64816

ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ КЕРУВАННЯ ЯКІСТЮ ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ ОПТИЧНИХ МАТЕРІАЛІВ ПРИ ЕЛЕКТРОННО-ПРОМЕНЕВІЙ МІКРООБРОБЦІ

Автореферат

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Вперше аналіз електроннопроменевого впливу на мікрорельєф поверхні і ПШ германію та кремнію представлено в роботах Г. Ващенком розвинені математичні моделі та вперше розроблені наукові основи керування параметрами стрічкового електронного потоку при обробці оптичного скла і оптичних керамік...

Украинкский

2014-07-11

3.99 MB

1 чел.

35

PAGE  40

     НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

 

КАНАШЕВИЧ  ГЕОРГІЙ   ВІКТОРОВИЧ

УДК 621.373.826.038

  ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ КЕРУВАННЯ ЯКІСТЮ  ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ ОПТИЧНИХ МАТЕРІАЛІВ ПРИ  ЕЛЕКТРОННО-ПРОМЕНЕВІЙ МІКРООБРОБЦІ   

Спеціальність 05.03.07 – Процеси фізико-технічної обробки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук

                                                                     Київ – 2010

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі фізики Черкаського державного технологічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант

доктор технічних наук, професор
Ващенко В’ячеслав Андрійович,

Черкаський державний технологічний університет,

завідувач кафедри фізики

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор  

Тимчик Григорій Семенович,

Національний технічний університет України «КПІ»,

завідувач кафедри виробництва приладів

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Бондарєв Анатолій Андрійович,

Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України,

провідний науковий співробітник

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Гречанюк Микола Іванович,

Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, провідний науковий співробітник

Захист відбудеться «18» жовтня 2010 р. о 15 год. на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 26.002.15 при Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37, корпус 19, ауд. 435

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий «8» вересня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої  вченої ради, д.т.н., професор

Р. М. Рижов


ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема керування якістю поверхневого шару (ПШ) при виготовленні елементів нового покоління – інтегральної оптики і мікрооптики є головною в сучасній техніці і технології поверхневої обробки оптичних матеріалів. Одним із засобів вирішення цієї проблеми є розробка і застосування новітніх методів та прецизійного високопродуктивного  технологічно чистого інструментарію і технологій мікрообробки, спрямованих на надання ПШ оптичних матеріалів таких властивостей і характеристик, які на теперішній час традиційними методами отримати неможливо.

Аналіз сучасного стану проблеми доводить, що в умовах діючих промислових технологій, з використанням механічного різця та абразиву, травильних і миючих розчинів, полум’яного пальника та флоат-способу, неможливо здійснити керування властивостями і досягти якісно нових характеристик ПШ оптичних матеріалів за нанорельєфом, структурою, хімічним складом. Мікро- та нанодефекти, поверхнево активні речовини що утворюються за цими технологіями у ПШ негативно впливають на експлуатаційні характеристики: прозорість, механічну міцність, термостійкість оптичних мікроелементів, а ультрапориста структура зменшує стійкість до атомсферного впливу. Нанорельєф поверхні більший за 5 нм, оптичні неоднорідністі, які обумовлені мікронапруженями у дефектному шарі змінюють структуру та інтенсивність монохроматичного світлового випромінювання, яке розповсюджується в оптичних мікроелементах на глибині до 3 мкм, що суттєво знижує їх функціональну та експлуатаційну надійність. Структурні неоднорідності ПШ значно обмежують можливості сучасних субмікронних технологій, таких як фотолітографія та електронна літографія на стадії мініатюризації елементної бази оптичних інтегральних схем та мікрооптики.   

Фундаментальні дослідження і досягнення провідних вчених М.М. Рикаліна, І.В. Зуєва, А.О.  Валієва, В.Ф. Попова, І.А. Аброяна,В.С. Коваленка, А.Г, Григорьянца, Л.Ф.Головка, Д.І. Котельникова, І.В., Ю.О. Гулояна, П. Маззолді  та інших дослідників значно розширили технологічні можливості поверхневої обробки матеріалів, зменшивши зону обробки до мікрооб’ємів, використавши концентровані потоки енергії: лазерне випромінювання, ІЧ-випромінювання, електронні, йонні та плазмові потоки.

Вперше аналіз електронно-променевого впливу на мікрорельєф поверхні і ПШ германію та кремнію представлено в роботах Г. В. Дудка, а в роботах  В. М. Лісоченка доведена ефективність фінішного полірування стрічковим електронним потоком (Е  10 КеВ) пластин з оптичного скла К8 для вхідних вікон відиконів. Надалі В. А. Ващенком розвинені математичні моделі та вперше розроблені  наукові основи керування параметрами стрічкового електронного потоку при обробці оптичного скла і оптичних керамік, а також надані рекомендації щодо розробки відповідної технології для інтегральної оптики (ІО).  

Проте, на теперішній час, електронно-променева обробка, як ефективний засіб вирішення широкого кола технологічних задач оптичної промисловості, точного приладобудування, ІО, мікрооптики (МО) не знайшла використання за таких обставин: 1) наявності розрізнених даних  щодо технологічних можливостей та підходів до ефективного модифікування ПШ оптичних матеріалів КПЕ; 2) відсутності повноти уявлень про фізичні явища та фізико-хімічні процеси, їх перебіг та закономірності при формуванні ПШ під електронним потоком, а також невирішені ряду теоретико-прикладними завдань, серед яких: 1) розробка технологічної ситеми з визначеними зв’язками та взаємозв'язками якісних характеристик модифікованого ПШ з характеристиками електронного потоку та технологічними умовами обробки; 2) проектування технологічного оснащеня та модифікування вакуумного технологічного обладнання; 3) розробка та виготовлення гнучких автоматизованих систем керування, які б забезпечили прецизійність мікрообробки; 4) виготовлення електронно-променевої гармати та дослідження її характеристик; 5) визначення ефективності та терміну експлуатації дротяного катоду; 6) розробка та виготовлення засобів діагностики і контролю просторово-енергетичних характеристик  електронного потоку; 7) вибір та виготовлення засобів діагностики і контролю якості поверхні і ПШ, що в сукупності представляють собою фізико- технологічні основи електронно-променевої мікрообробки.

Таким чином, узагальнення існуючих даних, виявлення нових явищ, вивчення їх перебігу і закономірностей та вирішення зазначених вище названих завдань дозволяють: уточнити і доповнити теорію взаємодії КПЕ з матеріали, вдосконалити та підвищити ефективність електронно-променевої обробки, удосконалити якісні параметри поверхневого шару, чим підвищити функціональні і експлуатаційні характеристики пластин для плат ІО та МО, підвищити продуктивність при виготовленні оптичних виробів з мікрометричними розмірами шляхом інтегрування їх на окремій платі, що є вирішенням актуальної науково-технічної проблеми, яка має важливе народно-господарче значення для розвитку оптичної промисловості, точного приладобудування, ІО та МО, волоконно-оптичного зв’язку.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в лабораторіях вакуумної техніки та електронно-променевих методів обробки, прикладної оптики та атомно-силової мікроскопії, міжкафедральній лабораторії структурного аналізу кафедри фізики Черкаського державного технологічного університету, виходячи з основних завдань Національної програми України «Критичні технології», рішень і наказів Міністерства освіти і науки України з наукової діяльності ВНЗ та в рамках держбюджетних робіт: «Створення континуальних механіко-математичних моделей та основ аналізу функціональних параметрів і синтезу п’єзоелектричних перетворювачів поліморфного типу, у тому числі з аморфними та алмазоподібними плівками» (номер державної реєстрації 0100U004418); «Технологічні основи отримання металізованих покриттів на виробах мікрооптики та наноелектроніки електронно-променевим методом» (номер державної реєстрації 0103U003689); «Діагностика функціональних шарів у виробах мікрооптики і наноелектроніки, отриманих електронними технологіями» (номер державної реєстрації 0106U004500). При роботі над цими програмами і темами автор працював на посаді старшого наукового співробітника та відповідального виконавця.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є вдосконалення та підвищення ефективності електронно-променевої обробки шляхом створення технологічних основ керування властивостями поверхневого шару оптичних матеріалів для забезпечення якості, експлуатаційної надійності та збільшення продуктивності при виготовленні оптичних виробів з мікрометричними розмірами.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

1. Проаналізувати, узагальнити і використати існуючу базу даних з електронно-променевої обробки неметалевих матеріалів та на базі існуючої теорії взаємодії електронів з матеріалами визначити системні проблеми та встановити нові зв’язки і залежності між фізичними явищами та якісно-новими характеристиками матеріалу і електронного потоку, чим обґрунтувати доцільність та ефективність розробки технологічних основ керування якістю ПШ оптичних матеріалів електронно-променевою мікрообробкою.  

2. Виконати комплекс теоретичних та експериментальних досліджень для визначення взаємозв’язку вхідних параметрів процесу електронно-променевої мікрообробки з вихідними якісними характеристиками ПШ (нанорельєфом поверхні, рівнем поверхні, дефектністю, структурою, хімічним складом, залишковими термонапруженнями, світлопропусканням, мікротвердістю, стійкістю до атмосферного впливу) та встановлення основних стадій термічного впливу та технологічних меж при яких відбувається модифікація ПШ, на основі чого науково обґрунтувати і визначити критерії та підходи до розв’язання проблеми.

3. Для розвитку теорії взаємодії електронів з ПШ удосконалити математичну модель розподілу температури в матеріалі шляхом врахування впливу просторово-енергетичних характеристик електронного потоку, леткості матеріалу розплаву, дифузійних процесів при формуванні ПШ та розвитку перехідного шару між проплавленою поверхнею і основою при відпалюванні і охолодженні.

4. Дослідити процеси на границі розділу тведе скло-вакуум, рідке скло-вакуум, рідке скло-основа від дії електронного потоку на  скло К8, К108, К208, БК10, ТК21, фотопластини ПШ яких має різну технологічну спадковість, чим визначити стадії теплового впливу на ПШ та їх взаємозв’язок з параметрами електронного потоку, технологічного середовища і фізико-хімічними властивостями матеріалу.

5. Дослідити нанорельєф, площинність, мікротвердість та прозорість поверхні, дефектність, структурно-фазовий склад і напружений стан ПШ, а також його стійкість до вологої атмосфери, морської води та туману.

6. Дослідити умови спрямованого формування мікрорельєфу у ПШ оптичних плат для виготовлення оптичних мікрометричних розмірів: фокусувальних, розфокусувальних, відбивальних, дифузно-розсіювальних, хвильоводних за груповою технологією поєднанням процесів електронно-променевої мікрообробки з технологіями мікроелектроніки (вакуумним напилюванням, маскуванням, травленням), визначити максимальну ступінь інтеграції оптичних мікроелементів.

7. Викласти теоретичні положення процесу дії електронного потоку на оптичні матеріали, визначити основні механізми та закономірності, за якими формується ПШ, на базі яких розробити концепцію керування якістю ПШ.

8. Розширити існуючий діапазон технологічних можливостей електронно-променевої обробки, для чого розробити нові операції мікрообробки ПШ оптичних матеріалів, створити пристрої, модернізувати вакуумне обладнання, створити систему діагностики та контролю якісних характеристик ПШ, систему комп‘ютерного керування для забезпечення спрямованого керованого  процесу перетворення ПШ оптичних матеріалів.

9. На основі отриманих результатів розробити  наукову методологію реалізації процесу поверхневої електронно-променевої мікрообробки оптичних матеріалів та  технологічні основи керування якістю ПШ оптичних матеріалів електронно-променевою мікрообробкою для забезпечення функціональної надійності та продуктивності виготовлення оптичних мікроелементів.

Об’єкт дослідження процеси електронно-променевої обробки оптичних матеріалів.

Предмет дослідженняфізичні механізми перетворення поверхневого шару, техніка та технологія спрямованого формування електронним впливом поверхонь і поверхневих шарів зі зміненим фізико-хімічним станом для забезпечення процесу керування якістю ПШ, підвищення експлуатаційної надійності та збільшення продуктивності при виготовленні  виробів з мікрометричними розмірами з оптичного і технічного скла.

 Методи дослідження. Основні наукові положення, висновки і аргументації, які сформульовані в дисертації отримані з використанням теоретичних і експериментальних методів дослідження скла та технологій оптичної промисловості, точного приладобудування, сучасних методів оптичної та електронної мікроскопії, еліпсометрії, скануючої атомно-силової мікроскопії, лазерної інтерферометрії, ультрам’якої рентгенівської рефлектометрії,визначення мікротвердості, хімічної стійкості, прозорості, залишкових напружень, математичного моделювання і теоретичних положень механіки, теорії взаємодії електронів з речовиною, теплопровідності, тепломасопереносу, дифузійного зварювання та експериментальних досягнень мікроелектроніки, волоконної й інтегральної оптики на стандартному обладнанні й спеціально обладнаних стендах. При розробці окремих пристроїв і вузлів вимірювального обладнання, технологічного обладнання для електронно-променевої мікрообробки використовувалася сучасна елементна база, а розрахунки за математичними моделями та керування параметрами обробки здійснювалися з використанням сучасних ПК і спеціально розроблених пакетів прикладних програм.

 Наукова новизна одержаних результатів:

 - Вперше проведено комплексне системне експериментальне дослідження процесу якісних перетворень дефектного шару оптичного і технічного силікатного скла  без переходу до рідинного стану та з переплавом  дефектного шару і частки матеріалу основи від фізико-технічних умов електронно-променевого впливу, а також виявлено закономірності впливу температури і часу попереднього нагріву матеріалу, питомої потужності електронного потоку та часу дії потоку на переведення поверхневого шару до рідинного стану.  

- Вперше отримані закономірності впливу температури попереднього нагріву Т0 оптичного матеріалу на якісні характеристики поверхневого шару та на розміри  електронної стрічки на поверхні матеріалу: встановлено, що температура Т0 для стекол силікатної групи лежить в межах 840…920 К і для окремої марки скла визначається, як Т0 = ТВП – (30… 40) К (ТВП –  температура відпалювання); збільшення Т0 на 10 К при електронно-променевій мікрообробці  призводить до погіршення площинності поверхні, а зменшення Т0 на 10 К призводить до збільшення ширини електронної стрічки на поверхні у 1,08 разів і не впливає на якість мікрообробки.    

 - Вперше досліджені процеси на границі розділу рідке скло-вакуум в залежності від впливу електронного потоку і вперше отримані наступні експериментальні дані: підвищена леткість розплаву у вакуум  при температурах 900...1350С, що у 15...45 разів більше порівняно з промисловим варінням; електронний потік інтенсифікує десорбцію слабко зв’язаних йонів Na+, K+ систем К2О – Nа2О – В2О3SiО2,  К2О – Nа2О – ВаО – ZnO - В2О3 -  SiО2,  ВаО – В2О3SiО2; СаО - SiО2, а також поверхнево активних домішок з глибини до 10 мкм у вакуум; поверхневий шар після охолодження вкритий кварцеподібною плівкою товщиною до 150 А.

