Устройство для измерения поглощающей и излучающей способностей тонкопленочного образца
Владельцы патента RU 2535648:
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к области теплометрии и может быть использовано для измерения поглощающей и излучающей способностей тонкопленочных образцов, например образцов теплозащитных экранов, используемых в космической промышленности. Устройство для измерения поглощающей и излучающей способностей тонкопленочного образца содержит криостат, плоские образец и поглотитель, установленные параллельно на небольшом расстоянии друг от друга, два датчика, измерители температуры и источник мощности, соединенный с нагревателем поглотителя или образца при измерении поглощающей или излучающей способности. Поглотитель и образец содержат тонкопленочные термометр сопротивления и нагреватель, изолированные друг от друга диэлектрическим слоем и распределенные по площади поглотителя и образца. Суммарная теплоемкость термометра сопротивления и нагревателя меньше теплоемкости образца и поглотителя. Поглотитель имеет теплоемкость, равную или меньшую теплоемкости образца, а источник мощности является генератором переменного сигнала. Технический результат - повышение точности и чувствительности устройства при измерении поглощающей и излучающей способностей тонкопленочного образца. 2 ил.
Изобретение относится к области теплометрии и может быть использовано для измерения поглощающей и излучающей способностей тонкопленочных образцов, например образцов теплозащитных экранов, используемых в космической промышленности.
Известен микрокалориметр с модуляцией излучения от образца, осуществляемого с помощью механического обтюратора [Herve P., Rambure N., Sadou A., Ramel D., Francou L., Delouard P., Gavila E. Direct measurement of total emissivities at cryogenic temperatures: Application to satellite coatings // Cryogenics. 2008. Т.48, №11-12. С.463-468]. Использование модуляции излучения позволило применить для измерений высокочувствительный болометр, охлаждаемый жидким гелием с чувствительностью 1.17Е-13 ВтГц-1/2. Однако микрокалориметр не позволяет проводить измерение поглощающей способности материалов. Модуляция с помощью механического обтюратора усложняет систему синхронизации синхронного детектирования и вносит паузу в измерение на время переключения обтюратора.
Известна установка для измерения поглощающей и излучающей способностей материалов [V. Musilova, P. Hanzelka, Т. Kralik, A. Srnka, Low temperature radiative properties of materials used in cryogenics. Cryogenics 45 (2005) 529-536, (прототип)], которая состоит из излучателя и поглотителя, установленных параллельно на небольшом расстоянии друг от друга, которые помещены в криостат. Измеряется переход тепла от нагретого образца к черной поверхности в области 180 градусного телесного угла. Это устройство является прототипом изобретения.
Однако установка обладает следующими недостатками. С помощью нее возможны только статические измерения. В качестве датчиков температуры использованы кремниевые диоды, которые устанавливаются на достаточно массивные детали крепления излучателя и поглотителя, и имеют массу 23 мг. Например, масса образца диаметром 13 мм полиимидной пленки, широко используемой в качестве основы для создания тепловых экранов узлов космических аппаратов, равна примерно 3.5 мг. Теплоемкость датчика температуры в несколько раз больше теплоемкости предполагаемого образца. Т.е. вклад в инерционность системы одного только датчика температуры в несколько раз больше вклада тонкопленочного образца. Кроме того, массивным является нагреватель. Из-за большой массы перечисленных компонентов по сравнению с массой тонкопленочных образцов, невозможно проводить измерения таких образцов в динамическом режиме, осуществляя модуляцию мощности на излучателе с частотой, достаточной для того, чтобы отфильтровать паразитные тепловые потоки, приводящие к температурному дрейфу, и таким образом, повысить чувствительность и точность измерений.
