СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ СТРУКТУРЫ ОБЪЕКТОВ Российский патент 1997 года по МПК G01H1/00 

Изобретение относится к измерительной технике, радиотехнике и электронике, а именно к средствам неразрушающего контроля физико-химических свойств материальных объектов, и может быть использовано для исследования возникшей благодаря самоорганизации электронной макроструктуры материалов, деталей, конструкций, узлов технических систем, биологических систем и живых организмов.

В настоящее время существует проблема исследования кооперативных процессов, ответственных за электронную динамическую макроструктуру неравновестных систем, процессов перераспределения энергии в таких системах из одного субпространства в структуре тока в другое из-за различной устойчивости во времени диссипативных структур.

Известные способы исследования электронной структуры материальных объектов основаны на использовании больших количеств энергии, поскольку именно такие количества необходимы на возбуждение микросистемы электронной или ядерной системы отдельных атомов.

Такие способы не позволяют исследовать процессы самоорганизации и микроструктуры электрического тока, которая возникает за счет кооперативных процессов, сопровождающихся выделением или поглощением большой энергии.

Известен способ определения амплитудно-частотных характеристик контакт-деталей радиокомпонентов, заключающийся в неподвижном закреплении радиокомпонента относительно Земли и постоянного магнитного поля, периодическом пропускании через контакт-детали однополярных импульсов тока с регулируемыми частотой исследования и амплитудой и со скважностью, равной двум, и измерении разности электрических потенциалов на контакт-деталях радиокомпонентов во время пауз между упомянутыми импульсами тока /1/.

Однако известный способ не обладает универсальностью и зависит от типа исследуемых материалов, их агрегатного состояния, от свойств и конструкции систем, которые требуют для своего анализа различные количества энергии и различное техническое оборудование.

Наиболее близким техническим решением является способ определения амплитудно-частотных характеристик материальных объектов, включающий воздействие на объект или его часть, помещенные между электродами, электрическим полем путем приложения к электродам постоянного тока, измерение разности электрических потенциалов на соответствующих контактах объекта, преобразование и разложение последней в амплитудно-частотную характеристику мощности спектральной плотности тока в диапазоне частот, превышающих границу области фликер-шума /2/.

Задачей изобретения является выявление границы области фликер-шума, когда мощность спектральной плотности тока резко увеличивается при уменьшении частоты в соответствии с выражением

где 1 ≅ γ ≅ 2.

Делают это с целью избежать диапазона низких частот, при использовании приборов и устройств, когда шум резко возрастает и становится значительно больше белого шума.

Известный способ не позволяет изучать структуру электрического тока и процессы самоорганизации материальных объектов, определяющие устойчивость последних во времени к воздействию неблагоприятных факторов.

Новым достигаемым техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей низкочастотных анализаторов спектра путем анализирования амплитудно-частотных характеристик материальных объектов в области фликер-шума и теоретической интерпретации полученных результатов как дитермированных временем суток процесса самоорганизации.

Технический результат достигается тем, что в способе определения устойчивости структуры объектов, заключающемся в том, что через исследуемый объект пропускают постоянный ток, измеряют разность электрических потенциалов между двумя точками в течение заданного интервала времени и представляют ее в виде спектра плотности мощности шума разности электрических потенциалов, по параметрам которого судят об устойчивости структуры объектов, согласно изобретению, спектр плотности мощности шума регистрируют в диапазоне низких частот до частоты разделения фликер-шума и белого шума, на зарегистрированном спектре получают семейства параллельных прямых путем проведения каждой прямой через максимальное количество точек-значений спектральной плотности мощности шума тока, пересечением полученных семейств параллельных прямых определяют границы частотных интервалов, соответствующих отдельным семействам параллельных прямых, а об устойчивости структуры объектов судят совместно по значениям полученных границ параллельных прямых соответствующего частотного интервала и тангенса угла наклона этих прямых.

Кроме того, технический результат достигается тем, что измерение разности электрических потенциалов осуществляют в течение суток с фиксированием спектра плотности мощности шума через 1 ч.

Кроме этого, технический результат достигается тем, что исследуемый объект экранируют от электромагнитных полей и излучений при температуре жидкого азота.

На фиг. 1-3 представлены спектрограммы и зависимости, поясняющие предлагаемый способ.

Материальный объект с электродами может быть установлен в темноте при температуре жидкого азота и экранирован от влияния электромагнитных полей и излучений.

