eng
Выпуск #1/2023
А. С. Москаленко, А. В. Самвелов, И. В. Либкинд , А. В. Лобашов
Технология нанесения покрытия в производстве апертурных «холодных» диафрагм для фотоприемных устройств
Технология нанесения покрытия в производстве апертурных «холодных» диафрагм для фотоприемных устройств
Просмотры: 1015
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.1.8.13
Важнейшим оптическим элементом фотоприемного устройства (ФПУ) является апертурная «холодная» диафрагма, предохраняющая от паразитных излучений и засветок фотоприемный модуль. В статье предложен метод получения и формирования покрытия поверхности апертурной «холодной» диафрагмы, комплектующей ФПУ средне- и длинноволнового инфракрасного диапазона спектра излучения.
Важнейшим оптическим элементом фотоприемного устройства (ФПУ) является апертурная «холодная» диафрагма, предохраняющая от паразитных излучений и засветок фотоприемный модуль. В статье предложен метод получения и формирования покрытия поверхности апертурной «холодной» диафрагмы, комплектующей ФПУ средне- и длинноволнового инфракрасного диапазона спектра излучения.
Теги: aperture diaphragm chemical coating cooled ir photodetectors grayness degree photodetector (pd) апертурная диафрагма охлаждаемые фотоприемники ик-диапазона степень серости фотоприемное устройство (фпу) химическое покрытие
Технология нанесения покрытия в производстве апертурных «холодных» диафрагм для фотоприемных устройств
А. С. Москаленко 1, 2, А. В. Самвелов 1, 2, И. В. Либкинд 1, А. В. Лобашов 1
АО «Восход» – Калужский радиоламповый завод, г. Калуга, Россия
ООО «Научно-технический центр «Крионекс», Москва, Россия
Важнейшим оптическим элементом фотоприемного устройства (ФПУ) является апертурная «холодная» диафрагма, предохраняющая от паразитных излучений и засветок фотоприемный модуль. В статье предложен метод получения и формирования покрытия поверхности апертурной «холодной» диафрагмы, комплектующей ФПУ средне- и длинноволнового инфракрасного диапазона спектра излучения.
Ключевые слова: фотоприемное устройство (ФПУ), охлаждаемые фотоприемники ИК-диапазона, апертурная диафрагма, химическое покрытие, степень серости
Статья получена:03.08.2022
Статья принята: 07.11.2022
В сложную современную политическую обстановку в мире все больше возрастает потребность в обеспечении вооруженных сил охлаждаемыми инфракрасными фотоприемными устройствами (ФПУ). Оптико-электронные системы (ОЭС), укомплектованные ФПУ, могут работать в различных режимах согласно выполняемым задачам и типу аналого-цифровой обработки изображения: визуализации, сканирования, отслеживания, обнаружения и сопровождения цели.
Важнейшим оптическим элементом ФПУ является апертурная «холодная» диафрагма (диафрагма, имеющая внешнее охлаждение). Она предохраняет инфракрасный фотоприемный модуль от паразитных излучений и засветок, которые могут попасть на чувствительную площадку ФПУ в ходе эксплуатации ОЭС [1]. Для обеспечения штатных технических характеристик апертурной «холодной» диафрагмы необходимо в процессе ее изготовления применять различные технологические методы, обеспечивающие возможности варьирования оптических свойств и параметров ее рабочих поверхностей.
В статье изложен основной подход к технологии нанесения оптического поглощающего покрытия апертурных диафрагм для различных ФПУ, изготавливаемых в АО «Восход» – КРЛЗ путем химического оксидирования. Материалы диафрагм фотоприемников, разрабатываемых в АО «Восход» – КРЛЗ: нержавеющая сталь марки 07Х17Н16 и титановый сплав марки ВТ6.
Любой тип покрытия для обеспечения надлежащих адгезионных характеристик предусматривает предварительную, достаточно тщательную обработку детали. Как известно, перед формированием химических покрытий требуется химическое обезжиривание соответствующих поверхностей [2]. Нами разработан специализированный солюбилизирующий (способствующий растворению труднорастворимых ингредиентов в жидкой основе) многокомпонентный высокодисперсный гипергетерогенный устойчивый коллоидный раствор, он обеспечивает высокоэффективное оперативное обезжиривание сталей и ряда сплавов. Раствор предполагает одностадийную операцию обезжиривания с кратковременным циклом очистки. Для нержавеющих сталей длительность очистки составляет от 10 до 20 минут, для титановых сплавов – от 15 до 30 минут при температуре (60 ± 2)°С. Материалом для ванны, служащей для отмывки, могут выступать только марки нержавеющих сталей. Готовить раствор следует в дистиллированной воде концентрацией 60 г/л.
