Устройство для контроля теплопроводности кристаллов алмаза и алмазных изделий

 

Изобретение относится к устройствам для контроля теплопроводности твердых тел, преимущественно кристаллов алмаза и алмазных изделий. Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит алмазный наконечник и алмазную подложку , выполненные из безазотного алмаза, с высокой теплопроводностью, между которыми размещается исследуемый образец. Алмазный наконечник со сферическим закруглением снабжен теплоотводом с микрохолодильником , а алмазная подложка снабжена транзистором-нагревателем и размещена на теплоизолирующем корпусе. Датчик температуры, контактирующий с теплоотводом, электрически связан с входом блока стабилизации температуры микрохолодильника , выход которого связан с входом микрохолодильника, выход эмиттер-база транзистора-нагревателя электрически связан с входом блока стабилизации температуры транзистора-нагревателя , выход которого и выход коллектор-база ; транзистора-нагревателя электрически связаны с измерительным прибором. 5 ил., 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 N 25/18

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ г

:l8 fa, (21) 4950163/25 (22) 11.06.91 (46) 23.03.93. Бюл, ¹ 11 (75) Ю.А.Концевой; P.Á.Çåçèí, В,И.Дмитриев, Т.B.Xðàáðîâà и B.Â.Øåìèîò (73) Т.В.Храброва (56) Линский и др. Устройство для,измерения теплопроводности алмазов. Сб.: Алмазы и сверхтвердые материалы, М.: 1975, №4, с. 22-23, Авторское свидетельство ССС

¹ f08208, кл. G 01 N 25/18,.1976, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ КРИСТАЛЛОВ АЛМАЗА И

АЛМАЗНЫХ ИЗДЕЛИЙ (57) Изобретение относится к устройствам для контроля теплопроводности твердых тел, преимущественно кристаллов алмаза и алмазных изделий. Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит алмазный наконечник и алмазную подложИзобретение относится к устройствам для контроля теплопроводности твердых тел, преимущественно кристаллов алмаза и алмазных изделий.

Цель изобретения — повышение экспрессности и возможности измерения алмазов с малыми линейными размерами (0,20,3 мм).

На фиг. 1 приведен общий вид элементов предложенного устройства; на фиг. 2— конструктивные элементы "алмазного столика"; i,à фиг. 3; блок-схема устройства; на фиг. 4" принципиальная схема блока стабилизации температуры транзистора-нагревателя. На фиг. 5 — принципиальная схема блока стабилизации температуры микрохолодильника.. Я2 „1804618 А3 ку, выполненные из безаэотного алмаза, с высокой теплопроводностью, между которыми размещается исследуемый образец, Алмазный наконечник со сферическим закруглением снабжен теплоотводом с микрохолодильником, а алмазная подложка снабжена транзистором-нагревателем и размещена на теплоизолирующем корпусе, Датчик температуры, контактирующий с теплоотводом, электрически связан с входом блока стабилизации температуры микрохолодильника, выход которого связан с

Входом микрохолодильника, выход "эмиттер-база" транзистора-нагревателя электрически связан с входом блока стабилизаций температуры транзистора-нагревателя, выход которого и выход "коллектор-база" транзистора-нагревателя электрически связаны с измерительным прибором, 5 ил., 1.табл, На фиг. 1 приведены конструктивные элементы предложенного устройства; теплоизолирующее основание 1, транэисторнагреватель 2, являющийся одновременно датчиком температуры, алмазная подложка

3, механически связанная с транэисторомнагревателем 2, алмазный наконечник 4 со сферическим закруглением, запрессованный в теплоотвод 5, датчик температуры 6, механически связанный с теплоотводом 5, микрохолодильник 7, механически связанный с теплоотводом 5, закрепленный на радйаторе 8, связанным с устройством перемещения алмазного нзконечника 9.

