УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЧ-ПОГЛОТИТЕЛЕЙ Российский патент 2022 года по МПК D01F9/133 H01Q17/00 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для изготовления СВЧ-поглотителей спиральных ЛБВ с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

К пленочным СВЧ-поглотителям предъявляют высокие требования по твердости, термостойкости, высокому коэффициенту поглощения и малому коэффициенту отражения электромагнитной волны. Наилучшими характеристиками обладают пленки углерода с высокой твердостью.

Известно устройство и способ изготовления резистивных сопротивлений для электроники путем нанесения пиролитических пленок из углеводородосодержащей газовой смеси на заготовки (https://9zip.ru/instractions/carbon_precision_resistors.htm), наиболее близкие по технической сущности к заявляемому техническому решению. Нанесение пиролитической пленки на детали происходит в реакторе - длинной керамической трубе, нагреваемой снаружи нихромовыми нагревателями до температуры внутри трубы 1200-1300°С. Торцы имеют вакуумплотные уплотнения со штуцерами для подачи в рабочий объем углеводородной смеси газов (гептан-азот, метан-азот) и откачки форвакуумным насосом. Для обеспечения равномерности покрытия деталей пленкой пиролитического углерода труба вращается, а рабочая смесь газов подается попеременно с разных концов трубы. Данный способ обеспечивает массовое покрытие деталей, но только с равномерным, однородным покрытием пиролитического углерода.

Для СВЧ-поглотителей ЛБВ из стержней пиролитического нитрида бора, оксида бериллия и др. сопротивление (величина поглощения) пиролитической пленки углерода вдоль длины стержня должно меняться от постоянного значения сотни Ом на линейном участке до нескольких МОм в конце покрытия и по закону от линейного до экспоненциального.

Техническим результатом изобретения является получение СВЧ-поглотителей с переменным сопротивлением по длине, причем изменение сопротивления по длине керамического стержня может происходить от линейного закона до экспоненциального, повышение производительности при изготовлении СВЧ-поглотителей с переменным сопротивлением по длине.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для изготовления СВЧ-поглотителей, содержащем реактор с внешними кольцевыми нагревателями, фланцы с трубками для подачи и откачки рабочей смеси газов, оснастки для крепления заготовок, которая состоит из трех соосно расположенных металлических дисков, верхний диск имеет сквозные отверстия для установки заготовок, расположенные по окружности с шагом не менее 2d и на расстоянии не менее 2d от края диска, где d - диаметр заготовки, средний диск содержит несквозные отверстия для установки заготовок, соосно расположенные отверстиям в верхнем диске, нижний диск имеет элементы для соединения с двигателем, обеспечивающим вращение всей оснастки, причем, верхний и нижний диски фиксируются на расстоянии друг от друга большем длины заготовки с помощью шпилек, а средний диск имеет возможность свободно перемещаться между ними с помощью толкателя, проходящего через отверстия в верхнем или нижнем дисках к механизму перемещения, реализуется способ изготовления СВЧ-поглотителей, включающий определение времени технологического процесса, при котором осаждаемая пиролитическая пленка углерода вырастает до минимально заданного сопротивления и нанесение пиролитической пленки углерода из смеси углеводородосодержащих газов на керамические заготовки, закрепленные во вращающейся оснастке внутри реактора, с использованием накладок, причем концы заготовок, выступающие выше верхнего диска, закрывают накладками полностью или оставляя открытым участок постоянного сопротивления длиной l и наносят пиролитическую пленку углерода на заготовки в течение времени технологического процесса, при этом перемещают вверх подвижный диск оснастки толкателем с постоянной или переменной скоростью v от 0,01 мм/с до 1 мм/с или с задержкой по времени t_з=l/v.

Сущность технического решения заключается в следующем. Расположение дисков оснастки относительно друг друга и других элементов оснастки описанным выше образом позволяет изменять положение нахождения керамических заготовок в активной зоне реактора, что делает возможным изготовление СВЧ-поглотителей с переменным сопротивлением по длине.

