Содержание к диссертации
Введение
Глава 2. Цель и задачи исследований . 13
2.1. Характеристика исследуемых материалов . 13
2.2. Теплофизика при производстве монокристаллов 14
2.3. Перенос энергии в частично прозрачных телах . 16
2.4. Анализ влияния физических свойств на тепловые потони 17
2.5. Требования, предъявляемые к исследованию свойств 21
2.6. Задачи исследований 26
Глава 3. Исследование температурной зависимости коэффициента поглощения 29
3.1. Общие положения 29
3.2. Анализ методов и установок для исследования коэффициента поглощения 31
3.3. Установка для исследования коэффициента поглощения 37
3.4. Методика исследования 44
3.5. Расчет систематической погрешности 46
3.6. Результаты исследования коэффициентов поглощения фторидов 56
3..7. Расчет полной погрешности эксперимента . 74
3.8. Анализ полученных результатов . 76
Глава 4. Исследование тешератгрной зависимости показателя преломления
4.1. Общие положения 81
4.2. Анализ методов и установок для исследования показателя преломления 82
4.3. Экспериментальная установка для исследования показателя преломления 86
4.4. Методика исследования показателя преломления 88
4.5. Расчетная погрешность определения показателя преломления 96
4.6. Результаты исследования 108
4.7. Анализ результатов
Глава 5. Экспериментальное исследование сложного тепло-переноса 112
5.1. Анализ методов и установок 112
5.2. Конструкция установки 118
5.3. Методика проведения эксперимента 123
5.4. Расчет погрешности экспериментального определения коэффициента теплопроводности 125
5.5. Результаты экспериментального исследования . 131
5.6. Анализ результатов 143
Глава 6. Определение кондуктивного коэффициента теплопроводности 145
6.1. Анализ методов 145
6.2. Методика определения кондуктивного коэффициента теплопроводности 153
6.3. Погрешность определения кондуктивного коэффициента теплопроводности 163
6.4. Результаты определения кондуктивного коэффициента теплопроводности 168
6.5. Анализ результатов 172
Глава 7. Заключение 176
Список литературы
- Теплофизика при производстве монокристаллов
- Установка для исследования коэффициента поглощения
- Экспериментальная установка для исследования показателя преломления
- Методика проведения эксперимента
Введение к работе
Актуальность проблемы. Производство искусственных кристаллов является одной из наиболее динамичных отраслей народного хозяйства. За последние десять лет объем выпуска кристаллов увеличился более чем в четыре раза.
Развитие лазерной, инфракрасной и других областей техники привело к необходимости использования изделий из материалов, прозрачных в видимой и ближней инфракрасной (ИК) области спектра. При этом к материалам предъявляются чрезвычайно жесткие требования: отсутствие механических дефектов, центров рассеяния м поглощения, оптическая однородность и т.д. Наиболее полно этим требованиям отвечают монокристаллы диэлектриков и, в частности, монокристаллы фторидов лития, кальция, бария и магния.
Получение этих монокристаллов заключается в выращивании их из расплавов соответствующих солей. Качество продукции при этом определяется тепловыми режимами установок и, в первую очередь, температурным полем кристаллизатора, изотермы которого вблизи фронта кристаллизации должны быть близкими к плоскостям, перпендикулярным оси роста кристалла.
Учитывая высокий уровень температуры производства кристаллов /температура плавления всех перечисленных фторидов больше IIOO К/ и их прозрачность в области максимума излучения при этих температурах, можно утверждать, что температурные поля внутри выращиваемых кристаллов определяются радиационно-кондуктивным теплопереносом /РКТ/. Это затрудняет экспериментальное исследование температурных полей внутри материала, так как непрозрачные датчики /термопары, термометры сопротивления/ в условиях РКТ вызывают возмущения, влияющие на точность измерения. Поэтому основным методом исследования тепловых полей внутри частично прозрачных тел является расчет, который невозможно выполнить при отсутствии данных по свойствам, входящим в уравнение радиационное кондуктивного теплообмена.
