Измерение излучающей и поглощающей способностей тонкопленочных образцов

Внедрение: 2018 г.

В Институте физики им. Л.В. Киренского СО РАН предложено решение проблемы измерения коэффициента излучения (степени черноты) тонкопленочных высокоотражающих образцов при криогенных и комнатных температурах [1]. Решение этой сложной измерительной задачи актуально, как правило, для космического применения. 

Для обеспечения необходимой точности и чувствительности создан тонкопленочный элемент, содержащий платиновый датчик температуры и нагреватель, а также пленка с высоким коэффициентом излучения – модель «черного тела». На базе этих элементов, криостата замкнутого цикла TM AC‑V12a фирмы Cryomech (США) и крейтовой системы LTR‑EU‑8‑1 сбора информации с модулями АЦП LTR114 и ЦАП LTR34‑8 от OOO "Л Кард" создана установка для измерения теплопередачи между пленочными покрытиями, осуществляемой за счет излучения. Наряду с описанием установки, в статье [1] раскрыты также способы обработки результатов измерений, осуществляемой при оценке сопротивления платиновых датчиков температуры, которые позволяют производить измерение температуры со среднеквадратическим отклонением 0,001 К. Схема установки приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема установки для измерения излучающей и поглощающей способностей тонкопленочных образцов: 1 – криостат (Optistat TM AC‑V 12a 0.25W@4K); 2 – пленочный образец; 3 – эталонный поглотитель/излучатель (модель черного тела); 4 – переменный генератор мощности (на базе LTR34‑8); 5 – тонкопленочный нагреватель; 6 – тонкопленочный нагреватель образца; 7 – тонкопленочный термометр сопротивления образца; 8 – тонкопленочный термометр сопротивления поглотителя/излучателя; 9 и 10 – измерители температуры (на базе LTR114); 11 и 12 – диэлектрические пленки.

Работа установки основана на нагреве эталонного излучателя (модели «черного тела») и измерении температуры излучателя и приемника (образца). Образец – полиимидная пленка с исследуемым отражающим покрытием и нанесенным методом магнетронного напыления спиральным бифилярным платиновым термометром сопротивления 7, 8 и нагревателем 6. Температура излучателя и приемника измеряется с помощью платинового термометра сопротивления, специально разработанного блока термостабилизированных малошумящих усилителей и прецизионных сигма-дельта АЦП LTR114 и ЦАП LTR34‑8, управляемых ПЭВМ.

Внешний вид установки показан на рисунке 2.

Рисунок 2. Автоматизированная установка для измерения коэффициента излучения (степени черноты) тонкопленочных образцов (чувствительность по температуре – 0,001 К) на базе криостата Optistat TM AC‑V 12a 0.25W@4K.

Выполнение тонкопленочных датчика температуры (термометра сопротивления) и нагревателя, имеющих теплоемкости много меньшие, чем теплоемкость измеряемой пленки, на полиимидной пленке толщиной 10 мкм, позволяют минимизировать погрешности измерения температуры и влияния датчика и нагревателя на теплофизические свойства образца (рисунок 3).

Рисунок 3. Тонкопленочный элемент, содержащий платиновый датчик температуры и нагреватель.

Работа установки основана на импульсном нагреве излучателя (поглотителя) и синхронном измерении температуры приемника (образца) перед импульсом нагрева и в конце его, по окончанию переходного процесса. Образец – полиамидная пленка с исследуемым отражающим покрытием и нанесенным методом магнетронного напыления спиральным бифилярным платиновым термометром сопротивления и таким же нагревателем. Для повышения чувствительности измерений и минимизации тепловых утечек по периметру пленочного датчика нанесена перфорация. 

Два канала ЦАП восьмиканального LTR34 программируются на выдачу противофазного двухполярного напряжения, подаваемого на последовательное соединение двух платиновых термометров сопротивления излучателя и приемника. Полярность ЦАП меняется каждые 2,5 мс. За каждые 2,5 мс происходит измерение напряжения по пяти каналам: напряжения на нагревателе, напряжения на эталонном сопротивлении нагревателя (ток нагревателя), усиленного напряжения на двух датчиках температуры, усиленного напряжения на эталонном резисторе, включенном последовательно с датчиками температуры (измерительный ток датчиков). Результат измерения напряжения каждые 0,5 секунды получается суммированием двухсот измерений. Для трех каналов измерения сопротивления датчиков температуры сложение осуществляется с учетом знака измерительного тока.  

Перечисленные способы обработки цифровых данных позволяют производить измерение температуры со среднеквадратическим отклонением 0,001 К.

Источники:

1. Иваненко А.А., Тамбасов И.А., Шестаков Н.П. Микроколориметр для измерения коэффициента излучения тонкопленочных высокоотражающих образцов // Космические аппараты и технологии. – 2018. – Т. 2, № 3 (25). – С. 165‑169.
2. Пат. 2535648 Российская Федерация, МПК G01K17/08. Устройство для измерения поглощающей и излучающей способностей тонкопленочного образца / Иваненко А.А., Шестаков Н.П., Тамбасов И.А.; патентообладатель ФГБУН Институт физики им. Л.В. Киренского; заявл. 02.08.2013; опубл. 20.12.2014. Бюл. № 35.

Разработчик: Иваненко А.А., Тамбасов И.А., Шестаков Н.П. (Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН, г. Красноярск)