 - Вперше теоретично та експериментально доведено дифузійний механізм розвитку перехідного шару та визначені залишкові напруження, які забезпечують кінцеву стадію його формування. За умов мінімальних залишкових термонапужень у 3,2 МПа виконується співвідношення: hПР hПЕР (hПР - товщина проплавленого шару у мкм; hПЕР - товщина перехідного шару у мкм) і забезпечується максимально надійне зчеплення модифікованого поверхневого шару з основою.

 -  Вперше встановлені закономірності перебудови структури поверхневого шару від порушеної до монолітної (на глибині  0,5...160 мкм) від стадій теплового і електричного впливу електронного потоку (Е6 кеВ) та нові властивості поверхневого шару: структура поверхневого шару починає змінюватися при енергіях електронів 1,5...2,2 кеВ (твердий стан), а після переплаву і ущільнюється набуває буферних властивостей для йонів Ag+ при йонному обміні з розплавів AgNO3;  модифікований поверхневий шар скла системи СаО - SiО2 більш активно (у 1,4 рази швидше) розчиняється у розчинах НF, чим модифікований поверхневий шар скла систем К2О – Nа2О – В2О3SiО2,  К2О – Nа2О – ВаО – ZnO - В2О3 -  SiО2,  ВаО – В2О3SiО2.

 - Теоретично обґрунтовано і експериментально доведено, що: тиск електронного потоку на поверхню розплаву силікатного скла при довжині зони термічної дії у 1,5... 2,5 мм та швидкості стрічки 1,5...3,5 см/с складає Ре = 0,018....0,042 Па і при глибині проплавлення до 160 мкм не викликає хвилястості поверхні при мікрообробці; мінімальний нанорельєф поверхні пластин з оптичного силікатного скла і фотопластин, який утворено з розплаву при електронно-променевій обробці складає 2,3 нм і у 1,8 (для оптичного скла) та у 1,3 (для фотопластин) рази   менший , чим при  лазерній (СО2 – лазер) обробці.  

 - Удосконалено математичні моделі шляхом врахування температурних залежностей леткості матеріалу розплаву та дифузійних процесів, які дозволяють більш точно (відносну похибку знижено до 5...8% замість 10...12% у існуючих моделей) прогнозувати умови розчинення дефектного і тріщинуватого шарів у розплаві, розвиток перехідного шару між рідинним станом поверхневого шару і основним матеріалом та оптимізувати режими керування енергетичними параметрами електронного потоку і температурними режимами охолодження і відпалювання на стадіях формування поверхневого шару.  

  - Вперше на отриманій базі даних, розвинених уявленнях, розроблених математичних моделях, оригінальних методиках, модифікованому технологічному і вимірювальному обладнанні, системі діагностики, спеціалізованому програмному забезпеченні, які у сукупності представляють собою технологічні основи керування якістю поверхневого шару оптичних матеріалів при електронно-променевій мікрообробці, розроблено нову наукову методологію, яка дозволяє вибирати допустимий діапазон змін керованих параметрів електронного потоку, вихідні параметри об’єкту мікрообробки, покращити якісні параметри поверхневого шару, визначити межі деформації і руйнування та межі надійної експлуатації виробів.  

 Практичне значення одержаних результатів. Розширено технологічні можливості електронно-променевої обробки оптичних матеріалів стрічковим електронним потоком від однієї операції (полірування) до десяти, а саме: активація поверхні, рафінування ПШ, реставрація ПШ усуненням подряпин, точок, дефектного й тріщинуватого шарів, зменшення шорсткості поверхні, створення блокуючих шарів для іонного обміну, рельєфоутворення, обробка плівкових елементів, окварцювання поверхні, створення поверхневих шарів зі змінним показником заломлення, відшарування ювенільних поверхонь.

Створена науково-технічна та технологічна база електронно-променевої мікрообробки може широко використовуватися в оптичній промисловості, оптичному приладобудуванні, а також в технологіях мікроелектроніки, оптоелектроніки, волоконної та інтегральної оптики.   

Результати теоретичних і експериментальних досліджень використані і впроваджені у 1997 –2009 роках у ряді організацій і підприємств України, Білорусі, Росії: завод «Арсенал» Національного космічного агентства України, ТОВ «Carl Zeiss» (м. Київ), НВК «Фотоприлад», НВК «Аскєн», НВО «Хімреактив», ПП «Фотоніка плюс», НВК «Укрп’єзо» (м. Черкаси), НПО «Радон» (м. Москва), Институт тепло- и массопереноса им. А. В. Лыкова НАН Беларуси (м. Мінськ, Білорусь), ТДВ «Микротестмашины» (м. Гомель, Білорусь), серед яких:

  •  модифіковане вакуумне обладнання, забезпечене арматурою для нанесення тонких металевих плівок та електронною гарматою Пірса зі стрічковою формою електронного потоку і оснащене мікропроцесорними системами керування;
  •  оптичні елементи точного приладобудування: плати для растрів мікро- та оптичних інтегральних схем на оптичному і технічному склі, канали під оптичні хвилеводи та оптичні хвилеводи для інтегральної оптики, мікролінзи, мікродзеркала, матриці мікролінз та мікролінзові растри;
  •  математичні моделі та спеціалізоване програмне забезпечення для розрахунку теплових полів в оптичних матеріалах від дії рухомого стрічкового електронного потоку, а також опис, моделювання і розрахунки процесів дифузії, леткості матеріалу розплаву, електричного впливу на різних стадіях термічного впливу, технологічна система та алгоритм мікрообробки.
  •  зразки оптичних поверхонь після електронно-променевої мікрообробки, які використані як тест-об'єкти за нанорельєфом поверхонь.

За нові технологічні засоби мікрообробки елементів інтегральної оптики та мікрооптики автор нагороджений дипломом та медаллю лауреата Всеросійського виставкового центру на IV Міжнародному форумі «OPTICS-EXPO 2008» (м. Москва), за суттєвий внесок у розробку та створення оптичної техніки автор також нагороджений «Почетным дипломом Оптического общества им. Д. С. Рождественского» (диплом № 188, 2008 р., м. Санкт-Петербург, Росія).

У Черкаському державному технологічному університеті під керівництвом В. А. Ващенка та за безпосередньої участі автора створені наукові лабораторії «Вакуумної техніки та електронно-променевих методів обробки», «Прикладної оптики та атомно-силової мікроскопії», «Міжнародний навчально-науковий центр мікронанотехнологій та обладнання». Впроваджено у навчальний процес Черкаського державного технологічного університету, НТУУ «КПІ» наукові розробки за напрямком електронно-променевої мікрообробки поверхонь плат оптичних інтегральних схем та мікрооптики. За окремими результатами досліджень, які одержані в процесі виконання дисертації, створено лабораторні роботи з дисциплін «Вакуумні та електронно-променеві методи обробки», «Теоретичні основи теплотехніки», «Матеріалознавство і ТКМ», «Технічна термодинаміка», «Тепломасообмін», видано навчальні посібники: «Спеціальні методи обробки оптичного скла (техніка, технологія, економіка)» «Системи сучасних технологій» ч. 3 – з грифом Міністерства освіти і науки України, навчальний посібник «Приклади застосування фізичних методів дослідження структури поверхні» (Вид-во Сільхет (Бангладеш), монографію «Термічна електронно-променева обробка скляних плат оптичних інтегральних схем» (укр. деп. в НИИТЭХИМ).

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Проведено аналіз і здійснено наукове обґрунтування стану і якості розробок у галузі інтегральної оптики, мікрооптики з використанням сучасних промислових технологій і мікротехнологій на базі КПЕ, що забезпечує вирішення важливої прикладної проблеми – підвищення ефективності електронно-променевої обробки, забезпечення якості та збільшення продуктивності при виготовленні оптичних виробів з мікрометричними розмірами з оптичного і технічного скла, одержання матеріалів з новими властивостями шляхом комплексного технологічного керування якістю ПШ, який формується мікрообробкою концентрованими потоками енергії. Постановка задач і обговорення отриманих наукових результатів виконані разом з науковим консультантом і частково зі співавторами публікацій. Особисто автором запропоновані й побудовані фізико-математичні моделі процесу електронно-променевої мікрообробки ПШ оптичних матеріалів. Чисельне моделювання та експериментальні дослідження проводилися автором з частковим залученням аспірантів та наукових співробітників. Винаходи, використані в роботі, отримані як безпосередньо автором, так і за участі наукових співробітників. Впровадження результатів дисертаційної роботи здійснювалося автором за участі наукових співробітників.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень оприлюднені на 32 міжнародних конференціях, симпозіумах та виставках, серед яких: «Вакуумные технологии и оборудование» (м. Харків, 1997, 1999); «Modification of Рroperties of Surface Layers of Non-Semiconducting Materials Using Particle Beams» (м. Суми, 1999), «XVIII Российская конференция по электронной микроскопии ЭМ'2000» (м. Черноголовка, 2000), «Прогрессивные технологии и системы машиностроения» (м. Донецьк, 2002), «Машинобудування та металообробка» (м. Кіровоград, 2003), «XIII Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и методам исследования твердых тел» (м. Черноголовка, 2003, 2008), «Новые и нетрадиционные технологии в ресурсо- и энергосбережении» (м. Одеса, 2004), «ОТТОМ-5» (м. Харків, 2004), «Датчики, прилади та системи» (м. Ялта, 2005, 2007), «Теорія і практика сучасної економіки» (м. Черкаси, 2005), «Функциональные покрытия на стеклах» (м. Харків, 2003, 2005), «Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях» (п. Славское, 2002 – 2010), The 7th World Congress on Recovery, Recycling and Reintegration & China International 3R Exhibition (Beijing, China, 2005), «Актуальные вопросы и организационно-правовые основы сотрудничества Украины и КНР в сфере высоких технологий (м. Київ, 2005, 2006), «Динаміка наукових досліджень – 2006» (м. Дніпропетровськ, 2006), «Прикладная оптика – 2006», (м. Санкт-Петербург), «Белорусский семинар по сканирующей зондовой микроскопии» (м. Мінськ, 2004, 2006, 2008), «Clusters and Nanostructured Мaterials (CNM’2006)» (м. Ужгород, 2006), «Приладобудування: стан і перспективи» (м. Київ, 2007), IV Міжнародний форум «OPTICS-EXPO 2008» (м. Москва, 2008), «Прикладная оптика – 2008» (м. Санкт-Петербург).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 45 наукових праць, в тому числі одна депонована монографія, 22 статті у спеціалізованих журналах і збірниках, затверджених ВАК України, 6 патентів України.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів і висновків, обсяг яких становить 292 сторінки із 170 рисунками та 49 таблицями, а також переліку використаних джерел з 487 найменувань, викладених на 42 сторінках, та  додатків на 25 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційного дослідження, сформульовано мету, задачі та основні положення, що виносяться на захист, окреслено наукову новизну й практичну цінність роботи, наведено відомості щодо апробації, публікацій, використання результатів дослідження.

Розділ 1. У розділі виконано детальний аналіз стану, напрямків і тенденцій використання оптичних мікроелементів, розглянуто проблеми якості ПШ оптичного скла, від яких залежать функціональна та експлуатаційна надійність, довговічність і можливості подальшої мініатюризації елементної бази ІО та МО.

Серед сучасних матеріалів оптичної техніки оптичне і технічне скло займає особливе місце та з появою нового класу оптичних елементів у мікровиконанні з фокусувальними, розфокусувальними, заломлювальними, відбивальними, дифузно-розсіювальними та іншими характеристиками сприяє подальшому розвитку мікрооптичних, мікрооптомеханічних, мікрооптоелектромеханічних приладів і систем для обробки, збереження і передачі кодованої інформації та зображення на якісно новому рівні. При цьому оптичні мікроелементи виконуються в мініатюрному вигляді (від десятків мікрометрів і більше), як у планарному виконанні у вигляді матриць, растрів (періодичних структур), так і у вигляді окремих деталей з можливістю складання з них мікрооб'єктивів або оптичних інтегральних схем.   

Негативний вплив дефектного шару на прозорість, механічну міцність, променеву і хімічну стійкість, дифузійну проникність, енергетичні втрати когерентного лазерного випромінювання показано в роботах В. П. Маслова, О. С. Топорця, Л. Б. Глєбова, Г. М. Бортєнєва, Г. Т. Петровського та інших вчених. Наявність сорбційного простору у промислово виготовлених пластинах із силікатного скла, що утворюється ультрапорами, розміри яких менші за розмір атома криптона, тобто 4 Å, але близькі до розміру молекул води - 2,7 Å визначено в роботах Д. П. Добичіна, Т. М. Буркат, Л. Р. Пальтієля і визнана ефективність їх заплавлення лазерним випромінюванням.

Найважливіші роботи в напрямку вирішення проблеми одержання бездефектних поверхонь,  мініатюризації та формоутворення оптичних елементів на оптичному склі проводяться на заводі «Арсенал» Національного космічного агентства України, в Чернівецькому національному університеті, Харківському фізико-технічному інституті, Ужгородському державному технологічному університеті, Черкаському державному технологічному університеті, Государственном оптическом институте (ГОИ), Государственном институте прикладной оптики (ГИПО) Росії та інших організаціях і підприємствах. Над проблемою виготовлення мікропрофілів для мікрооптики на оптичному склі активно працюють німецькі («Limo», «Carl Zeiss», «Siemens»), американські («Eastman Kodak Co», «Bern», компанії: «SDL», «Polaroid», «Spectra-Physics Lasers») та інші фірми, які формують оптичні мікроелементи шляхом багатоетапної комплексної технології з чергуванням операцій нанесення функціональних покриттів і використанням фото- та електронної літографій.

Разом з тим, в Україні розвиток технологій обробки оптичних матеріалів стримується сучасним економічним рівнем, який негативно вплинув на розвиток оптоелектроніки, МО та ІО.

Принципову можливість зменшення нанорельєфу на оптичному склі до 5 нм, усунення дефектного шару проплавленням поверхні на глибину до 10 мкм стрічковим електронним потоком і переваги над існуючими методами поверхневої обробки показано в роботах В. М. Лісоченка. В роботі В. А. Ващенка представлені наукові основи керування якістю електронно-променевої обробки шляхом фізико-математичного моделювання й зміни параметрів електронного потоку – загальної та питомої потужності, з урахуванням нелінійної залежності теплопровідності матеріалу від температури і часу обробки. Підвищення якості електронно-променевої обробки оптичного скла шляхом керування вхідними параметрами обробки – струмом та прискорюючою напругою електронного потоку, оптимізації роботи катода електронної гармати висвітлено в роботах М. О. Бондаренка, І. В. Яценко та М.П.Рудя. В роботах О. О. Кравченка, О. О. Агєєва, Д. І. Черед-ниченка висвітлені питання з аналізу впливу електричних параметрів електронного потоку та дифузійних та десорбційних процесів на формування максимально гладкої поверхні на силікатному склі. Дослідження зарядження діелектриків при імпульсній обробці електронами з енергіями 50…100 кеВ та проблеми електронно-променевої обробки діелектриків, у тому числі скла, висвітлені в роботах О. М. Філачева та Б. І. Фукса, в яких вказується, що прецизійна електронно-променева обробка матеріалів значною мірою ускладнюється впливом електричного заряду, який вноситься в матеріал електронним потоком. Як показала практика, цих напрацювань недостатньо, щоб вирішити існуючу проблему.

