Лазерный аппарат для термической обработки нераспыляемых геттеров Российский патент 2021 года по МПК B23K26/352 B23K26/62 C21D1/09 

Изобретение относится к технологическому оборудованию для дегазации и активации нераспыляемых геттеров и может быть использовано при производстве электровакуумных и газоразрядных приборов, в том числе газовых лазеров и лазерных гироскопов со встроенными геттерами.

Материал геттера абсорбирует газы и отчасти окисляется в период, предшествующий его установке в герметизируемом замкнутом объеме. Это определяет необходимость его дегазации и активации непосредственно в приборе в процессе его термовакуумной обработки.

Известны устройства для термовакуумной обработки геттеров, основанные на резистивном, индукционном и лазерном нагреве.

Типичное устройство на основе резистивного нагрева для термовакуумной обработки геттеров [А.В. Нестеров. Высоковакуумный нераспыляемый газопоглотитель. Краткие сообщения ОИЯИ 1999, №1 (93), стр. 72-77] представляет собой газопоглотитель, содержащий нихромовую или вольфрамовую проволоку, образующую резистивный нагреватель, подключаемый к блоку электропитания, который имеет регулятор, обеспечивающий выбор мощности нагревателя для достижения требуемой температуры.

Недостатком этого устройства является относительно низкое качество термообработки геттера в условиях естественных флуктуаций параметров теплоотвода при изменяющемся составе газовой среды в процессе термообработки геттера.

Другой недостаток - необходимость наличия дополнительных технологических электродов, встроенных в корпус прибора.

Известно также устройство [В.Н.G. Ljung, J.С. Stiles. Ring laser gyroscope getter-holder. US Patent 4,503,543. Mar. 5, 1985, H015 3/083], обеспечивающее бесконтактный нагрев металлических газопоглотителей на основе индукционного нагрева.

Оно состоит из катушки излучателя, электрически сопряженного с высокочастотным генератором, при этом индуктор может быть установлен вне диэлектрического корпуса прибора с геттером и обеспечивать дистанционный нагрев, который контролируется по интенсивности теплового излучения фотометрическими средствами.

Недостатком этого устройства является относительно низкая возможность обеспечить локальность термообработки, в результате чего нежелательному воздействию могут быть подвержены окружающие геттер детали прибора.

Кроме того, недостатком устройства является относительно большая потребляемая мощность и габариты высокочастотной катушки, не позволяющие проводить технологические операции в ограниченном пространстве при наличии сопутствующей оснастки.

Помимо указанных выше, известно устройство [S.N. Cha, J.Y. Choung, В.G. Song, J.M. Choi, I.T. Han, N.S. Park, J.E. Jung, N.S. Lee, J.M. Kim, J.K. Chee, J.P. Hong. Improved performance of nonevaporable getter activated by a continuous wave infrared laser. J. Vac. Sci. Technol. B, 2001 V. 19, No3., P. 870-873] на основе лазера, излучение которого воздействует на обрабатываемый геттер. Возможность широкого применения устройства с лазерным нагревом обусловлена конструктивными особенностями многих электровакуумных приборов, использующих в качестве материалов корпуса стекло (в случае различных электроламп) или прозрачную стеклокерамику (в случае корпусов датчиков лазерных гироскопов).

Рассматриваемое устройство состоит из непрерывного твердотельного лазера на АИГ:Nd, зеркала, направляющего луч через стеклянную оболочку на активируемый геттер и устройства равномерного сканирования лазерного пучка по его поверхности, причем, возможно использование устройства в комплексе с блоком регулировки мощности лазерного излучения и блока мониторинга давления остаточных газов в замкнутой полости во время термовакуумной обработки, а также таймера контроля времени технологической операции.

Применение лазерного излучения ускоряет процесс регенерации газопоглотителя и увеличивает его емкость для последующей адсорбции в период эксплуатации прибора, а также позволяет повысить температуру активации и сократить время ее проведения, повышает степень локализации воздействия, обеспечивая бесконтактность нагрева.

