WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Дата размещения “_” 2011 г.

ФИО Фрунзе Александр Вилленович

Название диссертации: «Разработка оптоэлектронного метода измерений температуры двухспектральными

фотодиодами на основе исследования спектральной излучательной способности магнитных, композиционных и тугоплавких

материалов»

Специальность: 01.04.04 – физическая электроника Отрасль наук

и: Технические науки Шифр совета: Д 212.110.08 Тел. ученого секретаря Диссертационного 8-499-141-94-55 совета e-mail: electron_inform@mail.ru Дата защиты диссертации: 16 июня 2011 г.

Место защиты диссертации: Оршанская, 3, ауд.612а

На правах рукописи

ФРУНЗЕ Александр Вилленович

РАЗРАБОТКА ОПТОЭЛЕКТРОННОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ДВУХСПЕКТРАЛЬНЫМИ ФОТОДИОДАМИ НА ОСНОВЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ МАГНИТНЫХ, КОМПОЗИЦИОННЫХ И ТУГОПЛАВКИХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность - 01.04.04 – физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования “МАТИ” – Российском государственном технологическом университете имени К.Э.Циолковского

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Истомина Наталья Леонидовна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Беленький Анатолий Матвеевич кандидат технических наук Щитов Николай Николаевич

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие “НПП “Исток”

Защита состоится “_16” июня 2011 г. в _ часов на заседании диссертационного совета Д212.110.08 при ГОУ ВПО “МАТИ” – Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского (121552, Москва, ул. Оршанская, д. 3, ауд. 612А).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО “МАТИ” – Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского.

Автореферат разослан “_” 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.110. кандидат физико-математических наук М.В.Спыну.





ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Качество и повторяемость характеристик катодов, используемых в процессах молекулярно-лучевой эпитаксии, в системах электронной накачки мощных источников электромагнитного излучения, и т.д., предъявляет жесткие требования как к структуре и составу используемых материалов, так и к соблюдению параметров технологических процессов при их изготовлении. При этом необходимо жестко контролировать большое число параметров технологического цикла, без чего невозможно обеспечить стабильность производства и повторяемость характеристик изготавливаемых материалов и изделий. Поэтому точное измерение температуры, являющейся одним из основных технологических параметров как в технологии изготовления катодов, так и в микроэлектронике в целом, является одной из ключевых проблем. Разнообразие геометрических форм и размеров изделий, физико-химических свойств используемых материалов, различающиеся на порядки скорости течения тех или иных фаз технологического цикла зачастую делает неприменимыми стандартные методы измерений, разработанные и обеспеченные приборными средствами в прошлом веке. В связи с этим развитие твердотельной электроники, а также микросистемной техники невозможно без параллельного совершенствования методов и средств измерений.

Среди традиционно используемых в массовом производстве методов неразрушающего контроля оптические методы пользуются неоспоримым преимуществом в силу бесконтактного воздействия, локальности, быстродействия.

Измерители температуры, реализующие оптоэлектронные методы, принято называть инфракрасными термометрами или пирометрами. Наиболее распространенными оптоэлектронными бесконтактными измерителями температуры в настоящий момент являются пирометры с одиночным приемником излучения. К их главным достоинствам относятся относительно невысокая стоимость и возможность измерять низкие температуры, вплоть до отрицательных. Подобные приборы подробно описаны в классических работах У. Гаррисона, П. Линевега, Д. Я. Света, А. А. Поскачея. Однако они характеризуются очень существенным недостатком: точность измерения таким прибором зависит от правильности установки корректирующего коэффициента, связанного с излучательной способностью поверхности измеряемого объекта. А она чаще всего неизвестна или измерена с очень большой погрешностью, что зачастую приводит к недопустимо большой погрешности измерений.

Возможность перехода к более прогрессивным и экономически целесообразным методам контроля параметров технологических процессов, в том числе происходящих в высокотемпературной газоразрядной плазме при очистке и термообработке изделий, связана с изменением парка измерительных приборов, комплектованием его новейшими средствами измерительной микропроцессорной техники. Успехи в этой области обусловлены развитием полупроводниковых фотодиодов на основе гетероструктур, в основе которых лежат работы Нобелевского лауреата Ж. И. Алферова. Эти фотодиоды нашли широкое применение в пирометрах спектрального отношения. Они имеют обычно 2 приемника излучения с различной спектральной чувствительностью, и температура объекта определяется по отношению сигналов, вырабатываемых этими приемниками.





В последние годы большое распространение получили оптоэлектронные приборы с двумя фотодиодными приемниками излучения, расположенными один поверх другого, при этом верхний фотодиод прозрачен в диапазоне спектральной чувствительности нижнего. Такие структуры получили название двухспектральных фотодиодов (ДСФ). Использующие их приборы лишены главного недостатка приборов, основанных на одиночном приемнике – для измерения температуры объекта они не нуждаются в знании его излучательной способности.

Существуют препятствия на пути использования ДСФ: до сих пор не найдены аналитические зависимости от, пригодные для любых объектов при любых температурах, удовлетворяющие требуемой точности (особенно в спектральном диапазоне от 0,2 до 2 мкм); не получено аналитическое выражение погрешности использующего ДСФ метода измерения температуры объектов с зависящей от длины волны излучательной способностью (“несерых тел”).

Недавние исследования показали, что у ряда материалов, используемых при изготовлении вакуумных сплавных катодов, работа выхода в сплаве ниже работы выхода каждого из материалов в отдельности. Измерение работы выхода, являющейся одним из ключевых параметров исходного материала для катода, неразрывно связано с измерением температуры образца, что в серийно выпускаемых вакуумных изделиях требует применения бесконтактных методов измерения температуры. Однако большинство материалов, используемых при создании таких катодов (молибден, вольфрам и т.д.) являются типичными “несерыми телами”, что переводит задачу измерения температуры таких композитных материалов ДСФ с учетом спектральной излучательной способности в разряд весьма актуальных. Решение этой задачи позволит выявить особенности протекания технологических процессов формирования композитных вакуумных катодных структур и повысит качество эксплуатационных характеристик формируемых изделий.

В настоящее время решением задачи снижения систематической погрешности, возникающей в пирометрах спектрального отношения с ДСФ при измерении температуры объектов с зависящей от длины волны излучательной способностью, практически никто не занимается. Все исследования сейчас сконцентрировались в области измерения температуры при помощи спектрометров, т.е. с использованием всего спектра, излучаемого нагретым объектом. В результате проблема повышения выхода годных изделий за счет снижения систематической погрешности измерений температуры “несерых тел” пирометрами на основе ДСФ до сих пор остается актуальной для электронной промышленности.

Решение задачи видится в объединении знаний физики полупроводников и диэлектриков, методологии оптико-физических измерений, вычислительной техники и метрологии.

Целью настоящей работы явились разработка метода повышения точности измерений широкополосными двухспектральными фотодиодными пирометрами температуры материалов, используемых в ионно-лучевых технологиях, на основе исследования зависимости их спектральной излучательной способности от длины волны.

Основные задачи

исследований Установить закономерности влияния спектральной излучательной способности и спектральной чувствительности каждого из элементов ДСФ s на методическую погрешность измерения температуры “несерых тел” с использованием ДСФ.

Построить и исследовать физическую модель температуры спектрального отношения объекта измерения как функции спектральной чувствительности фотодиодных приемников излучения s, спектральной излучательной способности объекта измерения и температуры объекта Т.

3. Разработать метод снижения методической систематической погрешности измерений температуры материалов для ионнолучевых технологий с использованием пирометров спектрального отношения, выполненных на основе широкополосных ДСФ.

Разработать и создать специализированное оптоэлектронное средства измерений для определения (в том числе в цеховых условиях) спектральной излучательной способности нагретых объектов, реализующее метод.

Научная новизна 1. Установлены закономерности влияния спектральной излучательной способности и спектральной чувствительности каждого из элементов ДСФ s на методическую погрешность измерения температуры “несерых тел” с использованием ДСФ.

2. Разработан алгоритм решения задачи измерения температуры “несерого тела” пирометром спектрального отношения, выполненным на основе широкополосного ДСФ.

3. Получены важные аналитические и численные оценки для найденного решения задачи измерения температуры “несерого тела” пирометром спектрального отношения, выполненным на основе широкополосного ДСФ.

4. Разработан метод повышения точности измерений температуры “несерого тела” пирометром спектрального отношения, выполненным на основе широкополосного ДСФ.

Произведен метрологический анализ метода, теоретически предсказаны и экспериментально определены предельные возможности метода по границам применимости и уровню минимизации систематической погрешности измерений.

Практическая значимость работы 1. Разработана методика измерения температуры объектов с зависящей от длины волны излучательной способностью пирометрами спектрального отношения на основе широкополосных ДСФ.

2. Установлена связь между остаточной погрешностью, нескомпенсированной при измерениях температуры разрабатываемым методом, и точностью измерения спектральных характеристик чувствительности элементов ДСФ.

3. Разработано, создано и исследовано специализированное оптоэлектронное средство измерений для определения спектральной излучательной способности материалов для ионно-лучевых технологий, температура которых лежит в пределах до 3000 С.

4. Применение метода измерений температуры ДСФ для композитных материалов расширяет инструментальную базу для решения задач физической электроники при создании катодов из молибдена, вольфрама и других тугоплавких материалов, которые являются типичными “несерыми телами”.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Алгоритм решения задачи измерения температуры “несерого тела” пирометром спектрального отношения, выполненным на основе широкополосного ДСФ.

2. Полученные важные аналитические и численные оценки для найденного решения задачи измерения температуры “несерого тела” пирометром спектрального отношения, выполненным на основе широкополосного ДСФ.

3. Обоснование предельных возможностей метода по границам применимости и уровню минимизации систематической погрешности измерений.

