Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

БОНДАРЕНКО МАКСИМ ОЛЕКСІЙОВИЧ

УДК 621.9.048.7

Підвищення ефективності електронної технології та обладнання для фінішної обробки оптичних пластин під вироби мікрооптики

05.03.07 - процеси фізико-технічної обробки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі фізики Черкаського державного технологічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Ващенко В`ячеслав Андрійович, Черкаський державний технологічний університет, завідувач кафедрою фізики

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Котельніков Дмитро Іванович, Чернігівський державний технологічний університет

кандидат технічних наук, головний конструктор Центрального конструкторського бюро „Сокіл”, заступник генерального директора по науковій роботі НВК „Фотоприлад” Гордієнко Валентин Іванович

Провідна установа: Національний аерокосмічний університет ім. М.Є.Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, кафедра авіаційних приладів та вимірювань

Захист відбудеться „26” червня 2006 р. о 1500 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.15 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м.Київ, просп. Перемоги, 37, корпус 19, ауд. 417

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м.Київ, просп. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий “17” травня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Л.Ф. Головко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Основний напрямок вдосконалення елементної бази мікрооптики (МО) полягає у створені бездефектних поверхонь та функціональних шарів на оптичних матеріалах з метою подальшого виготовлення на них оптичних елементів мікрометричних розмірів. Це пов`язано з тим, що розміри оптичних мікроелементів повинні бути одного порядку із розмірами сучасних елементів мікроелектроніки (напівпровідникових випромінювачів та приймачів, пристроїв вводу-виводу в оптичне волокно, елементів зв`язку, коліматорів). Ефективним може виявитися створення партії оптичних мікроелементів на загальній основі - подібно до технологій створення елементів в мікроелектроніці.

Найпоширенішим матеріалом сучасного оптичного виробництва є оптичне силікатне скло, яке має високу прозорість в оптичному діапазоні та піддатливе до механічного і теплового модифікування поверхні.

За сучасними технологіями оптичного виробництва - глибокого шліфування і полірування, хімічного, хіміко-механічного та полум`яного промислового полірування неможливо підготувати хімічно і оптично однорідний поверхневий шар (ПШ) на пластині з оптичного силікатного скла з гарантованими середньостатистичними мікронерівностями поверхні меншими 5 нм. Це приводить до втрат і викривлення інформації, яка транслюється через оптичний мікроелемент.

Серед існуючих теплових методів обробки поверхні оптичного силікатного скла (ІЧ-випромінюванням, лазерним променем, електронним потоком), які забезпечують локальну модифікацію мікрорельєфу поверхні і оптичних властивостей виробів, перспективним є метод стрічкової електронної обробки (ЕО), який відноситься до високотемпературних (робоча температура в зоні обробки становить 1500...1600 К) і швидкодіючих (час термічного впливу на матеріал не перевищує одиниць секунд), в результаті застосування якого утворюється поверхня з новими фізико-хімічними та експлуатаційними властивостями.

Разом з тим, високої якості обробки поверхні оптичного скла і повторюваності результатів ЕО неможливо досягти без стабільної роботи інструмента обробки - стрічкового електронного потоку, джерелом якого є дротяний катод електронної гармата (ЕГ) Пірса. За умовами експлуатації (вакуумування - розгерметизації робочого об`єму) катод періодично контактує з атмосферою, що зумовлює протікання на його поверхні окислювальних процесів. Це негативно впливає на емісійні характеристики катоду і призводить до зміни питомої потужності електронного потоку в кожному технологічному циклі обробки.

Іншим технологічним параметром від якого залежать якісні характеристики ПШ, а саме: точність поверхні та залишкові термічні напруження є швидкість завершального охолодження оптичних пластин.

Тому постає необхідність визначення оптимальних експлуатаційних параметрів ЕГ, температурного режиму охолодження пластин після ЕО та їх взаємозв`язок з якістю обробки, формою і матеріалом оптичних пластин.

Аналіз патентної та технічної літератури показав важливість проблеми якісної ЕО поверхонь оптичних пластин під вироби МО, що до теперішнього часу не вирішена.

Таким чином, актуальним постає питання підвищення ефективності електронної обробки оптичних пластин під вироби мікрооптики вдосконаленням технології та технологічного обладнання. Вирішенню цієї проблеми присвячена представлена робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами: робота виконувалася в лабораторіях „Вакуумної техніки та електронно-променевих методів обробки”, „Прикладної оптики та атомно-силової мікроскопії” кафедри фізики Черкаського державного технологічного університету в рамках держбюджетних робіт: „Створення континуальних механіко-математичних моделей та основ аналізу функціональних параметрів і синтезу п`єзоелектричних перетворювачів поліморфного типу у тому числі з аморфними та алмазоподібними плівками” (номер державної реєстрації 0100U004418); „Технологічні основи отримання металізованих покриттів на виробах мікрооптики та наноелектроніки електронно-променевим методом” (номер державної реєстрації 0103U003689).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності електронної обробки пластин з оптичного скла під вироби мікрооптики шляхом стабілізації прикатодних процесів та керування швидкістю охолодження оптичних пластин після електронної дії.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

1. Встановити залежності критеріїв якості поверхонь пластин з оптичного скла марок К8, БК10, ТК21 під вироби мікрооптики та їх повторюваності від параметрів обробки електронним потоком.

2. Вдосконалити технологічне обладнання для підвищення керованості процесу електронної обробки оптичного скла та повторюваності результатів технологічних експериментів.

3. Провести експериментальні дослідження та розробити методику розрахунку прикатодних процесів електронної гармати Пірса.

4. Розробити математичні моделі попереднього нагріву, електронної дії та охолодження оптичних пластин, перевірити їхню адекватність експериментом.

5. Розробити методику визначення залишкових мікронерівностей на поверхнях оптичних пластин на базі методу атомно-силової мікроскопії.