При к нтроле теплопроводности алмазных изделий (фиг. 2) измеряемый образец "0 размещается между алмазной подложкой 3 и алмазным наконечником со сферическим

1804618 закруглением 4. Алмазная подложка 3 соединена с теплоотводом 11 кристалла 12 мощного транзистора-нагревателя, теплоиэолирующая крышка которого 13 соединена с теплоиэолирующим корпусом 1, составляющие конструктивные элементы

"алмазного столика".

-Датчик температуры электрически связан с входом блока стабилизации температуры 14 микрохолодильника (фиг. 3). Выход блока стабилизации соединен с входом 7 микрохолодильника, выход "эмиттер-база" транзистора-нагревателя 2 электрически связан с входом блока стабилизации температуры 15 транзистора-нагревателя, а его выход и выход "коллектор-база" 2 транзистора-нагревателя электрически связаны с измерительным прибором .1 6.

Алмазный наконечник 4 и алмазная йодложка 3 с целью снижения теплового сопротивления выполнены из безазотного алмаза с теплопроводностью порядка 2000 Вт/м К при 300К. Микрохолодильник 7 представляет собой элемент Пельтье и позволяет получать при пропускании тока заданный перепад температуры между "гррячей" и

"холодной" сторонами (10-20 С). Датчик температуры 6 представляет собой транзистор типа КТ 604 с основанием из высокотеплопроводной бериллиевой керамики, термочувствительным параметром которого является напряжение "эмиттер-база" (при свободном или замкнутом с базой коллекторе), Устройство работает следующим образом. Эмиттерный ток через транзистор-нагреватель VT1 подается через резистор R1 (фиг. 4). Напряжение на коллекторе VT1 подается с выхода усилителя DD1 через эмиттерный повторитель на транзисторах VT2 и

VT3 на измерительный прибор. Уровень коллекторного напряжения на транзисторе

VT1, а следовательно, и температура транзистора VT1 в состоянии равновесия устанавливается с помощью потенциометра R3, с которого опорное напряжение подается, на неинвертируемый вход операционного .. усилителя DD1. На инвертируемый входэтого усилителя (на фиг. 4 "вход") подается напряжение эмиттер-база транзистора-нагревателя VT1 величина которого зависит ,. от степени нагрева VT1, При установлении теплового равновесия в транзисторе VT1 его коллекторное напряжение будет оставаться постоянным и измеряется измерительным прибором (16 на фиг. 3).

При контакте алмазного индентора с измеряемым образцом транзистор-нагреватель НТ1 начинает охлаждаться. При этом его напряжение между эмиттером и базой

hQ-=1э а ЛО, I> — ток эмиттера транзистора; а- коэффициент передачи по току транзистораа;

ЛΠ— изменение напряжения на коллекторе транзистора, измеряемое измерительным прибором (16 на фиг. 3).

Тепловое сопротивление тракта между эмиттером транзистора-нагревателя и датчиком температуры 6 равно увеличивается. В соответствии с этим увеличивается коллекторное напряжение VT1 до значения, при котором уходящий поток тепла компенсируется приростом мощности рассеяния тепла на коллекторе, изменение температуры транзистора уменьшается и она устанавливается на первоначальном уровне. Прирост напряжения на коллекторе транзистора измеряется измерительным

"0 прибором (16 на фиг. 3).

Транзистор VT4 находится в механической и тепловой связи с.теплоотводом и микрохолодильником (фиг. 5). Выход с эмиттера транзистора VT4 подключен к неинвер15 тируемому входу усилителя DD2. Уровень задаваемой температуры микрохолодильника устанавливается с помощью потенциометра R11, с которого опорное напряжение подается на инвертируемый вход усилителя

20 002, с выхода которого через эмиттерный повторитель на транзисторах VT5 - VT7 и резистор R16 подается ток на вход микрохолодильника. При установлении теплового равновесия ток через микрохолодильник бу25 дет оставаться постоянным. При дополнительном нагреве микрохолодильника в момент опускания алмазного наконечника на образец будет изменяться напряжение эмиттер-база транзистора VT4. В соответст30 вии с этим будет. изменяться величина тока через микрохолодильник до таких значений, при которых будет компенсировано изменение температуры микрохолодильника до первоначально установленного уровня.

