книги из ГПНТБ / Гущо Ю.П. Фазовая рельефография
.pdf4-4. Электронное считывание
Электронное считывание применяют при необходимо сти воспроизводить рельефную запись с очень высоким разрешением, превышающим 100 линий/мм, и в систе мах с относительно малыми размерами экранов. Его можно использовать для преобразования рельефной записи в электрический сигнал.
Идея способа считывания в рельефографни заимст вована нз электронной микроскопии [Л. 73]. Для визуа лизации неровностей различных поверхностей в зависи мости от природы, состояния поверхности и других фак торов применяют электронные микроскопы просвечиваю щего и отражающего типов.
Чтобы получить изображение поверхности предмета просвечиванием, используют явление рассеяния быстрых электронов при прохождении через тонкий слой вещест ва, сопровождающееся их отклонением от первоначаль ного направления. Скорость электронов при этом ме няется незначительно. При увеличении толщины слоя рассеивающего вещества доля рассеянных электронов, приходящаяся на большие углы рассеяния, возрастает. Таким образом, на коллекторы электронов в зависимо сти от глубины рельефа деформируемого слоя будет попадать большее или меньшее количество электронов. Вызванные ими изменения потенциала коллектора мо гут быть зафиксированы, в частности, с помощью осцил лографа.
При считывании просвечиванием используют элек троны повышенной энергии. При торможении быстрых электронов в деформируемом слое выделяется, однако, тепловая энергия, которая может привести к его разру шению. Кроме того, в слое накапливается заряд, кото рый может вызвать пробои и искажения записи и счи тывания при повторных циклах использования носителя. С накоплением заряда борются металлизацией слоя.
В принципе запись и считывание можно осуществить
. как одним, так и двумя раздельными электронными лу чами. При построении устройств считывания просвечи вающего типа в отличие от отражающих совмещение одних функций в одном луче встречается с определен ными трудностями.
Поэтому в рельефографни чаще применяют отража тельные устройства электронного считывания. Для этого
100
деформируемый слой покрывают тонким металлическим слоем пли фотопроводником, подвергаемым непрерыв ной засветке и играющим роль проводящего слоя [Л. 24]. При облучении металлизированной поверхности деформируемого слоя электронами в зависимости от на клона стенок канавки большее или меньшее количество вторичных и отраженных электронов попадает на два коллектора, включенных .по дифференциальной схеме, подобной оптическому устройству, схема которого изо бражена на рис. 4-6.
Метод электронного считывания позволяет воспроиз водить как полутоновые, так и штриховые изображения.
Г л а в а п я т а я
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ РЕЖИМЫ РЕЛЬЕФОГРАФИЧЕСКИХ НОСИТЕЛЕЙ
5-1. Введение
Характеристики рельефной записи сильно зависят от температурного режима ее носителя. В различных си стемах записи температурные режимы носителей значи тельно отличаются друг от друга.
Температурный режим жидких и упруговязких слоев стабилизируют специальным термостатнрующим уст ройством. В проекторе типа «Эйдофор», например, тем пературу металлического зеркала, служащего подлож кой для масляного слоя, поддерживают постоянной устройством водяного охлаждения. В другом варианте этого проектора рабочую температуру масляного слоя стабилизируют подогревателем на более высоком уров не, чем температура окружающей среды. В обоих слу чаях рабочая температура масла должна соответство вать оптимальному режиму работы системы.
При применении твердых термопластиков, нанесен ных на гибкую движущуюся ленту или на поверхность жесткой неподвижной пластины, необходимо использо вать для проявления записи ' нестационарные режимы с большими перепадами температуры как по времени, так и по толщине деформируемого слоя.
