close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Влияние политипизма на отражательные свойства частично прозрачных гетерогенных систем в условиях высоких температур.

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
КАЗАКОВА МАРИНА ВАСИЛЬЕВНА
ВЛИЯНИЕ ПОЛИТИПИЗМА НА ОТРАЖАТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА
ЧАСТИЧНО ПРОЗРАЧНЫХ ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ В УСЛОВИЯХ
ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР
Специальность: 01.04.07 – Физика конденсированного состояния
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Великий Новгород 2013
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого»,
Великий Новгород.
Научный руководитель:
Доктор технических наук, профессор
Карачинов Владимир Александрович
Официальные оппоненты:
Доктор физико-математических наук, лауреат
премии
Ленинского
комсомола,
лауреат
Государственной премии Российской Федерации в
области науки и техники, профессор кафедры
технологии и исследования материалов ФГБОУ
ВПО «Санкт-Петербургский Политехнический
Университет»
Немов Сергей Александрович
Доктор физико-математических наук, профессор
кафедры общей и экспериментальной физики
ФГБОУ ВПО “Новгородский государственный
университет имени Ярослава Мудрого”
Окунев Алексей Олегович
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Псковский государственный университет».
Защита состоится 4 декабря 2013 года в 14.00 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.168.11 в федеральном государственном
бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального
образования «Новгородский государственный университет имени Ярослава
Мудрого», по адресу: 173003, Россия, Великий Новгород, ул. Б.СанктПетербургская, д.41
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новгородского
государственного университета им. Ярослава Мудрого.
Автореферат разослан «02» ноября 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.168.11
кандидат физико-математических
наук, доцент
Коваленко Д.В.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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 A IV B IV , 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
4
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
1500ºС, его изменения в зависимости от температуры не превышают 0.01 на
каждые 100ºС.
5
3. 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 %.
4. Впервые с помощью 6Н-SiC- гетерогенной системы, находящийся при
температуре 1000ºС, получен яркостный контраст объектов исследований в
видимом диапазоне, пригодный для температурного анализа.
5. Рассмотрено практическое применение высокотемпературного
отражения частично-прозрачных гетерогенных систем, разработаны физикотехнические 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
1. 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.
2. Метод расчета спектрального состава отраженного излучения от
6
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 1000ºС.
Внедрение результатов работы
Результаты, полученные в диссертации, являются частью НИР РФФИ
грант 13-07-98800 р_север_а 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.
7
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.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении сформулирована цель работы, показана ее актуальность,
приведены основные результаты исследования.
В первой главе приведен обзор литературы, посвященный
исследованию оптических свойств частично прозрачных в видимом диапазоне
термостойких соединений. Приведены зависимости показателя преломления,
коэффициента отражения, пропускания и поглощения политипных соединений
от длины волны и температуры.
По результатам исследований проведенных в первой главе показано,
что влияние структурных параметров, высокой температуры, геометрической
формы на отражательные свойства полупрозрачных политипных соединений
изучены недостаточно. Глава завершается формулировкой цели и выделением
задач исследования.
Во второй главе рассмотрено теоретическое и экспериментальное
исследование коэффициента отражения, пропускания, излучения гетерогенных
систем на основе соединений, обладающих политипизмом, в условиях
воздействия высокой температуры.
Физическая модель гетерогенных систем, обладающих частичной
оптической прозрачностью в видимом диапазоне, была представлена оптикогеометрической моделью и математическими выражениями, основанными на
адаптированной теории Мак Магона [5]. Задача теплового переноса

рассматривалась как трехмерная задача, было учтено, что энергия E
излучается не только с поверхностей структуры, но и с внутренней части
(рис.1).
Рис. 1. Оптико-геометрическая модель частично прозрачной
гетерогенной системы
Исходные математические уравнения, представленные теорией Мак
Магона [5]:
8

 * ( , T )   ( , T )  1 

 ( , T )  (1   ( , T )) 2 

1   2 ( , T )   2 ( , T ) 
(1   ( , T )) 2
(1)
(1   2 ( , T )   2 ( , T ))
(1   ( , T ))
 * ( , T )  (1   ( , T )) 
(1   ( , T )   ( , T ))
Где  * ( , T ) - кажущийся коэффициент излучения,  * ( , T ) - кажущийся
 * ( , T )   ( , T ) 
коэффициент отражения,  * ( , Т ) - кажущийся коэффициент пропускания,
 ( , T ) и  ( , T ) - коэффициенты отражения поверхности и пропускания
полупрозрачного соединения соответственно.
