книги из ГПНТБ / Гущо Ю.П. Фазовая рельефография

Проводимость деформируемого слоя обычно намного больше проводимости газового промежутка. Для прово­ дящих слоев это условие выполняется строго. Но и при записи на диэлектрических слоях это допущение не вно­ сит заметных искажений в характер решения и в то же время значительно упрощает анализ электрических сил. При этих допущениях, полагая d— И) и ш— >-оо, из фор­ мулы (П1-26) найдем:

ной плотности сил нулевой, основной и удвоенной частот соответственно; N=Ui/U0— коэффициент модуляции уп­ равляющего потенциала. Если t/o= const, то зависи­ мость амплитуды плотности нормальных сил pni основ­ ной частоты от Ui имеет линейный характер:

п _ eQe2^Q^lP

в 2 раза превышающей частоту полезного сигнала. Поскольку нормированная амплитуда полезного сигна­ ла / 1 обратно пропорциональна коэффициенту N, а амплитуда помехи /г от N не зависит, сигнал помехи можно подавлять, уменьшая глубину модуляции полез­ ного сигнала или, что то же самое, величину коэффи­ циента N.

Из формулы для рп1 следует, что с уменьшением величины зазора плотность электростатических сил рез­ ко возрастает. Однако практически сделать зазор меньше величины 20—30 мкм весьма трудно. Теорети­ чески минимальная величина зазора ограничена лишь высотой рельефа.

Отношение амплитуд сигнала и помехи при различ­ ных значениях нормированной пространственной часто­ ты '|3/ и коэффициента N удобно оценить с помощью графиков рис. 2-11. Чтобы получить большую плотность

60

деформирующих сил, параметр (3/ необходимо выбирать в пределах от 0,4 до 1. При (3/>1 эта плотность резко уменьшается, и снижается чувствительность записи. При значениях |3^<0,4 падает разрешающая способ­ ность, а чувствительность увеличивается незначительно.

Оценим разрешающую способность систем, в кото­ рых поверхностный рельеф создают с помощью электри­ ческого поля. Определим разрешающую способность

8 линий/мм. Если пожертво­ вать в допустимой степени чувствительностью записи,то

при этой величине зазора можно получить разрешение около 20 линий/мм.

Определим коэффициент N, если отношение между амплитудами сигнала f\ и помехи /2 задано.

Так как

то допустимая величина

N = 4 sh р/

др/ •

Для А = 10 при (3/=1 коэффициент N —0,4. Таким образом, если мы хотим, чтобы помеха не превышала 10% величины полезного сигнала, то величина напряже­ ния U0 должна быть в 2,5 раза больше возможной амплитуды сигнала L/j.

61

В свою очередь напряжение на зазоре при постоян­ ном давленый не должно превышать критическую вели­ чину пробивного напряжения. В соответствии с кривой Пашена [Л. 32] для воздушного промежутка £ = 20 мкм максимально возможное напряжение на зазоре состав­ ляет t/o+t£i = 450 в. При iV = 0,4 получаем t/o~320 в, £7л« 130 в.

Г л а в а т р е т ь я

МЕХАНИКА ПРОЯВЛЕНИЯ И СТИРАНИЯ РЕЛЬЕФА

3-1. Носители рельефной записи

Носитель записи должен быть достаточно прозрач­ ным (отражающим) и оптически однородным; одна из поверхностей носителя записи способна к деформирова­ нию под действием внешнего сигнала. Обычно носитель рельефной записи состоит из трех слоев: деформируемо­ го, проводящего и основы. Деформируемый слой служит для записи поверхностного рельефа и является собст­ венно носителем информации. Проводящий слой в зави­ симости от системы записи и считывания выполняет роль отражающего зеркала, электрода или электрона­ гревателя. Основа придает носителю механическую проч­ ность. Основные свойства носителя зависят от свойств деформируемого слоя. Эти слои можно разделить по виду материалов, из которых их изготавливают, на три группы: жидкие слабопр'оводящне и проводящие слои, твердые термопластики, гели и упругие металлические пленки.

В первых проектах «Эйдофор» в качестве жидкой деформируемой среды применяли минеральное масло марки «Эпизон» [Л. 56]. Вязкость среды регулировали добавлением канадского бальзама, а ее электрическую проводимость введением глицеринового эфира масля­ ной кислоты. Эти присадки способствуют стекаишо за­ ряда и выравниванию рельефа в течение одного телеви­

62

10° ом-см, меняя отношение между числом молей поли­ оксиэтилена и количеством взаимодействующих с ним молекул и радикалов.

Новым направлением в создании деформируемых сред является разработка уже упоминавшихся в гл. 1 жидких термопластиков. Свойства этих материалов, повидимому, ослабят, а может быть, и устранят два глав­ ных недостатка носителей, работающих в вакууме. Первый из них заключается в полимеризации обычно

применяемых материалов при длительной бомбардиров­ ке электронным лучом, которая сопровождается повы­ шением вязкости среды в 2—3 раза [Л. 54]. Второй не­ достаток состоит в появлении газообразных продуктов распада материала слоя. В связи с этим в электронных системах фазовой рельефографии предусматривали не­ прерывную смену масляного слоя и откачку газообраз­ ных продуктов из рабочего объема.

Более полное представление о физических свойствах жидких деформируемых слоев дают зависимости их параметров от. температуры.

63

На рис. 3-1 и 3-2 приведены графики температурных зависимостей основных физических параметров двух сортов масел, изготовленных иа основе высокомолеку­

поверхностное ps сопротивления. Поверхностное натяже­

используют стекло, покрытое отражающим или про­ зрачным слоем металла. Толщина слоя масла, наноси­ мого на зеркало-электрод, составляет от 30 до 100 мкм.

Другую большую группу деформируемых материа­ лов составляют твердые термопластики. К. термопласти­ кам предъявляют ряд серьезных требований, которые сформулированы в [Л. 58]: резко выраженная темпера­ тура плавления; хорошая адгезия к подложке; гибкость; отсутствие хладотекучести — медленной формы стирания записи при нормальных условиях хранения; радиацион­

109 рад. Кроме того, термопластики должны быть опти­ чески прозрачными, с заданными электрическими, теплофизическими^ механическими и другими параметрами.

В первых системах рельефной записи термопластики наносили на жесткие стеклянные подложки, покрытые металлическим прозрачным или отражающим слоем. При использовании жесткой основы толщина термопла­ стика может достигать 50 мкм. В настоящее время ча­ ще употребляют гибкие основы. Обычно термопластиче­ ский слой, политый на гибкую основу, имеет толщину от 5 до 15 мкм. В качестве гибкой прозрачной основы применяют полиэтилентерефталатную пленку или поли­ эфирную пленку толщиной от 50 до 200 мкм, используе­ мые в кинофотографии. Отражающие свет основы изго­ товляют из стали или бронзы и делают более тонкими — до 25 мкм. К однородности свойств проводящего слоя, служащего только для подачи потенциала, не предъяв­ ляют особых требований. Если слой предназначен так­ же для высокочастотного нагрева, то он должен быть достаточно однородным. Лучшими материалами для электропроводящих покрьщш считают [Л. 58] окись ин­ дия и йодистую медь, прозрачность которых в видимой

64

области спектра достигает 90%. Прозрачность хромо­ вых, никель-хромовых и платиновых покрытий состав­ ляет около 70%:.

Отражающие проводящие слои наносят на гибкие подложки напылением серебра, алюминия, платины или некоторых других металлов в вакууме.

Термопластический слой, который использовал в сво­ их первых опытах Гленн (Л. 7], состоял из смеси поли-

Рис. 3-3. Графики зависимостей поверхностного натяжения а, модуля сдвига G, относительного удлинения у и вязкости р, термопластика от тем­ пературы.

этилена и парафина. Имея высокую чувствительность, он был хрупким и плохо держался на металлическом подслое. Ныне изучены сотни материалов, в той или иной степени пригодных к использованию в качестве носителей термопластической записи. Достаточно пол­ ные сведения об их химическом составе даны в [Л. 59, 60].

Для примера на рис. 3-3 и 3-4 изображены графики зависимостей механических и электрических параметров термопластика, изготовленного из полистирола с пла­ стификаторами, от температуры. Как и в случае жид­ ких сред, наибольшим изменениям от температуры под­ вержены удельное электрическое сопротивление pv и вязкость ц. Мало меняются поверхностное натяжение а и диэлектрическая проницаемость е.

Однако термопластикам дополнительно свойственна зависимость так называемого равновесного модуля сдви-

га G [Л. 61] и относительного удлинения у от темпера­ туры. Равновесный модуль сдвига характеризует упру­ гие свойства полимера, с которыми, в частности, связа­ на упомянутая выше хладотекучесть.

Зависимость относительного удлинения у от темпера­ туры называют термомеханической кривой. На кривой рис. 3-3 можно различить две характерные точки, соот­ ветствующие температурам фазовых переходов Ту и Т2.

ваны еще очень мало. Первоначально слои этого вида изготовляли из поливинилхлорида с добавлением пла­ стификатора [Л. 50], а затем стали отливать из силико­ новых каучуков, обладающих большим диапазоном ли­ нейного расширения и более слабым эффектом после­ действия.

Наиболее важной характеристикой гелеобразной среды является равновесный модуль сдвига G. В [Л. 62] показано, что необходимая чувствительность слоя, изго­ товленного из кремнийорганического полимера, может быть достигнута, если величина модуля не превышает 0,1 н/смг. Удельное объемное сопротивление у известных гелеобразных слоев равно Ю16—1018 ом-см.

При изготовлении всех разновидностей деформируе­ мых слоев возникает проблема получения материалов, сохраняющих стабильные свойства при большом числе циклов запись — стирание. В некотоых случаях число

66

циклов работы слоя ограничивается явлением самостнрания, в других — необратимым изменением свойств слоя под действием входного сигнала, в третьих — влиянием окружающей среды или материала основы. Поэтому экспериментальному и теоретическому изучению физи­ ческих параметров материалов, предназначенных для носителей, и самого процесса образования и стирания микрорельефа на деформируемом слое уделяется осо­ бое внимание. В качестве деформируемых сред в основ­ ном применяют полимерные материалы. Следовательно, прогресс в разработке носителей сильно зависит от раз­ вития работ по химии полимеров применительно к за­ дачам рельефографии.

3-2. Постановка и решение задачи о проявлении и стирании

рельефа на поверхности упругого, вязкого и упруговязкого

слоёв конечной толщины

Как отмечалось ранее в любой, без исключения, си­ стеме рельефной записи, рельеф поля сил, приложен­ ного к деформируемому слою, преобразуется в рельеф его поверхности. Процесс увеличения глубины рельефа называют проявлением рельефа, а выравнивания — сти­ ранием. Проявление и стирание рельефа могут проис­ ходить как при постоянной, так и при меняющейся тем­ пературе. В этой главе рассмотрим только первый слу­ чай.

Построим математическую модель, описывающую процессы проявления и стирания рельефа. Для этого необходимо знать уравнение движения среды и харак­ тер сил, вызывающих это движение.

Изменение рельефа поверхности может быть вы­ звано:

1 ) действием поверхностных сил;

2 ) действием объемных сил;

3) при начальном рельефе поверхности под действи­ ем так называемых консервативных сил.

Поверхностное распределение сил для рельефной записи особенно характерно. Его получают либо при нанесении поверхностного заряда из короны, либо путем изменения электростатического поля на свободной гра­ нице деформируемого слоя, а также используя ультра­ звуковое давление или давление воздушной струи. Если толщина слоя составляет более 10 мкм, то можно счи­

тать, что запись зарядов электронным лучом также ведет к поверхностному распределению заряда, а следователь­ но, и сил, так как глубина проникновения заряда состав­ ляет около 3 мкм. Этот же вид распределения сил по­ лучается и при записи электронным лучом на масляных слоях, толщина которых обычно более 30 мкм.

Вместе с тем в ряде систем рельефной записи рас­ пределение действующих сил носит объемный характер. Объемное распределение имеет место при записи элек­ тронным лучом на термопластических слоях толщиной 5—10 мкм, при фотозарядной записи и записи на элейтретных слоях.

Изменение начального рельефа происходит при его стирании и при записи на рифленых поверхностях мето­ дом частичного стирания равномерного рельефа. В неко­ торых системах записи плотность поверхностных и объ­ емных сил выравнивается раньше, чем завершится фор­ мирование окончательного рельефа. Так, выравнивание силового рельефа может происходить при первоначально модулированном поверхностном или объемном распреде­ лении заряда из-за его растекания по поверхности или из-за внутриобъемного движения зарядов.

. Законы движения сред, изготовленных из полимер­ ных материалов, изучают в специальном разделе меха­ ники сплошных сред, называемом реологией.

Механические свойства полимеров изучены далеко не полно. Однако для случаев небольших перемещений и напряжений, меньших предела разрушения структуры материала, в реологии существует хорошо разработан­ ная линейная теория. Так как отношение глубины ка­ навки к периоду фазовой решетки составляет от 0,01 до 0,1 , а плотность деформирующих сил имеет величину от 5 до 50 гс/см2, то допустимо пользоваться линейной теорией.

Согласно этой теории движение жидких масляных сред и термопластиков, нагретых выше температуры те­ кучести Tz (см. рис. 3-3), подчиняется закону Ньютона, а гелей — закону Фойта или Гука.

Для термопластика, нагретого выше температуры стеклования, но ниже температуры текучести, известно несколько реологических моделей. Наиболее распрост­ ранены модели Гука, Кельвина — Фойта, Максвелла, Томсона — Ишлинского, Бингама — Шведова. Благодаря малым деформациям в линейной области нагружения

68

для описания движения в слое термопластика можно использовать модель Кельвина — Фонта, которая рабо­ тает тем точнее, чем ближе температура проявления записи к температуре стеклования.

Таким образом, модели вязкого, упругого и упруго­ вязкого движения сред описывают поведение широкого класса материалов, применяемых в носителях записи. Поскольку модели Ньютона и Гука представляют собой частные случаи модели Фойта, мы рассмотрим задачу для этой более общей модели

В классической механике сплошных сред рассматривают три простых идеальных тела: твердое тело Гука, жидкость Ньютона и пластическое тело Сен-Венана. Эти тела можно представить с по­ мощью следующих механических моделей [Л. 63].

1. Тело Гука моделируют с помощью спиральной пружины, изо­ браженной на апс. 3-5,а. Согласно закону Гука ее удлинение А/ про-

Р1\Р

Рис. 3-5. Модели тела Гука (а), тела Ньютона (б) и тела Сен-Венана (в).

порционально приложенной к ней силе Р. Коэффициент пропорцио­ нальности между А/ и Р называют модулем упругости. Для несжи­ маемых сред, применяемых в рельефографии, модуль упругости равен утроенной величине модуля сдвига G. Закон Гука положен

воснову классической теории упругости.

2.Жидкость Ньютона моделируют с помощью цилиндра, напол­

ненного вязким маслом, в который с некоторым зазором вставлен поршень (рис. 3-5,6). Согласно закону Ньютона скорость удлинения пропорциональна приложенной к цилиндру силе Р. Коэффициент пропорциональности между скоростью удлинения и Р называют коэффициентом вязкости pi. Закон Ныотоиа является основой клас­ сической гидродинамики.

3, Тело Сен-Венана можно представить в виде элемента сухого трения, состоящего из груза, расположенного на горизонтальной по-

1 В дальнейшем слои, движение в которых описывают модели Фойта, Ньютона и Гука, для краткости будем называть упруговязки­ ми, ньютоновскими (вязкими) и упругими соответственно.

69