Способ контроля плотности энергии импульса некогерентного излучения
Изобретение относится к методам радиационной пирометрии. Способ включает воздействие излучения на активный элемент, при этом в качестве активного элемента используют пластины монокристаллического полупроводникового материала различной толщины, добиваются формирования на поверхности пластины локальных областей плавления, измеряют поверхностную плотность плавления и объем жидкой фазы одной локальной области плавления и определяют плотность энергии некогерентного излучения с учетом измеренных величин. Технический результат изобретения: упрощение процесса контроля и расширение диапазона измеряемой плотности энергии импульса некогерентного излучения.
Изобретение относится к методам радиационной пирометрии и может быть использовано для измерения плотности потоков электромагнитного, например некогерентного излучения.
Известны методы измерения потоков электромагнитного излучения с помощью сегнетоэлектрических приемников излучения (Кременчугский Л.С. Сегнетоэлектрические приемники излучения. - Киев, Наукова думка, 1971, с.218-223), обеспечивающие быстродействие при высокой чувствительности. Данный способ имеет существенный недостаток - нагрев сегнетоэлектрика допускается лишь до области фазовых переходов, так как вблизи точки Кюри (в области фазовых переходов) нарушается линейность характеристики выходного сигнала. Поэтому невозможно измерять плотность энергии излучения большой величины.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является измерение энергии импульсов с использованием пироэлектрических детекторов (Экон. Пат. ГДР №260417, МКИ4 G01J 5/10, опубл. 88.09.28, №39). Измеритель энергии излучения с высокой спектральной плотностью). Измерительное устройство устойчиво к воздействию излучения. Активный пироэлектрический элемент имеет тепловой контакт на большой поверхности с теплоаккумулирующим слоем, имеющим шероховатую поверхность на обращенной к излучению стороне. На шероховатой поверхности предусмотрено дополнительно нанесение защитного или адсорбционного слоев.
Данный способ имеет ряд недостатков. Во-первых, для реализации данного способа необходимо сложное измерительное устройство, включающее несколько слоев разнородных материалов, а также требуется сложная аппаратура для обработки сигналов. Еще одним недостатком способа является невозможность измерения плотности энергии излучения большой величины. При больших значениях плотности энергии происходит плавление теплоаккумулирующего и пироэлектрических слоев, что ограничивает возможности данного способа.
Техническим результатом изобретения является упрощение процесса контроля и расширение диапазона измеряемой плотности энергии импульса некогерентного излучения.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что способ контроля плотности энергии импульса некогерентного излучения, включающий воздействие излучения на активный элемент, отличается тем, что в качестве активного элемента используют пластины монокристаллического полупроводникового материала различной толщины, добиваются формирования на поверхности пластины локальных областей плавления, измеряют поверхностную плотность плавления и объем жидкой фазы одной локальной области плавления и определяют плотность энергии некогерентного излучения в соответствии с зависимостью
где Е - плотность энергии излучения; Тпл - температура плавления полупроводникового материала; Тн - начальная температура; ρ - плотность полупроводникового материала; с - теплоемкость; L - толщина пластины; R - коэффициент отражения излучения; Н - удельная теплота плавления полупроводникового материала; N - поверхностная концентрация центров плавления; Vo - объем жидкой фазы одной локальной области плавления.
При облучении пластины полупроводника происходит поглощение излучения пластиной и ее нагрев. Часть энергии излучения (Е), поглощаемая пластиной, составляет Е(1-R). При этом пластина нагревается до температуры
где m - масса пластины; с - теплоемкость; ρ - плотность полупроводникового материала; L - толщина пластины.
В данной зависимости Е имеет размерность [Дж/см2], что соответствует плотности энергии излучения.
Единственным неизвестным параметром является температура, до которой нагревается пластина в процессе действия импульса излучения. В настоящее время нет надежных методов измерения температуры нагрева материала под действием импульса излучения малой длительности (менее 1 с).
Температуру нагрева можно зафиксировать, реализовав плавление материала (температура плавления которого достоверно известна). При этом возникает проблема учета той части энергии излучения, которая расходуется на плавление материала. При использовании металлов расплавляется приповерхностный слой, толщину которого сложно контролировать. В этой связи при разработке данного способа использован эффект локального плавления полупроводников, который заключается в локальном зарождении жидкой фазы на поверхности полупроводника в условиях импульсного нагрева. Процесс локального плавления носит анизотропный характер (островки жидкой фазы имеют четкую кристаллографическую огранку), поэтому данное обстоятельство позволяет точно учесть часть энергии, которая расходуется на образование жидкой фазы.
