Введение к работе
Актуальность проблемы. Интенсивное развитие и использование средств записи и обработки информации, индикации лазерных излучений, импульсной голографии и интерферометрии, визуализации инфракрасных излучений на основе преобразования теплового излучения в видимое изображение вызвало необходимость разработки и исследования приемопреобразую-щих устройств, контрольно-измерительных термочувствительных датчиков, позволяющих регистрировать с требуемым разрешением тепловьіе воздействия и преобразовывать их в оптические изображения или электрические сигналы. Для выявления возможностей и основных характеристик таких устройств, оптимизации их конструкции и величии теплофизических параметров необходим анализ тепловых нолей, возникающих в преобразующем слое регистратора или в его элементах при том или ином тепловом воздействии. І Іаряду с этими задачами анализ тепловых процессов к тонкопленочных покрытиях, подвергающихся импульсным тепловым воздействиям, имеет важное значение для решения многих проблем теплофизики и области лазерной и космической техники.
Известные решения уравнений теплопроводнретн, описывающих тепловые процессы в двухслойных или многослойных структурах, либо основываются на использовании упрошенных тепловых моделей, не отражающих адекватно температурные состояния в реальных устройствах, либо проводятся численными методами с помощью ГШМ, по результатам которых затруднено выявление основных закономерностей исследуемых процессов и их анализ при вариации исходных значений различных параметров разрабашваемых усіройств и пространственно-временных распределений тепловых воздействий.
Таким образом, проблема поиска соответствующих исследуемым регистраторам тепловых моделей и разработка методов их расчета является актуальной. Особенно это относиїся к исследованиям тепловых процессов и двухслойных и многослойных структурах, а также в устройствах последовательной поэлементной регистрации /силовых воздействий, » структурах с рассредоточенными тепловыделяющими элементами, результаты которых представлены в настоящей работе.
Работа выполнялась в период 1973 - 1996 годов в соответствии с комплексной научно-технической темой «Методы пространственно-временного анализа откликов приемных устройств на импульсные воздействия» (номер
гос. регистрации - 01.81.05588!), но заказу НПО «ВНИИОФИ». п/м B-8584,S г. Москва, ПО «Электроника», и/я Р-6644, г. Воронеж.
Цель п задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка мстодон расчета и исследование тепловых процессом, протекающих її двухслойных и многослойных преобразователях, в многоэдементпых устройствах при импульсных воздействиях тепловых источников с различными пространственно-временными распределениями.
На основе результатов проведенных расчетом были поставлены п решены задачи анализа н определения основных характеристик исследуемых преобразователей в различных режимах их применения, выработки рекомендаций по оптимизации конструкции и неличин теплофизических параметров paspa-батывасмых приемопрсобрагуюших устройств, а также разработки прибора для регистрации пространственной структуры луча ИК-лазера.
Объект и методы исследования. Объектами исследования в данной работе являются тонкопленочные преобразователи (17111), представляющие собой тонкие магнитные пленки (TMJI) с полосовой мелкодомеиноп структурой, термооптические преобразователи (ТОП) на основе полупроводниковых пленок, обладающих свойством смещения длинноволнового края фундаментальной полосы поглощения jipn их паї реве, халькогенидные пленки (ХСП) с фо-тонндуцированпым способом регистрации информации и тепловым стиранием записи, приемники излучения с анизотропной термоэде (ЛТП), и которых возникающий при поглощении регистрируемого излучения грядиен г температуры по толщине чувствительного слоя сопровождается появлением электрического сигнала за счет термоЭДС между ірапицами слоя. Исследуются также мпоюслойные пленочные структуры - тоикопленочпые магниторети-стпвпые головки (ГТМ) при их нагреве импульсами тока, многослойные структуры с различной конфигурацией слоев (интегральные микроплаты, ИМП), миогоэлсменгные структуры с тепловыделением в каждом элементе устройства задания импульсов воздействия (УЗИВ), устройства последовательной поэлементной записи информации (УЗИПП).
