CC BY
4РАЗРАБОТКА ОПТИЧЕСКОГО ПРИБОРА ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ КАВИТАЦИОННОЙ ОБЛАСТИ
УДК 53.087.52
РАЗРАБОТКА ОПТИЧЕСКОГО ПРИБОРА ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ КАВИТАЦИОННОЙ ОБЛАСТИ
И.И. Савин, Ю.А. Галенко, О.В. Старыгина, Е.И. Парфутчик
Предложен способ и оптический прибор, предназначенные для контроля состояния кавитационной области, инициированной ультразвуком. Показано, что прибор позволяет определить наличие и момент «схлопывания» кавитационных пузырей по резкому изменению интенсивности рассеянного света, что позволяет использовать полученные результаты в схемах автоматического регулирования интенсивности ультразвукового воздействия на жидкие среды, а также для экспериментальной проверки моделей кави-тационного процесса.
Ключевые слова: кавитация, кавитационная ультразвуковое излучение, рассеяние света.
Введение
Оптические методы исследования дисперсных систем часто применяются для определения параметров кавитационной области, инициированной ультразвуком в жидкости [1, 2]. Для управления интенсивностью кавитационного процесса перспективно использование взаимосвязей таких параметров кавитационной области, как размер, количество, время жизни пузырьков, с оптическими характеристиками, в качестве которых обычно используют коэффициенты ослабления и рассеяния света.
Цель работы - выявление взаимосвязи между параметрами кавитационной области и её коэффициентом рассеяния, и создание на этой основе прибора, оценивающего эффективность ультразвукового воздействия.
В работе рассматривается влияние фазы ультразвуковых колебаний на интенсивность света, рассеиваемого кавитационной областью, поскольку диаметр кавитационных пузырей и их количество зависят от фазы
Для выделения определённой фазы колебаний используется стробоскопический эффект: кавитационную область освещают короткими оптическими импульсами (порядка 1/100 периода ультразвуковых колебаний), момент возникновения которых синхронизован с заданной фазой акустических колебаний. Рассеянное кавитационной областью оптическое излучение регистрируется фотоприемником в течение ~100 периодов акустических колебаний, что позволяет получить достаточный для измерения уровень сигнала.
Схема предлагаемого оптического прибора приведена на рисунке 1.
область, кавитационный пузырь, дисперсная система,
Рисунок 1 - Схема прибора для контроля кавитационной области
Цифрами на рисунке обозначены: 1 -ультразвуковой генератор, 2 - ультразвуковая колебательная система, 3 - ультразвуковой излучатель, 4 - кавитационная область, 5 - формирователь электрических импульсов, 6 - импульсный источник света, 7 - пучок оптического излучения, 8 - кавитационная область, 9 - рассеянное излучение, 10 - фотоприемник.
Характеристики используемой аппаратуры: ультразвуковой генератор имел мощность 20 Вт и частоту 20 кГц. В качестве импульсного источника излучения использовались полупроводниковый лазер мощностью 50 мВт, с длиной волны 630 нм, обеспечивающий частоту импульсов не менее 100 КГц, а также светодиоды с длиной волны излучения 400 нм. В качестве формирователя электрических импульсов использовался модифицированный генератор Г5-54, позволяющий получать импульсы длительностью 1 мкс с запаздыванием Д! от 10 мкс до 10 мс относительно фиксированной фазы ультразвуковых колебаний.
И.И. САВИН, Ю.А. ГАЛЕНКО, О.В. СТАРЫГИНА, Е.И. ПАРФУТЧИК
161
РАЗДЕЛ IV. ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ
В качестве дисперсионной среды использовались дистиллированная вода и этанол в условиях ультразвуковой кавитации.
Рисунок 2 иллюстрирует зависимость интенсивности (Е) рассеянного кавитационной областью излучения, при освещении ее излучением полупроводникового лазера с длиной волны 630 нм, от запаздывания Л1.
Рисунок 2 - Интенсивность рассеянного излучения Е, в зависимости от запаздывания А1 при длине волны 630 нм
Из графика видно, что при изменении фазы формирования импульса света интенсивность рассеянного излучения в течение короткого промежутка времени т скачкообразно изменяется от максимального значения до значений, близких к нулю. Такое изменение наблюдается и при длине волны света 400 нм (Рисунок 3). Столь быстрое исчезновение рассеивающих оптических неоднород-ностей можно объяснить только «схлопыва-нием» кавитационных пузырей.
Рисунок 3 - График зависимости яркости изображения кавитационной области, при освещении ее излучением светодиода с длиной волны 400 нм
Эффект резкого уменьшения интенсивности рассеянного излучения наблюдается для различных жидкостей (воды и этанола) и различных длин волн (630 и 400 нм) и, видимо, может использоваться как сигнал об эффективности ультразвукового воздействия, о том, что в данном процессе существенная часть кавитационных пузырей успевает «схлопываться», выделяя большую энергию.
Некоторые различия между вторым и третьим рисунками можно объяснить, сравнивая результаты экспериментов с результатами расчета коэффициента рассеяния света (рисунок 4) [5]
крассХ!