6. Розробити рекомендації щодо електронної обробки пластин з оптичного скла під вироби мікрооптики, що задовольняють параметрам якості (мікронерівності не більше 5 нм, залишкові термічні напруження не більше 3,6 МПа (для виробів товщиною 2 мм), глибина проплавленого шару не більше 120 мкм, повторюваність результатів обробки - 25...30%), які висуваються до цих пластин згідно ISO 10110-1/14.

Об'єктом дослідження є електронна технологія та обладнання для поверхневої обробки оптичних пластин.

Предметом дослідження є підвищення ефективності електронної обробки пластин з оптичного скла.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводилися на основі загальних положень теорій: термоелектронної емісії, взаємодії електронних потоків з речовиною, теплопровідності та теплообміну. Експериментальні дослідження якісних характеристик поверхонь проводилися з використанням методів оптичної мікроскопії, оптичної поляриметрії, пробного скла та скануючої атомно-силової мікроскопії (АСМ).

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Отримані нові експериментальні дані по впливу технологічних параметрів стрічкового електронного потоку (питомої потужності, швидкості електронної обробки) на значення залишкових мікронерівностей на поверхні оптичного скла марок К8, БК10, ТК21.

2. Модифіковано технологічне обладнання фінішної електронної обробки оптичних матеріалів шляхом стабілізації прикатодних процесів електронної гармати Пірса та розроблена система керування режимами попереднього нагріву і подальшого охолодження виробів, що дозволило розширити та підтримувати з заданою точністю діапазон прискорюючих напруг з 1,5 кВ до 12 0,05 кВ, струмів електронного потоку з 50 мА до 500 2 мА, відстаней від електронної гармати до оброблюваної поверхні з 10 мм до 40 мм, швидкостей електронної обробки з 1,5 см/с до 10 0,1 см/с та часу експлуатації катоду з 40 годин до 120 годин.

3. Вперше розроблено комплекс математичних моделей, який дозволяє з більш високою точністю (відносна похибка 5...8% замість 10...15%) і в режимі реального часу розраховувати повні термічні цикли електронної обробки оптичних матеріалів, що включають попередній нагрів, електронну дію та завершальне охолодження.

4. Вперше розроблена автоматизована система керування термічним циклом електронної обробки, що дозволяє контролювати остаточні термонапруження в оптичному матеріалі, які не перевищують гранично допустимих значень (3,2-3,6 МПа для виробів товщиною 2 мм) і швидкості попереднього нагріву та охолодження в діапазонах хп.н. = 8,0...10 град/хв., хох = 0,5...3,0 град/хв, що призводить до підвищення повторюваності технологічного експерименту з 3...5% до 25...30%.

5. Вперше розроблена методика, що базується на методі скануючої атомно-силової мікроскопії, дозволяє визначати залишкові мікронерівності на поверхні пластин з оптичного скла після їх електронної обробки, що задовольняє сучасним вимогам (Міжнародний стандарт ISO 10110-1/14, залишкові мікронерівності не більше 5 нм).

Практична цінність одержаних результатів. Практичне застосування на вітчизняних (НПК „Фотоприлад”, ТОВ „НВК „АСКЄНН” (м.Черкаси), Черкаський державний технологічний університет) та закордонних (ТДВ „Микротестмашины” (м. Гомель, Білорусь) підприємствах знайшли такі результати роботи:

- модифіковане технологічне електронне обладнання, яке оснащене модулем електронної гармати Пірса, системою керування режимами теплової печі та механізмом переміщення виробів;

- зразки оптичних пластин зі створеними на їх поверхні електронною технологією елементами мікрооптики в якості тест-структур (дифракційних решіток, растрів) при розробці та випробуванні обладнання АСМ на ТДВ „Микротестмашины” (м. Гомель, Білорусь);

- математичні моделі та спеціалізоване програмне забезпечення для розрахунку технологічних параметрів дротяних вольфрамових катодів (струму та напругу розігріву, робочої температури, терміну експлуатації) та параметрів повного термічного циклу електронної обробки оптичних матеріалів

Наведені результати роботи були використані при обробці пластин з оптичного скла марок К8, БК10, ТК21 під вироби мікрооптики (растри мікролінз, відбиваючих мікроелементів, дифракційні решітки тощо), що дозволило зменшити мікрорельєф поверхні з Ra = 40...110 нм до Ra = 1,5...3,7 нм; збільшити повторюваність результатів обробки з 3…5% до 25…30% та надійність безперервної експлуатації виробів за умов згідно ОСТ3-69-77 з 10...15 років до 20 років; підвищити стабільність прикатодних процесів та збільшити час експлуатації дротяного вольфрамового катоду в електронній гарматі Пірса з 40 до 120 годин.

Особистий внесок здобувача. Результати досліджень підтверджені однією індивідуальною та 15 публікаціями у співавторстві, а також трьома патентами України. Автором проаналізовано основні фактори, що впливають на якість електронної обробки. Вдосконалено методику розрахунку параметрів дротяного вольфрамового катоду та написано програмний модуль, який автоматизує цей розрахунок. За результатами експериментальних досліджень надано рекомендації щодо зменшення ерозії дротяного вольфрамового катоду. Складено експериментальну методику визначення залежності розмірів та форми зони термічного впливу (ЗТВ) в області фізичного контакту електронного потоку з матеріалом від відстані „катод електронної гармати - поверхня матеріалу”. Здобувачем прийнято активну участь у розробці та модернізації окремих вузлів обладнання для ЕО оптичних матеріалів, а саме: електронної гармати, механізму переміщення, блоку живлення електронної гармати. Створена система програмного керування попереднім нагрівом та охолодженням оптичних виробів. Проведено експерименти, що пов`язані з визначенням режимів фінішної ЕО оптичного скла, які задовольняють параметрам якості згідно вимогам міжнародного стандарту
ISO 10110-1/14. Проведено впровадження результатів розробок та досліджень у промислову сферу України (НВО ”Фотоприлад”, ТОВ ”НВК ”АСКЄНН”, м. Черкаси) та зарубіжжя (ТДВ ”Микротестмашины”, м. Гомель).

