智能钻柱关键密封技术研究

为解决目前电动钻井智能钻柱电传输安全技术问题,针对智能钻柱上卸扣自动密封与核心件高压泄漏等问题,根据使用环境与工艺要求,选取出一种适用于智能钻柱的核心件旋转动/静密封结构,通过对初始压缩率、介质压力、插针和插座旋转壳体旋转速度等影响密封性能的主要因素进行有限元分析,进一步完善、提高了密封结构旋转密封性能。最后,通过试验测试验证了其合理性与使用效果。结果表明:初始压缩率为17%时密封圈的密封性能较好,因双三角滑环起到挡圈作用致使该密封结构能够耐住10 MPa高压,插针旋转壳体或插座旋转壳体旋转速度在2 rad/s以下密封性能最好。选用带三角滑环的O型圈组合密封并优选该密封结构相关参数,有效地解决了智能钻柱关键密封问题,从而确保电动钻具的电信号和动力能够高效快速的传输,进一步推动了智能钻柱的发展。

新型球面固定套轴承球坐标润滑理论研究

考虑球面固定套轴承的特殊结构,建立球坐标润滑理论,具体方法为在球坐标下推导出Reynolds方程与考虑径向和轴向偏移的膜厚方程,运用有限差分原理与MATLAB软件进行编程求解,评估所建立方程的适用性,分析偏移率、牙轮转速以及轴承间隙对球面固定套轴承润滑性能的影响。结果显示:考虑径向和轴向偏移的膜厚方程以及所建立的Reynolds方程能够体现滑动轴承的形状特征和动压效应,表明在球坐标下所建立的润滑理论适用于球面固定套轴承;偏移率和转速的增大能够使得油膜压力和承载力增大;在油膜厚度没有达到最小临界值时,减小轴承间隙能够增大油膜的最大压力,进而提高轴承的承载能力。

18CrNiMo7-6钢牙轮钻头轴承渗碳工艺的优化

为了确定18CrNiMo7-6钢牙轮钻头轴承的最优渗碳面和最优扩散系数,通过建立数值计算模型、扩散系数模型和物理模型,对两种可选择的渗碳面以及不同扩散系数的渗碳结果分别进行对比研究,并对最优结果进行验证。结果表明:牙轮钻头轴承最优的渗碳面是外表面,最优的扩散系数为1.5×10^(-6)m^2/s,满足了牙轮钻头轴承表面耐磨、芯部具有韧性的要求,为制定合格的渗碳工艺提供理论支撑。

真空沟道结构GaAs光电阴极电子发射特性

光电阴极的发射电流密度和寿命限制了其在功率器件和大科学装置中的应用.本文结合光电阴极和场发射阴极电子发射理论,设计了大电流密度的真空沟道结构光电阴极组件,并使用覆膜和刻蚀技术制备了以GaAs衬底为阴极材料的光电阴极组件.光电阴极组件电子发射特性测试结果显示,常温状态下随入射光功率增加,阴极发射电流增加幅度逐步增大.光功率为5 W时,发射电流达到26.12 mA,电流密度达到5.33 A/cm^2.随光电阴极组件工作温度增加,阴极材料内的载流子浓度也会相应地增加,提高了负极对阴极材料内发射电子的补充效率,增强了阴极组件的电子发射能力.当光电阴极组件为400℃时,其发射电流可达到89.69 mA.由于阴极表面不存在激活原子,在光电阴极组件连续144 h的寿命试验中,阴极的发射电流为4.5±0.3 mA,阴极发射性能并未出现明显衰减.真空沟道是光电阴极组件电子发射的主要区域,通过改善真空沟道结构参数可以直接调整阴极组件发射电子束的形状,增强大电流密度光电阴极在真空电子器件和设备中的适用性.

