Способ определения локальных теплофизических характеристик твердых материалов Советский патент 1988 года по МПК G01N25/18 G01N29/00 

N9

00

ел

Изобретение относится к теппофи- зическим измерениям и может быть использовано для определения локальных теплофизических характеристик твердых материалов.

Целью изобретения является расширение области применения путем обеспечения определения удельной теплоты фазово-структурного перехода иссле- дуемых материалов.

Информация о фазово-структурньк переходах заложена в форме регистрируемого электрического сигнала. Однако из-за однократности фазово-струк- турного перехода излучение на материал должно носить моноимпульсный характер. В результате процессов, про- . исходящих под воздействием теплового разогрева материала, форма импульса теплового колебания претерпевает изменения. Форма электрического сигнала содержит всю информацию о характере происходящих изменений. Для того чтобы зарегистрировать эти изме- нения необходимо задавать форму элект ромагнитного импульса. При этом са- ма форма сигнала может быть произволной (колоколообразной, прямоугольной, трапецеидальной и т.д.). Верхня граничная частота данного импульса определяет возбуждения температурных волн в объекте. Воздействие на образец однократным импульсом возбуждает в нем тепловые волны разной длины. Если длина возбужденной волны меньше толщины образца, то она несет информацию о теплофизических параметрах,

л

что имеет место при f S -ГТГ Если

длина возбужденной волны больше, то она проходит через толщину образца, не взаимодействуя с материалом. Преобразуя акустический сигнал в электрический, получают широкий спектр частот. Низкочастотная составляющая сигнала несет информацию о скрытой теплоте фазово-структурного перехода Вьщеляя эту составляющую, например, помощью фильтра низких частот с час- тотой пропускания меньше f , получаем информацию о наличии самого фазово-структурного перехода и его па- раметрах.

Для измерения-параметров, связан- ных с фазово-структурным переходом, необходимо произвести сравнение двух сигналов-сигнала, получаемого без фазово-структурного перехода, даняце О

q(t) I (f)e

го отклик системы на импульс воздействия заданной формы, и сигнала, полученного в результате фазово-структурного перехода..Изменение формы сигнала выражается в виде всплесков, отражающих вьщеление скрытой теплоты перехода.

Определение скорости вьщеления скрытой теплоты перехода q(t) можно произвести, воспользовавшись выражением

,

. ,j

Г..-l 1 /

где P(f),P(f) - Фурье преобразования от временных функций, описывающих отклик . фотоакустической системы, соответственно на лазерный импульс и вьщеление энергии при фазово-структурном переходе;

W(f) - Фурье преобразование от временной функции, задающей изменение мощности лазерного импульса во времениJ

fo

fg - верхняя граница полосы пропускания фильтра.

Входящие в правую часть равенства (1) функции могут быть определены из эксперимента, поэтому оно позволяет восстановить q(t).

Для достижения положительного эффекта необходимо знать энергию импульса излучения, требукяцуюся для осуществления фазово-ст руктурногб перехода в образце. Обьино известна температура перехода и теплофизичес- кие параметры исходного образца, что позволяет рассчитать энергию импульса излучения. Если же она неизвестна, то необходимая энергия импульса подбирается экспериментал-ьно.

На чертеже представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа.

Устройство содержит источник электромагнитного излучения (лазер) 1, оптический затвор 2, фотоакустическая камера 3, исследуемый образец 4, прозрачная подложка 5, акустический датчик 6 с предусилителем, низкочастотньтй фильтр 7, усилитель 8 мощности, задающий генератор 9, осциллограф 10, фоторегистратор 11.

В схеме устройства для реализации предлагаемого способа в качестве нагревающего излучения применяют излучение лазера ЛГН-503 с выходной мощностью 1 Вт. Для создания однократных импульсов на выходе располагается ю модулятор МЛ-102А, управляемьм через задающий генератор Г5-56. Образец 4 материала, помещенный на прозрачной подложке 5, закрепляется в фотоакустической камере 3, представляю- 15 щей собой полый цилиндр из алюминия со стеклянными окнами на торцах. Изолированный объем газа камеры соединяется акустическим каналом с датчи ком 6. Б одном корпусе с датчиком 20 находится предусилитель. В качестве исследуемых образцов были выбраны пленки халькогенидных стеклообразных полупроводников состава Т1 Se-As Te толщиной 1-2 мкм на тефлоновой под- 25 ложке толщиной 50 мкм. Для данных

пленок ip; 1. Генератор, работающий в режиме однократного запуска, через усилитель мощности формировал 30 трапецеидальный импульс амплитудой 240 В, время нарастания фронта импульса 10 с, что соответствует

и

1 МГц. Регистрацию акустическоных импульсов с помощью выражения (1) Сравнение экспериментальных и теоретических результатов показывает, что их совпадение находится в пределах точности эксперимента. В дальнейшем -требуемое для перехода значение энергии определяется по появлению на осциллограммах фотоакустических сигналов характерных выбросов. После это го на образец подаются импульсы лазерного излучения с энергией,обеспечивающей получение фазово-структурного перекода в образце. Тогда при попадании на участок образца импульса на нем происходит переход. Ранее регистрируется сигнал от образца без перехода. Разность между двумя импульсами определяет величину сигнала Pn(t). Поскольку остальные величины в правой части, выражения (1) также известны, то его можно использовать для определения q(t).

