WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

относительное контактное электрическое и тепловое сопротивление границ кристаллитов – rк.

a = rк sin 2zx b = 1 + rк cos2 zx c = 1 + rк В – Коэффициент, учитывающий другие физико-химические свойства:

Тпл - Т0 Тпл - ТL 2tq ttt и Коэффициент поглощения излучения плёнки – ; длина плёнки – L; толщина плёнки – t; плотность потока падающего излучения – q; температура плавления и температура плёнки – Tпл и T0; длительность импульса излучения – и.

Г – Комплексные критерии эффективности материала плёнки:

0 с 0 с 0 с - 9 - Моделирование чувствительности и неравномерности зонной характеристики чувствительного приёмно-преобразующего элемента для непрерывного излучения. Чувствительность термоэлектрических преобразователей «пятачкового» типа обратно пропорциональна диаметру приёмно-преобразующего элемента. Кроме того, зонная характеристика приёмно-преобразующего элемента неравномерна. Это связано с шунтированием облучаемого участка, в котором генерируется термоэдс, необлученными боковыми участками. Неравномерность зонной характеристики может быть практически устранена установкой апертурной диафрагмы.

Для термоэлектрических преобразователей «меандрового» типа чувствительность определяется зависит от ширины полос и промежутков между полосами меандра. По сравнению с термоэлектрическими преобразователями «пятачкового» типа чувствительность «меандровых» выше и практически равномерна. Недостатком «меандровых» термоэлектрических преобразователей является относительно высокое электросопротивление, что повышает уровень собственных тепловых шумов и снижает помехоустойчивость системы.

Моделирование быстродействия и роли гребенчатости поверхности чувствительного приёмно-преобразующего элемента для короткоимпульсного излучения. Быстродействие «меандровых» термоэлектрических преобразователей может лимитироваться скоростью переходного электрического процесса, определяемой межполосковой ёмкостью и индуктивностью меандра.

При наклонной конденсации поверхность плёнок оказывается гребенчатой.

Такую плёнку можно представить состоящей из двух разнородных слоев: верхнего гребенчатого слоя, в котором кристаллиты разобщены и электрически не коммутируют друг с другом, и нижнего сплошного электропроводящего слоя. В связи с этим термоэдс, действующая в верхнем гребенчатом слое плёнки, не передаётся на контактные площадки. Электрический сигнал с плёнки появляется только тогда, когда фронт тепловой волны достигает нижнего слоя. Время, необходимое для протекания тепла от гребней к сплошному слою, определяет задержку отклика относительно момента начала действия импульса излучения. Таким образом, верхний гребенчатый слой является пассивным, играет роль аккумулятора энергии импульса и демпфирует реакцию плёнки на импульс.

Гребенчатый характер поверхности наклонноконденсированных плёнок может обусловить следующие особенности выходного сигнала термоэлектрических преобразователей на наклонноконденсированных плёнках: задержку отклика, линеаризацию переднего фронта, сглаживание и смещение амплитуды относительно момента окончания действия импульса излучения.

- 10 - ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАКЛОННОКОНДЕНСИРОВАННЫХ ПЛЁНОК Исследование наклонной конденсации плёнок висмута, теллура и хрома (никеля и тантала). Исследованы наклонноконденсированные плёнки на полированных пластинах полупроводникового высокоомного кремния, сколах поваренной соли, слюды «мусковит», оптическом стекле, пластинах оксида бериллия – «брокерит», анодированных пластинах алюминиево-магниевого сплава, полиимиде (5 и 20 мкм) и установлено следующее:

- наклонноконденсированные плёнки меди и алюминия не обладают благоприятной текстурой и - наклонноконденсированные плёнки висмута, теллура и хрома имеют благоприятную текстуру для возникновения в них анизотропии свойств (см. рис.).

Для плёнок теллура характерны крупноволокнистость и отставание угла наклона текстуры от угла наклона подложки, для плёнок хрома – мелкокристалличность и слабо выраженная волокнистость (по сравнению с плёнками висмута).

Максимально наблюдаемая поперечная термоэдс в наклонноконденсированных плёнках висмута и теллура значительно превышает возможное значение анизотропной термоэдс в их монокристаллическом состоянии.

Оптимизированы условия испарения для получения наклонноконденсированных плёнок висмута и теллура (из кварцевого тигля в рабочей зоне цилиндрического графитового нагревателя), а также хрома (с поверхности прямонакального вольфрамового проволочного нагревателя) (аналогично для никеля и тантала).

Наклон молекулярного пучка к подложке приводит к увеличению анизотропии в конденсированных плёнках, причём вдоль проекции молекулярного пучка на плоскость подложки электросопротивление больше, чем в перпендикулярном направлении, а термоэдс проявляется и увеличивается вдоль проекции, оставаясь практически нулевой в перпендикулярном направлении.

Повышение температуры конденсации способствует повышению адгезии, стабильности и поперечной термоэдс наклонноконденсированных плёнок.