Отже, стає необхідним дослідити й визначити основні фізичні процеси та механізми, які спричиняють спрямоване локальне модифікування поверхонь оптичних матеріалів дією низькоенергетичного електронного потоку, і шляхом узагальнення існуючих та отримання нових даних через проведені теоретичні й експериментальні дослідження визначити стратегію і розробити технологічні основи керування якістю ПШ. Це дає змогу вирішити проблему та ряд нагальних практичних задач, які мають важливе народногосподарське значення, забезпечивши оптичним матеріалам такі якісно нові характеристики поверхонь і ПШ, які покращують функціональні і експлуатаційні характеристики оптичним мікроелементам та підвищують продуктивність їх виготовлення.

Розділ 2. Розділ присвячений методикам і методам проведення досліджень, експериментальній базі, спрямованим на доведення гіпотез, формулювання теоретичних положень та розробку технологічної системи електронно-променевої мікрообробки ПШ оптичних матеріалів. Обгрунтовано вибір оптимальної кінематичної схеми електронно-променевої установки та її технічних характеристик, технологічної схеми та алгоритму мікрообробки, типу приладів за їх класом точності та методів оцінки похибки результатів при вимірюваннях. Основна концепція досліджень полягала у вивченні динамічних процесів, впливу теплових і електричних факторів на механізми фізико-хімічних перетворень ПШ оптичного й технічного скла силікатної групи при електронно-променевій мікрообробці з врахуванням технологічної спадковості матеріалу обробки.  Для дослідження та реєстрації параметрів фізико-технічних процесів електронно-променевої мікрообробки було виготовлено ряд стендів, пристроїв з комп’ютерним керуванням, які з необхідним ступенем точності забезпечили:

  1.  визначення форми, розмірів та коефіцієнта зосередженості стрічкового електронного потоку;
  2.  визначення просторово-енергетичних характеристик електронної стрічки зондуванням потоку;
  3.  визначення терміну експлуатації катода залежно від умов його дії;
  4.  проведення комплексу експериментальних досліджень з мікрообробки ПШ оптичного й технічного скла без проплавлення та з проплавленням поверхні, явища леткості матеріалу у вакуум та зменшення вихідного рівня ПШ;
  5.  проведення комплексу експериментальних досліджень зі спрямованого відшарування ПШ після   мікрообробки;
  6.  нанесення тонких металевих плівок на поверхню оптичних матеріалів та електронно-променеву мікрообробку ПШ в єдиному технологічному циклі.

Якість мікрообробки ПШ пов’язана з якісними характеристиками потоку, до яких належать: форма, просторово-енергетичний розподіл потоку за шириною, прямолінійність та енергетична незмінність цих характеристик уздовж потоку.

Головним елементом, який забезпечує емісію електронів та формування електронної стрічки з ґауссовим розподілом, є катод та електронно-оптична система гармати Пірса. В якості катоду використано дріт вольфрамовий марки ВА-1-ТО ( ГОСТ 7348-80 ''Проволока вольфрамовая'') діаметром 0,2; 0,4; 0,5 мм.

Ширину, довжину, коефіцієнт зосередженості електронної стрічки визначено двома способами: 1) за термокартинами, утвореними від стаціонарно розташованої стрічки на поверхні пластин зі сталі Х18Н10Т, сітці зі сталі Х18Н10Т (крок комірки – 60 мкм, діаметр дроту сітки – 60 мкм) та технічному графіті; 2) зондуванням електронної стрічки на поверхні металу (сталь Х18Н10Т) та на поверхні розігрітого до температур 570…770 К силікатного скла. Інформація про розподіл енергії в електронній стрічці, її розмір на поверхні матеріалу записується у память компютера, що надає можливість гнучко юстувати електронно-оптичну систему гармати. Одержані зондовим методом характеристики (рис. 1) добре корелюють з даними, отриманими О. О. Зуєвим та М. М. Угловим для круглих електронних потоків, при цьому розбіжність не перевищує 5…7 %. Оптимальною шириною електронної стрічки для мікрообробки визначено ширину 2,5...3,5 мм.

Розподіл енергії в стрічці залежить від якості катоду та її зміни від часу експлуатації. Випаровування матеріалу катоду при Т = 2400...2600 К та періодичний контакт його з атмосферним повітрям змінює емісійний струм катоду Іе та зменшує термін його експлуатації. Вперше визначено характерні сліди ерозії та руйнування вольфрамового дроту діаметром 0,5 мм при використанні його у якості катоду в електронно-променевій гарматі (рис. 2).  

             

а)        б)

         

в)        г)

Рис. 2. Зовнішній вигляд різних частин катоду та їх поверхні та мікропрофілі  при різних термінах експлуатації ( ІК = 12,5 А): а) поверхня з центральної частини прикатодного електроду (до експлуатації);  б) поверхні з центральної частини прикатодного електроду (60 годин експлуатації); в) поверхні з центральної частини прикатодного електроду (140 годин експлуатації); г) поверхня за межами при катодного електроду (60 годин експлуатації)

Аналогічні результати отримані для діаметрів вольфрамового дроту 0,2; 0,4 та 0,6 мм. За термін експлуатації катода у розробленій технології приймається час tек, за яким його діаметр зменшується не більше ніж на 10% при умові відсутності на його поверхні дефектів з лінійними розмірами більшими за 60 мкм. На рис.3 представлені експериментальні залежності зміни діаметру катоду dК (вихідний діаметр 0,5 мм) від часу контакту з атмосферним повітрям tП (а) та  розрахункові і експериментальні залежності зміни dК та терміну експлуатації катоду від технологічних параметрів гармати: робочої температури катоду ТК , струму розігріву катоду ІК та струму емісії катоду (б).

     

                                      а                                                                         б

Рис. 3. Залежності зменшення діаметру катода dК від технологічних параметрів гармати: робочої температури катоду ТК , струму розігріву катоду ІК (а) та від часу взаємодії катоду з атмосферним повітрям (б)

Таким чином, ефективна експлуатація дротяних катодів діаметром 0,2; 0,4; 0,5 мм в умовах електронно-променевої мікрообробки оптичних матеріалів становить до 120 годин.   

Встановлені експериментальні залежності питомої потужності потоку Рпит від відстані гармати до об’єкта обробки Нобр (скло К8), рис. 4 надали можливості керування впливом електронного потоку на якісні характеристики ПШ матеріалів.

В якості об’єктів мікрообробки використано оптичне скла марок К8, К108, К208, БК10, ТК21 та технічне скло фотопластинок, фотошаблонів та голографічних пластинок систем К2О – Nа2О – В2О3SiО2,  К2О – Nа2О – ВаО – ZnO - В2О3 -  SiО2,  ВаО – В2О3SiО2; СаО - SiО2, Cа - SiО2. Залежності зміни питомої потужності від температури попереднього нагріву матеріалу представлені на рис. 5. Встановлені межі руйнування матеріалу і ПШ від температурних режимів нагріву т а охолодження (рис. 6). При недостатній температурі попереднього нагріву об‘єкту обробки (Т0 < 630 К) відбувається його руйнування електронним потоком, рис. 6,а, а при малому часі охолодження (менше 4 годин) - відшарування модифікованого ПШ, рис. 6,б.

 

а)        б)

Рис. 6. Характерне руйнування пластин з оптичного скла при електронно-променевій мікрообробці в умовах недотримання температурних режимів попереднього нагріву (а), масштаб: 2:1 та охолодження (б), масштаб: 1:1

За допомогою стандартних методик, а також розроблених оригінальних методик проведені вимірювання нанорельєфу поверхні, мікротвердості, товщини проплавленого шару, залишкових напружень ПШ, визначені дефектність, зміна хімічного складу, площинність, хімічна стійкість, стійкість до прісної і морської води. Використані найбільш прецизійні методи досліджень, які базуються на атомно-силовій та електронній мікроскопії, еліпсометрії, рентгенівській рефлексометрії, лазерній інтерферометрії. Розроблені методики з використанням атомно-силової та електронної мікроскопії дали змогу визначити шорсткість поверхні оптичного скла після електронно-променевої мікрообробки на рівні 2...5 нм і глибину проплавлення ПШ в межах 0,5...200 мкм. Методом електронно-зондового мікроаналізу встановлено, що в результаті термоелектричної дії електронного потоку на ПШ скла силікатної групи елементний склад та структура ПШ змінюються за його глибиною. Так, наприклад, для оптичного скла марок К8, К108, К208, основою яких є система К2О–Na2О–В2О3–SiО2, зменшується концентрація калію, натрію ПШ в 1,46 та 1,18 разу відповідно, у склі БК10 зменшується концентрація натрію в 0,15, калію – 1,3, кисню – 1,65, барію – 1,09 разу відповідно. Леткість розплаву при температурах 800...1500 К оцінюється втратою маси з одиниці поверхні в одиницю часу (мг/см2год) при зменшенні рівня вихідної поверхні h. Встановлено, що при мікрообробці втрати речовини розплаву ПШ становлять до 620 мг/см2год, що у 45 разів більше за втрати матеріалу розплаву при промисловому варінні, а зниження вихідного рівня поверхні відбувається до 100 мкм. На базі розроблених методик експериментально підтверджено утворення бездефектного монолітного ПШ, а також експериментально встановлені межі керування глибиною проникнення температурного поля, яке виникає при електронно-променевій мікрообробці. Після мікрообробки структура ПШ стає щільнішою, а при зламі має в’язкий характер руйнування. Збільшення швидкості охолодження впливає на процеси склування ПШ, в результаті чого можуть утворюватися лікваційні наноструктури з оксиду кремнію. Їм притаманні характерні, періодично розташовані центри кристалізації кремнію з розмірами у десятки нанометрів, які не погіршують світлопропускання ПШ. Отримані дані з вибіркового травлення розчинами HF вказують на повну відсутність дефектного і тріщинуватого шарів, що підвищує сорбційну стійкість ПШ в атмосферних умовах та при контакті з водою. Мікротвердість ПШ після електронно-променевої мікрообробки перевищує вихідну в 1,2…1,5 разу, що пояснюється ущільненням структури і збільшенням концентрації кремнію в результаті зменшення концентрації натрію, калію, бору за рахунок підвищеної їх леткості та десорбції у вакуум з розплаву. В результаті їх часткового видалення світлопропускання покращується у 1,5…1,8 раз, а показник заломлення зменшується у третьому та другому знаці ( є нормальним для елементної бази інтегральної оптики і мікрооптики), що визначено з викорис-танням еліпсометричного методу дослідження та має тенденцію до зростання при збільшенні струму електронного потоку ( рис.7). Ущільнення структури ПШ спричиняє термонапруження, значення яких після тривалого охолодження (6,5...8 годин) становлять
= 3,5…5,5 МПа і гарантують надійне щеплення модифікованого ПШ з основним матеріалом та надійну експлуатацію терміном не менше 20 років. Методом рентгенівської рефлексометрії встановлено, що на глибину до 150 Ǻ від поверхні ПШ має упорядковану структуру О-Si-О, яка наближена до кварцового скла. Така структура через малу свою товщину не впливає суттєво на міцність ПШ, але створює захисну плівку до впливу атмосферного пилу і вологи. Доведено, що перебудова структури ПШ скла силікатної групи на глибину, не меншу за 30 мкм, електронно-променевою мікрообробкою підвищує стійкість виробів до агресивного впливу морської води у 1,5…2 рази. Стійкість ПШ до впливу вологи, атмосферного пилу, морської води і туману визначалася за стандартними і розробленими автором методиками.

Результати дослідження атомно-силовою мікроскопією та порівняння нанорельєфу поверхні оптичного скла К8 після електронно-променевої мікрообробки та лазерної обробки (СО2-лазер) свідчать про перевагу електронно-променевого методу (рис. 8).

Рис. 8. Нанорельєф поверхні оптичного скла К8 після механічної (1), електронно-променевої (2)
та лазерної (3) обробки (атомно-силовий мікроскоп NT-206V)

Використання накладних масок з пластин Ni, Mo товщиною 0,1…0,2 мм блокує механізм леткості матеріалу поверхні з рідкої фази при електронно-променевій мікрообробці, що використано для формування мікропрофілів оптичних мікроелементів. Одержані дані доводять високу ефективність поєднання електронних технологій з технологіями мікроелектроніки (вакуумного напилювання та фотолітографії) для створення фокусуючих оптичних мікроелементів на загальній основі (платі) з відхиленням оптичних осей 1 мкм. З метою одержання відшарованого ПШ необхідної форми та розмірів з ювенільними поверхнями розроблено методику, в основу якої покладено термоудар. Для одержання дзеркально-відбивальних покриттів та дифузно-розсіювальних мікроструктур у ПШ оптичних матеріалів використано вакуумне напилювання тонких плівок Al, Ni, Cr товщиною до 1 мкм з подальшою мікрообробкою їх електронним потоком. Адгезійна міцність таких плівок перевищує адгезійну міцність не оброблених електронним потоком плівок у 2,5...3,5 раз, а однорідність покриттів покращується до 7 разів за рахунок зменшення пористості.

Всебічний аналіз фізико-технічного процесу електронного впливу на оптичний матеріал, закономірностей фізико-хімічних перетворень ПШ дозволив побудувати технологічну систему (рис. 9), встановити в ній необхідні причинно-наслідкові зв’язки та функціонально спрямувати її на досягнення мети – зміну якісних характеристик ПШ електронно-променевою мікрообробкою.

Проведений комплекс досліджень дав можливість отримати нові дані та підтвердити висунуті гіпотези, на базі чого науково обґрунтувати і сформулювати основні положення, які лягли в основу створення технологічних основ спрямованого модифікування ПШ оптичних матеріалів низькоенергетичним стрічковим електронним потоком:

1. Ефективною мікрообробка ПШ для скла силікатної групи буде лише при енергіях електронів
Е = 2,5…5,5 кеВ за умови його попереднього нагріву до температур, не менших за 650...720 К.  

2. Фізичною основою процесу електронно-променевої мікрообробки ПШ оптичних матеріалів з діелектричними властивостями та аморфною структурою є підвищена їх електропровідність, яка досягається попереднім нагрівом до температур, на 10…50 К нижче температури початку деформації, та зміна в'язкості ПШ від 1016 Пас (твердий стан) до 101 Пас (рідинно-текучий стан).

3. Технічною основою електронно-променевої мікрообробки і інструментом служить гармата Пірса, електронна оптика якої формує у вакуумі потік електронів стрічкової форми питомої потужності 0,5101...104 Вт/см2 і працює при прискорюючих напругах до10 кВ.

