Требования к качеству МЖС в технологии МКП

Микроструктура каналов микроканальной вставки МКП есть сумма микроструктур составляющих шестиугольную микроканальную соту (МКС). Она должна быть однородной и совершенной по рабочему полю зрения. Это означает следующее:

1. Искажение формы и размеров каналов отсутствуют, а геометрическая структура гексагена - из семи каналов, причем какие-либо структурны дефекты и искажения ближнего и дальнего порядка должны отсутствовать;

2. Все каналы в пределах микроканальной вставки (МКВ) пластины по своим геометрическим и физико-химическим свойствам должны представлять одну генеральную совокупность, выборками которой являются совокупности каналов в пределах МКС;

3. Геометрические и физико-химические (прежде всего, вторично-эмиссионные и резистивные) параметры каналов, определяющие их усиление как в пределах данной МКС, так в пределах всех МКС, должны быть идентичными с очень высокой точностью - до (0,1-0,01)%

Прототипом МКС являются шестигранные многожильные стеклянные стержни (МЖС), которые изготавливаются перетяжкой пучка одножильных стержней (ОЖС) в определенной степени индивидуально, и только после спекания МЖС в блок становится возможной групповая обработка. В соответствии с принятой технологией пучок ОЖС собирается, затем перетягивается с обкладкой их защитных стержней (3С) из стекла жилы С78-5 (три ряда 3С по каждой грани). После резки вытянутых метровых МЖС на отрезки 45-60мм и их калибровки по размерам, 3С стравливают в растворе соляной кислоты. В травленых МЖС, из которых затем собирают микроканальный блок (МКБ), а также к ОЖС – составным элементам пучка, затем МЖС. Пучок ОЖС представляет собой шестигранник метровой длины с рифлеными поверхностями размером по двойной апофеме H, ОЖС в сечении образуют правильную гексагональную решетку. Структура МЖС в сечении подобна структуре пучка в масштабе 1/K₀ где K₀=50-70 - коэффициент перетяжки. Нормируется n=n₀+n_3C - общее число стержней пучке, п₀ - число ОЖС. n_3C - число ЗС, K- рядов ЗС, п₂ - число ЗС на грани, n_го - числоОЖС на грани, H₁H₀ - размер пучка по двойной апофеме с учетом и без учета обкладки.

Учитывая особую роль, которую играют МЖС в технологии МКП, и особые требования, предъявляемые к ним, в 1994г. ВТЦ «Баспик» иГП завод "Гран" разработали и выпустили ТУ на МЖС. в которых были регламентированы: типы МЖС для пластин различным диаметром каналов; требования к конструкции, структуре, внешнему виду другим показателям качества; требования к ОЖС и пучку ОЖС; правила приемки и контроля качества МЖС. Внедрение этих ТУ явилось серьезным шагом по пути дальнейшего развития технологии МКП, способствовало улучшению качества МЖС, изготавливаемых, на заводе "Гран". Основные требования к МЖС можно сформулироватьследующим образом:

1.4 Влияние качества спая жила-оболочка в технологии МКП

Качество спая жила-оболочка - непременная и важнейшая научно-технологическая проблема волоконной оптики. Не менее важное значение имеет качество спая жила-оболочка и в технологии МКП: свойства поверхности каналов, определяющие все основные функциональные характеристики МКП, несомненно генетически зависит от качества спая жила-оболочка. С другой стороны, известно, что до 20% и более ОЖС бракуется по качеству спая на дефектовке, причем бракуется на основе эмпирических весьма «расплывчатых» критериев. В действительности, производственники хорошо знают, что редкий одножильный световод (ОЖС) не имеет визуально фиксируемых (по рассеянию на спае жила-оболочка) дефектов.

Таким образом, проблема дефектности спая жила-оболочка уже явственно выявляется на стадии ОЖС. Трудно сказать, насколько существенно дефектность спая жила-оболочка в ОЖС влияет на дефектность МЖС, однако этим фактором, очевидно, никак нельзя пренебрегать, если рассматривать качество, рабочих поверхностей каналов МКП и влияние на него технологической истории. Весьма возможно также, что дефектность спая жила-оболочка в ОЖС далее на стадии МЖС стимулирует активизацию процессов дефектообразования, формирование структурных дефектов типа МКО и включений.

Таким образом, проблема качества спая жила-оболочка существует. Она заключается в том, что, с одной стороны, дефектность границы жила-оболочка может приводить к повышенной структурной дефектности МЖС и МКП и ухудшению качества поверхности каналов, отвечающего за основные функциональные характеристики МКП. С другой стороны, причины и факторы дефектов, механизмы дефектообразования к настоящему времени изучены недостаточно, что не позволяет, во-первых, достаточно достоверно и детально представить научно-технологическую картину явления, во-вторых, не позволяет наметить и реализовать практические меры по улучшению качества границы спая жила-оболочка.

Качество спая жила-оболочка определяется тремя группами факторов:

1.Физико-химические свойства исходных стекол.

2.Принятый технологический метод изготовления световодов (в техпроцессе изготовления МКП - ОЖС, МЖС, МКБ).