Исследованию теплообмена в частично прозрачных средах посвящено большое количество работ /I-I5/. Однако, отсутствие, или недостаточное количество экспериментальных данных по свойствам этих материалов в области высоких температур, не позволяет разрабатывать установки, соответствующие постоянно возрастающим требованиям. Положение усугубляется и состоянием теории твердого тела, использование которой в настоящее время не дает возможности расчетным путем определять свойства кристаллов с приемлемой точностью. Использование при расчете температурных полей моделей полностью прозрачного или непрозрачного тела /I6-I8J, вызванное отсутствием данных по оптическим свойствам в области высоких температур, приводит к неудовлетворительным результатам.
Таким образом, исследования характеристик материала выливаются в самостоятельную проблему, без решения которой невозможна оптимизация процесса производства монокристаллов.
Цель работы состоит в получении экспериментальных данных по свойствам, определяющим теплоперенос в монокристаллах фторидов лития, кальция, бария и магния, в области температур от комнатных до близких к температурам плавления. С учетом прозрачности материалов в видимой и ближней ИК области спектра к таким свойствам относятся коэффициенты теплопроводности и поглощения, а также показатель преломления.
Научная новизна. I. Обоснована комплексная методика исследования теплопроводности и оптических свойств частично прозрачных, в том числе и исследованных, материалов. 2.Впервые получены результаты экспериментального исследования коэффициентов поглощения, показателей преломления и характеристик эффективного теплопереноса фторидов лития, кальция, бария и магния в области температур, близкой к плавлению. 3.Определены расчетным путем значения теплопроводности фторидов по полученным данным экспериментальных исследований.
Практическая ценность. Использование полученных данных по теплопроводности и оптическим свойствам исследованных фторидов позволяет оптимизировать конструкции и режимы работы установок для выращивания монокристаллов; рассчитывать оптические схемы и тепловые режимы установок, работающих в области высоких температур. Созданный комплекс установок может быть использован для исследования перечисленных свойств других диэлектриков при температурах до 1700 К.
Реализация работы. Работа выполнена по заданию промышленности и включена по постановлению Президиума АН УССР в республиканский план важнейших работ 197б-80гг. по решению проблем в области теплофизики /шифр 1.9.4.1/2/. Результаты работы внедрены в Государственном оптическом институте им. С.И.Вавилова с экономическим эффектом 130 тысяч рублей.
На защиту выносятся: -результаты и установка по исследованию коэффициентов поглощения; -результаты, методика и установка по исследованию показателей преломления;
-результаты и установка по исследованию эффективного теплопереноса;
-результаты расчета коэффициентов теплопроводности фторидов; -методика расчета коэффициентов теплопроводности по результатам экспериментального исследования эффективного теплопереноса и оптическим свойствам материала.
Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось на I Всесоюзной конференции "Состояние и перспективы развития методов получения искусственных монокристаллов , г.Харьков /1979г/, на УП Всесоюзной конференции по теплофизическим свойствам веществ, г.Ташкент /1983 г./, на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Киевского политехнического института, г.Киев /I977-I98I г.г./, на ХІУ конференции молодых исследователей ИТФ СОАН СССР, г.Новосибирск /1981 г./, на XXI научно-технической конференции молодых исследователей Государственного научно-исследовательского института им. Кржижановского, г.Москва, /1981 г./, на X и ХП конференциях молодых исследователей ИТТФ АН УССР, г.Киев /1979 и 1981 г.г./.
Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из семи глав, включая введение и заключение, списка использованной литературы и приложения. Во второй главе рассматривается состояние вопроса теплообмена в частично прозрачных материалах и формулируется постановка задачи, заключающейся в необходимости экспериментального исследования теплопроводности и оптических свойств материала.
В третьей главе приведен анализ существующих методов и установок для исследования коэффициента поглощения, описана установка и методика измерений, полученные результаты и их точность.
Четвертая глава по структуре соответствует третьей, однако, в этой главе рассмотрены исследования показателей преломления.
Пятая глава посвящена экспериментальному исследованию ра-диационно-кондуктивного теплопереноса через тонкий плоский слой исследуемого материала. Полученные результаты представлены в виде зависимости /Iэ рср-і (Т) . В шестой главе проведен расчет кондуктивного коэффициента теплопроводности по результатам экспериментального исследования радиационно кондуктивного теплообмена и оптических свойств фторидов.