Способ реализуют следующим образом.

Исследуемый материальный объект, например фоторезистор, в виде монокристаллической пленки твердого раствора Cd_0,2Hg_0,8Te (n-типа, толщиной 10-20 мкм) на сапфире, с концентрацией основных носителей 3•10¹⁴ см^-3 и подвижностью μ = 10⁵ см²/В и закрепляют при помощи омических контактов из индия между электродами четырехзондовой термостатической ячейки. Ячейку вместе с системой термоконтроля помещают в темноту в вакуумный термостат, находящийся в заземленном латунном корпусе. Термоконтроль осуществляют по зависимости величины темнового сопротивления образца от температуры при помощи цифрового мультиметра.

Через два крайних электрода от постоянного источника тока пропускают ток I 0,6 мА и воздействуют элекрическим полем на фоторезистор. Осуществляют измерение разности электрических потенциалов между средними электродами посредством мультиметра. Преобразуют разность электрических потенциалов путем передачи снятого сигнала на предусилитель с уровнем собственного шума 1-2 дБ высокочастотной фильтрации, регулировки тока смещения и усиления сигнала в 200 раз. Предусилитель используется при необходимости, когда снимаемый электрический потенциал мал по величине. Затем осуществляют разложение разности электрических потенциалов в амплитудно-частотную характеристику спектральной плотности мощности тока с помощью низкочастотного анализатора спектра, подключенного к выходу предусилителя, и определяют зависимость амплитудно-частотной характеристики от времени. Анализатор работает в реальном масштабе времени в течение суток фиксированием S(ω) с интервалом 1 ч, проводя линейное усреднение из 128 значений S(ω) получаемой от образца информации спектров амлитудно-частотных характеристик в каждой из 400 узких частотных интервалов (12,5 Гц) спектра от 0 до 2000 Гц в области фликер-шума за 200 мс автоматически. Амплитудно-частотные характеристики исследуемых процессов от времени расшифровывает посредством построения спектрограммы фликер-шума (фиг.1), описываемой выражением

где S(ω) амплитудно-частотная характеристика спектральной плотности мощности шума тока в области фликер-шума, дБ;
ω частота;
скорость изменения энергии-массы пространственно-временных диссипативных структур при изменении частоты в пределах интервала ΔW;
ΔW интервал частот, показывающий область устойчивости пространственно-временных структур объекта, формирующих субпространства структуры тока определенной степени изотропности, и определяемый из выражения
ΔW=Wnкр

-Wn-1кр,
где Wnкр и Wn-1кр критические частоты, определяемые пересечением последовательных параллельных прямых, образуемых совокупностью максимального количества точек, принадлежащих интервалу ΔW.

После этого судят о параметрах электронной макроструктуры объекта по величине интервала ΔW, числу интервалов ΔW, определяющих устойчивость электронной макроструктуры и ее функциональное предназначение к внешним воздействиям от времени, и по величине тангенса угла наклона соответствующих параллельных прямых к оси абсцисс, определяющего скорость изменения массы-энергии пространственно-временных диссипативных структур при изменении частоты в пределах интервала ΔW.

При этом анализатор сопряжен с устройством сбора, хранения и обработки информации.

В предлагаемом способе для анализа электронной макроструктуры материальных объектов, например фоторезистора, используют область низких частот до 2000 Гц область фликер-шума, в которой процессы самоорганизации не маскируются большой энергией внешнего источника тока. Благодаря этому предлагаемый способ обладает универсальностью, заключающейся в том, что позволяет исследовать электронную структуру материальных объектов, технических и биологических систем, которым присуще наличие индивидуальной по форме и частоте области фликер-шума в соответствующем диапазоне, ограниченном сопрягающей частотой f_k, например, до 2000 Гц, вне зависимости от типа исследуемых материальных объектов, их агрегатного состояния, свойств и конструкций систем. Таким образом, универсальность способа обусловлена универсальностью метода получения и обработки амплитудно-частотного спектра фликер-шума.

Благодаря расшифровке в предлагаемом способе природы фликер-шума как детерминированного временем суток и сезонных изменений процесса самоорганизации установлено, что описанная выше структура электрического тока возникает благодаря стремлению неэргодических стационарных систем достигнуть максимального значения энтропии. Это стремление реализуется в виде совокупности различных типов пространственно-временных структур, формирующих, как отмечалось выше, субпространства различной степени изотропности.