Техническим результатом изобретения является повышение точности и чувствительности при измерении поглощающей и излучающей способностей тонкопленочного образца.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения поглощающей и излучающей способностей пленочного образца, содержащем криостат, плоские образец и поглотитель, установленные параллельно на небольшом расстоянии друг от друга, два датчика, измерители температуры и источник мощности, соединенный с нагревателем поглотителя или образца при измерении поглощающей или излучающей способности, соответственно, новым является то, что поглотитель и образец содержат тонкопленочные термометр сопротивления и нагреватель, изолированные друг от друга диэлектрическим слоем и распределенные по площади поглотителя и образца, при этом суммарная теплоемкость термометра сопротивления и нагревателя меньше теплоемкости образца и поглотителя, поглотитель имеет теплоемкость, равную или меньшую теплоемкости образца, а источник мощности является генератором переменного сигнала.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен эскизный чертеж устройства. На фиг.2 дан пример реализации термометра сопротивления, полученного методом термического напыления платины через маску на образец из полиимидной пленки.
Устройство (фиг.1, фиг.2) состоит из криостата 1, в который помещены пленочные образец 2 и поглотитель 3, расположеные параллельно на небольшом расстоянии друг от друга. Поглотитель 3 с внутренней стороны обладает высокой излучающей и поглощающей способностью. Выход переменного генератора мощности 4 соединен с тонкопленочным нагревателем 5 поглотителя 3 при измерении поглощающей способности или тонкопленочным нагревателем 6 образца 2 при измерении излучающей способности. Тонкопленочные термометр сопротивления образца 7 и термометр сопротивления поглотителя 8 подключены к измерителям температуры 9, 10. Термометры сопротивления поглотителя и образца изолированы от соответствующих тонкопленочных нагревателей диэлектрическими пленками 11, 12.
Устройство работает следующим образом.
При измерении излучающей способности, на тонкопленочный нагреватель образца задается переменная мощность. С помощью термометров сопротивления 7 и 8 и измерителей 9, 10 в установившемся режиме фиксируется изменение температуры образца и поглотителя. По отношению этих изменений определяется излучающая способность образца.
При измерении поглощающей способности, на тонкопленочный нагреватель поглотителя задается переменная мощность. С помощью термометров сопротивления 7 и 8 и измерителей 9, 10 в установившемся режиме фиксируется изменение температуры образца и поглотителя. По отношению этих изменений определяется поглощающая способность образца.
Из-за меньшей теплоемкости тонкопленочного нагревателя и термометра сопротивления, они вносят меньший вклад в инерционность системы. Поглотитель не увеличивает инерционность системы, поскольку имеет теплоемкость, равную или меньшую теплоемкости образца. Это позволяет вести измерения на максимальной частоте модуляции мощности, которая ограничивается только инерционностью тонкопленочного образца. Влияние более медленных дрейфов температуры за счет паразитных тепловых потоков уменьшается, а точность и чувствительность измерений возрастает.
В примере реализации (фиг.2) на пленочный образец (полиимидную пленку) методом термического напыления нанесена через маску спиральная дорожка из платины толщиной 100 нм, которая распределена по образцу и является термометром сопротивления, т.е. датчиком температуры, у которого сопротивление зависит от температуры. Масса и теплоемкость термометра сопротивления на 4-5 порядков меньше массы и теплоемкости образца, поэтому он не увеличивает постоянную времени установления температуры образца. Непосредственный термический контакт термометра сопротивления по всей его площади с образцом обеспечивает точное равенство температуры образца и датчика. При исполнении тонкопленочного нагревателя по аналогичной технологии толщина напыления металла составляет примерно 1 мкм.
Устройство для измерения поглощающей и излучающей способностей тонкопленочного образца, содержащее криостат, плоские образец и поглотитель, установленные параллельно на небольшом расстоянии друг от друга, два датчика, измерители температуры и источник мощности, соединенный с нагревателем поглотителя или образца при измерении поглощающей или излучающей способности, соответственно, отличающееся тем, что поглотитель и образец содержат тонкопленочные термометр сопротивления и нагреватель, изолированные друг от друга диэлектрическим слоем и распределенные по площади поглотителя и образца, при этом, суммарная теплоемкость термометра сопротивления и нагревателя меньше теплоемкости образца и поглотителя, поглотитель имеет теплоемкость, равную или меньшую теплоемкости образца, а источник мощности является генератором переменного сигнала.