Далее после каскадной промывки выполняется активация поверхности детали дезоксидацией активных легирующих элементов. Эта операция выполняется при нормальных климатических условиях (НКУ) и включает три стадии:
В растворе HCl (при НКУ);
В растворе смеси H2SO4 и HCl (с последующим охлаждением до НКУ);
В растворе НООС–СООН (при НКУ).
Основная операция по оксидированию выполняется в разработанном на АО «Восход» – КРЛЗ препарате, представляющем собой 60‑процентный раствор NH4NO2 c добавкой азотно-кислого бария. Операция выполняется при температуре (140 ± 5)°С и периодическом помешивании. Время выдержки от 5 до 15 минут (не более) в зависимости от массы деталей, марки материала и состояния поверхности. Увеличение времени выдержки может привести к недостаточной адгезии покрытия [3].
Для ускорения роста покрытия, а также формирования большей толщины нашими специалистами предусмотрен ввод в раствор особых присадок, способствующих образованию анионов нитратов.
В ходе прямой химической реакции в растворах NH4NO2 образуется магнетит, Fe3O4, увеличивающий степень серости (ε) сформированного покрытия:
3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 8H+ + 8e. (1)
В результате ряда реакций из перенасыщенного раствора гидроксида железа формируется магнетитное матирующее покрытие:
2Fe(OH)3 + Fe(OH)2 = Fe3O4 + 4H2O. (2)
Добавление в раствор активатора растворения железа (NH4)2S2O8 приводит к росту толщины и усилению матирования поверхности, что значительно повышает степень серости поверхности [4, 5]. Рис. 1–2 иллюстрируют результаты нанесения оксидирующих покрытий на образцы-свидетели и детали при различных технологических режимах.
При отработке технологии нанесения покрытия, обладающего свойствами защиты ФПУ от засветки, необходимо вести измерение температуры поверхности «холодной» диафрагмы, у которой неизвестна степень серости (неопределенность излучательной способности обусловлена микроструктурой поверхности, химическим составом и фазовым состоянием объекта). Поэтому после нанесения покрытия на образцы-свидетели последние направлялись на измерение степени серости. Степень серости образцов измерялся с помощью тепловизора с использованием итерационного метода.
На поверхность образца наклеивают пленку, обладающую известной степенью серости ε. Для адаптации пленки к поверхности исследуемого объекта допускают необходимую выдержку в течение 5–7 минут. Значение степени серости пленки заносят в измерительный блок тепловизора. Затем измеряют температуру поверхности образца на участке, покрытом пленкой. После чего выполняют измерения температуры поверхности образца, не покрытой пленкой.
Далее проводят измерения степени серости образца с помощью тепловизора до тех пор, пока ее значение не перестанет изменяться (стабилизируется). Полученный коэффициент серости будет являться истинным коэффициентом для поверхности измеряемого образца.
По результатам измерений указанным методом получены значения ε для образцов-свидетелей: рис. 1а (слева): ε = 0,97; рис. 1а (справа): ε = 0,92; рис. 1 (b): ε = 0,98.
На рис. 2 (а, b) показаны апертурные диафрагмы различных ФПУ при корректировках технологического режима. Результаты измерений степени серости поверхностей диафрагм: рис. 2а (слева и справа): ε = 0,96...0,97, (в центре): ε = 0,87; рис. 2b (справа и слева): ε = 0,98 и (в центре): ε = 0,9.
Заключение
В заключение необходимо подчеркнуть, что апертурная «холодная» диафрагма охлаждаемого фотоприемного устройства, установленная в корпусе фотоприемного модуля (рис. 3), призвана ограждать фотоприемник от фоновых засветок и иных паразитных излучений, способных наводить помехи на электрический сигнал, считываемый с чувствительных элементов детектора в процессе его работы [3].
Для совершенствования оптических характеристик апертурных диафрагм последние подвергаются, как правило, полировке с внешней стороны и чернению с внутренней. Применяемые на сегодняшний день апертурные диафрагмы для современных фотоприемных устройств обладают степенью серости в диапазоне ε = 0,95...0,98 (при НКУ).
Полученные в АО «Восход» – КРЛЗ результаты по нанесению покрытия разработанным методом химического оксидирования поверхностей апертурных «холодных» диафрагм для комплектации фотоприемных устройств лежат в пределах значений степени серости ε = 0,97–0,98. Это весьма показательный результат проведенных работ по отработке технологии нанесения покрытий на ФПУ. Полученная величина степени черноты вполне соответствует значениям апертурных диафрагм современных фотоприемных устройств.
