EA017906B1 - Method for measuring thermal diffusivity of solids and apparatus for its embodiment - Google Patents

Method for measuring thermal diffusivity of solids and apparatus for its embodiment Download PDF

Info

Publication number
EA017906B1
EA017906B1 EA201001794A EA201001794A EA017906B1 EA 017906 B1 EA017906 B1 EA 017906B1 EA 201001794 A EA201001794 A EA 201001794A EA 201001794 A EA201001794 A EA 201001794A EA 017906 B1 EA017906 B1 EA 017906B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
sample
thermal diffusivity
standard
diffraction
grating
Prior art date
Application number
EA201001794A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
EA201001794A1 (en
Inventor
Евгений Васильевич Ивакин
Иван Георгиевич Киселев
Original Assignee
Государственное Научное Учреждение "Институт Физики Имени Б.И. Степанова Национальной Академии Наук Беларуси"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное Научное Учреждение "Институт Физики Имени Б.И. Степанова Национальной Академии Наук Беларуси" filed Critical Государственное Научное Учреждение "Институт Физики Имени Б.И. Степанова Национальной Академии Наук Беларуси"
Priority to EA201001794A priority Critical patent/EA017906B1/en
Publication of EA201001794A1 publication Critical patent/EA201001794A1/en
Publication of EA017906B1 publication Critical patent/EA017906B1/en

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

This invention relates to thermo-physical measurements conducting and can be used for thermal diffusivity measurement of materials in wide interval of the values. Thermal transient grating is excited in a solid state sample via sample irradiation by two light beams from pulsed laser. The spot of excitation in a sample is probed by the beam from CW laser and the intensity of diffracted beam is measured by detector as a function of time. The grating spacing and time constant of diffracted signal decay are measured. At the stage of calibration the etalon of thermal diffusivity is used as a sample. Thermal diffusivity of sample is calculated by formulawhere χ- thermal diffusivity of etalon, Λ- the spacing of transient grating, which is excited in the sample under study, Λ- the value of grating spacing in etalon which corresponds to the same value of time constant decay as in a sample. The apparatus includes CW laser; the source of pulsed laser radiation; diffraction beam-splitter; optical scheme containing lenses, prisms and mirrors; photodetector and digital system for the signal storage and processing. In addition, the apparatus includes etalon of thermal diffusivity and the diffraction beam-splitter which is fabricated in a form of diffraction grating with the linearly varying grating spacing and which can be moved in its plane in the direction normal to the grating strips.

Description

где χ,- температуропроводность эталона, Ах - период динамической решетки, возбуждаемой в исследуемом образце, Аэталон - то значение периода динамической решетки в эталоне, которое соответствует тому же значению времени релаксации сигнала дифракции, что и в образце. Устройство включает лазер непрерывного действия, источник импульсного лазерного излучения, дифракционный светоделитель, оптическую схему, содержащую линзы, поворотные призмы и зеркала, фотодетектор, цифровую систему регистрации и обработки сигнала. Устройство также содержит эталон температуропроводности, дифракционный светоделитель для формирования двух интерферирующих пучков, который изготовлен в виде дифракционной решетки с линейно изменяющимся периодом и с возможностью линейного перемещения в своей плоскости в направлении, перпендикулярном штрихам решетки.where χ, is the thermal diffusivity of the standard, A x is the period of the dynamic lattice excited in the sample under study, and the standard is the value of the period of the dynamic lattice in the standard, which corresponds to the same value of the relaxation time of the diffraction signal as in the sample. The device includes a continuous laser, a source of pulsed laser radiation, a diffraction beam splitter, an optical circuit containing lenses, rotary prisms and mirrors, a photo detector, a digital system for recording and processing a signal. The device also contains a thermal diffusivity standard, a diffraction beam splitter for forming two interfering beams, which is made in the form of a diffraction grating with a linearly varying period and with the possibility of linear movement in its plane in the direction perpendicular to the grating strokes.

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения температуропроводности материалов в широком интервале значений.The invention relates to the field of thermophysical measurements and can be used to determine the thermal diffusivity of materials in a wide range of values.

Известен способ измерения температуропроводности, основанный на нагреве импульсным лазером лицевой поверхности образца и измерении температуры тыльной поверхности с помощью теплового приемника в функции времени [1, 2]. Температуропроводность % вычисляют по формуле х = к---, (1) т0,5 где 6 - толщина образца, τ0,5 - время, за которое температура второй поверхности образца вырастает до половины от ее максимального значения, к=1,38/п2. К недостаткам известного способа можно отнести дополнительные требования к исследуемому образцу, в частности необходимость сильного поверхностного поглощения света. Также в данном способе отсутствует возможность контролируемого изменения пространственного масштаба теплопереноса, необходимого для повышения точности измерения. Кроме того, характерное время теплопереноса и недостаточное быстродействие доступных датчиков накладывают ограничение снизу на толщину образца.A known method of measuring thermal diffusivity, based on the heating of the front surface of the sample by a pulsed laser and measuring the temperature of the back surface using a heat receiver as a function of time [1, 2]. The thermal diffusivity% is calculated by the formula x = k ---, (1) t 0.5 where 6 is the thickness of the sample, τ 0 , 5 is the time during which the temperature of the second surface of the sample grows to half of its maximum value, k = 1, 38 / p 2 . The disadvantages of this method include the additional requirements for the test sample, in particular the need for strong surface absorption of light. Also in this method there is no possibility of a controlled change in the spatial scale of heat transfer necessary to increase the accuracy of the measurement. In addition, the characteristic heat transfer time and insufficient performance of the available sensors impose a lower limit on the sample thickness.

