Введение к работе
Интенсивное развитие современной оптико-электроники, лазерной техники во многом определяется успехами, достигнутыми при приеме оптического излучения и обработке оптической информации. Роль приемников излучения как важнейшего элемента оптико-электронной аппаратуры неразрушающего и, прежде всего, теплового контроля непрерывно возрастает. Тепловые приемники излучения (ТПИ) предназначены для обнаружения и измерения энергии электромагнитных волн оптического и инфракрасного диапазона путем преобразования ее в другие виды энергии (электрические сигналы: напряжение, ток, период колебаний). В основу работы любого приемника излучения заложено взаимодействие излучения с веществом чувствительного элемента. В ТПИ изменение тех или иных свойств чувствительного элемента вызывается воздействием тепловой радиации.
Тепловые приемники излучения являются неселективными приемниками, в практических реализациях неселективность искажается и определяется характеристиками пропускания материала входного окна и зависимостью коэффициента поглощения поглощающего излучение покрытия.
ТПИ обладают следующими преимуществами:
- неселективность чувствительности в широком спектральном диапазоне;
- простота эксплуатации и возможность работы без охлаждения;
- применяемость в широком спектральном диапазоне оптического излучения от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного участка (субмиллиметровых волн).
В диссертационной работе были разработаны конструкции и исследованы зависимости изменения резонансной частоты кварцевых тепловых приёмников излучения от величины мощности падающего лучистого потока. А также показана возможность измерения мощности лучистых потоков при помощи тепловых приемников излучения, чувствительный элемент которых изготовлен из пьезоэлектрического кварца в виде инвертированной мезаструктуры с нанесенными на его поверхности тонкопленочными электродами, на поверхности которых нанесено покрытие, взаимодействующие с излучением. Разработана технология изготовления таких приемников излучения
Целью данной работы является разработка и исследование тепловых приемников излучения на основе пьезоэлектрического кварца.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:
1 Аналитическое обоснование возможностей создания тепловых приемников излучения на основе пьезоэлектрического кварца.
2 Разработка конструкции и технологического процесса изготовления кварцевых тепловых приемников излучения (КТПИ) на эффекте термочувствительности и радиационно-пьезоупругом эффекте.
3 Экспериментальное исследование основных параметров тепловых приемников излучения на основе пьезоэлектрического кварца на эффектах термочувствительности и радиоционно-пьезоупругом.
В диссертационной работе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные с использованием методов вычислительной математики и компьютерного моделирования в среде MathCAD2001i.
Научная новизна заключается в следующем:
1 Предложено аналитическое выражение, описывающие изменение частотного выходного сигнала КТПИ от величины мощности лучистого потока теплового излучения, облучающего его приемную площадку;
2 Результаты экспериментальных исследований зависимости изменения частотного выходного сигнала КТПИ от мощности облучающего лучистого потока АЧТ при температуре излучающей полости 500 К;
3 Экспериментально исследованы зависимости изменения частотного выходного сигнала КТПИ от изменения температуры источника излучения типа АЧТ в диапазоне температур от 270 К до 1000 К;
4 Получены новые расчетно-экспериментальные зависимости величины механических напряжений, возникающих в тонкопленочной структуре электродного покрытия, нанесенного на поверхность сверхтонкого кварцевого чувствительного элемента в результате внешнего воздействия лучистым потоком;
5 Результаты экспериментальных исследований зависимости изменения интегральной чувствительности КТПИ на основе радиационно-пьезоупругого эффекта от азимутной ориентации чувствительной площадки приемника излучения на поверхности кварцевого чувствительного элемента выполненного в виде ОМС.
Практическая ценность полученных результатов:
-
Разработана методика расчета изменения частотного выходного сигнала от величины мощности излучения, попадающего на поверхность чувствительного элемента КТПИ;
-
Разработана технология жидкостного селективного травления пьезоэлектрического кварца для изготовления кварцевых чувствительных элементов КТПИ;
-
Разработаны и изготовлены экспериментальные образцы кварцевых ТПИ;
-
Разработан пооперационный технологический процесс изготовления КТПИ, на отдельные операции получены патенты РФ (№ 2264029, № 2276453 , № 2287218).