Пространственно-временные перепады температуры в деформируемых слоях создают с помощью импульс ного нагревания. На подвижном носителе нестационар ный температурный режим возникает при его протяжке
101
вдоль непрерывно работающего источника тепла конеч ной ширины. Поскольку площадь нагреваемого участка
подвижного |
носителя |
намного |
больше |
его |
толщины, |
||||||||||
|
5 |
k |
1 |
3 |
5 |
|
импульсный нагрев непо |
||||||||
|
|
движного |
носителя экви |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
валентен нагреванию |
зо |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ны подвижного. |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На рис. 5-1 п 5-2 при |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ведены |
основные |
схемы |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
устройств теплового |
про |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
явления |
твердых |
дефор |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
мируемых слоев на под |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
вижных |
и |
неподвижных |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
носителях. |
Устройства |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
проявления |
можно |
раз |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
бить на две группы. К пер |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
вой относятся устройства, |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
в |
которых |
нагреватель |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ным |
элементом |
|
служит |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
проводящий слой, выде |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ляющий тепло при пропу |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
скании |
постоянного, |
пе |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ременного |
тока |
или |
тока |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
высокой частоты (рис. 5-1). |
|||||||
Рис. 5-1. Схемы теплового про |
Для нагревания |
проводя |
|||||||||||||
явления |
записи |
путем нагревания |
щего |
слоя можно приме |
|||||||||||
проводящего |
слоя. |
записи |
на непо |
нять также инфракрасное |
|||||||||||
о. — схема |
проявления |
излучение, |
если |
материал |
|||||||||||
движном |
носителе; |
б — схема |
проявле |
||||||||||||
ния записи на движущейся ленте; |
в — |
слоя |
способен его |
погло |
|||||||||||
схема высокочастотного нагрева по |
щать. |
Во вторую |
группу |
||||||||||||
движного |
или |
неподвижного носителя; |
|||||||||||||
1 — деформируемый |
слой: 2 —основа; |
входят |
устройства |
прояв |
|||||||||||
3 — |
проводящий |
слон; 4 — контакты; |
|||||||||||||
5 — электрические |
выводы; |
б — вра |
ления |
с внешними |
источ |
||||||||||
щающиеся контакты; |
7 — головка |
вы |
никами тепла (рис. |
5-2). |
|||||||||||
сокочастотного |
нагревателя. |
|
|
||||||||||||
ло |
подводят |
либо |
к |
|
В этих устройствах теп |
||||||||||
поверхности |
деформируемого |
слоя, либо к поверхности подложки, используя инфра красное излучение, нагретую газовую пли жидкую сре ды, нагретый металлический барабан.
Расчет температурного режима носителя для первой группы устройств основывается на решении уравнения теплопроводности с внутренним источником тепла, для второй — с внешним источником тепла.
. Экспериментальные исследования проявления пока зывают, что качество рельефной записи зависит не толь-
102
ко от скорости нарастания температуры в деформируе мом слое, но н от скорости ее спада. Ускорить охла ждение носителя можно, в частности, принудительным обдувом холодной струен газа или жидкости пли нало жением на холодный массивный металлический барабан.
|
|
|
1\ |
0 Л Л > \ л л г ( |
|
2. |
|
|
У /У/7///7//72/Л |
||
|
|
|
liZKK/VVV\A«! I |
Ц |
|
1 |
--------/-----\ --------------- |
|
3 |
||
|
|
|
|
4 |
о) |
|
|
Рис. 5-2. Схемы теплового проявления записи внешним источ ником тепла.
а — проявление записи |
инфракрасным |
нагревателем на |
движущейся |
||
лейте; |
б — то |
же па неподвижном носителе; в — проявление {фиксиро |
|||
вание) |
записи |
нагретой |
(охлажденной) |
струен газа или |
жидкости; г — |
проявление (фиксирование) записи с помощью нагретого (охлажденно
го) металлического барабана; |
1 — деформируемый слой; |
2 — основа; |
|
3 — инфракрасный нагреватель; |
4 —тепловые экраны; 5 — сопло: 6 — |
||
газовая или |
жидкая нагретая (охлажденная) струя; |
7 —нагретый |
|
(охлажденный) |
металлический |
барабан. |
|
Ниже мы детально рассмотрим расчет температур ных режимов носителей записи с внутренними и внеш ними источниками тепла п вопросы принудительного охлаждения его на металлическом барабане, а также опишем экспериментальную установку для исследования температурных режимов деформируемого слоя.