Размещение отверстий для установки заготовок на дисках оснастки с указанным шагом не менее 2d и на расстоянии не менее 2d от края диска, где d - диаметр заготовки, позволяет разместить необходимое количество заготовок для массового производства и при этом обеспечить максимально стабильные условия нанесения пиролитической пленки на все заготовки.

Время осаждения углеродной пленки, соответствующее получению заданного сопротивления на участке заготовки с постоянным сопротивлением, является общим временем технологического процесса. Чем меньше времени открытый участок заготовки находится в рабочей зоне реактора, тем меньше сопротивление осаждаемой пленки, поэтому в зависимости от требуемых значений сопротивления, перемещение заготовок может осуществляться сразу с началом технологического процесса или с определенной задержкой по времени.

Скорость перемещения подвижного диска позволяет регулировать скорость нарастания пиролитической пленки на открытых участках заготовки в зависимости от требуемых минимальных и максимальных величин сопротивления пиролитической пленки, причем изменение сопротивления может быть линейным (при постоянной скорости) или плавным (при выдвижении с переменной скоростью (с ускорением)).

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен чертеж установки, где:

1 - нижний опорный диск;

2 - подвижный средний диск;

3 - верхний диск;

4 - накладки (трубки);

5 - керамические заготовки;

6 - толкатель среднего диска;

7 - шпильки;

8 - гайки крепления толкателя с подвижным диском;

9 - механизм перемещения подъемника;

10 - двигатель вращения оснастки;

11 - реактор (труба);

12 - кольцевые нагреватели.

На фиг. 2 представлены графики сопротивления пиролитической пленки углерода в зависимости от скорости выдвижения заготовок, где:

1 - при выдвижении заготовок без задержки со скоростью 0,056 мм/сек;

2 - с задержкой 125 сек выдвижения заготовок со скоростью 0,056 мм/сек;

3 - с задержкой 250 сек выдвижения заготовок с увеличивающейся скоростью.

Устройство работает следующим образом. Снаружи реактора 11 закрепляются кольцевые нагреватели 12, а внутри реактора 11 располагается оснастка, состоящая из трех соосно расположенных металлических дисков 1, 2, 3. Нижний опорный диск 1 и верхний направляющий диск 3 с помощью шпилек 7 закрепляются на определенном расстоянии (более длины заготовки) относительно друг друга. Средний подвижный диск 2 жестко крепится гайками 8 на толкателе 6 и может свободно перемещаться по шпилькам между дисками 1 и 3 с помощью толкателя 6, закрепленном на управляемом механизме перемещения 9. Опорный диск 1 и вся оснастка приводятся во вращение с помощью электродвигателя 10.

Заготовки (стержни) 5 устанавливают в отверстия диска 3, расположенные по окружности с шагом не менее 2d и на расстоянии не менее 2d от края диска, где d - максимальное поперечное сечение заготовки. Заготовки 5 фиксируют в несквозных отверстиях подвижного диска 2 (соосных сквозным отверстиям диска 3) таким образом, чтобы их концы выступали над верхним диском. На выступающие концы заготовок надевают накладки (трубки, экраны) 4 длиной, равной расстоянию от верхнего диска до начала участка постоянного сопротивления СВЧ-поглотителя на заготовке длиной l. Оснастка закрепляется внутри реактора (кварцевой трубы). Торцы реактора закрываются фланцами.

После установления оптимальных параметров технологического процесса осаждения пиролитического углерода (температуры внутри реактора), включается вращение оснастки и подается рабочая смесь газов. Сначала покрываются углеродной пленкой за определенное время участки заготовок, не закрытые накладками. Затем, не прерывая технологический процесс, с помощью механизма подъема подвижного диска 2 выдвигают заготовки 5 из накладок для осаждения пиролитической пленки углерода на участки заготовок с переменным сопротивлением СВЧ-поглотителя.

Чем меньше времени открытый участок заготовки находится в рабочей зоне реактора, тем меньше сопротивление осаждаемой пленки. Общее время осаждения углеродной пленки соответствует получению заданного сопротивления на участке заготовки с постоянным сопротивлением. Скорость выдвижения заготовок из трубок выбирается в интервале 0,01-1 мм/сек.