Энтропия неэргодической стационарной системы с электрическим током зависит от времени и равна сумме энтропий субпространств структуры тока различной степени изотропности

Здесь S_i энтропия i-го субпространства определенной степени изотропности; SS_max, когда S_i=S_imax.

Ha фиг. 2 и 3 представлены результаты измерений некоторых параметров структуры тока в описанном выше фоторезисторе в двух суточных экспериментах, проведенных в одинаковых условиях, но отличающихся по времени эксперимента на два месяца.

Представленные на фиг. 2 и 3 данные зависимости параметров структуры тока критической частоты WIIIкр

величины интервала частоты ΔW=WIIIкр-WIIкр, скорости изменения массы энергии диссипативных структур при изменении частоты в пределах интервала ΔW указывают на жесткую зависимость параметров структуры тока от времени суток и глобальных сезонных изменений.

Результаты испытаний других материальных объектов (вода, раствор спирта в воде различной концентрации, система, в которой протекает реакция Белоусова-Жаботинского), проведенные в темноте при температуре жидкого азота, показали, что спектрограммы фликер-шума имеют вид, подобный показанному на фиг.1, описываются математическими выражениями (2), параметры структуры тока в перечисленных объектах и системах зависят от времени суток и их изменения во время совпадают с изменением аналогичных параметров, показанных на фиг. 2а, б.

Проведение процесса определения амплитудно-частотных характеристик материальных объектов (кроме биобъектов) в темноте при температуре жидкого азота в условиях, исключающих влияние на процессы самоорганизации случайных воздействий (глубокое экранирование, заземление экранов и экранированных проводов), позволяет повысить точность определения параметров электронной структуры динамических процессов.

В случае фоторезистора, других перечисленных выше материалов и человека, определение при помощи низкочастотных анализаторов спектра и предлагаемого способа расшифровки спектрограмм фликкер-шума интервалов времени максимальной устойчивости их структуры позволяет подвергать их максимально возможным электрическим, механическим и радиационным воздействиям в эти периоды без их необратимого разрушения.

Изобретение относится к измерительной технике, радиотехнике, электронике, а именно к средствам неразрушающего контроля физико-химических свойств материальных объектов, и может быть использовано для исследования электронной макроструктуры материалов, конструкций, деталей, узлов технических систем, биологических систем и живых организмов. Достигаемым техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей путем анализирования амплитудно-частотных характеристик материальных объектов в области фликер-шума и теоретической интерпретации полученных результатов как детерминированного временем суток станционарного процесса. Для достижения технического результата в способе, заключающемся в том, что через исследуемый объект пропускают постоянный ток, измеряют разность электрических потенциалов между двумя точками в течение заданного интервала времени и представляют ее в виде спектра плотности мощности шума разности электрических потенциалов, по параметрам которого судят об устойчивости структуры объектов, спектр плотности мощности регистрируют в диапазоне низких частот до частоты разделения фликер-шума и белого шума, на зарегистрированном спектре получают свойства параллельных прямых путем проведения каждой прямой через максимальное количество точек значений спектра плотности мощности шума, по точкам пересечений полученных семейств параллельных прямых определяют границы частотных интервалов, соответствующих отдельным семействам параллельных прямых, об устойчивости структуры объектов судят совместно по значениям полученных границ частотных интервалов и по углу наклона семейства параллельных прямых соответствующего частотного интервала. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения устойчивости структуры объектов, заключающийся в том, что через исследуемый объект пропускают постоянный ток, измеряют разность электрических потенциалов между двумя точками в течение заданного интервала времени и представляют ее в виде спектра плотности мощности шума разности электрических потенциалов, по параметрам которого судят об устойчивости структуры объектов, отличающийся тем, что спектр плотности мощности шума регистрируют в диапазоне низких частот до частоты разделения фликкер-шума и белого шума, на зарегистрированном спектре получают семейства параллельных прямых путем проведения каждой прямой через максимальное количество точек-значений спектра плотности мощности шума, по точкам пересечений полученных семейств параллельных прямых определяют границы частотных интервалов, соответствующих отдельным семействам параллельных прямых, а об устойчивости структуры объектов судят совместно по значениям полученных границ частотных интервалов и по углу наклона семейства параллельных прямых соответствующего частотного интервала. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерение разности электрических потенциалов осуществляют в течение суток с фиксированием спектра плотности мощности шума через один час. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что исследуемый объект экранируют от электромагнитных полей и излучений при температуре жидкого азота.