СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОАКСИАЛЬНОГО ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ГЕРМОВВОДА Российский патент 2024 года по МПК C03C27/02 

Изобретение относится к технологии изготовления металлостеклянных изделий, предназначенных преимущественно для электротехнической промышленности, а именно магистральных электрических высокочастотных линий, и может быть использовано для обеспечения герметичного пропуска электрических кабелей через стену во внутреннее пространство герметичного сооружения, предназначенного для проведения взрывных экспериментов.

Известен способ изготовления коаксиального высокочастотного перехода в загрязненную зону через стену защитного подземного сооружения, предназначенный для проведения измерений в широком частотном диапазоне и описанный в устройстве высокочастотного кабельного перехода [RU №212960, МПК H02G 3/22, опуб. 20.04.2022 г], который включает сборку из узла токоввода и охватывающего его стеклоизолятора, фиксацию узла в металлическом корпусе с последующей пайкой, выдержкой при температуре пайки и последующим охлаждением сборки. Пайку осуществляют одновременно с прессованием стеклоизолятора при помощи графитовых технологических оправок при температуре 1000°С, при этом токоввод формируют в виде коаксиальной пары из центрального проводника в виде коварового электропроводного штыря и экранирующего проводника в виде тонкостенного цилиндрического экрана, выполненного из титана. Стеклоизолятор формируют из двух разделенных экраном концентрично расположенных частей: стеклотаблетки, через которую проходит штырь, и стеклянного кольца, охватывающего экран, который сопряжен по образующей с внутренней поверхностью корпуса.

Указанный способ имеет ряд недостатков:

- при температуре пайки 1000°С происходит перегрев стекла, приводящий к его пузырению, снижающему диэлектрическую проницаемость стекла и повышающему волновое сопротивление перехода [Джуринский К.Б. Миниатюрные коаксиальные радиокомпоненты для микроэлектроники СВЧ. М.: Техносфера, 2006. - С. 18-19]. Также отсутствуют меры по формованию поверхности стекла при пайке, приводящих к формированию выпуклого мениска, который в высокочастотном диапазоне передачи сигнала является источником отражений и помех, ведущих к низкому качеству измерений;

- низкая адгезионная прочность соединения титана со стеклом, так как титан плохо смачивается расплавом стекла [Любимов М.Л. Спаи металла со стеклом. М.: Энергия, 1968. С. 73]. Экспериментальное опробование способа показало, что плохая адгезия является причиной низкой герметичности соединения экрана со стеклоизолятором и даже потери герметичности соединения после нагружения или хранения перехода;

- затрудненная, а иногда невозможная, сборка резьбового соединения экрана с экранирующей оплеткой из-за коробления и выкрашивания внутренней резьбы тонкостенного титанового экрана после выполнения пайки при температуре 1000°С. Причиной этого может быть фазовый α↔β переход, происходящий в титане при температуре 883°С, сопровождающийся ростом зерна и приводящий к короблению и охрупчиванию изделий из титана [Раков И.Э. Титан // Химическая энциклопедия: в 5 т./ Гл. ред. Н.С.Зефиров. М.: Большая Российская энциклопедия, 1995. Т. 4. - С. 590-592.].

Известен способ получения паяного соединения металла со стеклом [RU №2730959, МПК С03С 27/02, опуб. 11.12.2019 г.], наиболее близкий по технической сущности к заявляемому решению и поэтому принятый за прототип, который обеспечивает герметичность и качество высокочастотного ввода, вносящего минимальные потери в коаксиальном тракте.

Способ получения паяного соединения включает сборку из узла токоввода и охватывающих его стеклоизолятора и металлического корпуса, фиксацию узла в корпусе с последующей пайкой в среде аргона, выдержкой при температуре пайки 20-30 мин и последующим охлаждением сборки со скоростью (5±1)°С/мин до температуры (400±10)°С, а затем - с выключенной печью, причем пайку осуществляют одновременно с прессованием стеклоизолятора пуансонами, один из которых - подвижный, выполненными графитовыми с высоким классом чистоты контактирующей со стеклоизолятором поверхности, при этом прессование осуществляют с условием обеспечения удельного давления на стеклоизолятор (0,045-0,055)кг/см².

