Способ демонстрации взаимодействия излучения с веществом

 

Изобретение относится к средствам обучения и может быть использовано для демонстрации взаимодействия твердого тела с когерентным излучением при изучении разделов физики: механика, электромагнетизм, оптика, твердое тело. Цель изобретения - повышение наглядности и обеспечение многократного воспроизведения демонстрации. Способ реализован на фазовом переходе (ФП) металл-изолятор. До температуры фазового перехода образец находится в фазе "Изолятор". Образец с ФП, предварительно нагретый до температуры на 2-5°С ниже температуры ФП, облучается низкоэнергетическим лазерным излучением, под действием которого он нагревается и переходит в фазу "Металл". Одновременно с началом облучения производится включение секундомера для определения скорости распространения температурной волны в той и другой фазе. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЩПАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 G 09 В 23 06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 тело. Цель изобретения — повышение наглядности и обеспечение многократного воспроизведения демонстрации, Способ реализован на фазовом переходе (ФП) металл-изолятор. До температуры фазового перехода образец находится в фазе "изолятор". Образец с ФП, предварительно нагретый до температуры на 2-5 С ниже температуры ФП, облучается низкоэнергетическим лазерным излучением, под действием которого он нагревается и переходит в фазу "металл". Одновременно с началом облучения производится включение секундомера для определения скорости распространения температурной волны в той и другой фазе. 3 ил.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4367734/31 — 12 (22) 19.01.88 (46) 23,09,89, Бюл. К - 35 (71) Омский политехнический институт (72) Т.Н.Кондратьева, Н,В.Шепелев и И.И,Миллер (53) 371.66 (088.8) (56) Рэди Дж. Действия мощного лазерного излучения, — М,: 1974, с,332. (54) СПОСОБ ДЕМОНСТРАЦИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕШЕСТВОМ (57) Изобретение относится к средствам обучения и может быть использовано для демонстрации взаимодействия твердого тела с когерентным излучением при изучении разделов физики: механика, электромагнетизм, оптика, твердое

Изобретение относится к средствам обучения и может быть использовано для демонстрации взаимодействия твердого тела с когерентным излу .ением при изучении разделов физики: механика, электромагнетиэм, оптика, твердое тело, Цель изобретения — повышение наглядности и многократное воспроизведение демонстрации, На фиг,1 схематически изображено устройство, демонстрирующее предлагаемый способ; на фиг.2 — графическое изображение распространения температурной волны в пленке и размещение термопар; на фиг.3 — график . зависимости температуры образца от времени воздействия на него лазерного луча.

Устройство, демонстрирующее предлагаемый способ, содержит лазер 1, ÄÄSUÄÄ 1509976 А1 установленный на оптическую скамью 2, на которую установлен также термостатированный корпус 3, к стенкам которого приклеивается образец, представляющий собой подложку 4 оксида алюминия фД (III) (А1 0 ), на которую напылена ( пленка 5 оксида ванадия (II) (ЧО ), фф имеющая фазовый переход металл-изолятор при t=68 С. Для определения скорости температурной волны в пленку впаяны термопары 6. Для определения сопротивления пленки закреплены контакты 7. Печь 8, расположенная внутри термостата эа образцом, служит для поддержания постоянной температуры образца, Экран 9 с диафрагмой, расположенной между лазером и образцом, закрепленный на оптической скамье 2, формирует размер лазерного луча, воздействующего на образец, в зависимо1509976

Т 68-66 — — где ДТ=T -T; Т -1ю " кон-tg науч температура фазового перехода; Т„ начальная температура образца.

При показании центральной термопарой 68 С снова фиксируют начало отсчета „„„, Некоторое время темпера55 сти от степени раскрытия диафрагмы.

Диаметр луча воздействия на образец

3 мм, Концентрические кривые на фиг.2 показывают распространение тем- 5 пературной волны в образце после начала воздействия на него лазерного луча, По центру воздействия луча расположена центральная термопара, две другие — на периферии воздействия.

Предлагаемый способ заключается в том, что перед началом работы включается печь 8 для нагрева образца до о

t 66 С, которая фиксируется термопарами 6. Последовательным опросом термопар убеждаемся, что температура образца одинакова во всех точках образца. Замеряется сопротивление пленки с фаэовым переходом для того, чтобы убедиться, что пленка находится 20 в фазе "изолятор". Включается лазер с низкой мощностью при закрытой диафрагме экрана 9, которая необходима для формирования импульса воздействия по времени, 25

Для того, чтобы образец прогрелся на определенную температуру, необходимо опытным путем установить время облучения образца лазерным лучом.

