RU71651U1

RU71651U1 - MICROCHANNEL BLOCK SINTER

Info

Publication number: RU71651U1
Application number: RU2007145107/22U
Authority: RU
Inventors: Андрей Владимирович Щербаков; Иван Васильевич Миронов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Технология и Оборудование для Стеклянных Структур"
Priority date: 2007-12-06
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2008-03-20

Abstract

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 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. Нагреватели создают четыре зоны нагрева. В середину каждой из четырех зон нагрева через сквозные втулки введены управляющие термопары. Устройство имеет газо-вакуумный 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. 2. п.ф., 1. фиг.The utility model relates to the optical and electronic industries and can be used in the manufacture of fiberglass products: fiber optic plates, inverters, focons, microchannel plates, x-ray lenses, etc. The device includes a housing 1, consisting of an external and an internal wall with a water jacket 2 between them. In the housing 1 there is a sintering chamber 3, the internal cavity A of which is a loading chamber for the sintering block. The cavity B between the sintering chamber and the inner wall of the housing 1 is filled with thermal insulation 4. Four heaters 5 are located on the outer surface of the sintering chamber 3. The heaters create four heating zones. In the middle of each of the four heating zones, control thermocouples are introduced through the through sleeves. The device has a gas-vacuum block 6, which provides a vacuum inside the glass shell 7 with a sintered structure 8 installed in it and mounted on a reusable mandrel 10. The device has a control panel (not shown). Sintering chamber 3 is a sealed heat-resistant thin-walled pipe. To ensure the mechanical strength of the wall of the sintering chamber when applying an excess pressure of gaseous nitrogen to its internal cavity A, equalizing pressure is supplied to the external cavity B. 2. pf, 1. FIG.

Description

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.The utility model relates to the optical and electronic industries and can be used in the manufacture of fiberglass products: fiber optic plates, inverters, focons, microchannel plates, x-ray lenses, etc. The device is designed for sintering under pressure in an atmosphere of compressed gaseous nitrogen (isostatic molding) glass products in the form of a bundle of homogeneous rods (microchannel block) placed in a shell, matched by the coefficient of thermal expansion.

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.).A device for the manufacture of microchannel plates, consisting of a cylindrical glass tube (shell), inside which is placed a microchannel block assembled from single optical fibers. A metal plug is soldered to one end of the tube, and a glass disk is welded to the other end to form an airtight shell. The obtained hermetic shell is placed in a sintering unit, where the metal plug is connected to a vacuum pump, the shell with the structure is heated by an external furnace to a sintering temperature with continuous pumping of the internal cavity, maintained at this temperature, the external pressure of the compressed gas is applied to compress the heated assembly, and then cooled to room temperature, the sintered assembly is removed and subjected to necessary treatments to obtain emission-resistive properties (see 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:The disadvantages of the known device are:

- искажение формы спекаемого микроканального блока по торцам, что уменьшает полезно используемую часть блока;- distortion of the shape of the sintered microchannel block at the ends, which reduces the useful part of the block;

- все элементы устройства используются однократно.- all elements of the device are used once.

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, A device for the manufacture of microchannel plates, consisting of a cylindrical glass tube, inside which is placed the assembled microchannel block with a sintered structure. A metal disk with a tube (plug) is welded to one end of the cylindrical glass tube, and the other end, after placing the microchannel block and metal screens in the tube, is closed with a glass cup, which is attached to the end of the tube with fusible glass to obtain an airtight shell. The obtained hermetic shell is placed in a sintering unit, where a metal tube is connected to a vacuum pump,

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).the shell with the structure is heated by an external furnace to a sintering temperature during continuous pumping, maintained at this temperature, external pressure of the compressed gas is applied to compress the heated assembly, the temperature is reduced to room temperature, the sintered assembly is removed and subjected to the necessary treatments to obtain emission-resisting properties (see patent U.S. 5378955 INC (H01J 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.The disadvantages of the device are the distortion of the shape of the sintered microchannel block due to the axial component during compression of the heated assembly with compressed gas; the need for a variety of technological equipment and processes for the manufacture of an airtight shell; single use of almost all elements of the device.