Основная задача моделирования заключалась в определении входящих в
систему
поверхностного
коэффициента
отражения,
коэффициента
пропускания, зависящих от показателя преломления, коэффициента
поглощения. Оптические коэффициенты исследуемых структур определялись
структурными, геометрическими параметрами, а также влиянием внешних
условий, в том числе температуры. В расчетах были учтены обе независимые
поляризации света.
Показатель преломления рассчитывался по модели Вепля-Дидоменико,
его зависимость от температуры и степени легирования определялась по
формулам Херве-Вандамма [6]. Коэффициент поглощения частично
прозрачных соединений на частотах ниже края собственного поглощения при
высоких температурах рассчитывался как сумма коэффициентов поглощения
на свободных носителях и примесях. Их зависимость от температуры
учитывалась температурным изменением концентрации свободных носителей,
подвижности носителей заряда, и показателя преломления.
При расчете коэффициента поверхностного отражения учитывалось
качество обработанной поверхности, которое зависит от вида обработки и
может содержать неровности, соизмеримые с длиной волны света, что
вызывает рассеяние и приводит к уменьшению зеркального отражения [7]:
2
 4    n( , T ) 
 )


 z ( , T )   a ( , T )  exp( 
(2)
Где  - среднеквадратичное отклонение точек поверхности от среднего
значения (м).
n( , T ) - показатель преломления гетерогенной системы.
Проведены исследования оптических коэффициентов гетерогенных
систем с луночным рельефом, оптико-геометрическая модель, которой
показана на рис.2. Такие системы представляют интерес для создания
измерительных микросистем пирометрии газовых потоков, содержащих
поверхности нагрева с развитой морфологией.
Гетерогенная система на основе полупрозрачного широкозонного
полупроводника, представленная в виде лунки с диаметром 2R,
рассматривалась как излучающая цилиндрическая полость, при исследовании
которой учитывались переизлучения от боковых внутренних поверхностей.
9
Рис. 2. Оптико-геометрическая модель гетерогенной системы с
луночным рельефом
Рассмотрен случай нормального падения излучения. Поскольку
эффективная интенсивность излучения является суммой собственного и
отраженного от стенок полости излучения, и зеркальная составляющая
отражения не учитывается, так как в направлении нормали к поверхности дна
энергия излучения не будет отражаться, эффективный коэффициент излучения
дна лунки [7]:
l
 e (r )   * ( , T )   d ( , T )    e ( x)  d dx  dr
(3)
0
Где l  h / R - глубина лунки в безразмерном виде, x  X / R - расстояние от
открытого конца цилиндрической полости в безразмерном виде, r  rd /R расстояние от центра дна цилиндра в безразмерном виде, d dx dr элементарный угловой коэффициент от элемента цилиндрической
поверхности dx на концевой элемент дна dr , R - радиус полости (m),  e (x) эффективный коэффициент излучения боковой поверхности лунки.
Для проведения экспериментальных исследований коэффициента
направленного отражения при высоких температурах разработана
экспериментальная установка, структурная схема которой представлена на
рис.3.
Методика измерения была реализована на основе известного метода
определения коэффициентов направленного пропускания и отражения света
стекла (ГОСТ 26302-93). Направленное излучение от лазера попадало через
отверстие в крышке (5) на исследуемый образец (2), затем отражалось и
регистрировалось приемником излучения (3). Исследования проводились при
температуре окружающей среды 25ºС и при нагревании образца 30…500ºС.
Результаты экспериментальных и теоретических исследований
приведены на рис.4…7, показаны зависимости коэффициенты отражения,
пропускания и излучения гетерогенных систем при воздействии высокой
температуры от структурных (степень гексагональности, концентрации
10
легирующих примесей), геометрических (толщина, глубина лунки) и
температурных характеристик.
Рис. 3. Структурная схема экспериментальной установки
источник излучения(лазер), 2-исследуемый образец, 3-приемник
излучения, 4-вольтметр, 5-крышка, 6-электронагреватель, 7-термопара,
8-мультиметр, 9-регулятор мощности, 10-источник питания
Рис. 4. Зависимость коэффициента отражения гетерогенных систем на
основе соединений A IV B IV от температуры. N d  1017 . d=0.3мм. α=45º.   650нм .