Повышение давления выше 10–1 Па подавляет скорость испарения.

Превышение температур испарения приводит к разбрызгиванию исходной загрузки.

Поперечная термоэдс наклонноконденсированных плёнок с увеличением толщины возрастает и достигает стационарного уровня при толщинах более 1,5 мкм, что трактуется как результат развития пористой микроструктуры.

- 11 - Рис. Зависимость угла наклона кристаллитов (1) и оси кристаллографической текстуры (2), параметра эллипсоидальной функции распределения главных осей кристаллитов (3), удельного электросопротивления вдоль (4) и поперёк (5) проекции молекулярного пучка на поверхность, экспериментально наблюдаемой удельной поперечной термоэдс (6) и ее составляющих, обусловленных собственной анизотропией кристаллитов и кристаллографической текстурой (7), волокнистой микроструктурой и контактным сопротивлением между кристаллитами (8) для плёнок теллура (а), висмута (б) и хрома (в) от угла наклона подложки к нормали поверхности Собственная анизотропия кристаллитов и кристаллическая текстура не являются основными факторами, определяющими поперечную термоэдс в наклонноконденсированных плёнках. Основными факторами, определяющим поперечную термоэдс в наклонноконденсированных плёнках являются «армированная текстура» (формразмерная текстура и контактное электрическое и тепловое сопротивление между кристаллитами). Создание условий для эффекта поперечной термоэдс и его увеличение с помощью размерного эффекта возможны только в случае наклонноконденсированных плёнок висмута из-за большой длины свободного пробега носителей заряда в висмуте.

- 12 - Экспериментами по получению и исследованиями свойств наклонноконденсированных плёнок висмута установлено, что их электросопротивление при нагреве и последующем охлаждении на воздухе меняется с гистерезисом, минимум которого (ему соответствует критическая температура нагрева) приходится на обратимую адсорбцию кислорода. Увеличение температуры и длительности отжига увеличивает поперечную термоэдс, а электросопротивление сначала снижает, а затем повышает, что связано с «прокислением» границ кристаллитов и ростом контактного электрического и теплового сопротивления.

Нагрев с последующим охлаждением или вакуумирование наклонноконденсированных плёнок теллура свидетельствуют о необратимой адсорбции кислорода на поверхности и в порах плёнки и захвате дырок из валентной зоны, вследствие чего поперечная термоэдс и электросопротивление при отжиге уменьшаются.

Термоциклирование наклонноконденсированных плёнок хрома свидетельствует о существовании критической температуры нагрева, ниже которого свойства стабилизируются.

Под действием лазерного излучения (ЛГ-701, 10,6 мкм) наклонноконденсированные плёнки не претерпевают деградации, изменения связаны только с их нагревом вместе с подложкой. В стационарном состоянии зависимость поперечной термоэдс от мощности падающего излучения практически линейная.

Время выхода в стационарное состояние 15… 20 с. Линейность вольт-ваттной зависимости для висмута и теллура сохраняется до мощности 60 Вт (температура подложки достигает 353 К) (подложка – «брокерит») и 200 Вт (подложка – пластина анодированного алюминиево-магниевого сплава, водоохлаждаемая), а для хрома – до мощности 100 Вт (температура подложки достигает 403 К) (подложка – «брокерит»).

На действие импульсного лазерного излучения (ЛТИПЧ-5, режим модулированной добротности, 1,06 мкм, длительность импульса – 15 нс, энергия импульсов – 1 мДж, частота следования импульсов – 100 Гц) наклонноконденсированные плёнки реагируют устойчиво воспроизводимо вплоть до плотности излучения 5·105 Вт/см2 (висмут и теллур) и 1·106 Вт/см2 (хром), выдерживая до 105 импульсов.

- 13 - МАКЕТЫ ПЛЁНОЧНЫХ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРИЁМНО-ПРЕОБРАЗУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНТРОЛЛЕРОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Реализованы наклонноконденсированные висмутовые, теллуровые и хромовые плёнки и термоэлектрические преобразователи «пятачкового», «меандрового» и «спирального» типов в виде контроллеров лазерного излучения. Первостепенные требования к измерительным средствам для лазерного излучения – чувствительность и быстродействие. Далее макеты контролеров лазерного излучения обозначаются «макеты КЛИ» Выявлены особенности термоэлектрических преобразователей на наклонноконденсированных плёночных материалах.

Они реагируют на тепловой поток в структуре плёнки, а не на температуру, как это имеет место в термопарных термоэлектрических преобразователях, что предполагает независимость термоэдс и чувствительности от геометрического размера термоэлектрического преобразователя в направлении теплового потока и, тем самым, снимает ограничения в достижении быстродействия за счёт уменьшения толщины и теплового сопротивления. Интересно также, что металлы могут обеспечивать необходимую лучевую прочность термоэлектрического преобразователя, а полуметаллы и полупроводники – чувствительность и быстродействие.

