|
Реферат: МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ЛЕЗВИЙНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ (Технология)
МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
«МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ЛЕЗВИЙНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ»
Выполнил:
студент гр.МТ-8,
сп.1201
Бакачёв А.И.
Москва, 1999 г.
Основные положения кинематической теории формообразования поверхностей
инструментами.
Пространственную форму детали определяет сочетание различных
поверхностей. Для обеспечения обработки конструктор стремится использовать
простые геометрические поверхности: плоские, круговые цилиндрические и
конические, шаровые, торовые, гипоидные. Геометрическая поверхность
представляет собой совокупность последовательных положений (следов) одной
производящей, линии, называемой направляющей, расположенных на другой линии
определяющей поверхность, называемой образующей. Например, для образования
круговой цилиндрической поверхности прямую линию (образующую) перемещают по
окружности (направляющей). Линии образующая и направляющая вполне могут
быть заменены одна на другую. Также любая поверхность может быть задана и
другой линией (например, архимедовой спиралью задана плоскость),
определяющей существования выше указанных двух.
При обработке поверхностей на металлорежущих станках образующие и
направляющие, линии в большинстве случаев отсутствуют. Они воспроизводятся
комбинацией движений заготовки и инструмента, скорости которых согласованы
между собой. Движения резания являются формообразующими. Механическая
обработка заготовок деталей машин реализует четыре метода формообразования
поверхностей (копирование, касание, обкатка и метод следов).
Методы формообразования поверхностей.
a) Метод копирования.
Этот метод состоит в том, что режущая кромка инструмента соответствует
форме образующей обрабатываемой поверхности детали. Направляющая линия
воспроизводится перемещением заготовки относительно инструмента. Глазное
движение здесь является формообразующим. Движение подачи необходимо для
того, чтобы получить геометрическую поверхность определённого размера.
Метод копирования широко используют при обработке фасонных поверхностей
детали на различных металлорежущих станках.
b) Метод следов.
Этот метод состоит в том, что образующая линия является проекцией
(следом) траектории движения точки (вершины) режущей кромки инструмента или
траектории результирующего движения резания на плоскость вектора, а
направляющая линия проекцией (следом) этой же траектории на плоскости
вектора. Оба движения резания формообразующие.
c) Метод касания.
Образующей линией служит режущая кромка инструмента, а направляющая
линия поверхности касательная к ряду геометрических вспомогательных линий -
траекториям точек режущей кромки инструмента. Здесь формообразующим
является только движение подачи.
d) Метод обкатки (огибания).
Направляющая линия воспроизводится вращением заготовки.
Универсальная схема формообразования произвольной поверхности детали:
[pic]
Определение новых способов механической обработки из принципиально –
возможных и выбор наиболее эффективных с помощью ЭВМ.
Используя основные положения теории формообразования поверхностей
инструментами, изложенные в работе [1] покажем, что все процессы
формообразования различных поверхностей деталей машин имеют кинематическое
единство. Поэтому каждый конкретный способ формообразования той или иной
поверхности является лишь частным случаем формообразования какой-то
произвольной поверхности и может быть рассмотрен в общем виде при
использовании наиболее сложных кинематических схем резания или схем
формообразования.
Согласно указанной теории режущий инструмент обрабатывает поверхность
контактным способом и в процессе обработки выполняет две функции, резание и
формообразование. Поэтому перемещение режущей кромки в процессе
формообразования должно быть связано с таким рабочим движением, при котором
обеспечивается хотя бы ее периодическое касание с номинальной (теоретически
заданной) поверхностью.
С другой стороны, для выполнения функции резания движение кромки
должно таким, чтобы припуск на номинальной поверхности детали срезался
слоями, по заданному закону. В связи с этим, для удаления всего припуска
инструмент должен сделать серию движений резания, благодаря которым его
режущая кромка (или кромки, производящей поверхности инструмента,
расположенные по линии криволинейной координаты f) создает семейство
поверхностей резания, где каждая последующая поверхность резания смещена
относительно предыдущей. Движение инструмента, вызывающее такое смещение
поверхностей резания, называется подачей, поэтому: параметр подачи является
параметром семейства поверхностей резания.
