CC BY
82
УДК 621.3.038, 621.3.032.212
И.А. Попов, Т.Н. Соколова, Е.Л. Сурменко, Ю.В. Чеботаревский
ЛАЗЕРНАЯ ОЧИСТКА МИКРОСТРУКТУРИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ
МИКРООСТРИЙНЫХ АВТОЭМИССИОННЫХ КАТОДОВ
Описана технология лазерной очистки микроострийных автоэмиссионных катодов из стеклоуглерода с высокой плотностью тока эмиссии. Для очистки микроструктурированной поверхности применялся маломощный волоконный лазер. Предложенная технология позволяет сократить время производства и количество операций по сравнению с использованием нелазерного оборудования. Было улучшено качество электронных компонентов с микроострийной поверхностью.
Лазерная очистка, микроструктурированная поверхность, микроострийные автоэмиссионные катоды.
I.A. Popov, T.N. Sokolova, E.L. Surmenko, Yu.V. Chebotarevskiy
LASER CLEANING OF MICROPEAK AUTOISSUED CATHODES MICROSTRUCTURE SURFACE
Laser technology for cleaning the micropeak glass-carbon cathodes with high density of current emission is described in the article. The low-power fiber laser was applied for laser cleaning of microstructure surfaces. This technology will allow reducing the manufacture time. Operation amount for the same result with the other equipment will be reduced. The electronic components quality with micropeak structures will be improved.
Laser cleaning, microstructure surface, micropeak autoissued cathodes, glass-carbon.
Одним из важных этапов изготовления катодно-сеточных узлов (КСУ) является очистка элементов КСУ, обеспечивающая эмиссионную активность катода.
Существует три основных группы технологий очистки [1]:
1) Технологии механической очистки. Они имеют следующие отрицательные
свойства: присутствие механического действия на поверхность; засорение деталей
абразивным агентом.
2) Химические технологии. Отрицательные свойства: процессы многостадийны из-за необходимости удаления реагентов; низкопроизводительны.
3) Термические методы, например, плазменная очистка - эти способы связаны с термическим разложением покрытия.
Известные методы лазерной очистки базируются на использовании импульсного лазерного излучения или комбинированного импульсного с непрерывным. При действии достаточно коротких лазерных импульсов излучение поглощается только в поверхностном слое, тепловая волна не успевает распространяться вглубь поверхности, поэтому возникает быстрый ударный нагрев тонкого слоя. В результате этот поверхностный слой просто испаряется или сублимируется, причем основа не 170
подвергается существенному воздействию потоков энергии. Положительный эффект быстрой сублимации в том, что при таком процессе не успевают развиваться процессы термического горения и другие термохимические процессы и вредный эффект образования разных химических соединений также минимизирован.
В работе рассмотрены экспериментальные результаты исследования метода лазерной очистки микроструктурированной поверхности автоэмиссионных катодов из стеклоуглерода. Приведены результаты сравнения с химической очисткой, выполненные методом лазерного эмиссионного микроанализа.
Известна технология изготовления микроострийных автоэмиссионных катодов (АЭК) из стеклоуглерода со средней плотностью токоотбора с поверхности более 1 А/см . Эта технология [2] содержит протяженный технологический маршрут, включающий фотолитографию, термохимическое травление в среде водорода в присутствии металлического катализатора, ионно-плазменное заострение, электроискровую обработку и операции тщательной очистки поверхности стеклоуглерода как перед выполнением, так и после каждого из указанных технологических процессов, что затрудняет промышленное освоение АЭК. Исследования технологии производства многоострийных АЭК продолжаются с целью решения наиболее актуальных задач: повышения средней плотности токоотбора с их поверхности, снижения трудоемкости их производства.
Одним из наиболее перспективных альтернативных методов является широкое использование лазерных технологий на всех этапах изготовления многоострийных АЭК из монолитного стеклоуглерода [3].
При изготовлении автоэмиссионных катодов из монолитных заготовок стеклоуглерода с помощью лазерного фрезерования и структурирования эмитирующей поверхности, продукты испарения оседают на структурированную поверхность (рис. 1). Появляется необходимость очистки поверхности. В настоящее время исследуется возможность применения технологии лазерной очистки в различных областях науки и техники: от электроники и медицины до чистки антиквариата и ювелирных изделий.