Параметры термоэлектрических преобразователей подвергнуты лабораторным измерениям при воздействии непрерывного излучения от нагревательной ИК-лампы (интенсивность потока 1 Вт/см2) и импульсного излучения лазера ЛТИПЧ-5 (длина волны 1,06 мкм, режим модулированной добротности).

Длительность и частота следования импульсов с энергией 1 мДж составляли 15 нс и 100 Гц соответственно.

Электросопротивление «пятачковых» приёмно-преобразующих элементов на плёнках висмута составило 10… 30 Ом, плёнках теллура – 3… 10 кОм и плёнках хрома – 0,5… 1,0 кОм. Для «меандровых» приёмно-преобразующих элементов на основе висмута оно составило 1… 3 кОм.

Реакция на импульсное излучение (импульсная реакция = вольт-ваттная чувствительность характеристическое время переходного процесса) «пятачковых» термоэлектрических преобразователей достигала: на висмуте – 5 В/Дж, на теллуре – - 14 - 12 В/Дж и на хроме – 20 В/Дж. Время нарастания и спада сигнала составляло: на висмуте – 0,2 и 10 мкс, на теллуре - 0,5 и 50 мкс и на хроме – 0,2 и 5 мкс.

Термоэлектрические преобразователи выдерживали импульсное излучение с плотностью до 0,5 МВт/см2 (для висмута и теллура) и 1 МВт/см2 (для хрома) без видимого разрушения и деградации («вжигание» и «прокисление»), без изменения электросопротивления и выходного сигнала.

Были изготовлены также макетные образцы «пятачковых» измерительных преобразователей на пластинках анодированного алюминиево-магниевого сплава с припаянными выводами и коаксиальным разъёмом на основе наклонноконденсированных плёнок висмута и хрома (макеты КЛИ-В и макет КЛИ-Х соответственно).

Разработаны также 100-элементные матричные приёмники излучения (макеты КЛИ-В-100 и КЛИ-Х-100) площадью 60х60 (мм) и размером элементов 4х4 (мм).

Каждый из элементов имеет два независимых вывода, подсоединяемых к ножкам типового разъема. Воспроизводимость элементов по чувствительности не выходит за пределы ±10%. Предусмотрена заменяемость отдельных элементов.

Экспериментальное усреднённое сравнение плёночных приёмнопреобразующих элементов из текстурированных изотропных металлов никеля и тантала (макеты КЛИ-Н и КЛИ-Т соответственно) (наносились с поверхности прямонакального вольфрамового проволочного нагревателя) и анизотропного полупроводника антимонид кадмия (CdSb) (толщина плёнки 1 мкм на сновании из анодированного алюминиево-магниевого сплава толщиной 20 мм с защитным слоем диоксида кремния 30 мкм – макет КЛИ-АК) показало, что при вольт-ваттной чувствительности 10 мВ/кВт лучевая прочность может быть повышена с 0,4 кВт/смдо 2,2 кВт/см2; для никеля (Ni) - в 3 раза и для тантала (Ta) - более, чем в 5 раз.

Чувствительно-преобразующие элементы и измерители лазерного излучения, использующие наклонноконденсированные плёнки на теплопроводных электроизолирующих подложках, также подвергались на стендах промышленным измерениям:

- на длине волны 0,63 и 1,06 мкм. Реконструирована импульсная установка УИГ-1М. Использованы неодимовый лазер (0,63 мкм) и гелий-неоновый лазер (1,06 мкм).

- на длине волны 10,6 мкм. Использованы: технологический СО2-лазер ИЛГН-705 и юстировочный лазер ЛГ-76; ответвительная делительная пластина из - 15 - фтористого бария (BaF2), механический модулятор, опорный измеритель средней мощности ИМО-211 и калибровочный измеритель энергии ИМО-2Н.

- в оптическом диапазоне осветителя ОИ -24. Комплектация: собирающая линза, ответвительная делительная пластина и два измерителя средней мощности ИМО-2Н (один – контрольный, другой – для калибровки оптического тракта).

Экспериментально подтвердилось повышение быстродействия приёмнопреобразующих элементов при их формировании на подложках из прозрачного для излучения материала («алмазная керамика») на противоположной по отношению к излучению стороне подложки.

В отличие от «секундных»» контроллеров лазерного излучения на термопарном эффекте (аналогично – терморезисторы) предложено контроллеры на поперечном термоэлектрическом эффекте называть «микросекундными».

Преобразователи на наклонноконденсированных плёнках обладают чувствительностью к излучению в диапазоне от ультрафиолета (0,3 мкм) до сверхвысоких частот (~200 мкм). Коэффициент преобразования в этом диапазоне для плёнок до толщины 1 мкм практически одинаков.

Дополнительно проведенные испытания, в которых определялись характеристики отражения (на спектрофотометрах ИКС-22 и UR-20 Carl Zeiss JENA в диапазоне от 2 мкм до 25 мкм) позволили сделать вывод, что коэффициент отражения (практически близок к значению 50%) пропорционален коэффициенту преобразования, и диффузное рассеяние практически отсутствует.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»