Термозонд для измерения теплопродности твердых тел

п 7082 О Союз Советски кСоциалистическиеРеслублик ОП ИИЗОБР ЕНИ ВТОРСКО СВИДЕТЕЛЬСТВУ) 242 5( с ос присоединением заявки 3 Ф Гееудерствеииый коните СССР по делен иэобретений и еткрытий(72) Авторы изобретеии Т, Д. Оситпнская, А. Г. Гонтарь и А. С. Вишневский Институт сверхтвердых материалов АН Украинской 71) Заявитель 54) ТЕРМОЗОНД ДЛЯ ИЗМЕРЕПИЯ ТЕПЛОПРО ТВЕРДЫХ ТЕЛСТИ и Л Изобретение относится к устройствам для определения теплопроводности твердь тел преимущественно неправильной гео - метрической формы, например алмазных кристаллов.Известны различные устройства длч определения теплопроводности твердых тел, однако все они предназначены для образцов сравнительно больших размеров правильной геометрической форл 1 ы и неприменимы для образцов малых размеров (ш 1 лм), имеюших к тому же неправильную форму. Измерение теплопроводности особенно осложняется, если образцы малых размеров неправильной формы имеют очень высокую теплопровод ность, как например алмазы, теплопроьод ность которых превышает теплопроводность наилучших проводников тепла меди и серебра 1)Высокая теплопроводность алмазов позволяет использовать их в качестве теплоотводов в полупроводниковых приборах, работаюних при больших плотностях тока (лавинно-пролетных диодах,.диодах Ганна,лазерах, При этом возникаетнеобходимость отоора алмазных кристаллов с максимальной теплопроводностьюдля теплоотводов, разл 1 еры которых не 5превышают 1-1,з мм. Алмазные теплоотводы позволяют повысить эффективностьработы указанных приборов на 15 - 20",о.Известно устройство для изл 1 ерениятеплопроводности алмазных кристалловдлиной не менее 10 л 1 м, включающее нагреватель и холодильник, между которымизажимается образец с закрепленными нанекотором расстоянии от его концов датчиками температуры. Теплопроводностьобразца определяется путем изл 1 ерения величины теплового потока Ч, разноститемператур по длине образца ЪТ и расстояния ЬХ, на котором эта разность температур возникает, при известной плошади поперечного сечения образна 5 о в формулед ьу, (1)7 О 82084термозонда с образцом, имеющий низкое. ло- термическое сопротивление и малую площадь известной величины. При этом возникает термическое сопротивление стягивания, которое не зависит от формы и размеров образцов, а определяется только Ре- величиной его теплопроводности и радиусом площади контакта. Теплопроводность и- определяется из соотношения ОДЙ ГкТ Недостатками описанного устройстваявляются: невозможность измерения теппроводности твердых тел неправильнойформы с размерами менее 10 мм, сложность крепления датчиков температурыобразцу.Известно также устройство для измения теплопроводности алмазов 2 методом продольного теплового потока, велична которого определяется тепломером, оОбразец в виде прямоугольного стерж)ня прижимается ко дну измерительнойячейки тепломером, представляющим собойдлинный медный стержень с плоской пятойна конце. Корпус измерительной ячейки 15охлаждается жидким азотом. Тепломерцентрируется внутри ячейки эбонитовойвтулкой и зажимается винтом. На тепломере размещены нагреватель, являющийся источником измеряемого теплового потока и дифференциальная термопара. Образец длиной 4,8 мм имеет два расположенных на расстоянии 2 мм друг отдруга глухих отверстия, внутри которыхзакреплены клеем спаи дифференциальнойтермопары, Тепломер предварительнокалибруют для получения его эффективной теплопроводности во всем диапазонеизмеряемых температур. Теплопроводность образца определяется по формуле ЗОЖьЕм(2)АЪЕгде 6 -эффективная теплопроводностьтеплом ера; А - коэффициент, учитывающий форму и размеры образца; -мЬсоотношение измеряемых ЭЙС термопар "тепломера и образца.Это устройство имеет те же недостатки, что и описанное ранее; кроме того, при высверливании отверстий нарушает-ся целостность исследуемого образца,Наиболее близким к предложенномуявляется устройство, представляющее собой термозопц 31,На корпусе термозонда укреплены нагреватель, создаощий тепловой поток, дополнительный нагреватель для компенсации потерь тепла, термопара для контроля компенсации и измерения разноститемператур. Термозонд заканчивается ал Омазным наконечником, имеющим сферическое закругление, так что при достаточном усилии прижима тепловой поток попадает в образец через малую круговуюплощадь с известным радиусом.55Теплопроводность определяют путемввода в образец потока тепла с постоянной скоростью через термический контакт где Я - скорость ввода тепла иливводимая мощность;- радиус площади ввода тепла;ЬТ - разность температур в зоне ввода тепла Т ) и напротивоположной стороне образца Т)Оля надежного измерения теплопроводности подобным термозогдом необходимоточное измерение разности температурйТИзмерение Тне вызывает затруднений,а измерение Т в описанном устройственепосредственно осуществить невозможно. Возникает необходимость калибровкиустройства на кристаллах с известнойтеплопроводностью с целью определениясоставляющих перепада температур ЬТКалибровка по кристаллам с очень высокой теплопроводностью осложняется отсутствием алмазных эталонов, т. е, крлсталлов с точно известной величиной Д.