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації доповідалися і обговорювалися на семи Міжнародних науково-технічних конференціях і семінарах: „Прогрессивные технологии и системы машиностроения” (м.Донецьк, 2002 р); „Машинобудування та металообробка - 2003” (м.Кіровоград. - 17-19 квітня 2003 р); “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях” (сел.Славське, Львівскої обл., Карпати. - 2_7 лютого 2004 р); „Новые и нетрадиционные технологии в ресурсо- и энергосбережении” (м.Одеса. - 2-4 червня 2004 р); „ОТТОМ-5” (м.Харків, 27 вересня - 1 жовтня 2004 р); „Датчики, прилади та системи - 2005” (м.Ялта, 19-23 вересня 2005 р); „Теорія і практика сучасної економіки” (м.Черкаси, 23-24 вересня 2005 р).

Публікації. Результати дисертаційної роботи відображені в наукових публікаціях, які публікувалися в період 1998-2006 роки, серед них: 7 статей у фахових виданнях, 3 статті у збірниках матеріалів науково-технічних конференцій, 3 патенти, 3 тези доповідей на Міжнародних конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п`яти розділів, висновків, переліку використаних джерел з 183 найменувань та шести додатків.

Дисертаційна робота містить 130 сторінок машинописного тексту, 49 рисунків, 17 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційного дослідження, сформульовано мету, задачі та основні положення, що виносяться на захист, окреслюється наукова новизна та практична цінність роботи, наведено відомості щодо апробації, публікації, використання результатів дослідження.

Перший розділ носить оглядово-аналітичний характер. Проведено аналіз сучасних методів поверхневої термічної обробки оптичного скла, їх використання у промисловій сфері та визначено переваги методу фінішної стрічкової ЕО оптичних матеріалів. Розглянуто способи керування параметрами якості поверхні оптичного скла. Встановлено причини, чому сучасне промислове технологічне електронне обладнання не задовольняє вимогам до ЕО оптичних виробів. Визначено необхідність розрахунку оптимальних параметрів стрічкової ЕО оптичного скла та досліджень в техніко-експлуатаційних характеристик дротяних вольфрамових катодів електронних гармат.

Встановлено, що в літературних джерелах відсутні дані про засоби комплексного автоматичного та програмного керування й контролю процесу ЕО оптичних матеріалів, дані про нестабільність технологічних параметрів ЕГ Пірса у часі (відсутні дані щодо стабільності та корекції параметрів катоду з врахуванням його зносу) та складність юстування окремих вузлів та елементів цих гармат, що обмежує їх використання в технологіях обробки оптичних матеріалів та технологіях отримання елементів МО.

Також відсутня комплексна методика дослідження мікрорельєфу поверхні оброблених виробів із оптичного скла марок К8, БК10, ТК21 із залученням сучасного методу АСМ.

За результатами аналізу наукових джерел та експериментальних досліджень було сформульовано мету й задачі дисертаційної роботи.

Другий розділ містить опис розробленого експериментального обладнання, технологічного оснащення та пристроїв керування параметрами ЕО оптичного скла.

Експериментальна частина роботи проводилася на модифікованій електронній установці (ЕУ) на базі промислової вакуумної установки УВН-74, яка комплектувалася ЕГ Пірса з дротяним вольфрамовим катодом та системою нагріву (охолодження). Основні технічні характеристики базової та модифікованої ЕУ наведені в таблиці 1.

Таблиця 1.

Основні технічні характеристики базової та модифікованої ЕУ

Параметри, що керуються (техніко-експлуатаційні умови)	Діапазон значень та точність вимірювання (базова ЕУ)	Діапазон значень (модифі-кована ЕУ)	Пристрій та точність вимі-рювання (модифікована ЕУ)
Параметри, що керуються
Струм розігріву катода, Iк, А	10...30 ±15%	15…50	Амперметр, Iк = ±15%
Струм електронного потоку, Iп, 10-3, А	50…500 ±2%	50…500	Амперметр, Iл = ±1...5%
Прискорююча напруга, Uприс, 103, В	6, 12 ±2%	1,5…12	Вольтметр, Uприс = ±2...3%
Відстань від аноду ЕГ до оброблюваної поверхні, H, 10-3, м	5...15	10...85	Мірна лінійка, ДН = 10-4 м
Швидкість переміщення виробу, , 10-2, м/с	10	1,5...10	Дисковий частотомір, Д = 10-3 м/с
Техніко-експлуатаційні умови
Залишковий тиск в камері, р0, Па	5.10-4 10%	5.10-4	Вакууметр “ВМБ-8”, р = 10%
Діапазон робочих температур пристрою нагріву , Т, К (U, мкВ)	290-800 1К	290...1100	Термозадатчик ”РИФ-101”, термопара „ТХА”, Т = 0,5 К, U = 40 мкВ
Лінійні розміри зони дії електронного потоку на поверхню, 10-3, м - вздовж вісі ОХ - вздовж вісі OY	1,5 60	0,3...3,5 60	Мірна сітка з термочутливого матеріалу, ДL = 1,2.10-4 м

Для рівномірного переміщення виробів під електронним потоком, автором розроблено механізм механічного переміщення з мікропроцесорною системою керування. Автором також прийнято участь в розробці системи програмного керування й контролю режимами системи нагріву (охолодження), рис.1, основне призначення якої - дотримання температури поверхні оптичного виробу на заданому рівні, згідно профілю термічної карти технологічного процесу.

Оцінка якості поверхонь оптичних пластин оброблених електронним потоком проводилась такими методами: оптичної мікроскопії, оптичної поляриметрії, методом пробного скла та методом атомно-силової мікроскопії (комп'ютеризова-ний комплекс на базі приладу ”NT-206V”.

Третій розділ присвячений методикам, що були розроблені при проведенні експериментальних досліджень технологічних параметрів якісної ЕО.

