияет на дефекты в углах спекания МЖС; - укладка МЖС с разницей в 5 мкм приводит к нарушению упаковки каналов по границам спекания и может вызывать деформацию каналов в углах спекания МЖС.
Сопоставив данные выводы с рассчитанными выше вероятностями укладки МЖС, можно утверждать, что существующие нормы на разброс размеров МЖС по двойной апофеме вполне оправданы и не могут являться причиной сдвигов структуры, приводящей к деформации каналов. Ужесточение технологических допусков на размер МЖС по двойной апофеме не принесет заметного улучшения качества геометрической структуры.
При моделировании укладки МЖС с разницей в размерах порядка 8-10 мкм, было замечено что возникает дефект, который можно назвать как «сбой упаковки каналов», т.е., на одном конце стыковки двух граней МЖС - гексагональная упаковка каналов, а на другом - квадратичная. Возникновение данного дефекта можно объяснить тем, что изменение размеров грани МЖС соизмеримо с шагом структуры в МЖС. Данный вид дефекта обнаруживается в структуре МКП (рис. 19) , что подтверждает правильность проведенного моделирования. Частота появления данного вида дефекта, полностью соответствует рассчитанной выше вероятности укладки МЖС с разницей в размерах по двойной апофеме. Таким образом, практически подтверждена правильность проведенных расчетов и сделанных выводов.
Пути совершенствования структурной однородности МКП
Известно [66], что теоретическая прочность стекла на растяжение достаточно велика, а его практическая величина определяется локальными нарушениями поверхности, которые служат затравками разрушения. Если данные рассуждения справедливы, а для этого есть определенные основания, то вопрос с треском пластин на травлении необходимо решать не только на операции спекания, но и на операции полировки пластин, а возможно и на операции фа-сетирования.
По группе моделей структурных параметров, сделать обоснованные выводы трудно. Обращает на себя внимание, только то, что в модели выхода годных НВЗ только коэффициенты Р и Tt, положительны.
В группе моделей электронно-оптических параметров наибольший интерес вызывает модель сопротивления. Данная модель получилась с отличной степенью адекватности и ее вполне можно признать закономерностью. Для вычисления данной модели был составлен сборник из всех блоков и восстановили его в одной печи, соответственно, в одном режиме. Таким образом, данная модель показывает степень восстанавливаемости ВЗ от режимов спекания.
В качестве дальнейшей работы, можно дополнить модель восстанавливаемости факторами температуры и времени восстановления, в таком случае данной моделью можно пользоваться в производстве для расчета режимов восстановления заготовок.
Следующей интересной моделью, в группе моделей электронно-оптических параметров, можно назвать модель порога сотовой структуры. Модель получилась адекватная с хорошей степенью достоверности. Из данной модели получается, что для повышения порога необходимо увеличить все три параметра спекания. Данная модель проверялась на сборном блоке, где проводилось исследование восстанавливаемости, однако пластины из него показали одинаковый порог сотовой структуры - 1,3 10"10, 1,4 10"10А, Таким образом, появились основания не доверять полученной модели. Это же, можно сказать и о модели порогового тока «апельсиновой кожуры».
Следующая группа - модели параметров усиления. Они получились достаточно адекватными с хорошей степенью достоверности. Однако сигналы получаются разнонаправленными, температура спекания, например, увеличивает рабочее напряжение и одновременно увеличивает усиление при 800В. С другой стороны, повышение времени спекания снижает рабочее напряжение и увеличивает усиление.
Последняя достоверная модель - модель плотности темнового тока. Из нее следует, что повышение температуры и времени спекания уменьшает плотность темнового тока. Проведенное выше исследование факторов структурной однородности выявило сильное влияние технологии изготовления МЖС. Интуитивно понятно, что на качество укладки МЖС должны влиять только их геометрические параметры. Однако, как показано выше, разнораз-мерность МЖС по двойной апофеме при существующих допусках на размер, не является причиной сдвигов световодов в блоке. Следовательно, существует какой-то геометрический параметр, который не учитывается и не нормируется.
Можно предположить, что помимо линейных параметров, МЖС, как протяженный объект, должен характеризоваться еще и угловыми параметрами. Предположим, что таким угловым параметром, влияющим на качество укладки световодов, может являться закручивание МЖС вдоль собственной оси.
Смоделируем укладу из МЖС, закрученных вокруг собственной оси (рис 37). С одной стороны укладки они уложатся без дефектов, а с другой стороны укладка будет дефектной (вид противоположного конца укладки увеличен).
Моделирование вариантов укладки МЖС с различными углами закручивания показывают, что даже угол в 1 приводит к сдвигам структуры на другом конце собираемого блока. По результатам моделирования можно сделать вы 96 вод: закручивание МЖС влияет на сдвиги структуры, а, следовательно, и на её качеств в большей степени, чем разноразмерность световодов. Следовательно, для формирования качественной структуры необходимо иметь МЖС без закручивания вдоль собственной оси.
Для обнаружения и исследования закручивания МЖС была разработана методика и изготовлено приспособление для измерения. Для проведения работы по исследованию закручивания, был вытянут экспериментальный пучок МЖС. В процессе вытяжки МЖС отбирались последовательно, каждый из них обвязывался ниткой так, что получилась последовательная связка. Таким образом, последовательно извлекая МЖС из связки можно проследить изменение угловых и линейных размеров в процессе вытяжки.
При вытяжке экспериментального пучка произошел один обрыв. Таким образом, сложились условия для определения влияния повторной оттяжки пучка. Всего в ходе проведения работы было взято 24 м МЖС вытянутых до обрыва пучка и еще 14 м, вытянутых после обрыва и повторной оттяжки пучка.
МЖС последовательно извлекались из связок, разрезались на отрезки, по 10см и измерялся угол закручивания. По результатам измерений построены зависимости изменения угла закручивания по длине световода (рис. 38).
Как видно из представленных данных, изменение угла закручивания имеет постоянную и переменную составляющие, причём постоянная составляющая изменяется после обрыва и повторной оттяжки пучка. Представим постоянную составляющую как линейную функцию f(x) = а + Ь х и рассчитаем коэффициенты а и Ъ (рис. 38).