Ориентация базовой грани 3C,15R - (001)C; 4Н, 6Н -(0001)C . Расчет
11
а)
б)
Рис. 5. Зависимости оптических коэффициентов SiC гетерогенной
системы от структурных параметров, α=0º. d=0.1мм. Ориентация базовой
грани.   (650  10)нм . Расчет:
а) коэффициента отражения, излучения от степени гексагональности.
Концентрация нескомпенсированных доноров N d  N a  1019 см 3 . T=300ºС.
б) 1- коэффициента отражения, 2 - пропускания, 3 - излучения SiC 6H
легированного N от концентрации примесей. T=27ºС. Ориентация базовой
грани. (0001)С
Рис. 6. Зависимость коэффициента отражения поверхности SiC 6Н,
легированного азотом N d  N a  6.3  1018 cm 3 , от температурных характеристик.
Ориентация базовой грани (0001)С.   (650  10)нм .
. 1-Расчет. 2- Эксперимент
12
Рис. 7. Зависимости оптических коэффициентов SiC 6Н от толщины
пластины. T=1500 ºС. N d  N a  3.4  1018 cm 3 , α=0º.   (650  10)нм .Ориентация
базовой грани (0001)C. Расчет.
Исследованные закономерности влияния физических параметров и
характеристик на оптические свойства гетерогенной системы на основе
политипных соединений в условиях высокой температуры показывают, что
уменьшение толщины и концентрации доноров SiC ведет к увеличению
коэффициента отражения и уменьшению коэффициента излучения в видимом
диапазоне. Изменение коэффициента отражения SiC-гетеросистемы от
температуры до 1500ºС не превышает 0.01 на каждые 100ºС.
В третьей главе представлено теоретическое исследование
спектральных характеристик теплового излучения, отраженного от цветных
гетерогенных систем, частично прозрачных в видимом диапазоне, разработана
методика расчета доли окрашенного излучения в общем отраженном.
Падающее на образец излучение характеризовалось сплошным спектром,
положение максимума которого зависело от температуры.
Методика расчета базировалась на теории Мак Магона [5], учитывалось,
что в пределах видимого диапазона для частично прозрачных систем
интенсивность отраженного от поверхности излучения практически постоянна
и не зависит от цвета материала. Поскольку в пределах видимого спектра
изменение длины волны незначительно влияет на показатель преломления,
монохроматический коэффициент поверхностного отражения R( , T ) остается
практически неизменным, и цвет лучей, отражаемых прозрачными цветными
материалами, не изменяется. Основное влияние на спектральные
характеристики отражения оказывают процессы, происходящие в объеме
материала. Оптико-геометрическая модель представлена на рис.8.
Цвет полупрозрачного полупроводника характеризует величину энергии,
при которой интенсивность пропускания, и, следовательно, коэффициент
внутреннего отражения будут максимальными [8].
13
Рис. 8. Оптико-геометрическая модель отражения цветных частичнопрозрачных гетерогенных систем
Интенсивность излучения после прохождения слоя материала за счет
внутреннего отражения, будет максимальной на длине волны λ1…λ2,
соответствующей диапазону цвета материала, в то время как излучение других
длин волн будет поглощаться достаточно интенсивно.
Доля (окрашенного) излучения на длине волны λ (нм), отраженная от
полупрозрачной гетерогенной системы, максимум пропускания которой на λ
(нм):
x
 100%
x 1
(1   ( , T )) 2   ( , T )   2 ( , T )
x
1   2 (  , T )   2 ( , T )
k col 
(4)
Монокристаллический SiC может иметь разнообразную окраску: белую,
серую, желтую, зеленую и черную, его цвет определяется кристаллической
структурой (политипом), а также типом и количеством примесей. Пример
гетерополитипной системы SiC приведен на рис.9, кристалл предоставлен
лабораторией Ю.М.Таирова.
Рис. 9. Гетерополитипная система SiC. Фото
14
Результаты исследования спектральных характеристик отраженного
излучения SiC-гетеросистемы представлены на рис.10. Доля окрашенного
излучения в общем отраженном для гетерогенных систем SiC зеленого цвета
толщиной d=0.1 мм, в том числе при воздействии высоких температур,
составила < 10 %. Поэтому цвет отраженного излучение будет почти
полностью зависеть от цвета падающего излучения. Вследствие сдвига
коэффициента поглощения в длинноволновую часть спектра с ростом
температуры, наблюдается аналогичное смещение зависимости доли
отраженного излучения.