Это вызывает необходимость пров .дениядополнительного цикла измерений Лэтих материалов известными методами иустройствами на образцах больших размеров правильной геометрической формы.Если таковые отсутствуют, то калибровканевозможна,Цель изобретения - повышение точностии упрощение измерений.Укаэанная цель достигается тем, чтонаконечник выполнен из полупроводникового алмаза и снабжен электрическимиконтактами,На фиг, 1 показан предложенный термоаонд в разрезе; на фиг. 2 - зависимостьсопротивления полупроводникового алмаза от температуры,Термозонд состоит из корпуса 1, основного нагревателя 2, создающего тепловой поток, вводимый в образец, компенсирующего нагревателя 3, дифференциаль-ной термопары 4 для контроля компенсации потерь тепла основного нагревателя .наконечника 5 из полупроводникового ал208 5 708маза, имеющего сФерическое закруглениеи электрические контакты 6 и 7 с проводниками 8,9, термопары 10.Теплопроводность измеряется следуощим образом. При приложении давленияР постоянный поток тепла, создаваемыйнагревателем 2, вводится в исследуемыйалмазный образец 11 через малую площадь контакта полупроводникового алмазного наконечееика 5 с поверхностью об- ееразца. Две противоположные грани алмазного наконечника имеют контакты 6 и 7,к которым присоединены золотые проволочки диаметром 30 мкм тоеекеео провод 1 Сники используотся для уменьшения тепловых потерь), Эти проводники подклеочдотся к измерителю электрического сопротивления алмазного наконечника. Температура Т в зоне контакта определяется повеличи;Ее электрического сопротевлеццяиз его зави-имости от температуры фпг.2) Температурный коэффицееет сопротивления для лобой температуры определяется как Б)Рпечная температура У. и Ь. эл"ктрическоосопротивление алмазного наконечника соответственно при температурах Т и Т,Удельное сопротивление образца равнор:. - 1 6)Так как электропроводность полупровод 5никовых алмазов обусловлена наличиемакцепторной примеси (например, атомовбора), получить полупроводниковые алмазы можно либо путем синтеза, либо легированием обычных природных алмазов при,еовысоких давлениях и температурах. Величина удельного электрического сопротивления таких алмазов определяется уровнем легирования. Для сильнолегировапногоалмаза с удельным сопротивленчем ).11,0 Ом. см абсолютное зпа с црикомнатной температуре составляет примерно 0,5% град., для алмазов судельным сопротивлением более 1,0 Ом смо. может достигать 4 О град . и более,Из Фиг. 2 видно, что величина сс. можетиметь разные значения в различных температурных диапазонах, В Общем случае харак-тер температурной зависимости определяется темперлтурцой зависимостью удельного сопрсетеп 1 гнея полупроводниковогод;маза,Исполезоваепее ИОлупроводппсового алидза в термозопде позволяет существенцо упростить процесс определения теплопроводпостп, исключив предвлрительцуюеслебе 01 у и увеличев точность измереция Ь Г КРоме того, не требуетсякреп.;.:ения термопар к алмазу.Доновтельное преимуепество предлагаемого термозонда заключается в том,что полупроводниковый алмаз можно использо;дть кдк слмостоятельцый источниктепла. Это возхеохсцо при пропускдн 1 печерез полупроводпиковый алмаз достаточно боеьшого электрического тока, который цдгровдот Ого зд счет выделениягфжоу 030 тепГа. Прсд 1 зарительно ПОлучепцдя зависимость температуры нагревалехдзд От подводмой мощности позвогяот одновременно определять количество тепла, вводимого в образец, и темперлтуру в зоне контакта.Термозопд с цлкопепцпсом из полупроводцпкОвого длеаза еозезоляет пов 1,есить точность из.;Орец 1 пд 7-8",о и вдвое сосрдЕт-. время измерений. формула изобретения Термозоцд для пзмереция теплопроводцости твдрдьх тел преимущественно неправильной формы, например алмазов, вклеочд 0 пей корпус в виде стержня, нагреватель и алмдзный пакопочщпс со сферическим закруглением, о т л и ч а юш и й с я тем, что, с целью повышения точности и упроцопеи измерений, цаконеченпс в" 1 ИОлцец пз полупроводепового алмаза и спдбсс электрическими контактаИсточцики информации,препет е во ицьхдцпе при экспертизе1,Вегетесе 1 ч., ие егепсес солйосОЮОЕЬ О ЬОВЕ. й 1 ЕЕСЬ.С ЬСоа сй,аж еглрел.д е,егер, Ргос, ецио 5 оо, А,Я 51 2 Е:Ев, РР 90- Е 07 е А2. Лиески Д, Б. и др, Устройстводля изхсероция тс.Илопроводпосте алмазов.Сб.Жмдзь и свсвхтвердьс 1 атерееалыМ., 1975, .а 4, с. 22-23.3. Патент СПЕ. М 3 Е 11786,кл, 73-15.708208 г. новска 75/37 Тираж 1019 П ЦНИИПИ Государственного комитета СССпо делам иэобретений и открытий 13035, Москва, Ж, Раушская наб.,исно каз тная, 4 Филиал ППП "Патент", г. Ужго Составитель В. Вертоградский ктор Т. Орловская Техред М. Петко Корректо