Способ определения температуропроводности твердых тел

) 16 1)5 6 01 Й 25/ ПИ Е ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСК М ИДЕТЕЛЬСТВУ еских ть ис- ления ширеобразние и ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Институт полупроводников АН УССР(56) Винокуров С.А. Оптикоакустический эффект и температуропроводность твердыхтел. - Инженерно-физический журнал, 1983,т. 44, М 1, с, 60-66,Винокуров С,А. и др. Оптикоакустический метод определения коэффициентатемпературопроводности твердых тел. - Всб.: Тепловые приемники излучения. Подред. Н,А,Панкратова, - Л.: Изд.-во ГОИ,1981, с. 38-39,(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ(57) Изобретение относится к области теплофизики, а именно к определению теплофизических характеристик твердых тел. Цельизобретения - расширение .интервала толИзобретение относится к теплофа именно к определению теплофизипараметров твердых тел, и может быпользовано для экспрессного опредеих температуропро водности.Целью изобретения является расние интервала толщин исследуемыхцов, повышение точности, упрощеускорение процесса определения,Сущность изобретения заключаследующем,щин исследуемых образцов, повышение точности, упрощение и ускорение процесса определения. Способ состоит в облучении поверхности исследуемого образца модулированным по интенсивности лазерным пучком (частота модуляции выбирается в пределах 10ЫЗОО Гц); сканировании лазерного пучка вдоль образца; определениизависимости амплитуды Я акустического сигнала, регистрируемого на противоположной (по отношению к облучаемой) поверхности образца, от координаты Х падения лазерного луча; измерении длины горизонтальною участка на зависимости Я(Х); определении температуропроводности твердого тела с помощью полученных данных. Способ может быть использован для экспрессного определения температуропроводности твердых тел при проектировании и создании различных тепловых систем, а также систем и устройств малой энергетики и измерительной техники. 1 ил 1 табл. Одну поверхность образца в виде плоскопараллельной пластины непрерывно сканируют с частотой 0,1 Гц модулированным лазерным излучением с частотой модуляции 1, лежащей в пределах (10 Ф 300) Гц, и на противоположной поверхности пластины регистрируют амплитуду возбужденного акустического сигнала Б в зависимости от координаты Х падения луча, где 0Х к ./2, . - длина образца. Температуропроводность а определяют по формуле а = Х, к 1, где Х 0 -гдлИна (см) горизонтального участка в начале зависимости Я(Х), При способе используется экспериментально установленная закономерность изменения амплитуды акустического сигнала, снимаемого с одной поверхности плоскопараллел ьной пластины при облучении ее противоположной поверхности модулированным сфокусированным лазерным лучом и сканировании последнего вдоль исследуемой пластины. Характерная особенность этой закономерности - наличие практически горизонтального участка в начале зависимости Я(Х) при частотах модуляции 10 - 300 Гц, использовавшихся и экспериментах с выбранными образцами, При этом обнаружено, что длина этого горизонтального участка при постоянной частице модуляции лазеоного пучка однозначно связана с температуропроводностью исс. ледуемого материала.На чертеке представлены типичные зависимости амплитуды Яотин акустического сигнала в относительных единицах от координаты падения Х лазерного луча на образец для трех частот модуляции 1 = 300 Гц, тз = 10 Гц и 12 иэ диапазона ("1 13) (соответ ственно кривые 1 - 3),Физическая сущность предлагаемого способа состоит в следующем,Модулированный по интенсивности лазерный луч, попадая на исследуемый образец, в результате поглощения приводит к возникновению в последнем температурного поля,Деформации, возникающие в облучаемом образце вследствие меняющегося во времени температурного поля, приводят к появленик акустических колебаний той же частоты, т,е, частоты модуляции лазерного луча, Акустические колебания регистрируются пьезоэлектрическим преобразователем (датчиком), на котором возникает электрическое напряжение, пропорциональное р:Я-р = -ал 1где,из - длина тепловой диффузии, на которой тепловая волна затухает в е раэ,При достаточной удаленности от края прямоугольного образца и при его толщине Ор, тепловая волна, возбуждаемая сфокусированным лазерным лучом, характеризуется сферической симметрией. С приближением зондирующего лазерного луча к краю образца фронт тепловой волны искакается, что приводит к появлению некоторых особенностей в зависимости амплитуды акустического сигнала от координаты падения лазерного луча, Зта5 10 15 20 25 г 0 35 40 45 50 55 60 особенность проявляется в виде горизонтального участка в начале зависимости Я(Х) при 0 Х./2,При предложенном способе возможно использование образцов с широким интервалом толщин 0,5 р б10 р, Нижний и верхний пределы ограничены малым наклоном кривой Я(Х) (для Х рз ) в случае, когда б не соответствует указанному пределу, что ухудшает условия точного определения длины горизонтального участка. Диапазон частот модуляции ограничен теми же причинами. Дополнительное ограничение для 1300 Гц состоит в том, что горизонтальный участок на зависимости Я(Х) становится слишком малым, определить точно его длину затруднительно, что также ведет к понижению точности определения темпе ратуропроводности.В отличие от известных способов в данном случае абсолютная величина амплитуды регистрируемого акустического сигнала не входит в выражение для определения температуропроводности а. В нашем случае оегистрируется зависимость Яотн(Х).П р и м е р, Предлагаемый способ был апробирован на двух типах материалов, При 20 С была определена температуропроводность металла (алюминий) и полупроводника (кремний). Использованы образцы разной толщины и разные частоты модуляции лазерного луча. Некоторые из полученных данных представлены в таблице.Из таблицы следует, что для образцов разной толщины при разных частотах полученные значения коэффициента температуропроводности отличается от среднего значения (для алюминия 0,83, для кремния 0,59) не более чем на 50/Таким образом, предлагаемый способ определения температуропроводности твердых тел позволяет использовать образцы с интервалом толщин гораздо более широким, чем в прототипе, он значительно проще, очность определения коэффициента температуропроводности выше,Предлагаемое техническое решение может быть использовано в измерительной технике для экспрессного определения температуропроводности твердых тел, Метод контроля - неразрушающий,Формула изобретения Способ определения температуропроводности твердых тел, включающий облучение модулированным по интенсивности лазерным пучком поверхности образца в виде плоскопараллельной пластины и регистрацию с противоположной поверхности пластины акустического сигнала, возбуж 1689827денного лазерным пучком, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью расширения интервала толщин исследуемых образцов, повышения точности, упрощения и ускорения процесса определения, частоту модуляции лазерного излучения 1 выбирают в пределах 101 Б 300 Гц, лазерным пучком сканируют вдоль образца и снимают зависимость амплитуды акустического сигнала 8 от координаты падения Х на образец сфокусированного лазерного пучка, определяют длину Хо горизонтального участка в начале зависимости ЯХ) при изменении Х от 0 до .2, где . - длина образца в направле нии сканирования, и рассчитывают температуропроводность а материала образца по формуле д Х 2 г10