Нами предложено проводить очистку поверхности в едином технологическом процессе как завершающую часть операций структурирования поверхности. Данная технология позволит сократить время производства и количество операций, повысить качество электронных компонентов с микроострийными структурами.
Взаимодействие лазерного излучения с веществом в различной степени зависит от физических свойств и состояния поверхности обрабатываемого материала, длины волны лазерного излучения 1, времени воздействия излучения (длительности импульса т), плотности мощности Wp. Немалую роль играют шероховатость поверхности и поглощательная способность материала.
Рис. 1. Поверхность катода после нанесения структуры лазером
При изготовлении автоэмиссионного катода из стеклоуглерода испаренные частицы углерода оседают на поверхность в виде сажи (рис. 2), которая имеет рыхлую структуру с большей площадью поверхности и коэффициент поглощения, больший, чем поверхность стеклоуглерода.
Рис. 2. Структурированная поверхность до очистки: 1 - осевшие загрязнения из сажи;
2 - приповерхностный слой; 3 - основной материал - стеклоуглерод
Для различных материалов подбираются соответствующие лазерные системы. Основным критерием отбора является длина волны излучения, соответствующая
хорошему поглощению материалом.
Рис. 3. Макет установки на базе волоконного лазера
В работе исследовалась возможность очистки структурированной поверхности автоэмиссионного катода из стеклоуглерода излучением иттербиевого волоконного лазера с длиной волны 1,07 мкм [4] с фокусирующей оптической системой и высокоточной трехмерной системой перемещения (рис. 3).
Технические параметры: длительность импульса т = 2• 10-6 с, частота следования
7 2
импульсов f = 1+30 кГц, пиковая плотность мощности до 10 Вт/см , средняя мощность 4,5 Вт.
Испарение частиц, осажденных при фрезеровке и скрайбировании катода, с очищаемой поверхности должно происходить таким образом, чтобы вносить минимальные изменения в приповерхностный слой. Это зависит, в первую очередь, от плотности мощности, скорости перемещения луча и коэффициента перекрытия (рис. 4):
p=1~Ц/ -л, <])
где р - коэффициент перекрытия пятен сфокусированного лазерного излучения; и -скорость перемещения луча по поверхности детали; f - частота следования импульсов; d -
диаметр пятна сфокусированного лазерного излучения. Установлено, что коэффициент перекрытия должен лежать в диапазоне 0,5< p <0,8. При глубоком фрезеровании, создающем острия до 2 мм, очистка может осуществляться в несколько проходов с последовательным изменением p от 0,5 до 0,8 и изменением направления обхода поверхности. В этом случае обеспечивается полное удаление загрязнений с поверхности АЭК.
Рис. 4. Схема перемещения луча для равномерного воздействия на поверхность
Волоконный лазер, используемый в макетном исполнении установки, показал хорошие результаты. Для улучшения качества очистки использовались повторные проходы излучения по поверхности с изменяемыми параметрами, такими как: направление перемещения луча, изменение частоты и мощности, скорости перемещения, коэффициента перекрытия. Эти параметры влияют на количество теплоты, выделяемой в приповерхностном слое, что является немаловажным фактором при очистке.
Контроль степени очистки АЭК производился при помощи лазерного микроспектрального анализа (LIBS) с целью проверки по элементному составу поверхности и катода в целом.
Лазерный микроспектральный анализ проводился с помощью спектроаналитического комплекса [5], включающего в себя: лазер на Nd:YAG, длина волны 1,06 мкм, работающий в режиме гигантского импульса, и систему регистрации -дифракционный спектрограф ДФС-458С и ПЗС-приставку МИРС [6]. МИРС включает в себя блок из восьми ПЗС-приёмников производства фирмы Toshiba (Япония). Лазерный анализ осуществляется в воздушной атмосфере.