Известен также способ определения температуропроводности твёрдых тел по отклонению светового пучка (метод миража) [3], согласно которому с помощью сфокусированного светового пучка от импульсного лазера в образце формируют пятно наведенной фоторефракции и зондируют это пятно с помощью непрерывного лазерного пучка. Зондирующий пучок испытывает отклонение за счет фотоиндуцированного градиента показателя преломления, и угол отклонения измеряют в функции времени. Полученную временную зависимость анализируют с помощью разработанной модели и таким образом вычисляют искомую температуропроводность. Однако использование позиционно-чувствительного датчика требует высокой стабилизации и виброзащиты. Также в известном способе используется сложная математическая модель, которая, кроме всего прочего, требует учета характера пространственного распределения энергии взаимодействующих лазерных импульсов и его стабильности.There is also a method for determining the thermal diffusivity of solids by deflection of a light beam (mirage method) [3], according to which a spot of induced photorefraction is formed in a sample using a focused light beam from a pulsed laser and this spot is probed using a continuous laser beam. The probe beam is deflected by a photo-induced refractive index gradient, and the deflection angle is measured as a function of time. The obtained time dependence is analyzed using the developed model and thus the desired thermal diffusivity is calculated. However, the use of a position-sensitive sensor requires high stabilization and vibration protection. Also in the known method uses a complex mathematical model, which, among other things, requires taking into account the nature of the spatial distribution of energy of the interacting laser pulses and its stability.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения по совокупности существенных признаков является способ измерения температуропроводности [4]. Согласно этому способу исследуемый образец в виде пластинки нагревают интерференционным полем от импульсного лазера. Интерференционное поле создают двумя интерферирующими пучками, которые падают на образец под заданным углом друг к другу. При этом образуются светлые и темные полосы, следующие с периодомThe closest analogue of the claimed invention for the combination of essential features is a method of measuring thermal diffusivity [4]. According to this method, the test sample in the form of a plate is heated by an interference field from a pulsed laser. The interference field is created by two interfering beams that fall on the sample at a given angle to each other. In this case, light and dark bands are formed, following with a period

Λ = λ/2 5ΐηΘ/2, (2) где Θ - угол между пучками света, λ - длина волны лазерного излучения.Λ = λ / 2 5ΐηΘ / 2, (2) where Θ is the angle between the light beams, λ is the wavelength of the laser radiation.

За счет поглощения света происходит неравномерный нагрев образца, что приводит к формированию в объеме или на его поверхности фазовой дифракционной решетки с таким же периодом Л. Третий световой пучок от отдельного лазера непрерывного действия направляют на место возбуждения образца, и световой пучок испытывает дифракцию с образованием дифракционных порядков плюс-, минус- и нулевого порядков. Согласно разработанной теории тепловых динамических решеток [5] в приближении, которое заведомо выполняется при постановке измерений, интенсивность сигнала дифракции в первом порядке изменяется по экспоненциальному законуNon-uniform heating of the sample occurs due to light absorption, which leads to the formation of a phase diffraction grating in the volume or on its surface with the same period L. The third light beam from an individual continuous laser is directed to the sample excitation site, and the light beam experiences diffraction with the formation of diffraction orders of plus, minus and zero orders. According to the developed theory of thermal dynamic gratings [5] in the approximation, which is obviously performed during the measurement, the intensity of the diffraction signal in the first order varies exponentially

1(0 = 1(0)ехр(-1/т), (1) где постоянная времени τ = Λ2/8π2χ (3)1 (0 = 1 (0) exp (-1 / t), (1) where the time constant τ = Λ 2 / 8π 2 χ (3)

Таким образом, для измерения χ по методу, описанному в [4], необходимо экспериментально определить две величины: период динамической решетки и постоянную времени ее затухания. Период решетки как линейную величину определяют с большой точностью с помощью стандартного микроскопа, снабженного заранее откалиброванным окуляр-микрометром. Постоянную времени τ определяют путем интерполяции к одноэкспоненциальному процессу (1) стандартным методом наименьших квадратов.Thus, to measure χ by the method described in [4], it is necessary to experimentally determine two quantities: the period of the dynamic lattice and the constant of its decay time. The lattice period as a linear value is determined with great accuracy using a standard microscope equipped with a pre-calibrated eyepiece micrometer. The time constant τ is determined by interpolation to the single-exponential process (1) by the standard least-squares method.

