Способ нагрева тонких металлических пленок

Изобретение относится к электротермии и может быть использовано для оптимального распределения тепла при нагреве металлических образцов встречными волнами ближнего ИК-диапазона. Предлагаемый способ нагрева тонких металлических пленок, реализуемый с помощью схемы интерферометра Маха-Цендера, включающего одно высокоотражающее, два полупрозрачных зеркала, зеркало с фазовой модуляцией, а также твердотельного лазера, поляризаторов для регулировки амплитуд волн, характеризуется тем, что поверхность нагреваемого металлического образца устанавливается под углом α к падающему р-поляризованному лучу лазера, а указанный угол отсчитывается от нормали к поверхности образца и имеет значение, при котором отражение для выбранного материала минимально. Использование способа позволяет решить задачу управления поглощающей способностью тонких металлических образцов в ИК-диапазоне, а именно повысить КПД нагрева тонкой металлической пленки вплоть до 100%, обеспечивая наиболее оптимальный режим ее разогрева. 3 ил.

 

Изобретение относится к электротермии и может быть использовано для оптимального распределения тепла при нагреве металлических образцов встречными волнами ближнего ИК-диапазона.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является индукционный нагревательный способ (А.С. №1707782. Способ индукционного нагрева плоского изделия из электропроводного материала // Б.И. 1992. №3), реализуемый на основе эффекта туннельной интерференции. При индукционном нагреве плоского изделия из электропроводного материала толщиной d<ds, где ds - глубина проникновения поля в металлический материал (скин-слоя), с противоположных сторон при помощи источников высокочастотной энергии начинают возбуждаться электромагнитные поля с частотой ω. Вследствие этого будет проявляться эффект туннельной интерференции встречных волн (Сидоренков В.В., Толмачев В.В. Эффект туннельной электромагнитной интерференции в металлических пленках // Письма в ЖТФ, 1989, т.15, вып.21, с.34-37), который используется для повышения КПД и улучшения равномерности нагрева по толщине изделия. Предложенная указанными авторами установка представляет собой СВЧ-интерферометр, выполненный на коаксиальных линиях. Измерения отраженных энергетических потоков производились с помощью направленных ответвителей, включенных с обеих сторон пленочного образца. Ферритовые вентили в каналах интерферометра устраняют воздействие на генератор отраженных от образца электромагнитных волн. Изменение фазы второй волны осуществлялось фазовращателем. Измерения проводились на пленке металлического конденсата (цинк, d=500 нм), полученной вакуумным резистивным напылением на подложку слюды толщиной 0.1 мм. Коэффициенты отражения R и прохождения T определялись при закрытом втором канале интерферометра и на частоте 3008 МГц составляли R=0.41 и Т=0.27. При подаче второй волны интенсивности электромагнитных потоков справа и слева от образца изменялись и существенно зависели от амплитуды и фазы этой волны. Таким образом, использование в предлагаемом способе туннельной электромагнитной интерференции позволяет повысить эффективность использования энергии электромагнитного поля при индукционном нагреве. В частности, в рассмотренном выше случае величина поглощаемой энергии повысилась до 50%, однако анализ показывает, что поглощение в пластинке с учетом интерференции можно повысить до 100% (в два раза) в сравнении с обычным поглощением, которое наблюдается при распространении одиночной волны в слое материала. При этом максимум тепловыделения в образце достигается при разности фаз источников когерентного электромагнитного поля, равной π, либо при 0.

Предлагаемый способ нагрева обеспечивает техническое решение проблемы повышения КПД нагрева D металлического образца и равномерного распределения тепла по его толщине. Под КПД нагрева будем понимать отношение мощности, перешедшей в тепло, к мощности падающего излучения (величина КПД будет колебаться от нуля до единицы, при D=1 вся падающая мощность перейдет в тепло, обеспечивая оптимальное нагревание). Это осуществляется при помощи управления поглощающей способностью материала в режиме интерференции встречных волн.