4. Разработанное, созданное и исследованное специализированное оптоэлектронное средство измерений для определения спектральной излучательной способности материалов для ионнолучевых технологий, температура которых лежит в пределах до Апробация работы Основные материалы, представленные в диссертации, были доложены и обсуждены на:

- Третьем Всероссийском научно-техническом семинаре “Метрологическое обеспечение в области неразрушающего контроля”, 2002 г.;

- Научной сессии МИФИ-2002;

- 15-й Всероссийской конференции “Фотометрия и ее метрологическое обеспечение”, 2005 г.;

- 4-й международной научно-практической конференции “Печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии и машиностроении”, г.;

- 18-й Всероссийской конференции “Фотометрия и ее метрологическое обеспечение”, 2009 г.

- на семинарах во ФГУП ВНИИОФИ, НИТУ “МИСиС”.

Основные научные и практические результаты диссертации изложены в более 15 печатных работах.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Общий объем составляет 214 страниц печатного текста, в т.ч. 63 рисунка, 55 страниц приложений, список литературы состоит из 133 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель работы, определены основные научно-технические задачи, решаемые в диссертации. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1 посвящена анализу существующих бесконтактных оптоэлектронных методов измерения температуры и путей их совершенствования. Проанализированы определения, которые даны этим методам в наиболее значимых трудах по температурным измерениям, и показано, что между этими определениями существуют значительные разногласия. Поэтому в работе переопределены и обобщены эти методы таким образом, чтобы они в максимальной степени были близки по сути к вышеупомянутым определениям в классических трудах.

Показано, что любой из рассмотренных методов является разновидностью одного из трех обобщенных методов – цветовой пирометрии, энергетической пирометрии и пирометрии спектрального отношения.

Далее показано, что метод пирометрии спектрального отношения, основанный на анализе сигналов от двух приемников излучения с различающимися спектральными характеристиками, имеет неоспоримое преимущество перед остальными методами, поскольку он обладает важнейшим для современной метрологии свойством – прослеживаемостью к первичному эталону единицы температуры, в то время как остальные методы такого важного свойства лишены.

Отмечено, что погрешность, возникающая при измерении температуры “несерого тела” пирометром спектрального отношения с приемниками на основе ДСФ, порождаемая зависимостью спектральной излучательной способности тела от длины волны теплового излучения, является методической систематической погрешностью.

Показано, что упомянутая методическая систематическая погрешность является серьезным препятствием к расширению границ использования метода пирометрии спектрального отношения. Эта погрешность на полтора-два порядка больше достигнутого к настоящему моменту в практической пирометрии типичного значения инструментальной погрешности (от 0,2...0,3 до 1%). Поэтому в работе сделан вывод о том, что дальнейшее совершенствование метода пирометрии спектрального отношения должно быть направлено на снижение систематической методической погрешности, возникающей при измерении температуры “несерых тел” пирометрами спектрального отношения с приемниками на основе ДСФ.

В Главе 2 описан разработанный в настоящей диссертации метод снижения методической систематической погрешности, возникающей при измерении температуры “несерых тел” пирометрами спектрального отношения, в том числе на основе широкополосных ДСФ структуры Si/Si и Si/InGaAs. Для реализации метода пирометр спектрального отношения с ДСФ калибруют по МЧТ в соответствии с разработанной для него производителем методикой калибровки.

После этого определяют (путем измерений или из иных источников) спектральную излучательную способность измеряемого объекта и спектральные характеристики приемников излучения. Затем численно или аналитически определяют зависимость температуры спектрального отношения, характеризующей измеряемый объект, от действительной температуры объекта. После нахождения этой зависимости проводят процедуру параметризации зависимости действительной температуры объекта от вычисленной температуры спектрального отношения, т.е. находят коэффициенты аппроксимирующего полинома степенью не ниже 4-й. И в завершении с помощью вычисленной функциональной зависимости корректируют результаты измерения пирометром температуры измеряемого объекта.

Поскольку связь между температурой спектрального отношения, получаемой пирометром с широкополосными двухспектральными фотодиодами структуры Si/Si и Si/InGaAs, и действительной температурой объекта отсутствовала, в ходе выполнения работы была построена физическая модель, позволяющая установить эту связь.

Далее в гл. 2 описана построенная физическая модель. Определение температуры спектрального отношения осуществляют в три этапа.

Вначале производят вычисление градуировочной характеристики пирометра. В диссертации показано, что она определяется следующим образом:

Здесь L(T) – спектральная плотность энергетической яркости МЧТ, [Втм3ср]; s – спектральная чувствительность фотодиода (коротковолнового или длинноволнового), [А/Вт]; 1к, 2к, 3д, 4д – нижняя и верхняя границы спектральной чувствительности коротковолнового и длинноволнового фотодиодов соответственно, [м].

Вычисления согласно (1) проводят для значений температур от 600С до 3000С с шагом 1С.

Затем для значений температур от 600С до 3000С с шагом 10С определяют значения спектрального отношения, получаемые при измерении объекта с выбранной :

Получаемые при вычислениях в соответствии с (2) значения Qобъекта (Т) используют в качестве аргумента при нахождении функции, обратной (1). При этом, как показано в диссертации, полученными значениями этой расчетной функции являются значения температуры спектрального отношения.