4. Основними механізмами, які забезпечують ефективність процесу мікрообробки ПШ оптичних матеріалів  електронним потоком, є :

  •  підвищена електропровідність поверхневого шару матеріалу
  •  локальне зменшення в’язкості матеріалу ПШ від твердого до рідинно-текучого стану в зоні дії електронного потоку;
  •  десорбція слабозв’язаних домішок лужних металів з ПШ у вакуум та леткість матеріал, які підсилюються високим градієнтом температури та електричним полем потоку;
  •  дифузія, яка виникає внаслідок зміни концентрації домішок і йонів Na+ та К+ за перерізом пластини.

5. Покращення якості ПШ досягається обґрунтованим вибором раціональних значень електронно-променевого впливу, які залежать від марки матеріалу, глибини та структури дефектного шару, що створюється на попередніх операціях виготовлення.

6. Модифікування ПШ оптичних матеріалів стрічковим електронним потоком є основою для створення шарів з іншими функціональними властивостями.


7. Покриття на металевій основі є активними електричними і тепловими стоками і використовуються для підвищення ефективності електронно-променевої мікрообробки.

8. Висока технологічна гнучкість і адаптивність електронного потоку до швидкого керування дає змогу застосувати його просторово-динамічні характеристики і реалізувати комплексний термо-електричний вплив на ПШ матеріалу. 

Спрогнозувати та визначити оптимальні умови перебігу фізико-хімічних процесів, умови керування якістю ПШ оптичних матеріалів мікрообробкою можна, удосконаливши існуючі математичні моделі, визначивши основні закономірності формування ПШ при нагріванні, електронно-променевій мікрообробці та охолодженні.

Розділ 3. У розділі подаються дані, які  розширюють сучасні наукові уявлення про механізми і закономірності утворення модифікованого ПШ; на баз таких нових даних удосконалені математичні моделі, проведені розрахунки і сформульовані основні положення технологічних основ керування якістю ПШ  електронно-променевою мікрообробкою, зокрема силікатного скла. На базі експериментально і теоретично отриманих даних щодо глибини та структури порушеного ПШ, який утворено після полірування механічним, хіміко-механічним та полум’яним методами, сформована база даних про характер дефектності ПШ оптичного і технічного скла.

На відміну від існуючих підходів, можна стверджувати, що фізичною умовою формування двовимірного модифікованого ПШ на склі є дисипація енергії електронів у малому об’ємі матеріалу та здатність матеріалу до локального поширення теплової енергії вздовж ПШ за рухомим потоком електронів. При цьому підвищення температури ПШ спричиняє локальне зменшення його в’язкості від твердого (η ≈ 1013 Па·с) до рідинного (η ≈ 101 Па·с) стану, термоелектрична дія потоку ініціює підвищення леткості матеріалу розплаву, десорбцію слабкозв’язаних компонентів з ПШ у вакуум та дифузійні процеси в об’ємі матеріалу.

Вперше введені поняття чутливості та порогу чутливості ПШ оптичних матеріалів до дії електронного потоку. Експериментально встановлено, що термоелектрична дія електронного потоку на силікатне скло інтенсифікує леткість легкозв’язаних компонентів Na2O, K2O, B2O3 з ПШ при енергіях електронів, починаючи з 1,3 кеВ. Тому визначаємо, що поріг чутливості для скла К8, БК10, ТК21, фотопластин залежно від хімічного складу (марки скла) та температури попереднього нагріву знаходиться в межах енергій 1,3...1,5 кеВ. Встановлено два рівні чутливості для ПШ стекол силікатної групи до дії електронного потоку: перший рівень характеризується зміною фізико-хімічного складу і реструктуризацією дефектного шару матеріалу; другий рівень визначається підвищенням температури ПШ матеріалу до рівня, коли забезпечується повне розчинення мікро- і нанодефектів ПШ у розплаві.

За експериментальними даними визначено три стадії теплового впливу (СТВ) на матеріал, які супроводжуються втратою летких компонентів (B2O3, Na2O, K2O) розплавом із поступовим зростанням частки втрати при збільшенні потужності потоку та поступовим зниженням вихідного рівня поверхні.

При І СТВ (Рпит  102 Вт/см2) на поверхні рідинний стан не виникає, а після охолодження товщина кварцеподібної плівки на поверхні не перевищує 100 Å. ІІ СТВ характеризується не тільки підвищеною стимульованою десорбцією іонів Na+, K+ та утворенням рідкої фази у ПШ, а й значним зменшенням рівня вихідної поверхні до 80 мкм за рахунок леткості сполук R2O і R2O3 з розплаву і, як наслідок, зміною та ущільненням структури. Проплавлений шар після охолодження стає бездефектним і монолітним, а поверхня матеріалу покривається кварцеподібною плівкою товщиною до 200 Å. Визначено діапазон ІІ СТВ для питомих потужностей потоку, який становить 5·102...5·103 Вт/см2. ІІІ СТВ визначається при Рпит  104 Вт/см2 і супроводжується інтенсивним випаровуванням і кипінням речовини ПШ скла. Практичне використання ІІІ СТВ через значне погіршення якісних характеристик поверхні скла автор вважає малоперспективним і тому розглядає в певному обмеженні. Оскільки електронний потік за своїм напрямком є не паралельним, а параксіальним і симетричним відносно електронно-оптичної осі електронно-оптичної системи, процес його впливу на поверхню за рухом можна розділити на три складові: на початку відбувається взаємодія з поверхнею низькоенергетичних електронів (передній фронт потоку), далі – електронів з максимальними енергіями (близьких до осі потоку), за якою на ПШ діє хвіст потоку.

Електричний вплив потоку також можна охарактеризувати двома послідовними стадіями електричної дії (СЕД). Спочатку електрони переднього фронту потоку взаємодіють з дефектним шаром на глибину до 1,5 мкм, що й характеризує І СЕД. І СЕД спричиняє накопичення електричного заряду qп в ПШ матеріалу, величину якого можна визначити як: qп = qе.S.hg.Pe, де qe – заряд, який переноситься електронами на поверхню і в ПШ матеріалу; S – площа поверхні матеріалу, яка перекривається електронним потоком; hg – глибина дефектного шару; Ре – відносна кількість електронів, яка осіла в одиниці об’єму дефектного шару. В результаті проникнення електронів з фронту потоку в ПШ його температура збільшується до 1170 К, що зменшує електричний опір поверхні до 18·103 Ом·м. При цьому накопичений на поверхні і в ПШ (в межах дефектного шару) заряд буде зменшуватися за рахунок розтікання вздовж поверхні у напрямку найменшого опору (Rпот >> Rр, де Rпот – електричний опір електронного потоку; Rр – електричний опір дефектного шару або опір розтікання). Здатність матеріалу відводити заряд визначаємо опором розтікання Rр = ρ / 2h і опором потоку Rпот = Uпот / Іпот. ІІ СЕД настає з моменту, коли зменшення електричного опору матеріалу забезпечує умови для ефективної взаємодії іншої частини потоку (вершини ґауса та хвоста потоку) з ПШ матеріалу. При цьому параметри обробки (Рпит, tобр, kе – коефіцієнт зосередженості потоку) та теплофізичні характеристики матеріалу (а, λ) визначать характер локалізації й поширення тепла вглиб матеріалу. На ІІ СЕД відбувається поляризація матеріалу розплаву, яка підтримується зовнішнім електричним полем потоку в зоні його дії.

Для моделювання процесів температурного впливу на матеріал процесу дифузії, за яким утворюється перехідний шар між проплавленою поверхнею та основним матеріалом, використані плоскопаралельні пластини прямокутної форми товщиною hпл = 1...6 мм з оптичного скла К8, БК10, ТК21 й технічного скла (фотопластини) з близькими за значеннями теплофізичними характеристиками, які широко виготовляються оптичною промисловістю.

Прогнозованими показниками якості ПШ при моделюванні визначено такі: повна відсутність дефектного і тріщинуватого шарів, мікродефектів поверхні, які залишилися від механічного шліфування і полірування ПШ (крапок, ласин, виколок), глибина проплавленого шару hпр, ширина перехідного шару hпер , мікротвердість Hv, залишкові термонапруження σ, залишкова шорсткість поверхні Rz, зниження вихідного рівня поверхні hзниж.

Розрахунок температур на поверхні пластини і по її глибині проводився на основі побудованої математичної моделі рухомого джерела теплоти ґауссового типу (з врахуванням коефіцієнта зосередженості) для напівобмеженого тіла (рис. 10).

В основу розрахунку покладено рівняння теплопровідності для напівобмеженого тіла з такими початковими та граничними умовами:

; ; ;

; ,

де  – функція розподілу інтенсивності електронного потоку на поверхні матеріалу за координатами  та часом t;  – розподіл потоку, обумовленого леткістю матеріалу з поверхні розплаву за координатами  та часом t; T(К) – температура в матеріалі; Т0 (К) – температура попереднього нагріву матеріалу; а2 (м2/с) – коефіцієнт температуропровідності матеріалу; λ (Вт/см2.К) – коефіцієнт теплопровідності матеріалу.

 

а б

Рис. 10. Схема мікрообробки рухомим стрічковим електронним потоком поверхні пластини (а) та енергетичний профіль електронного потоку (б): Fп(x, y, z, t) – розподіл теплового потоку від дії електронного потоку; Ln(z, t, T) – розподіл потоку з поверхні матеріалу у вакуум, обумовлений леткістю розплаву; l – довжина зони термічної дії потоку; b – ширина зони термічної дії потоку;
V
пот – швидкість руху електронного потоку по поверхні пластини; hпл –товщина пластини;
h
п.ш – товщина проплавленого шару

Для визначення обмежень поширення температури в матеріалі від електронного потоку використовується критерій Пекле, для якого Pe =  (Vпот > 1 см/с), де  – крок сітки по осі ОХ, яка створена в напівплощині ; , крок = 0,4 мм обирається із умови  = , де  – максимальна щільність електронного потоку;  – коефіцієнт зосередженості електронного потоку шириною b = 3 мм.; = 1 мкм – крок по глибині.

Остаточний розв‘язок рівняння теплопровідності має вигляд:

,

де  – розподіл теплового потоку з поверхні матеріалу у вакуум, обумовлений леткістю розплаву. За критерієм Пекле δ ≤ 3.10-3 с – крок по часу.

Температуру в матеріалі від дії переднього фронту Тп.ф = Т(z, t1) електронного потоку шириною b/3 (рис. 10, б) визначаємо за виразом:

,

де  – час проходження переднім фронтом електронного потоку ділянки матеріалу шириною 2σ;  – відображає розподіл приросту температури вглиб матеріалу під впливом переднього фронту.

Аналогічно визначаємо температуру в матеріалі від дії високоінтенсивної частини електронного потоку шириною b/3:  та його хвоста , де ,  – відповідно час проходження високоінтенсивною частиною та хвостом електронного потоку ділянки матеріалу шириною 2σ; ,  – відповідно відображає розподіл приросту температури вглиб матеріалу під впливом високоінтенсивної частини та хвоста електронного потоку.

В результаті проведених розрахунків і отриманих залежностей в математичному пакеті MathCAD визначено, що максимальна температура на поверхні пластини з оптичного скла від дії електронного потоку в режимі: швидкість потоку Vпот = 2,5 см/с, питома потужність електронного потоку
Р
пит = 5·102 Вт/см2, температура попереднього нагріву Т0 = 870 К становить Тmax1 = 1810 К (без врахування леткості матеріалу поверхні) та Тmax2 = 1470 К (з врахуванням леткості матеріалу поверхні). Значення Тmax2 добре корелює з даними, отриманими експериментально в роботах В. А. Ващенка (рис. 11, крива 1). При цьому розбіжність між розрахунковими та експериментальними даними не перевищує 5…8 %. Електронно-мікроскопічні дослідження зон термічного впливу за перерізом пластин із силікатного скла К8, К108, БК10, БК21 вказують на  збіднення  поверхні та модифікованого ПШ йонами Na,+ K+. Дослідження залишкових напружень та умов   відшарування проплавлених поверхонь дали можливість зробити висновок, що при електронно-променевій мікрообробці з переведенням ПШ у рідкий стан між основним матеріалом і рідким станом виникає фізична межа, яка з часом при охолодженні розширюється і утворює перехідний шар hпер (рис. 12).

а

б

Рис. 12. Фрактограма (РЭМ-100У) проплавленого ПШ оптичного скла ТК21 та К8 (торець пластини) (а) та схема утворення перехідного шару hпер електронно-променевою мікрообробкою (б):     1 – твердий стан; 2 – рідинно-текучий стан; 3 – в’язкий стан матеріалу

Технологічно товщиною перехідного шару можна керувати, змінюючи час витримки tв після електронно-променевої мікрообробки. Від товщини hпер залежить міцність зчеплення проплавленого шару з основним матеріалом і при співвідношенні hпр ≈ hпер міцність зчеплення буде максимальною. Товщину перехідного шару hпер визначаємо за таким алгоритмом: Q D0 Di(T) ΔCNa+, K+(T, z) hпер , де Q – енергія активації процесу дифузії, Дж/моль; D0 – коефіцієнт дифузії йонів Na+, K+ за нормальних умов; Dі(Т) – коефіцієнт дифузії йонів за умови утворення фізичного переходу (1520...1570 К); ΔCNa+, K+ (T, z) – зміна концентрації домішок лужних металів температурою та товщиною пластини.

За умови фізичного переходу використано перший закон Фіка, за яким швидкість дифузії оцінюється кількістю речовини qд, що дифундує через одиницю площі поверхні розділу двох середовищ dF за одиницю часу dt на відстані dz:

,

де Dі – коефіцієнт дифузії йонів Na+, K+ за умови утворення фізичного переходу для температур Т = 1520...1670 К; ; D0 – коефіцієнт дифузії йонів Na+, K+ за нормальних умов; D0 = 5,0·10-6 см2/с; dC/dz – градієнт концентрації речовини; Q – енергія активації процесу дифузії, Q = 5,95·102 Дж/моль.

         Початкові та граничні умови диференціального рівняння масообміну:

,   .

Для оцінки впливу процесу дифузії на формування технологічного переходу в силікатному склі розв'язується система рівнянь в яку входять рівняння дифузії та теплопровідності:

,

де а2(Т) – коефіцієнт температуропровідності оптичного скла марки К8 при температурі Т = 1520...1570 К; а = 0,2·10-6 м2/с.

Розв’язуючи рівняння дифузії:

,

отримаємо такий розподіл концентрації дифундуючої речовини:

.

Далі, провівши синус-косинус перетворення, маємо остаточний розв'язок задачі масопереносу:

,

де С (z, t) – розподіл концентрації йонів Na+, K+ залежно від глибини проплавлення та часу витримки; hпр, hпл – відповідно товщина проплавлення і товщина оптичної пластини;

Для оптичної пластини зі скла К8 при глибині проплавлення hпр = 100 мкм та часі витримки після електронної мікрообробки tв = 10; 100; 1000; 10000 с показано, що між проплавленим шаром (hпр) та основним матеріалом формується перехідний шар (hпер). При цьому час формування перехідного шару становить близько 1000 с і є меншим за час технологічного охолодження, який становить tв = (2...3)·104 с у діапазоні температур 923...300 К.