Характерные отличия заявляемого изобретения от указанного аналога:

а) наклонное падение встречных волн (в аналогичном изобретении рассмотрено только нормальное падение);

б) рабочим диапазоном частот является инфракрасный диапазон;

в) выбор линейной поляризации сужается до р-поляризации.

Использование предлагаемого изобретения позволяет решить задачу управления поглощающей способностью тонких металлических образцов в ИК-диапазоне, а именно повысить КПД нагрева тонкой металлической пленки вплоть до 100%, обеспечивая наиболее оптимальный режим увеличения температуры.

Опишем решаемую задачу более подробно. В геометрии наклонного падения встречных волн на поглощающий слой в структуре электромагнитного поля формируется энергетический поток с нетривиальными свойствами - туннельный интерференционный поток. Величина этого потока определяется мнимой частью показателя преломления, а направление - разностью фаз встречных волн, падающих на противоположные поверхности слоя. В отличие от потоков одиночных волн интерференционный поток не затухает экспоненциально в направлении распространения волны, а является осциллирующей функцией координаты. Изменяя амплитудно-фазовые соотношения, можно влиять на величину интерференционного потока и в конечном счете управлять КПД нагрева поглощающего слоя - тонкой металлической пленки.

В условиях распространения встречных когерентных волн выражение для КПД нагрева пленки имеет вид:

где и - энергетические коэффициенты отражения для волны с амплитудой А и прохождения с амплитудой В, |ra| и |tb| - абсолютные значения амплитудных коэффициентов, χA и ψB - сдвиги фаз, приобретаемые волнами при отражении и прохождении соответственно; - коэффициент интерференционной прозрачности, характеризующий амплитудную величину интерференционного потока в пластинке и обеспечивающий перераспределение энергии между отраженными от образца потоками; δ=φBА+k0dcosα - разность фаз падающих волн, в которой содержатся начальные фазы φA и φB каждой из волн, k0 - волновое число в вакууме, d - толщина металлической пленки, α - угол падения волн, отсчитываемый от нормали.

При наклонном падении коэффициенты отражения, прохождения, интерференционной прозрачности и набег фазы являются функциями угла падения и существенно зависят от выбора поляризации. В частности, для характерного угла падения, соответствующего углу Брюстера, для р-поляризации возникает минимальное отражение.

За счет изменения сдвига фаз Δ и разности фаз δ можно осуществить как увеличение, так и уменьшение КПД нагрева; значения Δ=πk и δ=πm (где k, m - целые числа) соответствуют максимуму и минимуму КПД нагрева. При Δ,δ=(2m+1)π/2 интерференционная составляющая потока отсутствует. Значения разности фаз устанавливают исходя из материальных параметров обрабатываемого материала в области температур нагрева. Величина δ является управляемым параметром а счет возможности изменения разности фаз φBA падающих на слой волн. Таким образом, величина КПД нагрева в поглощающем слое может изменяться от 1-R-T-IcosΔ до 1-R-T+IcosΔ.

На фигуре 1 показана схема установки, которая может быть использована для осуществления предлагаемого способа нагрева металлических образцов в режиме наклонного падения встречных волн. Установка включает в себя следующие конструктивные элементы:

ТЛ - твердотельный лазер;

З - зеркало;

П1 и П2 - поляризаторы, использующиеся для регулировки амплитуд волн;

ПЗ1 и ПЗ2 - полупрозрачные зеркала;

ЗФМ - зеркало с фазовой модуляцией;

О - исследуемый металлический образец, расположенный под углом к падающему излучению;

ФП - фотоприемник.

Зеркала З, ПЗ1, ПЗ2 и ЗФМ образуют двухлучевой интерферометр, являющийся аналогом интерферометра Маха-Цендера (Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: 1973, 719 с.). В качестве источника излучения используется твердотельный лазер с длиной волны λ=1.06 мкм (YAG:Nd). Лазерное излучение, попадая на полупрозрачное зеркало ПЗ1, разделяется на два луча: основной луч (сигнальный) и луч подсветки. Сигнальный луч проходит через поляризатор П1 и падает слева на экспериментальный образец, причем угол между нормалью к поверхности образца и сигнальным лучом фиксирован и равен углу минимального отражения τ0≈78° для выбранного материала (вольфрама), далее происходит регистрация сигнального луча фотоприемником ФП. Луч подсветки, пройдя через второй поляризатор П2 и поочередно отразившись от зеркал 3 и ЗФМ (на зеркале ЗФМ осуществляется модуляция по фазе), попадает на второе полупрозрачное зеркало П32, где также разделяется на два луча. Первый луч падает на исследуемый образец с противоположной относительно сигнального луча стороны (т.е. справа), причем угол между нормалью к поверхности образца и лучом также равен τ0≈78°, интерферирует с сигнальным, второй поступает на фотоприемник. Образованный в результате интерференции поток регистрируется фотоприемником ФП. Сигнал с фотоприемника поступает на измерительный усилитель, а затем на осциллограф, с помощью которого проводятся все измерения.

На фиг.2 для пленки толщиной d=36 нм представлены зависимости от угла падения коэффициентов отражения R (кривые 1), прохождения Т (кривые 2) для волн s- и р-поляризации (пунктирные и сплошные кривые) для тонкой пленки вольфрама (т=3.0-i·3.5, J=36 нм, λ=1060 нм). Для волн р-поляризации функция R(τ) вначале убывает, достигает минимального значения при τ0≈78° (аналог угла Брюстера), затем быстро возрастает и при скользящем падении достигает максимального значения, практически равного единице. Функция Т(τ) плавно возрастает до точки τ0, где достигает максимального значения, а при скользящем падении обращается в нуль. Для волн s-поляризации наблюдается плавный рост величины коэффициента отражения и плавный спад коэффициента прохождения.

Угловые зависимости коэффициента поглощения D(τ) (фиг.3) построены для значений начальной разности фаз δ=0, π/2, π (кривые 1, 2, 3) для тонкой пленки вольфрама (n=3.0-i·3.5, d=36 нм, λ=1060 нм). Для волн р-поляризации зависимости имеют явно выраженный максимум в области углов, близких к τ0. Для нормального падения эффект поглощения будет выражен значительно слабее, чем при наклонном, а в области углов, близких к τ0, в максимуме имеет место практически полное поглощение слоем энергии падающих волн (δ=0, сплошная кривая 1). Для волн s-поляризации с увеличением угла падения величина КПД убывает, а максимальный эффект отвечает нормальному падению. Таким образом, для эффективного нагрева металлической пленки целесообразно использовать наклонное падение встречных волн р-поляризации. Подобные зависимости для коэффициента отражения R и поглощения D в ближнем ИК-диапазоне будут наблюдаться и для тонких пленок других металлов, например железа, никеля, платины, кобальта. Отметим, что с увеличением толщины металлической пленки эффект поглощения будет изменяться, но преимущество наклонного падения перед нормальным также для волн р-поляризации сохраняется.

Способ нагрева тонких металлических пленок, реализуемый с помощью схемы интерферометра Маха-Цендера, твердотельного лазера, поляризаторов для регулировки амплитуд волн и характеризующийся тем, что поверхность нагреваемого образца устанавливается под углом α к падающему р-поляризованному лучу лазера, причем указанный угол отсчитывается от нормали к поверхности образца и имеет значение, при котором отражение для выбранного материала минимально.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к источникам питания индукционных нагревателей и может быть использовано для нагрева, пайки, закалки и плавки металлов. Сущность изобретения заключается в применении устройства для луговой сварки металлов токами в форме знакопеременных импульсов частоты ультразвукового диапазона в качестве источника питания индуктора.

