CN104646832A - 一种抑制二次电子发射的微波器件表面加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种抑制二次电子发射的微波器件表面加工装置及方法，装置由激光输出模块、微透镜、移动台和控制模块组成。控制模块输出控制信号到激光输出模块和移动台，控制激光输出功率、激光输出间隔时间与移动台移动间距、移动时间，通过小面积深孔阵列连续移动填充的方式完成微波器件表面厘米尺度大面积深孔阵列织构的激光刻蚀加工。本发明的装置和方法加工出的微波器件表面织构为矩形等间距或三角等间距微纳深孔阵列，能够有效降低微波器件表面二次电子发射系数。本发明的装置和方法为自动化加工，工序简单，效率高，且可以完成对金或镀金等零件表面的加工处理，微波器件加工后表面性能具有长期稳定性，适合于地面及宇航空间环境应用。

Description

一种抑制二次电子发射的微波器件表面加工装置及方法

技术领域

本发明涉及一种微波器件表面加工装置及方法，特别是一种能够抑制二次电子发射的微波器件表面加工装置及加工方法。

背景技术

大功率微波器件在进行微波信号的传输过程中，微波场中存在的电子会在微波谐振作用下轰击器件表面，激发大量的二次电子，形成微放电效应，对微波传输性能和器件本身产生严重损害。

为提高器件表面二次电子发射的抑制性能，现有微波器件表面主要进行镀镍、镀金、导电氧化等表面处理，通过覆盖低二次电子发射系数材料的方式来降低原有材料表面二次电子发射能力。受到金、镍和微波器件自身材料性能的限制，这类方法降低二次电子发射系数的能力有限，不能低于镀覆材料自身阈值。另一类方法通过在器件表面加工形成三角、矩形凸起或凹槽的方法改变器件表面形貌，增强器件表面二次电子的抑制作用。这类方法也有一定的作用，与不进行处理的原始材料表面相比，器件表面二次电子发射系数有一定程度的下降。但从试验结果来看，三角、矩形凸起或凹槽的表面处理方法仍不能达到理想效果，材料表面二次电子系数仍远大于安全阈值，使微波器件仍具有较大的微放电风险，不能满足微波器件的应用需求。

国内有试验研究通过化学刻蚀方法在银制材料表面刻蚀深孔阵列，具有较低的二次电子发射系数，但是银金属容易发生硫化导致微波传输性能降低，因此该方法无法满足微波器件的使用环境要求，另一方面，采用化学刻蚀方法进行零件表面深孔织构工序繁多，工艺过程复杂，且成本较高，不适合批量使用。

除化学刻蚀方法外，研究表明采用激光刻蚀的方法也可以在金属材料表面加工微型深孔，但多见单个深孔的加工成型研究，虽然可以通过微透镜实现局部深孔阵列，但仍无法满足微波器件的大表面加工要求，无法达到最佳二次电子发射抑制效果。因此研究可用于大面积零件表面深孔阵列织构加工方法和装置，大幅降低微波器件零件表面二次电子发射系数成为突破微放电抑制瓶颈的关键技术。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可在厘米尺寸微波器件表面进行微观深孔阵列织构加工的装置及加工方法，有效降低微波器件表面二次电子发射系数，大幅降低微波器件使用过程中的微放电风险，提高微波器件的功率容量和可靠性。