Работоспособность формулы (1) проверялась путем подачи на образец двух импульсов лазерного излучения разной формы с энергией недостаточной для осуществления перехода. При этом один из них играл роль эталонного сигнала, форма другого в интервале частот от 20 до 18 кГц восстанавливались с помощью (1). Сравнение теоретических результатов, получаемых с помощью формулы (1), с экспериго сигнала и одновременно роль фильт- 35 ментальньми данными, показало их хора низких частот вьшолняет микрофон рошее совпадение. Поэтому в дальнейных импульсов с помощью выражения (1) Сравнение экспериментальных и теоретических результатов показывает, что их совпадение находится в пределах точности эксперимента. В дальнейшем -требуемое для перехода значение энергии определяется по появлению на осциллограммах фотоакустических сигналов характерных выбросов. После этого на образец подаются импульсы лазерного излучения с энергией,обеспечивающей получение фазово-структурного перекода в образце. Тогда при попадании на участок образца импульса на нем происходит переход. Ранее регистрируется сигнал от образца без перехода. Разность между двумя импульсами определяет величину сигнала Pn(t). Поскольку остальные величины в правой части, выражения (1) также известны, то его можно использовать для определения q(t).

Работоспособность формулы (1) проверялась путем подачи на образец двух импульсов лазерного излучения разной формы с энергией недостаточной для осуществления перехода. При этом один из них играл роль эталонного сигнала, форма другого в интервале частот от 20 до 18 кГц восстанавливались с помощью (1). Сравнение теоретических результатов, получаемых с помощью формулы (1), с экспери

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения локальных теплофизических характеристик твердых материалов. Цель изобретения -г расширение области применения путем обеспечения возможности определения удельной теплоты фазово- структурного перехода исследуемого материала. Для определения удельной теплоты фазово-структурного перехода на исследуемый материал воздействуют моноимпульсным электромагнитным излучением с заданной формой огибающей импульса и регистрируют низкочастотную составляющую электрического сигнала, образующегося путем преобразования акустического сигнала при изменении состояния окружающей исследуемый образец среды, а об искомой характеристике судят по разнице между заданной формой электрического сигнала без фазово-структурного перехода и зарегистрированной формой. 1 ил. se (Л

МКЭ-5 с предусилителем,у которого верхняя граничная частота составляет 18 кГц. Таким образом, вьшолняется условие, предложенное для определения скрытой 40 теплоты фазовр-структурного перехода. Регистрация сигнала производится осциллографом С1-70 в режиме однократного запуска с последующей записью отображенного сигнала на фоторегист- 45 ратор 11.

Определение энергии лазерного излучения, необходимой для осуществления фазово-структурного перехода, .подщем обработка экспериментальных результатов, касающихся фазово-струк- турных переходов, также производится с помощью выражения (1).

Таким образом, например, для пленки состава Tl Se- AsjTe было получено значение удельной теплоты перехо- - (S - площадь участка об- ъ

да Q,

разца, на котором произощел переход)

9 Дж

значение Q (6±2)х10 5 « Анализ

динамики вьщеления энергии с помощью

бирается экспериментальным путем. Для 50 вьфажения (1) показал, что оно в исэтого на образец подаются импульсы лазерного излучения, начиная с малых значений энергии и регистрируются фотоакустические сигналы от них. На этой стадии по снятым осциллограммам фотоакустических сигналов производится теоретическое восстановление соответствующих им скоростей вьщеления энергии для различных энергий лазерщем обработка экспериментальных результатов, касающихся фазово-струк- турных переходов, также производится с помощью выражения (1).

Таким образом, например, для пленки состава Tl Se- AsjTe было получено значение удельной теплоты перехо- - (S - площадь участка об- ъ

да Q,

разца, на котором произощел переход)

9 Дж

значение Q (6±2)х10 5 « Анализ

динамики вьщеления энергии с помощью

пользованном диапазоне частот происходит практически мгновенно, так как отклик фотоакустической системы на это воздействие совпадал с откликом, вызываемым дельтообразным возмущением.

Предложенный способ позволяет определить локальную теплофизическую характеристику материала: удельную

теплоту фазово-структурного перехода и может быть рекомендован в качестве методики локального контроля указанных характеристик в промьшшенных условиях.

Формула изобретения

Способ определения локальных теп- лофизических характеристик твердых материалов, включающий воздействие на исследуемый образец электромагнитным излучением, преобразование акустического сигнала, образующегося при изменении состояния окружающей образец среды, в электрический и регистрацию его амплитуды, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения путем обеспе- чения определения удельной теплоты фазово-структурного перехода исследуемого материала, в качестве элект-

- Составитель В.Марченко Редактор М.Лазоренко Техред А.Кравчук Корректор Л.Пилипенко

Заказ 6281/47

Тираж 847

ВНИШТИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, .Раушская наб., д. 4/5

А d

ромагни ; ного излучения используют моноимпульсное излучение с заданной формой огибающей импульса, вьщеляют низкочастотную составляющую злектри- ческого сигнала, регистрируют форму данного сигнала и по разнице между заданной формой электрического сигнала, получаемой в отсутствие фазово- структурного перехода, и зарегистрированной формой судят об искомой характеристике, при этом верхнюю граниную частоту fg моноимпульсного излучения выбирают из соо- ношения

f ь d

среднее значение коэффициента температуропроводности исследуемого образца, толщина образца, м.

//

Подписное