Термозонд для измерения теплопродности твердых тел Советский патент 1980 года по МПК G01N25/18 

(54} ТЕРДЮЗОНД ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕНЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ 37 Недостатками описашюго устройства являются: невозможность измерения тепл проводности твердых тел неправильной формы с размерами менее 10 мм, сложность крепления датчиков температуры к образцу.. Известно также устройство для измер ния теплопроводности ал1у1азов 2 методом гфодольного теплового потока, велич на которого определяется тепломером. Образец в виде прямоугольного стерж .|Ня пр.ижз1мается ко дну измерительной |ячейки тепломером, представляющим собо длинный медный стержень с плоской пято .на конце. Корпус измерительной ячейки охлаждается азотом. Тепломер центрируется внутри яче1жи эбог-штовой втупкой и зайсимается вьнтом. На тепломере разметеньт нагреватель, являющийся источником измеряемого теплового по тока, и дифференциальная термопара. Образец длиной 4,8 мм имеет, два расположенных на расстоянии - 2 мм друг от друга глухих отверстия, внутри которых закреплены клеем спаи дифференциальной термопары. Тепломер предварительно калибруют для получения егх эффективной теплопроводности во всем диапазоне измеряемых температур. Теплопроводность образца определяется по формуле Л-,(2) -эффективная теплопроводност тепломера; А - коэффициент,учитывающий форму и размеры образца; д д /д соотноще1ше измеряемых ЭДС термопар тепломера и образца. Это устройство имеет те же недостатки, что и описанное ранее; кроме того, при высверливавши отверстий нарушае ся целостность исследуемого образца. Наиболее близким к предложенному 5шляется устройство, представляющее собой термозонд З. ; На jcopnyce термозонда укреплены на греватель, создающий тепловой поток, до полнительный нагреватель для компенсации потерь тепла, термопара для контроля компенсации л измерения разности . температур. Термозонд заканчивается ал мазным наконечником, имеюшим сферичес кое закругление, так что при достаточном усилии прижима тепловой поток попадает в образец через малую круговую площадь с известным рад -гусом. Теплопроводность определяют путем ввода в образец потока тепла с постоянной скоростью через термический контак 8 термозонда с образцом, имеющий низкое; термическое сопротивление и малую площадь известной величины. При этом возникает термическое сопротивление стягивания, которое не зависит от формы и размеров образцов, а определяется только величиной его теплопроводности и радиусом площади контакта. Теплопроводность определяется из соотношения Q - скорость в.вода тепла или вводимая мощность; h - радиус площади ввода тепла; ЛТ - разность температур в зоне ввода тепла (Т) и на противоположной сюроне образца (Т2) Для надехшого измерения теплопроводности подобным термозондом необходитло точное измерение разности температурдТ Измерение Т2.не вызывает затруднений, а измерение Т в описанном устройстве непосредственно осуществить невозможно. Возникает необходимость калибровки устройства на кристаллах с известной тенлопроводностью с целью определетпш составляющих перепада температур ЛТ Калибровка по кристаллам с очень высокой тенлопроводностью рсложняется отсутствием алмазных эталонов, т. е. кристаллов с точно известной величиной Л Это вызывает необходимость нроп дения дополнительного Ш1кла измерений Л этих материалов известными методами и устройствами на образцах больших размеров правильной геометрической формы. Если таковые отсутствуют, то калибровка невозможна. Цель изобрете1-шя - повышение точности и упрощение измерений. Указанная цель достигается , что наконечник вьтолнен из полупроводникового алмаза и снабжен эле7стрическими контактами. На фиг. 1 показан предложенный термозонд в разрезе; на фиг. 2 - зависимость сопротивлешш полупроводникового алмаза от температуры. Термозонд состоит из корпуса 1, основного нагревателя 2, создающего тепловой ноток, вводимый в образец, компен- сируюшего нагревателя 3, дифференшшльной термопары 4 для контроля компенсаШ1И потерь тепла основного нагревателя ,. наконечника 5 из полупроводникового ал57маза, имеющего сфорическое закругление и электричесюгеконтакты 6и ТспровоД шгками 8,9, термопары 10. Теплопроводность измеряется следующим образом. При приложении даншепия Р постоятшый поток тепла, создаваемый нагревателем 2, вводится в исследуемый алмазный образец 11 через малую площадь контакта полупроводникового алмазHOIXI наконечника 5 с поверхностью образца. Две противоположные грани алмаз ного наконечника имеют контакты 6 и 7 к которым присоединены золотые проволочки диаметром ЗО мкм (.тонкие пртводншси используются для уменьшения тепло вых потерь). Эти проводнтш подключаются к измерителю электрического сопротивления алмазного наконечника. Темпера тура Т в зоне контакта определяется по величине электрического сопротивлешш из его зависимости от температуры (фиг. 2) Температурный коэффи1шект conpoTjmления для любой температ.уры определяется как , Ъ - ТП где Т - исходная температура, Т- коr-i п нечная температура Jv-j-n Ь элэктрическое сопротивле ше алмазного наконечника соответственно при температурах Т и Т. Удельное сопротивление образца равно .P-t Так как электропроводность полупрово никовых алмазов обусловлена паличием акцепторной примеси (Hanpinviep, атомов бора), получить полупроводшжовые алмазы можно либо путем сшгтеза, либо легированием обычных природных алмазов при высоких давлениях и температурах. Величина удельного электрического сопротивления таких алмазов определяется уровнем легирования. Для сильнолегироваяного алмаза с удельным сопротивлением р 1,0 Ом.см. абсолютное значение при .комнатной температуре составляет примерно 0,5% градГ J для ал.1азов с удельным сопротивлением более 1,ООк-1см cL может достигать 4% град . и более. Из фиг. 2 видно, что в&пкч1иа дб может иметь разные значения в различных температурных диапазонах. В обшем случае характер тe лпepaтypнoй зависимости опреде086ляется температурной зависимостью удельного сопрот1голг-1 га полупроводникового аль.таза. Использовакио пoл пpoвoдJrикoвoгo алмаза п TepN 030Hne позволяет с тцоственно ущюстить процесс онределещш теплопроводпости, исключив предварительную кали-б -опку и увел1гчив точность измерения ДТ . Кроме того, не требуется крепления термопар к . Дополтггельное преимущество предлагаемого термозонда заключается в том, что полупровод1П1ковый алмаз можно использо.пать как самостоятельный источн1ж тепла. Это 1зозмо 1аю при пропусканю через полупроводниковый алмаз достаточно болтэшохх) электрического тока, который нагревает ег за счет выделешшл оулова тепла. Предварительно полтчепная завлсимость температуры нагрева этого алмаза от подводимой мощности позволяет одновременно определять количество тепла, вводимого в образец, и текп1ературу в зоне контакта. Тормозонд с 1пкопеШ1п ом из полупроводниковогхз алмаза позволяет повыс.пть точность из ;ореп1п 1 iia 7-8% и вдвое сократить время лзморепий. Формула изобретения Термозопд для намерения тошюпроводпостн твердых тел преик ущественно неправильной , например алк-1азов, БКлючаю Я(й корпус в виде стержня, нагреватель и алмазный накопечшж со сфе- рическим закруглением, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, о целью повышения точности и шрощепия изх-герений, наконечнгас выполнен из полупроводншсового алмаза и спабжен электрическпкпг контактами. Источнп1-си тшфорь-шции, принятые во внимание при экспертизе ibarmanR-,71116 erraqu conductiNji-ties oi some aAetectv-ic soaid at tow tewpet atures,Proc.Roa.Soo.A, ,208,pp.90-iO72.Линский Д. Б. и др. Устройство ля измерения тсилоп; водности алмазов. б. Алмазы и сво(1хтвордыо .атерг1алы°, ., 1975, Хо 4, с. 22-23. 3.Патент США 3011780, л. 73-15.

.v; -f «- -- -. л .

708208

y/

J«5

f03/T(Off-fl

аг.2