Для изучения основных характеристик исследуемых преобразователей необходим анализ температурных откликов чувствительного слоя на тепловые воздействия на основе решения соответствующих задач теплопроводности, для постановки которых требуется подбор тепловых моделей, наиболее адек-iiniiio отображающих тепловые процессы в исследуемой структуре. Полому к методам исследования относиїся подбор и обоснование соответствующей тепловой модели, выбор метода решения сформулированной задачи теилопро-
водности в виде снсісмм дифференциальных уравнении it частных производных, расчет и пиал ні полученных решений для конкретных приемо-преобразующих устройств, их экспериментальное подтверждение. Нахождение аналитических решений задач теплопроводности для тепловой модели «тонкая пленка на массивной подложке» проводится на основе использования метода интегральных преобразований Фурье, Хаикеля, Лапласа. Для более рационального и компактного представления полученных решений введена не использовавшаяся ранее тепловая функция, зависимость которой от своего аргумента адекватно отображает тепловые процессы с течением времени в исследуемых структурах.
Для решения прикладных задач но нахождению температурною состояния устройств ГТМ, ИМИ, УЗИВ. УЗИПК использованы метод интегральных представлении Фурье с соответствующими дайной задаче ядрами прямого н обратного преобразований, метод преобразования через координату - сопротивление и метод элсктротепловой аналої ни.
Научі і а я і ювизна основных 11 о л ожений, выносимых і га защиту.
Отработана тепловая модель расчета двухслойного тонкопленочного регистратора импульсных тепловых воздействий, отличающаяся от известных наибольшей адекватносіью отображаемых тепловых процессов в исследуемых преобразователях. Эта модель представляет собой топкую термочувствительную пленку, нанесенную на массивную подложку. Тепловое сопротивление по толщине пленки принимается нулевым, подложка считается массивной, поскольку ее толщина существенно превышаем тепловую диффузионную длину.
Адекватность выбранной тепловой модели тепловым процессам в тонкопленочном преобразователе подтверждена экспериментально. Максимальное различие расчетной и экспериментальной кривых ііімеїіеііпя с течением времени температуры пленки ТОН не превышает 2.7 %.
Па основе выбранной тепловой модели разработан метод решения нестационарных задач теплопроводности для ТИП с тепловыделением в подложке или непосредственно в пленке, позволивший получить искомые температуры пленки при различных распределениях тепловых воздействий в виде аналишческих функции, представленных компактно и маїлядно посредством введенной впервые тепловой функции, аппроксимируемой с высокой точностью рациональными функциями.
Обоснован расчет решений рассматриваемых задач теплопроводности для двухслойных струкі\р при мнимых аріумешах іінтсірадов верояшостей.
понижающих при величине отношения коэффициентов темпераіуропровод-iiocui пленки и подложки, большей единицы.
Разработан метод анализа пространственной структуры импульсных тепловых полсіі, формируемых ИК-лучом СОд-лазера, измерения его интенсивности с помощью прибора, созданного на основе термооптнческого преобразователя.
Предложен метод расчета тепловой задачи для двухслойной структуры преобразователя с учетом конечной теплопроводности по толщине чувствительного слоя ЛТП с тепловыделением в пленке. Решение получено в виде анализ ичеекпх функций.
Решена одномерная задача теплопроводности для многослойной структуры с переменными коэффициентами теплопроводности п объемной теплоемкости, отличающаяся от известных расположением источника тепла внутри структуры н его изменением во времени. На основе этого решения проведен анализ теплового режима в 15-слойной структуре ГГМ при воздействии импульсов тока.
Представлен расчет температурных откликов на импульсные воздействия в устройстве поэлементной записи информации с движущимся источником тепла на основе решения третьей краевой задачи теплопроводности с помощью интегральных представлений.