В основу методики розрахунку технологічних параметрів вольфрамового катоду марки ВА-1-ТО (ГОСТ 7348-80 „Проволока вольфрамовая”) електронної гармати Пірса покладені окремі дані з методики розрахунку катодів електронних ламп. Сутність розробленої методики полягає в тому, що виходячи з робочої довжини реального катоду L = 60 мм, його початкового діаметру D = 0,3...0,8 мм, визначається робоча температура катоду Тр = 2300…2800 К, напруга розігріву Uf = 4…7,8 В, струм розігріву Іf = 9,5…20,2 А, струм електронної емісії Іs = 0,02…3,68 А, термін експлуатації катоду t 110...120 год та його ефективність Не = Ie/Pf = (0,61…24,79).10-3 А/Вт. Далі проводиться перерахунок технологічних параметрів при зменшені діаметру катоду за умови дотримання постійною робочої температури. Основна відмінність методики - врахування зменшення діаметру катоду при його роботі, яке пов`язане з випаровуванням матеріалу катоду в діапазоні робочих температур та періодичним контактом його поверхні з атмосферою.

Користуючись залежностями, отриманими при використані методики (рис.2) встановлена тенденція зміни основних технологічних параметрів W-катоду (Uf, If, Is, Нe) від робочої температури (Тр). Зі збільшенням робочої температури розігріву напруга і струм розігріву збільшуються лінійно, тоді як збільшення струму емісії та ефективності катоду відбувається за квадратичним законом.

При порівнянні розрахункових та експериментальних даних було встановлено діапазон оптимальних значень струму розігріву катоду (на прикладі катоду діаметром D=0,5 мм і довжиною L=60 мм), що становить If=12,95...15,75 А і відповідає оптимальній області робочих температур 2400...2700 К.

Встановлено основні причини ерозії дротяного вольфрамового катоду в умовах вакууму:

- механічні дефекти та їх розвиток в умовах високих температур (Т = 2400...2700 К) та струмів емісії (ІS = 500...2500 мА);

- забрудненість поверхні катоду, що впливає на питому емісію;

- окислювальні процеси на поверхні катоду при розгерметизації технологічного об`єму.

Визначено ряд вимог, що до експлуатації дротяних W-катодів марки ВА-1-ТО, які використовуються в гарматах Пірса:

1. Струм розігріву катоду (на прикладі катоду діаметром D = 0,5 мм і довжиною робочої частини L = 60 мм) повинен знаходитися в межах If = 12,95...15,75 А, що відповідає робочій температурі катоду Тр = 2400...2700 К.

2. Розігрів катоду проводиться поступовим підвищенням струму розігріву катоду до робочого значення протягом часу не менше трьох хвилин.

3. При первинному включенні, катод слід прогрівати у вакуумі при температурі не менше 1300 К до повної його дегазації, що відслідковується по динаміці падіння вакууму в камері.

4. Напуск повітря у вакуумну камеру слід проводити при охолодженні катода до температури Т0 = 300 К.

За методикою визначення оптимальної відстані від електронної гармати до оброблюваної поверхні по характеру термічного впливу електронного потоку на матеріал визначалася залежність розмірів та форми ЗТВ в області фізичного контакту електронного потоку з матеріалом від відстані від ЕГ до поверхні матеріалу, що піддавався електронному впливу. При цьому за оптимальну приймається така відстань при якій коефіцієнт зосередженості електронного потоку на поверхні матеріалу набуває максимального значення.

Електронному впливу піддавалася пластина з термочутливого матеріалу (ТМ) - графіту (діаметр 100 мм, товщина 10 мм). Для визначення ширини електронного потоку та оцінки рівня температур на поверхні ТМ розташовувалася сітка зі сталі Х18Н10Т (крок комірки 120 мкм, діаметр дроту сітки 60 мкм). Для одержання максимально контрастного зображення ЗТВ, що виникли при зміні структури графіту в результаті його нагрівання та відпалювання, характеристики електронного потоку становили: прискорююча напруга Uпр = 5 кВ, струм електронного потоку Іп = 50 мА. Час дії електронного потоку на поверхню сітки в кожному положенні = 300 с. Відстані ЕГ від об'єкту впливу Н = 10...85 мм з кроком Н = 15 мм.

Результати експерименту у вигляді зображень ЗТВ на графіті та оплавлених комірок сітки, рис.3, дозволили встановити форму, розмір та розподіл інтенсивності електронного потоку в області його фізичної дії на матеріал, побудувати залежності, які відображають характер зміни струму потоку Іпот на матеріал сітки від прискорюючої напруги Uпр і відстані до електронної гармати Нобр, рис.4.

За результатами експерименту встановлено:

- на відстанях ЕГ від об'єкту впливу менших 10 мм та більших 40 мм спостерігається відхилення розподілу електронного потоку від гаусової форми та порушення стрічкової форми по довжині електронного потоку, тому оптимальними для обробки є відстані Н = 10…40 мм;

- форма потоку електронів по його перетину на відстанях ЕГ від об'єкту впливу Н = 10…40 мм має розподіл гаусової форми, а коефіцієнт зосередженості складає k = 28,6…80 см-2.

Перевірка результатів експерименту проводилася при поверхневому оплавленні оптичного скла марок К8, БК10, ТК21. В результати встановлено, що коефіцієнт зосередженості потоку на склі зменшується в 1,5...2 рази в порівнянні з коефіцієнтом зосередженості на сітці, а поверхня скла рівномірно оплавляється на глибину до 120 мкм (глибина оплавлення визначалась методом растрової електронної мікроскопії на приладі “РЭМ-100У”).

Дослідження мікрорельєфу поверхні оптичного скла проводилося по розробленій методиці із залученням сучасного методу атомно-силової мікроскопії (атомно-силовий мікроскоп (АСМ) “NT_206V” (Виробник: ТДВ “Микротестмашины”, м.Гомель, Білорусь).