6 На основании результатов исследований разработано два типа устройств: устройство для контроля температуры поверхности микрообъектов; устройство для измерения мощности лазерного излучения светодальномеров электронных тахеометров;
Личный вклад автора:
Личный вклад автора в диссертационную работу определяется общей формулировкой, обоснованием целей и задач исследований, выбором методов и решением задач разработки КТПИ, разработкой и изготовлением опытных образцов, проведения экспериментов и анализа результатов.
Автором разработана конструкция чувствительного элемента КТПИ на основе радиационно-пьезоупругого эффекта и на основе эффекта термочувствительности пьезоэлектрического кварца. Разработаны и изготовлены практические варианты конструкции КТПИ на основе термочувствительности и на основе радиационно-пьезоупругого эффекта.
Достоверность результатов и выводов диссертационной работы подтверждена экспериментальной частью работы, тремя патентами РФ и изготовленными лабораторными образцами тепловых приемников излучения на основе пьезоэлектрического кварца.
Реализация результатов работы:
1 Созданы лабораторные образцы тепловых приемников излучения на основе пьезоэлектрического кварца;
2 На базе лабораторного образца теплового приемника излучения разработана установка для измерения температуры микрообъектов диаметром не более 500 мкм, измерена температура поверхности каталитического слоя термокаталитического газового сенсора ТКС-1;
3 Разработана технология изготовления кварцевых кристаллических элементов в форме инвертированной мезаструктуры. Технология внедрена в производство высокочастотных кварцевых резонаторов ООО НПП «Метеор-Курс», что подтверждается соответствующим актом внедрения;
4 Разработан и изготовлен макет прибора для измерения мощности лазерного излучения дальномера, применяемые в современных геодезических приборах (тахеометрах). Прибор внедрен в Омском филиале сервисного центра ФГУП УОМЗ и ООО «Метрика-сервис», что подтверждается соответствующим актом внедрения.
5 Изготовлены лабораторный стенд исследования КТПИ, внедренный в учебный процесс в ОмГТУ.
6 Разработано и изготовлено устройство теплового контроля поверхностей микрообъектов.
Апробация работы:
Материалы работы докладывались и обсуждались на пятом учебно-методическом семинаре – совещании «Практическое применение контактных и пирометрических средств температурных измерений и метрологического обеспечения»(г. Омск, ОАО НПП «ЭТАЛОН», март 2008г.); на II Всероссийской научно - технической конференции «Россия молодая. Передовые технологии в промышленности»(Омск – 2009г.); на региональной научно-практической конференции «Наука, образование, бизнес ученых, предпринимателей, аспирантов студентов, специалистов промышленности и связи, посвященной дню радио»(Омск – 2009г.); на восьмом учебно-методическом семинаре - совещании «Эталонные и рабочие средства измерения в области теплофизики. Энергоаудит»(г. Омск ОАО НПП «ЭТАЛОН», март 2010г.)
Публикации: основные результаты диссертации отражены в печатных работах: 2 работах в изданиях, вошедших в перечень рекомендуемых ВАК РФ; 2 тезисов докладов на научно-технических конференциях; 3 – патента на изобретение; 5 – в прочих печатных изданиях; одном отчете по НИР.
Автор защищает следующие основные положения:
1 Предложенный в диссертационной работе подход к описанию функции преобразования теплового излучения в изменения частоты КТПИ;
2 Технологический процесс изготовления тепловых приемников излучения на основе пьезоэлектрического кварца;
3 Результаты исследования влияния конструктивно - технологических факторов на чувствительность тепловых приемников излучения на основе пьезоэлектрического кварца.
4 Результаты экспериментальных исследований основных радиационно-частотных характеристик КТПИ.
Структура и объем диссертации:
