СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО УЗЛА ФОТОЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА Российский патент 1996 года по МПК H01J9/26 

Предлагаемое изобретение относится к технологии электровакуумного приспособления, а именно к технологии производства вакуумных фотоэлектронных приборов (ФЭП).

Известен способ изготовления волоконно-оптического узла, основанный на использовании слоя стеклокристаллического цемента или, как его еще называют, стеклокристаллического материала (СКМ), формируемого из предварительно спрессованного и спеченного при температуре на 90-100^оС ниже температуры кристаллизации в течение 80-90 мин порошка этого СКМ с добавкой 4-6 мас. полиэтиленгликоля или парафина [1]
Недостатком данного способа является сложность приготовления пресс-порошка, наличие пор в шве пайки и припеченных частичек СКМ на рабочих поверхностях волоконно-оптических пластин (ВОП) после выполнения операции соединения, а также недостаточно высокие вакуумные свойства соединения деталей из-за применения органических связующих веществ в пресс-порошке.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является способ изготовления волоконно-оптического узла, в котором соединение ВОП с металлической оправой осуществляется путем пайки через слой СКМ, полученного предварительной прессовкой при удельном давлении 10-15 г/см² и спеканием при удельном давлении 130-145 г/см² горячим прессованием при температуре формирования первичных паяных межсоединений частиц в стеклофазе СКМ в течение 25-35 мин [2]
Недостатком данного способа является наличие дефектов на рабочих поверхностях ВОП в виде припеченных частичек СКМ после выполнения операции соединения, хрупкость и осыпаемость слоя СКМ, наличие на нем выступающих кромок по наружной и внутренней поверхности, недостаточная равномерность и недостаточная мелкоструктурность кристаллической фазы, а также пористость шва пайки.

Техническим результатом изобретения является устранение дефектов узлов в виде припеченных частичек СКМ на рабочих поверхностях ВОП, уменьшение пористости шва пайки и получение максимально равномерной и мелкокристаллической структуры закристаллизованного в процессе пайки СКМ, что обеспечивает повышение механической и термической прочности соединения ВОП с металлической оправкой, а также способствует получению более стойкого электропроводного слоя между ВОП и оправкой в виде напыляемого слоя в вакууме.

Указанный результат достигается тем, что в способе изготовления волоконно-оптического узла ФЭП, включающего соединение металлической оправы с ВОП путем пайки через слой на основе СКМ предварительно сформованного в виде припоечного кольца на одной из соединяемых деталей холодным прессованием при удельном давлении 10-15 г/см² и горячим прессованием при удельном давлении 130-145 г/см² и температуре формирования первичных паяных межсоединений в стеклофазе СКМ в течение 25-35 мин, спрессованный холодным прессованием слой СКМ спекают и остекловывают при температуре полного расплавления стеклообразующих компонентов СКМ с выдержкой при этой температуре 1-2 мин.

На фиг. 1 представлен волоконно-оптический узел со сферической рабочей поверхностью ВОП; на фиг. 2 представлен волоконно-оптический узел с плоской рабочей поверхностью ВОП; на фиг. 3 представлена металлическая оправа волоконно-оптического узла со спрессованным слоем СКМ на приклеечной поверхности; на фиг. 4 металлическая оправа волоконно-оптического узла со спеченным и остеклованным слоем СКМ на приклеечной поверхности; на фиг. 5 и 6 волоконно-оптические узлы с дефектами в виде припеченных частичек СКМ на рабочих поверхностях ВОП.

На чертежах приняты следующие обозначения: 1 металлическая оправа; 2 волоконно-оптическая пластина (ВОП); 3 закристаллизованный слой СКМ; 4 шов пайки; 5 контактный слой; 6 фотокатод; 7 спрессованный слой СКМ; 8 спеченный и остеклованный слой СКМ; 9 припеченные частички СКМ.

Способ реализуется следующим образом. Исходный порошок СКМ просушивают при температуре 200-100^оС в течение 10-15 мин и просеивают через сито. Затем просеянный СКМ засыпают при помощи разгрузочного устройства на одну из склеиваемых деталей, например металлическую оправу 1, используя при этом необходимую воронку, и устройством прессования обеспечивают прессование с удельным давлением 10-15 г/см² для этого может применяться простая втулка.

Полученный спрессованный слой СКМ 7 освобождают от загрузочных деталей и устройства прессования и вместе с оправкой 1 устанавливают на нагреватель, который может быть выполнен в виде цилиндрической печки, свернутой из металла и обвитой нагревателем. На нагревателе деталь (металлическая оправа 1) с нанесенным спрессованным слоем СКМ 7 подвергается термообработке по следующему температурному режиму: подъем температуры до спекания и остекловывания при полном расплавлении стеклообразующих компонентов СКМ, выдержка при этой температуре 1-2 мин, снижение температуры до 40-20^оС. После термообработки деталь (металлическая оправа 1) извлекается из печки со спеченным и остеклованным слоем СКМ 8 и в виде кольца на склеиваемой поверхности.

Металлическую оправу 1 со спеченным и остеклованным на ней слоем СКМ 8 в виде кольца с необходимыми размерами помещают в специальное приспособление, устанавливают на нее ВОП и затем осуществляют соединение этих деталей пайкой в печи при температуре кристаллизации СКМ в течение 60-90 мин с образованием вакуумплотного закристаллизованного слоя СКМ 3 и плавного шва пайки 4. После этого производят типовой процесс напыления контактного слоя 5 в вакууме и формирование фотокатода 6 по принятой в зависимости от конструкции ФЭП технологии.

