Способ определения локальных теплофизических характеристик твердых материалов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИК 191 111) И 25/ 18 29/00 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ Н АВТОРСКОМ ИДЕТЕЛЬСТВУ НЫХТВЕРбласт е я актерисГОСУДАРСТВЕННЫИ НОМИТЕТ СССРПОДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛОКАЛТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИДЫХ МАТЕРИАЛОВ(57) Изобретение относится ктеплофизических измерений ибыть использовано для определлокальных теплофизических хатик твердых материаловЦель тения в . расширение области применения путем обеспечения возможности определения удельной теплоты фазовоструктурного перехода исследуемогоматериала. Для определения удельнойтеплоты фаэово-структурного переходана исследуемый материал воздействуютмоноимпульсным электромагнитным излучением с заданной формой огибающейимпульса и регистрируют низкочастотную составляющую электрического сигнала образующегося путем преобразования акустического сигнала при изменении состояния окружающей исследуемый образец среды, а об искомойхарактеристике судят по разнице между заданной формой электрическогосигнала беэ фаэово-структурного перехода и зарегистрированной формой.1 нл.Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может бытьиспользовано для определения локальных теплофизических характеристиктвердых материалов.Целью изобретения является расширение области применения путем обеспечения определения удельной теплотыфазово-структурного перехода исследуемых материалов,ИнФормация о фазово-структурныхпереходах заложена в форме регистрируемого электрического сигнала, Однако из-за однократности Фазово-.структурного перехода излучение на материал должно носить моноимпульсный характер. В результате процессов, про,исходящих под воздействием тепловогоразогрева материала, Форма импульса 20теплового колебания претерпевает изменения. Форма электрического сигнала содержит всю информацию о характере происходящих изменений. Для того чтобы зарегистрировать. эти изменения необходимо задавать форму элект-ромагнитного импульса, При этом сама форма сигнала может быть произвольной (колоколообразной, прямоугольной, трапецеидальной и т,д.). Верхняя 30граничная частота данного импульсаопрецеляет возбуждения температурныхволн в объекте. Воздействие на образец однократным импульсом возбуждаетв нем тепловые волны разной длины.Если длина возбужденной волны меньшетолщины образца, то она несет информацию о теплофизических параметрах,2 ачто имеет место при Е,у . Еслиь а 40длина возбужденной волны больше, тоона проходит через толщину образца,не взаимодействуя с материалом. Преобразуя акустический сигнал в электрический, получают широкий спектр 45частот. Низкочастотная составляющаясигнала несет информацию о скрытойтеплоте фазово-структурного перехода.Выделяя эту составляющую, например, спомощью фильтра низких частот с частотой пропускания меньше Г , получаем информацию о наличии самого фазо 1во-структурного перехода и его параметрах.Для измерения параметров, связанных с фазово-структурным переходом,необходимо произвести сравнение двухсигналов-сигнала, получаемого безфазово-структурного перехода, дающего отклик системы на импульс воздействия 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 ц(С) можно произвести, воспользовавшись выражениемс (1) = Н- ЪГ(Е) еРйт 141Р,(й)-ор(Я,р - фурье преобразования е фчот временных функции,описывающих откликФотоакустической системы, соответственнона лазерный импульс ивыделение энергии приФазово-структурномпереходе;ЧН) - Фурье преобразованиеот временной функции,задающей изменениемощности лазерногоимпульса во времени,Г - верхняя граница полосы проопускания фильтра,Входящие в правую часть равенства (1) Функции могут быть определены нз эксперимента, поэтому оно позволяет восстановить Ч.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, низко з 144128частотный фильтр 7, усилитель 8 мощности, задающий генератор 9, осциллограф 10, фоторегистратор 11В схеме устройства для реализации5предлагаемого способа в качестве нагревающего излучения применяют излучение лазера ЛГНс выходной мощностью 1 Вт. Для создания однократных импульсов на выходе располагается 10модулятор МЛА, управляемый череззадающий генератор Г 5-56. Образец4 материала, помещенный на прозрачной подложке 5, закрепляется в Фотоакустической камере 3, представляю Бщей собой полый цилиндр из алюминиясо стеклянными окнами на торцах,Изолированный объем газакамерысоединяется акустическим каналом с датчиком 6. В одном корпусе с датчиком 20находится предусилитель. В качествеисследуемых образцов были выбраныпленки халькогенидных стеклообразныхполупроводников состава Т 1 Бе.