Сверхвысоковакуумное термостойкое смотровое окно
ULTRA-HIGH VACUUM HEAT-RESISTANT VIEWING WINDOW

Область техники
Изобретение относится к вакуумной технике, в частности к элементам конструкции вакуумных камер, используемых в условиях высокой температуры и сверхвысокого вакуума.
Уровень техники
В сверхвысоковакуумных системах широко применяются вакуумные камеры, имеющие смотровые окна различных диаметров и конструкций. При этом смотровое окно может иметь значительные размеры – 400 мм и более. В ряде применений может потребоваться многократный нагрев таких камер до высоких температур (вплоть до 380 °С). В таких случаях смотровые окна должны быть изготовлены из материалов, которые имеют слабое газовыделение даже при высокой температуре, а их конструкция должна обеспечивать вакуумно-плотное соединение стекла с металлом, стойкое к циклическому термическому воздействию, а также к термическим ударам, возникающим при резком изменении температуры окружающей среды.
Основные элементы вакуумного смотрового окна – это диск из прозрачного для излучения материала (стекло, кварц, фторид магния и тому подобное) и металлический фланец, соединенные герметично. Известны различные способы такого соединения.
Известно смотровое окно [Пипко А. И., Плисковский В. Я., Пенчко Е. А. Конструирование и расчет вакуумных систем. – М.: Энергия, 1979. – стр. 174] с резиновым уплотнением, в котором прозрачный диск с помощью нажимного кольца прижимается к резиновому или металлическому уплотнителю.
Недостатком данного решения является невозможность использования смотрового окна при температурах выше 250 °С из-за высокой газопроницаемости резинового уплотнения или же из-за его физического разрушения.
Известно также смотровое окно [патент США № US 4448000, МПК B01J 3/03, F16J 15/06, H01P1/08, 15.05.1984 «High temperature ultra-high vacuum infrared window seal»], которое включает в себя прозрачный диск, зажатый между прижимным и уплотнительным фланцами. Край уплотнительного фланца включает кольцевой выступ, на верхней поверхности которого имеется кольцевая выемка. Кольцевая свинцовая прокладка располагается в данной выемке между уплотнительным фланцем и диском. Прокладка сдавливается с постоянной силой прижимным фланцем.
К недостаткам способа относится то, что данная конструкция не может быть использована при температурах выше 275 °С, когда свинец начинает переходить в мягкое состояние, резко повышается его газовыделение и теряются уплотнительные свойства.
Известен способ вакуумноплотного соединения металлической оправы с волоконно-оптической пластиной путем пайки через слой на основе стеклокристаллического цемента [авт. св-во СССР № SU 1819040, МПК H01J 9/26, 27.11.1995].
Данное техническое решение применяется в качестве входных и выходных узлов фотоэлектронных приборов и не может быть использовано в качестве смотрового окна в вакуумной камере из-за невозможности визуального контроля через волоконно-оптический элемент.
Известно смотровое окно для сверхвысоковакуумных камер, которое включает в себя уплотнительный металлический фланец; металлическую оправу, соединенную герметично с уплотнительным металлическим фланцем и прозрачный для излучения диск, герметично соединенный с металлической оправой [Пипко А. И., Плисковский В. Я., Пенчко Е. А. Конструирование и расчет вакуумных систем. – М.: Энергия, 1979. – стр. 174–176]. Фланец уплотняется с вакуумным объемом через металлический уплотнитель. При этом материалы оправы и диска подбираются так, чтобы иметь близкие значения температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР). Смотровые окна подобной конструкции допускают прогрев до 320–450 °С. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
С увеличением диаметра прозрачного диска должна увеличиваться и его толщина, для того, чтобы он имел прочность при прогибе, который возникает под давлением атмосферы. Увеличение толщины и диаметра приводит с определенного момента к проблемам в металлостеклянных сварных соединениях: при циклическом нагреве и охлаждении (термоциклировании) возникают усталостные трещины в стекле. Они возникают из-за напряжений, которые связаны с тем, что при нагреве окна его элементы (диск и фланец) расширяются на разное значение; чем больше размер у этих элементов, тем больше эта разница, тем больше вероятность образования трещин, а, следовательно, окно может выдержать меньшее количество циклов нагрева и охлаждения. Разница в размерах, на которые расширяются прозрачный диск и стакан возникает в связи с тем, что материалы, из которых они изготавливаются, невозможно подобрать так, чтобы их ТКЛР были абсолютно равны.
