УСТРОЙСТВО ДЛЯ СПЕКАНИЯ МИКРОКАНАЛЬНОГО БЛОКА

Полезная модель относится к оптической и электронной промышленностям и может быть использована при изготовлении стекловолоконных изделий: волоконно-оптических пластин, инверторов, фоконов, микроканальных пластин, рентгеновских линз и др. Устройство предназначено для спекания под давлением в атмосфере сжатого газообразного азота (изостатическое формование) стеклянных изделий в виде пучка однородных стержней (микроканального блока), помещенных в оболочку, согласованных по коэффициенту температурного расширения.
Известно устройство для изготовления микроканальных пластин, состоящее из цилиндрической стеклянной трубки (оболочки), внутрь которой помещают собранный из единичных световодов микроканальный блок. К одному торцу трубки припаян металлический штенгель, а другой торец вварен стеклянный диск для образования герметичной оболочки. Полученную герметичную оболочку помещают в установку спекания, где металлический штенгель присоединяют к вакуумному насосу, оболочку со структурой нагревают внешней печью до температуры спекания при непрерывной откачке внутренней полости, выдерживают при этой температуре, подают внешнее давление сжатого газа для обжатия нагретой сборки, после чего охлаждают до комнатной температуры, извлекают спеченную сборку и подвергают ее необходимым обработкам для получения эмиссионно-резистивных свойств (см. Balkwill John T. Manufakturing techniques for microchannel plates and their application in night vision image intensifiers. "Proc. 24 th. Symp. Art, Glassblowing, Southfield, Mich., 1979" Toledo, Ohio, 1979, s.68-78.).
Недостатками известного устройства являются:
- искажение формы спекаемого микроканального блока по торцам, что уменьшает полезно используемую часть блока;
- все элементы устройства используются однократно.
Известно устройство для изготовления микроканальных пластин, состоящее из цилиндрической стеклянной трубки, внутрь которой помещают собранный микроканальный блок со спекаемой структурой. К одному торцу цилиндрической стеклянной трубки приваривается металлический диск с трубкой (штенгель), а другой торец после помещения в трубку микроканального блока и металлических экранов закрывают стеклянной чашкой, которая для получения герметичной оболочки крепится к торцу трубки легкоплавким стеклом. Полученную герметичную оболочку помещают в установку спекания, где металлическую трубку присоединяют к вакуумному насосу,
нагревают внешней печью оболочку со структурой до температуры спекания при непрерывной откачке, выдерживают при этой температуре, подают внешнее давление сжатого газа для обжатия нагретой сборки, снижают температуру до комнатной, извлекают спеченную сборку и подвергают необходимым обработкам для получения эмиссионно-резистивных свойств (см. патент США 5378955 МКП Н01J 43/00).
Недостатками устройства являются искажение формы спеченного микроканального блока за счет осевой составляющей при обжатии нагретой сборки сжатым газом; необходимость применения разнообразного технологического оборудования и процессов для изготовления герметичной оболочки; однократное использование практически всех элементов устройства.
Известно устройство для изготовления микроканальной пластины (см. патент на изобретение РФ №2173905, МПК H01J 9/02). Устройство состоит из стеклянной трубки с герметизирующими ее верхней и нижней поверхностями, внутри которой расположен микроканальный блок, полость для откачки газов, печь для нагревания сборки. Герметизирующие верхние и нижние поверхности выполнены в виде фланцев, закрепленных на цилиндрическом кожухе, а полость для откачки газов выполнена в хвостовике одного из фланцев, в торцевой части которого со стороны микроканального блока выполнены отверстия или вкладыш с отверстиями, при этом в торцевых участках фланцев выполнены кольцевые пазы с устанавливаемыми в них герметизирующими прокладками, на которые опираются торцы стеклянной трубки.
Недостатком всех перечисленных устройств является загрязнение внутренней полости спекаемых блоков микрочастицами утеплителя и окалиной нагревателя, которая неизбежно попадает в колбу с подачей азота через утеплитель и от открытого нагревателя.
Наиболее близким к предлагаемому решению является устройство для нанесения наружной оболочки в виде стеклянной трубки на стержень заготовки оптического волокна, включающее печь. Печь содержит теплоизлучающий элемент с графитом, который после включения напряжения от источника питания начинает излучать тепло при температуре в диапазоне 2000-2500°С. Тепло передается стеклянной трубке и стержню заготовки посредством излучения и образует в них зоны нагрева. Вдоль продольной оси печи установлен манипуляционный узел (пульт управления), предназначенный для того, чтобы облегчить пользователю выполнение операций управления.