Для определения скорости распро- 30 странения температурной волны в низкотемпературной фазе вещества за начало отсчета времени t„ принимают

1 нач время открытия диафрагмы. Конец от" счета t определяется по началу изменения показания центральной тер35 мопары. Скорость V продольной температурной волны :определяется как

V, где h — - толщина пленки; Д

40 1 кок нан

При дальнейшем воздействии излучения температура в пленке равномерно повышается до температуры фазового перехода 68 С.

Скорость нагрева пленки в низко45 температурной фазе V „ определяют следующим образом. 3а начало отсчета времени берут t,ö. Конечное время ,„ берут в момент достижения температуры пленки 68 С. Тогда V н т =

50 тура останется постоянной. Конец отсчета t „,„ фиксируют по.началу изменения температуры 68 С. Таким образом, определяется время 8 t =t „,„-С н„„ фазового перехода в пленке под воздействием лазерного луча., Скорость нагрева пленки в высокотемпературной фазе V 6, определяется следующим образом. Начало отсчета

t«„„ фиксируется в момент, когда центральная термопара покажет изменео ние температуры 68 С, Конец отсч та

t4 фиксируется при показании центральной термопарой температуры 70 С, Т 70-68 тогда Ч

t4 кон г. науч

По результатам данных измерений строится график, изображенный на фиг.3. Данный график разбивается на четыре участка.

Перв: и участок соответствует времени распространения температурной волны вдоль пленки толщиной h. Второй участок соответствует прогреву пленки о от 66 до 68 С (низкотемпературная фаза — изолятор). Третий участок соответствует фазовому превращению в пленке. Четвертый участок соответствует нагреву пленки от 68 до 70 С (высокотемпературная фаза — металл).

Пример, Проводилось изучение воздействия энергии лазерного излучения на вещество, обладающее фаэовым переходом металл-изолятор. В качестве такого вещества выбран VO, имеющий фазовый переход металл — изолятор при

68 С и теплоту фазового превращения равную 200 Дж/моль, выполненный в виде пленки. Пленка имеет толщину порядка h--1 мм, площадь нагрева S сос- тавляет порядка 4,5 мм, Масса нагреваемого вещества определялась как

m=yV, где V=Sh, Для нагрева пленки лазерным лучом необходимо количество тепла Q=Cvmat, Отсюда, общая энергия для прогрева новой фазы равна Q =

=Q +Q » где (— теплота фазового превращения. С другой стороны, мощность лазера Р=50 Вт, время воздействия на образец 1-3 мин, Тогда энергия, испускаемая лазером, равна Е

=Р at = 3-9 кДж. Из закона сохранения энергии имеем = Е, где «1 =0,7-0,8, Исходя иэ этого равенства и определяется первоначальная температура о подогрева 66 С. A в связи с тем, что в среднем теплота фазового перехода для отдельных веществ изменяется

1509976 фиа!

Фг. 2 в 2-3 раза, то и нагрев будет осуществляться в определенном диапазоне.

Таким образом, происходит переход образца из одной фазы в другую и дости5 гается поставленная цель.

Преимуществом изобретения является и.то, что по наклону кривых на фиг.3 можно определить степень черно- 10 ты в фазе "металл" и в фазе "изолятор". Чем больше степень черноты,- тем круче кривая, По величине участка фазового превращения пленки можно качественно определить скрытую тепло- 15 ту фазового перехода.

Формулаизобретения-

Способ демонстрации взаимодействия излучения с веществом, заключающийся в том, что образец из материала с фазовым переходом облучают источником излучения и регистрируют изменения сопротивления образца, о т л и ч а— ю шийся тем, что, с целью повышения наглядности и обеспечения мно-, гократного воспроизведения демонстрации, в качестве образца используют пленку с фазовым переходом металл— изолятор, а перед облучением образец

l нагревают до температуры ниже температуры фазового перехода на 2-5

1509976

60 t,иин

4ком

Составитель Р,Ужвий

Техред g дидык

КоРРектоР В.Гирняк

Редактор В,Бугренкова

Заказ 5819/51 Тираж 469 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Юб

Е

4 кои (4 нцц) 2кои Ъкон (йнич) ($gpgyy) ©игЗ