Сварка стакана и диска должна происходить при достаточно высоких температурах, достаточных для размягчения материала прозрачного диска, при этом нагрев и охлаждение свариваемых деталей должны быть равномерны и контролируемы. При этом размягчение материала прозрачного диска, необходимое при его сварке, может приводить к ухудшению его оптических свойств: образованию дефектов в объеме диска и увеличению шероховатости его поверхности. Устранять такие дефекты достаточно сложно, а в некоторых случаях невозможно.
В связи с вышесказанным, изготовление смотровых окон большого светового диаметра рассматриваемой конструкции требует значительных финансовых затрат на отработку технологии, изготовление оборудования и оснастки. Подтверждением этому является тот факт, что у производителей вакуумной техники отсутствуют в серийном производстве окна световым диаметром более 200 мм.
2
Также существует ряд задач, при которых для прозрачного диска необходимо использовать кристаллические материалы (например MgF), так как данные материалы не образуют сварной шов с металлами.
Таким образом, недостатками прототипа являются:
- низкая устойчивость вакуумно-плотного металлостеклянного соединения сверхвысоковакуумного термостойкого смотрового окна к циклическому термическому воздействию при нагреве выше 300 °С;
- образование поверхностных и объемных дефектов прозрачного диска в процессе изготовления сверхвысоковакуумного термостойкого смотрового окна;
- невозможность использования прозрачных кристаллических материалов для изготовления прозрачного диска сверхвысоковакуумного термостойкого смотрового окна.
Техническим результатом изобретения является:
- повышение устойчивости вакуумно-плотного металлостеклянного соединения сверхвысоковакуумного термостойкого смотрового окна к циклическому термическому воздействию при нагреве выше 300 °С;
- уменьшение поверхностных и объемных дефектов прозрачного диска, образующихся в процессе изготовления сверхвысоковакуумного термостойкого смотрового окна ;
- возможность использования прозрачных кристаллических материалов для изготовления прозрачного диска сверхвысоковакуумного термостойкого смотрового окна.
Технический результат достигается тем, что в сверхвысоковакуумном термостойком смотровом окне, включающем:
последовательно и герметично соединенные друг с другом уплотнительный металлический фланец; металлическую оправу, и прозрачный для излучения диск, представляющие собой фигуры вращения, расположенные соосно; при этом уплотнительный металлический фланец и металлическая оправа имеют отверстия для прохождения излучения, оси которых совпадают с осями фигур вращения,
для герметичного соединения оправы с прозрачным для излучения диском используется слой припоечного материала на основе стекла, расположенный между одной или более сопрягаемыми поверхностями диска и оправы, при этом
значение температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) припоечного материала лежит в диапазоне между ТКЛР материалов диска и оправы, а также
температура образования герметичного соединения при помощи слоя припоечного материала должна быть не более температуры плавления диска и не менее максимальной температуры эксплуатации окна.
Краткое описание чертежей
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурами 1-3.
На фиг. 1 схематично изображена конструкция сверхвысоковакуумного смотрового окна, где 1 – уплотнительный металлический фланец, 2 – слой припоечного материала на основе стекла, 3 – прозрачный для излучения диск, 4 – металлическая оправа.
На фиг. 2 изображен режим термоциклирования смотрового окна.
На фиг. 3 изображен масс-спектр остаточных газов, выделяемых в вакуумной камере со смотровым окном в составе при температуре 380 °C.
Осуществление изобретения
.
Сверхвысоковакуумное термостойкое смотровое окно (фиг. 1) содержит элементы, перечисленные ниже.