На основе измерения поверхностной плотности центров плавления и объема жидкой фазы одной локальной области плавления плотность энергии некогерентного излучения определяется в соответствии с зависимостью
где Е - плотность энергии излучения; Тпл - температура плавления полупроводникового материала; Тн - начальная температура; ρ - плотность полупроводникового материала; с - теплоемкость; L - толщина пластины; R - коэффициент отражения излучения; Н - удельная теплота плавления полупроводникового материала; N - поверхностная концентрация центров плавления; Vo - объем жидкой фазы одной локальной области плавления.
Второе слагаемое в данной зависимости плотности энергии излучения учитывает часть энергии, которая расходуется на образование жидкой фазы полупроводника.
Таким образом, как следует из зависимости, изменяя толщину пластины можно изменять величину контролируемой плотности энергии излучения.
Упрощение процесса контроля плотности энергии импульса некогерентного излучения достигается отсутствием в заявляемом способе сложных измерительных устройств; расширение диапазона измеряемой плотности энергии импульса некогерентного излучения обеспечивается использованием эффекта локального плавления полупроводников, что позволяет контролировать плотность энергии излучения большой величины.
Сущность изобретения заключается в том, что качестве активного элемента используют пластины монокристаллического полупроводникового материала различной толщины, под действием излучения добиваются формирования на поверхности пластины локальных областей плавления, измеряют поверхностную плотность плавления и объем жидкой фазы одной локальной области плавления и определяют плотность энергии некогерентного излучения в соответствии с выведенной зависимостью.
Пример, подтверждающий возможность осуществления изобретения с получением положительного эффекта при использовании всей совокупности существенных признаков изобретения, указанной в его формуле.
Контроль плотности энергии импульса некогерентного излучения осуществлялся на установке импульсной термообработки УОЛ.П-1. Излучающими элементами установки являлись три ксеноновые газоразрядные лампы ИНП-16/250А. Длительность импульса излучения составляла ˜0,1 с. В установке УОЛ.П-1 отсутствует как контроль температуры, так и энергии излучения. Изменение энергии импульса излучения осуществляется варьированием экспозиции облучения.
В качестве полупроводникового материала использовали пластины монокристаллического кремния марки КДБ-10 диаметром 60 мм. Толщина пластин составляла 250, 290, 320, 380, 470 мкм.
Пластину толщиной 250 мкм помещали в рабочую камеру установки импульсной термообработки и проводили воздействие импульса излучения с такой экспозицией, при которой на поверхности пластины кремния наблюдалось формирование локальных областей плавления. С помощью оптического микроскопа производили измерение размеров и поверхностной концентрации локальных областей плавления. Пользуясь табличными данными для кремния (Тпл=1690 К, ρ=2,33 г/см3, с=0,98 Дж/г, R=0,3, Н=1780 Дж/г) и измеренными значениями N и Vo, по формуле определяли плотность энергии импульса некогерентного излучения. Эту же операцию повторяли для пластин кремния толщиной 290, 320, 380, 470 мкм. По рассчитанным значениям Е строили зависимость плотности энергии импульса от экспозиции облучения.
Таким образом, относительным значениям экспозиции облучения были поставлены в соответствие значения плотности энергии импульса излучения.
Использование предлагаемого способа контроля плотности энергии импульса некогерентного излучения обеспечивает по сравнению с существующими следующие преимущества:
- упрощается процесс контроля плотности энергии импульса некогерентного излучения;
- расширяется диапазон измеряемой плотности энергии импульса некогерентного излучения.
Как показали проведенные эксперименты в условиях предприятия, предлагаемый способ позволяет: увеличить диапазон измеряемой плотности энергии импульса некогерентного излучения до 600 Дж/см2 (на порядок выше по сравнению с существующими); сократить процесс контроля на 10%.
Способ контроля плотности энергии импульса некогерентного излучения, включающий воздействие излучения на активный элемент, отличающийся тем, что в качестве активного элемента используют пластины монокристаллического полупроводникового материала различной толщины, добиваются формирования на поверхности пластины локальных областей плавления, измеряют поверхностную плотность центров плавления и объем жидкой фазы одной локальной области плавления и определяют плотность энергии некогерентного излучения в соответствии с зависимостью
где Е - плотность энергии излучения; Тпл - температура плавления полупроводникового материала; Тн - начальная температура; ρ - плотность полупроводникового материала; с - теплоемкость; L - толщина пластины; R - коэффициент отражения излучения; Н - удельная теплота плавления полупроводникового материала; N - поверхностная концентрация центров плавления; Vo - объем жидкой фазы одной локальной области плавления.