Експериментально встановлено, що товщиною перехідного шару можна керувати, змінюючи час витримки tв пластин після електронно-променевої мікрообробки.

Так, при розрахунках для температури Твитр = 923 К і різного часу витримки 1...10000 с одержуємо різні концентраційні залежності C(Na+,K+) від товщини пластини (координата z). За цими залежностями С(Na+, K+) оцінюємо товщину перехідного шару та йог розвиток при різному часі витримки, яка при витримці 10000 с становить близько 100 мкм (рис. 13) і за розмірами наближається до глибини проплавлення, що за умовою моделювання становить 100 мкм.

Від товщини перехідного шару залежать і залишкові напруження в модифікованій структурі. Експерименти доводять, що швидкість охолодження є визначальним параметром при встановленні енергетичної рівноваги між структурами модифікований шар – основний матеріал, і при співвідношенні hпр ≈ hпер монолітний шар, який утворився після оплавлення, буде міцно зв’язаний з матеріалом, як це має місце при дифузійному зварюванні. Витримка зразка при Твитр = 923 К з часом tв від 10 до 250 с і подальше різке охолодження спричиняють відшарування ПШ від основного матеріалу, що обумовлено руйнівною дією залишкових термонапружень.

В результаті математичного моделювання та проведених теоретико-експериментальних досліджень сформульовано основні положення технологічних основ керування якістю ПШ силікатного скла при електронно-променевій мікрообробці:

1. Формування поверхонь оптичних матеріалів зі зменшеним нанорельєфом шорсткістю до 3...5 нм забезпечується переведенням ПШ до рідинно-текучого стану, де сили поверхневого натягу формують гладку поверхню на молекулярному рівні з подальшою фіксацією при охолодженні.

2. Ефективна мікрообробка оптичного і технічного скла можлива на двух стадіях теплового впливу: І СТВ може використовуватися для модифікування дефектного шару оптичного та технічного скла за хімічним складом з утворенням захисної кварцеподібної плівки на поверхні. ІІ СТВ   ефективна для зменшення шорсткості поверхні до 2...3 нм за рахунок переведення ПШ у рідинний стан з подальшим його охолодженням. Така високотемпературна мікрообробка ПШ проводиться на глибину, не меншу за 20 мкм (що становить  10hтріщ), без змінення площинності, макрогеометрії та з мінімальними залишковими напруженнями. При збільшенні потужності потоку за рахунок леткості матеріалу розплаву у вакуум знижується вихідний рівень поверхні до 60 мкм, а ПШ проплавляється на глибину до 160 мкм і при цьому площинність для круглих пластин у кільцях Ньютона погіршується з N = 0.5; N = 0.5 ІІІ до N = І - ІІІ; N = 0.5, що не є критичним для МО та ІО. ІІІ СТВ характеризується інтенсивною леткістю матеріалу розплаву у вакуум (вихідний рівень поверхні знижується до 100 мкм) і супроводжується значним погіршенням площинності, що не дає можливості для подальшого ефективного використання ПШ в технологіях МО та ІО.

3. Формування пошарових структур у оптичному і технічному склі супроводжується дифузією   слабкозв'язаних іонів-модифікаторів, наприклад Na+, K+, з утворенням перехідного шару, аналогічно дифузійному зварюванню двох різнорідних матеріалів. Керування товщиною перехідного шару забезпечує відшарування модифікованих поверхонь від основного матеріалу у вигляді тонких (товщиною 0,5…1,5 мм) бездефектних ювенільних поверхонь, які можуть ефективно використовуватися в мікрооптиці та інтегральній оптиці.

4. Процес мікрообробки поверхонь оптичних матеріалів є гнучким у керуванні, а основними параметрами керування є: температура попереднього нагріву матеріалу Т0, повна та питома потужність потоку Рпот, Рпит, швидкість обробки Vпот, час tох, швидкість охолодження Vох, температурний вплив фронту потоку та його високоінтенсивної частини.

5. Створити оптимальні умови для реалізації стабільного фізико-технічного процесу електронно-променевої мікрообробки, підвищити якість виробів можна, використавши відповідну комплексну систему оперативного керування і діагностики параметрів обробки, котра з великою точністю забезпечує весь необхідний температурний профіль обробки виробу залежно від його теплофізичних характеристик, форми і габаритів, швидкості й напрямку подачі виробу під електронний потік, необхідні технологічні параметри електронного потоку.

Сформульовані положення та розроблені методики дали змогу перейти до створення технологічних умов і відпрацювання технологічних режимів електронно-променевої мікрообробки оптичних матеріалів з покращеними якісними характеристиками ПШ.

Розділ 4. Розділ присвячений розробці технології електронно-променевої мікрообробки ПШ оптичного і технічного скла з наданням йому нових фізико-хімічних властивостей, завдяки яким покращуються експлуатаційні характеристики, надійність і термін експлуатації оптичних елементів, а також розробці нових технологічних операцій за участі електронно-променевої мікрообробки, від використання яких досягається позитивний ефект у створенні ПШ з іншими функціональними можливостями.

Для забезпечення якості електронно-променевої мікрообробки ПШ оптичних матеріалів модифіковано дві вакуумні установки, які обладнані спеціальною арматурою та пристроями для нанесення тонких металевих плівок і електронно-променевої мікрообробки, механізмами позиціонування і переміщення виробів. Технологічні умови мікрообробки: робочий об’єм камери
VКАМ = 1,2...1,5 м3, технологічний вакуум Р = 10-3 Па, робочі струми 100...300 мА, 10,5...14 А; робочі напруги: 220 В, 0....6кВ. Для запобігання впливу магнітних полів та індукційних струмів вся арматура, механізми переміщення і електронно-променева гармата виконані із сталі Х18Н10Т.

 В якості інструменту мікрообробки використовується рухомий стрічковий електронний потік, генерований гарматою Пірса з дротяним вольфрамовим катодом. Технічні параметри гармати регулюються і знаходяться в межах: струм потоку Іпот = 0...400 мА; Uпр = 0...8 кВ; довжина катода не перевищує 80 мм; діаметр катода dк = 0,4; 0,6; 0,8 мм. Електронно-оптична осесиметрична система проектує параксіальний потік на поверхню плоского виробу з кутом розход-ження між віссю та краєм потоку, який не перевищує 5°. Ширина потоку регулюється в межах 1,5...3,5 мм, точність позиціонування виробів відносно осі потоку становить 0,5 мм, стабільність руху виробів забезпечується двигуном і спеціальним механізмом, який керується ПК, при цьому швидкість руху виробу при його електронно-променевій мікрообробці регулюється в межах Vпот = (0,5...10) 0,01 см/с. Термопіч забезпечує гнучкий температурний профіль у камері вакуумної установки, за яким виконуються попередній нагрів, примусове охолодження та відпалювання виробів, і працює в діапазоні температур 300...923 К з відхиленням ±1 К від заданого значення.

За створеною технологією електронно-променевої мікрообробки можуть оброблятися плоскі пластини зі скла К8, К108, К208, БК10, ТК21 та технічного скла (фотопластини) товщиною 1…6 мм без проплавлення поверхні, з проплавленням ПШ на глибину до 160 мкм і з вплавленням у ПШ попередньо нанесених на поверхню тонких металевих плівок і покриттів. Виготовлені оптичні мікроелементи поділяються на: одиничні (окремі) та інтегровані на загальній основі (платі) планарні, планарно-випуклі, планарно-увігнуті, дифузно-розсіювальні, заломлювальні, дзеркально-відбивальні, растри односторонні сферичні, ортогональні, лінійчаті. На рис. 14 наведені приклади ПШ з мікрорельєфами, які виконують функції фокусувальних і розсіювальних елементів, дзеркально-відбивальних, дифузно-розсіювальних мікроструктур, ПШ зі змінним показником заломлення та ювенільних поверхонь, які утворені за розробленою технологією електронно-променевої мікрообробки.

а

б

в

г

д

е

Рис. 14. Поверхневі шари оптичного і технічного скла з різними функціональними призначеннями: а, б – лінзові мікроелементи; в – дифузно-розсіювальні мікроструктури, г – дзеркально-відбивальні мікроструктури; д – ювенільні поверхні; е – області зі змінним показником заломлення

Товщина плати з розташованими оптичними мікроелементами лежить в межах від 1 до 10 мм. Інтегровані на поверхні плати мікроелементи мають розміри 10...500 мкм і можуть бути розташованими на площі 1...30 см2. Схема теплового режиму електронно-променевої мікрообробки оптичного і технічного скла в залежності від товщини плат представлена на рис. 15.  (При збільшені товщини плати відповідно збільшуються температурні інтервали попереднього відпалювання t1-t2 та відпалювання після мікрообробки t4-t5). Загальний час відпалювання та охолодження після електронно-променевої мікрообробки складає не менше 8 годин.

В табл. 1 відображено дані розроблених нових технологічних операцій електронно-променевої мікрообробки та функціонального призначення отриманих ПШ.


Таблиця 1

Розроблені технологічні операції електронно-променевої мікрообробки ПШ оптичних матеріалів

Операція

Призначення

1. Активація поверхні

Нанесення тонких плівок і покриттів, дифузійне зварювання

2. Рафінування

Світлопропускаюча оптика, створення оптичних хвилеводів, ідентифікування поверхневого шару за способом попередньої обробки (механічне шліфування-полірування, хіміко-механічне полірування, полум’яне полірування), гомогенізація за хімічним складом

3. Усунення дефектного та тріщинуватого шарів

Світлопропускаюча оптика, реставрація поверхні, дифузно-розсіювальні елементи, підвищення механічної міцності

4. Зменшення шорсткості поверхні

Світлопропускаюча оптика, мікрооптика, інтегральна оптика

5. Створення блокуючих шарів для йонного обміну

Елементи інтегральної оптики, мікрооптики

6. Рельєфоутворення

Об’ємне зображення, елементи мікрооптики й інтегральної оптики

7. Обробка плівкових елементів

Одержання високоміцних відбивальних покриттів, струмопровідних елементів, захист поверхонь від агресивних середовищ

8. Окварцьовування поверхні

Захист від атмосферного впливу, морської води, морського туману

9. Створення поверхневих шарів зі змінним показником заломлення

Плати оптичних інтегральних схем, оптична пам’ять, датчики температури, датчики тиску, амплітудно-фазові решітки

10. Відшарування ювенільних поверхонь

Плати оптичних інтегральних схем

Критеріями якості поверхні та ПШ після електронно-променевої мікрообробки визначено такі: повна відсутність мікродефектів поверхні (крапок, подряпин, ласин), прозорість (світлорозсіювання) (%), площинність (кільця Ньютона), Rz (нм) – середньостатистичний нанорельєф поверхні на базовій довжині 5 мм; Sобр (см2) – ефективна площа поверхні після електронно-променевої мікрообробки; h (мкм) – зниження вихідного рівня поверхні; hпр (мкм) – глибина проплавленого шару; Ам (мкм) – розмір мікроелементів; Sі (елемент/см2) – ступінь інтеграції оптичних мікроелементів на поверхні; hв.п (мкм) – товщина відшарованої поверхні; однорідність металевої плівки (відсутність пор); Rzм (нм) – рельєф дифузно-розсіювальної структури; σр (МПа) – залишкові розтягувальні термонапруження; мікротвердість НV.

Після оцінки ступеня значимості прийнятих до уваги факторів впливу: термічного, електричного, тиску електронного потоку на поверхню, випаровування (леткості) матеріалу розплаву, рівня технологічного вакууму, форми та розмірів зони впливу електронного потоку на поверхні матеріалу, розподілення електронів за енергіями в електронній стрічці та використання даних з промислового виготовлення скла встановлено таке. Найбільш впливовими технологічними параметрами, які приводять до модифікування ПШ та покращення його якісних характеристик, є питома потужність потоку Рпит, швидкість електронно-променевої мікрообробки Vпот, температура попереднього нагріву Т0 та час охолодження tох. 

При питомих потужностях потоку Рпит = 0,5...5101 Вт/см2 (без утворення рідкої фази) у ПШ незначна втрата летких компонентів зі сполук В2О3 та R2О (Na2O, K2O) практично не впливає на вихідний  нанорельєф та вихідну площинність поверхні. Разом з тим, реструктуризований ПШ відрізняється від вихідного підвищеною прозорістю, що вказує на процес рафінування та на створення таким чином ювенільних поверхонь (пат. України № 3384). Вперше встановлено, що в результаті дисоціації речовин, які заповнюють дефектний шар, останній набуває таких властивостей, що при  вибірковому травленні поверхні розчинами НF і гліцерину можна однозначно визначити спосіб попередньої поверхневої обробки за характером сформованого ПШ (механічне, хіміко-механічне, полум’яне або інше полірування) (пат. України № 67516).   

При переведенні ПШ у рідинний стан (Рпит = 1102...5.102 Вт/см2) від термоелектричного впливу потоку за механізмами десорбції легкозв’язані компоненти лужних металів, якими забезпечується і регулюється показник заломлення скла при його промисловому варінні, селективно залишають ПШ, змінюючи його оптичні властивості. Ці механізми вперше використано для операцій створення блокуючих шарів під йонний обмін, окварцювання поверхні, створення ПШ зі змінним показником заломлення. Вперше встановлено, що для стекол силікатної групи загальні втрати летких компонентів розплаву зі сполук В2О3 та R2О (Na2О, К2О) в діапазоні температур 1470…1670 К при електронно-променевому впливі становлять від 4,2 до 10,7 мас.%. Для технології мікрообробки поверхонь плат леткість розплаву оцінюємо втратою маси з одиниці поверхні в одиницю часу (мг/см2год) або зменшенням рівня вихідної поверхні h, мкм. Зменшення рівня вихідної поверхні (рис. 16) вперше використано для створення операції рельєфоутворення  при виготовленні елементів МО та ІО.

а)     б)     в)

Рис. 16. Залежності зменшення рівня вихідної поверхні Δh від параметрів обробки: питомої потужності електронного потоку Рпит (а), швидкості електронного потоку Vпот (б) та температури попереднього нагріву скла Т0 (в)

Зменшення вихідного нанорельєфу поверхні до 3...5 нм досягається тільки переведенням ПШ у рідинний стан при питомих потужностях Рпит = 2102 ...7103 Вт/см2, швидкостях обробки
Vпот = 2,1...3,6 см/с та температурі попереднього нагріву Т0 = 850...920 К і подальшим переведенням ПШ з рідинного у рідинно-текучий та твердий стан примусовим охолодженням. При збільшенні потужності потоку Рпит збільшується параметр Rz шорсткості ПШ (рис. 16, а), що можна пояснити підвищенням леткості компонентів розплаву. Підвищення швидкості обробки та зменшення Т0 негативно впливають на формування мінімального нанорельєфу (рис. 16, б, в), що пояснюється недостатніми рівнями температурного впливу та електропровідності при формуванні ПШ.

