ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
536.2.083
Погрешности измерения температуропроводности импульсным методом, вызванные случайными флуктуациями формы лазерного импульса
С. М. ПЕРЕВОЗЧИКОВ, Л. Д. ЗАГРЕБИН
Ижевский технический университет, e-mail: psm@istu.ru
Проведена экспериментальная оценка погрешностей измерения температуропроводности импульсным методом, вызванных случайными изменениями временного распределения излучения импульсного лазера.
Ключевые слова: теплопередача, температуропроводность, теплоемкость, импульсный метод.
Experimental evaluation of thermal diffusivity errors by pulsed method caused casual fluctuations of temporary sharing a radiating of pulsed laser is carried out.
Key words: heat transfer, thermal diffusivity, laser impulse radiation, impulse form.
За последнее десятилетие широкое распространение получило использование лазеров в системах измерения теп-лофизических параметров, основанных на импульсном методе [1—3]. Сущность метода состоит в регистрации температуры образца в какой-либо точке после воздействия на него теплового импульса. При этом температуропроводность вычисляют по выражению
а = Ро112 d2/ t1|2,
где Яо1/2 — критерий Фурье, характеризующий нарастание относительной температуры до половины максимального значения (определяется из решения задачи распространения теплоты в образце, зависит от формы образца, пространственно-временного распределения энергии в тепловом импульсе и места расположения температурного датчика); d — характерный размер образца (расстояние от точки воздействия теплового импульса до точки измерения); ?1/2 — время нарастания температуры до половины максимума.
Однако временные характеристики реального лазерного излучения (в первую очередь, конечная длительность импульса) могут существенно ограничить диапазон измерений этих систем.
Ранее были исследованы влияния временных параметров лазерного излучения на погрешности измерений для введения соответствующих поправок [4—8]. Во всех этих работах указано, что временная зависимость мощности потока теплоты на образец представляет собой правильную геометрическую фигуру (импульсы прямоугольной [5], треугольной [4—6], экспоненциальной [7] форм), в то время как реальная форма импульса лазера, работающего в режиме свободной генерации, наиболее подходящем для измерений, представляет собой сложную фигуру, состоящую из мно-
жества отдельных пичков [9, 10], расположенных случайным образом, к тому же, изменяющихся от эксперимента к эксперименту. В [11] было показано, что импульс произвольной формы в первом приближении можно заменить мгновенным, находящимся в «центре тяжести» реального импульса. Соответственно, флуктуации формы лазерного импульса можно оценить через флуктуации положения его «центра тяжести».
Нами была сделана попытка экспериментально оценить погрешности измерения температуропроводности, возникающие из-за случайности формы импульса. Был проведен ряд экспериментов, в которых исследовали зависимость светового потока излучения лазера ГОР-100М от времени (рис. 1). Излучение лазера регистрировалось фотодиодным датчиком, усиливалось и с помощью АЦП [12] вводилось в компьютер. На рис. 2 представлена типичная форма такого лазерного импульса, а на рис. 3 — усредненная форма импульса по 10 реализациям. Хорошо видно, что в данном случае форму такого импульса лучше всего можно описать трапецией. Далее вычисляли местоположение «центра тяжести» каждого импульса. На рис. 4 приведена гистограмма распределения положения «центров тяжести» импульсов относительно их начала. При этом средние квадратические отклонения «центра тяжести» импульса от его характерных точек составили: 0,05 мс относительно усредненного местоположения «центра тяжести»; 0,1 мс относительно середины импульса; 0,6 мс относительно начала импульса.
На АЦП
Рис. 1. Схема регистратора лазерного импульса: А — К544УД1; V — ФД256; R=10 кОм
N
зч
Рис. 2. Пример сигнала с фотодатчика, характеризующий временное распределение энергии в лазерном импульсе
Очевидно, что наименьшую погрешность можно получить, если вести отсчет времени от усредненного положения «центра тяжести». Однако его определение требует многочисленных экспериментов, к тому же стабильность положения может зависеть от множества неконтролируемых факторов. В случае отсчета времени от середины импульса погрешность времени ?1/2 может достигать 10 % от длительности импульса. Эту величину можно использовать как оценку погрешности определения ?1/2 и, соответственно, температуропроводности а, вызванной случайными флуктуациями формы лазерного импульса. Следовательно, для достижения погрешности определения температуропроводности 1 % необходимо, чтобы время достижения половины максимума температурной кривой отклика образца превышало длительность самого импульса в 10 раз. Так, для системы, работающей по методу Паркера [13] и использующей лазер ГОР-100М с длительностью импульса 1 мс, для получения указанной погрешности необходимы образцы, для которых время достижения половины максимума было бы более 10 мс (например, толщина образца из железа АРМКО должна быть более 1,2 мм). Для измерений образцов, характе-
2-
1-
00,54 0,56
0,58
0,60 0,62
0,64 t, мс
Рис.
3. Усредненное (по 10 реализациям) временное распределение энергии в лазерном импульсе
Рис. 4. Гистограмма распределения положения «центра тяжести» лазерного импульса относительно его начала
ризующихся малым временем нарастания температурной кривой, требуется разработать способы учета реальной формы теплового импульса при вычислении критерия Яо1/2.