Уплотнительный металлический фланец 1 представляет собой фигуру вращения и имеет отверстие, предназначенное для прохождения излучения. Оси отверстия и фланца 1 совпадают. Фланец 1 должен иметь конструкцию, которая обеспечивает его герметичное соединение с вакуумным объемом (камерой). Соединение с вакуумным объемом и с металлической оправой 4 может производиться через металлический уплотнитель, при помощи сварки или любым другим допустимым образом. Фланец 1 может содержать в своей конструкции дополнительные канавки, отверстия и выступы, необходимые для герметичного соединения с вакуумным объемом и с металлической оправой 4, а также позволяющие снизить его вес, устанавливать его положение при сборке или снять напряжения, возникающие при затяжке уплотнения. Снятие напряжения может быть необходимо для предохранения от разрушения соединения припоечным материалом прозрачного для излучения диска 3 и металлической оправы 4.
Металлическая оправа 4 представляет собой фигуру вращения и имеет отверстие, предназначенное для прохождения излучения. Оси отверстия и оправы 4 совпадают. Оправа 4 может иметь любую геометрию, позволяющую герметично соединить ее по одной из кромок с уплотнительным металлическим фланцем 1. Расположение оправы 4 относительно фланца 1 – соосное. Оправа 4 должна иметь поверхность, по которой происходит герметичное соединение с прозрачным для излучения диском 3 при помощи слоя 2 припоечного материала на основе стекла. Оправа 4 может быть выполнена из металлической ленты путём вытяжки и иметь одно или более ребер жесткости (изгибов). Такая конструкция позволит снижать нагрузку на соединение оправы 4 с диском 3, обусловленную деформацией элементов окна в ходе его нагрева.
Диаметры отверстий оправы 4 и фланца 1 могут быть выбраны любыми, наименьший из них определяет проходной диаметр смотрового окна.
Прозрачный для излучения диск 3, герметично соединенный по одной или более из своих поверхностей с металлической оправой 4. Расположение оправы 4, диска 3, фланца 1, отверстий в оправе 4 и во фланце 1 – соосное. Диск 3 может быть выполнен из кристаллических материалов, прозрачных для ультрафиолетового излучения (например фторид магния). Диск 3 может иметь дополнительные канавки или выступы, позволяющие устанавливать его положение при сборке или снизить его вес, или снять напряжения, возникающие при склейке.
Слой 2 припоечного материала на основе стекла, расположенный между сопрягаемыми поверхностями диска и металлической оправы 4. В качестве припоечного материала может быть использован стеклокристаллический цемент, припоечное стекло, легкоплавкое стекло, стеклокомпозиция либо другой припоечный материал на основе стекла. При этом, температура образования герметичного соединения при помощи слоя 2 должна быть не более температуры плавления диска 3. Это позволит устранить размягчение материала прозрачного диска 3 в процессе склейки. Что позволит избежать ухудшения оптических свойств прозрачного диска 3: образования дефектов в объеме диска 3 и увеличения шероховатости его поверхности. Припоечные материалы допускается эксплуатировать при температурах, которые меньше температуры их затвердевания (когда образуется герметичное соединение), поэтому значение данной температуры и будет фактически определять максимальную температуру эксплуатации окна.
Устройство работает следующим образом: материалы для изготовления смотрового окна подбираются таким образом, чтобы их ТКЛР были максимально равны друг другу во всем рабочем диапазоне температур процесса пайки и последующей работы. Особенно требует согласования ТКЛР слоя 2, диска 3 и оправы 4. Повышение устойчивости сверхвысоковакуумного смотрового окна к циклическому термическому воздействию достигается тем, что слой 2 имеет ТКЛР, лежащий в диапазоне между ТКЛР диска 3 и ТКЛР оправы 4, что позволяет снизить напряжения, связанные с расширением деталей на разную величину в ходе нагрева окна. Снижение напряжений обусловлено тем, что слой 2 играет роль буфера и разделяет на две части разницу между расширением деталей 3 и 4. Снижение напряжений в соединении диска 3 с оправой 4 приводит к уменьшению вероятности возникновения трещин в диске 3 в процессе термоциклирования окна.
ТКЛР материала, из которого выполнен уплотнительный металлический фланец 1, может значительно отличаться от ТКЛР остальных материалов благодаря выполнению конструкции металлической оправы 4 таким образом, что она своей деформацией будет компенсировать нагрузку на соединение оправы 4 с диском 3.
Применение слоя 2 припоечного материала позволяет производить соединение деталей 3 и 4 смотрового окна при температуре ниже температуры размягчения диска 3, поэтому в ходе этого процесса не образуются поверхностные и объемные дефекты диска 3.
