Влияние политипизма на отражательные свойства частично прозрачных гетерогенных систем в условиях высоких температур

Казакова, Марина Васильевна

Влияние политипизма на отражательные свойства частично прозрачных гетерогенных систем в условиях высоких температур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Казакова, Марина Васильевна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Великий Новгород МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Влияние политипизма на отражательные свойства частично прозрачных гетерогенных систем в условиях высоких температур»

Автореферат диссертации на тему "Влияние политипизма на отражательные свойства частично прозрачных гетерогенных систем в условиях высоких температур"

На правах рукописи КАЗАКОВА МАРИНА ВАСИЛЬЕВНА

ВЛИЯНИЕ ПОЛИТИПИЗМА НА ОТРАЖАТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ЧАСТИЧНО ПРОЗРАЧНЫХ ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

Специальность: 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

21 НОЯ 2013

005538666

Великий Новгород 2013

005538666

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого», Великий Новгород.

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Карачинов Владимир Александрович

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, лауреат премии Ленинского комсомола, лауреат Государственной премии Российской Федерации в области науки и техники, профессор кафедры технологии и исследования материалов ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский Политехнический Университет»

Немов Сергей Александрович

Доктор физико-математических наук, профессор кафедры общей и экспериментальной физики ФГБОУ ВПО "Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого" Окунев Алексей Олегович

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Псковский государственный университет».

Защита состоится 4 декабря 2013 года в 14.00 часов в 6 пот. ауд. на заседании диссертационного совета Д 212.168.11 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого», по адресу: 173003, Россия, Великий Новгород, ул. Б.Санкт-Петербургская, д.41

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого. Автореферат разослан «02» ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.168.11 кандидат физико-математических наук, доцент

Коваленко Д.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Исследование закономерностей изменения физических свойств кристаллических твердых тел при их различных политипных состояниях на внешние воздействия является актуальной задачей физики конденсированного состояния, поскольку прогнозирование параметров при различных условиях позволяет создавать материалы с заданными характеристиками. В частности, изучение влияния теплового излучения на гетерогенные системы при их различных структурных состояниях, и нагретых газовых потоков, необходимо для создания термостойких оптоэлектронных устройств.

Особый интерес представляют исследования, нацеленные на выявление закономерностей изменения оптических коэффициентов частично-прозрачных гетерогенных систем от варьирования их структурных, геометрических параметров, а также от действия на них нагретых газовых потоков. В настоящее время получены значения коэффициентов поглощения, показателя преломления, пропускания, отражения, термолюминесценции, люминесценции, фотоотражения частично-прозрачных соединений, в зависимости от длины волны, а также известны некоторые результаты по их температурным зависимостям [1,2].

Проведение дополнительных исследований, посвященных нахождению коэффициентов отражения, пропускания и теплового излучения в тонких частично-прозрачных гетерогенных системах в условиях высоких температур представляет значительный интерес для создания оптических деталей (зеркал, линз), микроизлучателей, сенсоров. Использование политипных соединений обеспечивает дополнительную возможность варьирования отражательных свойств систем путем изменения их кристаллической структуры.

В качестве модельных гетерогенных систем для исследования влияния политипизма на оптические свойства в условиях высоких температур рассматриваются соединения А'"В'", а в частности карбид кремния (БЮ), а также селенид и сульфид цинка (ХпБе, 2пБ). Это связано с тем, что эти соединения находят широкое практическое применение, в том числе и для создания оптоэлектронных приборов. Поэтому изучение закономерностей влияния структурных характеристик БЮ, гпБ, 2п§е на их отражательные свойства имеет не только фундаментальное, но и прикладное значение.

В настоящее время развитие производственных технологий, космических и энергетических систем требует исследования оптических свойств гетерогенных систем, способных преобразовывать излучение видимого диапазона в экстремальных условиях эксплуатации. Значительный интерес представляют исследования оптических свойств термостойких материалов, направленные на решение задач, связанных с обзором и контролем промышленных объектов с высокими температурами, а также с измерением температуры обтекателей гиперзвуковых летательных аппаратов, что необходимо при калибровке сенсоров, управляющих движением

ракеты [3,4].

Цель и задачи

Целью данной диссертационной работы является разработка моделей и методов оценки влияния политипизма на изменение физических свойств частично-прозрачных гетерогенных систем на основе широкозонных материалов для создания научных основ метода формирования яркостного контраста исследуемых объектов в условиях высоких температур.

В соответствии с поставленной целью решались следующие частные задачи:

1.Анализ оптических характеристик гетерогенных систем, частично прозрачных в видимом диапазоне при их различных политипных состояниях.

2.Построение физической модели и разработка методики расчета коэффициентов излучения, пропускания и отражения оптически-прозрачной гетерогенной системы в условиях воздействия высоких температур.

3.Экспериментальные исследования оптических коэффициентов гетерогенных систем в условиях воздействия высокой температуры.

4.Разработка методики расчета спектральных характеристик отраженного излучения.

5.Разработка физико-технических основ метода формирования яркостного контраста исследуемых объектов, реализованного на базе отражательной БЮ-гетерогенной системы.

Методы исследования

Для решения поставленных в диссертационной работе задач были использованы численные методы и методы математического моделирования, натурные эксперименты измерения коэффициента направленного отражения, экспериментальное получение изображений с использованием разработанного макета оптической системы, компьютерные эксперименты. В частности при модельном исследовании оптических свойств частично прозрачных систем использовалась адаптированная теория Мак Магона.

Научная новизна

1. В рамках адаптированной теории Мак Магона получены выражения для расчета оптических коэффициентов частично прозрачных в видимом диапазоне гетерогенных систем, обладающих политипизмом, в широком интервале температур.