Инструмент может иметь несколько подач. Каждая подача вызывает
образование семейства поверхностей резания. При большом числе подач режущая
кромка инструмента может создать очень сложную систему семейств
поверхностей резания. При любой такой системе для процесса формообразования
поверхности имеют значения только те подачи, которые определяют перемещение
по номинальной поверхности детали точки касания режущей кромки при
образовании семейств поверхностей резания. Закон, по которому создана
система одного или нескольких семейств поверхностей резания, определяет
схема резания или схема формообразования, так как она задает уравнение
движения режущей кромки как линии или твердого тела в пространстве.
Сложность кинематической схемы формообразования определяется
количеством подач инструмента, которое зависит от наличия составляющих
движений, указанных на схеме.
Таким образом, наличие всех движений на универсальной кинематической
схеме будет определять закон расположения поверхностей резания в
пространстве, который в свою очередь будет задавать траекторию движения
формообразования. Так как характер траектории связан с соотношением
движений, выполняемых режущей кромки, то ее вид остается произвольным в
системе координат XoYoZo. Любая номинальная поверхность детали в той же
системе может быть задана также произвольно. Двумя линиями криволинейных
координат g и п, которые для одной и той же поверхности могут быть выбраны
в весьма широких пределах.
Будем рассматривать процесс формообразования поверхности множеством Zu
и кромок. Тогда, с геометрических позиций, множество кромок может быть
определено в системе инструмента также линией криволинейной координаты f, а
производящая поверхность инструмента будет задана двумя линиями
криволинейных координат f и 1, где f есть ни что иное, как линия режущей
кромки. Линия криволинейной координаты производящей поверхности инструмента
f выполняет функцию абсолютного рабочего движения формообразования, т.е.
обеспечивает дополнительное перемещение кромки относительно формируемой
поверхности детали. Закон расположения кромок на производящей поверхности
инструмента примем неизвестным. Тогда функцию перемещения точки кромки по
линии криволинейной координаты будет выполнять кинематическая схема
формообразования.
Траектория, образованная на номинальной поверхности детали точечным
контактом с режущими кромками при движении формообразования (заданном
кинематической схемой резания), может быть рассмотрена как любая
криволинейная координатная линия номинальной поверхности g (или п).
Следовательно, выбирая абсолютные движения резания и движения подач на
общей схеме резания, процесс формообразования номинальной поверхности
детали о геометрических позиций можно рассматривать в общем виде, определив
в системе координат детали XoYoZo произвольные линии криволинейных
координаты g и n.
Известно, что некоторые поверхности могут иметь криволинейную
координатную линию, которая замыкается в пространстве на самой поверхности
(как, например - винтовая линия тел вращения). Такая криволинейная
координатная линия номинальной поверхности детали всегда является
пространственной линией, точки которой на номинальной поверхности могут
быть представлены в любом порядке, следовательно, она может определять
любые другие линии криволинейных координат g и n.
Таким образом, выбираемые сочетания элементарных движений, их
направления и соотношения величин будут определять условия трансформации
универсальной схемы в любую конкретную схему формообразования. Проверка
условия принадлежности контактных точек семейств поверхностей резания
формируемой, номинальной поверхности детали будет определять пригодность
той или иной схемы формообразования для получения заданной поверхности при
принятой схеме, базирования детали или принятом фиксированном положении
поверхности в системе координат XoYoZo.
Алгоритм определения схем формообразования поверхности и выбора трех
наиболее эффективных из принципиально возможных.
Выше изложенные условия определяют поисковый алгоритм с оценкой
производительности принципиально - возможных способов формообразования
заданной поверхности предполагаемым инструментом, который был разработан и
реализован на языке Паскаль 4 на ЭВМ ЕС, для различных поверхностей
деталей.
Согласно изложенной методике алгоритм предусматривал расчет
производительности определяемых способов формообразования по упрощенной
формуле Дикушина А.И.
ПR = 1KT / Tц
Где Тц - время цикла формообразования; рассчитывалось по формулам:
Nu = f(Vp); Tц = 1 / nuZu; nu = Vp / 2(Ru
Ru ( 0; Vp = const
Tц = 1 / n0; n0 = Vp / 2(Rд; Vp = const;
Ru < Rд; nд = Vp / 2(Rд; S(x,y,z) = f(Vp)
Tц = 1 / nд = 2(Rд / Vp = L / Vp = L / S(x),(y),(z)
Шаг дискретного движения режущей кромки от скорости резания принимался
равным:
DV = 2(R / N
При Ru=0; или Ru = Rд
DV = 2(Ru / N
При Ru > Rд
Где N = l,5Zu = const
Zu - принятое произвольно число режущих кромок возможной фрезы.