表面形貌对热阴极电子发射特性的影响

为了研究热阴极表面形貌对电子发射能力的影响,使用飞秒激光微纳加工技术在光滑的热阴极表面制备不同尺寸和形状的周期性条纹结构,并使用相同的制备工艺对阴极进行除气和激活.测试结果显示:阴极表面周期性条纹结构可有效增强阴极的电子发射能力,正交双向条纹结构表面阴极的发射电流密度高于单向条纹结构表面阴极的发射电流密度,而且随条纹结构尺寸的降低,阴极的电子发射能力逐渐增强.对阴极表面形貌进行仿真,发现微尖顶端位置在强电场的作用下具有较强的电子发射能力.当阴极表面微尖底部直径与高度比值(r/h)较小时,微尖的侧面仍是阴极电子发射的主要区域,但是随着r/h减小,阴极的电子发射区域逐渐由微尖侧面发射向微尖顶端转移,场助电子发射效应成为阴极电子发射的主要组成部分.

钪型阴极表面微观发射结构的模拟计算

在阴极研究领域,钪型阴极因其大发射电流密度受到广泛关注,但其发射机制仍不明确。普遍认为表面发射层为BaxScyOz-W结构,但发射表面是动态变化的,很难确认其最佳表面发射结构。本文对钪型阴极表面BaxScyOz-W的理想发射结构进行了建模,并利用密度泛函方法对其功函数进行了计算。计算得到Ba-O-Sc-O-W表面结构的最小功函数为1.186eV。通过对计算结果的分析,讨论了不同表面原子结构对应的功函数变化。

n型纳米薄膜表面GaN/AlGaN光电阴极的电子发射特性

为了研究GaN/AlGaN光电阴极表面的掺杂类型对阴极电子发射特性的影响,分别设计p型、p-i-n型和p-n型纳米薄膜表面的GaN/AlGaN光电阴极材料,并使用金属有机化学气相沉积外延(MOCVD)技术进行生长。使用Cs/O交替的方式对GaN/AlGaN光电阴极进行激活,并测试了三种光电阴极的光谱响应特性,结果显示整个波段内p型GaN/AlGaN光电阴极的电子发射性能最低,在光波长240~285 nm波段p-n型GaN/AlGaN光电阴极拥有最高的光谱响应值,而在光波长285~365 nm波段p-i-n型GaN/AlGaN光电阴极拥有最高的光谱响应值。由于p-i-n型GaN/AlGaN光电阴极中本征型GaN薄膜层具有较高的电阻率,所以一定程度上降低了电子向阴极表面方向的输运,影响了GaN/AlGaN光电阴极的短波响应特性。仿真结果显示虽然p-n型GaN/AlGaN光电阴极没有较高的表面电子逸出几率,但是其内建电场对电子向阴极表面输运的促进作用可补偿由于表面电子逸出几率降低而对阴极电子发射特性的影响。

光检波微纳真空三极管技术

光检波微纳真空三极管是通过调制光信息来控制器件的工作状态,包括发射电子密度以及三极管的开关状态,来进行信息处理与传递。通过分析MOS器件中二维电子气作用下电子发射特性,研究了GOS器件中光激发电子发射机理与发射模型,进而设计出周期性薄膜结构的真空沟道三极管。计算了垂直型与V型真空沟道中电场的分布,结果显示V型真空沟道的三极管可具有更高的电子发射能力和更快的响应速度。通过对比制备工艺,发现金属有机气相外延或分子束外延生长的周期性Ⅲ-V族半导体薄膜材料具有更高的生长质量且工艺简单,是制作光检波真空沟道三极管的理想材料。并仿真了不同阳极电压下V型真空沟道三极管的电子发射性能。

