способ нагрева и определения температуры образцов

Формула изобретения

Способ определения температуры образцов, прозрачных в ИК-области, подвергаемых воздействию потоками заряженных частиц или электромагнитного излучения, включающий нагрев или охлаждение образцов, измерение температуры образцов с помощью термопар, образцы помещают в замкнутый корпус, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, расположенный в вакуумной камере, откачивают воздух до давления 10^-3-10^-5 Па, нагревают или охлаждают корпус на заданный интервал температуры, отличающийся тем, что производят непрерывные предварительные измерения температуры термопарами, расположенными снаружи и внутри корпуса вместе с исследуемыми образцами, до момента стабилизации температуры, затем производят конечные измерения температуры данными термопарами в момент стабилизации температуры, которая совпадает с температурой исследуемого образца до внешнего воздействия потоками заряженных частиц или электромагнитного излучения, производят внешнее воздействие, после внешнего воздействия полностью повторяют процедуру измерения температуры образцов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения температуры образцов, прозрачных в ИК- (инфракрасной) области излучения.

Известен способ определения температуры образцов, прозрачных в ИК-области, подвергаемых воздействию потоками заряженных частиц или электромагнитного излучения, включающий нагрев или охлаждение образцов, измерение температуры образцов с помощью термопар, образцы помещают в замкнутый корпус, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, расположенный в вакуумной камере, откачивают воздух до давления 10^-3-10^-5 Па, нагревают или охлаждают корпус на заданный интервал температуры (см. патент RU 2212650, 20.09.2003).

Недостатком способа измерения температуры является зависимость температуры измерительного спая термопар не только от температуры поверхности образца, которую требуется измерить, но и от интенсивности и пространственной структуры ИК-излучения, что делает процесс определения температуры образца неопределенным.

Задачей изобретения является разработка способа определения температуры образцов, прозрачных в ИК-области, исключающего влияние пространственной неоднородности ИК-излучения, разной инерции поглощения ИК-излучения, термопарами с малой инерцией и большим коэффициентом поглощения и исследуемыми образцами с значительной инерцией и малым коэффициентом поглощения.

Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ определения температуры образцов, прозрачных в ИК-области, подвергаемых воздействию потоками заряженных частиц или электромагнитного излучения, включающий нагрев или охлаждение образцов, измерение температуры образца с помощью термопар, при этом образцы помещают в замкнутый корпус, выполненный из материала с высокой теплопроводностью (малой тепловой инерцией, устойчивого к воздействию ионизирующих излучений - медь, сталь), расположенный в вакуумной камере, откачивают воздух до давления 10^-3-10^-5 Па (соответствует высокому вакууму (beeaif.com/node/88), когда длина свободного пробега молекулы воздуха размера вакуумной камеры на несколько порядков, что исключает влияние молекул воздуха на неоднородность и нестабильность температуры внутри температурной ячейки за время стабилизации температуры образцов порядка 5 мин/град), нагревают или охлаждают корпус на заданный интервал температуры, производят непрерывные предварительные измерения температуры термопарами, расположенными снаружи и внутри корпуса вместе с исследуемыми образцами, до момента стабилизации температуры, затем производят конечные измерения температуры данными термопарами в момент стабилизации температуры, которая совпадает с температурой исследуемого образца до внешнего воздействия потоками заряженных частиц или электромагнитного излучения, производят внешнее воздействие, после внешнего воздействия полностью повторяют процедуру измерения температуры образцов. При этом во всей области изменений и измерения температуры после изменений воздействия на исследуемые образцы определяет температуру, задает интервал температуры и контролирует момент наступления теплового равновесия автоматический высокоточный регулятор температуры (ВРТ) (www.ngpedia.ru/id224605p2.html).

Для начального исследования температурного поля внутри и снаружи температурной ячейки (замкнутого корпуса) количество термопар внутри и снаружи может быть достаточно большим, после проведения калибровки данной конкретной температурной ячейки термопары устанавливают в местах минимальных флуктуаций градиента температурного поля, и их количество сокращается до необходимого минимума в пределе до одной внутри корпуса (при известности времени релаксации температурного поля). Плавный разогрев (охлаждение) корпуса гарантирует отсутствие внутри него температурных градиентов, фиксируемых термопарами, длительный температурный режим обеспечивает прогрев (охлаждение) образцов, находящихся внутри него, до температуры самого корпуса.