Шаг дискретного движения кромки в направлениях возможных подач
принимался постоянным и равным
DS = S0 / 1.5Zu = S0 / N
где So = lмм = const, принятое значение подачи при получистовой
обработки.
Это обеспечивало шаговое равенство расположения контактных точек (КТ)
на формируемой поверхности при сравнении различных способов обработки из
принципиально-возможных, что позволяло сравнить однотипные операции,
обеспечивающие одинаковую технологическую шероховатость поверхности.
Печать алгоритма предусматривает выход характеристик способа
механической обработки для трех наиболее эффективных, из принципиально
возможных, сравниваемых по производительности.
Блок – схема алгоритма поиска трёх наиболее производительных схем
формообразования заданной поверхности из принципиально возможных:
[pic]
[pic]
Пример расчетного анализа на ЭВМ способов формообразования наружных
поверхностей вращения деталей типа валов показал:
1) В случае формообразования точкой (из условия выбора кромки, как
участка пересечения двух прямых линий, или существования малого радиуса R),
наиболее эффективны три способа
2) В случае формообразования прямой линией способы повторятся:
для случая а) Пр=45000 (кТ)
для случая б) Пр= 10000 (кТ)
для случая в) Пр=450000 (кТ)
3) В случае формообразования винтовой линией с углом подъема W = 45° на
радиусе фрезы R = 2 * Rc , получено три способа обработки;
а) оси фрезы и детали параллельны = 10000 (кТ)
б) находятся под углом скрещивания = 10000 (кТ)
в) находятся под углом скрещивания и фреза имеет ещё подачу вдоль
своего вращения = 450000 (кТ).
Таким образом, метод и алгоритм позволяют системно решить такую сложную
задачу, как определение наиболее эффективных способов механической
обработки из числа принципиально, - возможных. Алгоритм существенно
облегчает работу в области повышения эффективности операций механической
обработки, позволяет решить эту задачу на уровне изобретений.
Определение наиболее эффективных способов механической обработки
заданных поверхностей детали машин.
Ранее нами был рассмотрен поисковый алгоритм определения схем
формообразования заданных поверхностей и выбора трех наиболее
производительных, (с позиции кинематики формообразования), из принципиально
(или теоретически) возможных. Алгоритм после сравнения схем
формообразования и определения наиболее производительных предусматривает
печать:
> углов относительно положения систем координат детали и инструмента в
соответствии с общей кинематической схемой формообразования,
определяющих относительное положение предполагаемого инструмента в
исходный момент формообразования;
> форму режущей кромки инструмента при выборе на печать значений
Х2 = Гз(р); Y2 = fz(p); Z2 = fз(p).
(т.е. если это ломаная линия, расположенная от центра Оu на
расстоянии R, то или Х2 = Ru; или Y2=Ru в зависимости от исходного
задания параметрического уравнения режущей кромки в системе
инструмента XuYuZu). (Второй пример: X2 = Rsin(, Y2 = Rcos(, Z2 =
P(, следовательно режущая кромка винтовая линия на цилиндре или
поверхности вращения с осью вращения соответствующей 02Z2 и т.д.)
> равенство или неравенство радиуса или другого параметра инструмента,
определяющего положение режущей кромки в системе X2Y2Z2 - R нулю.
> Наличие движений, необходимых для формообразования, т.е. неравенство
нулю сочетаемых из всех от одного до 6 движений: А, Б, F, Д, и Е,
которое задается непрерывным вращением одного из заданных
пространственных углов ((, (, (), определяющих как относительное
положение систем детали XoYoZo и инструмента X2Y2Z2 в исходный
момент формообразования, так и вращение промежуточной, несущей
системы X1Y1Z1 вокруг любой из трех осей координат;
> Печать главного движения резания из существующих для найденной,
наиболее эффективной схемы формообразования, например: A = Vp; Б =
Sкр; D = Soz; F = 0 и т.д.
После получения данной информации на печать ЭВМ можно изображать
полученную схему формообразования по примеру графического исполнения
кинематических схем резания, приведенного в работе Грановского Г.И.. Только
с уточнением стрелки одного из показанных на схеме движений как главного
рабочего или движения определяющего скорость резания.
Анализ найденных на ЭВМ кинематических схем резания.