Температура термообработки спрессованного слоя СКМ 7 для получения спеченного и остеклованного слоя СКМ 8, определяемая полным расплавлением стеклообразующих компонентов СКМ, выбирается из следующих соображений. Превышение этой температуры приводит к появлению центров кристаллизации и началу кристаллизации СКМ, что затрудняет процесс соединения деталей узла при пайке из-за резкого снижения растекаемости и смачивания слоем СКМ поверхностей соединяемых деталей. В случае проведения термообработки при температуре ниже, чем температура полного расплавления стеклообразующих компонентов СКМ, спеченный слой СКМ 8 будет обладать такими неравномерностями в структуре, которые при пайке узла образуют дефекты в виде припеченных частичек СКМ 9 на рабочих поверхностях ВОП и не обеспечивают максимально равномерную и мелкокристаллическую структуру закристаллизованного слоя СКМ 3. Кроме того, шов пайки 4 в соединении будет иметь поры, ухудшающие качество контактного слоя 5.

Выдержка при температуре полного расплавления стеклообразующих компонентов СКМ в течение 1-2 мин выбирается из следующих соображений. Превышение указанного времени не приводит к каким-либо изменениям в расплаве, а уменьшение этого времени не дает полного расплава стеклообразующих компонентов.

При изготовлении волоконно-оптического узла и спекании слоя СКМ исключается оснастка для горячего прессования и упрощаются нагревательные устройства.

Изготовление слоя СКМ в отличие от прототипа существенно упрощается за счет легкой управляемости процесса спекания. Спеченный слой прочно удерживается на металлической оправе, что способствует удобству в работе при выполнении операций сборки приспособлений пайки и установки ВОП, остеклованное состояние слоя исключает возможность царапания поверхностей ВОП, имеющих ступеньки, как это показано на фиг.2. Кроме того, остеклованный слой СКМ позволяет упростить длительное межоперационное хранение из-за минимальной влаго- и газопоглощающей способности.

Для изготовления волоконно-оптического узла фотоэлектронного прибора в качестве исходного порошка СКН может быть использован цемент СЦНК 77-2, который просушивают при температуре 200^оС 10-15 мин, просеивают через сито, засыпают на одну из склеиваемых деталей и прессуют при удельном давлении 10-15 г/см². Затем деталь с полученным спрессованным слоем устанавливают на нагреватель, повышают температуру до 400^оС, выдерживают 1-2 мин и снижают ее до 20-40^оС. После термообработки деталь со спеченным и остеклованным на ней слоем цемента соединяют с ВОП пайкой в печи при температуре кристаллизации цемента СЦНК 77-2 3 450^оС в течение 60-90 мин. После этого проводят типовой процесс напыления контактного слоя в вакууме и формирование фотокатода.

По предлагаемому способу были изготовлены волоконно-оптические узлы серийно изготавливаемых ФЭП. При упрощении технологии и сокращении времени образования спеченного слоя СКМ применение данного способа позволило устранить брак по припеченным частичкам СКМ на рабочих поверхностях ВОП, увеличить стойкость контактного слоя за счет уменьшения пористости, обеспечить повышение прочности соединения.

Пористость шва пайки волоконно-оптического узла вредно сказывается на стойкости контактного слоя, получаемого напылением металлической пленки, например, хрома, в вакууме. Уменьшение пористости позволяет получить более сплошную пленку с меньшим числом концентраторов отрыва от шва пайки. Данные по пористости приведены в табл. 1.

Равномерность и мелкокристалличность структуры закристаллизованного слоя СКМ оказывает значительное влияние на термомеханическую прочность соединения ВОП с металлической оправкой в волоконно-оптическом узле ФЭП. Сравнительные данные по этому параметру приведены в табл. 2.

Обобщающим показателем прочности узла, связанной с равномерностью и мелкокристалличностью структуры закристаллизованого слоя СКМ, может быть удельное усилие разрушения соединения, определяемое на разрывной машине. Сравнительные данные по испытаниям макетов узлов в виде двух соединенных при помощи СКМ металлических оправ приведены в табл. 3.

Назначение: технология электровакуумного приборостроения. Сущность изобретения: для повышения механической и термической прочности узла фотоэлектронного прибора при соединении металлической оправы с волоконно-оптической пластиной путем пайки через слой стеклокристаллического материала предварительно сформованного в виде припоечного кольца с последующим спеканием, стеклокристаллический материал спекают и остекловывают при температуре полного расплавления стеклообразующих компонентов с выдержкой при этой температуре 1 - 2 мин. 6 ил.

Способ изготовления волоконно-оптического узла фотоэлектронного прибора, включающий соединение металлической оправы с волоконно-оптической пластиной путем пайки через слой стеклокристаллического материала, предварительно сформованного в виде припоечного кольца на одной из соединяемых деталей прессованием с последующим спеканием, и формирование контактного слоя вакуумным напылением, отличающийся тем, что спекание стеклокристаллического материала осуществляют при температуре полного расплавления его стеклообразующих компонентов в течение 1 2 мин.