Вычисления проводились для двух типов наиболее распространенных в настоящее время двухспектральных фотодиодов. Первый – двуслойный приемник структуры кремний-кремний, верхний слой которого чувствителен к излучению в коротковолновой области спектра, и прозрачен для длинноволновой, в то время как нижний слой чувствителен к длинноволновой области спектра.

Второй – двуслойный приемник на основе разных материалов – кремния и арсенида галлия.

В качестве излучающих объектов в вычислениях использовались такие металлы, как Fe, Ni, Cu, Ag, Co. Спектральные излучательные способности этих металлов взяты из литературных источников.

Краткие результаты проведенных в гл. 2 вычислений сведены в табл. 1.

На основании этих результатов сделаны следующие выводы.

- Для всех вышеупомянутых материалов температуры спектрального отношения как для пирометров с Si/Si-приемником, так и с приемником на Si/InGaAs, ведут себя схожим образом. Во всех случаях результаты измерений будут завышены. При этом для Fe, Ni и особенно Co, характеризующихся не очень крутым спадом с ростом, завышения при 1500С не превышают 150С, в то время как для Ag, и особенно Cu завышения в 3-5 раз больше. Последнее обусловлено более сильным ослаблением сигнала длинноволнового приемника у Ag и Cu.

- С точки зрения минимизации погрешности измерений, обусловленной непостоянством, оба рассматриваемых типа приемников (Si/Si и Si/InGaAs) сопоставимы друг с другом, поскольку характеризуются, как это следует из табл. 1, погрешностями измерений, различающимися не более чем в полторадва раза, и при этом в одних случаях погрешность меньше у приемника Si/Si, а в других у Si/InGaAs.

Таблица 1. Разность между вычисленными значениями температуры спектрального отношения и действительными значениями температуры объектов.

T,°C диссертации сравнением с вариантом, допускающим аналитическое решение.

Известно, что установить аналитическую связь между температурой спектрального отношения и действительной температурой объекта возможно для случая, когда приемники излучения характеризуются бесконечно узкими диапазонами спектральной чувствительности. Связь эта может быть найдена путем интегрирования соотношения Вина.

Сравнительные вычисления были проведены для температур объекта от 600 до 2600С с шагом 200С. Результаты сравнения приведены в табл. 2. Во второй строке табл. 2 приведены результаты аналитического расчета (результат считался интегрированием соотношения Вина). В третьей и четвертой строках приведены результаты численного расчета согласно разработанной физической модели, причем как с использованием в расчете формулы Планка (третья строка), так и формулы Вина (четвертая строка). В численной модели использовались спектральные полосы пропускания приемников с центрами при 1=0, мкм, 2=1,034мкм и шириной (по уровню 0,5) 10 нм, а также линейно спадающая зависимость, причем (0,88) / (1,034) = 1,1.

Таблица. 2. Сопоставление результатов численных вычислений и аналитического расчета.

Аналит. расчет, С 630,9 847 1066,8 1290,2 1517,3 1748 1983,2 2221,1 2465,2 2712,6 2964, Как видно из табл. 2, в диапазоне температур объекта от 600 до 1800С расхождения между аналитическим и численными вычислениями нет. После 1800С результаты численных вычислений и аналитического расчета начинают расходиться, причем, как и следовало ожидать, вычисления с использованием планковского соотношения расходятся больше, чем с соотношением Вина.

Заметным расхождение становится в двух последних столбцах, достигая 0,33-0,5% при температуре 2400С и 0,46-0,62% при температуре 2600С. В диссертации показано, что причиной является использование в вычислениях спектральных полос конечной ширины. Таким образом, во второй главе описаны:

- созданный в ходе выполнения работы метод снижения методической систематической погрешности, возникающей при измерении температуры “несерых тел” пирометрами спектрального отношения с приемниками на основе широкополосных двухспектральных фотодиодов;

- созданная физическая модель, необходимая для реализации упомянутого метода, которая позволяет определить температуру спектрального отношения при известной зависимости от длины волны спектральной излучательной способности измеряемого объекта и известных спектральных характеристиках каждого из компонентов двухспектрального фотодиода.

Адекватность модели подтверждена полным совпадением результатов как численных вычислений, так и аналитического расчета при определении температуры спектрального отношения для пирометров с узкими (подобными) характеристиками чувствительности приемников.

Глава 3 посвящена экспериментальному исследованию возможностей снижения методической систематической погрешности измерений температуры “несерых тел” пирометрами на основе широкополосных двухспектральных фотодиодов для случая, когда спектральная излучательная способность “нсерого тела” измерена с погрешностью не более 2%.

С этой целью в диссертации предложено в качестве “несерых тел” с известной спектральной излучательной способностью использовать “черное тело” с устанавливаемыми перед ним светофильтрами, спектральное пропускание которых измерено с погрешностью не хуже 2%. При этом температура “черного тела” известна обычно с погрешностью до 1С, само “черное тело” характеризуется малой неравномерностью температуры в плоскости выходного окна и наличием стабилизатора температуры. Измерения спектральных характеристик пропускания от для цветных стекол характеризуются высокой точностью (1-2%) и простотой. Таким образом, использование “черного тела” и с цветными светофильтрами как по простоте реализации эксперимента, так и по точности, воспроизводимости и стабильности поддержания исходных данных для экспериментального исследования разработанного в диссертации метода, гораздо удобнее, чем измерение нагретых образцов различных материалов.

Очевидно, что спектральные характеристики стекол НС-8 и СЗС-15 (рис.

1) похожи на типичные зависимости от для материалов для ионно-лучевых технологий. Таким образом, пара МЧТ-цветной светофильтр идентична по излучению объекту, которого совпадает с используемого светофильтра.

Вычисление температуры спектрального отношения осуществлялось согласно модели, описанной в гл. 2, для приемника Si/Si.

Результаты, полученные с использованием описанной выше физической модели определения температуры спектрального отношения, представлены в численном виде.

Показано, что для всех трех рассматриваемых случаев скорректированное значение температуры излучателя Тизл как функция температуры спектрального отношения Тсп.от. может быть описана полиномом:

при этом степень полинома определяется из условия, что погрешность параметризации не должна превышать 0,1%.

Проведенное математическое моделирование показало, что погрешность параметризации не превышает 0,1% при использовании полиномов 4-й степени:

Тизл = с0 + с1*(Тсп.от.) + с2*(Тсп.от.)2 + с3*(Тсп.от.)3 + с4*(Тсп.от.)4, (4) а вычисленные коэффициенты с0 - с4 равны:

с0 = 7,1711; с1 = 9,481310-1; с2 = - 1,419010-4; с3 = 3,080310-8; с4 = - 3,124610-12;

с0 = - 6,1816; с1 = 1,0176; с2 = - 2,218410-4; с3 = 4,489010-8; с4 = - 4,161310-12;

с0 = - 1,0997; с1 = 1,0215; с2 = - 1,472210-5; с3 = 3,460510-8; с4 = 3,943610-12.

Результаты измерений пирометром спектрального отношения “ДИЭЛТЕСТ” температуры излучателей на основе упомянутых пар МЧТ+светофильтр при температурах МЧТ от 800 до 2000С с шагом 100С приведены в табл. 3-5, при этом скорректированные значения температуры Тскорр в пятых столбцах таблиц являются значениями Тизл, вычисленными в соответствии с (4).

Рис. 1 – Спектральные характеристики пропускания стекол НС-6, СЗС- и ПС-8 (измерено на спектрофотометре Carry 500 фирмы Varian).

Таблица 3. Результаты измерения пирометром температуры излучателя (МЧТ+НС-6) Тизл, С Тизмер, С Отн.откл., % Тскорр, С Отн.откл., % Таблица 4. Результаты измерения пирометром температуры излучателя МЧТ+СЗС- Тизл, С Тизмер, С Отн.откл., % Тскорр, С Отн.откл., % Таблица 5. Результаты измерения пирометром температуры излучателя МЧТ+ПС- Тизл, С Тизмер, С Отн.откл., % Тскорр, С Отн.откл., % На основании проведенных измерений и вычислений сделаны выводы:

- при наличии зависимости от, определенной с погрешностью не хуже 1-2%, коррекция результатов измерений в соответствии с (4) позволяет повысить точность измерений температуры примерно на порядок. Уровень методической погрешности результата измерений после коррекции составляет менее 1% для излучателя МЧТ+ПС-8, на уровне 1-2% для МЧТ+НС-6 и на уровне 2для МЧТ+СЗС-15. Эти погрешности сопоставимы со значениями инструментальной погрешности большинства используемых в промышленности пирометров спектрального отношения (от 0,3-0,4% до 1-1,5%);

- при вычислении температуры спектрального отношения в качестве исходных выбирались усредненные спектральные характеристики широкополосных двухспектральных фотодиодов. Для более точных измерений необходимо в вычислениях использовать не усредненные характеристики, а реальные характеристики применяемого двухспектрального фотодиода.

Глава 4 посвящена определению зависимости спектральной излучательной способности от. Возможность ее нахождения для любого материала, измерение температуры которого будет востребовано, – ключевой момент разработанного в диссертации метода повышения точности измерений температуры “несерых тел” пирометрами спектрального отношения на основе широкополосных двухспектральных фотодиодов.

Показано, что литературные источники не обеспечивают нужной полноты информации. В литературе можно найти зависимости от всего для трех десятков металлов, причем только для полированных поверхностей.

В диссертации рассмотрены методы, при помощи которых определяют зависимость от. Показано, что ни один из них не ориентирован на нахождение этой зависимости в цеховых условиях. Показано, что специализированные средства измерений для нахождения этой зависимости отсутствуют.

В диссертации предложено создать такое средством измерений на основе быстродействующего спектрометра низкого разрешения, в памяти которого должны храниться результат измерения этим прибором спектра излучения МЧТ при высокой температуре и ее значение. Сформулированы требования к характеристикам спектрометра, оптической схеме, узлам электроники, алгоритму работы программного обеспечения.