Если для поиска возможных схем формообразования, номинальная
поверхность детали задана алгебраическим уравнением:
Y2g + Z2g = r2g
Y2g + Z2g – r2g ( (
то это есть поверхность вращения сориентированная в системы координат
детали так, что её направляющая линия - окружность соответствует плоскости
YOZ основной системы координат с радиусом rg, заданным конкретным цифровым
значением rg = 10.
Инструмент также предварительно задаётся как линия или точка в системе
координат инструмент,
Xu = fi(P) = Ru
Yu= f2(P) = 0 Т.е. точка на радиусе Ru = 10
Zu = f3(P) = 0
После поиска ЭВМ (как один из найденных вариантов) печатает следующие
параметры схемы формообразования, включая ранее заданные:
cos(OX1OX) = l; cos(OY1OX) = 0(; cos(OZ,OY) = -1
( = 1; Q = 1; Dx = l; Dy = 0; Dz = 0; Пр = 20 КТ/сек
OX1OX = 0°; OY1OX = 90°; OZ1OY = 180°
[pic]
Список литературы:
1. Комаров В.А., «Математическое моделирование технологических операций
механической обработки поверхностей деталей лейзвийными инструментами:
(учебное пособие по курсу: математическое моделирование технологических
операций – 4834), Москва, МГАПИ – 1998
2. Зуев В.Ф., «Методические указания по выполнению курсового проекта по
математическому моделированию технологических операций механической
обработки поверхностей деталей лейзвийными инструментами, Москва, МГАПИ
– 1998
3. «Математическое моделирование технологических операций механической
обработки поверхностей деталей лейзвийными инструментами: (лабораторная
работа), Москва, МГАПИ – 1999
Реферат на тему: Магнитометры на сквидах
Московский государственный институт электроники и математики
(технический университет)
Курсовая работа
для представления на кафедру «Материаловедение»
на тему:
Магнитометры на СКВИДах.
Выполнил: Подчуфаров А.И.
Преподаватель: Петров В.С.
Зачтено: 04.06.96
ФИТ ЭП-41
Москва 1996 г.
Содержание:
1. Сверхпроводимость. Основные параметры сверхпроводников.....3
2. Эффект
Джозефсона................................................................
.........4
3.
Магнитометр...............................................................
.....................5
4. Сверхпроводящий материал - соединение Nb3Sn...........................8
5. Получение джозефсоновских
переходов.........................................9
6. Список
литературы................................................................
..........13
1. Сверхпроводимость. Основные параметры сверхпроводников.
Явление сверхпроводимости состоит в том, что при некоторой
температуре, близкой к абсолютному нулю, электросопротивление в некоторых
материалах исчезает. Эта температура называется критической температурой
перехода в сверхпроводящее состояние.
Сверхпроводимость обнаружена более чем у 20 металлов и большого
количества соединений и сплавов (Тк ( 23К), а также у керамик (Тк > 77,4К –
высокотемпературные сверхпроводники.)
Сверхпроводимость материалов с Тк ( 23К объясняется наличием в
веществе пар электронов, обладающих энергией Ферми, противоположными
спинами и импульсами (пары Купера), которые образуются благодаря
взаимодействию электронов с колебаниями ионов решетки – фононами. Все пары
находятся, с точки зрения квантовой механики, в одном состоянии (они не
подчиняются статистике Ферми т.к. имеют целочисленный спин) и согласованы
между собой по всем физическим параметрам, то есть образуют единый
сверхпроводящий конденсат.
Сверхпроводимость керамик, возможно, объясняется взаимодействием
электронов с каким-либо другими квазичастицами.
По взаимодействию с магнитным полем сверхпроводники делятся на две
основные группы: сверхпроводники I и II рода.
Сверхпроводники первого рода при помещении их в магнитное поле
«выталкивают» последнее так, что индукция внутри сверхпроводника равна нулю
(эффект Мейсснера). Напряжонность магнитного поля, при котором разрушается
сверхпроводимость и поле проникает внутрь проводника, называется
критическим магнитным полем Нк. У сверхпроводников второго рода существует
промежуток напряженности магнитного поля Нк2 > Н > Нк1, где индукция внутри
сверхпроводника меньше индукции проводника в нормальном состоянии. Нк1 –
нижнее критическое поле, Нк2 – верхнее критическое поле. Н < Нк1 – индукция
в сверхпроводнике второго рода равна нулю, Н > Нк2 – сверхпроводимость
нарушается. Через идеальные сверхпроводники второго рода можно пропускать
ток силой: [pic] (критический ток). Объясняется это тем, что поле,
создаваемое током, превысит Нк1, вихревые нити, зарождающиеся на
поверхности образца, под действием сил Лоренца, двигаются внутрь образца с
выделением тепла, что приводит к потере сверхпроводимости.
