RU2660765C1 - Способ бесконтактного измерения температуры in situ - Google Patents

Способ бесконтактного измерения температуры in situ Download PDF

Info

Publication number
RU2660765C1
RU2660765C1 RU2017104846A RU2017104846A RU2660765C1 RU 2660765 C1 RU2660765 C1 RU 2660765C1 RU 2017104846 A RU2017104846 A RU 2017104846A RU 2017104846 A RU2017104846 A RU 2017104846A RU 2660765 C1 RU2660765 C1 RU 2660765C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
sample
measuring
measurement
situ
Prior art date
Application number
RU2017104846A
Other languages
English (en)
Inventor
Николай Николаевич Косырев
Сергей Александрович Лященко
Дмитрий Валентинович Шевцов
Сергей Николаевич Варнаков
Иван Александрович Яковлев
Иван Анатольевич Тарасов
Владимир Николаевич Заблуда
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук"
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 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук"
Priority to RU2017104846A priority Critical patent/RU2660765C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2660765C1 publication Critical patent/RU2660765C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/0003Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for sensing the radiant heat transfer of samples, e.g. emittance meter
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J4/00Measuring polarisation of light
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/007Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for earth observation
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21Polarisation-affecting properties

Landscapes

  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике измерения физической температуры объекта по температурным изменениям его оптических постоянных, и может быть использовано для дистанционного измерения температуры объекта в промышленности, медицине, биологии, в физических исследованиях и др. Заявлен способ бесконтактного измерения температуры in situ, заключающийся в том, что образец освещают поляризованным светом и измеряют изменение интенсивности при отражении. В процессе измерения регистрируют отраженное от поверхности образца электромагнитное излучение с длиной волны в диапазоне 300-900 нм. Анализируют изменение интенсивности после отражения и находят температуру, решая следующее уравнение: M(T)=F(T), где М(Т) - среднее арифметическое данных об интенсивности со всех четырех фотоприемников эллипсометра, зависящее от температуры, F(T) - функция, вид которой зависит от исследуемого материала. Новым является то, что для зондирующего пучка задают состояние линейной поляризации с поворотом 0° и накапливают массив данных для дальнейшего усреднения, а также то, что предложенный способ позволяет измерять температуру образца от температуры 4 K до его термического разрушения. Технический результат - повышение точности измерения температуры in situ независимо от структуры отражающей поверхности и при температурах до 4 K. 2 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике измерения физической температуры объекта по температурным изменениям его оптических постоянных, и может быть использовано для дистанционного измерения температуры объекта в промышленности, медицине, биологии, в физических исследованиях и др.
Известно дистанционное измерение температуры поверхности объекта, основанное на измерении температуры двух участков поверхности объекта, одну из которых выбирают в качестве опорной и по отношению к которой вычисляют дифференциальную излучательную способность и физическую температуру объекта [US 2007047615 А1, МПК G01G 5/08, опубл. 2007-03-01]. Этот способ позволяет повысить точность измерений за счет исключения влияния фона и помех, однако для реализации предложенного способа необходимо использовать яркостный пирометр, который должен работать в достаточно близких спектральных интервалах, в которых спектральные излучательные способности объекта принимаются равными. Кроме того, необходимым условием является достаточно близкое расположение друг к другу сигнальной и опорной поверхностей исследуемого объекта, что на практике не всегда возможно. Это ограничивает практическое применение предложенного способа.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ по патенту [US 5313044, МПК B23K 26/03, G01N 21/21, опубл. 17.05.1994 г. (прототип)]. Этот способ позволяет измерять состояние поляризации при отражении в видимом спектральном диапазоне и, следовательно, по измеренным эллипсометрическим параметрам ψ и Δ находить значение комплексного показателя преломления. Недостатками данного способа являются необходимость точной настройки оптической схемы эллипсометра для измерения температурной зависимости комплексного показателя преломления и использование специфических эллипсометрических моделей отражающей поверхности в случае многослойного или шероховатого образца. Также к существенному недостатку можно отнести то, что способ предполагает измерение температуры только при нагревании выше 0°С.
Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерения температуры in situ независимо от структуры отражающей поверхности и при температурах до 4 K.
Технический результат достигается тем, что в способе бесконтактного измерения температуры in situ, заключающемся в том, что образец освещают поляризованным светом и измеряют изменение интенсивности при отражении, в процессе измерения регистрируют отраженное от поверхности образца электромагнитное излучение с длиной волны в диапазоне 300-900 нм, анализируют изменение интенсивности после отражения, находят температуру, решая следующее уравнение: M(T)=F(T), где
М(Т) - среднее арифметическое данных об интенсивности со всех четырех фотоприемников эллипсометра, зависящее от температуры,
F(T) - функция, вид которой зависит от исследуемого материала, новым является то, что для зондирующего пучка задают состояние линейной поляризации с поворотом 0°, что накапливают массив данных для дальнейшего усреднения, а также то, что предложенный способ позволяет измерять температуру образца от температуры 4 K до его термического разрушения.
Это отличие позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлен в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивает заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
На фиг. 1 представлена схема магнитоэллипсометрического комплекса in situ, работающего в широком диапазоне температур.
На фиг. 2 показана зависимость среднего по всем сигналам с фотоприемников эллипсометра от температуры, полученная в процессе выполнения эксперимента.
Устройство для бесконтактного измерения температуры in situ (Фиг. 1) состоит из источника линейно поляризованного света 1, входного сверхвысоковакуумного окна 2, исследуемого образца 4, выходного сверхвысоковакуумного окна 7, блока регистрации состояния интенсивности 8, сверхвысоковакуумной камеры 9, магистрали для откачки 6, обтюратора 10.
Измерения температуры происходят следующим образом. Источник линейно поляризованного света 1 генерирует зондирующее излучение 3, причем угол поворота плоскости поляризации относительно плоскости падения равен 0° и, проходя через входное сверхвысоковакуумное окно 2, попадает внутрь сверхвысоковакуумной камеры 9 и затем падает на поверхность исследуемого образца 4. Падающий, линейно поляризованный световой пучок отражается от поверхности образца с изменением интенсивности, обусловленным температурным воздействием на образец. Так как падающий свет поляризован в плоскости падения, то при изменении температуры образца и, как следствие, его оптических постоянных изменяется его отражательная способность. Отраженный от образца луч 5, выходя из высоковакуумной камеры через высоковакуумное окно 7, поступает в блок регистрации интенсивности 8. При этом оптические измерения проводят при двух положениях обтюратора 10, который перекрывает оптический тракт для учета фоновой засветки. Анализируя состояние интенсивности результирующего пучка, находят температуру Т, решая следующее уравнение:
Figure 00000001
где М(Т) - среднее арифметическое данных об интенсивности со всех четырех фотоприемников эллипсометра, зависящее от температуры,
F(T) - функция, вид которой зависит от исследуемого материала [Магунов А.Н. Лазерная термометрия твердых тел. - М.: Физматлит, 2001].
Заявляемый бесконтактный способ измерения температуры обладает следующими преимуществами:
- высоким быстродействием, которое определяется только типом приемника излучения и схемой обработки электрических сигналов. Современный уровень электронных устройств позволяет достичь значения постоянной времени до 10-3 с;
- возможностью измерения температуры движущихся объектов (при условии организации следящей системы) и элементов, находящихся под высоким напряжением;
- возможностью измерения высоких температур, при которых применение контактных средств измерения либо невозможно, либо время их работы невелико;
- возможностью измерения низких температур до 4 K, при которых применение пирометров технически труднореализуемо, а применение контактных методов дает большие погрешности;
- возможностью работы в условиях вакуума, агрессивных газовых сред, радиации и повышенной температуры окружающей среды при пространственном разнесении анализирующего приемника и сопутствующей электроники при помощи оптоволоконного кабеля.