Ближайшим техническим решением (прототип) для предложенного устройства является устройство, включающее лазер непрерывного действия, источник импульсного лазерного излучения, дифракционный светоделитель, обеспечивающий формирование двух когерентных лазерных пучков, оптическую схему для сведения лучей возбуждения и зондирования на образце, включающую линзы, поворотные призмы и зеркала, фотодетектор, цифровую систему регистрации и обработки сигнала [6]. Недостатком данных способа и устройства является то, что для метрологического обеспечения измерений требуется эталон с температуропроводностью, близкой по значению к измеряемому образцу. В этих условиях диапазон достоверных измерений определяется тем диапазоном, который занимает совокупность имеющихся в наличии эталонов. Вследствие этого, например, метрологическое обеспечение измерений в области χ более 5-15 см2/с (в настоящее время этот предел достигнут только алмазами [7] и даже превзойден в два раза новым материалом под названием графен [8]) невозможно реализовать ввиду отсутствия эталонов на этот высокий диапазон температуропроводности.The closest technical solution (prototype) for the proposed device is a device including a continuous-wave laser, a pulsed laser radiation source, a diffraction beam splitter, which provides the formation of two coherent laser beams, an optical circuit for combining excitation and probe rays on a sample, including lenses, rotary prisms and mirrors , photodetector, digital signal recording and processing system [6]. The disadvantage of the data of the method and device is that for metrological support of measurements, a standard with thermal diffusivity close in value to the measured sample is required. Under these conditions, the range of reliable measurements is determined by the range that the set of available standards occupies. As a result of this, for example, the metrological support of measurements in the χ region of more than 5-15 cm 2 / s (currently this limit is reached only by diamonds [7] and even doubled by a new material called graphene [8]) cannot be realized due to the lack of standards for this high thermal diffusivity range.

Задачей изобретения является повышение достоверности измерений и значительное расширение диапазона метрологически обеспеченных измеряемых значений вплоть до χ>5 см2/с за счет использоваThe objective of the invention is to increase the reliability of measurements and a significant expansion of the range of metrologically assured measured values up to χ> 5 cm 2 / s due to the use of

- 1 017906 ния одного эталона, например [9], с температуропроводностью, существенно отличающейся от значения χ измеряемого образца.- 1 017906 of one standard, for example [9], with thermal diffusivity significantly different from the χ value of the measured sample.

Поставленная задача достигается за счет того, что в заявляемом способе измерения температуропроводности предварительно производят калибровку измерительной установки путем построения линейного графика т(Л)2. При этом в качестве образца используют эталон температуропроводности, изготовленный и официально сертифицированный в учреждении метрологического профиля. Эталон облучают двумя когерентными световыми пучками от импульсного лазера, распространяющимися под заданным углом Θ друг к другу и формирующими за счет этого интерференционную картину в плоскости эталона в виде чередующихся светлых и темных прямых полос с периодом Л, зависящим от величины Θ в соответствии с формулой (2). Причем далее калибровочный график τ(Λ)2 используют для определения искомой температуропроводности образца по измеренным τχ и Лх.The problem is achieved due to the fact that in the inventive method for measuring thermal diffusivity pre-calibrate the measuring installation by constructing a linear graph of t (L) 2 . At the same time, the thermal diffusivity standard manufactured and officially certified at the metrological institution is used as a sample. The standard is irradiated with two coherent light beams from a pulsed laser, propagating at a given angle Θ to each other and thereby forming an interference picture in the plane of the standard in the form of alternating light and dark straight bands with a period A depending on the value of соответствии in accordance with the formula (2 ) Moreover, the calibration graph τ (Λ) 2 is then used to determine the desired thermal diffusivity of the sample from the measured τχ and L x .

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 показана зависимость длительности оптического сигнала экспоненциальной формы от квадрата периода тепловой динамической решетки для эталона; на фиг. 3 показаны калибровочные графики т.,.|он (Л)2 для эталонов из стекла К8 (прямая 1) и стали 12Х18Н10Т (прямая 2) на фиг. 4 представлена кинетика затухания сигнала дифракции в алмазном образце № 10 А. Период динамической решетки Λχ=69 мкм. Процедура интерполяции под одноэкспоненциальный процесс дает τχ=110 нс.The essence of the invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 presents a diagram of the proposed device; in FIG. Figure 2 shows the dependence of the duration of an optical signal of an exponential shape on the squared period of a thermal dynamic lattice for a standard; in FIG. 3 shows calibration graphs t., | N. | it (L) 2 for standards of glass K8 (straight line 1) and steel 12X18H10T (straight line 2) in FIG. Figure 4 shows the attenuation kinetics of the diffraction signal in a diamond sample No. 10 A. The dynamic lattice period Λ χ = 69 μm. The interpolation procedure for a single-exponential process gives τ χ = 110 ns.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.The proposed method is as follows.

