Способ определения локальных теплофизических характеристик твердых материалов

 

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 фазовоструктурного 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) Ai (51) 4 С 01 N 25/18 29/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4176010/31-25 (22) 06,01,87 (46) 30.11.88. Бюл. N- 44 (71) Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе (72) А.Л. Глазов, Г. К. Григорьев, Н.П.Калмыкова и К,Л.Муратиков (53) 536.6(088.8) (56) Анатычук Л.Н., Лусте О.Я, Микрокалориметрия.Львов: Выща школа, 1981.

Патент США И - 4255971,15.05.80. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения локальных теплофизических характеристик твердых материалов ° Цель изобретения †. расширение области применения путем обеспечения возможности определения удельной теплоты фазовоструктурного перехода исследуемого материала. Для определения удельной теплоты фаэово-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 беэ фаэово-структурного перехода и зарегистрированной формой.

1 ил.

1441285

Изобретение относится к теплофизическим 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- 1р дуемых материалов.

Информация о фазово-структурных переходах заложена в форме регистрируемого электрического сигнала. Однако из-за однократности фазово-.струк- 15 турного перехода излучение на материал должно носить моноимпульсный характер. В результате процессов, про,исходящих под воздействием теплового разогрева материала, форма импульса 2р теплового колебания претерпевает изменения. Форма электрического сигнала содержит всю информацию о характере происходящих изменений. Для того чтобы зарегистрировать. эти изме- 25 нения необходимо задавать форму элект- ромагнитного импульса. При этом сама форма сигнала может быть произвольной (колоколообразной, прямоугольной, трапецеидальной и т.д.) . Верхняя З0 граничная частота данного импульса опрецеляет 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, 2а фр что имеет место при f «,у . Если

Ь а 4р длина возбужденной волны больше, то она проходит через толщину образца, не взаимодействуя с материалом. Ilpeобразуя акустический сигнал в электрический, получают широкий спектР 45 частот. Низкочастотная составляющая сигнала несет информацию о скрытой теплоте фазово-структурного перехода.

Выделяя эту составляющую, например, с помощью фильтра низких частот с частотой пропускания меньше f,,получаем информацию о наличии самого фазо1 во-структурного перехода и его параметрах.

Для измерения. параметров, связанных с фазово-структурным переходом, необходимо произвести сравнение двух сигналов-сигнала, получаемого без фазово-структурного перехода, дающего отклик системы на импульс воздеиствия заданной формы, и сигнала, полученного в результате фазово-структурного перехода.,Изменение формы сигнала выражается в виде всплесков, отражающих выделение скрытой теплоты перехода.

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

Р (f) -2 i ill

q(t) = „df + М(Е)е

PÄ(f) о где P (f), P (f ) — Фурье преобразования

Ф ф от временных функции, описывающих отклик .

Фотоакустической системы, соответственно на лазерный импульс и выделение энергии при фазово-структурном переходе;

M(f) — Фурье преобразование от временной функции, задающей изменение мощности лазерного импульса во времени, f — верхняя граница полосы проо пускания фильтра.

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

Для достижения положительного эффекта необходимо знать энергию импульса излучения, требующуюся для осуществления фазово-структурного перехода в образце. Обычно известна температура перехода и теплофизические параметры исходного образца, что позволяет рассчитать энергию импульса излучения. Если же она неизвестна, то необходимая энергия импульса подбирается экспериментально.

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, низкоз 144128 частотный фильтр 7, усилитель 8 мощности, задающий генератор 9, осциллограф 10, фоторегистратор 11 °

В схеме устройства для реализации

5 предлагаемого способа в качестве нагревающего излучения применяют излучение лазера ЛГН-503 с выходной мощностью 1 Вт. Для создания однократных импульсов на выходе располагается 1О модулятор МЛ-102А, управляемый 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 камерысоединяется акустическим каналом с датчи. ком 6. В одном корпусе с датчиком 20 находится предусилитель. В качестве исследуемых образцов были выбраны пленки халькогенидных стеклообразных полупроводников состава Т1 $е-As Teэ а толщиной 1-2 мкм на тефлоновой под- >5 ложке толщиной 50 мкм. Для данных см2 пленок а, = 1 . Генератор, рабос тающий в режиме однократного запуска, через усилитель мощности формировал 30 трапецеидальный импульс амплитудой

240 В, время нарастания фронта импульса . = 10 с что соответствует

f = 1 ИГц. Регистрацию акустическоЬ го сигнала и одновременно роль фильт- З5 ра низких частот выполняет микрофон

МК3-5 с предусилителем, у которого верхняя граничная частота составляет 18 кГц.

Таким образом, выполняется условие, предложенное для определения скрытой 4п теплоты фазово-структурного перехода.

Регистрация сигнала производится осциллографом С1-70 в режиме однократного запуска с последующей записью отображенного сигнала на фоторегист- 4б ратор 11.

Определение энергии лазерного излучения, необходимой для осуществления фазово-структурного перехода, .подбирается экспериментальным путем. Для 50

\ этого 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 выделения энергии для различных энергий лазер4 ных 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-структурно го перехода 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 Р (). 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 экспериментальными данными, показало их хорошее совпадение ° Поэтому в дальнейшем обработка экспериментальных результатов, касающихся фазово-структурных переходов, также производится с помощью выражения (1) .

Таким образом, например, для пленки состава Tl+Se Аз Тез было получено значение удельной теплоты перехода Q = - (S — площадь участка об0 Я разца, на котором произошел переход) значение Я, = (6+2)х10 . Анализ

Дж

Ф динамики вьщеления энергии с помощью выражения (1) показал, что оно в использованном 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

Формула изобретения

2а с

Составитель В.Марченко

Редактор N.Ëàçîðåíêo Техред A.Kðàâ÷óê Корректор Л.Пилипенко

Заказ 628 1/47 тираж 847 Подписное

ВНИИПИ: Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 13035, Москва, Ж-35, .Раушская наб., д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная, 4

5 14412 теплоту фазово-структурного перехода и может быть рекомендован в качестве методики локального контроля укаэанных характеристик в промьппленных условиях.

Способ определения локальных теп- 1ð 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, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью расширения области применения путем обеспе- 2р чения определения удельной теплоты фазово-структурного перехода исследуемого материала, в качестве электромагни-..ного излучения используют моноимпульсное излучение с заданной формой огибающей импульса, выделяют низкочастотную составляющую электрического сигнала, регистрируют Форму данного сигнала и по разнице между заданной формой электрического сигнала, получаемой в отсутствие фазовоструктурного перехода, и зарегистрированной формой судят Об искомой характеристике, при этом верхнюю граничную частоту f моноимпульсного излу8 чения выбирают из соо-ношения где а — среднее значение коэффициСР ента температуропроводности исследуемого образца,м /с;

d — толщина образца, м.