Tk, Нк1, Нк2, некоторых металлов и соединений:
|Вещество |Тк К |(0Нк1 Тл |(0Нк2 Тл |
|Pb |7.2 |0.55 | |
|Nb |9.2 |0.13 |0.27 |
|Te |7.8 | | |
|V |5.3 | | |
|Ta |4.4 | | |
|Sn |3.7 | | |
|V3Si |17.1 | |23.4 |
|Nb3Sn |18.2 | |24.5 |
|Nb3Al |18.9 | | |
|Nb3Ga |20.3 | |34.0 |
|Nb3Ge |23.0 | |37.0 |
|(Y0.6Ba0.4)2CuO|96 | |160(20 |
|4 | | | |
|Y1.2Ba0.3CuO4-8|102 | |18 при 77К |
2. Эффект Джозефсона.
Если два сверхпроводника соединить друг с другом «слабым» контактом,
например тончайшей полоской из диэлектрика, через него пойдет туннельный
сверхпроводящий ток, т.е. произойдет туннелирование сверхпроводящих
куперовских пар. Благодаря этому обе системы сверхпроводников связаны между
собой. Связь эта очень слаба, т.к. мала вероятность туннелирования пар даже
через очень тонкий слой изолятора.
Наличие связи приводит к тому, что в следствии процесса обмена парами
состояние обеих систем изменяется во времени. При этом интенсивность и
направление обмена определяется разностью фаз волновых функций между
системами. Если разность фаз (=(1 - (2, тогда из квантовой механики
следует [pic] . Энергии в точках по одну и другую сторону барьера Е1 и Е2
могут отличаться только если между этими точками существует разность
потенциалов Us. В этом случае [pic] (1).
Если сверхпроводники связаны между собой с одной стороны и разделены слабым
контактом с другой, то напряжение на контакте можно вызвать, меняя
магнитный поток внутри образовавшегося контура. При этом [pic]. Учитывая,
что квант потока [pic] и поток Ф через контур может быть лишь nФ0, где
n=0,(1,(2,(3,... Джозефсон предсказал, что [pic] (2)
Где:
Is – ток через контакт
Ic – максимальный постоянный джозефсоновский ток через
контакт
( -- разность фаз.
Из (1), (2) следует [pic].
Поскольку на фазовое соотношение между системами влеяет магнитное
поле, то сверхпроводящим током контура можно управлять магнитным полем. В
большинстве случаев используется не один джозефсоновский контакт, а контур
из нескольких контактов, включенных параллельно, так называемый
сверхпроводящий квантовый интерферометр Джозефсона (СКВИД). Величина
магнитного поля, необходимого для управления током, зависит от площади
контура и может бать очень мала. Поэтому СКВИДы применяют там, где нужна
большая чувствительность.
Известны несколько типов джозефсоновских контактов, но наиболее
распространены следующие:
изолятор
( 1нм
сверхпроводники
туннельный переход переход типа
«мостик»
Магнитометр.
Магнитометр - прибор на основе джозевсоновских переходов, применяющийся
для измерения магнитного поля и градиента магнитного поля. В магнитометрах
используются СКВИДы 2х типов: на постоянном токе и переменном. Рассмотрим
магнитометр на СКВДах постоянного тока.
I
A B
U
переходы
джозефсоновские
Если к такому кольцу приложить поле, то оно будет наводить в кольце
циркулирующий сверхпроводящий ток. Он будет вычитаться из постоянного тока
I в А и складываться в В. Тогда максимальный ток кольца зависит от
магнитного потока Ф и равен: [pic] Ic – ток кольца, Ф0 – квант потока, Ф –
захваченный поток. При этом [pic] R – сопротивление перехода, l –
индуктивность кольца. (U – достигает нескольких микровольт и может быть
измерена обычными электронными приборами.
I Imax
nФ0
(n+1/2)Ф0
U
n
Рисунок слева: ВАХ сверхпроводящего кольца с 2-мя джозевсоновскими
переходами.