REFERENCES
Patrashin A. I., Nikonov A. V., Kovshov V. S. Obobshchennyj metod rascheta obluchennosti ot absolyutno chernogo tela. Uspekhi prikladnoj fiziki. 2018;6(2):157–165.
Патрашин А. И., Никонов А. В., Ковшов В. С. Обобщенный метод расчета облученности от абсолютно черного тела. Успехи прикладной физики. 2018;6(2): 157–165.
Marusev D. V. Super Absorbing Properties of Nickel-Phosphorus Alloy. Photonics Russia. 2020; 14(4): 368–374. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2020.14.4.368.374.
Марусев Д. В. Сверхпоглощающие свойства никель-фосфорного сплава. Фотоника. 2020; 14(4): 368–374. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2020.14.4.368.374.
Petrova T. P. Himicheskie pokrytiya. Kazanskij gosudarstvennyj tekhnologicheskij universitet. 2000. (In Russ). 57 p.
Петрова Т. П. Химические покрытия. Казань: Казанский государственный технологический университет. 2000. 57 с.
Pashchanka M., Cherkashinin G. A Strategy towards Light-Absorbing Coatings Based on Optically Black Nanoporous Alumina with Tailored Disorder. Materials. 2021; 14:5827.
Stepniowski W. J., Misiolek W. Z. Review of fabrication methods, physical properties, and applications of nanostructured copper oxides formed via electrochemical oxidation. Nanomaterials. 2018; 8: 379.
АВТОРЫ
Самвелов А. В., к.т.н., генеральный директор ООО «НТЦ «КРиоНекс», чл.-корр. Международной Академии Холода, www.cryonex.ru, OOО «НТЦ «КРиоНекс», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0001-5840-7626
Москаленко А. С., технический директор ООО «НТЦ «КРиоНекс», академический советник Международной Академии Холода, www.cryonex.ru, Москва, Россия; инж.-констр. 1 кат., www.voshod-krlz.ru, АО «Восход» – Калужский радиоламповый завод, г. Калуга, Россия.
ORCID: 0000-0002-1657-5015
Либкинд И. В., технический директор, АО «Восход» – Калужский радиоламповый завод, г. Калуга, Россия.
Лобашов А. В., нач. КБ-4 ОГК, www.voshod-krlz.ru, АО «Восход» – Калужский радиоламповый завод, г. Калуга, Россия.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании статьи и дополнили рукопись в части своей работы.
ВКЛАД АВТОРОВ
А. С. Москаленко – расчет покрытия и разработка специализированного солюбилизирующего многокомпонентного высокодисперсного гипергетерогенного устойчивого коллоидного раствора; А. В. Самвелов – разработка методики контроля оптических свойств покрытия диафрагмы, организация трансфера технологии; И. В. Либкинд – разработка методики химического оксидирования поверхностей апертурных «холодных» диафрагм; А. В. Лобашов – отработка технологии нанесения покрытия и проведение измерений.
А. С. Москаленко 1, 2, А. В. Самвелов 1, 2, И. В. Либкинд 1, А. В. Лобашов 1
АО «Восход» – Калужский радиоламповый завод, г. Калуга, Россия
ООО «Научно-технический центр «Крионекс», Москва, Россия
Важнейшим оптическим элементом фотоприемного устройства (ФПУ) является апертурная «холодная» диафрагма, предохраняющая от паразитных излучений и засветок фотоприемный модуль. В статье предложен метод получения и формирования покрытия поверхности апертурной «холодной» диафрагмы, комплектующей ФПУ средне- и длинноволнового инфракрасного диапазона спектра излучения.
Ключевые слова: фотоприемное устройство (ФПУ), охлаждаемые фотоприемники ИК-диапазона, апертурная диафрагма, химическое покрытие, степень серости
Статья получена:03.08.2022
Статья принята: 07.11.2022
В сложную современную политическую обстановку в мире все больше возрастает потребность в обеспечении вооруженных сил охлаждаемыми инфракрасными фотоприемными устройствами (ФПУ). Оптико-электронные системы (ОЭС), укомплектованные ФПУ, могут работать в различных режимах согласно выполняемым задачам и типу аналого-цифровой обработки изображения: визуализации, сканирования, отслеживания, обнаружения и сопровождения цели.