Применение слоя припоечного материала 2 позволяет использовать для изготовления прозрачного для излучения диска кристаллические материалы, которые невозможно сваривать напрямую с металлом.
Предлагаемое сверхвысоковакуумное термостойкое смотровое окно было реализовано следующим образом.
Прозрачный диск 3, выполненный из стекла марки С83, соединяется со оправой 4, изготовленной из сплава 47НД, с помощью пайки слоем 2 стеклокристаллического цемента СЦ 90-1. Оправа 4 соединяется с помощью аргонодуговой сварки с фланцем 1, изготовленным из нержавеющей стали. Фланец 1 имеет ножевидный выступ, который выполнен согласно стандарту conflat (CF), поэтому фланец 1 может уплотняться по меди с ответным CF соединением вакуумной камеры.
-6
-6
-6
Стекло марки С83, сплав 47НД и стеклокристаллический цемент СЦ 90-1 имеют следующие значения ТКЛР соответственно: (8,3±0,2)∙10 1/°C; (10,0±0,2) 10 1/°C; (9,0±0,2) 10 1/°C. Стеклокристаллический цемент имеет значение ТКЛР, лежащее между ТКЛР прозрачного диска 3 и ТКЛР стакана. В ходе нагрева стеклокристаллический цемент играет роль буфера: нагрузка на паяный шов обусловлена разницей между линейным расширением стеклокристаллического цемента и прозрачного диска 3 с одной стороны, и разницей между расширением цемента и стакана с другой стороны. Таким образом, наличие слоя 2 стеклокристаллического цемента позволяет снизить напряжение в паяном соединении во время нагрева.
Стеклокристаллический цемент обладает рядом достоинств, которые обеспечивают выполнение возлагаемых требований на смотровое окно: высокая твердость и механическая прочность, высокая температура размягчения, химическая стойкость, устойчивость к воздействию паров и газов, низкое газовыделение при нагреве. Пайка стеклоцементом СЦ 90-1 происходит при температуре ниже 560 °С, поэтому размягчения стекла марки С83 не происходит и оно сохраняет свои оптические свойства.
Оправа 4 обладает эластичной конструкцией, которая позволяет не передавать на паяный шов нагрузку, обусловленную значительным расширением фланца 1 в ходе нагрева.
Для формирования торцевого сварного соединения оправы 4 с фланцем 1 в последнем была сделана кольцевая проточка. Таким образом, фланец 1 и оправа 4, склеенная со стеклом, соединяются тонкими кромками, что обеспечивает равномерное прогревание деталей в процессе сварки и формирование однородного сварного шва.
2
-10
Согласно описанной конструкции было изготовлено смотровое окно с оптическим диаметром 176 мм с уплотнением стандарта CF200. Испытания на герметичность окна в составе вакуумной камеры показали, что уровень натекания по He составил не более 1х10 мбар*л/сек. Это свидетельствует о герметичности смотрового окна.
Проведенные испытания на циклическое изменение температуры, а также на воздействие термоударов (перепад более 100 °С) показали сохранение герметичности. Режим термоциклирования приведен на фиг. 2 (было проведено более 12 таких циклов). Что говорит о высокой устойчивости окна к многократному нагреву.
2
Масспектрометрический анализ газов (фиг. 3), выделяемых в вакуумной камере со смотровым окном в составе при нормальных условиях и при повышенной температуре, показал, что окно не добавляет новых загрязнений – выделяются типичные для текущего процесса газы: пары воды, водород, СО и СО. Что говорит о возможности применения окна в прогреваемых сверхвысоковакуумных и сверхвысоковакуумных системах.
Таким образом достигается заявленный технический результат, а именно:
- повышение устойчивости вакуумно-плотного металлостеклянного соединения сверхвысоковакуумного термостойкого смотрового окна к циклическому термическому воздействию при нагреве выше 300°С;
- уменьшение поверхностных и объемных дефектов прозрачного диска, образующихся в процессе изготовления сверхвысоковакуумного термостойкого смотрового окна ;
- возможность использования прозрачных кристаллических материалов для изготовления прозрачного диска сверхвысоковакуумного термостойкого смотрового окна.