Claims (4)

  1. Способ бесконтактного измерения температуры in situ, заключающийся в том, что образец освещают поляризованным светом и измеряют изменение интенсивности при отражении, в процессе измерения регистрируют отраженное от поверхности образца электромагнитное излучение с длиной волны в диапазоне 300-900 нм, анализируют изменение интенсивности после отражения, находят температуру, решая следующее уравнение: M(T)=F(T), где
  2. М(Т) - среднее арифметическое данных об интенсивности со всех четырех фотоприемников эллипсометра, зависящее от температуры,
  3. F(T) - функция, вид которой зависит от исследуемого материала,
  4. отличающийся тем, что для зондирующего пучка задают состояние линейной поляризации с поворотом 0°, что накапливают массив данных для дальнейшего усреднения, а также тем, что предложенный способ позволяет измерять температуру образца от температуры 4 K до его термического разрушения.
RU2017104846A 2017-02-14 2017-02-14 Способ бесконтактного измерения температуры in situ RU2660765C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017104846A RU2660765C1 (ru) 2017-02-14 2017-02-14 Способ бесконтактного измерения температуры in situ

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017104846A RU2660765C1 (ru) 2017-02-14 2017-02-14 Способ бесконтактного измерения температуры in situ

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015150219A Previously-Filed-Application RU2015150219A (ru) 2015-11-23 2015-11-23 Способ бесконтактного измерения температуры in situ

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2660765C1 true RU2660765C1 (ru) 2018-07-09

Family

ID=62815639

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017104846A RU2660765C1 (ru) 2017-02-14 2017-02-14 Способ бесконтактного измерения температуры in situ