На этапе калибровки установки на предметном столике закрепляют эталон температуропроводности. Эталон облучают двумя когерентными световыми пучками от импульсного лазера, распространяющимися под заданным углом Θ друг к другу и формирующими за счет этого интерференционную картину в плоскости эталона в виде чередующихся светлых и темных прямых полос с периодом Λ. Пространственно периодический нагрев эталона, обусловленный поглощением света, приводит к формированию в объеме или на его поверхности фазовой дифракционной решетки с таким же периодом Л. Третий световой пучок от отдельного лазера непрерывного действия направляют на место возбуждения эталона, и световой пучок испытывает дифракцию с образованием дифракционных плюс-, минус-первого и нулевого порядков. Дифрагированный световой пучок плюс- или минус-первый порядка фотометрируют с помощью фотодетектора с высоким временным разрешением. Сигнал затем направляют на цифровой осциллограф или другой регистратор кинетики затухания сигнала.At the installation calibration stage, the thermal diffusivity standard is fixed on the stage. The standard is irradiated with two coherent light beams from a pulsed laser propagating at a given angle Θ to each other and thereby forming an interference picture in the plane of the standard in the form of alternating light and dark straight bands with a period Λ. The spatially periodic heating of the standard, caused by the absorption of light, leads to the formation of a phase diffraction grating in the volume or on its surface with the same period L. The third light beam from an individual continuous laser is directed to the place of excitation of the standard, and the light beam undergoes diffraction with the formation of diffraction plus -, minus first and zero orders. A diffracted light beam of plus- or minus-first order is photographed using a high-resolution photodetector. The signal is then sent to a digital oscilloscope or other signal attenuation kinetics recorder.

Далее применяют стандартную программу интерполирования экспериментально зарегистрированной кинетики под экспоненциальный закон (1) по методу наименьших квадратов и определяют наиболее вероятное значение тэталон. Затем по результатам экспериментов при различных Л строится калибровочный график тэталон (Л)2. Далее вместо эталона на предметном столике установки закрепляют исследуемый образец и возбуждают в нем тепловую динамическую решетку с периодом Лх, значение которого выбирают произвольно из имеющегося опыта, записывают кинетику и путем стандартной интерполяции по методу наименьших квадратов определяют постоянную времени τχ. Используя график на фиг. 2, находят, какому именно периоду тепловой решетки Лэталон соответствует это же значение тэталонх. Искомую величину температуропроводности вычисляют по формулеFurther use standard interpolation program recorded experimentally kinetics under exponential law (1) according to the method of least squares and determine the most probable value of t he et al. Then, according to the results of experiments for various A, a calibration graph is constructed, t standard (L) 2 . Then, instead of the standard, the test sample is fixed on the installation stage and a thermal dynamic lattice with a period L x is excited in it, the value of which is chosen arbitrarily from the available experience, the kinetics are recorded, and the time constant τ χ is determined by standard least squares interpolation. Using the graph in FIG. 2, find which period of the thermal lattice A reference corresponds to the same value of t reference = t x . The desired thermal diffusivity is calculated by the formula

Для осуществления заявляемого способа предлагается устройство фиг. 1, включающее источник импульсного лазерного излучения, лазер непрерывного действия, дифракционный светоделитель, оптическую схему для сведения лучей возбуждения и зондирования на образце, включающую линзы, поворотные призмы и зеркала, фотодетектор, цифровую систему регистрации и обработки сигнала, описанное в ряде работ по динамическим решеткам [3, 4, 10]. В отличие от прототипа светоделитель для формирования двух интерферирующих пучков изготовлен в виде дифракционной решетки с плавно изменяющимся периодом в диапазоне, например, от 10 до 300 мкм. Светоделитель имеет возможность перемещения в своей плоскости в направлении, перпендикулярном штрихам решетки программно или вручную.To implement the proposed method, the device of FIG. 1, including a pulsed laser radiation source, a continuous-wave laser, a diffraction beam splitter, an optical circuit for converting excitation and sensing rays on a sample, including lenses, rotary prisms and mirrors, a photodetector, a digital system for recording and processing signals described in a number of works on dynamic gratings [3, 4, 10]. In contrast to the prototype, the beam splitter for the formation of two interfering beams is made in the form of a diffraction grating with a smoothly changing period in the range, for example, from 10 to 300 microns. The beam splitter has the ability to move in its plane in the direction perpendicular to the bars of the grating programmatically or manually.

Используя предлагаемый светоделитель и перемещая его от одного крайнего положения до другого, плавно изменяют период решетки Л в плоскости эталона в диапазоне, например, от 3 до 100 мкм.Using the proposed beam splitter and moving it from one extreme position to another, smoothly change the period of the lattice A in the plane of the standard in the range, for example, from 3 to 100 microns.

