RU2411605C1

RU2411605C1 - Method of manufacturing miniature periodic systems of electrovacuum microwave devices from copper with nano- and micro-crystalline structure

Info

Publication number: RU2411605C1
Application number: RU2010100416/07A
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Чувильдеев (RU); Владимир Николаевич Чувильдеев; Алексей Владимирович Нохрин (RU); Алексей Владимирович Нохрин; Владимир Ильич Копылов (BY); Владимир Ильич Копылов; Юрий Геннадьевич Лопатин (RU); Юрий Геннадьевич Лопатин; Анна Владимировна Москвичева (RU); Анна Владимировна Москвичева
Priority date: 2010-01-11
Filing date: 2010-01-11
Publication date: 2011-02-10

Abstract

FIELD: physics. ^ SUBSTANCE: in the disclosed method, lamellae are made from monolithic copper material, where said lamellae have width and working gaps in between of up to 50 mcm, for which a fine-grained structure is formed from copper through equal channel angular pressing at a deformation rate of 0.4 mm/s at room temperature and with total number of pressing cycles equal to 8, with subsequent annealing at temperature of up to 150C and holding for up to 1 hour to remove stress. Miniature high-precision periodic systems, having lamella thickness and working gaps in between of up to 50 mcm are made from spent copper through a combination of lathe machining and spark cutting. ^ EFFECT: high manufacturability of periodic systems of travelling-wave and backward-wave tubes, magnetrons and similar electrovacuum microwave devices in the millimetre and submillimetre wavelength range, while ensuring good output and operational parametres of the devices owing to reduction of wave loss increase in stability of their functioning. ^ 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении резонаторных и замедляющих систем электровакуумных СВЧ приборов, в частности генераторов и усилителей миллиметрового и субмиллиметрового диапазона.The invention relates to the field of electronic technology and can be used in the manufacture of resonator and delay systems for microwave electric devices, in particular generators and amplifiers of the millimeter and submillimeter range.

СВЧ приборостроение предъявляет повышенные требования к точности изготавливаемых и собираемых периодических систем, например замедляющих систем для широкополосных ламп бегущей волны коротковолновых диапазонов длин волн с допуском 3-5 мкм по зазору между спиралью и выступами экрана (см. патент РФ №2024099, H01J 23/24, 1994).Microwave instrumentation places high demands on the accuracy of manufactured and assembled periodic systems, for example, retardation systems for wide-band traveling-wave lamps of short-wavelength wavelength ranges with a tolerance of 3-5 μm in the gap between the helix and screen protrusions (see RF patent No. 2024099, H01J 23/24 , 1994).

При этом одним из основных конструкторско-технологических факторов, влияющих на выходные и эксплуатационные параметры электровакуумных СВЧ приборов, является обеспечение формоустойчивости заготовок их периодических систем, достигаемое при изготовлении, например анодных блоков магнетронов, имеющих медные резонаторы с медными ламелями, конструктивно усложненным и низкотехнологичным путем осадки (нагартовки - увеличения жесткости меди) при сборке бесприпойного соединения дополнительных тугоплавких накладок с ламелями (см. патент РФ №1452388 на изобретение «Способ изготовления анодного блока обращенно-коаксиального магнетрона», H01J 9/02, 1996).In this case, one of the main design and technological factors affecting the output and operational parameters of microwave electric devices is the shape stability of the workpieces of their periodic systems, achieved in the manufacture of, for example, anode magnetron blocks having copper resonators with copper slats, a structurally complicated and low-tech precipitation (hardening - increasing the stiffness of copper) when assembling a smooth connection of additional refractory plates with lamellas (see RF patent 1452388 for the invention "Method of manufacture of the anode block reverse coaxial magnetron», H01J 9/02, 1996).

С уменьшением размеров медных элементов периодических (резонаторных и замедляющих) систем электровакуумных СВЧ приборов коротковолнового диапазона длин волн, для технологии изготовления указанных систем актуальным является повышение требований к формоустойчивости тонких ламелей для исключения их деформаций в процессе их электроискровой нарезки (см. книгу Голанта М.Б. и др. Изготовление резонаторов и замедляющих систем электронных приборов. - М.: Советское радио, 1969, с.244-248).With the reduction in the size of the copper elements of the periodic (resonant and decelerating) systems of microwave electric devices of the short-wavelength wavelength range, it is urgent for the manufacturing technology of these systems to increase the requirements for the shape stability of thin lamellas to exclude their deformations during their electrical spark cutting (see the book by Golant MB . and others. The manufacture of resonators and slow-down systems of electronic devices. - M .: Soviet Radio, 1969, p. 244-248).

При этом при изготовлении особенно мелких резонаторных или замедляющих систем миллиметрового диапазона с ламелями применяют метод пакетирования тонких медных листов с предварительным их получением осаждением меди в виде медной фольги (см. вышеуказанную книгу Голанта М.Б. и др., с.252), не обеспечивающий достаточно высокую и надежную электрическую прочность при таком технологически усложненном изготовлении периодических систем субмиллиметрового диапазона.At the same time, in the manufacture of especially small resonator or moderating systems of the millimeter range with lamellas, the method of packing thin copper sheets with their preliminary deposition of copper in the form of copper foil is used (see the above book by Golant MB and others, p. 252), not providing a sufficiently high and reliable electric strength with such technologically complicated manufacturing of periodic systems of the submillimeter range.

Изготовление аналогичных по размерам систем может осуществляться методами гальванопластики или напыления, что не позволяет создавать системы с большим соотношением высоты элементов к их толщине. Кроме того, выполненные такими способами материалы могут характеризоваться аморфностью структуры и пониженными значениями электропроводности, и высота их элементов ограничивается величиной в 100 мкм. Таким же недостатком при изготовлении характеризуются известные напыляемые в вакууме пленочные анод и катод с разделенной, в частности, на отдельные П-образные зубцы эмитирующей кромкой в форме гребенки (см. патент РФ №2069409, H01J 1/30, H01J 1/02, H01J 31/12, 1996).The manufacture of similar-sized systems can be carried out by electroforming or spraying, which does not allow the creation of systems with a large ratio of the height of the elements to their thickness. In addition, materials made by such methods can be characterized by an amorphous structure and reduced conductivity values, and the height of their elements is limited to 100 μm. The same drawback in the manufacture is characterized by the known vacuum anode and cathode film sprayed in vacuum with a comb emitting edge divided, in particular, into separate U-shaped teeth (see RF patent No. 2069409, H01J 1/30, H01J 1/02, H01J 31/12, 1996).

Основной проблемой и производственной задачей более технологичного изготовления периодических систем СВЧ генераторов и усилителей в диапазоне до 200 ГГц с формоустойчивыми ламелями является отсутствие известного в уровне техники способа изготовления указанных систем, характеризующегося соответствием сочетанию требований достижения очень малых размеров (ширины штырей-ламелей и рабочих зазоров между ними до 50 мкм), высокой точности (не ниже пятого класса) ламелей с такими размерами и высокой формоустойчивости при изготовлении резонаторных или замедляющих систем магнетронов с ламелями со штырями повышенной длины (до 10 мм).The main problem and the production task of more technologically advanced manufacturing of periodic systems of microwave generators and amplifiers in the range up to 200 GHz with shape-resistant lamellas is the lack of a method known in the prior art for manufacturing these systems, characterized by a combination of the requirements for achieving very small sizes (the width of the lamella pins and working gaps between them up to 50 microns), high precision (not lower than the fifth grade) of lamellas with such dimensions and high dimensional stability in the manufacture of resonance molecular weight or retarding magnetrons lamellae systems with increased length of the pins (10 mm).

В связи с изложенным заявитель выбрал форму оформления описания изобретения и формулы изобретения - без прототипа.In connection with the foregoing, the applicant chose the form for describing the invention and claims without a prototype.

Технический результат заявляемого изобретения - повышение технологичности изготовления периодических систем ламп бегущей и обратной волны, магнетронов и подобных электровакуумных СВЧ приборов в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне длин волн при обеспечении высоких выходных и эксплуатационных параметров приборов за счет снижения волновых потерь и повышения стабильности их функционирования в результате появления возможности изготовления высокоточных систем очень малых размеров из монолитного высокопроводящего материала меди с ламелями, имеющими ширину и рабочие зазоры между собой до 50 мкм и обладающими высокой формоустойчивостью в результате улучшения микроструктуры их материала.The technical result of the claimed invention is to increase the manufacturability of manufacturing periodic systems of traveling and backward-wave lamps, magnetrons and similar electrovacuum microwave devices in the millimeter and submillimeter wavelength ranges while ensuring high output and operational parameters of the devices by reducing wave losses and increasing the stability of their operation as a result of the possibility of manufacturing high-precision systems of very small sizes from monolithic highly conductive material me di with lamellas having a width and working gaps between each other of up to 50 microns and having high shape stability as a result of improving the microstructure of their material.