За даною методикою проводилося сканування плоскої площадки (максимально 1313 мкм) на поверхні зразка із оптичного скла з метою одержання зображення її мікрорельєфу. Для одержання найбільш точного зображення мікрорельєфу поверхні обрано статистичний (контактний) режим роботи АСМ. Головною особливістю даного режиму є здатність вимірювальної системи відслідковувати діапазон відхилень кантилевера (консолі) ±1,5.10-6 м (ширина (35±3).10-6 м, довжина (350±5).10-6 м, товщина (0,7...1,3).10-6 м) від нейтрального (вільного) положення. В даній методиці використовувався кремнієвий зонд моделі Ultrasharp CSC12 (“MikroMasch”, вир-во США). Для попереднього дослідження ділянки поверхні 1Ч0,75 мм зі збільшенням 150 разів в АСМ “NT-206V” вмонтовано довгофокусний оптичний мікроскоп “Logitech” (вир-во США).

Обробка та аналіз даних отриманих при використані методики проводиться із залученням спеціалізованої програми Surface Viewer v.6.2 (рис.5), яка дозволяє проводити двовимірну візуалізацію поверхні, трьохвимірну візуалізацію поверхні, профілювання поверхні в необхідному перетині, визначення розподілу висот поверхні, проведення кутової гістограми, отримання інформації про геометричні показники поверхні.

В четвертому розділі визначається ефективність нагріву та охолодження, проводиться моделювання теплового процесу електронної обробки пластин із оптичного скла з метою визначення режимів обробки при яких спостерігаються мінімальні залишкові термонапруження, покращується площинність поверхні та мінімізації часу термічного циклу.

Аналіз результатів вимірювання розподілу теплового поля по поверхні оптичного матеріалу показав: найбільш рівномірний розподіл теплового поля (S = 120320 мм) по поверхні оптичного матеріалу спостерігався на відстанях h = 60…90 мм від джерела нагріву до поверхні оптичного матеріалу (розбіжність значень температур по полю не перевищує Т = 16 К); при відстані h 120 мм від джерела нагріву до поверхні, нагрів оптичного матеріалу до заданої температури (570...620 К) неможливий із-за значних теплових збитків (понад 87%).

Моделювання теплових умов проводилося за допомогою програмного модулю (метод скінчених елементів - МСЕ) написаного на об`єктно-орієнтованій мові С++, який дозволяє отримати та дослідити розподіл теплового поля на поверхні та в об'ємі пластин прямокутної та круглої форми з урахуванням залежності таких теплофізичними параметрів, як: теплопровідність (), теплоємність (С), температуропровідність (а2) від температури (Т) при таких параметрах електронної обробки, як прискорюючи напруга (Uпр), струм електронного потоку (Іпот), швидкість електронної обробки (обр).

В результаті проведене моделювання розподілу температури в пластинах круглої (діаметром 20 мм; товщиною 1; 2; 6 мм) та прямокутної форми (80144; 80224; 25201 мм) із оптичного скла марок К8, БК10, ТК21.

Точність розрахунків розподілу теплового поля на прикладі круглої пластини діаметром 20 мм та товщиною 4 мм (оптичне скло марок К8, БК10, ТК21) перевірялась так:

- на етапах попереднього нагріву (охолодження) - по експериментальним даним за допомогою термопари „хромель-копель” (точність вимірювання Т = 0,5 К; кількість замірів в кожній точці - п`ять) - рис.7;

- на етапі електронної дії - аналітичним розрахунком, рис.8.

Позначення кривих на графіках (рис.7.а, рис.7.б) відповідають таким положенням термопари на оптичному виробі: 1 - h = 0 (поверхня виробу зі сторони системи нагріву); 2 - h = 2 мм; 3 - h = 4 мм (поверхня виробу зворотна до системи нагріву)

Чисельний метод скінчених елементів при визначенні та дослідженні розподілу теплових полів в оптичних виробах на етапах попереднього нагріву, електронної дії та завершального охолодження відрізняється від інших чисельних та аналітичних методів достатньою точністю, швидкістю розрахунків та здатністю працювати в режимі реального часу.

П'ятий розділ присвячений проведенню досліджень якості поверхні скла, обробленого електронним потоком. Об'єктами дослідження були пластини круглої (діаметром 20 мм; товщиною 1; 2; 6 мм) та прямокутної форми (80144; 80224; 25201 мм) (загальна кількість - 60 зразків) з оптичного скла марок К8, БК10, ТК21.

Методи та засоби дослідження, які проводилися для оцінки якості поверхні такі:

- визначення чистоти оптичної поверхні зразків (вся поверхня кожного зразка). Метод оптичної мікроскопії (МБС-9, чорна пластина). Діапазон вимірювань 0-ІV класи. Час контролю складає 1...1,5 хвилин. Похибка методу - 2,5%

- визначення залишкових термонапружень у виробах. Метод оптичної поляриметрії (ПКС-250). Діапазон вимірювань - до 50 МПа. Роздільна здатність методу 0,1 МПа. Контроль виробу проводиться протягом 1...2 хвилини. Похибка методу - 15%.

- визначення точності (площинності) оптичної поверхні. Метод пробного скла. Діапазон вимірювань 0,1...5 кілець Ньютона. Час дослідження виробу - 3…5 хвилин. Похибка методу - до 30%.

- визначення мікрорельєфу поверхні оптичних виробів. Метод атомно-силової мікроскопії (прилад NT-206V). Діапазон вимірювань 0,2-3000 нм. Роздільна здатність методу 0,05 нм. Похибка методу становить 1…5%. Час контролю виробу - 5…8 хвилин.