Устройство для реализации способа содержит импульсный лазер 1 (например, лазер с модулированной добротностью или лазер с синхронизацией мод), являющийся источником двух образованных из одного пучка когерентных световых пучков 2 и 3, эталонную меру температуропроводности 4, лазер непрерывного действия 5 (например, гелий-неоновый лазер), подвижный дифракционный светоделитель 6 с переменным периодом решетки, фотодетектор 7, регистрирующий плюс-первый порядок дифракции 8 или минус-первый порядок дифракции 9, при этом нулевой порядок дифракции 10 блокируется экраном, цифровую систему регистрации и обработки сигнала 11 (например, цифровой осциллограф), положительные линзы 12, поворотные призмы 13.A device for implementing the method comprises a pulsed laser 1 (for example, a Q-switched laser or a mode-locked laser), which is a source of two coherent light beams 2 and 3 formed from the same beam, a reference thermal diffusivity measure 4, and a continuous laser 5 (for example, helium- neon laser), a movable diffraction beam splitter 6 with a variable grating period, a photo detector 7 detecting a plus-first diffraction order 8 or a minus-first diffraction order 9, with a zero diffraction order 10 blocked by a screen, a digital signal recording and processing system 11 (for example, a digital oscilloscope), positive lenses 12, rotary prisms 13.

- 2 017906- 2 017906

Авторами выполнены измерения температуропроводности образца № 10А синтетического алмаза в виде пластинки толщиной 0,9 мм и размером 4x4 мм. Как известно, алмаз имеет рекордную в природе температуропроводность, лежащую в диапазоне 3-15 см2/с в зависимости от концентрации и типа дефектов. Эталона температуропроводности для такого диапазона в мире не существует. Тем не менее, за счет использования предлагаемого метода метрологическая поддержка подобных измерений стала возможной. Схема экспериментальной установки представлена на фиг. 1. Для калибровки установки использованы два эталона температуропроводности: из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т (%эталон=0,04 см2/с) и оптического стекла марки К8 (%эталон=0,0055 см2/с). Путем плавного перемещения светоделителя 6 построены калибровочные графики (см. фиг. 3). В схеме на фиг. 1 в качестве источника возбуждения образца использована четвертая гармоника излучения лазера на алюмоиттриевом гранате (длина волны 266 нм, длительность импульса 10 нс). В этом диапазоне измеряемый алмазный образец имеет поглощение, достаточное для формирования тепловой динамической решетки. Зондирование осуществляется непрерывным световым пучком от гелий-неонового лазера на длине волны 633 нм. Период динамической решетки согласно линейным измерениям составляет Λχ=69±3 мкм. Типичная кинетика, зарегистрированная в этих условиях, представлена на фиг. 4. Интерполирование к одноэкспоненциальному закону по методу наименьших квадратов дало значение τχ=110 нс ± 10 нс.The authors performed measurements of thermal diffusivity of sample No. 10A of synthetic diamond in the form of a plate 0.9 mm thick and 4x4 mm in size. As you know, diamond has a record in nature thermal diffusivity, lying in the range of 3-15 cm 2 / s depending on the concentration and type of defects. The thermal diffusivity standard for such a range does not exist in the world. However, through the use of the proposed method, metrological support for such measurements has become possible. The experimental setup is shown in FIG. 1. Two standards of thermal diffusivity were used to calibrate the installation: from 12Kh18N10T stainless steel (% standard = 0.04 cm 2 / s) and K8 optical glass (% standard = 0.0055 cm 2 / s). By smoothly moving the beam splitter 6, calibration graphs are constructed (see Fig. 3). In the circuit of FIG. 1, the fourth harmonic of yttrium-aluminum laser radiation (wavelength 266 nm, pulse duration 10 ns) was used as a source of sample excitation. In this range, the measured diamond sample has an absorption sufficient to form a thermal dynamic lattice. The sounding is carried out by a continuous light beam from a helium-neon laser at a wavelength of 633 nm. The period of the dynamic grating according to linear measurements is Λχ = 69 ± 3 μm. Typical kinetics recorded under these conditions are shown in FIG. 4. Interpolation to the one-exponential law using the least squares method yielded the value τ χ = 110 ns ± 10 ns.

Используя график 2 на фиг. 3, находим, что значению τχ=110 нс соответствует период динамической решетки Лэталон=5,9 мкм для металлического эталона. Искомую величину температуропроводности вычисляют по формуле (4). Из нее при %эталон=0,04 см2/с, Λχ=69 мкм, Лэталон=5,9 мкм, получим χχ=5,5 см2/с.Using graph 2 in FIG. 3, we find that the value of τ χ = 110 ns corresponds to the period of the dynamic lattice L standard = 5.9 μm for the metal standard. The desired value of thermal diffusivity is calculated by the formula (4). From it, at% reference = 0.04 cm 2 / s, Λ χ = 69 μm, L reference = 5.9 μm, we obtain χ χ = 5.5 cm 2 / s.

Таким образом, измерена температуропроводность образца алмаза, у которого температуропроводность более чем на два порядка выше, чем у используемого эталона.Thus, the thermal diffusivity of a diamond sample was measured, in which the thermal diffusivity is more than two orders of magnitude higher than that of the standard used.