Следует отметить, что расчет температурных режи мов носителя приводит, как правило, к формулам, непригодным для ручного счета из-за их громоздкости. Однако применение вычислительной техники позволяет без особых трудностей рассчитать по ним его темпера турный режим.
103
5-2. Температурный режим носителя при выделении
тепловой мощности в проводящем слое
Нагревание деформируемого слоя с помощью прово дящего слоя очень часто применяют в системах рельеф ной записи. На рис. 5-1,в изображен участок носителя, движущегося со скоростью v вдоль нагревателя, кото рый выделяет в проводящем слое ширимы s удельную мощность q. Поскольку этот слой в теплотехническом смысле можно рассматривать как тонкое тело, то при
расчете носитель |
будем |
считать |
двухслойным. Любая |
||
фиксированная |
точка |
носителя, |
проходя |
через |
зону |
проявления s со скоростью v, |
нагревается за |
время |
|||
t — s/v, а затем, |
выйдя |
за пределы зоны, |
охлаждается |
благодаря отдаче тепла в окружающую среду. Если пренебречь краевыми эффектами на границах зоны на гревания (так как s3>/), то можно считать, что нагре вание каждой точки носителя осуществляется импуль сом мощности q длительностью to. Другими словами, расчет температуры подвижного тонкого носителя без
перетоков |
тепла по его |
ширине и длине |
можно свести |
к расчету |
температуры |
неподвижного |
двухслойного |
плоского тела, и наоборот.
Рассчитать тепловой режим плоского тела с импульс ным по времени и точечным по координате источником тепла, определяемым выражением q(x, t ) —qЬ{х—/2), где 6 (х )— функция Дирака, можно, решив уравнение теплопроводности для двухслойной среды.
Будем считать, что теплообмен свободных поверх ностей носителя записи происходит по закону Ньютона с коэффициентом теплообмена /г.
Уравнение теплопроводности имеет вид:
= + при 0 < t < t o. (5-1)
Граничные условия:
ДА
при х = 0\
(5-2)
= — М ПРИ х = 1.
Условия сопряжения слоев 1 и 2 (х = /2):
(5-3)
104
Начальное условие (t = 0):
|
0 (х, 0) = 0. |
(5-4) |
|
Здесь |
В = (Т—TB)JTa\ |
Тя и Т — начальная |
и текущая |
температуры носителя; |
Т = Т i при k ^ x ^ l и Т = Т 2 при |
||
0^ л '^ / 2; |
Xi, ?ь2 — коэффициенты теплопроводности; pi, |
р2 — плотности первого и второго слоев; k = /гД; a2—7,/ср; q0=q/Tu — удельный приведенный тепловой поток; сь с2 — удельные теплоемкости слоев.
Решение краевой задачи (5-1) — (5-4), найденное ме тодом разделения переменных, помещено в приложе нии 7. Решение (П7-1) применимо к неподвижным и подвижным носителям, находящимся в воздушной сре де или вакууме.
При больших временах (£>3ш~2) формула (П7-1) зна чительно упрощается и принимает вид:
СО |
(5-5) |
О(X, Л = <7о Е ьпХп = ф W- |
Выражение (5-5) описывает установившееся распре деление температуры по толщине носителя, которое на ступает, когда тепловые потерн с его поверхности становятся равными мощности, выделяемой источником тепла. Функция Ф(х) может быть записана проще:
Ф (л-) = В, [/г, (/ — |
х) -(- |
1 ] при х > |
|
Ф (х) = /i, [k2x |
-f 1 ] |
при л < |
/,; |
^1 —90(1 4~Ms)/[^iA (1 -fkJz) —J— |
(1 -ЬМЛ]- |
Отсюда следует, что максимально возможная темпе ратура поверхности деформируемого слоя (х — I)
0.макс
Для того чтобы термостатировать носитель при ско рости его протяжки v, запись входного сигнала необ ходимо начать после прохождения участка зоны нагре вания
105
где /у= Зт= Зсо- 21. При этом условии в зоне участка но сителя ( 5 —sM„n) будет поддерживаться с точностью не хуже 5% постоянная п максимально возможная для данной мощности q0температура.