Изобретение относится к способу радиочастотного нагрева нефтеносной породы с использованием набора из одной или более радиочастот. Способ включает следующие шаги: (a) смешивание первого вещества, включающего нефтеносную породу, и второго вещества, включающего воспринимающие частицы в виде дипольных антенн, с образованием смеси из 10-99% по объему первого вещества и 1-50% по объему второго вещества; (b) воздействие на упомянутую смесь радиочастотной энергией с частотой или частотами из упомянутого набора из одной или более радиочастот и мощностью, достаточной для нагрева воспринимающих частиц; и (c) продолжение воздействия радиочастотной энергией на протяжении времени, достаточного для нагревания воспринимающими частицами упомянутой смеси до средней температуры, превышающей приблизительно 100°C (212°F).

Изобретение относится к области металлургии, в частности к конструкциям индукционных канальных печей для приготовления сплавов и разновесных компонентов, и направлено на повышение эффективности перемешивания расплава в печи и ее производительности за счет исключения зарастания канальной части окислами.

Изобретение относится к области электротермии и может быть использовано в нефтяной, газовой, химической и пищевой промышленности для поддержания температуры трубопроводов в рабочем диапазоне, а также для защиты от замораживания трубопроводов и стартового разогрева трубопроводов до рабочей температуры.

Изобретение относится к области электротермии и может быть использовано для поддержания температуры трубопроводов в рабочем диапазоне, а также для защиты от замораживания трубопроводов и стартового разогрева трубопроводов до рабочей температуры.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для нагрева деталей с отверстием (типа «кольцо») токами промышленной частоты до температур, позволяющих восстанавливать металлокерамический слой дисков фрикционов спеканием.

Изобретение относится к электротехническим устройствам для нагрева жидкостей или газов. .

Изобретение относится к электротехнике. .

Изобретение относится к технике индукционного нагрева и может найти применение для термической обработки внутренних и наружных цилиндрических поверхностей металлических изделий, в частности, в устройствах для нагрева внутренней поверхности втулок.

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности для обеззараживания молока. Способ обеззараживания молока включает воздействие на молоко электрическим полем СВЧ частотой 2450 МГц, удельной мощностью 4 Вт/г в проточном режиме с наложением бактерицидного потока УФ излучений лампой мощностью 240 Вт и ультразвукового поля с частотой 40 кГц и удельной мощностью 0,625 Вт/г, при этом продолжительность воздействия составит 250 с до достижения температуры молока 57…58 ˚С. Установка для осуществления этого способа содержит цилиндрический экранирующий корпус с патрубками подачи и слива, внутри которого концентрически расположен цилиндрический объёмный резонатор, нижнее основание которого перфорировано и состыковано с резервуаром ультразвукового генератора, к нижнему основанию которого закреплены пьезоэлектрические элементы, причем через объёмный резонатор, в горизонтальной плоскости проложена трубка из увиолевого стекла, внутри которой находится газоразрядная лампа высокого давления УФ излучений, а торцы трубки заглушены накладками из ферромагнитного материала. Изобретение позволяет снизить бактериальную обсемененность молока. 2 н.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в системах отопления, горячего водоснабжения, в технологических процессах подогрева жидкостей, где требуется обеспечить малый градиент температур между нагревателем и нагреваемой жидкостью в проточном режиме или в накопительной емкости. Индукционный нагреватель содержит цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками, ферримагнитный корпус для индукционной катушки с электрической обмоткой из изолированных проводов, ферримагнитную крышку корпуса индукционной катушки, корпус выполнен из трубы квадратного сечения, стенки корпуса для индукционной катушки имеют различную толщину, внутри корпуса установлена разделительная пластина, создающая лабиринтную форму движения жидкости. Техническим результатом является увеличение мощности нагревателя. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к индуктору для индукционного нагрева месторождений нефтеносного песка, горючих сланцев или тяжелых фракций нефти. Индуктор (1) для индукционного нагрева посредством токоведущих проводников (2a…f, 4a…f) содержит участки многожильного провода (20, 22, 24, 26), соединенные через конденсаторы ( 4, 6, 8), при этом предотвращается частичный разряд на местах прерываний проводников (2a…f, 4a…f). Изобретение предотвращает возможность возникновения частичных разрядов на местах прерывания токоведущих проводников индуктора, которые могут привести к разрушению индуктора. 23 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться для промышленных, сельскохозяйственных и бытовых нужд. Интеллектуальный электротепловой привод содержит магнитопровод с размещенной на нем сетевой обмоткой, неподвижный нагревательный элемент и вращающийся элемент, выполненный в виде короткозамкнутой вторичной обмотки, имеющей форму полого ротора с охлаждающими элементами, причем сопряжение вращающегося элемента и неподвижного нагревательного элемента выполнено с использованием упорных радиальных элементов качения. Питание сетевой обмотки осуществляется с помощью интеллектуального управляющего устройства, учитывающего уровень освещенности, наличие движения, температуру, время суток, погодные условия и обеспечивающего избирательность режимов работы привода с учетом влияния окружающей среды и, например, в условиях изменяющейся температуры и/или недостаточной освещенности. 2 ил.