Использование предлагаемого изобретения позволяет осуществлять метрологически обеспеченные измерения температуропроводности твердотельных материалов в широком интервале значений при использовании стандартного эталона температуропроводности.Using the present invention allows metrologically assured measurements of thermal diffusivity of solid-state materials in a wide range of values using a standard thermal diffusivity standard.

Дополнительным техническим результатом является то, что имеющийся эталон температуропроводности, откалиброванный по зэталон при различных периодах решетки, может использоваться как источник стандартных импульсов экспоненциальной формы с плавно перестраиваемыми константами затухания.An additional technical result is that the existing thermal diffusivity standard calibrated to the z standard for various lattice periods can be used as a source of standard pulses of exponential shape with smoothly tunable attenuation constants.

Литература.Literature.

1. \ν.Τ Рагкег с1. а1.: Р1а8Й тс11ю6 οί 6с1спшшпд 11сгша1 άίίίπδίνίΐν. 1гса1 сараейу апб 111сгта1 сопбисДуйу. ί. Арр1. Р1у8., νο1.32,1961, р. 1679-1684.1. \ ν.Τ Ragkeg c1. A1 .: R1a8Y ts11yu6 οί 6s1spshshpd 11sgsha1 άίίίπδίνίΐν. 1gsa1 sarayyu apb 111sgta1 sopbisduyu. ί. Arr1. P1u8., Νο1.32.1961, p. 1679-1684.

2. Т. ВаЬа, А. Опо. Iшр^ονсшсηΐ οί 111с 1азсг ПаМ1 тс11ю6 ΐο гсбисс ипссПайНу ίη 1ксгта1 άίίίπδίνίΐ.ν шсазигсшсп. Мсаз. 8с1. ТссНгюк νοί. 12, 2001, р.р.2046-2057.2. T. Baa, A. Opo. Iшр ^ ονсшсηηΐ οί 111с 1азсг PaМ1 тс11ю6 ΐο Гсбисс ипссПайНу ίη 1сгта1 άίίίπδίνίΐ.ν шсазигсшсп. Msaz. 8s1. ShhhNguk νοί. 12, 2001, pp. 2046-2057.

3. М. ВсгюШиТ с1 а1. «Мс11ю6 ίοΓ 11сгша1 бТйыуйу шсазигсшсй Ьазсб οη р1юЮ111сгта1 6сПсс1юп». 1. Арр1. Р1уз. νο1. 74,1993, р. 7078-7084.3. M. VsgyuShiT s1 a1. “Ms11yu6 ίοΓ 11sgsha1 bTyuyu shsaziggsshy Lazb οη p1yuYu111sgta1 6sPss1yup”. 1. Arr1. P1uz. νο1. 74.1993, p. 7078-7084.

4. Ивакин Е.В., Рубанов А.С., Петрович И.П. Способ определения теплофизических свойств вещества, авт.св. № 568303.4. Ivakin E.V., Rubanov A.S., Petrovich I.P. The method for determining the thermophysical properties of a substance, ed. No. 568303.

5. Рубанов А.С., Ивакин Е.В. Нестационарные тепловые дифракционные решетки. В кн. Квантовая электроника и лазерная спектроскопия, Минск, Наука и техника, 1974, с. 407-425.5. Rubanov A.S., Ivakin E.V. Unsteady thermal diffraction gratings. In the book. Quantum Electronics and Laser Spectroscopy, Minsk, Science and Technology, 1974, p. 407-425.

6. Ивакин Е.В., Суходолов А.В., Ральченко В.Г., Власов А.В., Хомич А.В. Измерение теплопроводности поликристаллического θνϋ-алмаза методом импульсных динамических решеток. Квантовая электроника, 2002, 32, №4, с.367-372.6. Ivakin E.V., Sukhodolov A.V., Ralchenko V.G., Vlasov A.V., Khomich A.V. Measurement of the thermal conductivity of polycrystalline θνϋ-diamond by the method of pulsed dynamic lattices. Quantum Electronics, 2002, 32, No. 4, p. 367-372.

7. Бокий Г.Б. и др. Природные и синтетические алмазы. М., Наука, 1986, с. 76-92.7. Bokiy G.B. and others. Natural and synthetic diamonds. M., Science, 1986, p. 76-92.

8. 8. С1Ю811 с1 а1.: Ех1гсшс1у 1ιφ1ι 11сгша1 сοηάисΐ^ν^ΐу οί дгарНспс: рго8рсс18 ίοΓ 1йсгша1 шападсшсй ш ηаηοс1ссΐ^οη^с сисийз. Арр1. Р1уз. Ьсй., νο1. 92, 2008, р. 151911.8. 8. S1U811 s1 a1 .: Ex1gsshs1u 1ιφ1ι 11sgsha1 sοηάisΐ ^ ν ^ ΐу οί dgarNsps: рго8рсс18 ίοΓ 1ysgsh1 shapadsssh sh ηаηοс1ссΐ ^ οη ^ с сисіз. Arr1. P1uz. Bs., Νο1. 92, 2008, p. 151911.