Описано разработанное и изготовленное в процессе выполнения работы специализированное оптоэлектронное средство измерений спектральной излучательной способности, в настоящее время не имеющее аналогов. Оно представляет собой спектрометр на основе сферической дифракционной решетки и быстродействующего цифрового манипулятора. Электроника средства измерений выполнена с использованием микропроцессора, управляющего манипулятором, осуществляющего преобразование измеренного сигнала в цифровой код и передающего данные по последовательному каналу в персональный компьютер. Для регистрации оптического излучения в приборе использованы фотодиод ФД-7К и усилитель-преобразователь фототока в напряжение с собственными шумовыми характеристиками менее 0,1 пА.

Для калибровки по шкале длин волн были использованы узкополосные светофильтры с центрами полос пропускания 448, 544, 554, 600, 652, 722 и нм. В диссертации показано, что связь между длиной волны света, попадающего на фотоприемник средства измерений, и длительностью импульса управления манипулятором – линейная, с погрешностью менее 0,2%.

Изготовленное специализированное оптоэлектронное средство измерений (рис. 2) было использовано в эксперименте, содержащем все этапы решения основной задачи диссертации:

1. С помощью описанного средства измерения измерена зависимость от “несерого тела” – вольфрамового тела накаливания температурной лампы ТРУ1100-2350 (см. рис. 3);

2. Осуществлено измерение температуры тела накаливания температурной лампы ТРУ1100-2350 пирометром спектрального отношения “ДИЭЛТЕСТ” при токах через лампу, соответствующих яркостным температурам 1000С, 1200С, 1400С, 1600С, 1800С, 2000С;

3. Определены действительные температуры тела накаливания лампы по яркостным температурам с учетом имеющихся литературных данных об излучательной способности вольфрама при длине волны 0,65 мкм;

4. С учетом измеренной в эксперименте зависимости от для тела накаливания лампы определены значения температуры спектрального отношения в диапазоне действительных температур от 600 до 2400С;

5. В соответствии с разработанным методом осуществлена коррекция результатов измерений пирометром спектрального отношения температуры тела накаливания лампы.

Эксперимент показал, что реализация разработанного метода с использованием изготовленного оптоэлектронного средства измерения спектральной излучательной способности позволила снизить погрешность измерения с 15…20% до 5,3…6,6%.

Таким образом, в работе экспериментально подтвержден весь комплекс технических решений, составляющих разработанный в диссертации метод повышения точности измерений температуры “несерых тел” широкополосными пирометрами спектрального отношения.

Рис. 2 – Специализированное средство из- Рис. 3 – Зависимость от для мерений спектральной излучательной тела накаливания лампы

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие результаты:

1. Разработан метод повышения точности измерений широкополосными двухспектральными фотодиодными пирометрами температуры материалов, используемых в ионно-лучевых технологиях, на основе исследования зависимости их спектральной излучательной способности от длины волны.

2. Разработан алгоритм решения задачи измерения температуры “несерого тела” пирометром спектрального отношения, выполненным на основе широкополосного ДСФ.

3. Получены важные аналитические и численные оценки для найденного решения задачи измерения температуры “несерого тела” пирометром спектрального отношения, выполненным на основе широкополосного ДСФ.

4. Обоснованы предельные возможности метода по границам применимости и уровню минимизации систематической погрешности измерений.

Разработано, создано и исследовано специализированное оптоэлектронное средство измерений для определения спектральной излучательной способности материалов, используемых в ионно-лучевых технологиях, температура которых лежит до 3000 С.

6. По результатам работы разработана, утверждена директором ФГУП “ВНИИОФИ” и внесена в Государственный Реестр методик измерений “Методика измерения температуры объектов с зависящей от длины волны излучательной способностью пирометрами спектрального отношения”.

Применение разработанной “Методики измерения температуры объектов с зависящей от длины волны излучательной способностью пирометрами спектрального отношения” позволило оптимизировать процессы плавки и разливки высокотемпературных сплавов на основе платины и палладия, а также железноникелевых сплавов, значительно повысив выход годной продукции.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Фрунзе А.В. Повышение точности измерений широкополосными пирометрами спектрального отношения температуры металлов // Приборы – 2010.

-№12 – С.23- 2. Фрунзе А.В. Расчетный метод определения температуры спектрального отношения //Измерительная техника – 2010. - №6 – С.39- 3. Фрунзе А.В. Измерение температуры материалов пирометрами спектрального отношения и их коррекция // Металлообработка. 2009. № 5. С.40-42.

4. Фрунзе А.В. О коррекции показаний пирометров спектрального отношения при измерении температуры “несерых” тел. // Литейщик России. 2009.

№11. С.43-46.

5. Самойлов М.Л., Фрунзе А.В. Повышение точности измерений температуры “несерых тел” широкополосным пирометром спектрального отношения //Метрология – 2010. - №6 - С. 6. Фрунзе А.В. Пирометры “ДИЭЛТЕСТ” //Измерительная техника – 1998. - №1 – С.40- 7. Фрунзе А.В., Новые пирометры ДИЭЛТЕСТ для металлообработки // Металлообработка – 2007. - №4 – С.33-37.

8. Фрунзе А.В. Пирометры ДИЭЛТЕСТ для литейного производства // Литейщик России. 2006. №10. С.38-42.

9. Фрунзе А.В. Пирометры ДИЭЛТЕСТ // Датчики и системы. 2006. №12.