Важнейшим оптическим элементом ФПУ является апертурная «холодная» диафрагма (диафрагма, имеющая внешнее охлаждение). Она предохраняет инфракрасный фотоприемный модуль от паразитных излучений и засветок, которые могут попасть на чувствительную площадку ФПУ в ходе эксплуатации ОЭС [1]. Для обеспечения штатных технических характеристик апертурной «холодной» диафрагмы необходимо в процессе ее изготовления применять различные технологические методы, обеспечивающие возможности варьирования оптических свойств и параметров ее рабочих поверхностей.
В статье изложен основной подход к технологии нанесения оптического поглощающего покрытия апертурных диафрагм для различных ФПУ, изготавливаемых в АО «Восход» – КРЛЗ путем химического оксидирования. Материалы диафрагм фотоприемников, разрабатываемых в АО «Восход» – КРЛЗ: нержавеющая сталь марки 07Х17Н16 и титановый сплав марки ВТ6.
Любой тип покрытия для обеспечения надлежащих адгезионных характеристик предусматривает предварительную, достаточно тщательную обработку детали. Как известно, перед формированием химических покрытий требуется химическое обезжиривание соответствующих поверхностей [2]. Нами разработан специализированный солюбилизирующий (способствующий растворению труднорастворимых ингредиентов в жидкой основе) многокомпонентный высокодисперсный гипергетерогенный устойчивый коллоидный раствор, он обеспечивает высокоэффективное оперативное обезжиривание сталей и ряда сплавов. Раствор предполагает одностадийную операцию обезжиривания с кратковременным циклом очистки. Для нержавеющих сталей длительность очистки составляет от 10 до 20 минут, для титановых сплавов – от 15 до 30 минут при температуре (60 ± 2)°С. Материалом для ванны, служащей для отмывки, могут выступать только марки нержавеющих сталей. Готовить раствор следует в дистиллированной воде концентрацией 60 г/л.
Далее после каскадной промывки выполняется активация поверхности детали дезоксидацией активных легирующих элементов. Эта операция выполняется при нормальных климатических условиях (НКУ) и включает три стадии:
В растворе HCl (при НКУ);
В растворе смеси H2SO4 и HCl (с последующим охлаждением до НКУ);
В растворе НООС–СООН (при НКУ).
Основная операция по оксидированию выполняется в разработанном на АО «Восход» – КРЛЗ препарате, представляющем собой 60‑процентный раствор NH4NO2 c добавкой азотно-кислого бария. Операция выполняется при температуре (140 ± 5)°С и периодическом помешивании. Время выдержки от 5 до 15 минут (не более) в зависимости от массы деталей, марки материала и состояния поверхности. Увеличение времени выдержки может привести к недостаточной адгезии покрытия [3].
Для ускорения роста покрытия, а также формирования большей толщины нашими специалистами предусмотрен ввод в раствор особых присадок, способствующих образованию анионов нитратов.
В ходе прямой химической реакции в растворах NH4NO2 образуется магнетит, Fe3O4, увеличивающий степень серости (ε) сформированного покрытия:
3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 8H+ + 8e. (1)
В результате ряда реакций из перенасыщенного раствора гидроксида железа формируется магнетитное матирующее покрытие:
2Fe(OH)3 + Fe(OH)2 = Fe3O4 + 4H2O. (2)
Добавление в раствор активатора растворения железа (NH4)2S2O8 приводит к росту толщины и усилению матирования поверхности, что значительно повышает степень серости поверхности [4, 5]. Рис. 1–2 иллюстрируют результаты нанесения оксидирующих покрытий на образцы-свидетели и детали при различных технологических режимах.
При отработке технологии нанесения покрытия, обладающего свойствами защиты ФПУ от засветки, необходимо вести измерение температуры поверхности «холодной» диафрагмы, у которой неизвестна степень серости (неопределенность излучательной способности обусловлена микроструктурой поверхности, химическим составом и фазовым состоянием объекта). Поэтому после нанесения покрытия на образцы-свидетели последние направлялись на измерение степени серости. Степень серости образцов измерялся с помощью тепловизора с использованием итерационного метода.
На поверхность образца наклеивают пленку, обладающую известной степенью серости ε. Для адаптации пленки к поверхности исследуемого объекта допускают необходимую выдержку в течение 5–7 минут. Значение степени серости пленки заносят в измерительный блок тепловизора. Затем измеряют температуру поверхности образца на участке, покрытом пленкой. После чего выполняют измерения температуры поверхности образца, не покрытой пленкой.
Далее проводят измерения степени серости образца с помощью тепловизора до тех пор, пока ее значение не перестанет изменяться (стабилизируется). Полученный коэффициент серости будет являться истинным коэффициентом для поверхности измеряемого образца.