35 При включении установки транзисторнагреватель 2 разогревается до температуры Т>, а алмазный наконечник — индентор охлаждается до температуры Т . После опускания алмазного наконечника на иэмеряе40 мое алмазное изделие 10 система автоматической обратной связи, состоящая из блока стабилизации температуры холодильника 14 и блока стабилизации температуры транзистора-нагревателя 15,.

45 поддерживает разность температур hT-T>Т .неизменной; при этом мощность разогрева транзистора-нагревателя 2 увеличивается на величину

1804618

ЛТ

К, = В.... + 1/ В к а = — -, гдЕ Л Т = Т1 - Тг;

B — коэффициент, приблизительно равный Л; а — радиус площади контакта индентора

4 с образцом 10; к — теплопроводность алмазного образца 10;

Вг обад — последовательное тепловое сопротивление всех элементов тракта, за исключением теплового сопротивления контакта индентора с образцом.

При неизменных величинах 1, a, hT,a

Ва ЛТ/4 а

Ва В.... + 7к или

А2

«= д,. У откуда теплопроводность контролируемых алмазных образцов рассчитывается по формуле к—

Значения А1 и А2 могут быть найдены из измерения AU< и ЛОг для двух стандартных образцов с известной теплопроводностью к и к2

h, 02 к2 - - 1 С1, А1—

А2 = AU1(A1+1/K1).

Найденные значения А и А2 используют для расчета теплопроводности контролируемых алмазных изделий. Измеряемые алмазные изделия должны иметь, по крайней мере, две плоскопараллельные поверхности. Измерения занимают всего несколько минут, B течение часа с учетом установки образцов может быть проконтролирована теплопроводность не менее 10 образцов. .Экспрессность измерений теплопроводности алмазных изделий с использованием предложенного устройства по сравнению с прототипом повышается более чем в 30 раз при сохранении точности измерений, Были измерены образцы натуральных и синтетических алмазов.

Результаты приведены в таблице.

Минимальные линейные размеры об5 разцов, измеряемые с использованием предлагаемого устройства, составляют порядка 0,2-0,3 мм, относительная погрешность измерений теплопроводности составляет не более 107;. Устройство можно

10 использовать для контроля и разбраковки синтетических алмазов малых размеров, применяемых в качестве теплоотводов таких полупроводниковых приборов, как лавинно-пролетные диоды и

15 полупроводниковые лазеры, Формула изобретения

Устройство для контроля теплопроводности кристаллов алмаза и алмазных изде20 лий, содержащее алмазный наконечник со сферическим закруглением, соединенный с теплоотводом, устройство перемещения алмазного наконечника, датчики температуры, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью

25 повышения экспрессности и возможности контроля теплопроводности алмазов малых размеров, устройство содержит транзистор-нагреватель, снабженный блоком стабилизации температуры, установленный на

30 теплоизолирующем корпусе и соединенны с алмазной подложкой, причем алмазный наконечник и подложка выполнены из безазотного алмаза с высокой теплопроводностью, а теплоотвод соединен с

35 микрохолодильником, снабженным блоком стабилизации температуры, при этом датчик температуры, контактирующий с теплоотводом, электрически связан с входом блока стабилизации температуры микрохо40 лодильника, выход которого соединен с входом микрохолодильника, выход

"Эмиттер-база" транзистора-нагревателя электрически связан с входом блока стабилизации температуры транзистора-нагрева45 теля, выход которого и выход

"Коллектор-база" транзистора электрически связаны с измерительным прибором.

1804618

Продолжение таблицы

1804618

1804618

- (j nKf, мерительном

60РУ к иьмеРитальмону пливооу

-и..

tvòö овщ. фи а.

Составитель Т. Храброва

Техред M.Моргентал Корректор Л.Филь

Редактор О. Стенина

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

Заказ 1078 Тираж Подписное

ВЦИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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