Заключение содержит краткие выводы по результатам исследований.
Диссертационная работа имеет страниц машинописного текста, 4-2 иллюстрации. Список использованной литературы состоит из 188 наименований.
Работа выполнялась на кафедре теоретической и промышленной теплотехники Киевского ордена Ленина политехнического института по заданию Государственного оптического института им. С.И.Вавилова.
Теплофизика при производстве монокристаллов
Так как исследуемые монокристаллы представляют собой диэлектрики, то основным механизмом теплопроводности является фононная составляющая, которая в высокотемпературной области характеризуется заметным уменьшением с ростом температуры /20,23/.
Температура плавления фторидов существенно различна для каждого материала. Наименьшую температуру плавления имеет фтористый литий /1120 Е/9 а наибольшую - фторид кальция /1690 К/
Учитывая уровень температур выращивания монокристаллов и высокую их прозрачность, можно сделать вывод о радиационно-кон-дуктивном механизме переноса тепла в области высоких температур.
Имеющиеся литературные данные по теплопроводности и оптическим свойствам фторидов охватывают различный температурный диапазон для каждого материала /сводки, свойств и область исследования приведены в нижеследующих главах/. Наиболее изученным является фтористый литий, но и для него верхняя температурная граница исследования показателя преломления составляет 573 К. Монокристаллический фторид магния в области высоких температур практически не исследован. Недостаточная верхняя температурная граница исследования свойств фторидов кальция и бария не позволяет и для этих материалов проводить тепловые расчеты при высоких температурах /соответствующих температурам выращивания монокристаллов/.
Теплофизика при производстве монокристаллов
В настоящее время существует большое количество методов получения монокристаллов &Ь]\ Каждый метод имеет свои достоинства и недостатки, определяющие его использование при получении того или иного материала. Однако все методы, основанные на полу чении монокристалла из расплава, характеризуются высокими требованиями к температурным полям внутри материала в процессе его роста /Zb]\ Действительно, температурные поля определяют как собственно процесс кристаллизации, т.е. переход из одного агрегатного состояния в другое, так и его качество, под которым понимается постоянство оси роста, моноблочность, минимум дислокаций, примесных дефектов и т.д. Даже в области, удаленной от фронта кристаллизации, неудовлетворительные тепловые поля могут приводить в результате термических напряжений [1Ъ] к ухудшению качества уже полученных монокристаллов и, как предельный случай, к разрушению их. С учетом требований не только к качеству, но и количеству получаемых кристаллов становится понятной /правда, и без этого очевидная/ необходимость оптимизации температурных полей.
Эта задача сопряжена с решением уравнения теплопроводности в условиях выращивания кристалла, которому посвящено большое количество работ, например /27-337. Однако, решение этой задачи теряет смысл при отсутствии точных и надежных данных по свойствам, определяющим теплоперенос внутри самого материала.
При выращивании частично прозрачных материалов решение задачи значительно усложняется. С одной стороны это связано с трудностями математического характера в результате появления вектора радиационного потока. G другой - это приводит к необходимости исследования оптических свойств, входящих в уравнение радиационно-кондуктивного теплообмена. Несмотря на то, что решение уравнения РКТ численным методом не встречает принципиально неразрешимых проблем, возникающие при решении трудности позволяют в настоящее время рассматривать только простые геометрические формы /1-І?/.
Еще хуже положение с данными по свойствам, входящим в урав нение РКТ. При общем недостаточном их количестве следует отметить, что исследованный диапазон обычно много ниже температуры плавления. Особенно это относится к оптическим свойствам,отсутствие информации по которым приводит к использованию некорректных моделей. Так, например, верхняя граница исследования показателя преломления фторидов бария и кальция равна 600 К, в то время,как температура плавления более 1600 К для обоих фторидов.