В прототипе в качестве стеклоизоятора используют стеклотаблетку, охватывающую центральный проводник, а прессование осуществляют при температуре (860±10)°С. Указанный способ обеспечивает точность и стабильность формирования плоских торцовых поверхностей стеклоизолятора, отсутствие пузырения стекла, что обеспечивает стабильность высокочастотных характеристик токоввода.

Недостатком прототипа является получение гермоввода с коэффициентом стоячей волны напряжения не более 1,7 и низкой помехозащищенностью из-за отсутствия изоляции гермоввода от стены подземного сооружения и внешних источников помех, что приводит к появлению источника наводок и помех, отрицательно влияющих на качество измерений при проведении взрывных экспериментов.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение помехоустойчивости гермоввода с минимизированным затуханием полезного сигнала и высоким качеством измерений в широком частотном диапазоне применения.

Технический результат достигается тем, что способ получения коаксиального высокочастотного гермоввода, включающий сборку из узлатоковвода и охватывающих его стеклоизолятора и металлического корпуса, фиксацию узла в корпусе с последующей пайкой в среде аргона, выдержкой при температуре пайки 20-30 мин и последующим охлаждением сборки со скоростью (5±1)°С/мин до температуры (400±10)°С, а затем - с выключенной печью, причем пайку осуществляют одновременно с прессованием стеклоизолятора пуансонами, один из которых – подвижный, выполненными графитовыми с высоким классом чистоты контактирующей со стеклоизолятором поверхности, при этом прессование осуществляют с условием обеспечения удельного давления на стеклоизолятор (0,045-0,055)кг/см² , согласно изобретения узел токоввода формируют в виде коаксиальной пары из центрального и экранирующего проводников, а стеклоизолятор формируют из двух частей: стеклотаблетки, охватывающей центральный проводник, и стеклянной трубки, охватывающей экранирующий проводник, причем перед сборкой экранирующий проводник, выполненный из титанового сплава, предварительно подготавливают путем обезжиривания и нанесения покрытия в виде водного раствора боратов, содержащего 3-5% бората калия и 10-15 % бората лития на поверхности, контактирующие со стеклотаблеткой и стеклянной трубкой, с последующим оплавлением покрытия при температуре (880±10)°С в течение 20-30 мин в среде аргона, а пайку осуществляют при температуре (880±10)°С.

Формирование токоввода в виде коаксиальной пары из центрального и экранирующего проводников, а стеклоизолятора - из двух частей: стеклотаблетки, охватывающей центральный проводник, и стеклянной трубки, охватывающей экранирующий проводник, дает возможность обеспечить помехозащищенность высокочастотного гермоввода, минимизировать затухание полезного сигнала и обеспечить высокое качество измерений в широком частотном диапазоне применения.

Предварительная подготовка перед сборкой экранирующего проводника, выполненного из титанового сплава, путем обезжиривания и нанесения покрытия в виде водного раствора боратов с последующим его оплавлением, дает возможность обеспечить в процессе пайки хорошее смачивание и адгезионную прочность экранирующего проводника со стеклотаблеткой и стеклянной трубкой, и, следовательно, обеспечить герметичность перехода.

Таким образом, cовокупность всех изложенных выше признаков создает условия обеспечения повышения помехоустойчивости гермоввода с минимизированным затуханием полезного сигнала и высоким качеством измерений в широком частотном диапазоне применения.

Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».

Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».

Изобретение иллюстрируется чертежом, представляющим устройство, реализующее заявляемый способ, где приняты следующие обозначения:

1 – центральный проводник;

2 – стеклотаблетка;

3 – цилиндрический экранирующий проводник;

4 – стеклянная трубка;

5 – металлический корпус;

6 – подвижный пуансон;

7 – неподвижный пуансон;

8 – верхний фиксатор,

9 – нижний фиксатор;

Способ осуществляется следующим образом.