9. Мера теплопроводности и удельной теплоемкости из нержавеющей стали 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632-72), Санкт-Петербург, ФГУП ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, 2009.9. Measure of thermal conductivity and specific heat of stainless steel 12X18H10T (GOST 5632-72), St. Petersburg, FSUE VNIIM im. DI. Mendeleev, 2009.

10. Е1сй1сг Н., 8аЦс О., 81ай1 Н. Тйсгша1 άιΓΓυδίοπ шсазигсшсйв И8шд зрайаПу рс^^οб^с 1сшрсга1игс бМпЬШюп шбиссб Ьу 1азсг йд11. 1. Арр1. Р1уз. νο1. 44, Νο.12, 1973, р. 5283-5388.10. E1sy1sg N., 8aTs O., 81ay1 N. Tysgsha1 άιΓΓυδίοπ сιΓΓυδίοπ сιигсшшшвв888 з зрайрайрайрайрайууу рсс^^МММ б б б б б б б бММММппп ш ш шиссиссиссиссиссу 1 1 1 1аз 1йдйдйдйдйд111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111 1. Arr1. P1uz. νο1. 44, Mar 12, 1973, p. 5283-5388.

Claims (2)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Способ для определения температуропроводности твердых тел, заключающийся в том, что в образце твердотельного материала за счет тепловыделения возбуждают тепловую динамическую решетку путем облучения двумя когерентными пучками света от импульсного лазера, направленными под заданным углом друг к другу и формирующими интерференционную картину в виде чередующихся светлых и темных полос, зондируют пятно возбуждения пучком света от непрерывного лазера, фотометрируют пучок, дифрагированный в первый порядок, затем измеряют значения периода решетки и времени релаксации сигнала дифракции, отличающийся тем, что предварительно выполняют калибровку измерительного устройства путем установки эталона температуропроводности в качестве образца, возбуждения в нем тепловых динамических решеток с последующим их зондированием, построения зависимости времени 1. A method for determining the thermal diffusivity of solids, which consists in the fact that in a sample of a solid material due to heat dissipation, a thermal dynamic lattice is excited by irradiating with two coherent beams of light from a pulsed laser directed at a given angle to each other and forming an interference pattern in the form of alternating light and dark bands, probe the excitation spot with a beam of light from a cw laser, photometric a beam diffracted in the first order, then measure the values of yes diffraction grating and the relaxation time signal, characterized in that the pre-calibrate the measurement device by setting the thermal reference as a sample of excitation therein thermal dynamic gratings with subsequent probing, plotting the time - 3 017906 релаксации сигнала дифракции от квадрата периода решетки, затем помещают вместо эталона измеряемый образец, формируют в нем тепловую динамическую решетку с периодом Αχ, определяют время релаксации сигнала дифракции и вычисляют искомую величину температуропроводности по формуле где %эталон - температуропроводность эталона,- 3 017906 relaxation of the diffraction signal from the square of the lattice period, then place the measured sample instead of the standard, form a thermal dynamic grating in it with a period of χ, determine the relaxation time of the diffraction signal and calculate the desired thermal diffusivity using the formula where% is the standard thermal diffusivity of the standard, Αχ - период динамической решетки, возбуждаемой в исследуемом образце,Α χ is the period of the dynamic lattice excited in the sample under study, Аэталон - то значение периода динамической решетки в эталоне, которое соответствует тому же значению времени релаксации сигнала дифракции, что и в образце.And the standard is the value of the period of the dynamic lattice in the standard, which corresponds to the same value of the relaxation time of the diffraction signal as in the sample. 2. Устройство для определения температуропроводности твердых тел, включающее лазер непрерывного действия, источник импульсного лазерного излучения, дифракционный светоделитель, оптическую схему, содержащую линзы, поворотные призмы и зеркала для сведения лучей возбуждения и зондирования на образце, фотодетектор, цифровую систему регистрации и обработки сигнала, отличающееся тем, что устройство содержит эталон температуропроводности, дифракционный светоделитель для формирования двух интерферирующих пучков изготовлен в виде дифракционной решетки с линейно изменяющимся периодом и возможностью линейного перемещения в своей плоскости в направлении, перпендикулярном штрихам решетки.2. A device for determining the thermal diffusivity of solids, including a continuous laser, a source of pulsed laser radiation, a diffraction beam splitter, an optical circuit containing lenses, rotating prisms and mirrors for converging excitation and sounding rays on a sample, a photodetector, a digital system for recording and processing a signal, characterized in that the device contains a thermal diffusivity standard, a diffraction beam splitter for forming two interfering beams is made in the form of diffraction lattice with a linearly varying period and the possibility of linear movement in its plane in the direction perpendicular to the strokes of the lattice.
EA201001794A 2010-08-25 2010-08-25 Method for measuring thermal diffusivity of solids and apparatus for its embodiment EA017906B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EA201001794A EA017906B1 (en) 2010-08-25 2010-08-25 Method for measuring thermal diffusivity of solids and apparatus for its embodiment