Примеры применения. Пример 1. На заготовку длиной 90 мм из нитрида бора необходимо нанести пиролитическую пленку с переменным сопротивлением на участке 0-30 мм с линейно изменяющимся сопротивлением от 300 Ом до 30 кОм (установлено техническим заданием). Из предварительно проведенного технологического процесса при оптимальных условиях (когда осаждаются качественные пленки углерода пропорционально времени осаждения) известно, что такое сопротивление получается за время t_т.п.=540 сек, следовательно, скорость выдвижения заготовок должна равняться v=30 мм/ 540 сек = 0,056 мм/сек.

Заготовки устанавливаются в оснастку, и на участок заготовки выше направляющего (верхнего) диска устанавливаются накладки в виде трубок из никеля, закрывающие верх заготовки полностью. Оснастка устанавливается в реактор и начинается набор температуры до оптимального значения (900°С), после набора температуры включается вращение оснастки и в реактор подается рабочая смесь газов и включается подъемный механизм, который с рассчитанной скоростью начинает поднимать с помощью толкателя средний диск, выдвигая заготовки из трубок. Через 540 сек от начала подачи рабочей смеси процесс прекращается - останавливается подача газа, останавливается движение толкателя, останавливается нагрев. После остывания заготовки вынимаются из оснастки осуществляется контроль значений сопротивлений пленки (см. кривая 1 на фиг. 2).

Пример 2. На заготовку длиной 90 мм из нитрида бора необходимо нанести пиролитическую пленку с постоянным сопротивлением 300 Ом на участке 0-7 мм и линейно изменяющимся на участке 7-30 мм от 300 Ом до 30 кОм (установлено техническим заданием). Из предварительно проведенного технологического процесса при оптимальных условиях (когда осаждаются качественные пленки углерода пропорционально времени осаждения) известно, что такое сопротивление получается за время t_т.п.=540 сек. Следовательно, скорость выдвижения заготовок должна равняться v=30 мм/ 540 сек = 0,056 мм/ сек., но нужно чтобы образовался участок постоянного сопротивления, значит, выдвижение заготовок должно происходить с некоторой задержкой по времени t_з=l/v=7/0,056=125 сек.

Заготовки устанавливаются в оснастку, и на участок заготовки выше направляющего(верхнего) диска устанавливаются накладки в виде трубок из никеля, оставляя открытым участок постоянного сопротивления 7 мм.

Оснастка устанавливается в реактор и начинается набор температуры до оптимального значения (900°С), после набора температуры включается вращение оснастки, и в реактор подается рабочая смесь газов. По истечении 125 сек с начала подачи рабочей смеси включается подъемный механизм, который с рассчитанной скоростью начинает поднимать с помощью толкателя средний диск, выдвигая заготовки из трубок. Через 540 сек от начала подачи рабочей смеси процесс прекращается - останавливается подача газа, останавливается движение толкателя, останавливается нагрев. После остывания заготовки вынимаются из оснастки осуществляется контроль значений сопротивлений пленки (см. кривая 2 на фиг. 2).

Пример 3. На заготовку длиной 90 мм из нитрида бора необходимо нанести пиролитическую пленку с постоянным сопротивлением 300 Ом на участке 0-7 мм и плавно изменяющимся (близко к экспоненте) на участке 7-30 мм от 300 Ом до 30 кОм (установлено техническим заданием).

Если градиент линейной части сопротивления должен быть в два раза больше, то и скорость выдвижения также должна быть больше. В этом случае время нанесения углеродного покрытия на участке 7 мм (постоянного сопротивления) также увеличивается в 2 раза и составит 250 сек = 2×(7/0, 056). Общее время осаждения углеродной пленки 540 сек. Время подъема заготовок составляет t=540-250=290 сек.

Если переменная часть сопротивления аппроксимируется экспоненциальной функцией, то подъем заготовок должен выполняться с переменной скоростью (с ускорением). Начальная скорость выдвижения заготовок выбирается v₀=0,056 мм/сек (см. пример 1), участок переменного движения (переменного сопротивления) l_пер=30-7=23 мм, скорость в конце движения составляет v=v₀+ах t=l_пер/ t=23/290=0,08 мм/сек, расчетное ускорение a=(v-v₀)/ t=(0,08-0,056)/290=0,0001 мм/сек.