красс_Х2
1 / / Л \ / ' V ч _ - * - -
/ / \ * 1 * \ 2
! / • / 1 /
0 12 3 4
(1
Рисунок 4 - Зависимость коэффициента рассеяния от диаметра кавитационных пузырей для излучения с длинами волн 400 нм (1) и 630 нм(2
Из рисунка 4 видно, что коэффициент рассеяния излучения пузырями диаметром менее 1 мкм для длины волны 400 нм существенно выше, чем для 630 нм. Поэтому прибор с меньшей длиной волны реагирует на более мелкие оптические неоднородности, его сигнал позже опускается до минимального значения и раньше начинает расти при увеличении размеров пузырей.
Более позднее «схлопывание» пузырей в этаноле, чем в водной среде, объясняется различием значения коэффициента поверхностного натяжения у этих жидкостей: для воды он составляет 71 мН/м, а для этанола 22 мН/м при температуры 300 С.
Выводы
В результате исследования влияния фазы ультразвуковых колебаний на интенсивность света, рассеиваемого кавитационной областью, выявлен эффект скачкообразного краткого изменения интенсивности рассеянного излучения от максимального до значения, близкого к нулю, объясняемый «схлопы-ванием» существенного количества кавита-ционных пузырей. На основании обнаруженного эффекта предложена схема и реализован макетный образец оптического прибора
ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 3/2, 2012
КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ОМИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ НЕПОСРЕДСТВЕННО В ПРОЦЕССЕ ИХ ОТЖИГА
(Рисунок 1). Уже в существующем виде метод и прибор позволяют обнаружить момент захлопывания кавитационных пузырей и момент начала следующего цикла их роста. Следовательно, метод дает информацию о времени роста кавитационной области и о времени нахождения пузырей в стадии зародышей. Эта информация, даже в отсутствии данных об абсолютном значении размеров пузырей, уже представляет значительную ценность, как для проверки адекватности моделей кавитационных процессов, так и для целей управления кавитационным процессом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Архипов, В.А., Лазерные методы диагностики гетерогенных потоков. [Текст] / В.А. Архипов -Томск: издательство Томского университета, 1987 г. - 140 с.
2. Степанова, Б.И. Теоретические и прикладные проблемы рассеяния света. [Текст] / Б.И. Степанов/ - Минск: Наука и техника, 1972 г. - 487 с.
3. Леонов, Г.В. Автоматизация процесса измерения амплитуды колебаний излучающей поверхности ультразвуковой колебательной системы. [Текст] / Г.В. Леонов, В.Н. Хмелев, И.И. Савин, Д.С. Абраменко // International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM'2005 - 2005.
4. Хмелев, В.Н. Способ измерения амплитуды колебаний излучающей поверхности ультразвуковой колебательной системы. [Текст] / В.Н. Хмелев, Д.С. Абраменко, И.И. Савин // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях. - Бийск, АлтГТУ, 2004.
5. Старыгина, О.В. Особенности нефелометрии при соизмеримости дисперсных частиц с длиной волны излучения. [Текст] / О.В. Старыгина, Ю.А. Галенко, М.О. Сысоева // Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: Материалы 4-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием (27-29 апреля 2011 г., г. Бийск) / Алт. Гос. Техн. Ун-т, БТИ. - Бийск: Изд-во Алт. Гос. Техн. Ун-та, 2011. - С. 127-133.
к.т.н., доцент И.И. Савин - Бийский технологический институт, кафедра физики, [email protected], (3854)368244; д.ф-м.н, проф. Ю.А. Галенко - Бийский технологический институт, кафедра информатики и вычислительной математики, [email protected], (3854)435269; аспирант О.В. Старыгина - Бийский технологический институт, кафедра информатики и вычислительной математики, [email protected], (3854)435329; инженер Е.И. Парфутчик - Бийский технологический институт, кафедра экономики, [email protected], (3854)435311.
УДК 621.383
КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ОМИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ НЕПОСРЕДСТВЕННО В ПРОЦЕССЕ ИХ ОТЖИГА
В.В. Дохтуров, С.В. Смирнов, А.В. Юрченко, В.И. Юрченко
Проведен анализ процесса отжига омических контактов к полупроводниковым структурам на основе арсенида галлия и его твердых растворов с контролем сопротивления непосредственно в процессе отжига. Приведена эмпирическая формула зависимости приведенного поверхностного сопротивления от температуры. Представлена физическая модель формирования омических контактов.
Ключевые слова: омический контакт, сопротивление, контроль.
Введение
Омические контакты являются важнейшим элементом полупроводниковых приборов и интегральных схем, и их качество в значительной мере определяет эксплуатационную устойчивость и надежность изделий. Наиболее распространенным материалом контакта к структурам на основе арсенида галлия л-типа является сплав AuGe. Установлено [1,2], что на качество и величину приведенного поверхностного сопротивления рк омических контактов (ОК) влияет режим
термической обработки: длительность отжига t, максимальная температура отжига Т , скорости нагрева и охлаждения. Большое влияние оказывает и вид термической обработки; это может быть как традиционная печная обработка, так и обработки с помощью источников некогерентного излучения, лазеров, электронных и ионных пучков. Наиболее важными параметрами, характеризующими процесс отжига, являются:
• морфология поверхности омических контактов,
В.В. ДОХТУРОВ, С.В. СМИРНОВ, А.В. ЮРЧЕНКО, В.И. ЮРЧЕНКО
163