С.50-54.

Патенты, статьи, монографии, материалы конференций 10. Патент № 2253845 (Российская федерация). Многоканальный радиационный пирометр. Фрунзе А.В. Заявл. 23.12.2003.

11. Фрунзе А.В. Пирометры спектрального отношения: преимущества, недостатки и пути их устранения //Фотоника – 2009. -№ 4 – С.32-37.

12. Фрунзе А.В. Микроконтроллеры? Это же просто! Т.1, Т.2 – М.: ООО ”ИД СКИМЕН”, 2002.

13. Фрунзе А.В. Микроконтроллеры? Это же просто! Т.4. – М.: ДодэкаХХI, 2008. – 464 с.

14. Фрунзе А.В. Повышение точности измерений пирометрами спектрального отношения температуры металлов //Труды V международной научно-практической конференции “Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология. Безопасность технологических процессов”, 2010. Том “Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования” – С. 333-343.

15. Фрунзе А.В. Расчетный метод определения температуры спектрального отношения //Тезисы докладов XVIII всероссийской конференции “Фотометрия и ее метрологическое обеспечение”. – ФГУП ВНИИОФИ, 2009. - С. 40Фрунзе А.В. К вопросу об экспериментальном подтверждении расчетного метода определения температуры спектрального отношения //Тезисы докладов XVIII всероссийской конференции “Фотометрия и ее метрологическое обеспечение”. – ФГУП ВНИИОФИ, 2009. - С. 37.



 
Похожие работы:

«СОЛДАТОВ Михаил Александрович ПРИМЕНЕНИЕ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛОКАЛЬНОЙ АТОМНОЙ И ЭЛЕКТРОННОЙ СТРУКТУР ВОДНЫХ РАСТВОРОВ АЦЕТОНИТРИЛА И ИОНОВ КОБАЛЬТА, МАЛЫХ НАНОКЛАСТЕРОВ ПАЛЛАДИЯ И ДИГИДРОКСИ 2,2’-ДИПИРИДИНА ЗОЛОТА Специальность: 01.04.07 - физика конденсированного состояния Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Ростов-на-Дону - 2012 Актуальность темы Научный прогресс последних десятилетий предлагает всё...»

«Афанасьев Антон Евгеньевич СОЗДАНИЕ АТОМНЫХ МИКРОСТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КВАЗИРЕЗОНАНСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. Специальность: 01.04.05 – Оптика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико – математических наук Москва – 2010 Работа выполнена на кафедре квантовой оптики Московского Физико–Технического Института (Государственного университета). Научный...»

«Говоркова Татьяна Евгеньевна Эффекты гибридизации электронных состояний примесей переходных металлов в низкотемпературных свойствах селенида ртути 01.04.07 – физика конденсированного состояния 01.04.10 – физика полупроводников Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Екатеринбург – 2010 Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте физики металлов Уральского отделения Российской Академии наук. Научный...»

«Хазем Махмуд Али Дарвиш ИССЛЕДОВАНИЕ БОЗЕ-КОНДЕНСАЦИИ КУПЕРОВСКИХ ПАР В РЕШЕТКАХ МЕТАЛЛОКСИДОВ МЕДИ МЕТОДОМ ЭМИССИОННОЙ МЕССБАУЭРОВСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ (Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Cанкт-Петербург 2003 Работа выполнена на кафедре экспериментальной физики СанктПетербургского государственного политехнического университета. Научный руководитель : доктор...»

«Работа выполнена в Институте прикладной физики Российской академии наук (г. Нижний Новгород) Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук, ЗАЙЦЕВ Николай Иванович Соминский Геннадий Гиршевич; доктор технических наук Яландин Михаил Иванович; ГЕНЕРАЦИЯ И УСИЛЕНИЕ МУЛЬТИМЕГАВАТТНЫХ МИКРОСЕКУНДНЫХ СВЧ ИМПУЛЬСОВ. доктор физико-математических наук Денисов Григорий Геннадиевич 01.04.04 – физическая электроника Ведущая организация : Институт общей физики РАН Защита...»

«Комаров Денис Александрович КИСЛОРОДНЫЕ МЕТАБОЛИТЫ В ИММУННОМ ОТВЕТЕ НАСЕКОМЫХ 01.04.17 – химическая физика, в том числе физика горения и взрыва АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук Новосибирск 2008 Работа выполнена в Институте химической кинетики и горения Сибирского отделения Российской академии наук Научные руководители: кандидат химических наук...»

«Чижов Юрий Владимирович МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФОТОЭЛЕКТРОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ И РАСЧЕТЫ МЕТОДОМ ТЕОРИИ ФУНКЦИОНАЛА ПЛОТНОСТИ -КОМПЛЕКСОВ ХРОМА И ЖЕЛЕЗА Специальность 01.04.17 – химическая физика, в том числе физика горения и взрыва АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Уфа – 2009 Работа выполнена в Федеральном Государственном Образовательном Учреждении Высшего Профессионального Образования Санкт-Петербургский Государственный Университет...»