Таким образом, при измерении температуропроводности импульсным методом необходимо подбирать характеристики установки и параметры образца такими, чтобы время нарастания температурного сигнала ?1/2 превышало не менее чем в 10 раз длительность теплового импульса.
Л и т е р а т у р а
1. Золотухин А. А., Пелецкий В. Э. // Теплофизика высоких температур. — 1981. — Т. 19. — № 6. — С. 1266.
2. Baba T., Ono A. // Meas. Sci. Technol. — 2001. — № 12. — P. 2046.
3. Перевозчиков С. М., Загребин Л. Д. // Приборы и техника эксперимента. — 1998. — № 3. — С. 155.
4. Cape J. A., Lehman G. W. // J. Appl. Phys. — 1963. — V. 34.
— P. 1909.
5. Taylor R. E., Cape J. A. // Appl. Phys. Lett. — 1964. — V. 5.
— P. 212.
6. Heckman R. C. // J. Appl. Phys. — 1972. — V. 44. — P. 1455.
7. Larson K. B., Koyama K. // J. Appl. Phys. — 1967. — V. 38.
— P. 465.
8. Перевозчиков С. М., Загребин Л. Д. // Измерительная техника. — 2001. — № 12. — С. 39.
9. Рэди Дж. Действие мощного лазерного излучения. — М.: Мир, 1974.
10. Херман Й., Вильгельми Б. Лазеры сверхкоротких световых импульсов / Пер. с нем. — М.: Мир, 1986.
11. Азуми Т, Такахаси Й. // Приборы для научных исследований. — 1981. — № 9. — С. 133.
12. Перевозчиков С. М., Загребин Л. Д. // Приборы и техника эксперимента. — 2002. — № 4. — С. 161.
13. Parker W. J. е. а. // J. Appl. Phys. — 1961. — V. 32. — N 9. — P. 1679.
Дата одобрения 03.08.2006 г.
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
621.3.049.77.002
Механизмы чувствительности биполярного
магнитотранзистора. Ч. 1
Р. Д. ТИХОНОВ
Научно-производственный комплекс «Технологический Центр» МИЭТ,
e-mail: R.Tikhonov@tcen.ru
Исследования биполярного магнитотранзистора показали, что его чувствительность определяется концентрационно-рекомбинационным механизмом, зависит от магнитной индукции и растет в слабых магнитных полях. При изменении напряжения смещения база — эмиттер изменяется знак относительной чувствительности по току, ее максимальное значение при измерении магнитного поля с индукцией 0,3 мТл составляет 3300 Тл-1.
Ключевые слова: биполярный магнитотранзистор, чувствительность по току.
Research of bipolar magnetotransistors are shown, that its sensitivity is determined by concentration-recombination mechanism. It depends from magnetic induction, and grows in weak magnetic fields. At change of displacement voltage of the base — emitter a sign of relative current sensitivity is changed. The maximal value at measurement of a magnetic field 0,3 mT is 3300 Т-1.
Key words: bipolar magnetotransistor, current sensitivity.
Со времени первого успешного опыта по определению воздействия магнитного поля на биполярный транзистор [1] исследовано большое количество структур биполярных маг-нитотранзисторов (БМТ), которые описаны в обзорах [2, 3]. К достоинствам БМТ относятся высокая магниточувствитель-ность, возможность интегральной микроэлектронной реализации, микрометровые размеры, высокие разрешающая способность, рабочая частота, отношение сигнал — шум, а также избирательность к направлению магнитного поля, что позволяет проводить трехмерное определение вектора магнитного поля. Несмотря на то, что БМТ имеет существенные недостатки и, в первую очередь, значительный разброс начальных токов коллектора [4], научный интерес к прибору не ослабевает. В многомиллионных тиражах микромагнито-электронных изделий в основном, однако, используются маг-ниторезисторы и датчики Холла [5].
Экспериментальное исследование и приборно-техноло-гическое моделирование позволили выяснить многие важ-
ные моменты в работе БМТ. Однако в [3] отмечены три особенности БМТ, которые не нашли исчерпывающего объяснения: изменение чувствительности в диапазоне 0,01—104 Тл-1, что вряд ли связано только с геометрией образцов; перемена знака чувствительности при разных режимах работы двухколлекторного магнитотранзистора; роль механизма модуляции инжекции в работе БМТ.
Ниже сделана попытка объяснить данные положения.
Физические эффекты, определяющие чувствительность магнитотранзистора. Подавляющее число исследований БМТ посвящено двухколлекторным конструкциям (рис. 1), которые разделяют на вертикальные [6], планар-ные [7] и латеральные [8]. Вертикальные и латеральные БМТ чувствительны к магнитному полю, направленному вдоль поверхности кристалла, а планарные — перпендикулярно к ней. Для интегрирования в микросхемы латеральные БМТ размещают в кармане и обычно применяют в КМОП-схе-мах [2]. В различных модификациях этих транзисторов наря-
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.