Рисунок справа: Зависимость Imax от внешнего потока
n – число квантов потока пронизывающих контур.
Техническая реализация магнитометров на СКВИДе на постоянном токе с 2-мя
тунельными переходами.
Кварцевая
трубка
Полоска из
Pb
Платиновый электрод
Pb
Джозефсоновские
переходы
Платиновый электрод
Контур
СКВИДа
образован
цилиндрической
пленкой из Pb нанесенной на кварцевый цилиндр
длинной 18 мм с наружным диаметром 8мм, а
внутренним 6мм.
Описанная здесь конструкция
яв-
2 мм ляется датчиком включенным в электри-
ческую схему, обеспечивающую изме-
рение и индикацию отклика датчика
1.5мм на изменение внешнего магнитного
поля. Такая система
представляет со-
600нм 600нм бой
магнитометр.
20 нм
Сверхпроводящий материал – соединение Nb3Sn.
Соединение Nb3Sn имеет Тк=18.2К и Нк2=18.5 МА/m ((0Нк=23Тл) при 4.2К.
Благодаря таким параметрам можно получить джозефсоновские переходы
чувствительные как к малым полям 10-17Тл, так и к изменению больших
полей (1Тл. Соединение имеет такую решетку: атомы ниобия расположены в
местах, занятых на рисунке и образуют со своими ближайшими соседями
три цепочки, перпендикулярные друг – другу:
Nb
Sn
Атомы ниобия в этих цепочках связаны дополнительными ковалентными связями.
Цепочки ниобия в кристаллической структуре, для получения сверх проводящих
свойств не должны быть нарушены, что может произойти при избытке атомов
олова или при недостаточной степени порядка в кристаллической решетке.
Диаграмма фазового равновесия системы Nb-Sn приведена на рисунке:
toC
2500
(+ж 2000
2000
(
Ж
1500 Nb3Sn3
(+Nb3Sn 910-920
1000
Nb3Sn
840-860
500 805-820 NbSn7
232-234
Nb 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Sn
Соединение Nb3Sn хрупко и изделие из него не могут бать получены обычным
металлургическим путем, т.е. выплавкой с последующей деформацией. Массивные
изделия из этого соединения: цилиндры, пластины и т.д. получают, как
правило, металлокерамическим методом, т.е. смешивая в соответствующих
пропорциях порошки ниобия и олова, прессуя изделия нужной формы и нагревая
их до температуры образования химического соединения Nb3Sn, обычно в
интервале 960-1200O.
Получение джозефсоновских переходов.
Джозефсоновские туннельные переходы представляют собой две тонкие
сверхпроводящие пленки разделенные барьерным слоем диэлектрика или
полупроводника. Рассмотрим некоторые из методов получения переходов с
диэлектрическим барьером. На тщательно очищенную подложку в вакууме
наносится первая пленка сверхпроводящего соединения толщиной в несколько
тысяч ангстрем.
Нанесение первой пленки осуществляется путем катодного распыления.
4
1
6
2 3 5
Катод
Распыляющий газ
К вакуумному насосу
Держатель с подложкой
Постоянное напряжение 4 кВ
ВЧ – генератор 3-300 МГц
Газовый разряд при низком давлении можно возбудить высокочастотным
электрическим полем. Тогда в газовом промежутке, содержащим аргон,
возникает тлеющий разряд. Образовавшиеся при этом положительные ионы,
разгоняются электрическим полем, ударяются о катод распыляя сплав.
Вылетающие с катода атомы осаждаются на подложке. В такой системе были
достигнуты скорости осаждения до 1А/сек. При смещении на катоде – мишени
500В.
Для высокочастотного катодного распыления Nb3Sn необходим вакуум перед
распылением 10-4Па, температура подложки 900OС, чистота напускаемого аргона
99,999%, его давление менее 1Па.
Для качества туннельного перехода большое значение имеет структура пленки.
В напыленных пленках обычно сильно искажена кристаллическая решетка, и в
них, как правило со временем происходят структурные изменения: течение
дислокаций, деформация границ зерен, что может значительно ухудшить
свойства туннельного перехода (например возникнуть закоротки).