Недостатком устройства является отсутствие в нем средств контроля температуры геттера, основанное на предположении, что параметры лазерного воздействия (мощность непрерывного излучения, скорость перемещения пучка по поверхности, время процесса) могут быть однажды установлены по результатам воздействия на контрольный образец соответствующего состава и формы, а потом повторяться для остальных элементов с достижением того же эффекта. Но это не может быть гарантировано при изменяющихся условиях теплообмена. Отсутствие контроля температуры активации геттеров увеличивает процент брака при производстве электровакуумных приборов: перегрев геттера может вызывать деградацию его материала, а недостаточная температура может явиться причиной снижения срока службы прибора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для лазерной обработки геттеров [CN 105674973 A, G01C 19/64, 15.06.2016], которое содержит мощный полупроводниковый излучатель, длина волны которого находится в ближнем инфракрасном диапазоне, а также оптоволоконный кабель с наконечником и оснасткой для наведения оси выходного пучка в центр геттера перпендикулярно его поверхности внутри герметичного корпуса электровакуумного прибора, при этом содержит блок регулировки мощности лазерного излучения для достижения температуры геттера, установленной для однотипных деталей по результатам предварительной калибровки, а также таймер с возможностью установки времени, необходимого для достижения эффекта активации геттера при непрерывном облучении.

Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкое качество термической обработки нераспыляемых геттеров, обусловленное тем, что отсутствуют средства измерения температуры геттера во время термовакуумной обработки, что не позволяет использовать оптимальные режимы его термообработки. Режимы нагрева могут быть заданы только посредством регулировки мощности лазера, что является недостаточным в случае изменения условий теплообмена геттера с окружающей средой. Например, условия контакта геттера с элементами крепежа могут отличаться в разных изделиях из-за естественного технологического разброса. Дополнительная неопределенность обусловлена изменениями давления газов вокруг геттера в процессе его дегазации и активации.

Применение внешнего пирометра для контроля температуры оказывается невозможно с этим устройством, поскольку выходной конец оптического кабеля для лазерного излучения должен устанавливаться напротив геттера в непосредственной близости от него, полностью перекрывая собой поток теплового излучения от обрабатываемого образца. Кроме того, в устройстве, рассматриваемом в качестве прототипа, возможность использования пирометра фактически исключена из-за большой фоновой засветки рассеянного лазерного излучения (с длиной волны до 2000 нм) в диапазоне теплового излучения, границы которого определяются областью прозрачности материала корпуса электровакуумного прибора.

Из-за отсутствия прямого контроля температуры активируемого геттера применение устройства, например, при производстве датчиков лазерных гироскопов, может приводить к браку. Причем, перегрев геттера сопровождается его деградацией с появлением в корпусе прибора микрочастиц, приводящих к рассеянию излучения, недопустимого в случае лазерного гироскопа, пониженная температура обработки является причиной недостаточной активации геттера с естественным сокращением срок службы прибора и его сохраняемости.

Задачей изобретения является создание устройства, обеспечивающего повышение качества термической обработки нераспыляемых геттеров путем оптимизации условий проведения операций дегазации и активации геттера с контролем его температуры в ходе технологического процесса и на основе данных контроля выполнять регулировку мощности лазерного излучения, обеспечивая заданные параметры температуры и темпа нагрева геттера.

Требуемый технический результат заключается в повышении качества термической обработки нераспыляемых геттеров.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее непрерывный полупроводниковый лазер с блоком регулировки мощности и таймером, а также оптический кабель, внутри которого находится первое оптоволокно, обеспечивающее подачу выходного излучения ближнего инфракрасного диапазона от полупроводникового лазера через цангу для установки в технологическую оснастку, направляющую излучение на обрабатываемый геттер, согласно изобретению, лазер настроен на излучение с длиной волны λ₁ в диапазоне от 800 до 1000 нм, внутри оптического кабеля дополнительно размещено второе оптоволокно, внутри цанги на выходном конце оптического кабеля установлена линза, выполненная с возможностью разведения лазерного пучка с длиной волны λ₁ от полупроводникового лазера для его направления на обрабатываемый геттер и одновременной фокусировкой части теплового излучения с длинами волн λ₂ в диапазоне от 1200 до 2500 нм на торец второго оптоволокна в выходном конце оптического кабеля, при этом на торце второго оптоволокна со входного конца оптического кабеля установлен фотоприемник теплового излучения с защитным светофильтром от лазерного излучения, а блок регулировки мощности, сопряженный с фотоприемником, выполнен с возможностью калибровки значений и индикации температуры геттеров, управления мощностью излучения непрерывного полупроводникового лазера.