Рис. 10. Зависимость доли окрашенного излучения в общем отраженном
для кристалла SiC 6Н легированный азотом, N d  N a  40  1017 . d=0.1 мм. α=0º.
1 - Т=293К, 2 – 800К.
Четвертая
глава
посвящена
практическому
применению
высокотемпературного отражения политипных гетерогенных систем.
Осуществлена разработка физико-технических основ метода формирования
яркостного контраста на базе полупрозрачной отражательной SiC – системы
политипа 6Н.
Получение яркостного контраста объектов исследования, находящихся в
труднодоступных зонах в условиях высоких температур сопряжено с
разработкой термостойких оптических систем, состоящих из тугоплавких
оптических деталей [9].
Метод формирования яркостного контраста оптической системой на
базе матричного фотоприемника в условиях высоких температур основан на
зависимости энергетической яркости теплового излучения объекта от его
температуры (рис. 11).
Устройство формирования яркостного контраста (3) погружают в
нагретую зону (1) и располагают таким образом, чтобы исследуемый объект
(2) находился в его поле зрения. При этом излучение от объекта (2) через
отверстие ввода яркостного контраста в корпусе оптического устройства
попадает на зеркало (9), отражается и фокусируется на фотоприемнике
15
оптического модуля (5). Сигнал с фотоприемника, пропорциональный яркости
объекта, после преобразования в оптическом модуле (5) через канал связи(6)
поступает в персональный компьютер (8), где обрабатывается и запоминается.
Охлаждающий газ подается от устройства охлаждения (4), которое соединено с
боковой поверхностью корпуса устройства формирования контраста через
отверстие подачи газа.
а) Оптическая система
б) Устройство формирования яркостного контраста
1Высокотемпературная печь
Объект исследования
2Устройство формирования яркостного контраста
3Устройство охлаждения
4Оптический модуль
5Канал связи
6Источник питания
7Персональный компьютер
8Зеркало на базе SiC 6H – гетерогенной системы
9Корпус
10-
Рис. 11. Метод формирования яркостного контраста в условиях высоких
температур
Оптический модуль (5) состоит из цифрового модуля на базе матричного
фотоприемника и длиннофокусного объектива. Перед объективом помещается
светофильтр (2) для фильтрации фонового освещения. Благодаря этому
16
решается ряд важных задач, связанных в частности с метрологическим
обеспечением прибора.
Разработка предложенного метода сопряжена с выполнением
следующих основных этапов:
- обеспечение яркостного контраста,
- выбор спектрального диапазона визуализирующих оптических
устройств,
- моделирование энергетических характеристик оптической системы,
- моделирование тепловых и гидродинамических характеристик
отражателя и системы формирования яркостного контраста,
- проведение экспериментальных исследований,
- модификация яркостного контраста.
Для решения поставленных задач были разработаны методы и методики
моделирования и экспериментальных исследований.
В главе 4 показано, что получение изображения изучаемого объекта,
пригодного для анализа и измерения температуры с достаточной точностью,
сопряжено с необходимостью обеспечения контрастного соотношения объекта
и фона. При высоких температурах оптические детали излучают достаточно
интенсивно, что оказывает негативное влияние на качество изображений,
поэтому требуется определить оптимальную температуру отражателя.
Теоретический расчет контраста осуществлялся по модели, которая
учитывала потери энергии при отражении лучистой энергии от 6Н-SiС
отражательной системы, прохождении через среду, светофильтры, оптическую
систему объектива. Дополнительно учитывался шум, обусловленный
собственным излучением SiC-системы, а также излучением от расположенных
за зеркалом сторонних источников и пропущенное сквозь него. В результате
было получено следующее выражение для расчета контраста:
2
K
 
об
 k отр   ф  k отр d
1
2
 
ф
 k отр   з   фз   з d
(5)
1
k отр - коэффициент отражения SiC-системы;
 об ,  ф - коэффициенты излучения объекта, фона соответственно;
 з ,
 фз
- коэффициенты излучения SiC-отражателя и стенки,
расположенной за зеркалом, соответственно;
 з - коэффициент пропускания SiC-отражателя.
