СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИКРОКАНАЛЬНОЙ ПЛАСТИНЫ С ИСКРИВЛЕННЫМИ КАНАЛАМИ Российский патент 1997 года по МПК H01J43/24 H01J9/02 C03B37/10 

Изобретение относится к опто-электронной технике, стекольной технологии и используется для изготовления микроканальных пластин (МКП), применяемых для конструирования электронно-оптических преобразователей (ЭОП) и электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) для индикации излучений.

Известны микроканальные пластины с прямыми каналами, способы и устройства их изготовления [1] из термопластичного материала, обеспечивающие усиление потока электронов до 10⁴ при напряжении 900-1000 В.

Однако эти МКП не позволяют получить усиление более 10⁴ из-за появления большого уровня шума, возникающего из-за явления обратной ионной связи, которое при повышении напряжения выводит МКП и экран из строя.

Одним из путей подавления обратной ионной связи является искривление каналов. С помощью МКП с искривленными каналами удается получить усиление на порядок больше, т.е. 10⁵ против 10⁴ на прямых каналах.

Известны способы получения МКП с искривленными каналами [2] По этим способам искривление каналов производят либо прессованием в форме с волнообразными прессующими поверхностями отдельных пучков прямых канальных волокон, либо прокаткой пучков канальных волокон между профилированными валками, после чего эти пучки искривленных волокон укладывают в форму и спекают.

Недостаток этих способов заключается в том, что приемы предварительного искривления отдельных пучков каналов до спекания, их укладка трудоемки и не обеспечивают однородности степени изгиба каналов по площади пластины, что приводит к разнояркости изображения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения МКП с искривленными каналами, описанный в патенте Великобритании [1]
Этот способ включает вытягивание канального волокна, спекание канального волокна в блок, изготовление заготовок пластин механической обработкой, закрепление заготовки в форме, повторный нагрев заготовки до термопластичного состояния материала и искривление каналов в заготовке в термопластичном состоянии путем сдвига подвижной верхней части формы.

Этому способу присущи недостатки всех методов, в которых искривление каналов проводят путем передачи давления на массу стекла через физическое тело пуансон, валок, форму-матрицу, ибо при любой конструкции механизма невозможно исключить разную степень искривления каналов по площади пластины, что приводит к разной степени усиления по полю и разносвечению.

При создании предложенного изобретения решалась задача разработки технологии изготовления МКП с искривленными каналами, имеющими более однородную степень изгиба по полю пластины путем деформации заготовки в термопластичном состоянии за счет сил инерции.

Задача решается следующим образом.

Заготовку пластины изготавливают путем вытягивания канального волокна из термопластичного материала, например стекла, обладающего или приобретающего после дополнительных обработок, например после восстановления в водороде, свойства вторичной эмиссии электронов, спекания его в блок с параллельными каналами, который разделывают механическим путем на заготовки в виде пластин. Заготовку пластины, имеющую форму прямой призмы или прямого цилиндра, причем острый угол между осями каналов и высотой не превышает 17^o, закрепляют в форме, которая плотно охватывает заготовку по части боковой поверхности, нагревают повторно до размягчения и создают силу инерции, действующую на массу пластины в термопластичном состоянии перпендикулярно ее высоте.

При воздействии сил инерции на заготовку в термопластичном состоянии при условии частичного закрепления заготовки происходит деформация каналов по высоте заготовки за счет сдвига слоев пластины одновременно и равномерно по всему полю заготовки, причем величина сдвига плавно изменяется от нуля в месте закрепления, увеличиваясь по мере удаления от него. Величину сдвига можно регулировать, изменяя температуру и величину силы инерции. Диапазон углов первоначального наклона осей каналов к высоте составляет от 0 до 17^o.

Описанный способ изготовления МКП с искривленными каналами может быть реализован в различных вариантах.

В частности, реализуя способ, заготовку закрепляют с торца в форме с поверхностью, несмачиваемой материалом заготовки (например, стальной, покрытой нитридом бора или графитом). При этом высота формы должна быть не менее 0,2 толщины заготовки пластины, а для создания силы инерции форму приводят в движение в направлении, перпендикулярном высоте заготовки, а затем резко останавливают.

Соотношение высоты формы и толщины пластины выбирается исходя из требования надежного закрепления заготовки пластины в форме для предотвращения ее выпадения из формы при действии приложенных сил инерции, а требование к поверхности формы (несмачиваемости стеклом) позволяет исключить прилипание заготовки и тем самым облегчить процедуру извлечения ее из формы без разрушения.

В этом варианте возможно использовать прием, в котором заготовку дополнительно закрепляют в матрице со второго торца, причем обе матрицы, верхняя и нижняя, жестко соединены. Это позволяет изменять форму изгиба каналов.

Для регулирования степени изгиба дополнительно создают градиент температуры по высоте пластины за счет охлаждения одного из торцев заготовки с помощью холодильника, например, водяного.

Возможно также осуществление способа следующим приемом. Заготовку в виде прямой призмы с каналами, перпендикулярными боковым поверхностям, закрепляют в форме с поверхностью, несмачивающейся материалом заготовки, так, что основание и три грани заготовки совмещаются с тремя внутренними поверхностями и основанием формы, которая имеет высоту не менее толщины заготовки и приводят ее в движение в направлении четвертой грани формы, имеющей фигурный, например, S-образный профиль, при этом направление движения перпендикулярно высоте заготовки.

Оптимальный интервал вязкостей во всех частных случаях реализации способа 10^5,5-10^7,6 пуаз.

Общая схема получения МКП следующая.

Вытягивают двухслойное канальное волокно из термопластичного материала, например стекла. Для сохранения формы канала внутренний слой канального волокна изготавливается из растворимого в слабой кислоте стекла.

Спекают двухслойное канальное волокно в блок; распиловкой и механической распиловкой изготавливают заготовки пластин, имеющих форму прямой призмы или прямого цилиндра, затем заготовку закрепляют в форму, нагревают до термопластичного состояния, производят искривление каналов, снижают температуру до температуры отжига, отжигают пластину, затем повторной механической обработкой доводят габариты заготовки до требуемых размеров в случае отклонения размеров заготовки от требуемых.

Отжиг проводится с целью снятия напряжения в заготовке, что повышает прочность пластины.

После отжига производят травление пластины с целью удаления растворимой составляющей канального волокна для получения полых каналов. Затем, если исходное стекло обладает вторичной эмиссией электронов, то на пластину наносят катоды. Если стекло в первоначальном виде не обладает эффектом вторичной эмиссии, то проводят дополнительную обработку пластины, например восстановление в водороде, или нанесение эмиссионного слоя внутрь канала напылением и после этого наносят катоды.

На фиг.1 изображено устройство, с помощью которого реализовался описанный выше способ; на фиг.2 и 3 соответственно представлен вариант частичного закрепления пластины-заготовки путем закрепления с торца и пластина с искривленными каналами после проведения процесса деформации в такой форме.

На фиг.4, 5 изображен вариант с закреплением пластины с двух торцов.

На фиг.6, 7 и 8, 9 показан вариант осуществления способа, в котором заготовку закрепляют в форме, имеющей грань с фигурным профилем.

Примеры осуществления способа.

Способ осуществляется с помощью устройства (фиг.1), состоящего из печи нагрева 1, формы матрицы 2, снабженной штоками 3, пружинного ударника 4, стопора ударника 5, буфера 6, холодильника 7, заглушек жарового пространства 8, направляющих пластин 9.

Пример 1 (фиг.2). Заготовку пластины 10 из стеклянного капиллярного волокна, имеющую форму параллелепипеда размером 26х26х3 мм помещают в форму из жаропрочной стали 2, имеющей плоские стенки, параллельные оси заготовки OO₁, перпендикулярной большим торцевым поверхностям 26х26, которые плотно охватывают заготовку пластины по боковым поверхностям, причем высота захвата пластины составляет 0,6 мм, т.е. 0,2 ее толщины. Форму предварительно смазывают пудрой из карбида бора, препятствующей прилипанию стекла.

Форму помещают в жаровое пространство печи 1 (фиг.1), между направляющими пластинами 9, шток формы 3 пропускают в отверстие заглушки 8 жарового пространства. Взводят пружинный ударник 4 и устанавливают стопор ударника 5. Печь разогревают до температуры размягчения материала заготовки 640^oС, вязкость стекол 10^6,8 пуаз, выдерживают при температуре 640^oС 40 мин и производят освобождение стопора ударника 5, в результате форма приводится в движение, при достижении заднего отрезка штока 3 формы 2 буфера 6 происходит резкая остановка формы, в результате в заготовке создаются инерциальные силы, под действием которых равномерно сдвигается масса заготовки, выступающая из формы и имеющая свободное пространство для перемещения.

Происходит равномерное искривление каналов по форме, показанной на фиг. 3. Сдвиг при выбранных условиях составляет примерно 3 диаметра канала ≈30 мкм. Однородность по полю в пределах 1/8 канала.

Величину сдвига возможно варьировать, изменяя температуру нагрева заготовки и силу пружины.

После проведения изгиба заготовку отжигают при температуре 480^oC 1 ч и охлаждают до комнатной температуры, извлекают из формы и подвергают мехобработке и другим операциям, описанным выше.

Пример 2. Заготовку пластины в виде цилиндра диаметром 26 мм и толщиной 3 мм помещают в форму из жаропрочной стали, состоящей из двух матриц, плотно охватывающих пластину с двух торцев, как показано на фиг.4, причем ширина захвата по высоте от каждого торца составляет 0,2 толщины пластины, а средняя часть цилиндра остается свободной. Матрицы предварительно смазывают пудрой из карбида бора, препятствующей прилипанию стекла.

Форму помещают в жаровое пространство печи, печь разогревают до температуры 680^oC, вязкость стекол 10^5,5, выдерживают 10 мин и освобождают стопор 5, в результате создания инерциальных сил средние слои заготовки, не соприкасающиеся со стенкой формы, сдвигаются и происходит искривление канала по форме, показанной на фиг. 5. Сдвиг в средней части заготовки составляет 4 диаметра канала ≈ 40 мкм. Равномерность сдвига 1/8 диаметра канала. Далее заготовки отжигаются до комнатной температуры и подвергаются мехобработке и другим операциям.

Пример 3. Фиг. 6, 7, 8, 9.

Заготовку в виде параллелепипеда 26х26х3 мм помещают в форму, рабочее пространство которой по глубине равно толщине пластины, а фронтальная стенка 11 (фиг.6, 8), в направлении которой происходит сдвиг массы пластины, имеет S- или С-образный профиль, как показано на фиг.6 и 8. Пластину в печи нагревают до 620^oС, вязкость 10⁷ пуаз, производят манипуляции, описанные в примере 1. В результате действия инерционных сил происходит изгиб каналов, повторяющий профиль фронтальной стенки формы (фиг. 7, 9).

Пример 4. Заготовки в форме параллелепипеда 26х26х3 мм помещают в форму (фиг. 2) аналогично описанному в примере 1. Нагревают заготовку до 670^oC, вязкость 10^5,5, дополнительно пропускают воду через холодильник 7, тем самым охлаждают одну поверхность, в результате в заготовке создается градиент вязкости по высоте и производят манипуляции, описанные в примере 1. Сдвиг каналов на 4 диаметра канала ≈40 мкм при равномерности сдвига 1/8 канала по полю.

Общая схема получения МКП с искривленными каналами одинакова как для случая применения двуслойного волокна, так и для однослойного волокна. Отметим также, что наклон каналов к высоте заготовки необходим для исключения в МКП прямого пролета электронов и вывода прямопролетного пятна за пределы рабочего поля.

Использование: в оптоэлектронной технике, стекольной технологии и для изготовления микроканальных пластин, применяемых для создания электронно-оптических преобразователей и электронно-лучевых трубок. Для изготовления микроканальной пластины из термопластичного материала вытягивают канальное волокно, спекают его в блок с параллельными каналами, из которого механической обработкой изготавливают заготовку в виде пластины, имеющей форму призмы или прямого цилиндра с острыми углами между осью каналов и высотой, не превышающей 17^o, закрепляют в форме, которая охватывает заготовку по части боковой поверхности, повторно нагревают заготовку и осуществляют искривление каналов, создавая в заготовке силу инерции, действующую на массу заготовки в термопластичном состоянии в направлении, перпендикулярном ее высоте. 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ изготовления микроканальной пластины с искривленными каналами, включающий вытягивание канального волокна из термопластичного материала, обладающего или приобретающего после дополнительной обработки свойства вторичной электронной эмиссии, например стекла, спекание волокна в блок с параллельными каналами, изготовление заготовок в виде пластин с параллельными каналами механической обработки, закрепление заготовки в форме, повторный нагрев заготовок до термопластичного состояния материала и искривление каналов в заготовке в термопластичном состоянии, отличающийся тем, что заготовку пластины из термопластичного материала, выполненную в виде прямой призмы или прямого цилиндра с острым углом между осью каналов и высотой, не превышающим 17^o, закрепляют в форме, которая плотно охватывает заготовку по части боковой поверхности, а искривление каналов осуществляют, создавая в заготовке силу инерции, действующую на массу заготовки в термопластичном состоянии в направлении, перпендикулярном ее высоте. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку закрепляют с торца в форме, поверхность которой не смачивается материалом заготовки, причем ширина захвата составляет не менее 0,2 толщины заготовки пластины, а силу инерции создают, приводя форму в движение, направление которого перпендикулярно высоте заготовки, затем резко ее останавливая. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что заготовку дополнительно закрепляют в форме со второго торца, причем верхняя и нижняя части формы жестко соединены. 4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что дополнительно создают градиент температуры по высоте пластины, например, за счет охлаждения одного из торцов заготовки с помощью холодильника, например водяного. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку в виде четырехгранной призмы с каналами, параллельными боковой поверхности призмы, закрепляют в форме, поверхность которой не смачивается материалом заготовки, так, что основание и три грани заготовки совмещаются с основанием и с тремя внутренними поверхностями формы, причем толщина заготовки не превышает глубину формы, а силу инерции создают, приводя форму в движение, в направлении ее четвертой грани, имеющей фигурный, например, S-образный профиль, и затем резко ее останавливая, при этом направление движения перпендикулярно высоте заготовки. 6. Способ по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что искривление каналов производят в интервале вязкости 10^5 , 5 10^7 , 6 пуаз.