Установка для исследования коэффициента поглощения
Недостатком этих установок при исследовании твердых образцов является увеличение длины пути луча, что приводит к перефокусировке прибора и сложность обеспечения:плотного оптического контакта между образцом и зеркалом в случае высокотемпературных измерений. Эти факторы приводят к значительному увеличению погрешности. По оценке авторов только погрешность из-за зазора между зеркалом и образцом достигает 9/о /7Ъ/»
Более простой и надежной является схема исследования без отражающих зеркал в высокотемпературной камере. Такие схемы использовались для исследования в области температур от комнатных до 1800 К /70/, Существенным их недостатком является конструктивное исполнение установок, позволяющее измерять пропускатель-ную способность одного образца, что приводит к значительной погрешности в определении коэффициента поглощения.
Исследование ряда фторидов в области температур 300-1100 К было проведено с использованием спектрометра ИКС-2І /3/. Аналогичная, но несколько видоизмененная установка описана и в работе /QlJ. Высокотемпературная приставка представляла собой блок из трех жестко связанных между собой печей, который имел возможность перемещаться так, что в оптический канал спектрометра поочередно попадала каждая печь. Внутри одной, либо двух печей располагались исследуемые образцы. Установка позволяла измерять интенсивность излучения после печей при наличии и отсутствии в них образцов.
К недостаткам установки следует отнести конструкцию приставки. Отсутствие системы охлаждения и герметичности ограничило использование установки температурой II00 К. Но даже в этом диапазоне температур не всегда удавалось произвести измерения из-за взаимодействия исследуемого материала с окружающей средой
Использование инфракрасного спектрометра ИКС-2І для высокотемпературных исследований коэффициента поглощения описано в работах 83-87.
Сравнивая различные методы исследования коэффициента поглощения можно сделать вывод, что наиболее перспективным для исследования фторидов в интересующем нас спектральном диапазоне являются методы, основанные на определении пропускательной способности образцов.
Для реализации этого метода по оптимальной схеме: источник -модулятор-образец-монохроматор-приемник возможно использование серийного прибора - ИКС-2І.
Для уменьшения ошибки определения коэффициента поглощения измерения необходимо проводить на нескольких образцах разной толщины.
Выше было показано, что оптимальным вариантом исследования температурной зависимости коэффициента поглощения является проведение измерений в модулированном до образца излучении. Эта схема реализуется в серийном спектрометре ИКС-2І. Но и при его использовании необходимо обеспечивать нормативные условия эксплуатации прибора, т.е. исключить нагрев его рабочих узлов, особенно блока монохроматора, который должен термостатироваться при температуре v 300 К. Кроме того, прибор не приспособлен для точных количественных измерений лучистых потоков, либо их отношений. По этой причине он не аттестован на класс точности, что усложняет оценку погрешности измерений. Проведенные дополнительные исследования показали, что при оптимальном использовании схемы усилителя, погрешность определения D1 / D2 для оптических толщин КН-2 не превышает 8$ в широком спектральном диапазоне.
Основной сложностью проведения эксперимента является создание высокотемпературной приставки, которая должна удовлетворять следующим требованиям: максимальная рабочая температура не меньше 1700 К и геометрический размер вдоль оптического канала не более 200 мм /размер кюветного отделения прибора/.
Конструкция спектрометра ИКС-2І дает возможность разнести блок излучателя и монохроматора. Но прибор работает в сходящемся пучке лучей и при этом происходит его расфокусировка, которая должна компенсироваться дополнительной оптикой. 0 возможности использования дополнительной линзовой оптики говорится в работе /7/, но ее использование является все-таки нежелательным из-за возможной дополнительной погрешности и ограничения исследуемого спектрального диапазона.
Конструкция приставки должна обеспечивать тепловую защиту спектрометра, возможность проведения эксперимента в вакууме и инертной среде и возможность исследования в одном опыте нескольких образцов разной толщины.
Прибор ИКС-2І работает по однолучевой схеме. Для работы по двухлучевой схеме необходимо создание дополнительной приставки //. Однако, значительно проще проводить измерения, поочередно помещая образцы в оптический канал. При этом достигается тот же положительный эффект, что и при двухлучевой схеме /учет двухкратных отражений/, но появляется возможность исследования двух и более образцов в одном опыте.