По результатам измерений указанным методом получены значения ε для образцов-свидетелей: рис. 1а (слева): ε = 0,97; рис. 1а (справа): ε = 0,92; рис. 1 (b): ε = 0,98.
На рис. 2 (а, b) показаны апертурные диафрагмы различных ФПУ при корректировках технологического режима. Результаты измерений степени серости поверхностей диафрагм: рис. 2а (слева и справа): ε = 0,96...0,97, (в центре): ε = 0,87; рис. 2b (справа и слева): ε = 0,98 и (в центре): ε = 0,9.
Заключение
В заключение необходимо подчеркнуть, что апертурная «холодная» диафрагма охлаждаемого фотоприемного устройства, установленная в корпусе фотоприемного модуля (рис. 3), призвана ограждать фотоприемник от фоновых засветок и иных паразитных излучений, способных наводить помехи на электрический сигнал, считываемый с чувствительных элементов детектора в процессе его работы [3].
Для совершенствования оптических характеристик апертурных диафрагм последние подвергаются, как правило, полировке с внешней стороны и чернению с внутренней. Применяемые на сегодняшний день апертурные диафрагмы для современных фотоприемных устройств обладают степенью серости в диапазоне ε = 0,95...0,98 (при НКУ).
Полученные в АО «Восход» – КРЛЗ результаты по нанесению покрытия разработанным методом химического оксидирования поверхностей апертурных «холодных» диафрагм для комплектации фотоприемных устройств лежат в пределах значений степени серости ε = 0,97–0,98. Это весьма показательный результат проведенных работ по отработке технологии нанесения покрытий на ФПУ. Полученная величина степени черноты вполне соответствует значениям апертурных диафрагм современных фотоприемных устройств.
REFERENCES
Patrashin A. I., Nikonov A. V., Kovshov V. S. Obobshchennyj metod rascheta obluchennosti ot absolyutno chernogo tela. Uspekhi prikladnoj fiziki. 2018;6(2):157–165.
Патрашин А. И., Никонов А. В., Ковшов В. С. Обобщенный метод расчета облученности от абсолютно черного тела. Успехи прикладной физики. 2018;6(2): 157–165.
Marusev D. V. Super Absorbing Properties of Nickel-Phosphorus Alloy. Photonics Russia. 2020; 14(4): 368–374. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2020.14.4.368.374.
Марусев Д. В. Сверхпоглощающие свойства никель-фосфорного сплава. Фотоника. 2020; 14(4): 368–374. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2020.14.4.368.374.
Petrova T. P. Himicheskie pokrytiya. Kazanskij gosudarstvennyj tekhnologicheskij universitet. 2000. (In Russ). 57 p.
Петрова Т. П. Химические покрытия. Казань: Казанский государственный технологический университет. 2000. 57 с.
Pashchanka M., Cherkashinin G. A Strategy towards Light-Absorbing Coatings Based on Optically Black Nanoporous Alumina with Tailored Disorder. Materials. 2021; 14:5827.
Stepniowski W. J., Misiolek W. Z. Review of fabrication methods, physical properties, and applications of nanostructured copper oxides formed via electrochemical oxidation. Nanomaterials. 2018; 8: 379.
АВТОРЫ
Самвелов А. В., к.т.н., генеральный директор ООО «НТЦ «КРиоНекс», чл.-корр. Международной Академии Холода, www.cryonex.ru, OOО «НТЦ «КРиоНекс», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0001-5840-7626
Москаленко А. С., технический директор ООО «НТЦ «КРиоНекс», академический советник Международной Академии Холода, www.cryonex.ru, Москва, Россия; инж.-констр. 1 кат., www.voshod-krlz.ru, АО «Восход» – Калужский радиоламповый завод, г. Калуга, Россия.
ORCID: 0000-0002-1657-5015
Либкинд И. В., технический директор, АО «Восход» – Калужский радиоламповый завод, г. Калуга, Россия.
Лобашов А. В., нач. КБ-4 ОГК, www.voshod-krlz.ru, АО «Восход» – Калужский радиоламповый завод, г. Калуга, Россия.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании статьи и дополнили рукопись в части своей работы.
ВКЛАД АВТОРОВ
А. С. Москаленко – расчет покрытия и разработка специализированного солюбилизирующего многокомпонентного высокодисперсного гипергетерогенного устойчивого коллоидного раствора; А. В. Самвелов – разработка методики контроля оптических свойств покрытия диафрагмы, организация трансфера технологии; И. В. Либкинд – разработка методики химического оксидирования поверхностей апертурных «холодных» диафрагм; А. В. Лобашов – отработка технологии нанесения покрытия и проведение измерений.
Отзывы читателей