2. Установлено, что уменьшение концентрации доноров гетерогенной системы приводит к увеличению коэффициента отражения и уменьшению коэффициента излучения в видимом диапазоне. Коэффициент отражения БЮ-гетерогенной системы, остается практически постоянным до 1500°С, его изменения в зависимости от температуры не превышают 0.01 на каждые 100°С.

3. Представлены результаты исследования спектральных характеристик отраженного излучения частично прозрачных гетерогенных систем, с максимумом их пропускания на длине волны, которая характеризует цвет исследуемой системы. Показано, что уменьшение толщины гетерогенной системы приводит к увеличению доли излучения от всего отраженного на длине волны, характеризующей максимум пропускания образца, и не превышает 10 %.

4. Впервые с помощью бН-БЮ- гетерогенной системы, находящийся при температуре 1000°С, получен яркостный контраст объектов исследований в видимом диапазоне, пригодный для температурного анализа.

5. Рассмотрено практическое применение высокотемпературного отражения частично-прозрачных гетерогенных систем, разработаны физико-технические основы метода формирования яркостного контраста в условиях высоких температур.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается использованием апробированных методов теоретической физики, оптики, оптоэлектроники, проверенных экспериментальных методик, а также широкой апробацией результатов работы.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, разработке моделей и методик расчетов, проведении экспериментальных исследований, обобщении результатов, формулировке основных выводов. Написание опубликованных работ осуществлялось совместно с соавторами. Обсуждение задач исследований, анализ результатов, окончательная редакция статей, защищаемых научных положений и выводов по работе, а также разработка метода формирования яркостного контраста проводились совместно с научным руководителем.

Практическая значимость работы

- Разработаны методы и методики исследования отражательных свойств частично прозрачных в видимом диапазоне гетерогенных систем в условиях воздействия высоких температур.

- Разработан метод получения яркостного контраста в условиях высоких температур, реализуемый на базе отражательной 6Н-8Ю гетерогенной системы.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Физическая модель гетерогенных систем на базе политипных соединений с заданной степенью гексагональности, обладающих оптической прозрачностью в видимом диапазоне, позволяет рассчитывать коэффициенты отражения, пропускания и излучения в зависимости от структурных, геометрических и температурных характеристик.

2. Метод расчета спектрального состава отраженного излучения от

легированных и нелегированных гетерогенных систем с определенной степенью гексагональности, обладающих частичной прозрачностью в видимом диапазоне, и подвергающихся воздействию высоких температур, позволяет рассчитывать количественное содержание излучения от всего отраженного на длине волны, характеризующей максимум пропускания исследуемого образца.

3. Отражательная гетерогенная система в виде оптически прозрачного зеркала, выполненного из легированного или нелегированного широкозонного наноматериала определенного политипного состава - карбида кремния, обеспечивает реализацию метода формирования яркостного контраста исследуемых объектов при температурах, достигающих 1000°С.

Внедрение результатов работы

Результаты, полученные в диссертации, являются частью НИР РФФИ грант 13-07-98800 р_север_а и НИР Министерства образования и науки РФ проект №.1.7.08.

Исследования по теме диссертационной работы неоднократно поддержаны грантами для аспирантов и молодых ученых:

- по результатам конкурса на выполнение научно-исследовательских работ студентами и аспирантами ВУЗов Новгородской области «Перспектива 2010». Тема НИР: «Разработка технологии создания термостойкого зеркала на основе тугоплавких соединений, обладающих политипизмом»;

- по результатам «Девятого конкурса грантов молодых ученых НовГУ», 2011г. Тема НИР: «Оптические элементы для высокотемпературных систем».

- по результатам конкурса «Молодой исследователь», 2012г. Тема НИР: «Термостойкая система с вихревым охлаждением».

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на:

- международных научно-технических конференциях («Современное телевидение», Москва, 2009...2013 г.);

- всероссийской конференции с международным участием (МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», 2009);

- «Научная конференция преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ» (Великий Новгород, 2010-2013 г.г.);

- конкурсах («Перспектива 2010»: 2 место в номинации «Радио-, вычислительная техника, электроника», Девятый конкурс грантов молодых ученых НовГУ, 2011г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 25 научных работ, из которых 8 статей, в том числе, 7 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, тезисы к 15 докладам на международных и всероссийских научно-технических конференциях, 1 патент РФ, подана 1 заявка на изобретение.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 114 страниц машинописного текста, в том числе 53 рисунка, 3 таблицы. Список цитированной литературы включает 123 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель работы, показана ее актуальность, приведены основные результаты исследования.

В первой главе приведен обзор литературы, посвященный исследованию оптических свойств частично прозрачных в видимом диапазоне термостойких соединений. Приведены зависимости показателя преломления, коэффициента отражения, пропускания и поглощения политипных соединений от длины волны и температуры.

По результатам исследований проведенных в первой главе показано, что влияние структурных параметров, высокой температуры, геометрической формы на отражательные свойства полупрозрачных политипных соединений изучены недостаточно. Глава завершается формулировкой цели и выделением задач исследования.

Во второй главе рассмотрено теоретическое и экспериментальное исследование коэффициента отражения, пропускания, излучения гетерогенных систем на основе соединений, обладающих политипизмом, в условиях воздействия высокой температуры.

Физическая модель гетерогенных систем, обладающих частичной оптической прозрачностью в видимом диапазоне, была представлена оптико-геометрической моделью и математическими выражениями, основанными на адаптированной теории Мак Магона [5]. Задача теплового переноса рассматривалась как трехмерная задача, было учтено, что энергия Ё излучается не только с поверхностей структуры, но и с внутренней части (рис.1).