Экспериментальная установка для исследования показателя преломления
Из анализа существующих методов видно, что использование серийных приборов для проведения высокотемпературных исследований затруднительно. Наибольшие преимущества имеет последняя описанная установка.
Имеющиеся данные по показателям преломления фторидов лития, кальция и бария в области температур от 213 до 573 К /37 показывают, что температурное изменение показателя преломления слабо зависит от длины волны. С учетом того, что в области прозрачности дисперсия материалов незначительна /Ї9/, сложные спектральные измерения можно заменить монохроматическими без заметной потери точности в тепловых расчетах.
Экспериментальная установка для исследования показателя преломления прозрачных в видимой области спектра материалов основана на методе призмы. Схема измерений представлена на рис.4.1. Монохроматический луч гелий-неонового лазера I проходит входное окно 3 высокотемпературной печи-приставки, выходное окно 5 и попадает на экран б, оставляя на нем след с координатой Х-, . Если в оптический канал высокотемпературной приставки поместить призму 4 из исследуемого материала, то координата следа преломленного луча на экране 6 станет Х2. При изменении величины показателя преломления изменяется и координата преломленного луча. Для вычисления показателя преломления по отклонению XiX% необходимо знать также преломляющий угол призмы ft", ее положение относительно падающего луча и расстояние от точки выхода его из призмы до экрана.
Преломляющий угол jp измерялся перед опытом на гониометре с точностью до 0,01. Координаты Xi , Х2 определялись катетометром КМ-8/7/с точностью до 0,05 мм. При проведении высокотемпературных измерений необходимо в процессе опыта знать положение призмы относительно луча и величину преломляющего угла, которые могут изменяться в результате нагрева. Изменение как углов призмы, так и ее ориентации относительно луча, должно сказаться на изменении положения ее граней. Так как определение с высокой точностью, требуемой экспериментом, положения призмы и ее преломляющего угла в процессе опыта затруднительно, то основное внимание было уделено определению положения передней грани призмы.что достигалось контролем координаты следа, отраженного от нее луча на экране 2.
Изотермичность образца обеспечивалась конструкцией высокотемпературной приставки /рис.4.2/. Датчиками температуры являлись вольфрам-рениевые термопары ВР-5/ВР-20, заделанные в графитовый блок по высоте образца. Определенный температурный режим обеспечивался графитовым нагревателем и системой энергообеспечения, включающей в себя трансформатор ОСУ-40 и тиристорный усилитель У-252, управляемый регулятором температуры ВРТ-2. Измерения температуры осуществлялись цифровым вольтметром Щ 68000.
Опыты проводились в среде гелия или очищенного от кислорода и паров воды аргона с предварительным вакуумированием при р ставки до 10 Па. В качестве вакуумного агрегата использовались механический насос НВР-5Д, пароструйный H-IC и вакуумный затвор ДУ-85. Для проверки влияния среды на результаты исследований ряд измерений был проведен в вакууме.
Методика исследования показателя преломления Измерения показателя преломления характеризуются необходимостью точного измерения параметров и юстировки системы. перед измерением экраны 2 и б /рис.4.I/ выставляются строго вертикально, а лазер - горизонтально. При установке лазера достигалось такое его положение, что разница координат центра луча на выходном плоском зеркале /Х$/ и экране /Л//, измеренная катетометром, не превышала 0,5 мм. В этом случае угол между ГОрИЗОН-талью и осью луча не превышает 3«Ю градуса. Полученная координата следа луча на экране Є-Xf является точкой отсчета. При установке образца в высокотемпературной приставке без окон добиваются того, чтобы след отраженного от передній грани луча на экране был незначительно смещен по вертикали от оси падающего. Затем измерительной линейкой с погрешностью 0; 5 мм определяется расстояние от вершины призмы до экранов / 0 , 0 /, а катетометром - координаты вершины призмы и следов луча на образце и экранах. По этим величинам рассчитывается значение показателя преломления материала.
При использовании относительной методики обработки данных по полученным результатам уточняется значение угла , так как именно эта составляющая погрешности вносит основной вклад в ошибку измерения.
Затем устанавливается входное окно установки таким образом, чтобы не изменилось положение отраженного от передней грани призмы луча.