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EA201001794A EA017906B1 (en) 2010-08-25 2010-08-25 Method for measuring thermal diffusivity of solids and apparatus for its embodiment

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201001794A1 EA201001794A1 (en) 2012-01-30
EA017906B1 true EA017906B1 (en) 2013-04-30

Family

ID=45540656

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201001794A EA017906B1 (en) 2010-08-25 2010-08-25 Method for measuring thermal diffusivity of solids and apparatus for its embodiment

Country Status (1)

Country Link
EA (1) EA017906B1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU568303A1 (en) * 1972-05-23 1978-06-30 Ордена Трудового Красного Знамени институт физики АН Белорусской ССР Method of determining thermal and physical properties of substance
US4243327A (en) * 1979-01-31 1981-01-06 Nasa Double-beam optical method and apparatus for measuring thermal diffusivity and other molecular dynamic processes in utilizing the transient thermal lens effect
RU2010221C1 (en) * 1992-06-03 1994-03-30 Евгений Васильевич Ивакин Method of determination of thermal diffusivity of materials
EP0851221A1 (en) * 1996-12-23 1998-07-01 European Atomic Energy Community (Euratom) Measuring head for use in radiant energy flash measuring of the thermal diffusivity of heterogeneous samples
EP1422518A1 (en) * 2002-11-20 2004-05-26 Communaute Europeenne Method and system for measuring the thermal diffusivity

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU568303A1 (en) * 1972-05-23 1978-06-30 Ордена Трудового Красного Знамени институт физики АН Белорусской ССР Method of determining thermal and physical properties of substance
US4243327A (en) * 1979-01-31 1981-01-06 Nasa Double-beam optical method and apparatus for measuring thermal diffusivity and other molecular dynamic processes in utilizing the transient thermal lens effect
RU2010221C1 (en) * 1992-06-03 1994-03-30 Евгений Васильевич Ивакин Method of determination of thermal diffusivity of materials
EP0851221A1 (en) * 1996-12-23 1998-07-01 European Atomic Energy Community (Euratom) Measuring head for use in radiant energy flash measuring of the thermal diffusivity of heterogeneous samples
EP1422518A1 (en) * 2002-11-20 2004-05-26 Communaute Europeenne Method and system for measuring the thermal diffusivity

Also Published As

Publication number Publication date
EA201001794A1 (en) 2012-01-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102175427B (en) Method for comprehensively testing stability of deep ultraviolet optical element
McWilliams et al. A flash heating method for measuring thermal conductivity at high pressure and temperature: Application to Pt
CN107121395A (en) A kind of photo-thermal common path interference module and its method for measuring crystal defect
Zhang et al. High-power THz to IR emission by femtosecond laser irradiation of random 2D metallic nanostructures
CN105424617A (en) Microimaging measuring method and device for single one-dimensional nano material scattering spectrum
US8836925B2 (en) Imaging crystalline domains of small molecules
Foucher Influence of laser shape on thermal increase during micro‐Raman spectroscopy analyses
Graebner Measurement of thermal diffusivity by optical excitation and infrared detection of a transient thermal grating
EA017906B1 (en) Method for measuring thermal diffusivity of solids and apparatus for its embodiment
Rodriguez et al. Frequency-resolved thermal lensing: An approach for thermal diffusivity measurements in liquid samples
JP3940800B2 (en) Thermal diffusion coefficient wide-angle single-point measurement using general-purpose nanoscale measurement technology
Koestel et al. The Brillouin linewidth in water as a function of temperature and salinity: the missing empirical relationship
RU2733391C1 (en) Method of measuring refractive indices of optical materials in solid state or in form of melt
Zinin et al. Remote measurement of the temperature distribution on the surface of solids under high-power laser irradiation
Zinov'ev et al. Applications of terahertz spectral imaging-diagnostics in dentistry
RU2010221C1 (en) Method of determination of thermal diffusivity of materials
US20230003636A1 (en) Multipoint photo-acoustic measuring device
Sciortino et al. Micro-beam and pulsed laser beam techniques for the micro-fabrication of diamond surface and bulk structures
Kirpichnikov et al. Measurement of weak absorption in optical materials by the PCI method
Cervantes-L et al. Measurement of glucose concentration in a thin turbid medium by a transmitted Gaussian beam
Cattaneo et al. UV absorption mapping as subsurface damage inspection in transparent optical materials
SU460452A1 (en) Measuring instrument of polarization components of energy and direction of polarization of radiation of an optical quantum generator
Mann et al. Photothermal measurement of absorption and wavefront deformations in UV optics
Ivakin Application of the Thermal Diffusivity Standard for the Heat Transfer Parameter Control in Absorbing Materials
Jensen Bridging the nano-and macro-worlds: Thermal property measurement using thermal microscopy and photothermal radiometry-application to particle-irradiation damage profile in ZrC

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ BY KZ KG MD TJ TM RU