Введение к работе
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 AIVBIV, а в частности карбид кремния (SiC), а также селенид и сульфид цинка (ZnSe, ZnS). 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 SiC, ZnS, ZnSe 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 SiC-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 SiC
гетерогенной системы приводит к увеличению коэффициента отражения и
уменьшению коэффициента излучения в видимом диапазоне. Коэффициент
отражения SiC-гетерогенной системы, остается практически постоянным до
1500С, его изменения в зависимости от температуры не превышают 0.01 на
каждые 100С.
-
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 %.
-
Впервые с помощью 6H-SiC- гетерогенной системы, находящийся при температуре 1000С, 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 6H-SiC гетерогенной системы.
Научные положения, выносимые на защиту
-
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.
-
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 1000С.
Внедрение результатов работы
Результаты, полученные в диссертации, являются частью НИР РФФИ грант 13-07-98800 рсевера 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.