Расчет на ЭВМ показывает, что значения тепловой постоянной времени в неподвижной воздушной среде
для деформируемого |
слоя |
толщиной 10— 12 |
мкм |
при |
|
основе |
толщиной 100 |
мкм |
лежат в пределах |
от |
1 до |
5 сек. |
В то же время для вакуума эта постоянная ока |
зывается меньше на однн-два порядка. Такое различие т носителя для вакуума и воздушной среды сильно ска зывается па характере проявления записи.
По формуле (П7-1) на ЭВМ были рассчитаны пере пады температуры носителя по осп х и по времени t при следующих его параметрах и теплофизических кон
стантах слоев 1 и 2 (см. |
рис. 5-1,а): |
||
Л.1 |
= 6-10-4 |
кал/см-сск°С; |
h = \0~z см\ a2i= 1,09-10~3 см1/сек; |
М |
= 1,04 |
см~1\ ta=4-10-4 кал/см ■сек-°С; /2=(1н-2)Х |
ХЮ_3 см; а2г=0,73 ■10_3 см2/сек; /ез = 0,69 см~1.
Расчеты показали, что перепад температуры между свободной поверхностью деформируемого слоя и прово дящим слоем не превышает 2 % от температуры прово дящего при временах проявления /^0,01 сек. Запазды вание роста температуры свободной поверхности дефор мируемого слоя от температуры проводящего составляет от Ю~3 до 10-5 сек, что па один — три порядка меньше реальных величин времени проявления.
Интересно численно оценить максимальный градиент температуры в слое термопластика. При Т1г~ 200°С он
имеет по нашим расчетам величину
Ti - T\ ^ Ю3 °С1см.
Полученные результаты позволяют утверждать, что при очень резком различии параметров слоев 1 и 2 и при толщине основы на порядок больше толщины де формируемого слоя термопластические слои толщиной до 20 мкм в теплотехническом смысле можно рассмат ривать как тонкое тело. Это дает возможность в ряде случаев задачу (5-1) —(5-4) сводить к расчету одно слойной системы, приняв теплофизические параметры термопластика и основы одинаковыми.
106
Решение задачи (5-1) — (5-4) для однослойной сре ды имеет вид:
при О»
где соп — положительные корни трансцендентного урав нения
Здесь /о — момент отключения нагревателя или вы хода носителя из зоны нагрева.
Применив интеграл свертки {Л. 74] к полученным решениям краевой задачи (5-1) — (5-4) для точечного внутреннего источника тепла, эти решения можно обоб щить на произвольное распределение источника нагрева по толщине носителя.
5-3. Температурный режим носителя при его поверхностном
нагревании
Все задачи по определению теплового режима носи теля независимо от происхождения поверхностного по тока тепловой мощности q можно представить одной расчетной схемой рис. 5-3. Снова будем рассматривать носитель записи как двухслойное тело, причем толщина слоя, обращенного к нагревателю, равна h, а толщина другого слоя — 1%. Средним слоем ввиду малой его тол щины и хорошей теплопроводности пренебрегаем. Со стороны, противоположной нагревателю (х = 0), поверх ность носителя считаем теплоизолированной, так как здесь обычно расположен экран, затрудняющий тепло обмен с окружающей средой. Наконец, полагаем, что по
107
ширине ленты отсутствуют градиенты температуры, а по ее длине нет перетоков тепла.
При этих условиях расчет тепловых режимов прояв ления записи на деформируемом носителе сводится к ре-
1 |
п \ \ ц \ \ |
Рис. 5-3. Расчетная схема к решению за |
|
Ь |
го |
дачи о нагреве носителя записи |
внешним |
|
I |
источником тепла. |
3—прово |
|
/ — деформируемы!) слон; 2 —основа; |
||
. |
дящий слон; <7 — поток тепла. |
|
О
шению нестационарной задачи теплопроводности с урав нением
<Э8 _ 3 д*в di а дх~ ’
условиями на границах:
— <7о при x — L\
| ^ = 0 |
при Л' = О, |
условиями сопряжения слоев / и 2:
б, = |
б2 при х = 12\ |
|
|
. д б , |
, дВ* |
, |
|
я>^ |
= |
ПРИ |
X = L- |
и начальным условием
0 = 0 при t = 0.
(5-8)
(5-9)
(5-10)
(5-П)
Здесь условные обозначения те же, что и в уравне ниях (5-1) —(5-4). Решение краевой задачи, полученное
методом Фурье, представлено формулой |
(П7-2). |
|||||
Во |
всех случаях |
вместо |
времени & можно |
рассмат |
||
ривать |
длину участка нагрева носителя |
в соответствии |
||||
с формулой s = vi. |
|
источника мощности |
при t = h |
|||
После выключения |
||||||
носитель будет охлаждаться по закону |
|
|
||||
|
0 (х, t - |
1 0) = |
f |
8n (*,' to) е~Шп * . |
(5-:12 ) |
|
|
|
|
n=1 |
|
|
где 0„ для каждого п берется из выражения (П7-2) при
I —/о.
108
Численный анализ выражения (П7-2) подтверждает сделанный ранее вывод о том, что при теплотехническом «тонком» деформируемом слое задача может быть све дена к однослойной.
При строгой формулировке задачи нагрева и особенно охлажде ния носителя в вакууме следует учитывать, что охлаждение происхо дит за счет излучения. Это означает, что уравнение теплопроводно сти (5-8) необходимо решать при нелинейных граничных условиях вида
где Т — температура по шкале Кельвина; /г° — приведенный коэффи циент излучения; Тонр.ср — средняя температура окружающей среды.
В этом случае аналитическое решение задачи получить невоз можно, а единственно известный сеточный метод требует затраты очень большого времени для расчета значения температуры в дан ный момент времени в заранее выбранных точках. При этом возни кает целый ряд чисто вычислительных проблем, в частности обеспе чения устойчивости решения, выбора иаилучшен сеточной схемы и т. п. Однако для задач, рассматриваемых здесь, максимальное зна чение температуры редко превышает 200 °С, что позволяет линеари зовать условия (5-13) следующим образом:
k (7* - |
) = k {T ’ + Г*ГокР + 7Т*кр + |
7 |
^ р) X |
|
|
X (7 — Токр) |
h(T — Тонр), |
|
|
где Токр — температура окружающей среды. |
и |
(5-9). |
||
Это условие и используется |
в уравнениях (5-2) |
S-4. Принудительное охлаждение носителя на металлическом барабане
Форсированное охлаждение термопластического но сителя на металлическом барабане очень часто приме
няют при |
|
конструировании |
устройства |
проявления |
как |
|||||
в условиях вакуума, так и в газо |
|
|
.X |
|
|
|||||
вой среде. |
Прилегая к барабану, |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
||||||
носитель |
охлаждается |
благодаря |
|
|
1 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
||||||
отводу тепла на более холодную |
|
Г-А |
0 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|||||||
поверхность барабана. |
Охлажде |
|
|
|
i |
г |
||||
нию способствует также теплооб |
|
|
-S |
|||||||
|
|
|
^ |
|||||||
мен с окружающей средой. |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|||||
При идеальном контакте по |
Рис. 5-4. Расчетная схе |
|||||||||
верхностей |
барабана |
и носителя |
ма |
|
принудительного |
|||||
последний |
охлаждается |
с |
наи |
охлаждения |
ленты |
на |
||||
большей |
скоростью, |
зависящей |
металлическом |
ролике |
||||||
(I — толщина ленты, s — |
||||||||||
только от |
стока тепла |
с |
уда- |
радиус ролика). |
|
109