Особенностью предложенного устройства является то, что, длинноволновая граница диапазона допустимых длин волн лазерного излучения λ₁ ограничена значением 1000 нм, а фотоприемник для регистрации теплового излучения при этом обладает спектральной чувствительностью в диапазоне с длинами волн λ₂ от 1200 до 2500 нм. Максимальное значение λ₂ ограничено пределами области пропускания электровакуумного стекла или стеклокерамики. Максимальное значение λ₁ и минимальное значение λ₂ определяют выбор защитного светофильтра, для которого коэффициент ослабления лазерного излучения с длиной волны λ₁ не менее 100 Дб, и коэффициент пропускания не менее 90% для теплового излучения с длинами волн λ₂

На чертеже представлены:

на фиг. 1 - функциональная схема лазерного аппарата для термической обработки нераспыляемых геттеров;

на фиг. 2 - общий вид газоразрядного прибора со встроенным геттером (датчика лазерного гироскопа) в технологической оснастке, осуществляющей его стыковку с выходными элементами лазерного аппарата для термической обработки нераспыляемых геттеров;

на фиг. 3 - чертеж выходной части оптического канала аппарата для термической обработки нераспыляемых геттеров;

на фиг. 4 - пример калибровочной кривой для определения температуры геттера по величине регистрируемого сигнал теплового излучения.

На чертеже обозначены:

1 - полупроводниковый лазер, 2 - первое оптоволокно для лазерного излучения, 3 - второе оптоволокно для теплового излучения, 4 - оптический кабель, 5 - цанга, 6 - технологическая оснастка, 7 - корпус электровакуумного или газоразрядного прибора (например, датчика лазерного гироскопа), 8 - геттер, 9 - линза, 10 - фотоприемник, 11 - светофильтр, 12 - блок регулировки мощности, 13 - таймер.

Лазерный аппарат для термической обработки нераспыляемых геттеров содержит полупроводниковый лазер 1, выполненный с возможностью управления мощностью от блок регулировки мощности 12 и временем технологического процесса от таймера 13, а на выходе у него вмонтирован оптический кабель 4, внутри которого проложены два кварцевых оптоволокна: первое оптоволокно 2 - для доставки лазерного излучения от лазера 1 до геттера 8, а второе оптоволокно 3 - для отвода части теплового излучения от нагреваемого геттера 8 и подачи его на фотоприемник 10, защищенный от рассеянного лазерного излучения светофильтром 11.

Кроме того, в лазерном аппарате для термической обработки нераспыляемых геттеров на выходе оптического кабеля 4 расположена цанга 5 для установки в технологическую оснастку 6, направляющую излучение на активируемый геттер 8 в корпусе 7 электровакуумного или газоразрядного прибора.

В предложенном устройстве в цанге 5 оптического кабеля 4 аппарата для термической обработки нераспыляемых геттеров установлена линза 9, формирующая лазерный пучок, диаметр которого в плоскости передней поверхности геттера 8 равен его диаметру, и одновременно фокусирующая часть теплового излучения от нагретого геттера 8 на торец второго оптоволокна 3.

Помимо указанного выше, блок регулировки мощности 12 лазерного аппарата для термической обработки нераспыляемых геттеров имеет сопряжение с фотоприемником 10 и выполнен с возможностью калибровки значений и индикации температуры геттеров, управления мощностью лазерного излучения по заданным величинам температуры и темпам нагрева.

Лазерный аппарат для термической обработки нераспыляемых геттеров используется следующим образом.