Исходные математические уравнения, представленные теорией Мак Магона [5]:

Рис. 1. Оптико-геометрическая модель частично прозрачной гетерогенной системы

г* (Я, Г) = г(Я,Г)-

р*(ЛЛ = Р(Я,Т)- 1 +

: т(Л,Т)-(1-р(А,Т))г \-р2(Л,Т)-т2(Л,Т) (1 -р(Л,Т)У

(1-р\Х,Т)-т\1,П)

„.. (1-г(Я,Г))

(1 - р(Я,Г) • г (Я, Г))

Где е*(Я,Т)- кажущийся коэффициент излучения, р*(Я,Г)- кажущийся коэффициент отражения, г*(Я,Г)- кажущийся коэффициент пропускания, /?(Я,Г) и г(Я,Г) - коэффициенты отражения поверхности и пропускания полупрозрачного соединения соответственно.

Основная задача моделирования заключалась в определении входящих в систему поверхностного коэффициента отражения, коэффициента пропускания, зависящих от показателя преломления, коэффициента поглощения. Оптические коэффициенты исследуемых структур определялись структурными, геометрическими параметрами, а также влиянием внешних условий, в том числе температуры. В расчетах были учтены обе независимые поляризации света.

Показатель преломления рассчитывался по модели Вепля-Дидоменико, его зависимость от температуры и степени легирования определялась по формулам Херве-Вандамма [6]. Коэффициент поглощения частично прозрачных соединений на частотах ниже края собственного поглощения при высоких температурах рассчитывался как сумма коэффициентов поглощения на свободных носителях и примесях. Их зависимость от температуры учитывалась температурным изменением концентрации свободных носителей, подвижности носителей заряда, и показателя преломления.

При расчете коэффициента поверхностного отражения учитывалось качество обработанной поверхности, которое зависит от вида обработки и может содержать неровности, соизмеримые с длиной волны- света, что вызывает рассеяние и приводит к уменьшению зеркального отражения [7]:

Где а- среднеквадратичное отклонение точек поверхности от среднего значения (м).

п(Л,Т) - показатель преломления гетерогенной системы.

Проведены исследования оптических коэффициентов гетерогенных систем с луночным рельефом, оптико-геометрическая модель, которой показана на рис.2. Такие системы представляют интерес для создания измерительных микросистем пирометрии газовых потоков, содержащих поверхности нагрева с развитой морфологией.

Гетерогенная система на основе полупрозрачного широкозонного полупроводника, представленная в виде лунки с диаметром 2Я, рассматривалась как излучающая цилиндрическая полость, при исследовании которой учитывались переизлучения от боковых внутренних поверхностей.

(2)

9 €

41 п>

•ъ / т

\\\ 2Н

Рис. 2. Оптико-геометрическая модель гетерогенной системы с луночным рельефом

Рассмотрен случай нормального падения излучения. Поскольку эффективная интенсивность излучения является суммой собственного и отраженного от стенок полости излучения, и зеркальная составляющая отражения не учитывается, так как в направлении нормали к поверхности дна энергия излучения не будет отражаться, эффективный коэффициент излучения дна лунки [7]:

е.(г) = е*(Я,Т) + а,(Л,Г). (3)

Где I = И/Я - глубина лунки в безразмерном виде, х = Х/К- расстояние от открытого конца цилиндрической полости в безразмерном виде, г = гл!К -расстояние от центра дна цилиндра в безразмерном виде, -

элементарный угловой коэффициент от элемента цилиндрической поверхности сЬс на концевой элемент дна йг, В. - радиус полости (т), е, (х) -эффективный коэффициент излучения боковой поверхности лунки.

Для проведения экспериментальных исследований коэффициента направленного отражения при высоких температурах разработана экспериментальная установка, структурная схема которой представлена на рис.3.

Методика измерения была реализована на основе известного метода определения коэффициентов направленного пропускания и отражения света стекла (ГОСТ 26302-93). Направленное излучение от лазера попадало через отверстие в крышке (5) на исследуемый образец (2), затем отражалось и регистрировалось приемником излучения (3). Исследования проводились при температуре окружающей среды 25°С и при нагревании образца 30. ,.500°С.

Результаты экспериментальных и теоретических исследований приведены на рис.4...7, показаны зависимости коэффициенты отражения, пропускания и излучения гетерогенных систем при воздействии высокой температуры от структурных (степень гексагональности, концентрации

легирующих примесей), геометрических (толщина, глубина лунки) и температурных характеристик.

Рис. 3. Структурная схема экспериментальной установки источник излучения(лазер), 2-исследуемый образец, 3-приемник излучения, 4-вольтметр, 5-крышка, 6-электронагреватель, 7-термопара, 8-мультиметр, 9-регулятор мощности, 10-источник питания

/ ✓ зс -< 'БЮ 1511,

** 3!С 4Н ^

--- / г*' *"' 81С6Н

0 200 400 600 800 1000

т,°с

Рис. 4. Зависимость коэффициента отражения гетерогенных систем на основе соединений А'ГВ'" от температуры. =10". е?=0.3мм. а=45°. Л = 650им. Ориентация базовой грани ЗСДбЯ - (001)С; 4Н, 6Н -(0001)С. Расчет

0.65

0.5

0.35

0.2

4Н

-зс /

151?

( (

6Н

зс I 5И 4Н '••1

... .... • а. 6Н

0.64

Р*0.48 Г*

£* 0.32 0.16

'■А

/ 3

0.1

0.2 0.3 О

0.4

0.5

4.5x10

а)

6.97x10

Ы^-Ыа, см б)

1.35x10 -3

2x10

Рис. 5. Зависимости оптических коэффициентов Б ¡С гетерогенной системы от структурных параметров, а=0°. с1=0.1мм. Ориентация базовой грани. Я = (650±10)нл(. Расчет:

а) коэффициента отражения, излучения от степени гексагональности. Концентрация нескомпенсированных доноров N¿-N0 =10,9см'3. Т=300°С.