本发明的技术解决方案是：一种抑制二次电子发射的微波器件表面加工装置，包括激光输出模块、微透镜、移动台和控制模块，其中：

激光输出模块：在控制模块的控制下，产生固定输出功率和时间间隔的单束激光束；

微透镜：将激光输出模块产生的单束激光束形成阵列激光束照射到微波器件的表面形成小孔；

移动台：承载微波器件，并在控制模块的控制下进行横向和纵向移动，使得微波器件的表面均能被阵列激光束照射形成阵列织构；

控制模块：控制激光输出模块输出激光的功率和时间间隔，控制移动台的横向移动和纵向移动，其中：

横向移动间距＝M×Sx；

横向移动次数＝[L/(M×Sx)]+1；

纵向移动间距＝N×Sy；

纵向移动次数＝[W/(N×Sy)]+1；

Sx为小孔横向间距，Sy为小孔纵向间距，L为微波器件的横向长度，W为微波器件的纵向宽度，M为阵列激光束的横向数目，N为阵列激光束的纵向数目。

一种抑制二次电子发射的微波器件表面加工方法，包括如下步骤：

1)将微波器件放置在移动台的顶面上；

2)利用激光输出模块产生固定输出功率和时间间隔的激光束，并利用微透镜将激光输出模块产生的激光束形成阵列激光束照射到微波器件的表面形成小孔；

3)控制移动台的移动间距和移动时间，完成在微波器件表面的阵列织构处理，其中：

横向移动间距＝M×Sx；

横向移动次数＝[L/(M×Sx)]+1；

纵向移动间距＝N×Sy；

纵向移动次数＝[W/(N×Sy)]+1；

Sx为小孔横向间距，Sy为小孔纵向间距，L为微波器件的横向长度，W为微波器件的纵向宽度，M为阵列激光束的横向数目，N为阵列激光束的纵向数目。

所述的阵列织构为矩形等距阵列或三角等距阵列。所述的阵列织构中各小孔的孔距5～25um，孔径5～25um，深宽比为2～0.3。所述的激光输出模块产生的激光束为飞秒激光或纳米激光。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的表面织构处理方法及装置，可以对微波器件表面进行织构化处理，在微波器件表面形成特定的微纳深孔阵列织构，使微波器件表面抑制二次电子发射的性能大幅加强；

(2)本发明的表面织构处理方法及装置，可以通过激光刻蚀作用在微波器件表面加工微纳深孔阵列织构，与化学刻蚀织构方法相比工序较少，工艺过程简单，效率高；

(3)本发明的表面织构处理方法及装置，可以在金或镀金零件表面加工微纳深孔阵列织构，加工后零件表面化学性质稳定，适合在微波器件尤其是宇航微波器件上使用，性能不易发生退化；

(4)本发明的表面织构处理装置，可以通过阵列填充方式在微波器件表面加工厘米尺寸的微纳深孔阵列，解决了激光单孔刻蚀或单个阵列刻蚀无法实现大面积表面加工的缺点，使在微波器件零件表面加工微纳深孔阵列成为现实；

(5)本发明的表面织构处理装置，具有较高的自动化处理能力，能够减少织构化过程中的尺寸和位置误差，织构出的微观深孔阵列结构一致性较好，器件表面不同区域抑制二次电子发射系数的性能较均匀；

(6)本发明的表面织构加工方法，可以在微波器件表面加工出三角等距深孔阵列，相比矩形等距深孔阵列，具有更优异的二次电子发射抑制能力。

附图说明

图1是本发明的装置示意图；

图2是本发明的织构方法流程图；

图3是本发明的等间距阵列织构形状示意图；

图4是本发明的矩形阵列织构形状示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的微波器件表面织构装置由激光输出模块1、微透镜2、移动台4和控制模块5组成。待加工微波器件3放置在移动台4的顶面，控制模块5输出控制信号到激光输出模块1和移动台4，控制激光输出功率、间隔时间与移动台移动间距、移动时间，完成在微波器件3表面的深孔阵列织构处理。激光束可以为飞秒激光或纳米激光。

本发明的微波器件表面织构装置工作过程为：启动装置，控制模块5输出控制信号到激光输出模块1，激光输出模块1用于输出可在金属表面产生刻蚀去除材料作用的单束激光，激光束通过微透镜2(微透镜2用于将激光输出模块输出的单束激光转换成多束阵列激光)，形成阵列激光束照射到微波器件3表面，产生烧蚀作用，去除微波器件3表面材料，形成深孔，可在待加工微波器件表面一次刻蚀出多个深孔，使织构效率大幅提升；控制模块5输出控制信号到移动台4，控制移动台4在横向和纵向移动，结合激光束的烧蚀作用，在微波器件3表面形成如图3或图4所示的阵列织构形状。移动台4用于安装放置微波器件3，并在控制模块5输出的横向纵向移动控制信号驱动下沿横向和纵向做间歇式移动，配合激光输出模块5的间歇激光输出，完成整个微波器件3表面的深孔阵列织构处理。