По сравнению с печами, обычно применяемыми в процессе волочения оптического волокна, печь имеет более длинный по вертикали теплоизлучающий участок и меньший диаметр, с тем, чтобы добиться максимальной передачи тепла. Диаметр печи можно частично уменьшить за счет уменьшения толщины футеровки печи. В качестве
теплоизлучающего элемента в печи используют графит в случае печи сопротивления или двуокись циркония (ZrО2) в случае индукционной печи. К печи подключено множество труб, предназначенных для подачи Не (гелия), Ar (аргона) или их газообразной смеси (Не + Ar). В верхней и нижней части печи установлены крышки и проводящие фланцы. Проводящие фланцы соединяются со множеством электрических шин и предназначены для приема электропитания через кабели от источника питания и надежно закреплены на печи с помощью стяжных болтов, размещенных в их углах. Газообразный Не и Ar, являющийся инертным газом, вдувают в печь нагретым до высокой температуры, чтобы не допустить окисления графита на наружной поверхности стержня заготовки или стеклянной трубки и обеспечить равномерное распределение тепла по наружной поверхности стержня заготовки и стеклянной трубки за счет их превосходной теплопроводности. В корпусе печи установлен пирометр с датчиком температуры, предназначенный для определения внутренней температуры печи. В печи предусмотрена также линия охлаждения, обеспечивающая охлаждение печи, нагретой до высокой температуры. Зону нагрева печи путем перемещения каретки с помощью блока управления располагают вокруг предварительно определенной верхней части стеклянной трубки со вставленным в нее стержнем заготовки. Печь в течение 10-30 мин подвергает предварительному нагреву заранее определенную верхнюю часть стеклянной трубки при одновременной подаче инертного газа и питания, в то время как соединенные вместе стержень заготовки и стеклянная трубка вращаются синхронно со скоростью 20-30 об/мин с осуществлением привода обоих зажимных патронов и под управлением блока управления. В это время происходит включение кислородно-водородной горелки при начальном расходе газа. Не допускается неравномерного распределения температуры на поверхности стеклянной трубки, и стеклянная трубка может быть равномерно и стабильно обжата путем передачи на ее поверхность достаточного количества тепла печью, имеющей более широкую зону нагрева, чем кислородно-водородная горелка, применявшаяся до сих пор (см. патент РФ №2187474, МПК С03В 37/018).
Недостатком является возможность попадания внутрь спекаемой структуры частиц окалины нагревателя и пыли.
Задачей решения является разработка устройства для спекания многоканальных блоков.
Технический результат заключается в обеспечении чистой среды в камере спекания за счет выноса нагревателя на внешнюю поверхность камеры спекания и повышение эффективности теплопередачи за счет использования тонкостенной жаростойкой трубы в качестве камеры спекания.
Этот технический результат достигается тем, что в устройстве для спекания микроканального блока, расположенного внутри герметичной стеклянной оболочки, содержащем печь для нагревания блока с камерой спекания и нагревателями, систему откачки газов из оболочки, блок подачи сжатого газа, соединенный с камерой спекания, блок управления, блок питания, согласно решению, камера спекания выполнена в виде несущей жаростойкой тонкостенной трубы, внутренняя полость которой выполнена герметичной и является загрузочной камерой для спекаемого блока, при этом нагреватели размещены на внешней поверхности камеры спекания, корпус печи имеет канал для подачи сжатого газа в полость между корпусом печи и камерой спекания.
Устройство содержит четыре нагревателя, образующие четыре зоны нагрева, при этом в середину каждой из зон нагрева введены управляющие термопары.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен общий вид устройства.
Устройство содержит корпус 1, состоящий из внешней и внутренней стенок с водяной рубашкой 2 между ними. В корпусе 1 расположена камера спекания 3, внутренняя полость А которой является загрузочной камерой для спекаемого блока. Полость Б между камерой спекания и внутренней стенкой корпуса 1 заполнена теплоизоляцией 4. На внешней поверхности камеры спекания 3 расположены четыре нагревателя 5, выполненные в виде проволоки диаметром 2,5 мм в цилиндрических керамических изоляторах. Нагреватели создают четыре зоны нагрева. В середину каждой из четырех зон нагрева через сквозные втулки введены управляющие термопары. Верхняя и нижняя зоны позволяют двум средним зонам создать в камере спекания зону постоянных температур. Заданная оператором температура поддерживается системой автоматического регулирования (на чертеже не показана). Устройство имеет газовакуумный блок 6, обеспечивающий разрежение внутри стеклянной оболочки 7 с уложенной в ней спекаемой структурой 8 и устанавливаемую на многократно используемую оправку 10. Устройство имеет пульт управления (не показан). Камера спекания 3 представляет собой герметичную жаростойкую тонкостенную трубу. Для обеспечения механической прочности стенки камеры спекания при подаче избыточного давления газообразного азота в ее внутреннюю полость А, во внешнюю полость Б подается выравнивающее давление.
Устройство работает следующим образом. Из отдельных многожильных световодов собирают микроканальный блок 8, который помещают в герметичный объем внутри стеклянной трубки 7. Далее полученную сборку помещают для спекания во внутреннюю полость камеры спекания А на оправку 9, присоединенную к системе откачки газов 6. Газы откачивают в течение всего процесса нагрева, а после спекания
трубки и оправки в полость А подают сжатый газ, который обжимает нагретую сборку из микроканального блока 8 и стеклянной трубки 7 в радиальном направлении. В целях предотвращения деформации стенки камеры спекания от действия сжатого газа, в полость Б подают противодавление техническим газом. Затем снижают давление сжатого газа до атмосферного и производят охлаждение до комнатной температуры, после чего извлекают спеченную сборку, снимают спеченный со стеклянной трубкой микроканальный блок и разрезают его на пластины, которые подвергают обработкам для получения эмиссионно-резистивных свойств.
Данная конструкция позволяет применить тонкостенную камеру спекания с внешним нагревателем, обеспечивающим одновременно защиту изделия от попадания инородных частиц и эффективную теплопередачу от нагревателей к спекаемому блоку. Управление температурой и давлением обеспечивает оптимизацию техпроцесса.
Использование данного устройства по сравнению с прототипом позволит исключить попадание в структуру посторонних частиц, что обеспечивает более высокие оптические свойства структуры.