Wyznaczanie dyfuzyjności cieplnej monokryształów YAG dla

Dominika Trefon-Radziejewska
Prezentacja obejmuje:
Opis metody pomiarowej
Charakterystykę stanowiska pomiarowego
Pomiary wykonane dla monokryształu YAG
Wnioski
Metoda termofalowa z detekcją typu miraż
Współczynnik dyfuzyjności cieplnej α został wyznaczony
w oparciu o jednowymiarowy model propagacji fali
termicznej w próbce.
j ( x = 0) = A cos(2π
Gęstość strumienia ciepła:
ft )
∂T ( x, t )
Wiedząc, Ŝe S ( x, t ) →
∂x
Rozwiązaniem równania
Fouriera-Kirchhoffa jest wyraŜenie:
 πf 


πf
T ( x, t ) = T0 exp  −
x  cos  2π ft −
x + ϕ0 
α  
α


Zmiana fazy odchylonego sygnału przez gradient temperatury
istniejący w próbce:
∆ϕ = −
πf
∆x + ϕ0
α
Współczynnik dyfuzyjności
α=
πf
a2
Nowość !
W dotychczasowych badaniach uŜywany był moduł Peltiera
lub IR dioda jako element generujący zmienne źródło ciepła.
Obecnie próbka jest umieszczana w kriostacie na zimnym
palcu.
Stanowisko pomiarowe
Stanowisko pomiarowe
Cryostat VPF-700 JANIS
Lake Shore Temperatur Controller 331S
Parametry prowadzonych pomiarów:
• zakres temperatur: ( 273 ÷ 500 ) K
• modulacja zadanej temperatury:
+/- ( 5 ÷ 10 ) K
• częstotliwość modulacji: 10 mHz
Pomiary wykonane dla monokryształu YAG
4200
4300
4400
4500
4600
440
438
436
434
432
430
428
426
424
422
420
418
411
410
410
409
409
408
4700
408
t [s]
6200
Termopara A
Termopara B
407
425
425
10 mHz
424
407
T [K]
424
407
423
6400
8 mHz
6500
∆ϕ = d
minima
maxima
422
πf
α
y = 0,5734x + 0,3761
R² = 0,9885
3,0
421
5500
5550
5600
t [s]
5650
Termopara A
Termopara B
5700
425
425
407
424
407
424
2,5
15 mHz
delta ph [rad]
406
t [s]
432
431
430
429
428
427
426
425
424
423
422
421
3,5
422
406
6300
∆t
∆ϕ = 2π
T
423
406
T [K]
Termopara A
Termopara B
411
5 mHz
T [K]
T [K]
Termopara A
Termopara B
415
414
413
412
411
410
409
408
407
406
2,0
y = 0,6384x - 0,6494
R² = 0,9914
1,5
423
407
423
406
1,0
422
406
422
406
5500
421
5550
5600
t [s]
5650
5700
0,5
2
2,5
3
3,5
4
Sqrt(f )[sqrt(mHz)]
4,5
5
Ph [rad]
T = 150 ºC
1,60
1,50
1,40
1,30
1,20
1,10
1,00
0,90
0,80
0,70
0,60
-5 000 -4 000 -3 000 -2 000 -1 000
0
a = -6,20 · 10-4 µm-1
a = -9 · 10-5 µm-1
a = -1,56 · 10-4 µm-1
a = 1,6 · 10-4 µm-1
f = 0,4 Hz
f = 0,01 Hz
f = 0,01 Hz
f = 0,02 Hz
YAG
5
4,5
4
α · 10 -2 cm2/s
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
22
132
150
182
α · 10-2 [cm2/s]
YAG
22°C
132°C
150°C
182°C
4,46(52) 3,88(45) 2,45(57) 1,29(75)
DC signal from ADC1 vs.position of probe beam
h [um]
-6000
-5000
-4000
-3000
-2000
-1000
0
0,30
YAG, T= pokojowa
0,25
YAG,T = 423 K
0,20
okna, T = pokojowa
YAG,inna ściana,T=pokojowa
0,15
A[V]
-7000
0,10
0,05
0,00
-0,05
-0,10
Wnioski
Za pomocą układu złożonego z kontrolera i kriostatu udało
się wygenerować w próbce periodyczne zmiany pola
temperaturowego wokół zadanej temperatury rzędu kilku
Kelvinów.
Przeprowadzone zostały orientacyjne pomiary
wyznaczania zmiany fazy sygnału, np. sczytywanie za
pomocą oscyloskopu opóźnień czasowych pomiędzy
sygnałami: wchodzącym do próbki (termopara na zimnym
palcu) i wychodzącym z próbki (termopara na
przeciwległej ściance próbki).
Metoda nadaje się dla przezroczystych próbek o dobrej
jakości optycznej.
LECZ
Ze względu na dużą bezwładność układu do modulacji
temperatury, pomiary muszą być prowadzone dla bardzo
niskich częstotliwości < 50 mHz.
Jako że sygnał modulujący temperaturę jest sterowny przez
kontroler, homodyna potrzebuje dużo czasu aby się
dostroić, źle dobrana częstotliwość modulacji temperatury
powoduje niestabilną pracę homodyny .
Istnienie dużego sygnału stałego,może powodować, że
homodyna nie widzi zmian wprowadzanych przez
modulację.
PLAN
Pomysł zamontownia dodatkowej grzałki sterowanej
sygnałem wewnętrznym z homodyny. Ta grzałka
wprowadzałaby modulację temperatury, a grzałka kriostatu
utrzymywałaby ściankę kryształu znajdującą się na zimnym
palcu w stałej tempraturze.
Potrzeba zamontowania układu, który efektywniej
odprowadzałby ciepło z komory kriostatu.