Результати досліджень оптичних виробів (оптичне скло К8, БК10, ТК21) після впровадженої в роботі керованої низькоенергетичної електронної обробки: усадка поверхні відсутня; чистота поверхні Р покращується з Р = IV...ІІІ до Р = 0 (на поверхні повністю відсутні сліди подряпин, точок, виколків); мікрорельєф поверхні зменшується з Ra = 40...110 нм до Ra = 1,5...3,7 нм; точність поверхні N та N покращується на 1,0 та 0,3 кільця Ньютона відповідно; товщина проплавленого шару, hПР = 22…50 мкм, що повністю перекриває дефектний шар від попередньої хіміко-механічної обробки поверхні оптичних виробів (1,5…2,0 мкм); максимальні внутрішні термічні напруження зменшуються з 3,2…3,6 МПа до 3,0…3,5 МПа (для виробів товщиною 2 мм). Залишкові термічні напруження XYZ в пластинах повністю відсутні.

В кінці розділу показане практичне використання результатів дисертаційної роботи на закордонних та вітчизняних підприємствах (ТДВ “Микротестмашины” (м.Гомель, Білорусь), НВК ”Фотоприлад”, ТОВ “НВК “АСКЄНН” (м.Черкаси, Україна) та в навчальному процесі Черкаського державного технологічного університету.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі наведено теоретичне узагальнення і нове розв`язання наукової задачі вдосконалення технології та електронного обладнання фінішної обробки оптичних пластин під вироби мікрооптики, що відповідає меті та задачам дослідження і відображено в науковій новизні.

1. Отримані нові експериментальні дані по впливу технологічних параметрів стрічкового електронного потоку (питомої потужності, швидкості електронної обробки) на значення залишкових мікронерівностей на поверхні оптичного скла марок К8, БК10, ТК21, за якими встановлено, що збільшення питомої потужності електронного потоку з одночасним зменшенням швидкості електронної обробки призводить до зменшення мікрорельєфу поверхні пластин від Ra = 40...110 нм (після хіміко-механічного полірування з подальшим ультразвуковим очищенням) до рівня Ra = 1,5...3,7 нм.

2. Вдосконалення технологічного обладнання фінішної електронної обробки оптичних матеріалів шляхом стабілізації прикатодних процесів електронної гармати Пірса та застосування розробленої системи керування режимами попереднього нагріву і подальшого охолодження виробів з оптичного скла дозволило розширити та підтримувати з заданою точністю діапазон прискорюючих напруг з 1,5 кВ до 12 0,05 кВ, струмів електронного потоку з 50 мА до 500 2 мА, відстаней від електронної гармати до оброблюваної поверхні з 10 мм до 40 мм, швидкостей електронної обробки з 1,5 см/с до 10 0,1 см/с та часу експлуатації катоду з 40 годин до 120 годин.

3. Вперше розроблений комплекс математичних моделей дозволяє з більш високою точністю (відносна похибка 5...8% замість 10...15%) і в режимі реального часу розраховувати повні термічні цикли електронної обробки оптичних матеріалів, що включають попередній нагрів, електронну дію та завершальне охолодження.

4. Вперше розроблена автоматизована система керування термічним циклом електронної обробки дозволяє керувати швидкостями попереднього нагріву (хп.н. = 8,0...10 град/хв.) та завершального охолодження (хох = 0,5...3,0 град/хв.) з точністю 0,5 град/с, чим підтримуються остаточні термонапруження в оптичному матеріалі на рівні, який не перевищує гранично допустимих значень (3,2-3,6 МПа для виробів товщиною 2 мм), і підвищується повторюваність технологічного експерименту з 3...5% до 25...30%.

5. Вперше розроблена методика в основу якої покладено метод скануючої атомно-силової мікроскопії, дозволяє визначати залишкові мікронерівності на поверхні пластин з оптичного скла після їх електронної обробки, які не перевищують 5 нм, що задовольняє сучасним вимогам які висуваються до поверхонь виробів мікрооптики Міжнародним стандартом ISO 10110-1/14.

6. Основні результати дисертаційної роботи знайшли практичне застосування на вітчизняних (НПК „Фотоприлад”, ТОВ „НВК „АСКЄНН” (м.Черкаси), Черкаський державний технологічний університет) та закордонних (ТДВ „Микротестмашины” (м. Гомель, Білорусь) підприємствах при обробці пластин з оптичного скла марок К8, БК10, ТК21 під вироби мікрооптики (растри мікролінз, відбиваючих мікроелементів, дифракційні решітки тощо), що дозволило зменшити мікрорельєф поверхні з Ra = 40...110 нм до Ra = 1,5...3,7 нм; збільшити повторюваність результатів обробки з 3…5% до 25…30% та надійність безперервної експлуатації виробів за умов згідно ОСТ3-69-77 з 10...15 років до 20 років; підвищити стабільність прикатодних процесів та збільшити час експлуатації дротяного вольфрамового катоду в електронній гарматі Пірса з 40 до 120 годин.

ПЕРЕЛІК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Основні положення дисертації опубліковано в таких роботах:

1. Канашевич Г.В., Бондаренко М.О. Сучасні варіанти з'єднань волоконно-оптичних ліній зв'язку // Вісник Черкаського державного технологічного інституту. - 1998. - №3. - С.56-62.

Автором проведений аналіз способів з`єднань оптичних волокон у волоконно-оптичних лініях зв`язку

2. Канашевич Г.В., Ващенко В.А., Бондаренко М.О. Перспективи використання електронного променя в технологіях інтегральної оптики // Вісник Черкаського державного технологічного інституту. - 2000. - №2. - С.189_193.

Автором проведений аналіз використання стрічкового електронного потоку в сучасних оптичних технологіях

3. Ващенко В.А., Канашевич Г.В., Дмитренко П.П., Бондаренко М.О., Рудь М.П. Вплив режимів електронно-променевої обробки на властивості поверхневих шарів оптичних керамік // Вісник Сумського державного університету. - 2001. - №9(30)-10(31). - С.154-161.

Автором проведені вимірювання мікротвердості поверхневих шарів оптичних керамік марок КО-1

4. Ващенко В.А., Канашевич Г.В., Дмитренко П.П., Рудь М.П., Бондаренко М.А. Влияние режимов электронно-лучевой обработки на свойства поверхностных слоев оптических стекол // Вісник Сумського державного університету. - 2002. - №5(38)-6(39). - С.99-105.