Для достижения указанного технического результата предложен способ изготовления миниатюрных периодических систем электровакуумных СВЧ приборов из меди с нано- и микрокристаллической структурой, включающий формирование мелкозернистой структуры меди и выполнение из нее миниатюрных высокоточных периодических систем, характеризующийся тем, что для формирования однородной мелкозернистой структуры меди с высокой прочностью и формоустойчивостью высокочистую медь подвергают обработке путем равноканального углового прессования со скоростью деформации 0,4 мм/сек при комнатной температуре при общем числе циклов прессования, равном восьми, затем подвергают технологическому отжигу при температуре до 150°С с выдержкой до 1 часа для снятия нескомпенсированных напряжений, отрицательно влияющих на формоустойчивость ламелей периодических систем в процессе изготовления последних, и затем из обработанной меди выполняют путем сочетания токарной обработки и электроискровой резки миниатюрные высокоточные периодические системы, имеющие ширину ламелей и рабочие зазоры между ними до 50 мкм.To achieve the specified technical result, a method is proposed for manufacturing miniature periodic systems of electrovacuum microwave devices from copper with a nano- and microcrystalline structure, which includes forming a fine-grained structure of copper and making miniature high-precision periodic systems from it, characterized in that for the formation of a homogeneous fine-grained structure of copper with high strength and shape stability, high-purity copper is subjected to processing by equal channel angular pressing with with a deformation rate of 0.4 mm / s at room temperature with a total number of pressing cycles equal to eight, then they are subjected to technological annealing at temperatures up to 150 ° C with holding for up to 1 hour to relieve uncompensated stresses that adversely affect the shape stability of lamellas of periodic systems in the manufacturing process the latter, and then from the processed copper, miniature high-precision batch systems having lamella widths and working gaps between them are made by a combination of turning and electric spark cutting up to 50 microns.

В случае изготовления замедляющих систем ламп бегущей или обратной волны или усилителей магнетронного типа с замедляющими системами типа встречных штырей равноканальному угловому прессованию подвергают медь марки М0б с формированием в ней однородной нано- и микрокристаллической структуры со средним размером зерна 200 нм и пределом прочности 400 МПа, затем после технологического отжига из полученной меди выполняют замедляющие системы с токарной обработкой их заготовок и нарезкой с помощью электроэрозионного проволочно-вырезного станка с системой ЧПУ "АРТА-Х.7" с применением электрода диаметром до 0,02 мм рабочей части замедляющей системы в виде встречных штырей, имеющей при ширине и толщине указанных штырей-ламелей, соответственно 50 и 2000 мкм, рабочие зазоры 50 мкм и сохраняющей геометрию этих ламелей в процессе пайки при 800°С и последующих высокотемпературных технологических операций при сборке электровакуумного прибора.In the case of the production of slowing-down systems of traveling or backward-wave tubes or magnetron-type amplifiers with slowing down systems such as counterpins, M0b grade copper is subjected to equal channel angular pressing with the formation of a uniform nano- and microcrystalline structure in it with an average grain size of 200 nm and a tensile strength of 400 MPa, after technological annealing of the obtained copper, slow-down systems are performed with turning their workpieces and cutting them using an EDM wire-cutting machine with the ARTA-X.7 CNC system using an electrode with a diameter of up to 0.02 mm of the working part of the retarding system in the form of opposing pins having, with the width and thickness of these lamella pins, 50 and 2000 μm, respectively, working gaps of 50 μm and preserving the geometry of these lamellas during brazing at 800 ° C and subsequent high-temperature technological operations during the assembly of an electrovacuum device.