Особое внимание уделяется отсутствию клиновидности окна и установке его нормально падающему лучу. Проверка окон на клино-видность осуществлялась следующим образом. В случае клиновидности окна на экране 2 появляются два пятна, соответствующие следам отраженных от передней и задней граней лучей.
Методика проведения эксперимента
На основании проведенного анализа можно сделать вывод о том, что минимальная погрешность экспериментального исследования коэффициента теплопроводности в области температур более 1300 К не может быть меньше 7-9%. Это связано как с воспроизводи-" мостью различных материалов, так и техническим обеспечением эксперимента. В таких условиях метод исследования должен определяться наибольшей точностью и достоверностью получаемых данных. Этой цели отвечает наиболее разработанный и обоснованный абсолютный стационарный метод плоского слоя.
Экспериментальная установка, реализующая этот метод, состо ит из водоохлаждаемого герметичного корпуса, выполненного в виде бака диаметром 430 мм и высотой 500 мм, внутри которого расположен рабочий узел /рис.5.1/. Общий температурный уровень создается фоновой печью I, представляющей собой алундовую трубу /0 ПО мм/, с бифилярно намотанной на нее вольфрамовой проволокой. Для создания определенного профиля температур в рабочем узле используется трехсекционный нагреватель 2, аналогичный по конструкции печи I, но имеющий меньший диаметр алундового каркаса / 90 мм/. В качестве тепловой изоляции используется 5-ти слой-ная система экранов 16. Рабочий узел представляет собой столбик, состоящий из графитового основания б, в нижней части которого расположен нагреватель 9, служащий для компенсации тепловых потерь по столбику при выключенном основном нагревателе 10. Основной нагреватель выполнен в виде двух плоских, толщиной около I мм шлифованных алундовых пластин, между которыми расположено омическое сопротивление 10, сделанное в виде змейки из платиновой фольги, толщиной 0,25 мм. Из такой же фольги выполнены две прокладки 7, отделяющие образец 8 от графитового блока и нагревателя. Контроль отсутствия боковых утечек тепла обеспечивается двадцатиспайной платинородиевой термобатареей 4, смонтированной на пеноалундовом каркасе 3. Контроль адиабатных условий с верхней и боковой поверхностей нагревателя осуществляется аналогичными термобатареями 12 и 5. Для придания жесткости системе верхняя гипертермопара 12 помещена в алундовый корпус II. Пространство между корпусом II, нагревателем 13 и каркасом заполнено порошком окиси алюминия. Термо-э.д.с. этих гипертермопар является управляющим сигналом для высокоточных регуляторов температуры ВРТ-3, питающих компенсационные нагреватели 2 и 12. Мощность нагревателя 15 регулируется вручную через автотрансформатор PH0-250-I0 по показанию гипертермопары 5.
Измерительные термопары Pi/PiRh 10 по две с каждой стороны от образца, подварены к платиновым прокладкам 7. Для исключения взаимодействия материала термопар с графитом между платиновой пластиной 7 и основанием б устанавливалась кварцевая пластина толщиной 2 мм. Через переключатели ПМТ-б и ПМТ-20 термопары подключены к потенциометру Р-307, либо микровольигётру $-30 /рис.5.2/. Мощность основного нагревателя регулируется стабилизированным источником питания СИП-30. Для измерения силы тока в цепи используется образцовая катушка Р-322 с номинальным сопротивлением 0,001 Ом. Остальные нагреватели запитаны от стабилизатора напряжения С-ЗС. Индивидуальная регулировка каждого нагревателя осуществлялось через однофазный регулятор напряжения PH0-250-I0, а общая - через РНО-250-20. Контроль напряжения нагревателей производился универсальным цифровым вольтметром В 7-16.
Вакуумная система, состоящая из механического насоса ВН-ІМГ, паромаслянного Н-5С и затвора, обеспечивала предвари р тельный вакуум в камере v 10 Па. Измерение разряжения осуществлялось термопарной и ионизационными лампами, подключенными к прибору ВИТ-2. Для уменьшения контактного термического сопротивления использовалось прижимное устройство рычажного типа, создающее усилие сжатия на измерительном