如图2所示，本发明装置的工作流程为：

(1)启动装置、安装微波器件3，调整微波器件3与激光输出模块1的间距，确定激光束在微波器件3表面形成聚焦；

(2)调整微透镜2的输出窗口，使激光束输出横截面呈矩形，并确定阵列激光束横向数目M、纵向数目N；

(3)驱动移动台4沿横向、纵向移动，使激光束输出横截面对齐并超出微波器件3边角，保证激光束输出横截面覆盖微波器件3边缘；

(4)设定激光输出参数、驱动参数，包括：

1)阵列扫描方式：逐行；

2)横向移动间距＝M×Sx；

3)横向移动次数＝[L/(M×Sx)]+1；

4)纵向移动间距＝N×Sy；

5)纵向移动次数＝[W/(N×Sy)]+1；

上述参数表达式中：Sx为孔横向间距，Sy为孔纵向间距，L为待加工微波器件横向长度，W为空纵向宽度，M为激光束横向数目，N为激光束纵向数目。

(5)确认参数无误后，开始激光织构处理，在待加工微波器件表面形成如图3或如图4所示的深孔阵列织构。

如图3、图4所示，本发明的微波器件表面织构形状为三角等间距深孔阵列或矩形等间距深孔阵列，孔距5～25um，孔径5～25um，深宽比2～0.3。

使用本发明进行微波器件表面织构处理的工艺方法如下：

(1)对待进行深孔织构处理的待加工微波器件3进行平整化和表面清洗洁净处理，安装到本发明装置的移动台4上；

(2)通过激光输出模块1产生具有金属刻蚀作用的激光束，在激光束输出端加装微透镜2，使激光输出模块1输出的激光束转换成激光束阵列，并通过微透镜2的输出窗口滤除边缘激光束，形成可用于加工的矩形激光束阵列，该激光束阵列单次作用即可以在待加工微波器件3表面形成阵列深孔；

(3)根据待加工微波器件3横向长度和纵向宽度、深孔阵列的横向间距和纵向间距综合设定待加工微波器件3横向纵向间歇移动的驱动参数，驱动待加工微波器件3在横向和纵向上按逐行方式移动，控制模块5控制激光输出模块1在待加工微波器件3移动停歇过程输出激光束，完成在待加工微波器件3表面的刻蚀，完成深孔阵列的织构化处理；

(4)对完成深孔阵列织构处理的待加工微波器件表面进行研磨处理，去除因激光刻蚀形成的毛刺等表面缺陷；最后对待加工微波器件进行超声清洗，去除表面和深孔内污物，得到完成织构后的表面。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种抑制二次电子发射的微波器件表面加工装置，其特征在于：包括激光输出模块(1)、微透镜(2)、移动台(4)和控制模块(5)，其中：

激光输出模块(1)：在控制模块(5)的控制下，产生固定输出功率和时间间隔的单束激光束；

微透镜(2)：将激光输出模块(1)产生的单束激光束形成阵列激光束照射到微波器件(3)的表面形成小孔；

移动台(4)：承载微波器件(3)，并在控制模块(5)的控制下进行横向和纵向移动，使得微波器件(3)的表面均能被阵列激光束照射形成阵列织构；

控制模块(5)：控制激光输出模块(1)输出激光的功率和时间间隔，控制移动台(4)的横向移动和纵向移动，其中：

横向移动间距＝M×Sx；

横向移动次数＝[L/(M×Sx)]+1；

纵向移动间距＝N×Sy；

纵向移动次数＝[W/(N×Sy)]+1；

Sx为小孔横向间距，Sy为小孔纵向间距，L为微波器件的横向长度，W为微波器件的纵向宽度，M为阵列激光束的横向数目，N为阵列激光束的纵向数目。

2.根据权利要求1所述的一种抑制二次电子发射的微波器件表面加工装置，其特征在于：所述的阵列织构为矩形等距阵列或三角等距阵列。

3.根据权利要求1或2所述的一种抑制二次电子发射的微波器件表面加工装置，其特征在于：所述的阵列织构中各小孔的孔距5～25um，孔径5～25um，深宽比为2～0.3。

4.根据权利要求1或2所述的一种抑制二次电子发射的微波器件表面加工装置，其特征在于：所述的单束激光束为飞秒激光或纳米激光。

5.一种抑制二次电子发射的微波器件表面加工方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将微波器件(3)放置在移动台(4)的顶面上；

2)利用激光输出模块(1)产生固定输出功率和时间间隔的激光束，并利用微透镜(2)将激光输出模块(1)产生的激光束形成阵列激光束照射到微波器件(3)的表面形成小孔；

3)控制移动台(4)的移动间距和移动时间，完成在微波器件(3)表面的阵列织构处理，其中：

横向移动间距＝M×Sx；

横向移动次数＝[L/(M×Sx)]+1；

纵向移动间距＝N×Sy；

纵向移动次数＝[W/(N×Sy)]+1；

Sx为小孔横向间距，Sy为小孔纵向间距，L为微波器件的横向长度，W为微波器件的纵向宽度，M为阵列激光束的横向数目，N为阵列激光束的纵向数目。

6.根据权利要求5所述的一种抑制二次电子发射的微波器件表面加工方法，其特征在于：所述的阵列织构为矩形等距阵列或三角等距阵列。

7.根据权利要求5或6所述的一种抑制二次电子发射的微波器件表面加工方法，其特征在于：所述的阵列织构中各小孔的孔距5～25um，孔径5～25um，深宽比为2～0.3。

8.根据权利要求5或6所述的一种抑制二次电子发射的微波器件表面加工方法，其特征在于：所述的激光输出模块(1)产生的激光束为飞秒激光或纳米激光。