На рис.12 представлены зависимости яркостного контраста, полученные
в ходе проведения экспериментальных исследований на лабораторном макете
оптической системы
и рассчитанные, с использованием данных о
коэффициентах излучения SiC-зеркала, объекта и фона. Достаточно хорошо
видно, что численные значения контраста не превышали K ≤ 0,2 и
уменьшались с увеличением температуры. Такой характер изменения K
17
следует связывать в основном с возрастанием собственного излучения SiСотражателя при увеличении его температуры.
Показано, что для увеличения яркостного контраста необходимо
понизить температуру 6H-SiC-отражателя, например, применяя газовую
систему охлаждения. Из графика (рис.13) видно, что оптимальной
температурой SiC гетерогенной системы является 600C … 700C , поскольку
дальнейшее ее понижение почти не повлияет на контраст.
Рис. 12. Зависимость яркостного контраста от температуры.
1-Эксперимент.
Расчет для спектрального диапазона:
2 -   0,6...0,72 мкм, 3-   0,43...0,55 мкм
Рис. 13. Зависимость яркостного контраста от температуры при
охлаждении SiC- отражательной системы до:
1 - Tз  600C . 2 - Tз  700C . 3 - Tз  800C .
18
Эксперименты, проведенные без обдува при температурах,
исключающих быструю модификацию отражающей поверхности SiC – зеркала
в условиях нагретой воздушной среды муфельной печи, показали на
возможность надежной визуализации исследуемых тест – объектов. В тоже
время согласно исследованиям при температурах отражателя значительно
превышающих 1000ºС не удавалось получить изображения тест – объектов
пригодных, даже, для простого анализа, прежде всего, из-за невозможности
обеспечения контрастного соотношения объекта и фона.
Из известных в настоящее время способов повышения яркостного
контраста исследуемых тест - объектов наряду с инструментальными
несомненный интерес представляют различные методы обработки
изображений. В качестве примера приведены результаты применения
технологии вейвлет – функций (преобразования) к рассматриваемой задаче
(рис.14).
а
в
б
г
Рис. 14. Результаты модификации яркостного контраста. Фото. Т=960º
а - необработанное изображение,
б - обработанное изображение, использованы стандартные методы
повышения контрастности,
в - обработанное изображение помощью вейвлет функции, подчеркнуты
границы,
г - обработанное изображение с помощью непрерывного вейвлетпреобразования.
19
В заключении приведены результаты диссертационной работы и
сформулированы основные выводы, заключающиеся в следующем:
1. Методика, в рамках разработанной физической модели, позволяет
рассчитывать коэффициенты отражения гетерогенных систем на базе
политипных соединений, обладающих оптической прозрачностью в видимом
диапазоне, в зависимости от концентрации легирующих примесей, толщины и
температуры воздействия.
Результаты экспериментальных и теоретических исследований
коэффициента отражения, пропускания и излучения гетерогенных систем на
базе политипных соединений в условиях высоких температур, позволяют
установить взаимосвязи между отражательными свойствами и структурными,
геометрическими, температурными характеристиками гетерогенных систем.
Температурное изменение коэффициента отражения SiC 6Н гетерогенной
системы до 1500ºС не превышает 0.01 на каждые 100ºС.
2. Получены спектральные характеристики излучения, отраженного от
полупрозрачной гетерогенной системы, в том числе и в условиях высоких
температур. Выявлено, что доля излучения в общем отраженном на длине
волны характеризующий максимум пропускания для кристаллов SiC зеленого
цвета толщиной d=0.1 мм составила < 10 %, поэтому цвет отраженного
излучения будет почти полностью зависеть от цвета падающего излучения.
Отмечено влияние температуры на спектр доли отраженного излучения, с
ростом которой происходит смещение зависимости в длинноволновую область
спектра.
3. Рассмотрено практическое применение высокотемпературного
отражения полупрозрачных систем на базе политипных соединений в
устройствах формирования яркостного контраста, разработаны основные
этапы их реализации. Использование частично-прозрачного SiC-6H
отражателя позволяет создавать безопасные термостойкие оптические системы
с газовой системой охлаждения, что исключает опасность взрыва при
разгерметизации устройства и значительно уменьшает паразитный отвод тепла
из нагретой зоны исследуемого объекта.
Список цитируемой литературы
1. Справочник по электротехническим материалам. Т.3. Под ред. Ю.В.
Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева// Л.: Энергия. - 1988. – 728с.
2. Harris G. Properties of Silicon Carbide // INSPEC, London, United
Kingdom. - 1995. - 295 p.