На чертеже изображена конструкция температурной ячейки, позволяющей осуществлять данный способ.

Ячейка находится в вакуумной камере 1 и состоит из разъемного корпуса 2, основания 3, нагревателя корпуса 4, охладителя корпуса 5, электромагнитного толкателя 6, исследуемых образцов 7, вкладышей для экранирования воздействия 8, отверстия для внешнего воздействия 9, пластины, закрывающей внешнее отверстие и экранирующей от потерь тепла и внешних излучений 10, термопар 11, автоматического высокоточного регулятора температуры (ВРТ) 12, источника внешнего воздействия 13, теплового экрана 14, свободного объема ячейки для приема исследуемых образцов и вкладышей 15, вакуумного насоса 16.

Способ определения температуры образцов осуществляется следующим образом. Предварительно вакуумным насосом 16 откачивается воздух до давления 10^-3-10^-5 Па, измеряется начальная температура образца через измерение температуры внутри и снаружи корпуса 2 последовательно термопарами 11 до тех пор, пока не установится определенная температура теплового равновесия, которая совпадает с начальной температурой образца до внешнего воздействия, затем после открытия пластины, закрывающей внешнее воздействие 10, через отверстие для внешнего воздействия 9 первый нижний образец 7 подвергается внешнему воздействию, например облучению лазером, после чего закрывается пластина 10 и снова измеряется температура образца через последовательное измерение температуры снаружи и внутри корпуса 2 термопарами 11 до тех пор, пока не установится определенная температура теплового равновесия, которая совпадает с температурой образца после внешнего воздействия. Для исследования различий при изменении степени воздействия и изменении температуры в ячейке предусмотрен механизм смены образцов. С помощью электромагнитного толкателя 6 первый нижний образец 7 и вкладыш 8 смещаются из области внешнего воздействия в свободный объем ячейки для приема исследуемых образцов и вкладышей 15. Далее включается нагреватель 4 или охладитель 5 с целью повышения или понижения температуры на заданный интервал и повторяется процедура измерения начальной температуры образца до внешнего воздействия через измерение температуры снаружи и внутри корпуса 2 термопарами 11 до тех пор, пока не установится определенная температура теплового равновесия, которая совпадает с начальной температурой второго образца 7 до внешнего воздействия, после чего на второй исследуемый образец 7 воздействуют, например, лазерным лучом той же плотности мощности и снова измеряется температура второго образца 7 через последовательное измерение температуры снаружи и внутри корпуса 2 термопарами 11 до тех пор, пока не установится определенная температура теплового равновесия, которая совпадает с температурой второго образца 7 после второго внешнего воздействия при другой начальной температуре. При этом во всей области изменения и измерения температуры, а также изменения воздействия на исследуемые образцы определяет температуру, задает интервал температуры, контролирует момент наступления теплового равновесия и, подает сигналы на исполнительные устройства (ИУ) нагреватель, охладитель автоматический высокоточный регулятор температуры (ВРТ) 12.

Пример

Корпус температурной ячейки был выполнен размерами 15×15×60 мм из меди. Для создания вакуума использовалась стандартная вакуумная установка УВР-32, измерение и контроль температуры осуществлялись высокоточным регулятором температуры ВРТ-2 с погрешностью измерения 0,01°С. Время выхода на режим работы с 20°С до 500°С при полностью загруженной ячейке и достигнутом вакууме 10 ^-3-10^-5 Па составило 15 минут. Размеры образцов, изготовленных методом выкалывания из монокристалла KCl, составляли 10×10×2 мм, при этом инерционность полностью загруженной ячейки данными образцами составила 5 мин/град в интервале температур от 200°С до 500°С. Относительная погрешность измерения температуры составила 3%. При применении кристаллов NaCl инерционность составила 5 мин/град в интервале температур от 200°С до 500°С при той же относительной погрешности измерения.

Таким образом, данный способ использования квазизамкнутого объема и теплового поля с неоднородностью меньше погрешности измерения в температурной ячейке позволяет однозначно определять температуру любых исследуемых образцов, в том числе прозрачных в ИК-области с высокой точностью, поскольку исключает преимущественный нагрев термопар за счет ИК-излучения без нагрева образцов, прозрачных для ИК-излучения.