热阴极表面微观发射结构的密度泛函研究

经过一百多年的发展,对热阴极发射水平的提升和发射机理的研究方兴未艾。研究人员致力于寻找低功函数的发射材料来提升阴极发射能力,并采用多种表面分析方法对热阴极表面进行表征,以解释热电子发射的工作机理。B型扩散阴极由于Ba-O偶极层的存在降低了钨表面的功函数,并增强了电子发射;在B型阴极中引入过渡金属Os,Ir,Re等得到具有较低功函数,较高发射能力的M型阴极;含Sc扩散阴极因具有更低的功函数和更高的发射电流密度引起广泛关注。普遍认为这是由于阴极表面形成的低功函数结构引起的。本文基于密度泛函理论,对B型阴极、M型阴极、钪型阴极表面的微观发射结构进行了建模计算,结果表明Ba原子覆盖度影响阴极表面功函数的变化;过渡金属Os的引入会进一步降低表面功函数;随着Sc的掺杂,表面存在形成半导体属性层的趋势;并对不同表面结构的功函数进行加权平均求解,得到了计算阴极表观功函数的计算方程。

等离子体净化工艺对覆膜阴极性能的影响

覆膜阴极因其优异的性能在很多领域具有广泛的应用。本文介绍了覆锇膜阴极预处理过程中增加气体辉光放电环节,实现等离子体净化阴极表面的工艺。通过二极管形式测试,发现等离子体净化使得覆锇膜阴极电子发射性能有大幅提升,对比了不同气体类型和放电时长的处理对阴极发射改善的差异,结果表明,氙气放电持续20 min可以达到较好的净化效果,继续增加放电时间发射提升不明显。本研究为真空电子器件的洁净制备提供了参考依据。

近紫外波段NEA GaN阴极响应特性的研究

为了深入理解近紫外波段NEAGaN阴极的光谱响应特性,在超高真空系统中对MOCVD生长的不同发射层厚度和掺杂浓度的三个样品进行激活实验,并在线测试样品光谱响应.利用反射式GaN阴极量子效率公式和最小二乘法对入射光波长为0.25—0.35μm之间的阴极响应量子效率实验数据进行拟合,分别得到后界面复合速率和拟合直线L的斜率,并使用量子效率公式对入射光波长为0.35μm时的反射式GaN阴极光谱响应量子效率进行仿真.结果表明,后界面复合速率和直线L的斜率都能很好地反映GaN阴极的响应性能,当GaN阴极后界面复合速率小于105cm/s,发射层的厚度取0.174—0.212μm时,阴极光谱响应性能最好.

42CrMo钢牙轮钻头球面固定套轴承激光淬火数值模拟

为了确定42Cr Mo钢牙轮钻头球面固定套轴承激光淬火工艺的最优参数,考虑牙轮钻头轴承的实际工况,通过建立数值计算模型,利用SYSWELD软件,对不同扫描速度、激光功率和光斑尺寸下的激光淬火数值模拟结果进行对比研究。结果表明,球面固定套轴承激光淬火的最优扫描速度为55 mm/s、最优的激光功率为1000 W、最优的光斑尺寸为3.5 mm;在最优参数下,轴承经激光处理后,硬化层深度约为0.9 mm,硬化层硬度约为632 HV,心部硬度约为400 HV,符合牙轮钻头轴承的使用性能要求。

指数掺杂反射式GaAlAs和GaAs光电阴极比较研究

采用指数掺杂技术,通过金属有机化学气相沉积法外延生长了反射式GaAlAs和GaAs光电阴极,GaAlAs发射层的Al组分设计为0.63.在超高真空系统中分别对两种阴极进行激活实验,得到激活后的光谱响应曲线.利用指数掺杂反射式光电阴极量子效率公式对实验曲线进行拟合并分析了电子漂移扩散长度、后界面复合速率、表面电子逸出几率等性能参数对光电发射性能的影响.结果表明,与GaAs光电阴极相比,GaAlAs光电阴极的Al组分虽然在一定程度上不利于光电发射,但是解决了GaAs光电阴极由于响应波段宽而不能很好地用于窄波段可见光探测领域的问题,制备出只对蓝绿光响应的反射式GaAlAs光电阴极.