3. Пирометрические зонды на основе тугоплавких соединений:
монография/ Карачинов Д.В., Карачинов В.А.; НовГУ им. Ярослава Мудрого. Великий Новгород. - 2008. – 123 с.
4. Магунов А.Н. Лазерная термометрия твердых тел. // М.: Физматлит. 2001. - 224 с.
5. Mc.Mahon H.O. Thermal radiation from partially transparent reflecting
bodies // J.Opt. Soc. Amer. - 1950. - vol.40. - p.376.
6. Розеншер Э., Винтер Б. Оптоэлектроника// Москва: Техносфера. -
20
2004. -592с.
7. Козловский В.И., Трубенко П.А., Коростелин Ю.В., Роддатис В.В.
Распределенные брэгговские зеркала на основе ZnMgSe/ZnCdSe, полученные
методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках ZnSe// ФТП. – 2000. –
т.34. вып.10. – С.1237-1243.
8. Tilley, R. J. D. Colour and the optical properties of materials : an
exploration of the relationship between light, the optical properties of materials and
colour // WILEY. - 2011. - 510 p.
9. Белозеров А.Ф. Оптические методы визуализации газовых потоков. –
Казань:Изд-во Казан. гос. Техн. Ун-та, 2007. - 747 с.
Список научных трудов
Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
1. Карачинов В.А., Казакова М.В., Торицин С.Б., Разумовская А.О.
/Математическое моделирование системы формирования изображения
телевизионного эндоскопа промышленного назначения// Системы и средства
связи, телевидения и радиовещания. - 2010. - № 1.2. - С.125-128.
2. Карачинов В.А., Джеренов И.Г., Карачинов Д.В., Казакова М.В.
Исследование рельефной структуры нарушенного слоя эрозионной природы в
кристаллах карбида кремния// Проектирование и технология электронных
средств. - 2010. - № 4. - С.67 – 70.
3. Карачинов В.А., Торицин С.Б., Казакова М.В., Пивень А.А.
Моделирование температурного режима телевизионной эндоскопической
системы промышленного назначения// Системы и средства связи, телевидения
и радиовещания. - 2011. - № 1,2. - С.94 - 97.
4. Карачинов В.А., Карачинов Д.В., Казакова М.В. Теплофизические и
оптические свойства микросистем с луночным рельефом на основе карбида
кремния // ЖТФ. – 2012. - Т. 82, вып. 8. - С. 129 – 133.
5. Казакова М.В. Расчет оптических характеристик термостойкого
зеркала// Вестник НовГУ. Сер.: Техн. Науки. - 2012. - №68. - С.126-127.
6. Карачинов В.А., Торицин С.Б., Казакова М.В., Расчет углового поля
зрения телевизионной эндоскопической системы при условии изгибной
деформации термостойкого зеркала// Системы и средства связи, телевидения и
радиовещания. - 2012. - № 1,2 - С.145-147.
7. Карачинов В.А., Казакова М.В, Петров А.В., Торицин С.Б., Герасимов
А.В. Анализ контраста телевизионной эндоскопической системы// Системы и
средства связи, телевидения и радиовещания. - 2013. - № 1,2. - С. 138-140.
Принятая к печати статья:
8. Карачинов В. А., Казакова М. В., Ионов А.С., Петров А.В., Хвостиков
Е.В. Энергетические параметры телевизионного визуализатора оптически
прозрачных гетеросистем со свойством прогиба// Вестник НовГУ. Сер.: Техн.
Науки. - 2013. - №73. т.1.
Патенты:
9. Пат.
2457521
Российская
Федерация,
МПК
G02B23/24.
21
Телевизионный эндоскоп// М.В. Казакова, В.А. Карачинов; патентообладатель
Новгородский Государственный Университет имени Ярослава Мудрого №2010144887/28. заявл. 02.11.2010; опубл. 27.07.2012, Бюл. № 21 – 7с.
10. Заявка на изобретение 2012157938 Российская Федерация, МПК
G02B23/24. Телевизионный эндоскоп// М.В. Казакова, В.А. Карачинов, Д.В.
Карачинов; заявитель Новгородский Государственный Университет имени
Ярослава Мудрого. – № 2012157938, заявл. 27.12.2012. - 8с.
Статьи в других изданиях:
11. Казакова М.В. Энергетический расчет оптической схемы
телевизионного пирометра эндоскопического типа// Вестник НовГУ - 2009. №50. - С.57-58.