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2660765C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2715089C1 (ru) * 2019-08-07 2020-02-25 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") Способ бесконтактного измерения пространственного распределения температуры и излучательной способности объекта
CN114719771A (zh) * 2022-04-20 2022-07-08 广东工业大学 一种对材料多维高温几何形变的非接触式原位测量方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU694774A1 (ru) * 1978-05-19 1979-10-30 Ленинградский Ордена Ленина Политехнический Институт Им. М.И.Калинина Бесконтактный способ измерени температуры полупроводников
US5313044A (en) * 1992-04-28 1994-05-17 Duke University Method and apparatus for real-time wafer temperature and thin film growth measurement and control in a lamp-heated rapid thermal processor
US5501637A (en) * 1993-08-10 1996-03-26 Texas Instruments Incorporated Temperature sensor and method
US6583875B1 (en) * 2000-05-19 2003-06-24 Therma-Wave, Inc. Monitoring temperature and sample characteristics using a rotating compensator ellipsometer
CN103674252A (zh) * 2013-11-15 2014-03-26 华中科技大学 一种原位椭圆偏振测量装置
US20150219497A1 (en) * 2014-02-06 2015-08-06 Film Sense, LLC Multiple Wavelength Ellipsometer System and Related Method

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU694774A1 (ru) * 1978-05-19 1979-10-30 Ленинградский Ордена Ленина Политехнический Институт Им. М.И.Калинина Бесконтактный способ измерени температуры полупроводников
US5313044A (en) * 1992-04-28 1994-05-17 Duke University Method and apparatus for real-time wafer temperature and thin film growth measurement and control in a lamp-heated rapid thermal processor
US5501637A (en) * 1993-08-10 1996-03-26 Texas Instruments Incorporated Temperature sensor and method
US6583875B1 (en) * 2000-05-19 2003-06-24 Therma-Wave, Inc. Monitoring temperature and sample characteristics using a rotating compensator ellipsometer
CN103674252A (zh) * 2013-11-15 2014-03-26 华中科技大学 一种原位椭圆偏振测量装置
US20150219497A1 (en) * 2014-02-06 2015-08-06 Film Sense, LLC Multiple Wavelength Ellipsometer System and Related Method

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2715089C1 (ru) * 2019-08-07 2020-02-25 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") Способ бесконтактного измерения пространственного распределения температуры и излучательной способности объекта
CN114719771A (zh) * 2022-04-20 2022-07-08 广东工业大学 一种对材料多维高温几何形变的非接触式原位测量方法
CN114719771B (zh) * 2022-04-20 2023-05-26 广东工业大学 一种对材料多维高温几何形变的非接触式原位测量方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10605662B2 (en) Material property determination using photothermal speckle detection
CA2868841C (en) Imaging systems for optical computing devices
US9013698B2 (en) Imaging systems for optical computing devices
JP6151721B2 (ja) Thzセンサを用いた連続不均一性のウェブ上のキャリパー・コーティング測定
Zhao et al. Novel optical fiber sensor for simultaneous measurement of temperature and salinity
US8622612B2 (en) Method and apparatus for determining the thermal expansion of a material
JP6281941B2 (ja) 誘電体の屈折率の検出方法およびその装置、膜厚検出方法およびその装置ならびに表面粗さ検出方法およびその装置
RU2660765C1 (ru) Способ бесконтактного измерения температуры in situ
Pitarma et al. Analysis of materials emissivity based on image software
CN113324663B (zh) 一种外场目标发射率的测量方法及系统
RU2522775C1 (ru) Способ пассивной локализации ребер прямоугольного металлического параллелепипеда в инфракрасном излучении
RU2645008C1 (ru) Устройство для измерения длины распространения инфракрасной поверхностной электромагнитной волны
RU2512659C2 (ru) Способ измерения длины распространения инфракрасных поверхностных плазмонов по реальной поверхности
RU2479833C2 (ru) Способ локализации неоднородностей металлической поверхности в инфракрасном излучении
WO2018204545A1 (en) Method for rapid temperature measurement and apparatus thereof
RU2709600C1 (ru) Интерферометр Майкельсона для определения показателя преломления поверхностных плазмон-поляритонов терагерцевого диапазона
RU2681427C1 (ru) Устройство для измерения длины распространения инфракрасной поверхностной электромагнитной волны
RU2491533C1 (ru) Способ определения глубины проникновения поля терагерцовых поверхностных плазмонов в окружающую среду
RU2625641C1 (ru) Устройство для промера распределения поля инфракрасной поверхностной электромагнитной волны над её треком
RU2629909C1 (ru) Статическое устройство для определения распределения интенсивности поля инфракрасной поверхностной электромагнитной волны вдоль её трека
Son et al. Thermal expansion and stress and measurement using high-order diffraction: possibilities and theoretical limits
Dorney et al. Imaging with THz pulses
Latreche et al. Extraction of the complex permittivity parameters from single pulse terahertz transmission spectroscopy
Bogomolov et al. Determination of the refractive index of IR surface plasmons by static asymmetric interferometry
Luňáček et al. Surface Plasmon Resonance Sensor Using Spectral Interference