Аз Теэтолщиной 1-2 мкм на тефлоновой подложке толщиной 50 мкм. Для данныхсм 2пленок а, = 1 . Генератор, рабо% стающий в режиме однократного запуска,через усилитель мощности формировал 30трапецеидальный импульс амплитудой240 В, время нарастания фронта импульса Й, = 10 с что соответствует)1 Гц. Регистрацию акустическоЬго сигнала и одновременно роль Фильт- З 5ра низких частот выполняет микрофонМКЭс предусилителем, у которого верхняя граничная частота составляет 18 кГц,Таким образом, выполняется условие,предложенное для определения скрытой 40теплоты фазово-структурного перехода.Регистрация сигнала производится осциллографом С 1-70 в режиме однократного запуска с последующей записьюотображенного сигнала на фоторегистратор 11.Определение энергии лазерного излучения, необходимой для осуществления фазово-структурного перехода, .подбирается экспериментальным путем. ДляБОэтого на образец подаются импульсылазерного излучения, начиная с малыхзначений энергии и регистрируютсяфотоакустические сигналы от них, Наэтой стадии по снятым осциллограммамфотоакустических сигналов производится теоретическое восстановление соответствующих им скоростей выделенияэнергии для различных энергий лазер" 4ных 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 ла" зерного излучения с энергией,обеспечивающей получение фазово-структурного перехода в образце. Тогда при попадании на участок образца импульсана нем происходит переход. Ранее регистрируется сигнал от образца безперехода. Разность между двумя импульсами определяет величину сигнала Р(С). Поскольку остальные величины в правой части выражения (1)также известны, то его можно использовать для определения ц,Работоспособность формулы (1) проверялась путем подачи на образецдвух импульсов лазерного излученияразной Формы с энергией недостаточной для осуществления перехода, Приэтом один из них играл роль эталонного сигнала, форма другого в интервале частот от 20 до 18 кГц восстанавливались с помощью (1). Сравнениетеоретических результатов, получаемых с помощью формулы (1), с экспериментальными данными, показало их хорошее совпадениеПоэтому в дальнейшем обработка экспериментальных результатов, касающихся фазово"структурных переходов, также производитсяс помощью выражения (1).Таким образом, например, для пленки состава Т 18 е АзТез было получено значение удельной теплоты перехода 0 = 0 (8 - площадь участка образца, на котором произошел переход)значение Я, = (6+2)х 10 . АнализДжФдинамики вьщеления энергии с помощьювыражения (1) показал, что оно в использованном диапазоне частот происходит практически мгновенно, так какотклик фотоакустической системы наэто воздействие совпадал с откликом,вызываемым дельтообразным возмущением.Предложенный способ позволяет определить локальную теплофизическуюхарактеристику материала: удельнуюСоставитель В.Марченкоедактор М.Лазоренко Техред А,Кравчук Корректор Л.Пилипенк 847 Подписно ственного комитета ССС бретений и открытий -35, .Раушская наб., д. аказ 628 1/47 Тираж ВНИИПИ Госуда по делам из 113035, Москва, Ужгород, ул, Проектная Производственно-полиграфическо редприяти 5 14412 теплоту Фазово-структурного перехода и может быть рекомендован в качестве методики локального контроля укаэанных характеристик в промьппленных условиях.5 Формула изобретения Способ определения локальных теп лофизических характеристик твердых материалов, включающий воздействие на исследуемый образец электромагнитным излучением, преобразование акустического сигнала, образующегося 15 при изменении состояния окружающей образец среды, в электрический и регистрацию его амплитуды, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью расширения области применения путем обеспе 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 К моноимпульсного излубчения выбирают из соо-ношения где а - среднее значение коэффициСента температуропроводностиисследуемого образца,м/с;Й - толщина образца, м.