При вивченні впливу низькоенергетичного стрічкового електронного потоку на оптичні поверхні визначаємо основні положення роботи:
Дозована сукупна теплова та електрична дія низькоенергетичного електронного потоку (Е ≤ 10 кеВ) вибірково діє на елементний склад силікатного скла і оптичної кераміки, що призводить до перебудови вихідної поверхні та ПШ на мікро- і нанорівні, а для скла, - перетворює ПШ від дефектного до монолітного.
Моделі, які побудовані на базі теоретичних та експериментально-технологічних дослідженнях, відображають взаємозв’язок розмірних факторів об’єктів обробки, мікро- та нанопараметрів структури, зон термічного впливу, фізико-хімічних і оптичних властивостей поверхонь і ПШ від термоелектричної дії рухомого стрічкового електронного потоку.
Основними механізмами формування нової поверхні і структури ПШ є: стимульоване випаровування слабкозв’язаних компонентів речовини у вакуум, перехід ПШ з рідинно-текучого в твердий стан, утворення силами поверхневого натягу розплаву атомарно-гладкої поверхні та монолітного модифікованого шару, термічні напруження, дифузія в поверхні та в об’ємі матеріалу.
Переваги фінішної електронно-променевої обробки для оптичних матеріалів (підвищена механічна міцність, оптична однорідність, термічна стійкість, відсутність дефектного шару) та операції фотолітографії і травлення відомі, але у певній сукупності вони призводять до нового якісного результату – одержання функціональних шарів для елементів МО та ІО.
Якісні характеристики поверхонь та функціональних шарів в оптичних матеріалах залежать від параметрів електронного потоку (Рпит, Vобр, kе) та умов охолодження, режими і технологічне середовище для яких відрізняються від відомих промислових процесів і є новим кроком до високих технологій. Надійність та термін дії функціональних шарів залежить від умов формування перехідної зони «функціональний шар – основний матеріал».
Отримані дані та сформована концепція щодо електронно-променевої мікрообробки оптичного скла поширюються на інші конструкційні матеріали (технічне скло, кварцове скло).
Узагальнюючи одержані результати, будуємо схему, яка відображає основні явища та механізми перетворення ПШ під впливом електронного потоку, за якими після охолодження і утворюється нова поверхня на оптичному матеріалі, (рис.3.20).
Рис.3.20. Схема основних явищ та механізмів, які супроводжують перетворення ПШ оптичного матеріалу під впливом електронного потоку
3.3 Математичне моделювання процесів електронно-променевого впливу на поверхню оптичного матеріалу
Проводиться з метою: 1) використання рухомого стрічкового електронного потоку, як інструменту для мікрообробки оптичних поверхонь та вивчення гнучкості його впливу (Рпит, tпот, Vпот, Іпот, Uпр) на поверхневий шар оптичного матеріалу; 2) використання ПШ оптичного матеріалу та його теплофізичних властивостей, як основи для створення шарів з новими експлуатаційними (функціональними) властивостями, рис.3.21.
Рис.3.21. Схема локальної дії електронного потоку на оптичний матеріал
З відпрацьованих методик та за результатами експериментів (глава 2) вводимо наступні припущення:
В’язкість скла змінюється від температури у вакуумі за таким самим законом, як і на повітрі, що дає можливість апроксимувати її для практичного використання в області температур 800...1500 ºС.
Електропровідність оптичного скла при електронно-променевій обробці забезпечує стікання накопиченого заряду із оброблюваного зразка, а поляризаційні процеси гранично малі. Це дає можливість розглядати теплові ефекти при електронному нагріванні оптичних матеріалів, аналогічно до ефектів, які протікають при електронному нагріванні металів і використовувати рівняння теплопровідності для розрахунку температури.
На розподіл температури в оптичному матеріалі при електронно-променевій мікрообробці впливає пара матеріалу, яка виникає при контакті з електронним потоком.
При формуванні нової поверхні на оптичному матеріалі від дії електронів їх механічним тиском можна знехтувати.
Поверхня (в результаті десорбції слабкозв’язаних компонентів із скла у вакуум) формується за рахунок сил стиснення та поверхневого натягу, що діють вздовж поверхні і які набагато перевищують сили земного тяжіння. Це надає можливість формувати нову поверхню на склі електронним впливом, розташовуючи джерело електронів знизу поверхонь пластин, які обробляються.
Структура „застиглий рідинно-текучий шар” – „основний матеріал” розглядається, як двошарова, складена з різних за походженням матеріалів з різними фізико-хімічними властивостями.
Використовуються математичні моделі, в яких за методом скінченних елементів проводиться розрахунок температур для прямокутної пластини від дії стрічкового рухомого джерела теплоти. При цьому розподіл в’язкості скла по глибині від температури дозволяє оцінити глибину утворення рідинно-текучого стану скла. З врахуванням дифузійних процесів проводиться оцінка знаку та величини залишкових термонапружень в оптичному склі в полі температур при електронній дії та на стадії охолодження для створення умов фіксації ПШ та подальшої надійної експлуатації мікроструктур, утворених в матеріалі від електронної дії.