Результаты исследования поверхности исходных стеклоуглеродных заготовок показали отсутствие посторонних примесей. В катодах, изготовленных термохимическим методом [2], наблюдалось присутствие металла-катализатора (никеля). Содержание металла доходило до 1,5% в приповерхностном слое глубиной до 250 мкм; небольшое снижение количественного содержания отмечалось на глубине от 300 мкм. Присутствие посторонних примесей в катоде из стеклоуглерода может вызвать изменение эмиссионных свойств, что негативно отразится на работе АЭК в целом. В катодах, изготовленных с применением комплекса лазерных технологических операций, в том числе операции лазерной очистки, не обнаружено никаких посторонних примесей.
Компактность излучательного модуля позволяет использовать волоконный лазер в виде сменного модуля в установках лазерной фрезеровки катодов [3] без замены несущей конструкции.
Исследован процесс лазерной очистки микроструктурированной поверхности автоэмиссионных катодов из стеклоуглерода. Выявлено, что при лазерной обработке поверхности не происходит миграции примесей вглубь материала. Определено, что применение волоконного лазера мощностью 4,5 Вт обеспечивает высокое качество
очистки поверхности без разрушения материала основы. Установлено, что для обеспечения качественной очистки процесс должен осуществляться в несколько этапов с последовательным увеличением коэффициента перекрытия пятен сфокусированного лазерного излучения и изменения направления проходов.
Работа поддержана ГК № П2498 от 20.11.2009 (шифр НК-423П/52) в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Laser Cleaning: prospects for industrial applications / V. Veiko, V. Smirnov,
A. Kichalov, I. Smirnov // International Conference «Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies» (FLAMN). СПб.: ИТМО, 2010. С. 145-147.
2. Исследование вакуумных автоэмиссионных катодов с углеродными микро- наноструктурами / Ю.А. Григорьев, А.А. Бурцев, П.Д. Шалаев, В.Г. Пименов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2008. № 3 (35). Вып. 2. С. 8794.
3. Комплекс лазерных технологических процессов для создания микроострийной эмитирующей поверхности автоэмиссионных катодов из монолитного стеклоуглерода / И. А. Попов, А.В. Конюшин, Т.Н. Соколова, Е.Л. Сурменко // Быстрозакаленные материалы и покрытия: материалы VI Всерос. с междунар. участием науч.-техн. конф. М.: МАТИ, 2007. С. 261-266.
4. All fiber Yb-Ho pulsed laser / A.S. Kurkov, E.M. Sholokhov, O.I. Medvedkov // Laser Physics Letters. 2009. Vol. 6. № 2. Р. 135-138.
5. Applications of direct atomic laser spectral analysis of laser plasma for determination of inorganic components presence in biological objects / A.E. Kriger, E.L. Surmenko,
L A. Surmenko, V.V. Tuchin // Proc. SPIE. Bellingham: SPIE, 1999. Vol. 4001. P. 299-303.
6. Серт. RU.C.37.006.A №18673. Регистраторы спектров многоканальные
измерительные МИРС. Рег. № 27644-0499109237; Внесён в Гос. реестр 08.10.2004.
Попов Иван Андреевич - Popov Ivan Andreyevich -
аспирант кафедры «Теоретическая механика» Post-graduate student
Саратовского государственного of the Department of «Theoretical mechanics»
технического университета of Saratov State Technical University
Соколова Татьяна Николаевна - Sokolova Tatiyana Nikolayevna -
кандидат технических наук, заведующая Candidate of Technical Sciences,
учебно-исследовательской лабораторией Head of the Educational-Research Laboratory
лазерной техники и технологии, доцент кафедры of Laser Techniques and Technology, «Электронное машиностроение и сварка» Associate Professor of the Department
Саратовского государственного of «Electronic mechanical engineering
технического университета and welding»
of Saratov State Technical University
Сурменко Елена Львовна -
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры
«Электронное машиностроение и сварка» Саратовского государственного технического университета
Surmenko Elena Lvovna -
Candidate of Physical-Mathematical Sciences, Associate Professor of the Department of «Electronic Mechanical Engineering and Welding»
of Saratov State Technical University
Чеботаревский Юрий Викторович -
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теоретическая механика» Саратовского государственного технического университета
Chebotarevskiy Yuriy Viktorovich -
Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of «Mechanics Theory » of Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 12.05.10, принята к опубликованию 23.09.10