Предварительно подготавливают цилиндрический экранирующий проводник 3, выполненный в виде тонкостенной титановой втулки, следующим образом: спаиваемые со стеклотаблеткой 2 и стеклянной трубкой 4 поверхности обезжиривают и наносят покрытие в виде водного раствора боратов следующего состава: 3-5% бората калия и 10-15% бората лития, оплавляют полученное покрытие при температуре (880±10)°С в течение 20-30 мин в среде аргона.

Далее выполняют сборку узла токоввода в виде коаксиальной пары из центрального и экранирующего проводников и стеклоизолятора. Стеклоизолятор формируют из двух частей: стеклотаблетки, охватывающей центральный проводник, и стеклянной трубки, охватывающей экранирующий проводник. Узел фиксируют в корпусе.

Для сборки используют реализующее заявляемый способ устройство (чертеж), представляющее собой прессформу с двумя пуансонами 6, 7 из графита, один из которых подвижный 6, и графитовых фиксаторов 8, 9. Посадочные диаметры и торцы пуансонов 6, 7, диаметры фиксаторов 8, 9 и отверстие под центральный проводник 1 выполнены с высоким классом чистоты поверхности. На основании 10 с поддоном 11 размещают неподвижный пуансон 7 и нижний фиксатор 9. В отверстие неподвижного пуансона 7 вставляют центральный проводник 1, на торец неподвижного пуансона 7 устанавливают стеклотаблетку 2, надевая ее на центральный проводник 1. В нижний фиксатор 9 устанавливают экранирующий проводник 3, охватывающий стеклотаблетку 2, и неподвижный пуансон 7. Стеклянную трубку 4, охватывающую экранирующий проводник 3, фиксируют на нижнем фиксаторе 9. Далее корпус 5, охватывающий стеклянную трубку 4, размещают на основании 10. В последнюю очередь в отверстие корпуса 5 устанавливают верхний фиксатор 8, охватывающий подвижный пуансон 6. Сверху на пуансоне 6 размещают груз 12, массу которого выбирают так, чтобы удельное давление на стекло находилось впределах (0,045-0,055)кг/см², определенное экспериментально и обеспечивающее решение поставленной задачи. Сборка завершена.

Далее сборку помещают в печь и выполняют пайку в среде аргона при температуре (880±10)°С и выдержкой при температуре пайки 20-30 мин, и последующим охлаждением сборки со скоростью (5±1)°С/мин до температуры (400±10)°С, а затем - с выключенной печью.

Сборку и пайку узла токоввода осуществляют одновременно со сборкой и пайкой со стекло изолятором и корпусом 5. В процессе пайки формируются два соединения: центрального проводника с экранирующим проводником через стеклотаблетку и экранирующего проводника с корпусом через стеклянную трубку.

Пайку осуществляют одновременно с прессованием стеклоизолятора пуансонами, один из которых - подвижный, выполненными графитовыми с высоким классом чистоты поверхности, контактирующей со стеклотаблеткой, при этом прессование осуществляют с условием обеспечения удельного давления на стеклоизолятор (0,045-0,055)кг/см². В результате чего сформированные плоские торцовые поверхности стеклоизолятора и впаянный в стекло экранирующий проводник 3 позволяют достичь требуемых значений амплитудно-технических характеристик, группового времени запаздывания и коэффициента стоячей волны напряжения. После охлаждения пуансоны 6, 7 и фиксаторы 8, 9 извлекают из спаянного гермовода.

Заявляемый способ позволяет получить ввод с герметично впаянными центральным и экранирующим проводниками при обеспечении повышения помехоустойчивости с минимизированным затуханием полезного сигнала и высоким качеством измерений в широком частотном диапазоне применения.

Предлагаемым способом на предприятии изготовили более 10 коаксиальных гермовводов. Качество изготовленных гермовводов оценивали по результатам контроля:

- при проверке на герметичность газовой смесью в течение (10±1) мин давлением 7,5 МПа утечка отсутствовала;

по электрическим характеристикам гермовводы имели сопротивление изоляции между корпусом и экранирующим проводником, между центральным проводником и экранирующим проводником не менее 20 МОм при напряжении постоянного тока 1000 В полосе частот от 300кГц до 3ГГц, амплитудно-технические характеристики составили не более 3,4 ГГц, групповое время запаздывания не более 260 пс и коэффициент стоячей волны напряжения не более 1,1, что свидетельствует о повышении помехоустойчивости гермоввода с минимизированным затуханием полезного сигнала и высоким качеством измерений в широком частотном диапазоне применения.