а)     б)     в)

Рис. 17. Залежності параметра поверхні Rz скла К8, БК10, ТК21 від технологічних параметрів обробки: а) питомої потужності потоку Рпит; б) швидкості потоку Vпот; в) температури попереднього нагріву матеріалу Т0

Важливою якісною характеристикою створеного ПШ є глибина проплавлення hпр (рис. 18).

а)     б)     в)

Рис. 18. Залежності глибини проплавлення hпр ПШ скла К8, БК10, ТК21 та фотопластин від параметрів обробки: а) питомої потужності потоку Рпит; б) швидкості потоку Vпот; в) температури попереднього нагріву матеріалу Т0

Модифікований ПШ на глибинах проплавлення 20…160 мкм якісно змінює свій фізико-хімічний стан та набирає нових властивостей. Такі модифіковані шари використані за новим функціональним призначенням (табл. 1).

Мінімальна глибина проплавлення у 20 мкм визначається тим, що при ній гарантовано будуть знищені мікро- і нанодефекти ПШ шляхом розчинення у розплаві. Максимально-ефективна глибина проплавлення у 160 мкм визначається межею, за якою площинність погіршується до 5…7 кілець Ньютона. Глибина проплавлення ПШ у 20…160 мкм забезпечує виконання операцій повного усунення дефектного і тріщинуватого шарів та реставрації поверхні (пп. 3-10, табл. 1).

Використання маскуючих покриттів із жаростійких, теплопровідних матеріалів (Ni, Mo, Cr) забезпечує розв'язання задачі формоутворення оптичних мікроелементів, використовуючи локальний температурний вплив на ПШ та змінення вихідного рівня поверхні.

Керуванням питомою потужністю Рпит та часом охолодження tох (рис. 17) досягається відшарування ювенільної поверхні з заданими розмірами (пат. України № 3384) (рис. 14, д).

Отримавши експериментальне підтвердження сформульованого раніше положення про те, що швидкість охолодження є єдиним фактором, який впливає на формування перехідного шару hпер ≈ hпр, переходимо до визначення показників якості, пов’язаних з утворенням ПШ. При цьому встановлено, що мінімальні залишкові термонапруження на розтяг σр залежать від часу охолодження і будуть мати значення 3,5...10,1 МПа для виробів товщиною 4 мм зі скла К8, БК10, ТК21 при глибині проплавлення у 20 мкм (рис. 20), при яких ПШ має надійність експлуатації не менше 20 років, а мікротвердість поверхні зростає зі збільшенням hпр (рис. 21).

Параметри якості Δh, Нv та залишкові розтягувальні напруження р контролюються вибірковим вимірюванням, а розмір мікроелементів Ам і ступінь їх інтеграції на поверхні Sі забезпечуються технічними можливостями маскувальних покриттів та фотолітографії.

На основі викладених даних запропоновано такий алгоритм для досягнення необхідних вихідних показників якості:

  1.  питома потужність Рпит електронного потоку, швидкість електронно-променевої мікрообробки Vобр і температура попереднього нагріву Т0 для скла будь-якої марки повинні забезпечувати проходження необхідної стадії термічного впливу. Стан та якісні характеристики ПШ уточнюються технологічними режимами мікрообробки;
  2.  визначення міцності зчеплення ПШ з основним матеріалом проводиться через співвідношення hпер до hпр, яке відповідає високій надійності експлуатації ФШ при hпер  hпр;
  3.  визначення очікуваної товщини hпер проводиться з урахуванням часу охолодження структури ПШ;
  4.  визначення зменшення рівня поверхні від термічного впливу електронного потоку проводиться профілометричним методом через розрахунки кількості випареної речовини та за ступенем леткості компонентів з розплаву;
  5.  одержання мікропрофілів для елементів мікрооптики з необхідними розмірами та ступенем інтеграції обумовлюється технічним рівнем фотолітографії;
  6.  одержані якісні показники порівнюються з існуючими стандартами.

Встановлено, що створити оптимальні умови керування процесом електронно-променевої мікрообробки можна, використавши відповідну адаптивну систему, котра забезпечує весь необхідний температурний профіль обробки виробу залежно від його теплофізичних характеристик, стабільність, необхідну швидкість подачі об'єкта обробки під електронний потік, необхідну ширину потоку та енергетичну однорідність по його довжині.

В цілому підвищення ефективності електронно-променевої мікрообробки неметалевих матеріалів забезпечене розв'язанням таких практичних задач:

-  на базі модифікованих промислових вакуумних установок УВН-74П та УВН-71 і джерел живлення УЭЛИ-1А та «Statron» побудовано електронні установки з системами комп’ютерного керування, які забезпечують високу якість поверхневої мікрообробки, а також створення функціонального шару (ФШ) на склі для інтегральної оптики і мікрооптики при зниженні собівартості на 30...40 % (пат. України № 4752, 4177);

-  розроблено програмний продукт моделювання процесів електронно-променевої мікрообробки плат ІО та МО з візуалізацією зон термічного впливу, який дає змогу виконувати оптимізацію процесу та є основою для алгоритму керування електронно-променевою мікрообробкою від ПК;

-  створено засоби та інженерні методики розрахунку режимів роботи елементів електронної гармати і зондування електронного потоку для забезпечення заданої якості виробів;

- рекомендовано комплекс технологічних середовищ і умов, які ефективно використовуються на різних стадіях мікрообробки і рельєфоутворення з залученням технологій мікроелектроніки.

У розділі висвітлено також питання метрологічного забезпечення, стандартизації та забезпечення якості оптичних мікроелементів за існуючими міжнародними стандартами і показано, що виробництво оптичних матеріалів та мікроелементів має бути забезпечене технологічними основами електронно-променевої мікрообробки, спеціалізованим обладнанням і нормативною базою мікрообробки оптичних мікроелементів.

Для визначення виходу придатних до експлуатації елементів ІО та МО розроблено систему тестових процедур, до яких входять механічні та оптичні засоби контролю. Використання результатів вимірювання дає можливість обґрунтовано коректувати технологічний процес з метою підвищення процента якісних виробів за рахунок виявлення мікро- та нанодефектів, визначення залишкових термонапружень, відхилення від площинності та лінійних розмірів оптичних мікроелементів.

Визначено необхідність розробки українських стандартів, в яких були б встановлені вимоги щодо якості електронно-променевої мікрообробки оптичних поверхонь і поверхонь пластин з технічного скла для створення елементної бази інтегральної оптики і мікрооптики. В роботі запропоновано алгоритм стандартизації комплексу показників і характеристик елементів мікрооптики та їх визначення згідно зі стандартом ISO 10110.

Показано, що стан метрологічного забезпечення в Україні переважно не дає можливості проводити достовірні вимірювання параметрів шорсткості в межах 2…10 нм на оптичних поверхнях і оптичних мікроелементах. При цьому нагальним завданням є розробка і виготовлення відповідного вимірювального обладнання та метрологічних стандартів, а також створення еталонів шорсткості, мікро- і нанопрофілів для визначення прогнозованих параметрів якості оптичних виробів.

Розділ 5. У розділі представлені результати і перспективи впровадження електронно-променевого методу мікрообробки оптичних матеріалів в оптичну промисловість України, що вирішують питання створення елементної бази для волоконної оптики, мікрооптики, інтегральної оптики та базуються на результатах проведених досліджень, створених в роботі математичних моделях і розрахункових методиках. Показано, що ефективність впровадження такої технології залежить від повноти визначення техніко-економічних показників обладнання на стадії його проектування.

Проведено розрахунки витрат при бізнес-плануванні для створення сучасного підприємства в умовах України для малосерійного та дослідно-промислового виробництва елементів мікрооптики, встановлені привабливі для інвестування показники витрат. Наведені дані порівнюються з результатами фірми «Limo» в Німеччині за останні 12 років. За отриманими розрахунками прогнозований чистий прибуток для промисловості України за п'ять років після впровадження цієї технології становитиме 38 720 300 грн.

Розглянуто приклади впровадження електронно-променевого методу обробки фірмою «Limo»; засвідчено інтенсивне розширення виробництва мікрооптики в державах Європи, Східної Азії, США та безперервне вдосконалення технологічного обладнання у напрямку його універсалізації, автоматизації й багатоопераційності. При цьому визначено і представлено фірми та підприємства в Україні й за кордоном, профіль яких дає можливість занести їх у розряд потенційних замовників та споживачів. Показано, що цією роботою вирішується проблема в оптичній промисловості України стосовно одержання бездефектних поверхонь на оптичних матеріалах, створення технологій, які відносяться до розряду високоефективних у виробництві елементної бази інтегральної оптики та мікрооптики.

 ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

     В дисертаційній роботі представлено нове вирішення науково-технічної проблеми одержання бездефектних, хімічно- та оптично однорідних поверхонь та поверхневих шарів оптичних матеріалів шляхом керування якістю поверхневого шару електронно-променевою мікрообробкою, що використовуються в інтегральній оптиці, мікрооптиці, мікроелектроніці, яке має важливе народно-господарське значення для підвищення функціональної та експлуатаційної надійності, продуктивності виготовлення оптичних виробів з мікрометричними розмірами, що відповідно до мети і задач дослідження відображено у таких результатах:  

  

1. Для оптичного і технічного скла електронно-променевою мікрообробкою  досігнуто якісно нових властивостей поверхневого шару: монолітної бездефектної структури на глибину до 160 мкм, зменшення концентрації слабко-зв’язаних йонів-модифікаторів калію у 1,46, натрію у 1,18, кисню у 1,65, барію у 1,09 разів,  рафінування на глибину до 10 мкм від поверхнево активних речовин, гомогенізації  за хімічним складом, зменшення поверхневого нанорельєфу до 2, 3...3,5 нм, окварцування поверхні на глибину до 150 А. Модифікований поверхневий шар володіє покращеними оптичними, механічними властивостями, підвищеною стійкістю до атмосферного впливу, вологи, морської води впливу, що відповідає вимогам з розробки та експлуатації оптичних елементів нового покоління - інтегральної оптики, мікрооптики та мікроелектроніки, і чого, на теперішній час, неможливо досягти для скла існуючими промисловими методами обробки – механічним, хімічним, хіміко-механічним та полум’яним поліруванням.

2. Визначено вхідні параметри мікрообробки, до яких належать: технологічний вакуум, теплопровідність та електропровідність матеріалу та його залежність від температури попереднього розігріву та  дії електронного потоку, потужность, питома потужность, форма та напрямок дії електронного потоку, швидкость переміщення потоку, час відпалювання та швидкость охолодження виробу, керування якими забезпечується якісно нові властивості поверхневого шару. Визначено дві стадії електронного впливу на матеріал та технологічні межі за якими доведена ефективність електронно-променевої мікрообробки: перша стадія - Рпит = 0,5·101...5·101 Вт/см2; Vпот = 4,5...8,6 см/с (без утворення рідкої фази) та друга стадія - Рпит = 102...5·103 Вт/см2; Vпот = 0,5...5,5 см/с ( з утворенням рідкої фази).

3. Експериментально встановлено діапазон температур попереднього нагріву Т0 для стекол різної марки, вплив Т0 на якість поверхневого шару стекол силікатної групи К8, К108, К208, БК10, ТК21, фотопластин, пластин фотошаблонів та на ширину електронної стрічки. Т0 при мікрообробці вибирається на 30 К нижче від температури відпалювання. Для діапазона її використання 840…920К збільшення Т0 на 10 К призводить до деформації і руйнування поверхневого шару, а зменшення Т0 на 10 К призводить до збільшення ширини електронної стрічки на поверхні у 1,08 разів і не впливає на якість мікрообробки.

4. Визначено, що рафінування та перебудова структури поверхневого шару силікатног скла від порушеної до монолітної електронним потоком на границі рідке скло-вакуум відбувається із зменшенням  в’язкості поверхневого шару до рідинного стану (101...101,5 Па с), збільшенням  леткості матеріалу розплаву (149,4 ... 320,2 мг/ см2  год) та десорбцією слабкозв’язаних елементів і сполук у вакуум. Підвищена леткість матеріалу розплаву ПШ призводить зменшення рівня вихідної поверхні до 80 мкм.

 5. Експериментально встановлено, що модифікований електронним потоком поверхневий шар володіє покращеними функціональними і експлуатаційними властивостями: мікротвердість збільшена у 1,2...1,5 рази, зменшене світлорозсіяння у 1,5...2,5 рази, підвищується розчинність у розчинах НF у 1,5...2 рази буферними властивостями до йонів Ag+ при низькотемпературному йонному обміні, підвищеною стійкістю до впливу морської води і туману у 1,5…2 рази при цьому площинність не змінюється і має значення N = 2 -3;   N = 0,3 – 0,5 кілець Ньютона.   

6. Розроблені математичні моделі, які враховують температурні залежності леткості матеріалу розплаву та дифузійних процесів і дозволяють більш точно (відносну похибку знижено до 5...8% замість 10...12% у існуючих моделей) прогнозувати розподілення температури в оптичних матеріалах при впливі стрічкових електронних потоків, умови розчинення дефектного і тріщинуватого шарів у розплаві, а також допустимі діапазони використання керуємих параметрів електронного потоку, які не призводять до погіршення якісних параметрів поверхневого шару, аж до руйнування матеріалу. 

7. Запропоновано нову концепцію щодо електронно-променевої мікрообробки неметалевих матеріалів, яка полягає в тому, що, використовуючи металеві покриття, як маскуючі елементи та електричні і теплові стоки, керуючи леткістю матеріалу з поверхні розплаву, глибиною проплавлення, швидкістю розчинення у розчинах НF забезпечується формоутворення оптичних мікроелементів з розмірами 10...500 мкм за груповою технологією на єдиній основі – платі із щільністю 500 ел/мм2.  

 8. На базі сформульованих теоретичних положень розроблених моделях, отриманих залежностей, підтверджених експериментальними дослідженнями, вперше розроблено наукову методологію реалізації процесів поверхневої електронно-променевої мікрообробки оптичних матеріалів та технологічні основи керування якістю поверхневого шару оптичних матеріалів,  які забезпечують відтворюваність результатів обробки, отримання гарантованого підвищення якості поверхневого шару, продуктивності та експлуатаційної надійності оптичних мікроелементів.

9. Викладені технічні рішення та технологічні прийоми представляють технологічну інновацію: вони дали можливість спроектувати і виготовити високоефективне, екологічно чисте технологічне електронно-променеве обладнання, аналогів якому немає в Україні та країнах СНД, розробити нові технологічні операції, чим розширено їх кількість від однієї (полірування поверхні) до десяти (рафінування, усунення дефектного та тріщинуватих шарів, зменшення шорсткості поверхні, створення блокуючи шарів для йонного обміну, рельєфоутворення, обробка плівкових металевих елементів, окварцування поверхні, створення поверхневих шарів із змінним показником заломлення, відшарування ювенільних поверхонь), які забезпечили мікрообробку оптичних матеріалів стрічковим електронним потоком на якісно новому технологічному рівні, підвищили якість і продуктивність виготовлення оптичних мікроелементів.

