Способ определения температуры оптически прозрачного объекта

Изобретение относится к термометрии, в частности к бесконтактным способам определения температур объектов, которые могут находиться в экстремальных зонах. Способ включает размещение на объекте термочувствительного элемента и измерение спектра фотолюминесценции термочувствительного элемента до и после действия на объект высоких температур. По сужению ширины полосы спектра определяют значение температуры объекта. В качестве термочувствительного элемента используют наночастицы сульфида мышьяка в борсиликатном стекле. Изобретение обеспечивает расширение диапазона дистанционного определения температуры.

 

Изобретение относится к термометрии, в частности к бесконтактным способам определения температуры объектов, которые могут находиться в экстремальных зонах температурами выше 1000°С, и может быть использовано для дистанционного измерения объектов, в которых изменения определенных характеристик связано с температурой. Известен способ определения температуры объекта по его люминесцентным характеристикам [1. SU 1515070, G 01 К 11/00, 1989]. Согласно способу объект размещают в измерительный блок спектрометрического прибора и измеряют оптическое пропускание на двух длинах волн, которые соответствуют максимумам поглощения. По калибровочному графику определяют значение температуры объекта.

Основным недостатком способа является его применение только для прозрачных объектов в определенной области длин волн.

Наиболее близким к предложенному является способ определения температуры объекта по его люминесцентным характеристикам [2. SU 1758451, G 01 К 11/20, 1992]. На объекте контроля устанавливают термочувствительный элемент из соединений уранила. Импульсным лазерным излучением микросекундного диапазона возбуждают его люминесценцию. Согласно способу измеряют период времени от момента возбуждения люминесценции до достижения максимальных значений ее интенсивности в выделенном спектральном интервале, по которому определяют искомую температуру. Термочувствительный элемент, в качестве которого используют соединения уранила, имеет постоянную затухания люминесценции, которая является постоянной в интервале 170-270 К.

Применение способа ограничено как нижней, так и верхней границами температур из-за свойств термочувствительного элемента. Кроме того, термочувствительный элемент приводят в тепловой контакт с объектом только на стадии измерения температуры объекта.

Техническая задача изобретения - расширение диапазона дистанционного определения температуры.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения температуры наноструктурированного объекта, включающем измерение спектра фотолюминесценции объекта, измерение спектра фотолюминесценции объекта проводят на прозрачных диэлектрических матрицах с наноразмерными частицами до и после действия высоких температур на объект, после чего по изменению свойств спектральных характеристик люминесценции наноструктурированного объекта определяют значение температуры, при которой было осуществлено действие высоких температур.

В качестве термочувствительного элемента применяют нанопорошок сульфида мышьяка в борсиликатной матрице.

Предложенный способ определения температуры от известного отличается тем, что нанопорошок сульфида мышьяка в борсиликатной матрице размещают на некотором объекте, который может находиться в экстремальных условиях высокой температуры. Например, если на летательных объектах (самолетах или ракетах) во время аварийной ситуации загораются определенные участки, то по изменению свойств спектральных характеристик люминесценции можно определить эти участки. Данные по измерению спектра люминесценции нанопорошка сульфида мышьяка в борсиликатной матрице до отжига имеет характерную полосу с широким максимумом при Е=2,13 эВ. После отжига ширина полосы сужается и вид спектра становится близким к спектру фотолюминесценции кристаллического сульфида мышьяка, что характеризует изменение агрегатного состояния нанопорошка (от аморфного к кристаллическому), который связан с ростом кристаллитов в матрице при воздействии высоких температур.

Чем выше температура и продолжительность процесса отжига, тем большим становится средний размер кристаллитов и выше плотность полученных частиц.

Наноразмерные частицы сульфида мышьяка получают путем измельчения исходного материала в высокоэнергетических шаровых мельницах. Измельчение прекращают, когда размер частиц достигает постоянного размера в несколько десятков нанометров.

Способ определения температуры поясняется примерами.

Пример 1.

Борсиликатное стекло легируют сульфидом мышьяка AsS. На спектре фотолюминесценции изготовленного образца выявлена широкая полоса с максимумом Е=2,13 эВ.

Легированное сульфидом мышьяка борсиликатное стекло отжигали при 700°С в течение 2-х ч. На спектре фотолюминесценции выявлено сужение ширины полосы.

Пример 2.

Изготовлен расплав AsS в борсиликатном стекле. Расплав AsS находится в рассеянном атомарном и молекулярном состоянии, замораживается при отпуске температуры расплава до комнатной. В этом состоянии стекло является перенасыщенным твердым раствором полупроводника в прозрачной борсиликатной матрице. На данном образце проводят измерения спектра фотолюминесценции. После отжига образца при температуре порядка 720°С проводят измерения повторного спектра фотолюминесценции. Выявлено сужение ширины максимума при энергии Е=2,13 эВ.

Преимущество данного способа состоит в том, что измерение спектров фотолюминесценции борсиликатного стекла с нанопорошком сульфида мышьяка до и после отжига дает возможность применить его в объектах, которые могут быть подвержены экстремальным температурам. Если эти образцы разместить, например, в разных местах самолета, то возможно определить место загорания. В местах, где температура горения будет выше, на спектрах люминесценции будет выявлено сужение максимума при указанной энергии.

Шаровое измельчение на данное время является промышленным процессом для обеспечения большого количества наноразмерных материалов.

Изобретение может быть использовано в контрольных приборах летательных аппаратов (самолетов, ракет и т.п.).

Способ определения температуры оптически прозрачного объекта, заключающийся в размещении на объекте термочувствительного элемента и измерении спектральных характеристик термочувствительного элемента, по изменению которых определяют значение температуры объекта, отличающийся тем, что в качестве термочувствительного элемента используют наночастицы сульфида мышьяка в боросиликатном стекле, измерение спектра фотолюминесценции наночастиц сульфида мышьяка в боросиликатном стекле проводят до и после действия на объект высоких температур, по сужению ширины полосы спектра определяют значение температуры объекта.