Для определенности рассмотрим частный случай, когда устройство служит для дегазации и активации нераспыляемого геттера, встроенного в корпус лазерного гироскопа из стеклокерамики Zerodur или ситалла СО-115М. Материал корпуса прозрачен в ближнем ИК диапазоне для лазерного излучения с длиной волны λ₁ в диапазоне от 800 до 1000 нм, что позволяет использовать рассматриваемое устройство для нагрева геттера. Кроме того, материал корпуса прозрачен для части теплового излучения в диапазоне длин волн λ₂ от 1800 до 2500 нм, что позволяет производить мониторинг температуры геттера в ходе технологического процесса с реализацией функции управления мощностью лазерного излучения для поддержания заданного уровня и темпа нагрева геттера.

Полупроводниковый лазер 1 с выходной мощностью в непрерывном режиме до 80 Вт служит источником излучения с длиной волны λ₁ =915 нм. Лазерное излучение направляется к нагреваемому геттеру 8 по кварцевому оптоволокну 2 внутри оптического кабеля 4 длиной 1,7 м. Диаметр оптоволокна 2 составляет 125 мкм, числовая апертура равна 0,22.

Внутри оптического кабеля 4 параллельно оптоволокну 2 пролегает кварцевое оптоволокно 3 для направления части теплового излучения от нагретого геттера 8 к фотоприемнику 10 на основе InGaAs с обнаруживающей способностью ~10¹¹ см⋅Гц^1/2 Вт^-1 в области длин волн λ₂ от 1800 до 2500 нм. Диаметр оптоволокна 3 составляет 600 мкм, числовая апертура равна 0,36. Защита фотоприемника 10 от рассеянного лазерного излучения, также попадающего в оптоволокно 3, производится посредством светофильтра 11, выполненного из пластины германия толщиной 100 мкм. На длине волны излучения λ₁ расчетный коэффициент ослабления составляет ~440 дБ. Светофильтр 11 одновременно имеет оптическое пропускание не менее 95% в области длин волн λ₂ от 1800 до 2500 нм.

Линза 9, выполненная из плавленого кварца с широкополосными просветляющими покрытиями в области длин волн λ₁ и λ₂ от 800 до 2500 нм, установлена внутри цилиндрической цанги 5 с внешним диаметром 8 мм. Цанга 5 выполнена из меди для хорошего теплоотвода и минимизации нагрева, вызываемого обратным рассеянием лазерного излучения от облучаемого геттера 8. Цанга 5 вставлена в цилиндрическое отверстие технологической оснастки 6, ось которого проходит через центр геттера 8 перпендикулярно его поверхности. При этом геттер 8 представляет собой пористый титан-ванадиевый диск диаметром 15 мм. Излучательная способность его поверхности в диапазоне длин волн λ₂ равна 0,6.

Технологическая оснастка 6 выполнена из алюминиевого сплава и служит одновременно радиатором для охлаждения цанги 5. Кроме того, она выполняет роль защитного экрана от рассеянного лазерного излучения, снижая степень лазерной опасности для обслуживающего персонала.

Блок регулировки мощности 12, сопряженный с фотоприемником 10, выполнен на базе Olimex LPC-H2148 с USB-интерфейсом и микроконтроллером NXP LPC2148 с возможностью калибровки значений и индикации температуры геттеров, управления мощностью лазерного излучения по заданным величинам температуры и темпам нагрева.

На фиг. 4 представлен пример калибровочной кривой для определений температуры геттера в диапазоне от 300 до 600°С по величине регистрируемого сигнал теплового излучения. Погрешность поддержания заданной температуры составляет ±8°С в начале диапазона и ±3°С при высоких температурах.

Таймер 13 выполнен на базе микроконтроллера Atmel ATmega8A и обеспечивает возможность контроля заданного времени технологического процесса в диапазоне от 5 до 60 минут.

Использование предложенного устройства повышает качество производимых операций термической обработки нераспыляемых геттеров, например, датчиков лазерных гироскопов. Постоянный контроль температуры обеспечивает достижение максимальных параметром для емкости гетера и его возможностей последующего газопоглощения. Исключаются недостатки как пониженных режимов термообработки (неполной дегазации и активации геттера), так и перегрева материала с негативным результатом из-за спекания частиц пористой структуры. Кроме того, исключается вероятность распыления материала геттера и попадания микрочастиц от него в оптические каналы датчика лазерного гироскопа с неизбежным выводом из строя всего изделия.