Применение изготовленных гермовводов для пропуска электрических кабелей через стену во внутреннее пространство герметичного сооружения, предназначенного для проведения взрывных экспериментов, подтвердило повышение качества измерений в широком частотном диапазоне. Предлагаемый способ позволяет получить помехоустойчивый гермоввод с минимизированным затуханием полезного сигнала и высоким качеством измерений в широком частотном диапазоне применения.

Таким образом, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:

средство, воплощающее заявляемый способ при его осуществлении, относится к технологии изготовления металлостеклянных изделий, предназначенных преимущественно для электротехническойпромышленности, а именно магистральных электрических высокочастотных линий;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для повышения помехоустойчивости гермоввода с минимизированным затуханием полезного сигнала и высоким качеством измерений в широком частотном диапазоне применения;

- для заявляемого способа в том виде, в котором он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Предложенное изобретение относится к технологии изготовления металлостеклянных изделий. Способ получения коаксиального высокочастотного гермоввода включает сборку из узла токоввода и охватывающих его стеклоизолятора и металлического корпуса, фиксацию узла в корпусе с последующей пайкой в среде аргона, выдержкой при температуре пайки 20-30 мин и последующим охлаждением сборки со скоростью 5±1 °С/мин до температуры 400±10 °С, а затем с выключенной печью, причем пайку осуществляют одновременно с прессованием стеклоизолятора пуансонами, один из которых – подвижный, выполненными графитовыми с высоким классом чистоты контактирующей со стеклоизолятором поверхности, при этом прессование осуществляют с условием обеспечения удельного давления на стеклоизолятор 0,045-0,055 кг/см². Узел токоввода формируют в виде коаксиальной пары из центрального и экранирующего проводников. Стеклоизолятор формируют из двух частей: стеклотаблетки, охватывающей центральный проводник, и стеклянной трубки, охватывающей экранирующий проводник. Перед сборкой экранирующий проводник, выполненный из титанового сплава, предварительно подготавливают путем обезжиривания и нанесения покрытия в виде водного раствора боратов, содержащего 3-5% бората калия и 10-15% бората лития на поверхности, контактирующей со стеклотаблеткой и стеклянной трубкой, с последующим оплавлением покрытия при температуре 880±10 °С в течение 20-30 мин в среде аргона, а пайку осуществляют при температуре 880±10 °С. Технический результат - повышение помехоустойчивости гермоввода с минимизированным затуханием полезного сигнала и высоким качеством измерений в широком частотном диапазоне применения. 1 ил.

Способ получения коаксиального высокочастотного гермоввода, включающий сборку из узла токоввода и охватывающих его стеклоизолятора и металлического корпуса, фиксацию узла в корпусе с последующей пайкой в среде аргона, выдержкой при температуре пайки 20-30 мин и последующим охлаждением сборки со скоростью 5±1 °С/мин до температуры 400±10 °С, а затем с выключенной печью, причем пайку осуществляют одновременно с прессованием стеклоизолятора пуансонами, один из которых – подвижный, выполненными графитовыми с высоким классом чистоты контактирующей со стеклоизолятором поверхности, при этом прессование осуществляют с условием обеспечения удельного давления на стеклоизолятор 0,045-0,055 кг/см², отличающийся тем, что узел токоввода формируют в виде коаксиальной пары из центрального и экранирующего проводников, а стеклоизолятор формируют из двух частей: стеклотаблетки, охватывающей центральный проводник, и стеклянной трубки, охватывающей экранирующий проводник, причем перед сборкой экранирующий проводник, выполненный из титанового сплава, предварительно подготавливают путем обезжиривания и нанесения покрытия в виде водного раствора боратов, содержащего 3-5% бората калия и 10-15% бората лития на поверхности, контактирующей со стеклотаблеткой и стеклянной трубкой, с последующим оплавлением покрытия при температуре 880±10 °С в течение 20-30 мин в среде аргона, а пайку осуществляют при температуре 880±10 °С.