3.Конкретные режимы и условия технологических процессов. Основные дефекты и процессы в спае жила-оболочка:

• Микрорастрескивание спая из-за неблагоприятной разницы ТКЛР стекол и возникновения коэффициентных термических напряжений, а также закалочных напряжений,

•Дефекты спая, связанные с дефектностью исходных стекол (камни, кристаллы, пузыри, свили)

•Вжигание посторонних частиц и поверхностных загрязнений ,

•Выделение газов и образование пузырей,

•Кристаллизация и микрорасслаивание (ликвация) и как итог, опалесценция (т.е. рассеяние) на спае,

•Химическое взаимодействие, взаимодиффузия компонентов.

Анализ показывает, что эти дефекты и вызывающие их процессы во многих случаях взаимосвязаны и взаимообусловлены.

Например, вероятность микротресков по спаю при прочих равных условиях сильно увеличивается с наличием в зонах спаев структурных дефектов исходных стекол, с образованием пузырей, с кристаллизацией в спае, которая в свою очередь провоцируется взаимодиффузией компонентов и образованием новых соединений в зоне спая. Кристаллизация в спае зависит от чистоты спаиваемых поверхностей, от дефектности поверхностей, и (первопричина) от химического состава применяемых стекол.

С учетом указанной многофакторности причины и факторы природы реального спая жила-оболочка в световоде весьма трудно поддаются расшифровке. Мы далее последовательно будем рассматривать этот вопрос, сосредоточившись на главных вопросах. Такими являются:

а)общие вопросы теории вытяжки световодов,

б)прочность световодов и возникновение термических напряжений в спае,

б)взаимодиффузия компонентов в спае,

в)кристаллизация, ликвация, пузырение в спае,

г)дефектность исходных стекол

Предварительно еще раз подчеркнем, что качество световода, в первую очередь, качество спая жила-оболочка определяется двумя главными факторами:

•Свойствами исходных рабочих стекол,

•Принятым технологическим методом изготовления световодов и связанные с ними технологическими факторами

Соответственно, при решении задачи улучшения качества спая жила-оболочка мы неизбежно выходим либо на необходимость корректировки (даже замены) исходных рабочих стекол, либо на необходимость корректировки (даже замены) принятого технологического способа, либо на то и другое.

В наших условиях проблема должна быть решена при следующих ограничениях:

а)принятые рабочие стекла в основном сохраняются (допускается корректировка их параметров),

б)принятый трубка-штабиковый и пучковый метод изготовления ОЖС, МЖС сохраняется.

Следовательно, основной путь решения проблемы: тонкая подгонка технологического метода к свойствам исходных стекол, возможно, с определенной корректировкой свойств стекол. Это, разумеется, не отрицает структурных и (или) параметрических оптимизаций технологии, например, отказа от обкладки защитными стержнями пучка ОЖС и пр.

Совместимость рабочих стекол световодов. Качество световода существенно зависит от физико-химических свойств рабочих стекол, которые на вытяжке обрабатываются в едином техпроцессе и физико-химически взаимодействуют друг с другом при образовании и дальнейших обработках спая.

По отдельности стекла могут иметь высокое качество, однако их совместное применение для вытяжки световодов может быть невозможно. В связи с этим Галант предложил ввести новый критерий качества -совместимость стекол.

Совместимость стекол есть способность двух или трех рабочих стекол образовывать в световоде спаянную границу без возникновения в зоне спая кристаллизации, пузырения, опалесценции, микротрещиноватости и других явлений, приводящих к частичной или полной потере световодных свойств или даже к разрушениям (обрыву) световода.

Традиционные условия по совместимости стекол для изготовления световода ранее включали:

•соотношение показателей преломления (жилы больше) - условие ПВО,

•отсутствие кристаллизации и ликвации каждого из стекла в температурном диапазоне изготовления световода,

•соотношение ТКЛР жилы и оболочки: для обеспечения напряжений сжатия в оболочке, тем самым предотвращения разрушения световода должно быть Ож - а0 > 0.

Однако эти условия, как оказалось впоследствии, еще не гарантируют необходимого качества границы жила и оболочка.

Авторы подчеркивают, что к стеклам оболочки и жилы световода в технологии МКП предъявляются гораздо более жесткие требования, чем к самым высококачественным оптическим стеклам. Это в первую очередь относится к однородности, бессвильности, кристаллизации, пузырям, камням, любым другим инородным включениям, которые не позволяют получить идеальную границу Спая жила-оболочка, вызывают на границе рассеяние световых лучей (опалесценцию) и их поглощение, что приводит к уменьшению светопропускания световода. Указывается, что размер дефектов должен быть меньше ОДмкм или даже 0,05мкм.

Таким образом, необходимым условием образования качественного спая является применение высококачественных по однородности и отсутствию включений рабочих стекол.

Однако этого не достаточно для получения качественного спая. Надо знать, как стекла поведут себя при спаивании, а качество спая надо изучать не на модельных макроскопических образцах, а в реальных световодах и на реальных спаях, в зависимости от технологических факторов изготовления световода с использованием всего арсенала современной физико-аналитической аппаратуры с высоким разрешением.

Поэтому получение качественного спая в реальном световоде и в реальном техпроцессе есть важнейшее достаточное условие совместимости стекол.

В связи с этим авторы подчеркивают, что исследования совместимости пар стекол традиционными методами не дают полной информации о качестве спая жила-оболочка: необходимо исследовать сами волокна, реальную границу спая в реальных тонких световодах с привлечением всего арсенала высокочувствительных электронно-микроскопических и физико-аналитических методов.