Одним из способов устранения этих нежелательных явлений состоит во внесении
в пленку примесей стабилизирующих их структуру. Так пленки образующие
туннельный переход получались последовательным напылением In (49нм), Au
(9нм), Nb3Sn (350нм) для нижнего электрода и Nb3Sn (300нм), Au(5нм),
Nb3Sn(200нм) для верхнего электрода. После этого пленки выдерживались при
температуре 75ОС в течении 2ч., что приводило к стабилизации свойств
перехода.
Следующим важным этапом получения туннельного перехода является образование
барьерного слоя, как правило, это слой окисла на поверхности первой пленки.
Свойства туннельного перехода и его срок службы определяется прежде всего
качеством барьерного слоя. Этот слой должен быть плотным, тонким ((2нм),
ровным, не иметь пор и не меняться со временем при температурном
циклировании.
Наиболее удачный метод приготовления туннельных барьеров состоит в
окислении пленки в слабом ВЧ разряде в атмосфере кислорода. Подложка с
пленочным электродом крепится к катоду разрядной камеры. Сначала
поверхность пленки очищают от естественного окисления путем ВЧ катодного
распыления в атмосфере аргона при давлении 0.5 Па в течении 1-5 мин. Сразу
после этого аргон в камере заменяется кислородом или аргонокислородной
смесью и зажигается разряд на частоте 13.56 МГц. За определенное время на
пленке, находящейся в разряде, образовался слой окисла необходимой толщины.
Для получения туннельных барьеров толщиной 2-5нм необходимо поддерживать
разряд мощностью 0.003-0,1 Вт/мм2 в течении 10-20 мин.
Применяют туннельные переходы с барьером из полупроводника. В качестве
материала барьера используется различные п/п: CdS, CdSe, Ge, InSb, CuAs и
др.
Основной метод нанесения п/п барьера – распыление. Однако в напыленном слое
п/п имеется много отверстий и пустот, наличие которых способствует
появлению закороток в переходе. Для устранения этого недостатка после
напыления барьера переход подвергается окислению. В результате закоротки
действительно не возникают, но свойства барьера при это ухудшаются:
уменьшается максимальная плотность тока, величина емкости увеличивается.
Наилучшие туннельные переходы с полупроводниковым барьером, получаются,
когда барьер представляет собой монокристалл. Такие переходы реализованы не
созданием барьера на сверхпроводящей пленке, а наоборот, нанесением пленки
на обе стороны тонкой монокристаллической п/п мембраны из Si. Известно, что
скорость травления монокристаллического Si перпендикулярно плоскости (100)
в 16 раз больше чем в направлении плоскости (111). В результате этого в
пластине Si, поверхность которого параллельна (100), при травлении
небольшого, незащищенного фоторезистом участка, образуются ямки. Боковые
стенки ямки образуют плоскости (111) под углом 54.7О к поверхности. Таким
образом, размер дна ямки (1, т.е. размер мембраны определяется соотношением
[pic], где (2 – размер открытого незащищенного участка поверхности, t –
глубина ямки.
Чтобы получить мембрану нужной толщины, необходимо каким-либо образом
автоматически остановить травление. Это достигается с помощью легирования
бором обратной стороны кремниевой подложки на глубину равную необходимой
толщине мембраны. Скорость травления быстро падает, когда достигается слой
Si с концентрацией бора, равной n=4(1019 см-3, и полностью останавливается
при n=7(1019 см-3 . Таким образом были получены мембраны толщиной 40-100
нм. Далее с двух сторон наносятся сверхпроводящие пленки, образующие
переход.
В случае последовательного напыления: сверхпроводящая пленка – барьер –
сверхпроводящая пленка – последнюю пленку можно нанести методом катодного
распыления.
Готовые переходы защищают от влияния атмосферы слоем фоторезиста. Для
получения воспроизводимых туннельных систем необходимо, чтобы между
операциями пленка не подвергалась воздействию атмосферы т.к. адсорбция
газов на поверхности пленок может вызвать неконтролируемое изменение
характеристик перехода.
Список литературы:
Г.Н. Кадыкова «Сверхпроводящие материалы» М. МИЭМ 1990
А.Ф. Волков, Н.В. Заварицкий «Электронные устройства на основе слабосвязных
сверхпроводников» М. Советское радио 1982
Р. Берри, П. Холл, М. Гаррис «Тонкопленочная технология» М. Энергия 1979
Т. Ван-Дузер Ч.У. Тернер «Физические основы сверхпроводниковых устройств и
цепей» М. Радио и связь 1984
| |