Известное изготовление деталей средних и больших размеров из высокочистой меди, подвергнутой протяжке, штамповке и рекристаллизационному отжигу для получения мелкозернистой структуры (с размером зерна ~40 мкм) под задачи производства внутренних облицовок кумулятивных зарядов (см. патент США №5039355, B21K 21/00, 1991) основано на обработке меди, имеющей иное эксплуатационное назначение изделия, иное в сравнении с улучшением структуры меди в заявляемом способе (при изготовлении электровакуумных СВЧ приборов с характерным размеров элементов-ламелей менее 100 мкм из монолитного высокопроводящего материала - высокочистой меди, подвергнутой обработке на основе формирования ее структуры в результате оптимальных режимов равноканального углового прессования и последеформационного отжига), что подтверждает соответствие последнего критерию патентоспособности - «изобретательскому уровню».Known manufacture of parts of medium and large sizes of high-purity copper, subjected to broaching, stamping and recrystallization annealing to obtain a fine-grained structure (with a grain size of ~ 40 μm) for the production of internal lining of cumulative charges (see US patent No. 5039355, B21K 21/00, 1991) is based on the processing of copper having a different operational purpose of the product, different in comparison with the improvement of the structure of copper in the claimed method (in the manufacture of microwave electric devices with characteristic sizes of lamella elements th less than 100 microns of monolithic highly conductive material - of high purity copper subjected to processing based on the formation of its structure as a result of the optimal mode and equal channel angular extrusion posledeformatsionnogo annealing), which confirms the last matching criteria of patentability - "inventive step".

На фиг.1 представлена нано- и микрокристаллическая структура образца меди марки М0б (со средним размером зерна 200 нм) после равноканального углового прессования этого материала при общем числе циклов прессования, равном восьми, со скоростью деформации

при комнатной температуре (растровая электронная микроскопия); на фиг.2 - вид сверху (2а - фото и 2б - чертеж) рабочей части блока замедляющей системы типа встречных штырей для лампы бегущей волны, изготовленной путем электроискровой резки из меди после равноканального углового прессования с режимом в соответствии с фиг.1 и отжигом при 150°С в течение 1 часа; на фиг.3 - схематическое изображение в аксонометрии блока замедляющей системы на фиг.2.Figure 1 shows the nano- and microcrystalline structure of an M0b grade copper sample (with an average grain size of 200 nm) after equal channel angular pressing of this material with a total number of pressing cycles of eight with a strain rate

at room temperature (scanning electron microscopy); in Fig.2 is a top view (2a - photo and 2b - drawing) of the working part of the block of the deceleration system of the type of oncoming pins for a traveling wave lamp made by electric spark cutting from copper after equal channel angular pressing with the mode in accordance with Fig.1 and annealing at 150 ° C for 1 hour; figure 3 is a schematic representation in a perspective view of a block of a slowdown system in figure 2.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образомThe proposed method is as follows

Исходные крупнокристаллические слитки меди марки М0б (с размером зерна ~120 мкм) размером 20×20×150 мм подвергают восьми циклам прессования в инструменте с углом пересечения рабочего и выходного каналов 90° на установке для равноканального углового прессования по маршруту В_С (заготовку перед каждым повторным циклом поворачивают на угол 90° вокруг своей продольной оси) со скоростью деформации 0,4 мм/сек при комнатной температуре деформации.The initial coarse-grained copper ingots of the M0b grade (with a grain size of ~ 120 μm) of size 20 × 20 × 150 mm are subjected to eight pressing cycles in an instrument with an intersection angle of the working and output channels of 90 ° in an installation for equal-channel angular pressing along route B _C (a blank before each by a repeated cycle they turn through an angle of 90 ° around its longitudinal axis) with a strain rate of 0.4 mm / s at room temperature of deformation.

Затем медные заготовки с сформированной в них однородной нано- и микрокристаллической структурой (со средним размером зерна 200 нм - см. фиг.1) отжигают на воздухе при температуре 150°С в течение 1 часа для снятия нескомпенсированных напряжений, отрицательно влияющих на формоустойчивость ламелей замедляющих систем в процессе изготовления (пайке и сборке) последних.Then, copper preforms with a homogeneous nano- and microcrystalline structure formed in them (with an average grain size of 200 nm - see Fig. 1) are annealed in air at a temperature of 150 ° C for 1 hour to relieve uncompensated stresses that adversely affect the shape stability of retardation lamellas systems in the manufacturing process (soldering and assembly) of the latter.

Затем из полученных заготовок путем токарной обработки изготавливают цилиндрические заготовки (диаметром 6 мм и длиной 60 мм) блоков 1 замедляющих систем (см. фиг.3).Then, from the obtained blanks by turning, cylindrical blanks (with a diameter of 6 mm and a length of 60 mm) of blocks 1 of the retarding systems are made (see FIG. 3).