Проведен расчет температурных распределений и гибридной микросхеме с рассредоточенными тепловыделяющими элементами на основе решения соответствующей тепловой задачи. Предложен метод экспериментального анализа температурного состояния is узловых точках слоев такой структуры с помощью эквивалентной электрической модели, разработанной па основе элсктротсиловой аналогии.
Практическая ценность и рсалтация результатов работы.
Результаты, полученные па основе разработанных методов расчета тепловых процессов в топкоиленочных регистраторах импульсных тепловых воздействий, предназначались и были применены и внедрены при разработке и оптимизации конструкции термооптических преобразователей, тонких магнитных пленок, приемников с анизотропной термоОДС и других устройств, при отработке режима регистрации импульсных тепловых полей и исследовании основных характеристик разрабатываемых прпемонреобразующнх уст-ройс ТВ.
По рсіультаїам анализа энергетических характеристик и пространственно-временных зависимостей температурных откликов на импульсные теп-
повис воздействия выработаны практические рекомендации для разрабатываемых тонкоплемочных преобразователей "ГМІІ, ГОН.
Па основе ТОП создан прибор для измерения характеристик импульсного теплового ИК-излучення СОї-лазера, разработана установка для измерения температурных кривых пропускания полупроводниковых пленок.
выработаны рекомендации по оптимизации параметров приемника с апиютронной термог)ДС (ЛГИ), предназначенной» для измерения интенсивности лазерных излучении.
Достигнута возможность прогнозирования временных н просі ране і венных зависимостей температуры чувствительного слоя преобразователей, экспериментального определения основных характеристик и теилофизических параметров регистраторов.
Проведен анализ теплового режима в 15-слоііной структуре тонкопленочной магпиторезистивной головки (ГТМ) при воздействии импульсов тока и сформулированы предложения по их усовершенствованию.
выработаны рекомендации но размещению активных (тепловыделяющих) элементов в конструкции гибридной микросхемы (УЗИВ), интегральной микроплаты (ИМИ).
Разработанные теоретические основы и методы расчета температурного состояния регистраторов импульсных тепловых воздействий имеют перспективу использования при решении задач теплопроводности для новых устройств, которые могут быть отображены аналогичными тепловыми моделями.
Результаты анализа темнераіурньїх откликов исследованных усі роіїе і в и их характеристик, выработанные рекомендации применялись и внедрялись в НПО «ШІИИОФИ», п/я B-X5S4, г. Москва, ПО «Электроника», п/я P-66-J4, г. Воронеж.
Регистрирующие устройства на основе ТМП, датчики па основе ЛТП, разработанные во ВНИИОФИ, нашли применение и ГОИ, (Санкт-Петербург), В НИИ газоразрядных приборов (Рязань), к НИЦ лазерных технологий мри Академии наук (Шатура), в К'урчаїовеком институте атомной энергии н в ею филиале (Самара), в Саратовском госупниерситете. Прибор РСИ-60, разработанный во ВНИИОФИ на основе ЛТП, внесен в метрологический реестр.
В Воронежском госуннверентете (НИИ физики) разработан прибор с решет ратором на основе тсрмооптичсскої о иреобраюватсля типа «CdS па слюдяной подложке», посредством которого осуществляется региеірация модовон структуры инфракрасного излучения СОї-лазера и измерение мощности излу-
чспия, а также непрерывный контроль поведения но времени этих харакіери-егмк І ІК-иілучсния.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались па I Всесоюзной конференции по голографии (Тбилиси, 1973), на Всесоюзных конференциях по использованию квантовых генераторов (Ленинград, 1971, 1973), на научных семинарах ВНИИОФИ (Москва, 1971-1991) и кафедры магемаш-ческой физики Воронежского госуниверситета (1974, 1986), на региональном межвузовском семинаре (Воронеж, ВРГУ, 1996).
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 50 работ, в том числе 3 монографии.
Структура и объем работы. Диссертация содержит общую характеристику работы, четыре главы, заключение, приложения, список цитируемой литературы из 125 наименовании Общий объем работы составляет 263 страницы, включая 59 рисунков, 11 таблиц.