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.A device for the manufacture of a microchannel plate (see patent for the invention of the Russian Federation No. 2173905, IPC H01J 9/02). The device consists of a glass tube with sealing its upper and lower surfaces, inside of which there is a microchannel block, a cavity for pumping gases, a furnace for heating the assembly. The sealing upper and lower surfaces are made in the form of flanges mounted on a cylindrical casing, and the cavity for pumping gases is made in the shank of one of the flanges, in the end part of which there are holes or an insert with holes on the side of the microchannel block, while the ring portions grooves with seals installed in them, on which the ends of the glass tube rest.

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.The disadvantage of all of these devices is the contamination of the internal cavity of the sintered blocks with microparticles of insulation and mill scale, which inevitably enters the flask with nitrogen supply through the insulation and from an open heater.

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.Closest to the proposed solution is a device for applying an outer shell in the form of a glass tube on a rod of an optical fiber preform, including a furnace. The furnace contains a heat-emitting element with graphite, which after turning on the voltage from the power source begins to radiate heat at a temperature in the range of 2000-2500 ° C. Heat is transferred to the glass tube and the workpiece rod by radiation and forms heating zones in them. Along the longitudinal axis of the furnace, a manipulation unit (control panel) is installed, designed to facilitate the user to perform control operations.

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 Compared to furnaces commonly used in the process of drawing optical fiber, the furnace has a longer vertically radiating section and a smaller diameter, in order to achieve maximum heat transfer. The diameter of the furnace can be partially reduced by reducing the thickness of the lining of the furnace. As

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).The heat-emitting element in the furnace uses graphite in the case of a resistance furnace or zirconium dioxide (ZrO2) in the case of an induction furnace. A plurality of pipes are connected to the furnace to supply He (helium), Ar (argon), or a gaseous mixture (He + Ar). Lids and conductive flanges are installed in the upper and lower parts of the furnace. Conductive flanges are connected to a variety of busbars and are designed to receive power through cables from a power source and are securely fixed to the furnace using tie bolts located in their corners. Gaseous He and Ar, which is an inert gas, are blown into a furnace heated to a high temperature to prevent graphite from oxidizing on the outer surface of the preform rod or glass tube and to ensure uniform heat distribution over the outer surface of the preform rod and glass tube due to their excellent thermal conductivity. A pyrometer with a temperature sensor is installed in the furnace body, designed to determine the internal temperature of the furnace. A cooling line is also provided in the furnace to provide cooling for the furnace heated to a high temperature. The heating zone of the furnace by moving the carriage using the control unit is placed around a predefined upper part of the glass tube with the preform rod inserted into it. The furnace pre-heats the predetermined upper part of the glass tube for 10-30 minutes while supplying inert gas and power, while the workpiece rod and the glass tube connected together rotate synchronously at a speed of 20-30 rpm with the drive of both clamping cartridges and under the control of the control unit. At this time, the oxygen-hydrogen burner is turned on at the initial gas flow rate. Uneven temperature distribution on the surface of the glass tube is not allowed, and the glass tube can be uniformly and stably squeezed by transferring sufficient heat to its surface with an oven having a wider heating zone than the oxygen-hydrogen burner used so far (see RF patent No. 2187474, IPC С03В 37/018).

Недостатком является возможность попадания внутрь спекаемой структуры частиц окалины нагревателя и пыли.The disadvantage is the possibility of getting into the sintered structure of the particles of the scale of the heater and dust.

Задачей решения является разработка устройства для спекания многоканальных блоков.The objective of the solution is to develop a device for sintering multi-channel blocks.

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.The technical result consists in providing a clean environment in the sintering chamber by moving the heater to the outer surface of the sintering chamber and increasing the heat transfer efficiency by using a thin-walled heat-resistant pipe as a sintering chamber.