Автором визначена глибина проплавлення поверхневих шарів оптичного скла К8, К108 методом растрової електронної мікроскопії

5. Ващенко В.А., Канашевич Г.В., Дробот І.В., Бондаренко М.О. Реалізація заданного розподілення теплової дії за допомогою системи стрічкових електронних променів // Радиоэлектроника и информатика. - 2002. - №2(19), С.48-51.

Автором проведено розрахунок на ПЕОМ в математичному пакеті MathCAD 2001i розподілу теплової дії від електронного потоку для різної кількості джерел гаусового типу

6. Канашевич Г.В., Рудь М.П., Ващенко В.А., Бойко В.П., Бондаренко М.О., Яценко І.В. Автоматизація переміщень заготівок при формуванні функціональних шарів в оптичних матеріалах електронною обробкою // Радиоэлектроника и информатика. - 2004, №4. - С.54-58.

Автором розроблена система зв`язку ПЕОМ з пристроєм керування переміщенням оптичних заготовок при електронній обробці

7. Rud M.P., Boyko V.P., Kovalenko Yu.I., Bondarenko M.A., Kanashevich G.V., Vaschenko V.A. The express-diagnostics of band electronic stream // Вісник Черкаського державного технологічного університету, №3, 2005. - С.49-51.

Автором проведено обробку на ПЕОМ із залученням математичного пакету MathCAD 2001i результатів зондування електронного потоку стрічкової форми та побудовано вольт-амперні характеристики електронного потоку для різних режимів обробки

8. Ващенко В.А., Краснов Д.М., Канашевич Г.В., Дубровская Г.Н., Бондаренко М.А. Яценко И.В., Рудь М.П. Математическое моделирование и расчет влияния параметров ленточного электронного луча на процессы обработки изделий микрооптики и наноэлектроники // Международный сборник научных трудов “Прогрессивные технологии и системы машиностроения” - Донецк: ДонГТУ. - 2002. - Вып.20. - С.60-64.

Автором проведені дослідження впливу прискорюючої напруги та струму електронного потоку на залишкові мікронерівності поверхонь виробів мікрооптики

9. Канашевич Г.В., Дубровська Г.М., Бондаренко М.О. Структурні перетворення у поверхневому шарі оптичного скла та фотопластинах від дії низькоенергетичного електронного потоку // Материалы научно-технической конференции “Новые и нетрадиционные технологии в ресурсо- и энергосбережении”, г.Одесса, 2-4 июня 2004. - С.60-64.

Автором проведені дослідження мікроструктури поверхневого шару пластин із оптичного скла та фотопластин методом атомно-силової мікроскопії

10. Канашевич Г.В., Бондаренко М.О., Рукон А.К.М. Доцільність впровадження мікрооптичного виробництва в Україні // Матеріали VI Міжнародної науково-практичної конференції „Теорія і практика сучасної економіки”, Черкаси: ЧДТУ, 2005. - С.234-237.

Автором проведені розрахунки економічної ефективності від впровадження мікрооптичного виробництва лінзових растрів в Україні

11. Пат. 67516А Україна, МКИ С03С15/00. Спосіб виявлення дефектного приповерхневого шару оптичного скла / Г.М.Дубровська, Г.В.Канашевич, М.О.Бондаренко (Україна); Заявл. 09.10.2003; Опубл. 15.06.2004; Бюл. №6.

Автором проведені експериментальні дослідження приповерхневого шару оптичного скла К8, К108 після електронної обробки з наступним травленням у розчині HF+гліцерин методом електронної мікроскопії

12. Пат. 4752 Україна, МКИ С03В29/00; Н01J37/305. Пристрій для електронно-променевої обробки виробів / Г.В.Канашевич, М.О.Бондаренко, М.П.Рудь, В.А.Ващенко, І.В.Яценко (Україна); Заявл. 20.02.04; Опубл. 15.02.2005; Бюл. №2.

Автором розроблено та виготовлено схему системи програмного керування і контролю попереднім нагрівом та завершальним охолодженням оптичного скла при електронній обробці

13. Пат. 4177 Україна, МКИ С03В29/00; Н01J37/305. Пристрій для електронно-променевого полірування виробів / Г.В.Канашевич, Ю.І.Коваленко, М.О.Бондаренко, В.А.Ващенко, В.П.Бойко, М.П.Рудь, І.В.Яценко (Україна); Заявл. 20.02.04; Опубл. 17.01.2005; Бюл. №1.

Автором розроблено та виготовлено печі попереднього нагріву та завершального охолодження оптичного скла при електронному поліруванні

14. Канашевич Г.В., Ващенко В.А., Бондаренко М.О. Оптимізація параметрів стрічкового електронного потоку за допомогою зон термічного впливу // Тези доповідей Першої Міжнародної НТК “Машинобудування та металообробка - 2003”. - Кіровоград. - 17-19 квітня 2003. - С.15-16.

Автором досліджено зони термічного впливу на матеріалах, які виникли від термічної дії електронного потоку стрічкової форми

15. Бондаренко М.А. Програмне керування і контроль режимами попереднього нагріву та охолодження оптичного скла при електронно-променевій обробці // Матеріали Четвертої щорічної Промислової конференції з міжнародною участю та виставки “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях”. - Славське, Львівскої обл., Карпати, 2-7 лютого 2004. - С.240-242.

Автором розроблена програма на об`єктно-орієнтованій мові С++ керування попереднім нагрівом та завершальним охолодженням оптичного скла при електронній обробці

16. Дубровская Г.Н., Канашевич Г.В., Котляр А.В., Бондаренко М.А. Получение нанокристаллических пленок системы La2O3 - La - C // Сборник докладов 5-ой Международной научно-технической конференции “ОТТОМ-5”, г.Харьков, 27 сентября - 1 октября, 2004 г. - С.282-283.

Автором розроблена і відпрацьована методика дослідження мікрорельєфу поверхні нанокристалічних плівок методом атомно-силової мікроскопії

АНОТАЦІЯ

Бондаренко М.О. Підвищення ефективності електронної технології та обладнання для фінішної обробки оптичних пластин під вироби мікрооптики. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченої степені кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.07 - Процеси фізико-технічної обробки. Національний технічний університет України ”Київський політехнічний інститут”. - Київ, 2006.

Встановлені фактори і досліджені процеси, що впливають на ефективність електронної обробки поверхонь оптичних матеріалів. Вдосконалено обладнання і технологічний процес фінішної електронної обробки оптичного силікатного скла. Захищаються 16 наукових робіт, що містять результати дослідження поверхні оптичних виробів мікрооптики в залежності від режимів обробки: попереднього нагріву, електронної дії та охолодження. Якість обробки підвищується в результаті стабілізації струму емісії катода, юстирування електронно-оптичної системи електронної гармати, відстані інструменту обробки (електронної гармати) до об'єкту обробки, режимів попереднього нагріву і охолоджування виробів в процесі електронної обробки.

Ключові слова: електронний потік, електронна обробка (ЕО), електронна гармата (ЕГ), оптичне скло, мікрооптика (МО), атомно-силова мікроскопія (АСМ).

АННОТАЦИЯ

Бондаренко М.А. Повышение эффективности электронной технологии и оборудования для финишной обработки оптических пластин под изделия микрооптики. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.07 - Процессы физико-технической обработки. Национальный технический университет Украины ”Киевский политехнический институт”. - Киев, 2006.

Установлено, что основными факторами, влияющими на эффективность электронной обработки поверхностей пластин под изделия микрооптики из оптических стекол марок К8, БК10, ТК21 являются технологические параметры электронного потока (ускоряющее напряжение Uуск, ток потока Iп, скорость обработки , расстояние от электронной пушки до объекта обработки Н) и режимы нагрева и охлаждения оптических стекол. Параметрами качества поверхностей оптических материалов являются: чистота (0 класс чистоты), остаточные термонапряжения (3,2…3,6 МПа для изделий толщиной 2 мм), точность (І…0 кольца Ньютона), микронеровности (не больше 5 нм).

Усовершенствовано технологическое оборудование и оснастка (базовая установка УВН-74 дополнена электронной пушкой Пирса с проволочным катодом, системой нагрева и охлаждения, которая управляется системой программного управления и контроля процессами нагрева и охлаждения оптических изделий и обеспечивает необходимый тепловой режим с точностью 0,5 К, механизмом перемещения изделия в зону обработки), а также технологический процесс финишной электронной обработки оптического силикатного стекла марок К8, БК10, ТК21.

Разработан ряд методик, а именно:

- методика стабилизации технологических параметров катода электронной пушки Пирса, который учитывает температуру разогрева и эмиссионные характеристики проволочного вольфрамового катода. Даная методика позволила повысить качество и обеспечить стабильную эксплуатацию катода сроком до t = 110...120 часов;

- методика определения оптимального расстояния от электронной пушки до обрабатываемой поверхности по характеру термического влияния электронного потока на материал. Методика позволяет определить коэффициент сосредоточенности электронного потока на материале в зависимости от расстояния ”электронная пушка - обрабатываемая поверхность”;

- методика исследования микрорельефа поверхности оптического стекла обработанного электронным потоком современным методом атомно-силовой микроскопии, которая позволяет получать и исследовать микрорельеф участка поверхности (максимально - 1313 мкм) оптического материала

Показано, что эффективность обработки повышается в результате стабилизации тока эмиссии катода, юстировки электронно-оптической системы электронной пушки, удаления инструмента обработки (электронной пушки) от объекта обработки, оптимизации режимов предварительного нагрева и охлаждения изделий в процессе электронной обработки, а характеристики поверхности стекла до и после электронной обработки составили: чистота поверхности Р улучшается с ІІІ до І класс, а в 25% случаев до 0 класса, среднеарифметические микронеровности уменьшаются от Ra = 40...110 нм до Ra = 1,5...3,7 нм; увеличивается повторяемость результатов обработки (от 3…5% до 25…30%) и надежность непрерывной эксплуатации изделий в условиях согласно ОСТ3-69-77 от 10...15 до 20 лет.

Рассмотрена возможность использования разработанного оборудования и технологического процесса в основе технологии микрообработки и формирования функциональных слоев в оптических материалах для элементной базы микрооптики.

В 16 научных работах, которые защищаются, содержатся результаты разработки технологического оборудования и методик, а также результаты исследования поверхности оптических материалов в зависимости от режимов электронной обработки.

Ключевые слова: электронный поток, электронная обработка (ЭО), электронная пушка (ЭП), оптическое стекло, микрооптика (МО), атомно-силовая микроскопия (АСМ).

SUMMARY

електронний обробка поверхня оптичний

Bondarenko M.О. Rise of efficiency of electronic technology and equipment for finish treatment of optical plates for micro-optics elements. - Manuscript.

Dissertation for science degree of doctor of technical sciences in speciality 05.03.07 - The processes of physical and technical processing. National Technical University of Ukraine ”KPI” . - Kiev, 2006.

Factors are set and explored processes affecting quality of electronic treatment of surfaces of optical materials. The equipment and technological process of finish electronic treatment of optical silicate glass is improved. There are on the defensive the 16 advanced studies containing the results of research of surface of optical wares of micro-optics depending on the modes of treatment: preliminary heating, electronic influence and cooling. Quality of treatment rises as a result of stabilization of current of emission of cathode, tuning of the electronic and optic system of electronic gun, distance of instrument of treatment (electronic gun) to the object of treatment, modes of the preliminary heating and cooling of wares in the process of electronic treatment.

Key words: electronic stream, electronic treatment (ET), electronic gun (EG), optical glass, micro-optics (MO), atomic-force microscopy (AFM).

Размещено на Allbest.ru

...