После чего в продольных выемках (шириной 3 мм) выточенных заготовок блоков 1 выполняют с помощью электроэрозионного проволочно-вырезного станка с системой ЧПУ "АРТА-Х.7" с применением электрода диаметром ~0,02 мм рабочую часть 2 замедляющей системы типа «встречные штыри», имеющую при ширине и толщине штырей-ламелей 3, соответственно 50 и 2000 мкм, рабочие зазоры 50 мкм (см. фиг.2) и сохраняющую геометрию этих ламелей (на фиг.3 не показана оснастка обеспечения целостности конструкции блока 1 при обеспечении пайкой скрепления его ламельной конструкции при 800°С и выполнении пролетного сквозного отверстия 4) при этой и последующих высокотемпературных технологических операциях сборки электровакуумной лампы бегущей волны, что оказалось возможным в результате высокой формоустойчивости ламелей при улучшенной микрокристаллической структуре меди с пределом прочности 400 МПа.Then, in the longitudinal recesses (3 mm wide) of the turned blanks of blocks 1, they are performed using an EDM wire-cutting machine with an ARTA-X.7 CNC system using an electrode with a diameter of ~ 0.02 mm, the working part 2 of the counter-type retarding system "Having, with the width and thickness of the pin-lamellas 3, respectively 50 and 2000 μm, working gaps of 50 μm (see figure 2) and preserving the geometry of these lamellas (figure 3 is not shown snap to ensure the integrity of the design of block 1 when providing soldering fastening its lamella construction at 800 ° С and performing a through-hole 4) during this and subsequent high-temperature technological operations of assembly of a traveling wave electric vacuum lamp, which was possible as a result of the high shape stability of the lamellas with an improved microcrystalline copper structure with a tensile strength of 400 MPa.

В результате ламели показали высокую формоустойчивость (отсутствие отклонений от заданной геометрии и размеров при точности выполнения ламелей в пределах ±3 мкм) в процессе пайки их рабочих контактных концов и дальнейшей сборки лампы бегущей волны.As a result, the lamellas showed high dimensional stability (no deviations from the given geometry and dimensions with an accuracy of lamellas within ± 3 μm) during the soldering of their working contact ends and further assembly of the traveling wave lamp.

Предлагаемый способ создает технологическую основу повышения качества высокотребовательных к точности изготовления электровакуумных СВЧ приборов, обеспечивающего высокие выходные и эксплуатационные параметры приборов за счет снижения волновых потерь и повышения стабильности их функционирования, а также возможность дальнейшего расширения сверхвысокочастотного диапазона в сторону субмиллиметрового диапазона волн и разработки соответствующей радиоэлектронной аппаратуры.The proposed method creates a technological basis for improving the quality of high-precision microwave vacuum-assisted equipment manufacturing, providing high output and operational parameters of devices by reducing wave losses and increasing the stability of their operation, as well as the possibility of further expanding the microwave range in the direction of the submillimeter wavelength range and developing appropriate electronic equipment .

Claims

1. A method of manufacturing a miniature periodic systems of microwave electric vacuum devices from copper with a nano- and microcrystalline structure, comprising forming a fine-grained structure of copper and making miniature high-precision periodic systems from it, characterized in that for the formation of a homogeneous fine-grained copper structure with high strength and shape stability, high-purity copper subjected to processing by equal channel angular pressing with a strain rate of 0.4 mm / s at room temperature at a total the number of pressing cycles equal to eight, then subjected to technological annealing at temperatures up to 150 ° C with holding for up to 1 h to relieve uncompensated stresses that adversely affect the shape stability of lamellas of periodic systems in the process of manufacturing the latter, and then from the processed copper is performed by a combination of turning and spark cutting, miniature high-precision batch systems having a lamella width and working gaps between them of up to 50 microns.

2. The manufacturing method according to claim 1, characterized in that MOB copper is subjected to equal channel angular pressing with the formation of a homogeneous nano- and microcrystalline structure in it with an average grain size of 200 nm and a tensile strength of 400 MPa, then, after technological annealing, the copper obtained is retarding systems with turning their workpieces and cutting using an EDM wire cutting machine with an ARTA-X.7 CNC system using an electrode with a diameter of up to 0.02 mm of the working part of the retarding system unit They are in the form of counter pins having, with the width and thickness of these pins - lamellae, 50 and 2000 μm, respectively, working gaps of 50 μm and preserving the geometry of these lamellas during brazing at 800 ° C and subsequent high-temperature technological operations during the assembly of an electrovacuum device.