Изобретение относится к способу и устройствам преобразования электрической энергии в тепловую и создания теплообмена и может быть использовано при нагреве жидкостей. Электрический парогенератор включает один или несколько электрических трансформаторов с наборными металлическими сердечниками и первичными обмотками, трубчатую вторичную обмотку, расположенную в магнитном поле изолированно, перемычку, соединенную наружно с витками общей трубчатой вторичной обмотки с целью создания короткого замыкания витков трубчатой вторичной обмотки и необходимые средства для принудительной подачи жидкости через внутреннюю полость трубчатой вторичной обмотки, последняя выполнена из трех последовательно соединенных секций, соединенных разъемными муфтами и имеющих разную мощность тепловыделения, соответствующую фазам теплового преобразования воды в пар. Использование изобретения позволяет повысить надежность работы индукционного электрического парогенератора. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Предложена микроволновая печь, имеющая усовершенствованную конструкцию, которая позволяет равномерно нагревать пищевые продукты. Микроволновая печь содержит: корпус, включающий в себя варочную камеру (20), имеющую нижнюю поверхность (21), по меньшей мере одну первую отражательную часть (110), выполненную на нижней поверхности (21) варочной камеры; магнетрон (60), предназначенный для генерации СВЧ-излучения, и поддон (200), расположенный отдельно от нижней поверхности варочной камеры и поддерживающий нагреваемый пищевой продукт. Упомянутая по меньшей мере одна первая отражательная часть простирается на заданную высоту (h) выше отсчетного уровня (RL). При этом по меньшей мере одна первая отражательная часть содержит по меньшей мере одну подвижную часть и выполнена с возможностью изменения по меньшей мере одного из высоты (h) и ширины (w) упомянутой по меньшей мере одной первой отражательной части посредством перемещения по меньшей мере одной подвижной части. Усовершенствованная конструкция микроволновой печи позволяет равномерно нагревать пищевые продукты. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 15 ил.

Изобретение относится к электротермии и может быть использовано для оптимального распределения тепла при нагреве металлических образцов встречными волнами ближнего ИК-диапазона. Предлагаемый способ нагрева тонких металлических пленок, реализуемый с помощью схемы интерферометра Маха-Цендера, включающего одно высокоотражающее, два полупрозрачных зеркала, зеркало с фазовой модуляцией, а также твердотельного лазера, поляризаторов для регулировки амплитуд волн, характеризуется тем, что поверхность нагреваемого металлического образца устанавливается под углом α к падающему р-поляризованному лучу лазера, а указанный угол отсчитывается от нормали к поверхности образца и имеет значение, при котором отражение для выбранного материала минимально. Использование способа позволяет решить задачу управления поглощающей способностью тонких металлических образцов в ИК-диапазоне, а именно повысить КПД нагрева тонкой металлической пленки вплоть до 100, обеспечивая наиболее оптимальный режим ее разогрева. 3 ил.

Наверх