Заготовки устанавливаются в оснастку, на участок заготовки выше направляющего (верхнего) диска устанавливаются накладки в виде трубок из никеля, оставляя открытым участок постоянного сопротивления 7 мм.

Оснастка устанавливается в реактор и начинается набор температуры до оптимального значения (900°С), после набора температуры включается вращение оснастки и в реактор подается рабочая смесь газов. По истечении 250 сек с начала подачи рабочей смеси включается подъемный механизм, который начинает поднимать с помощью толкателя средний диск, выдвигая заготовки из трубок, причем скорость выдвижения заготовок не постоянная, а с рассчитанным ускорением. Через 540 сек от начала подачи рабочей смеси процесс прекращается - останавливается подача газа, останавливается движение толкателя, останавливается нагрев. После остывания заготовки вынимаются из оснастки осуществляется контроль значений сопротивлений пленки (см. кривая 3 на фиг. 2).

Таким образом, заявленное техническое решение позволяет получить партию СВЧ-поглотителей с переменным сопротивлением по длине.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для изготовления СВЧ-поглотителей спиральных ЛБВ с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Устройство для изготовления СВЧ-поглотителей содержит реактор с внешними кольцевыми нагревателями, фланцы с трубками для подачи и откачки рабочей смеси газов, оснастку для крепления заготовок, которая состоит из трех соосно расположенных металлических дисков, верхний диск имеет сквозные отверстия для установки заготовок, расположенные по окружности с шагом не менее 2d и на расстоянии не менее 2d от края диска, где d - диаметр заготовки, средний диск содержит несквозные отверстия для установки заготовок, соосно расположенные отверстиям в верхнем диске, нижний диск имеет элементы для соединения с двигателем, обеспечивающим вращение всей оснастки, причем верхний и нижний диски фиксируются на расстоянии друг от друга, большем длины заготовки, с помощью шпилек, а средний диск имеет возможность свободно перемещаться между ними с помощью толкателя, проходящего через отверстия в верхнем или нижнем дисках, к механизму перемещения. Технический результат - получение СВЧ-поглотителей с переменным сопротивлением по длине, повышение производительности. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для изготовления СВЧ-поглотителей, содержащее реактор с внешними кольцевыми нагревателями, фланцы с трубками для подачи и откачки рабочей смеси газов, оснастку для крепления заготовок, отличающееся тем, что оснастка состоит из трех соосно расположенных металлических дисков, верхний диск имеет сквозные отверстия для установки заготовок, расположенные по окружности с шагом не менее 2d и на расстоянии не менее 2d от края диска, где d - диаметр заготовки, средний диск содержит несквозные отверстия для установки заготовок, соосно расположенные отверстиям в верхнем диске, нижний диск имеет элементы для соединения с двигателем, обеспечивающим вращение всей оснастки, причем верхний и нижний диски фиксируются на расстоянии друг от друга, большем длины заготовки, с помощью шпилек, а средний диск имеет возможность свободно перемещаться между ними с помощью толкателя, проходящего через отверстия в верхнем или нижнем дисках, к механизму перемещения.

2. Способ изготовления СВЧ-поглотителей, включающий определение времени технологического процесса, при котором осаждаемая пиролитическая пленка углерода вырастает до минимально заданного сопротивления, и нанесение пиролитической пленки углерода из смеси углеводородосодержащих газов на керамические заготовки, закрепленные во вращающейся оснастке внутри реактора, с использованием накладок, отличающийся тем, что концы заготовок, выступающие выше верхнего диска, закрывают накладками полностью или оставляя открытым участок постоянного сопротивления длиной l, наносят пиролитическую пленку углерода на заготовки в течение времени технологического процесса, при этом перемещают вверх подвижный диск оснастки толкателем с постоянной или переменной скоростью v от 0,01 до 1 мм/с или с задержкой по времени t_з=l/v.