10. Випробування і дослідження експлуатаційних властивостей модифікованих поверхневих шарів, які проведено у ЦКБ «Арсенал» (м. Київ), представництві фірми «Карл Цейс» в Україні (м.Київ), підприємстві «Радон» (м. Москва), институте тепло-и массопереноса им. А.В. Лыкова НАН Беларуси (м. Мінськ), ОДО «Микротестмашины» (м.Гомель, Білорусь), заводі «Фотоприлад» (м.Черкаси), ЧМПП «Фотоніка Плюс» (м. Черкаси), заводі «Хімреактив» (м.Черкаси), ДП «Чернігівський регіональний науково-виробничий центр стандартизації, метрології та сертифікації» (м.Чернігів) та в інших організаціях і підприємствах дозволили розробити оптимальні технологічні схеми і режими обробки оптичного і технічного скла, елементів інтегральної оптики і мікрооптики різного функціонального призначення: підложок оптичних інтегральних схем, мікролінз, дзеркально-відбиваючих, дифузно-розсіюючих та заломлюючих структур, сферичних, ортогональних і лінійчатих растрів, що використані у якості тест-структур, у інтегрально-оптичних схемах, індикаторних трубок, медичних приладах тощо. За розрахунками, на період 2008 – 2009 років, прогнозований чистий прибуток для промисловості України за пять років після впровадження розробленої технопогії становить 38 720 300 грн.

 

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
ТА ОСОБИСТИЙ ВНЕСОК В НИХ АВТОРА

Основні положення дисертації опубліковано в таких роботах:

  1.  Дубровська Г. М. Методи вимірювання та оцінок адгезійної міцності покриттів / Г. М. Дубровська, Г. В. Канашевич, С. В. Поздєєв // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. – 1998. – № 1. – С. 53–56.

Здобувачем здійснено електронно-променеву обробку оптичного скла з металізованими поверхнями та визначено зв’язок структурних перетворень з параметрами обробки і надано оцінку адгезійній міцності покриттів після електронно-променевої обробки.

  1.  Канашевич Г. В. Технологічні можливості електронно-променевої обробки оптичного скла / Г. В. Канашевич // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. – 1998. – № 3. – С. 48–55.
  2.  Канашевич Г. В. Вакуумні камери і пристрої для електронно-променевої обробки скла / Г. В. Канашевич // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. – 1999. – № 1. – С. 46–49.
  3.  Канашевич Г. В. Особливості поверхні і приповерхневого шару оптичного скла до і після електронно-променевої обробки / Г. В. Канашевич, Г. М. Дубровська // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. – 1999. – № 2. – С. 67–72.

Здобувачем проведено експериментальні дослідження залежності стану поверхні скла К8, БК10, ТК21, фотопластин від параметрів електронно-променевої обробки.

  1.  Канашевич Г. В. Математична модель і алгоритм оптимізації процесів термічної обробки матеріалів інтегральної оптики / Г. В. Канашевич, В. А. Ващенко // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. – 1999. – № 3. – С. 3–8.

Здобувачем запропоновано модель термічної обробки оптичних матеріалів електронним потоком.

  1.  Математическое моделирование и расчет глубины оплавления оптических материалов подвижным электронным лучом / В. А. Ващенко, Г. В. Канашевич, Д. М. Краснов, П. П. Дмитренко // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. – 2000. – № 1. – С. 83–88.

Здобувачем проведено розрахунок глибини проплавленого шару оптичного матеріалу та зроблені висновки за результатами моделювання.

  1.  Канашевич Г. В. Перспективи використання електронного променя в технологіях інтегральної оптики / Г. В. Канашевич, В. А. Ващенко, М. О. Бондаренко // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. – 2000. – № 2. – С. 189193.

Здобувачем сформульовано проблему, поставлено задачу та вказано напрямок її розв’язання, здійснено наукове консультування аспірантів.

  1.  Канашевич Г. В. Механізми переміщення та затискні пристосування для обробки скла електронним променем / Г. В. Канашевич, М. П. Рудь, В. М. Захаров // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. – 2000. – № 4. – С. 3–7.

Здобувачем запропоновані конструктивні рішення механізмів переміщення та затискних пристроїв, здійснено наукове консультування аспірантів.

  1.  Исследования по зондированию ленточного электронного луча / В. А. Ващенко, Г. В. Канашевич, П. П. Дмитренко, Д. М. Краснов // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. – 2001. – № 1. – С. 5–10.

Здобувачем проведено зондування та зроблено аналіз одержаних результатів.

  1.  Вплив режимів електронно-променевої обробки на властивості поверхневих шарів оптичних керамік / В. А. Ващенко, Г. В. Канашевич, П. П. Дмитренко [та ін.] // Вісник Сумського державного університету. – 2001. – № 9 (30) – 10 (31). – С. 154–161.

Здобувачем визначено та проведено розрахунок залежностей глибини проплавленого шару, мікроміцності від параметрів електронно-променевої обробки, здійснено наукове консультування аспірантів.

  1.  Взаимосвязь структурных и фазовых превращений с адгезионными свойствами пленок на поверхности оптического стекла после электронно-лучевой модификации / Г. Н. Дубровская, С. В. Поздеев, Г. В. Канашевич [и др.] // Поверхность (РАН, Москва). – 2001. – № 12. – С. 33–37.

Здобувачем здійснено електронно-променеву обробку оптичного скла та визначено зв’язок структурних перетворень з параметрами обробки.

  1.  Ващенко В. А. Методика использования математического расчета теплового воздействия электронного луча на оптические материалы / В. А. Ващенко, Г. В. Канашевич, И. И. Дробот // Збірник наукових праць. Інститут проблем моделювання в енергетиці. НАН України. – Вип. 11. – К., 2001. – С. 99–108.

Здобувачем розроблено методику використання математичного розрахунку електронного впливу на оптичне скло К8, К108, К208.

  1.  Котельніков Д. І. Оцінка економічної ефективності електронно-променевого обладнання на стадії його проектування / Д. І. Котельніков, Г. В. Канашевич // Вісник Чернігівського державного технологічного університету. – 2001. – № 14. – С. 128131.

Здобувачем спроектовано електронно-променеве обладнання та визначено його ефективність для фінішної обробки оптичного скла.

  1.  Котельников Д. И. Электронная обработка оптических материалов / Д. И. Котельников, Г. В. Канашевич // Электронная обработка материалов (Кишинеу). – 2002. – № 2. – С. 12–16.

Здобувачем показана можливість створення функціональних шарів в оптичних матеріалах з використанням стрічкового електронного потоку, зміцнення оптичних керамік електронним потоком та зроблені висновки щодо використання цієї технології в промисловості.

  1.  Влияние режимов электронно-лучевой обработки на свойства поверхностных слоев оптических стекол / В. А. Ващенко, Г. В. Канашевич, П. П. Дмитренко [и др.] // Вісник Сумського державного університету. – 2002. – № 5 (38) – 6 (39). – С. 99–105.

Здобувачем визначено та проведено розрахунок залежності глибини проплавленого шару в оптичному склі від параметрів електронно-променевої обробки.

  1.  Автоматизація переміщень заготівок при формуванні функціональних шарів в оптичних матеріалах електронною обробкою / Г. В. Канашевич, М. П. Рудь, В. А. Ващенко [та ін.] // Радиоэлектроника и информатика. – 2004. – № 4. – С. 46–49.

Здобувачем запропоновано і реалізовано механізм та автоматичну схему переміщення заготовок при формуванні функціональних шарів в оптичних матеріалах електронною дією, здійснено наукове консультування аспірантів.

  1.  Kanashevich G. V. The express-diagnostics of band electronic stream / M. P. Rud, V. P. Boyko, Yu. I. Kovalenko [and others] // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2005. – № 3. – С. 49–51.

Здобувачем запропоновано і реалізовано схему діагностики параметрів електронного потоку стрічкової форми, здійснено наукове консультування аспірантів.

  1.  Kanashevich G. V. Cooling of plates from optical glass after electronic micro-treatment / G. V. Kanashevich // Электронная обработка материалов (Кишинеу). – 2005. – №4 (234). – С. 79–83.
  2.  Бондаренко М. О. Методика розрахунку дротяного вольфрамового катоду електронної гармати Пірса / М. О. Бондаренко, Г. В. Канашевич, В. П. Бойко // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2008. – № 1. – C. 113–116.

Здобувачем вирішувалася задача визначення терміну експлуатації дротяного вольфрамового катоду електронної гармати Пірса.

  1.  Канашевич Г.В. Підвищення якості оптичних мікроелементів з електронним обробленням поверхні шляхом удосконалення метрологічного забезпечення / Г.В. Канашевич, Є.В. Малецький // Вісник Чернігівського державного технологічного університету. – 2008. – №34. – С.234-240.
  2.  Bondarenko M.A. Study of forming terms thin diamond similar nanostructures thermal vacuum-depositing / M.A. Bondarenko, G.V. Kanashevich, H.V. Vertsanova, А.V. Kotlyar, N.I. Bojko, P.I. Kurilenko, S.A. Shelestovskaya // Вісник Черкаського державного технологічного університету, Черкаси: ЧДТУ, 2009 (спецвипуск). – С.114-116.
  3.  Бондаренко М.О. Мікрогеометрія плівкових композиційних матеріалів на основі CuO-BaO-La2O3 / М.О. Бондаренко, Г.В. Канашевич, О.В. Котляр, Н.І. Божко // Вісник Черкаського державного технологічного університету, Черкаси: ЧДТУ, 2009, №2. – C.55-58.
  4.  Канашевич Г.В. Особливості формування наноструктурних покриттів нітриду титану комбінованим методом електронно-променевої обробки / Г.В. Канашевич, М.О. Бондаренко, Ю.І. Коваленко, М.П. Рудь, В.П. Бойко // Вісник Житомирського державного технологічного університету, Житомир: ЖДТУ, 2009, №3(50). – С.3-5.
  5.  Патент №19762 Україна, МКИ С03С15/00. Спосіб одержання матованих рисунків на поверхні скла / Г. М. Дубровська, Г. В. Канашевич, Т. І. Веретільник (Україна) ; заявл. 08.07.93; опубл. 25.12.97. Бюл.№ 6.

Участь у створенні винаходу всіх співавторів однакова.

  1.  Деклараційний патент на корисну модель №67516А Україна, МКИ С03С15/00. Спосіб виявлення дефектного приповерхневого шару оптичного скла / Г. М. Дубровська, Г. В. Канашевич, М. О. Бондаренко (Україна) ; заявл. 09.10.03 ; опубл. 15.06.04. Бюл. № 6.

Участь у створенні винаходу всіх співавторів однакова.

  1.  Деклараційний патент на корисну модель №3384 Україна, МКИ С03С23/00. Спосіб отримання ювенільних поверхонь на склі / Г. В. Канашевич (Україна) ; заявл. 06.02.2004; опубл. 15.11.04. Бюл. № 11.
  2.  Деклараційний патент на корисну модель №4177 Україна, МКИ С03В29/00 ; Н01J37/305. Пристрій для електронно-променевого полірування виробів / Г. В. Канашевич, Ю. І. Коваленко, М. О. Бондаренко [та ін.] (Україна) ; заявл. 20.02.04 ; опубл. 17.01.05. Бюл. № 1.

Участь у створенні винаходу всіх співавторів однакова.

  1.  Деклараційний патент на корисну модель №4178 Україна, МКИ С03В29/00 ; С03С23/00. Спосіб обробки скла / Г. В. Канашевич (Україна) ; заявл. 20.02.04 ; опубл. 17.01.05. Бюл. № 1.
  2.  Деклараційний патент на корисну модель №4752 Україна, МКИ С03В29/00 ; Н01J37/305. Пристрій для електронно-променевої обробки виробів / Г. В. Канашевич, М. О. Бондаренко, М. П. Рудь [та ін.] (Україна) ; заявл. 20.02.04 ; опубл. 15.02.05. Бюл. № 2.

Участь у створенні винаходу всіх співавторів однакова.

  1.  Канашевич Г. В. Термічна електронно-променева обробка скляних плат оптичних інтегральних схем : монографія / Г. В. Канашевич. – Черкаси, 2002. – 168 с. – Укр. деп. в НИИТЭХИМ.
  2.  Канашевич Г. В. Спеціальні методи обробки оптичного скла (техніка, технологія, економіка) : навч. посіб. / [М. П. Бочок, М. П. Бутко, В. А. Ващенко та ін.]. – Чернігів : Вид-во Чернігів. технол. ун-ту, 2002. – 152 с.

Здобувачем підготовлено розділ «Технологія», в якому розкрито суть та особливості електронно-променевої обробки оптичного скла.

  1.  Приклади застосування фізичних методів дослідження структури поверхні : навч. посіб. / [Г. М. Дубровська, Г. В. Канашевич, Н. І. Божко та ін.] ; під ред. Г. М. Дубровської. – Сільхет (Бангладеш) : Шобуж Біпоні, Удоун Офсет Принтерс, 2007. – 248 с.

Здобувачем отримані модифіковані електронним потоком оптичні поверхні та розроблені методики електронно-променевої мікрообробки і виявлення порушеного шару.

  1.  Системи сучасних технологій : навч. посіб. Ч. ІІІ / Г. М. Дубровська, Г. В. Канашевич, Т. І. Бутенко, І. А. Осауленко ; під ред. Г. М. Дубровської. – Черкаси : ЧДТУ, 2008. – 212 с.

Здобувачем підготовлені до друку 4-й та 5-й розділи навчального посібника за темами “Функціональна електроніка та оптоелектроніка – перспективні галузі науки і техніки”, а також «Інформаційні технології у сучасному машинобудуванні».

  1.  Взаимосвязь структурных и фазовых превращений с адгезионными свойствами пленок на поверхности оптического стекла после электронно-лучевой модификации / Г. Н. Дубровская, Г. В. Канашевич, С. В. Поздеев [и др.] // Тезисы XVIII Рос. конф. по электронной микроскопии – ЭМ’2000, (Черноголовка, 5-8 июня 2000 г.). – С. 37.

Здобувачем проведене електронно-променеве модифікування оптичного скла з напиленими металевими покриттями в окремих технологічних режимах.

  1.  Вакуумное технологическое оборудование для получения высокопрочных металлизированных покрытий на оптических матеріалах / Л. И. Конопальцева, В. А. Ващенко, Г. В. Канашевич [и др.] // Матеріали другої міжнар. пром. НТК [«Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях»], (сел. Славське Львівскої обл., Карпати, 25 лют. – 1 бер. 2002 р.). – С. 100.

Здобувачем виконаний підбір матеріалу, зроблено аналіз та висновки.