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.This technical result is achieved in that in a device for sintering a microchannel block located inside a sealed glass shell containing a furnace for heating the block with a sintering chamber and heaters, a system for pumping gases from the shell, a compressed gas supply unit connected to the sintering chamber, a control unit, the power supply, according to the decision, the sintering chamber is made in the form of a supporting heat-resistant thin-walled pipe, the inner cavity of which is sealed and is a loading chamber for the sintered block and, wherein the heaters are arranged on the outer surface of the sintering chamber, the furnace body has a channel for supplying a pressurized gas into the cavity between the oven body and the sintering chamber.

Устройство содержит четыре нагревателя, образующие четыре зоны нагрева, при этом в середину каждой из зон нагрева введены управляющие термопары.The device contains four heaters forming four heating zones, while control thermocouples are introduced into the middle of each of the heating zones.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен общий вид устройства.The invention is illustrated in the drawing, which shows a General view of the device.

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.The device comprises a housing 1, consisting of an outer and inner wall with a water jacket 2 between them. In the housing 1 there is a sintering chamber 3, the internal cavity A of which is a loading chamber for the sintering block. The cavity B between the sintering chamber and the inner wall of the housing 1 is filled with heat insulation 4. On the outer surface of the sintering chamber 3 there are four heaters 5, made in the form of a wire with a diameter of 2.5 mm in cylindrical ceramic insulators. Heaters create four heating zones. In the middle of each of the four heating zones, control thermocouples are introduced through the through sleeves. The upper and lower zones allow the two middle zones to create a zone of constant temperatures in the sintering chamber. The temperature set by the operator is maintained by an automatic control system (not shown in the drawing). The device has a gas-vacuum unit 6, which provides a vacuum inside the glass shell 7 with a sintered structure 8 embedded in it and mounted on a reusable mandrel 10. The device has a control panel (not shown). Sintering chamber 3 is a sealed heat-resistant thin-walled pipe. To ensure the mechanical strength of the wall of the sintering chamber when applying an excess pressure of gaseous nitrogen to its internal cavity A, equalizing pressure is supplied to the external cavity B.

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 The device operates as follows. A microchannel block 8 is assembled from individual multifilament optical fibers, which is placed in a sealed volume inside the glass tube 7. Next, the resulting assembly is placed for sintering in the internal cavity of the sintering chamber A on a mandrel 9 connected to the gas evacuation system 6. Gases are pumped out and after sintering

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.the tubes and mandrels supply a compressed gas to the cavity A, which compresses the heated assembly from the microchannel unit 8 and the glass tube 7 in the radial direction. In order to prevent deformation of the wall of the sintering chamber from the action of compressed gas, backpressure with technical gas is introduced into cavity B. Then, the pressure of the compressed gas is reduced to atmospheric and cooled to room temperature, after which the sintered assembly is removed, the microchannel block sintered with a glass tube is removed and cut into plates, which are subjected to treatments to obtain emission-resistive properties.

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.This design allows the use of a thin-walled sintering chamber with an external heater, which simultaneously provides protection of the product from the ingress of foreign particles and effective heat transfer from the heaters to the sintered block. Temperature and pressure control provides process optimization.

Использование данного устройства по сравнению с прототипом позволит исключить попадание в структуру посторонних частиц, что обеспечивает более высокие оптические свойства структуры.The use of this device in comparison with the prototype will eliminate the ingress of foreign particles into the structure, which provides higher optical properties of the structure.

Claims

1. A device for sintering a microchannel block located inside a sealed glass shell, comprising a furnace for heating the block with a sintering chamber and heaters, a system for pumping gases from the shell, a compressed gas supply unit connected to the sintering chamber, a control unit, a power supply unit, characterized in that the sintering chamber is made in the form of a supporting heat-resistant thin-walled pipe, the inner cavity of which is sealed and is a loading chamber for the sintered block, while the heaters are placed on the outer surface of the sintering chamber, the furnace body has a channel for supplying compressed gas to the cavity between the furnace body and the sintering chamber.

2. The device according to claim 1, characterized in that it contains four heaters forming four heating zones, while control thermocouples are introduced in the middle of each of the heating zones.