Применение устройства облегчает работу обслуживающего персонала и снижает степень лазерной опасности, поскольку операции регулировки технологического процесса производятся в автоматическом режиме.

Таким образом, использование предлагаемого устройства способствует повышению качества электровакуумных и газоразрядных приборов, процента выхода годных изделий, улучшает условия работы персонала при массовом производстве.

Изобретение относится к лазерному аппарату для термической обработки встроенного в технологическую оснастку нераспыляемого геттера и может быть использовано при производстве электровакуумных и газоразрядных приборов. Лазерный аппарат содержит непрерывный полупроводниковый лазер с блоком регулировки мощности и таймером, оптический кабель, внутри которого находится первое оптоволокно, обеспечивающее подачу выходного излучения ближнего инфракрасного диапазона от полупроводникового лазера через цангу для установки в технологическую оснастку, направляющую излучение на обрабатываемый геттер. Внутри оптического кабеля размещено второе оптоволокно. Внутри цанги на выходном конце оптического кабеля установлена линза, выполненная с возможностью разведения лазерного пучка полупроводникового лазера для его направления на обрабатываемый геттер и одновременной фокусировкой части теплового излучения на торец второго оптоволокна в выходном конце оптического кабеля. На торце второго оптоволокна со стороны входного конца оптического кабеля установлен фотоприемник теплового излучения с защитным светофильтром от лазерного излучения. Блок регулировки мощности, сопряженный с фотоприемником, выполнен с возможностью калибровки значений и индикации температуры геттеров и управления мощностью излучения непрерывного полупроводникового лазера. Технический результат заключается в повышении качества термической обработки за счет оптимизации условий проведения операций дегазации и активации геттера с контролем его температуры в ходе технологического процесса и на основе этих данных регулировки мощности лазерного излучения с обеспечением заданных параметров температуры и темпа нагрева геттера. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Лазерный аппарат для термической обработки встроенного в технологическую оснастку нераспыляемого геттера, содержащий непрерывный полупроводниковый лазер с блоком регулировки мощности лазерного излучения и таймером, оптический кабель, внутри которого размещено первое оптоволокно, обеспечивающее подачу выходного лазерного излучения инфракрасного диапазона от полупроводникового лазера до геттера, и цангу, расположенную на выходе оптического кабеля для установки в технологическую оснастку и направления излучения на обрабатываемый геттер, отличающийся тем, что непрерывный полупроводниковый лазер является источником лазерного излучения с длиной волны λ₁ в диапазоне от 800 до 1000 нм, при этом внутри оптического кабеля дополнительно размещено второе оптоволокно для отвода части теплового излучения от нагреваемого геттера, при этом внутри цанги на выходном конце оптического кабеля установлена линза, выполненная с возможностью фокусирования лазерного излучения с длиной волны λ₁ от полупроводникового лазера и его направления на обрабатываемый геттер и одновременного фокусирования части теплового излучения с длиной волны λ₂ в диапазоне от 1200 до 2500 нм на торец второго оптоволокна в выходном конце оптического кабеля, при этом на торце второго оптоволокна со стороны входного конца оптического кабеля установлен фотоприемник теплового излучения с защитным светофильтром от лазерного излучения, а блок регулировки мощности, сопряженный с фотоприемником, выполнен с возможностью калибровки значений и индикации температуры геттера и управления мощностью излучения непрерывного полупроводникового лазера по заданным величинам температуры и темпу нагрева геттера.

2. Лазерный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что линза установлена внутри цанги на выходном конце оптического кабеля с возможностью формирования лазерного излучения с диаметром в плоскости передней поверхности геттера, равным диаметру геттера.

3. Лазерный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что фотоприемник имеет спектральную чувствительность в диапазоне с длинами волн λ₂ от 1800 до 2500 нм.

4. Лазерный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что защитный светофильтр имеет коэффициент ослабления лазерного излучения с длиной волны λ₁ не менее 100 дБ и коэффициент пропускания не менее 90% для теплового излучения с длинами волн λ₂ в диапазоне от 1800 до 2500 нм.

5. Лазерный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что второе оптоволокно имеет диаметр сердцевины не менее 200 мкм и числовую апертуру не менее 0,22.