  1.  Математическое моделирование и расчет влияния параметров ленточного электронного луча на процессы обработки изделий микрооптики и наноэлектроники / В. А. Ващенко, Д. М. Краснов, Г. В. Канашевич [и др.] // Прогрессивные технологии и системы машиностроения : междунар. сб. науч. трудов. – Вып. 20. – Донецк : ДонГТУ, 2002. – С. 60–64.

Здобувачем проведено розрахунок параметрів обробки електронним потоком виробів мікрооптики.

  1.  Котельніков Д. І. Передумови використання електронно-променевого методу у формуванні функціональних шарів на оптичному склі і оптичній кераміці / Д. І. Котельніков, Г. В. Канашевич // Машинобудування та металообробка – 2003 : тези доп. першої міжнар. НТК, (Кіровоград, 1719 квіт. 2003 р.). – С. 107–113.

Здобувачем сформульована проблема, поставлена задача та вказані напрямки її розв’язання.

  1.  Канашевич Г. В. Получение функциональных слоев в оптическом стекле и керамике методом электронной обработки / Г. Н. Дубровская, В. А. Ващенко, Д. И. Котельников [и др.] // Функциональные покрытия на стеклах : сб. докл. междунар. НПС. – Харьков : ННЦХФТИ, «Константа», 2003. – С. 135–137.

Здобувачем одержані функціональні шари в оптичному та технічному склі за участю технології електронно-променевої обробки та фотолітографії, визначені галузі застосування виробів.

  1.  Дубровская Г. Н. Анализ дефектов поверхности подложек из оптического стекла методами РЭМ и ТЭМ / Г. Н. Дубровская, Г. В. Канашевич // Тезисы докл. XIII Рос. симпозиума по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел. – Черноголовка, 2003. – С. 129.

Здобувачем підготовлені об’єкти для досліджень, зроблені висновки та рекомендації.

  1.  Канашевич Г. В. Формирование функциональных слоев и микроэлементов в поверхности стекла электронным потоком / Г. В. Канашевич // Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов : сб. докл. 5-й междунар. конф., 27 сент. – 1 окт. 2004 г., Харьков. Ч. ІІ. – Х. : ННЦ ХФТИ, ИПЦ «Контраст», 2004. – С. 278–281.
  2.  Канашевич Г. В. Применение АСМ в исследовании поверхностей и функциональных слоев в оптических материалах, полученных электронной микрообработкой // БелСЗМ – 6 : сб. докл. 6-го Белорус. семинара по сканирующей зондовой микроскопии, 12–15 окт. 2004 г., Минск, 2004. – С. 42–44.
  3.  Автоматична система експрес-діагностики розподілу енергіі електронного пучка стрічкової форми по його перерізу / М. П. Рудь, В. А. Ващенко, Г. В. Канашевич [та ін.] // Матеріали П’ятої щорічної пром. конф. з міжнар. участю та виставки [«Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях»], (сел. Славське Львівскої обл., Карпати, 21–25 лют. 2005 р.). – С. 296–298.

Здобувачем запропонована схема автоматичної системи експрес-діагностики, одержані результати діагностики, зроблені висновки та рекомендації, здійснено наукове консультування аспірантів.

  1.  Kanashevich G. V. Micro-treatment of surfaces of plates made of optical glass with a low-power electronic stream of a band form / G. V. Kanashevich // The 7th World Congress on Recovery, Recycling and Reintegration & China International 3R Exhibition, (Beijing, China, 25-29 Sept. 2005). – P. 7.
  2.  Kanashevich G. V. Superficial micro- and nanostructures in optical glass, which were formed by band electronic stream / G. V. Kanashevich, L. I. Konopalceva // Materials of International meeting [«Clusters and Nanostructured materials (CNM’2006)»], (Uzhgorod, ‘Karpaty’, Ukraine, October 9–12, 2006). – P. 2–8, P. XXI.

Здобувачем модифіковані плати для оптичних інтегральних схем та мікрооптики з мікро- та нанорельєфом з розміром інтегрованих мікроелементів від 10 до 100 мкм, зроблені висновки та надані рекомендації для використання.

  1.  Исследование поверхностей пьезокерамических элементов, модифицированных электронным потоком методом атомно-силовой микроскопии / М. А. Бондаренко, Ю. Ю. Бондаренко, Г. В. Канашевич [и др.] // Методологические аспекты сканирующей зондовой микроскопии ”БелСЗМ-8” : сб. докл. 8-го Белорус. семинара, 8–10 окт. 2008 г. Минск. – С. 23–26.

Здобувачем модифіковані поверхні п‘єзокерамічних елементів стрічковим електронним потоком.

АНОТАЦІЯ

Канашевич Г.В. Технологічні основи керування якістю поверхневого шару оптичних матеріалів при електронно-променевій мікрообробці. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.07 – Процеси фізико-технічної обробки. Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут». – Київ, 2010.

На основі теоретично-експериментальних досліджень розроблено технологічні основи електронно-променевої мікрообробки оптичних матеріалів з метою створення бездефектних, оптично однорідних поверхонь та шарів багатофункціонального призначення для виготовлення мікроелементів: фокусувальних і розсіювальних лінз, відбивальних, заломлювальних, дифузно-розсіювальних, плат оптичних інтегральних схем, оптичних хвилеводів, лінзових растрів, які використовуються в точному приладобудуванні.

Сформульовано основні положення механізму формування мікро- та нанопоказників оптичних поверхонь, згідно з якими створений монолітний бездефектний поверхневий шар і топографія поверхні є наслідком комбінованої теплової й електричної дії електронного потоку, леткості матеріалу розплаву у вакуум та керованого охолодження матеріалу.

Вперше розроблено комплексну технологічну систему реалізації процесу електронно-променевої мікрообробки поверхневого шару оптичного матеріалу, спрямованої на підвищення якості, довговічності, експлуатаційної надійності оптичних елементів.

Розширено технологічні можливості електронно-променевої обробки оптичних матеріалів стрічковим електронним потоком від однієї операції (полірування) до десяти, а саме: активація поверхні, рафінування поверхневого шару, усунення дефектного та тріщинуватого шарів, зменшення шорсткості поверхні, створення блокуючих шарів для йонного обміну, рельєфоутворення, обробка плівкових елементів, окварцювання поверхні, створення поверхневих шарів зі змінним показником заломлення, відшарування ювенільних поверхонь.

Запропоновано технічні рішення з виготовлення окремих оптичних мікроелементів, функціональних шарів, окремих вузлів обладнання, створено адаптивну систему електронно-променевої мікрообробки оптичних матеріалів та розроблено принцип її керування.

Ключові слова: мікрообробка, мікрооптика, інтегральна оптика, поверхневий шар, дефектний шар, тріщинуватий шар, оптичний матеріал, стрічковий електронний потік, якість обробки.

АННОТАЦИЯ

Канашевич Г.В. Технологические основы управления качеством поверхностного слоя оптических материалов при электронно-лучевой микрообработке . – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.07 – Процессы физико-технической обработки. Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт». – Киев, 2010.

На основе теоретико-экспериментальных исследований разработаны технологические основы электронно-лучевой микрообработки оптических материалов с целью создания бездефектных, оптически однородных поверхностей и слоев многофункционального назначения для изготовления микроэлементов: фокусирующих и рассеивающих линз, зеркально-отражающих, преломляющих, диффузно-рассеивающих, плат оптических интегральных схем, оптических волноводов, линзовых растров, которые используются в точном приборостроении.

Сформулированы основные положения механизма формирования микро- и нанопоказателей оптических поверхностей, согласно с которыми созданный монолитный бездефектный приповерхностный слой и топография поверхности являются следствием комбинируемого теплового и электрического воздействия электронного потока, летучести материала в вакууме и управляемого охлаждения материала.

Эффективно электронно-лучевой метод обработки оптического стекла реализуется на двух стадиях теплового воздействия (СТВ) ленточного низкоэнергетического (Е 10 кэВ) электронного потока, а именно: І СТВ – без образования жидкой фазы в поверхности материала и ІІ СТВ – с образованием жидкой фазы в поверхности материала.

Обработка на І СТВ улучшает оптические характеристики приповерхностного слоя оптических изделий, а именно – уменьшает компоненту светорассеяния от оптической поверхности за счет гомогенизации химического состава продуктов гидролиза, которые заполняют дефектный приповерхностный слой. Такая прецизионная обработка проводится электронным потоком на глубину до 2,0 мкм.

Обработка на ІІ СТВ улучшает как оптические, так и механические характеристики поверхностей деталей из оптического стекла полным устранением дефектного и трещиноватого слоев и уменьшением микрорельефа оптических поверхностей до 2,5 нм. Такая электронно-лучевая прецизионная обработка проводится с оплавливанием поверхностного слоя на глубину 10…160 мкм. В пределах ІІ СТВ преследуется и другая цель, а именно – создание микропрофиля на поверхности стеклянных пластин с использованием масок и посредством фото- и электронной литографии. В основу создания микропрофиля на поверхности оптического материала положены физические процессы уплотнения материала и его усадка от воздействия электронного потока. Таким образом может создаваться микрорельеф решетки или сетки с шагом от 5 до 100 мкм.

По данной технологии электронно-лучевой микрообработки формируются поверхностные слои с новими свойствами на оптических и технических стеклах  без оплавливания поверхности и с оплавливанием поверхности на глубину до 160 мкм, а так же и с вплавлением металлических тонких пленок. Формируются микроэлементы: планарные, планарно-выпуклые, планарно-вогнутые, диффузно-рассеивающие, зеркально-отражающие, а так же растры односторонние сферические, ортогональные, линейчатые. Толщина платы лежит в пределах 1...10 мм. Размеры микроэлементов находятся в пределах 10...200 мкм и они могут быть интегрированы на единой основе (плате) с размерами 1...30 см2, что приводит к повышению экономического эффекта существующих в настоящее время микрооптических технологий.

Впервые разработана комплексная технологическая система реализации процесса электронно-лучевой микрообработки поверхностного слоя оптического материала, направленная на повышение качества, долговечности, эксплуатационной надежности оптических элементов.

Расширены технологические возможности электронно-лучевой обработки оптических материалов ленточным электронным потоком от существующей одной операции (полирование) до десяти операций, а именно: активация поверхности, рафинирование поверхностного слоя, устранение дефектного и трещиноватого слоев, уменьшение шероховатости поверхности, создание блокирующих слоев для ионного обмена, рельефообразование, обработка пленочных элементов, окварцовывание поверхности, создание поверхностных слоев с измененным показателем преломления, создание ювенильных поверхностей.

Предложены технические решения по изготовлению отдельных оптических микроэлементов, функциональных слоев, отдельных узлов оборудования, создана адаптивная система электронно-лучевой микрообработки оптических материалов и разработан принцип ее управления.

Ключевые слова: микрообработка, микрооптика, интегральная оптика, поверхностный слой, дефектный слой, трещиноватый слой, оптический материал, ленточный электронный поток, качество обработки.

SUMMARY

Kanashevich G. V. Technological bases of quality control of optical materials surface layer at electronic-beam microtreatment. – Manuscript.

The thesis for obtaining a scientific degree of Doctor of Engineering in speciality 05.03.07 – The processes of physical and technical treatment. National Technical University of Ukraine «KPI», Kiev, 2010.

On the basis of theoretical and experimental researches technological principles of electronic-beam microtreatment of optical materials with the aim of creation of defect-free, optically homogeneous multifunctional surfaces and layers for making such microelements as focusings and dispersive lenses, reflecting, refractive, diffusive-reflecting coverages, boards of optical integrated circuits, optical waveguides, lens rasters, which are used in exact instrument engineering, are developed

Main points concerning the mechanism of formation of micro- and nanoindexes of optical surfaces, according to which formed monolithic defect-free surface layer and surface topography are the result of combined thermal and electric influence of electron flow, melt material volatility in a vacuum and material guided cooling, are formulated.

For the first time complex technological system for realization of the process of electronic-beam microtreatment of optical material surface layer, directed on the improvement of quality, durability, service reliability of optical elements is developed

Technological possibilities of electronic-beam treatment of optical materials by band electronic flow from one operation (polishing) to ten operations, notably: surface activation, surface layer refining, removal of defective and cracked layers, diminishing of surface roughness, creation of blocking layers for ion exchange, bulge forming, film elements treatment, surface silicification, formation of surface layers with modified refractive index, delamination of juvenile surfaces are expanded.

Technical solutions concerning the formation of separate optical microelements, functional layers, separate pieces of equipment are suggested, adaptive system of electronic-beam microtreatment of optical materials is created and the principle of its management is developed.

Key words: microtreatment, microoptics, integral optics, surface layer, defective layer, cracked layer, optical material, band electronic flow, quality of treatment.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

38771. ЧЕРНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ В ОБЬ-ТОМСКОМ МЕЖДУРЕЧЬЕ В ЭПОХУ СРЕДНЕВЕКОВЬЯ 190.5 KB
  За последние 10 лет получены новые уникальные археологические материалы по черной металлургии в ходе исследований Шайтанского археологического микрорайона крупнейшего комплекса средневековых памятников ОбьТомского междуречья находящегося на юге Томской области в Кожевниковском районе. По общему объему свидетельств черной металлургии Шайтанский археологический микрорайон значительно превышает все остальные известные источники ОбьТомского междуречья. С появлением массива новых данных возникла настоятельная потребность в обобщении и анализе...
38773. Практика в Черкаських магістральних електричних мереж 264.5 KB
  Загальна характеристика об’єкту ПС 330 кВ Черкаська здійснює прийом перетворення розподіл передачу електричної енергії і представляє собою сукупність силового комутаційного і вимірювального обладнання об’єднаного електричною схемою по класам напруги включаючи комплекс пристроїв захисту автоматики вимірювання і керування. ПС має три класи напруги 330 110 і 10 кВ і являється понижуючою підстанцією з двома вторинними напругами. За місцем у системі електропостачання ПС Черкаси відноситься до системних підстанцій – це найпотужніші...
38775. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по подготовке и защите магистерских диссертаций 426.5 KB
  Тема объём и структура магистерской диссертации 7 4. Титульный лист магистерской диссертации 37 Приложение Б. Справка о результатах внедрения решений разработанных в магистерской диссертации 41 Приложение К. Примерная структура доклада на защите магистерской диссертации 43 Приложение Н.
38776. АРХЕОЛОГИЧЕСКИЙ ТЕКСТИЛЬ КАК ИСТОЧНИК ПО РЕКОНСТРУКЦИИ ДРЕВНЕГО ТКАЧЕСТВА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ 303 KB
  Сибирские археологические ткани изучены очень фрагментарно в основном это древний текстиль с территории Южной Сибири и Алтая. Только в последние годы стали появляться работы содержащие технологическое описание найденных образцов текстиля из археологических памятников Западной Сибири а также первые попытки обобщения информации по отдельным районам или этносам. в результате археологических раскопок на территории Западной Сибири накоплено огромное количество текстильных образцов тканей плетений которые только сейчас вводятся в научный...