способ изготовления поглотителя энергии в свч-приборах

Формула изобретения

Способ изготовления поглотителя энергии в СВЧ-приборах, состоящий в формировании пластины из поглощающего СВЧ-энергию материала, шлифовании поверхностей этой пластины и формировании из нее поглотителя необходимой конфигурации посредством резки пластины, отличающийся тем, что формирование поглотителя осуществляют путем контурной лазерной резки импульсами лазерного излучения наносекундной длительности, с энергией менее 2 мДж/импульс и плотностью мощности в зоне обработки, превышающей 510⁷ Вт/см².

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области СВЧ-электроники и может быть применено в приборах и устройствах, в которых требуется полное или частичное поглощение СВЧ-энергии. Изобретение позволяет осуществлять изготовление поглотителей любой необходимой конфигурации для избирательного поглощения СВЧ-энергии в заданном участке спектра, для поглощения паразитных или наведенных СВЧ-полей и изменения добротности резонаторов. Оно может быть использовано в технологии изготовления ламп бегущей волны, клистронов и им подобных приборов.

Известен высокотемпературный материал, поглощающий СВЧ-энергию, и способ его изготовления [1]. Материал приготовляется из шихты тугоплавких соединений путем спекания в формиргазе при температуре 1750^oС.

Формирование поглотителей сложной формы при этом затруднено. Это связано как с трудоемкостью изготовления отливочной или прессформ, так и технологическими особенностями заливки шихты - образованием неконтролируемых полостей и изменением стехиометрии по объему. При уменьшении габаритов СВЧ-приборов возникает необходимость изготовления миниатюрных поглотителей. При этом описанные выше трудности возрастают. В условиях мелкосерийного многономенклатурного производства проблема усугубляется. Получение сложной конфигурации поглотителей путем механической обработки требует значительной трудоемкости и применения сверхтвердого инструмента. Возникает потребность в простом надежном способе формирования поглотителей энергии в СВЧ-приборах.

Известен способ изготовления поглотителя энергии в СВЧ-приборе [2], взятый в качестве прототипа, включающий формование пластины из поглощающего СВЧ-энергию материала, шлифование поверхностей этой пластины. Далее производят формирование из нее поглотителя необходимой конфигурации путем резки на квадраты нужного размера, кругления квадратов и резки полученных дисков на сектора. Процесс формования состоит в подготовке шихты необходимого состава, заправки ее в форму и отжиге по специальному режиму в присутствии необходимого газа. Шлифование осуществляется на плоскошлифовальном станке, например марки 3Г71М, алмазным кругом, например типа 1А1 0200 - 250 мм. Затем пластина разрезается на квадраты нужного размера на алмазно-обрезном станке, например марки К8611, или алмазно-отрезным кругом на заточном станке, например типа 3Г642. Затем квадраты склеиваются в пакет и производится их кругление на круглошлифовальном станке, например ЗУ10МАФ10, до необходимого размера. Резка на сектора (непосредственно готовый поглотитель) производится на установке, например УРПУ-150, путем разделения скругленных пластинок алмазными кругами с высокой скоростью вращения. Для этой операции заготовки приклеиваются смолой на стеклянную пластину-носитель, процесс сопровождается подачей воды и сжатого воздуха в зону обработки.

Недостатками способа - прототипа являются:

- использование дорогостоящего расходуемого инструмента (алмазных кругов);

- значительные отходы поглощающего материала;

- низкая точность изготовления;

- контакт со смолой;

- контакт с растворителем;

- контакт с водой;

- высокая трудоемкость процесса, включающего несколько связанных операций.

Предложен способ изготовления поглотителя энергии в СВЧ-приборах, состоящий в формовании пластины из поглощзкщего СВЧ-энергию материала, шлифовании поверхностей этой пластины и формировании из нее поглотителя необходимой конфигурации путем контурной лазерной резки импульсами лазерного излучения наносекундной длительности, с энергией менее 2 мДж/импульс и плотностью мощности в зоне обработки, превышающей 510⁷ Вт/cм².

В предлагаемом способе изготовления поглотителя операции резки пластины на квадраты, их кругления и резки сегментов с использованием алмазного инструмента заменяются лазерной резкой шлифованной пластины по необходимому сложному контуру. При этом режим лазерной резки не должен допускать перегрева материала пластины. Перегрев приводит к потере материалом свойств по поглощению СВЧ-энергии. Отсутствие перегрева достигается импульсным режимом лазерного воздействия с энергией импульса излучения менее 2 мДж. При этом нагрев всей энергией импульса образца с удельной теплоемкостью молибдена и массой всего 2 мг не превышает 1 К (сравнение с молибденом производится из-за вхождения его в состав многих материалов поглотителей, а так же из-за теплофизических свойств, близких к свойствам большинства материалов поглотителей). Для эффективности резки материала лазерным излучением плотность мощности в зоне обработки должна превышать критическую величину, при которой сравниваются скорости распространения тепла и фронта испарения [3] (для молибдена эта величина изменяется в пределах от 0,510⁸ до 510⁸ Вт/см² при уменьшении длительности импульса от 1000 нс до 10 нс). Использование наносекундных импульсов излучения связано с размером слоя материала, прогретого из-за распространения тепла из зоны обработки. Эта величина равна корню квадратному из произведения коэффициента температуропроводности на длительность импульса излучения. При уменьшении длительности импульса излучения от 1000 нс до 10 нс величина прогретого слоя для молибдена изменяется от 7 мкм до 0,7 мкм. Даже для самых малых поглотителей эта величина гораздо меньше 1% их линейных размеров и не оказывает влияния на свойство объемного поглощения СВЧ-энергии. Способ может быть использован для любого типа поглощающего СВЧ-энергию материала: КТ30, керамики, керметов и др.

Использование предлагаемого способа:

- уменьшает трудоемкость изготовления поглотителя, т.к., фактически, включает только одну операцию резки, и, практически, не требует ни одной точной настройки (позиционирования);

- исключает неоднократное использование алмазного инструмента нескольких наименований;

- повышает точность размеров поглотителя за счет исключения ошибки оператора (отсутствует процесс позиционирования) и за счет отсутствия износа инструмента;

- уменьшает расход материала, т.к. не требуется кругление, отсутствуют остатки после отрезания сегментов;

- не требует очистки от смолы, растворителя и воды;

- предпочтительно при миниатюризации поглотителей.

В качестве лазерного источника был применен лазер на парах меди в составе макета автоматизированной лазерной технологической установки "Каравелла" [4]. Шлифованные пластины из поглощающего СВЧ-энергию материала толщиной 0,5 мм располагались на рабочей площадке координатного стола. Крепление пластины осуществлялось при помощи магнитов. Лазерная резка осуществлялась по заранее запрограммированному на СЧПУ контуру. По завершении лазерной резки готовый поглотитель помещался в тару. Один из использованных режимов обработки имел следующие параметры:

- энергия импульса излучения - 0,5 мДж;

- частота следования импульсов - 10 кГц;

- длительность импульса - 20 нс;

- плотность мощности - 310⁹ Вт/см².

Были изготовлены несколько типов поглотителей энергии для различных СВЧ-приборов, в т.ч. и конструкции прототипа [2]. Хорошая работа этих приборов подтверждает высокое качество поглотителей энергии в СВЧ-приборах изготовленных с помощью предлагаемого способа.

Литература

1. Патент Российской Федерации 1776078 (приоритет от 08.01.91 г). МКИ С 22 С 39/12. "Высокотемпературный поглощающий СВЧ-энергию материал", Пархоменко С.И., Иноземцева А.В., Мушкаренко Ю.Н.

2. Технологическая карта 358.011ТК.

3. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник / Н.И. Рыкалин, А.А. Углов, И.В. Зуев и др. - М.: Машиностроение, 1985.

4. Справочник ЛАС, 1999.