«УДК 535.372: 535.338.332 Вандюков Евгений Александрович СПЕКТРОСКОПИЯ АРОМАТИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ Специальность 01.04.05 Оптика Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук г. Санкт-Петербург 2003 г. Работа выполнена в Федеральном Государственном унитарном предприятии научнопроизводственном объединении Государственный институт прикладной оптики Официальные оппоненты : Доктор физико-математических наук,...»

«Дунин-Барковский Петр Игоревич Пространства модулей кривых в теории струн и топологических теориях поля Специальность 01.04.02 теоретическая физика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва 2014 УДК...»

«КОРОТИН Дмитрий Михайлович Кулоновские корреляции и искажения кристаллической решетки, связанные с орбитальным и зарядовым упорядочением 01.04.07 – физика конденсированного состояния АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Екатеринбург – 2011 Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Ор­ дена Трудового Красного Знамени Институте физики металлов УрО РАН, г. Екатеринбург. Научный руководитель : – доктор...»

«Одиноков Алексей Владимирович Потенциалы средней силы, функции распределения и константы ассоциации ионных пар в бинарной смеси растворителей 01.04.17 – Химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва – 2011 Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Центр Фотохимии РАН. Научный руководитель : доктор химических наук, профессор, Базилевский...»

«Исаенкова Маргарита Геннадьевна ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЙ ТЕКСТУРЫ И СУБСТРУКТУРНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ В ЦИРКОНИЕВЫХ СПЛАВАХ ПРИ ДЕФОРМАЦИОННОМ И ТЕРМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИЯХ Специальность: 01.04.07 – Физика конденсированного состояния АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Автор _ Москва – 2011 Работа выполнена в Национальном исследовательском ядерном университете МИФИ Консультант: доктор физико-математических наук,...»

«ВАСЕНИН СЕРГЕЙ ГЕННАДЬЕВИЧ ФОРМИРОВАНИЕ ЭКРАНИРУЮЩЕГО СЛОЯ И ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА ЭНЕРГИИ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ИНТЕНСИВНЫХ ПОТОКОВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ С ТВЕРДОТЕЛЬНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ 01.04.08 – физика плазмы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук Москва - 2008 Работа выполнена в Государственном научном центре РФ Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований Научный руководитель : Сафронов с.н.с., кандидат...»

«ВАСИЛЕНКО Ольга Николаевна Методы и средства многопараметровой магнитной структуроскопии изделий с использованием составных разомкнутых магнитных цепей 01.04.11 – физика магнитных явлений АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Екатеринбург - 2014 Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Ордена Трудового Красного Знамени Институте физики металлов Уральского отделения Российской академии...»

«ПРОНКИНА Наталия Дмитриевна ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ МУЛЬТИПОЛЬНЫХ РЕЗОНАНСОВ ФОТОИ ЭЛЕКТРОВОЗБУЖДЕНИЯ ЯДЕР С НЕЗАМКНУТЫМИ sd-ОБОЛОЧКАМИ 01.04.16 – физика атомного ядра и элементарных частиц АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук МОСКВА – 2005 Работа выполнена на кафедре общей ядерной физики...»

«РОГАЧЁВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГОРЕНИЯ СТРУКТУРНО НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД ПРИ ФИЛЬТРАЦИОННОМ ПОДВОДЕ АКТИВНЫХ ГАЗОВ Специальность 01.04.17 — химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Черноголовка – 2013 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте структурной макрокинетики и проблем...»

«КОПЫЛ Павел Владимирович ВОСПЛАМЕНЕНИЕ И СТАБИЛИЗАЦИЯ ГОРЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА В ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКАХ В УСЛОВИЯХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ 01.04.08 – физика плазмы Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва – 2014 Работа выполнена на кафедре физической электроники физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова Научный руководитель : доктор...»

«Кудрин Алексей Владимирович ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА СЛОЕВ МАГНИТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ InMnAs, GaMnAs И ПОЛУМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ MnAs, MnP 01.04.10 – физика полупроводников АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико – математических наук Нижний Новгород – 2009 Работа выполнена в Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского Научный руководитель : кандидат физико – математических наук, старший научный сотрудник Данилов Юрий...»

«АСАТОВ УРОЛБОЙ ТАШНИЯЗОВИЧ УДК 539 12.043 РАССЕ:ЯНИЕ ТОРМОЗНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ С ЭНЕРГИЯМИ 13 И 22 МЭВ ОТ ПЛОСКИХ МИШЕНЕЙ 01.04.16 — физика атомного ядра и элементарных частиц АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук,.33/48 ТАШКЕНТ - 2002 г. Работа выполнена в Самаркандском государственном университете им. А. Навои и НИИ прикладной физики...»

«Александрин Сергей Юрьевич ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ И ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛОКАЛЬНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ПОТОКА ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ ПОД РАДИАЦИОННЫМ ПОЯСОМ ЗЕМЛИ. Специальность 01.04.16 – Физика ядра и элементарных частиц АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Автор Москва, 2010 Работа выполнена в Национальном исследовательском ядерном университете МИФИ. Научный руководитель : кандидат физико-математических наук, доцент Колдашов...»






 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.