б) 1- коэффициента отражения, 2 - пропускания, 3 - излучения БЮ 6Н легированного N от концентрации примесей. Т=27°С. Ориентация базовой

грани. (0001)С

0.3 0.275

0.25 р 0.225 0.2 0.175

0.15

г ¿о

.о-"0"

320

400

160 240

Т° С

Рис. 6. Зависимость коэффициента отражения поверхности БЮ 6Н, легированного азотом N¿-N0= 6.3-10™ст~3, от температурных характеристик. Ориентация базовой грани (0001)С. 2 = (650±10)/ш. . 1-Расчет. 2- Эксперимент

0.8 0.72 . 0.64

_ 0.56 г* 0.43 .... од

е* "2 ~ ~ 0.24 0.16

0.03

°0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 (1 ММ

Рис. 7. Зависимости оптических коэффициентов Б1С 6Н от толщины пластины. Г=1500°С. =3.4-1018стГ3, а=0°. Я = (650 + 10);ш.Ориентация

базовой грани (0001)С. Расчет.

Исследованные закономерности влияния физических параметров и характеристик на оптические свойства гетерогенной системы на основе политипных соединений в условиях высокой температуры показывают, что уменьшение толщины и концентрации доноров 81С ведет к увеличению коэффициента отражения и уменьшению коэффициента излучения в видимом диапазоне. Изменение коэффициента отражения БЮ-гетеросистемы от температуры до 1500°С не превышает 0.01 на каждые 100°С.

В третьей главе представлено теоретическое исследование спектральных характеристик теплового излучения, отраженного от цветных гетерогенных систем, частично прозрачных в видимом диапазоне, разработана методика расчета доли окрашенного излучения в общем отраженном. Падающее на образец излучение характеризовалось сплошным спектром, положение максимума которого зависело от температуры.

Методика расчета базировалась на теории Мак Магона [5], учитывалось, что в пределах видимого диапазона для частично прозрачных систем интенсивность отраженного от поверхности излучения практически постоянна и не зависит от цвета материала. Поскольку в пределах видимого спектра изменение длины волны незначительно влияет на показатель преломления, монохроматический коэффициент поверхностного отражения /?(Л,7) остается практически неизменным, и цвет лучей, отражаемых прозрачными цветными материалами, не изменяется. Основное влияние на спектральные характеристики отражения оказывают процессы, происходящие в объеме материала. Оптико-геометрическая модель представлена на рис.8.

Цвет полупрозрачного полупроводника характеризует величину энергии, при которой интенсивность пропускания, и, следовательно, коэффициент внутреннего отражения будут максимальными [8].

__ —

•.

\ ^ нов ^ вн1 I вн2 I енЗ

1 пр1 1пр2 1/грЗ Рис. 8. Оптико-геометрическая модель отражения цветных частично-прозрачных гетерогенных систем

Интенсивность излучения после прохождения слоя материала за счет внутреннего отражения, будет максимальной на длине волны XI.,.Х2, соответствующей диапазону цвета материала, в то время как излучение других длин волн будет поглощаться достаточно интенсивно.

Доля (окрашенного) излучения на длине волны X (нм), отраженная от полупрозрачной гетерогенной системы, максимум пропускания которой на X (нм):

(1 -р{Х,Т))2 • р(Л,Т)-г2(Л,Т) ^

I-р2(Х,Т)-т2(Л,Т)

Монокристаллический в ¡С может иметь разнообразную окраску: белую, серую, желтую, зеленую и черную, его цвет определяется кристаллической структурой (политипом), а также типом и количеством примесей. Пример гетерополитипной системы БЮ приведен на рис.9, кристалл предоставлен лабораторией Ю.М.Таирова.

Рис. 9. Гетерополитипная система ЭЮ. Фото

Результаты исследования спектральных характеристик отраженного излучения Б1С-гетеросистемы представлены на рис.10. Доля окрашенного излучения в общем отраженном для гетерогенных систем БЮ зеленого цвета толщиной с1=0.1 мм, в том числе при воздействии высоких температур, составила < 10 %. Поэтому цвет отраженного излучение будет почти полностью зависеть от цвета падающего излучения. Вследствие сдвига коэффициента поглощения в длинноволновую часть спектра с ростом температуры, наблюдается аналогичное смещение зависимости доли отраженного излучения.

6.4 4.8

ксо1, %

3.2 1.6 О

440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 А, нм

Рис. 10. Зависимость доли окрашенного излучения в общем отраженном для кристалла 6Н легированный азотом, Л^-И, =40-1017. <3=0.1 мм. а=0°.

1 - Т=293К, 2 - 800К.

Четвертая глава посвящена практическому применению высокотемпературного отражения политипных гетерогенных систем. Осуществлена разработка физико-технических основ метода формирования яркостного контраста на базе полупрозрачной отражательной - системы политипа 6Н.

Получение яркостного контраста объектов исследования, находящихся в труднодоступных зонах в условиях высоких температур сопряжено с разработкой термостойких оптических систем, состоящих из тугоплавких оптических деталей [9].

Метод формирования яркостного контраста оптической системой на базе матричного фотоприемника в условиях высоких температур основан на зависимости энергетической яркости теплового излучения объекта от его температуры (рис. 11).

Устройство формирования яркостного контраста (3) погружают в нагретую зону (1) и располагают таким образом, чтобы исследуемый объект (2) находился в его поле зрения. При этом излучение от объекта (2) через отверстие ввода яркостного контраста в корпусе оптического устройства попадает на зеркало (9), отражается и фокусируется на фотоприемнике

1 V

/ / ч V

Л >

/ 2

оптического модуля (5). Сигнал с фотоприемника, пропорциональный яркости объекта, после преобразования в оптическом модуле (5) через канал связи(б) поступает в персональный компьютер (8), где обрабатывается и запоминается. Охлаждающий газ подается от устройства охлаждения (4), которое соединено с боковой поверхностью корпуса устройства формирования контраста через отверстие подачи газа.

б)

а) Оптическая система

б) Устройство формирования яркостного контраста

1- Высокотемпературная печь

2- Объект исследования

3- Устройство формирования яркостного контраста

4- Устройство охлаждения

5- Оптический модуль

6- Канал связи

7- Источник питания

8- Персональный компьютер

9- Зеркало на базе ЯС 6Н- гетерогенной системы

10- Корпус

Рис. 11. Метод формирования яркостного контраста в условиях высоких

температур

Оптический модуль (5) состоит из цифрового модуля на базе матричного фотоприемника и длиннофокусного объектива. Перед объективом помещается светофильтр (2) для фильтрации фонового освещения. Благодаря этому

решается ряд важных задач, связанных в частности с метрологическим обеспечением прибора.

Разработка предложенного метода сопряжена с выполнением следующих основных этапов:

- обеспечение яркостного контраста,

- выбор спектрального диапазона визуализирующих оптических устройств,

- моделирование энергетических характеристик оптической системы,

- моделирование тепловых и гидродинамических характеристик отражателя и системы формирования яркостного контраста,

- проведение экспериментальных исследований,

- модификация яркостного контраста.

Для решения поставленных задач были разработаны методы и методики моделирования и экспериментальных исследований.

В главе 4 показано, что получение изображения изучаемого объекта, пригодного для анализа и измерения температуры с достаточной точностью, сопряжено с необходимостью обеспечения контрастного соотношения объекта и фона. При высоких температурах оптические детали излучают достаточно интенсивно, что оказывает негативное влияние на качество изображений, поэтому требуется определить оптимальную температуру отражателя.

Теоретический расчет контраста осуществлялся по модели, которая учитывала потери энергии при отражении лучистой энергии от бН-БЮ отражательной системы, прохождении через среду, светофильтры, оптическую систему объектива. Дополнительно учитывался шум, обусловленный собственным излучением БЮ-системы, а также излучением от расположенных за зеркалом сторонних источников и пропущенное сквозь него. В результате было получено следующее выражение для расчета контраста:

ктр1- коэффициент отражения 81С-системы; ем, еф1 - коэффициенты излучения объекта, фона соответственно; е11У ефз.I " коэффициенты излучения БЮ-отражателя и стенки, расположенной за зеркалом, соответственно;

тп1 - коэффициент пропускания БЮ-отражателя.

На рис.12 представлены зависимости яркостного контраста, полученные в ходе проведения экспериментальных исследований на лабораторном макете оптической системы и рассчитанные, с использованием данных о коэффициентах излучения БЮ-зеркала, объекта и фона. Достаточно хорошо видно, что численные значения контраста не превышали К < 0,2 и уменьшались с увеличением температуры. Такой характер изменения К

(5)

следует связывать в основном с возрастанием собственного излучения БЮ-отражателя при увеличении его температуры.

Показано, что для увеличения яркостного контраста необходимо понизить температуру бН-БЮ-отражателя, например, применяя газовую систему охлаждения. Из графика (рис.13) видно, что оптимальной температурой гетерогенной системы является 600°С...700°С, поскольку дальнейшее ее понижение почти не повлияет на контраст. 0.3

0.25 0.2

0.1

0.05 0

850 883 917 950 983 1020 1050 Т *С

Рис. 12. Зависимость яркостного контраста от температуры. 1-Эксперимент. Расчет для спектрального диапазона: 2 -X = 0,6...0,72 мкм, 3-Я- 0,43...0,55мкм

0.5 0.4 0.3

0.2

0.1 О

850 883 917 950 983 1020 1050 Т "С

Рис. 13. Зависимость яркостного контраста от температуры при охлаждении SiC- отражательной системы до: 1 - Т, = 600°С. 2 - Т, = 700°С. 3 - Т, = 800"С.

— 1 е-А

3 /

--*~~ ~ —. —--

'о

L 1

Эксперименты, проведенные без обдува при температурах, исключающих быструю модификацию отражающей поверхности БЮ - зеркала в условиях нагретой воздушной среды муфельной печи, показали на возможность надежной визуализации исследуемых тест - объектов. В тоже время согласно исследованиям при температурах отражателя значительно превышающих 1000°С не удавалось получить изображения тест - объектов пригодных, даже, для простого анализа, прежде всего, из-за невозможности обеспечения контрастного соотношения объекта и фона.

Из известных в настоящее время способов повышения яркостного контраста исследуемых тест - объектов наряду с инструментальными несомненный интерес представляют различные методы обработки изображений. В качестве примера приведены результаты применения технологии вейвлет - функций (преобразования) к рассматриваемой задаче (рис.14).

Рис. 14. Результаты модификации яркостного контраста. Фото. Т=960° а - необработанное изображение, б - обработанное изображение, использованы стандартные методы повышения контрастности, в - обработанное изображение помощью вейвлет функции, подчеркнуты

границы,

г - обработанное изображение с помощью непрерывного вейвлет-преобразования.

В заключении приведены результаты диссертационной работы и сформулированы основные выводы, заключающиеся в следующем:

1. Методика, в рамках разработанной физической модели, позволяет рассчитывать коэффициенты отражения гетерогенных систем на базе политипных соединений, обладающих оптической прозрачностью в видимом диапазоне, в зависимости от концентрации легирующих примесей, толщины и температуры воздействия.

Результаты экспериментальных и теоретических исследований коэффициента отражения, пропускания и излучения гетерогенных систем на базе политипных соединений в условиях высоких температур, позволяют установить взаимосвязи между отражательными свойствами и структурными, геометрическими, температурными характеристиками гетерогенных систем. Температурное изменение коэффициента отражения SiC 6Н гетерогенной системы до 1500°С не превышает 0.01 на каждые 100°С.

2. Получены спектральные характеристики излучения, отраженного от полупрозрачной гетерогенной системы, в том числе и в условиях высоких температур. Выявлено, что доля излучения в общем отраженном на длине волны характеризующий максимум пропускания для кристаллов SiC зеленого цвета толщиной d=0.1 мм составила < 10 %, поэтому цвет отраженного излучения будет почти полностью зависеть от цвета падающего излучения. Отмечено влияние температуры на спектр доли отраженного излучения, с ростом которой происходит смещение зависимости в длинноволновую область спектра.

3. Рассмотрено практическое применение высокотемпературного отражения полупрозрачных систем на базе политипных соединений в устройствах формирования яркостного контраста, разработаны основные этапы их реализации. Использование частично-прозрачного SiC-6H отражателя позволяет создавать безопасные термостойкие оптические системы с газовой системой охлаждения, что исключает опасность взрыва при разгерметизации устройства и значительно уменьшает паразитный отвод тепла из нагретой зоны исследуемого объекта.

Список цитируемой литературы

1. Справочник по электротехническим материалам. Т.З. Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева// JL: Энергия. - 1988. - 728с.

2. Harris G. Properties of Silicon Carbide // INSPEC, London, United Kingdom. - 1995. - 295 p.

3. Пирометрические зонды на основе тугоплавких соединений: монография/ Карачинов Д.В., Карачинов В.А.; НовГУ им. Ярослава Мудрого. -Великий Новгород. - 2008. - 123 с.

4. Магунов А.Н. Лазерная термометрия твердых тел. // М.: Физматлит. -2001.-224 с.

5. Mc.Mahon Н.О. Thermal radiation from partially transparent reflecting bodies // J.Opt. Soc. Amer. - 1950. - vol.40. - p.376.

6. Розеншер Э., Винтер Б. Оптоэлектроника// Москва: Техносфера. -

2004. -592с.

7. Козловский В .И., Трубенко П.А., Коростелин Ю.В., Роддатис В.В. Распределенные брэгговские зеркала на основе ZnMgSe/ZnCdSe, полученные методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках ZnSe// ФТП. — 2000. — т.34. вып.10. - С.1237-1243.

8. Tilley, R. J. D. Colour and the optical properties of materials : an exploration of the relationship between light, the optical properties of materials and colour // WILEY. -2011. - 510 p.

9. Белозеров А.Ф. Оптические методы визуализации газовых потоков. -Казань:Изд-во Казан, гос. Техн. Ун-та, 2007. - 747 с.

Список научных трудов

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Карачинов В.А., Казакова М.В., Торицин С.Б., Разумовская А.О. /Математическое моделирование системы формирования изображения телевизионного эндоскопа промышленного назначения// Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. - 2010. - № 1.2. - С.125-128.

2. Карачинов В.А., Джеренов И.Г., Карачинов Д.В., Казакова М.В. Исследование рельефной структуры нарушенного слоя эрозионной природы в кристаллах карбида кремния// Проектирование и технология электронных средств. - 2010. - № 4. - С.67 - 70.

3. Карачинов В.А., Торицин С.Б., Казакова М.В., Пивень A.A. Моделирование температурного режима телевизионной эндоскопической системы промышленного назначения// Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. - 2011. - № 1,2. - С.94 - 97.

4. Карачинов В.А., Карачинов Д.В., Казакова М.В. Теплофизические и оптические свойства микросистем с луночным рельефом на основе карбида кремния // ЖТФ. - 2012. - Т. 82, вып. 8. - С. 129 - 133.

5. Казакова М.В. Расчет оптических характеристик термостойкого зеркала// Вестник НовГУ. Сер.: Техн. Науки. - 2012. - №68. - С. 126-127.

6. Карачинов В.А., Торицин С.Б., Казакова М.В., Расчет углового поля зрения телевизионной эндоскопической системы при условии изгибной деформации термостойкого зеркала// .Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. - 2012. - № 1,2 - С.145-147.

7. Карачинов В.А., Казакова М.В, Петров A.B., Торицин С.Б., Герасимов A.B. Анализ контраста телевизионной эндоскопической системы// Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. - 2013. - № 1,2. - С. 138-140.

Принятая к печати статья:

8. Карачинов В. А., Казакова М. В., Ионов A.C., Петров A.B., Хвостиков Е.В. Энергетические параметры телевизионного визуализатора оптически прозрачных гетеросистем со свойством прогиба// Вестник НовГУ. Сер.: Техн. Науки.-2013.-№73. т.1.

Патенты:

9. Пат. 2457521 Российская Федерация, МПК G02B23/24.

Телевизионный эндоскоп// М.В. Казакова, В.А. Карачинов; патентообладатель Новгородский Государственный Университет имени Ярослава Мудрого -№2010144887/28. заявл. 02.11.2010; опубл. 27.07.2012, Бюл. № 21 -7с.

Ю.Заявка на изобретение 2012157938 Российская Федерация, МПК G02B23/24. Телевизионный эндоскоп// М.В. Казакова, В.А. Карачинов, Д.В. Карачинов; заявитель Новгородский Государственный Университет имени Ярослава Мудрого. -№ 2012157938, заявл. 27.12.2012. - 8с.

Статьи в других изданиях:

П.Казакова М.В. Энергетический расчет оптической схемы телевизионного пирометра эндоскопического типа// Вестник НовГУ - 2009. -№50. - С.57-58.

Тезисы докладов:

12.Карачинов В.А., Казакова М.В. Энергетический расчет оптической схемы телевизионного пирометра эндоскопического типа// Труды 17-ой Международная научно-техническая конференция "Современное телевидение". М.: ФГУП МКБ "Электрон". - 2009. - С.72-73.

13.Карачинов В.А., Казакова М.В., Торицин С.Б. Анализ теплового режима пирометра телевизионного эндоскопического типа// Труды 17-ой Международная научно-техническая конференция "Современное телевидение". М.: ФГУП МКБ "Электрон". - 2009. - С.74-76.

14.Карачинов В.А., Казакова М.В., Ильин C.B. Моделирование гидродинамического режима телевизионного эндоскопа// Труды 17-ой Международная научно-техническая конференция "Современное телевидение". М.: ФГУП МКБ "Электрон". - 2009. - С.76-78.

15. Казакова М.В. Пирометрические зонды эндоскопического типа // Сборник конкурсных научных работ аспирантов и молодых ученых по направлению «Стратегическое партнерство ВУЗов и предприятий радиоэлектронной промышленности». С.-Пб. - 2009. - С. 10-13.

16.Казакова М.В. Пирометрический зонд эндоскопического типа// Труды 52-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных наук» Часть 4. Молекулярная и биологическая физика. Том 2.-М.: МФТИ. - 2009. - С.61-64.

17.Карачинов В.А., Казакова М.В., Карачинов Д. В., Пуляев М. П., Разумовская А.О.//Пирометр телевизионный эндоскопического типа с вихревым охлаждением// Труды 18-ой Международная научно-техническая конференция "Современное телевидение". М.: ФГУП МКБ "Электрон". - 2010. -С. 104-106.

18.Разумовская А.О, Карачинов В.А., Казакова М.В., ■ Ильин С.В .Исследование микрогетерогенных систем с парными источниками// Труды 18-ой Международная научно-техническая конференция "Современное телевидение", М.: ФГУПМКБ «Электрон». -2010. - С.100-103.

19.Карачинов В.А., Казакова М.В., Разумовская А.О., НовГУ, Новгород/ Цифровое моделирование гидродинамического и теплового режима телевизионного эндоскопа/ [Электронный ресурс]: Сб. тез. докладов II

Всероссийской межвузовской научной конференции Зворыкинские чтения -Муром: МИ ВлГУ. - 2010. - С.887-888.

20.Карачинов В.А., Казакова М.В., Карачинов Д.В., Торицин С.Б. Телевизионный эндоскоп промышленного назначения// Труды 19-ой Международная научно-техническая конференция "Современное телевидение". М.: ФГУП МКБ "Электрон". - 2011. - С.76-77.

21.Карачинов В.А., Разумовская А.О., Казакова М.В., Ильин C.B. Телевизионная система оптической локации биоорганизмов в жидких средах// Труды 19-ой Международная научно-техническая конференция "Современное телевидение". М.: ФГУП МКБ "Электрон". - 2011. - С.72-75.

22.Казакова М.В. Мобильный эндоскоп// Тезисы докл. XVIII научная конф. преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ. - 2011. - С.25 - 26.

23.Разумовская А.О., Ильин C.B., Казакова М.В., Карачинов В.А. Телевизионные методы диагностики пограничных слоёв в микрогетерогенных системах// Тезисы докл. Международной научной школы «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях». М.: Издательский дом МЭИ. - 2011. - С.57-58.

24.Карачинов В.А., Казакова М.В., Карачинов Д.В., Петров A.B. Технология создания термостойкого зеркала телевизионного эндоскопа промышленного назначения// Труды 20-ой Международная научно-техническая конференция "Современное телевидение". М.: ФГУП МКБ "Электрон". - 2012. - С.262-264.

25.Казакова М.В. Телевизионный метод визуализации и измерения температуры в экстремальных условиях// Тезисы докл. XIX научная конф. преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ. - 2012. - ч.2. - С.101.

26.Казакова М.В., Карачинов В.А., Торицин С.Б., Петров A.B. Расчет контраста изображения в телевизионной эндоскопической системе промышленного назначения// Труды 21-ой Международной научно-технической конференции «Современное телевидение» М.: ФГУПМКБ «Электрон». - 2013. -С.134-136.

Казакова Марина Васильевна

Изд. лиц. ЛР № 020815 от 21.09.98. Подписано к печати « 29» октября 2013 г. Формат 60x84 1/16. Гарнитура Times New Roman. Тираж 100 экз. Усл. печ. л. 1,1. Заказ № Ч

Издательско-полиграфический центр Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого. 173003, Великий Новгород, ул. Б. Санкт-Петербургская, 41. Отпечатано в ИПЦ НовГУ. 173003, Великий Новгород, ул. Б. Санкт-Петербургская, 41.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Казакова, Марина Васильевна, Великий Новгород

НОВГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ЯРОСЛАВА МУДРОГО

04201365651

КАЗАКОВА МАРИНА ВАСИЛЬЕВНА

На правах рукописи

*г

ВЛИЯНИЕ ПОЛИТИПИЗМА НА ОТРАЖАТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ЧАСТИЧНО ПРОЗРАЧНЫХ ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКИХ

ТЕМПЕРАТУР

Специальность: 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Карачинов В.А

Великий Новгород - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................................4

Глава 1 Оптические свойства частично-прозрачных в видимом диапазоне

гетерогенных систем в условиях высоких температур....................................15

1.1 Частично-прозрачные гетерогенные системы......................................................15

1.2 Политипные соединения. Основные свойства........................................................16

1.3 Структура и оптические свойства частично прозрачных соединений..............................................................................................................................................18

1.3.1 Структура и оптические свойства лейкосапфира................................................18

1.3.2 Структура и оптические свойства алмаза....................................................................20

1.3.3 Структура и оптические свойства селенида цинка..............................................22

1.3.4 Структура и оптические свойства сульфида цинка............................................23

1.3.5 Структура и оптические свойства карбида кремния..........................................27

Выводы по первой главе и постановка задач исследования........................34

Глава 2 Отражательные свойства гетерогенных систем, обладающих оптической прозрачностью в видимом диапазоне, в условиях высоких температур............................................................ 35

2.1 Физическая модель расчета отражательных свойств.................... 35

2.2 Влияние физических свойств на отражательные характеристики оптически прозрачных гетерогенных систем, обладающих политипизмом.................................................................... 40

2.2.1 Влияние структурных характеристик на оптические свойства гетерогенных систем............................................................ 40

2.2.2 Влияние температуры на оптические свойства гетерогенных систем.............................................................................. 43

2.3 Методика экспериментальных исследований.............................. 44

2.4 Результаты исследований коэффициентов отражения, пропускания

и излучения частично прозрачных гетерогенных систем............... 48

Выводы по второй главе....................................................... 56

Глава 3 Анализ влияния цвета полупрозрачной гетерогенной системы на спектральные характеристики отраженного излучения в условиях

высоких температур........................................................................................................................57

3.1 Метод расчета спектрального состава отраженного излучения 57

3.2 Результаты исследований влияния цвета полупрозрачной

гетерогенной системы на цвет отраженного излучения..................................60

Выводы по третьей главе............................................................................................................65

Глава 4 Физико-технические основы метода формирования яркостного

контраста......................................................................................................................................................66

4.1 Оптические устройства для высоких температур................................................66

4.2 Сущность метода формирования яркостного контраста................................67

4.3 Анализ яркостного контраста..................................................................................................70

4.4 Спектральный диапазон................................................................................................................74

4.5 Моделирование тепловых характеристик отражательной гетерогенной системы в условиях воздействия направленных излучающих газовых потоков................................................................................................77

4.6 Анализ качества оптической системы на базе 8Ю-отражателя................83

4.6.1 Обзорные характеристики оптической системы....................................................83

4.6.2 Энергетический расчет..................................................................................................................85

4.7 Влияние температуры отражательной гетерогенной системы на качество оптической системы................................................................................................89

4.8 Экспериментальные данные......................................................................................................92

4.8.1 Экспериментальная установка................................................................................................92

4.8.2 Результаты исследований и их обсуждение................................................................93

4.8.3 Модификация яркостного контраста................................................................................94

Выводы по четвертой главе......................................................................................................98

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................................................99

Список публикаций автора по теме диссертации................................................101

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..............................................104

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Проведение исследований, посвященных разработке методов определения коэффициентов отражения, пропускания и излучения в тонких частично-прозрачных гетерогенных системах в условиях высоких температур позволяет расширить основные положения известной теории Мак-Магона, что способствует формированию научных основ инженерного базиса создания термостойких оптических деталей (зеркал, линз), микроизлучателей, сенсоров. Использование политипных соединений обеспечивает дополнительную возможность варьирования отражательных свойств систем путем изменения их кристаллической структуры.

В качестве модельных гетерогенных систем для исследования влияния политипизма на оптические свойства в условиях высоких температур

рассматриваются соединения А,уВ1У, а в частности карбид кремния (81С), а также селенид и сульфид цинка (2п8е, 2п8). Это связано с тем, что эти соединения находят широкое практическое применение, в том числе и для создания оптоэлектронных приборов. Поэтому изучение закономерностей влияния структурных характеристик 81С, 2п8, 2п8е на их отражательные свойства имеет не только фундаментальное, но и прикладное значение.

Цель и задачи

В соответствии с поставленной целью решались следующие частные задачи:

¡.Анализ оптических характеристик гетерогенных систем, частично прозрачных в видимом диапазоне при их различных политипных состояниях.

4.Разработка методики расчета спектральных характеристик отраженного излучения.

5.Разработка физико-технических основ метода формирования яркостного контраста исследуемых объектов, реализованного на базе отражательной 81С-гетерогенной системы.

Методы исследования

Научная новизна

2. Установлено, что уменьшение концентрации доноров БЮ гетерогенной системы приводит к увеличению коэффициента отражения и уменьшению коэффициента излучения в видимом диапазоне. Коэффициент отражения БЮ-гетерогенной системы, остается практически постоянным до 1500°С, его изменения в зависимости от температуры не превышают 0.01 на каждые 100°С.

Практическая значимость работы

- Разработан метод получения яркостного контраста в условиях высоких температур, реализуемый на базе отражательной бН-БЮ гетерогенной системы.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Физическая модель гетерогенных систем на базе политипных соединений с заданной степенью гексагональности, обладающих оптической прозрачностью в идимом диапазоне, позволяет рассчитывать коэффициенты отражения, пропускания и излучения в зависимости от структурных, геометрических и температурных характеристик.

2. Метод расчета спектрального состава отраженного излучения от легированных и нелегированных гетерогенных систем с определенной степенью гексагональности, обладающих частичной прозрачностью в видимом диапазоне, и подвергающихся воздействию высоких температур, позволяет рассчитывать количественное содержание излучения от всего отраженного на длине волны, характеризующей максимум пропускания исследуемого образца.

Внедрение результатов работы

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на:

- международных научно-технических конференциях («Современное телевидение», Москва, 2009...2013 г.);

- «Научная конференция преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ» (Великий Новгород, 2010-2013 г.г.);

Публикации

По теме диссертации опубликовано 25 научных работ, из которых 8 статей, в том числе, 7 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, тезисы к 15 докладам на международных и всероссийских научно-технических конференциях, 1 патент РФ, 1 подана заявка на изобретение.

Структура и объем диссертации

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен обзор литературы, посвященный исследованию оптических свойств частично прозрачных в видимом диапазоне термостойких соединений, в том числе и обладающих политипизмом. Приведены зависимости показателя преломления, коэффициента отражения, пропускания и поглощения политипных соединений от длины волны и температуры.

Во второй главе рассмотрено теоретическое и экспериментальное исследование коэффициента отражения, пропускания, излучения гетерогенных

систем на основе соединений, обладающих политипизмом, в условиях воздействия высокой температуры.

Физическая модель гетерогенных систем, обладающих частичной оптической прозрачностью в видимом диапазоне, была представлена оптико-геометрической моделью и математическими выражениями, основанными на адаптированной теории Мак Магона (Mc.Mahon Н.О. J.Opt. Soc. Amer. 1950. vol.40, p.376-380). Задача теплового переноса рассматривалась как трехмерная задача, было учтено, энергия Ê излучается не только с поверхностей структуры, но и с внутренней части.