Тезисы докладов:
12. Карачинов В.А., Казакова М.В. Энергетический расчет оптической
схемы телевизионного пирометра эндоскопического типа// Труды 17-ой
Международная научно-техническая конференция “Современное телевидение”.
М.: ФГУП МКБ "Электрон". - 2009. - С.72-73.
13. Карачинов В.А., Казакова М.В., Торицин С.Б. Анализ теплового режима
пирометра телевизионного эндоскопического типа// Труды 17-ой Международная
научно-техническая конференция “Современное телевидение”. М.: ФГУП МКБ
"Электрон". - 2009. - С.74-76.
14. Карачинов В.А., Казакова М.В., Ильин С.В. Моделирование
гидродинамического режима телевизионного эндоскопа// Труды 17-ой
Международная научно-техническая конференция “Современное телевидение”.
М.: ФГУП МКБ "Электрон". - 2009. - С.76-78.
15. Казакова М.В. Пирометрические зонды эндоскопического типа //
Сборник конкурсных научных работ аспирантов и молодых ученых по
направлению «Стратегическое партнерство ВУЗов и предприятий
радиоэлектронной промышленности». С.-Пб. – 2009. - С.10-13.
16. Казакова М.В. Пирометрический зонд эндоскопического типа//
Труды 52-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы
фундаментальных наук» Часть 4. Молекулярная и биологическая физика. Том
2. – М.: МФТИ. - 2009. - С.61-64.
17. Карачинов В.А., Казакова М.В., Карачинов Д. В., Пуляев М. П.,
Разумовская А.О.//Пирометр телевизионный эндоскопического типа с
вихревым охлаждением// Труды 18-ой Международная научно-техническая
конференция “Современное телевидение”. М.: ФГУП МКБ "Электрон". - 2010. С.104-106.
18. Разумовская А.О, Карачинов В.А., Казакова М.В., Ильин
С.В.Исследование микрогетерогенных систем с парными источниками// Труды
18-ой Международная научно-техническая конференция “Современное
телевидение”, М.: ФГУПМКБ «Электрон». – 2010. - С.100-103.
19. Карачинов В.А., Казакова М.В., Разумовская А.О., НовГУ, Новгород/
Цифровое моделирование гидродинамического и теплового режима
телевизионного эндоскопа/ [Электронный ресурс]: Сб. тез. докладов II
22
Всероссийской межвузовской научной конференции Зворыкинские чтения Муром: МИ ВлГУ. - 2010. - С.887-888.
20. Карачинов В.А., Казакова М.В., Карачинов Д.В., Торицин С.Б.
Телевизионный эндоскоп промышленного назначения// Труды 19-ой
Международная научно-техническая конференция “Современное телевидение”.
М.: ФГУП МКБ "Электрон". - 2011. - С.76-77.
21. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Казакова М.В., Ильин С.В.
Телевизионная система оптической локации биоорганизмов в жидких средах//
Труды 19-ой Международная научно-техническая конференция “Современное
телевидение”. М.: ФГУП МКБ "Электрон". - 2011. - С.72-75.
22. Казакова М.В. Мобильный эндоскоп// Тезисы докл. XVIII научная
конф. преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ. - 2011. - С.25 – 26.
23. Разумовская А.О., Ильин С.В., Казакова М.В., Карачинов В.А.
Телевизионные методы диагностики пограничных слоёв в микрогетерогенных
системах// Тезисы докл. Международной научной школы «Проблемы
газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях». М.:
Издательский дом МЭИ. - 2011. - С.57-58.
24. Карачинов В.А., Казакова М.В., Карачинов Д.В., Петров А.В. Технология
создания термостойкого зеркала телевизионного эндоскопа промышленного
назначения// Труды 20-ой Международная научно-техническая конференция
“Современное телевидение”. М.: ФГУП МКБ "Электрон". - 2012. - С.262-264.
25. Казакова М.В. Телевизионный метод визуализации и измерения
температуры в экстремальных условиях// Тезисы докл. XIX научная конф.
преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ. - 2012. - ч.2. - С.101.
26. Казакова М.В., Карачинов В.А., Торицин С.Б., Петров А.В. Расчет
контраста
изображения
в
телевизионной
эндоскопической
системе
промышленного назначения// Труды 21-ой Международной научно-технической
конференции «Современное телевидение» М.: ФГУПМКБ «Электрон». - 2013. С.134-136.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа