مقدمة
إن استخدام أنظمة الليزر/الوميض الضوئي (LFA) لتحديد الانتشار الحراري راسخ - وتحديداً في مجالات اختبار الخواص الفيزيائية الحرارية. ويترافق تطوير مواد أو مكونات إلكترونية جديدة مع تحسين أنظمة LFA التقليدية. وقد صُمم جهاز LFA 467 HT HyperFlash لتلبية المتطلبات الناشئة عن الاتجاهات في كل من التطبيقات العلمية والصناعية. مجموعة متنوعة من الميزات الجديدة - مثل تطبيقات الوميض إلى ما بعد 1250 درجة مئوية، و ZoomOptics ، ومعدل أخذ العينات فائق السرعة (2 ميجاهرتز)، وعرض النبض القصير (أقل من 20 ميكروثانية)، وما إلى ذلك. - تستوعب متطلبات أحدث التطبيقات مثل المواد الرقيقة وعالية التوصيل (الأغشية الرقيقة).
وعلاوة على ذلك، تجد أنظمة LFA التقليدية طريقها إلى جميع أنواع المختبرات بدءًا من البحث والتطوير إلى ضمان الجودة. ويتطلب الاستخدام الواسع النطاق لهذه التقنية خصائص إضافية لمعالجة القضايا العملية. إلى جانب الدقة العالية والبصمة الصغيرة، غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى إنتاجية عالية للعينات. ويمكن تحقيق ذلك عن طريق استخدام مبادل العينات الأوتوماتيكي أو فرن سريع أو مزيج من الاثنين معًا.
يوفر LFA 467 HyperFlash® 467 مثل هذا المزيج في شكل أربعة أفران فردية سريعة الاستجابة لأربعة أفران صغيرة أنبوبية فردية سريعة الاستجابة لما مجموعه أربع عينات (الشكل 2). يتم ترتيبها في مربع على نفس المستوى وتتميز بسلوك استقرار فائق. يحتوي كل فرن أنبوبي صغير على مزدوج حراري خاص به؛ ويوفر هذا التصميم توزيعًا متجانسًا لدرجة الحرارة في جميع العينات، وهو أمر مفيد لتحديد الحرارة النوعية (cp). بالإضافة إلى ذلك، يتم تبريد المنطقة المحيطة بالماء ويتميز نظام الفرن بأكمله بكتلة حرارية منخفضة. إن الجمع بين هذه الميزات المحددة لا يضمن فقط إنتاجية عالية للعينات، ولكنه أيضًا شرط أساسي لأوقات القياس القصيرة.
شروط القياس والنتائج
- العينة: بيروسيرام (قطر 12.7 مم؛ سمك 2.5 مم)
- نطاق التسخين: 25 درجة مئوية ← 1000 درجة مئوية ← 30 درجة مئوية بدرجات K
- معدّل التسخين: 50 كلفن/الدقيقة (الحد الأقصى لمعدل التسخين)
- الغلاف الجوي: الأرجون
- الطلقات 1 طلقة لكل خطوة درجة حرارة
- معايير الثبات 0.3 كلفن/20 ثانية
- ΔT: 3 كلفن
يوضح المثال التالي مزايا LFA 467 HT HyperFlash على أنظمة LFA ذات الفرن التقليدي المبرد بالهواء.
تُظهر المقارنة في الشكل 3 بوضوح أن زمن التثبيت للفرن الأنبوبي الصغير عالي السرعة المزود بالتبريد بالماء أسرع بثلاث مرات تقريبًا. وهذا يسير جنبًا إلى جنب مع إنتاجية أعلى للعينات. Within six hours, the LFA 467 HT HyperFlash® is able to measure 12 specimens (four samples at the same time) at temperatures of up to 1000°C. تُظهر أنظمة LFA التقليدية المزودة بتبريد الهواء - حتى تلك التي تتمتع بقدرات أكبر في مجال التبريد الهوائي - صعوبات في تحقيق مثل هذه الإنتاجية العالية بسبب ضعف سلوك الاستقرار.
يصور الشكل 4 وقت التثبيت السريع جدًا لنظام LFA 467 HT HyperFlash مقارنةً بالنظام التقليدي. من خلال تطبيق معدل التسخين الأقصى البالغ 50 كلفن/دقيقة حتى خطوة درجة الحرارة الأولى عند 100 درجة مئوية، يمكن تنفيذ اللقطة الأولى في غضون 8 دقائق. وعلى النقيض من الفرن التقليدي مع تبريد الهواء، فإن الكتلة الحرارية المنخفضة لنظام الفرن ذي 4 أنابيب صغيرة لا تُظهر أي ارتفاع في درجة الحرارة ووقت استقرار قصير للغاية. توضح المقارنة بين نتائج الانتشار الحراري التي تم الحصول عليها من خلال القياسات على Pyroceram بمعدلات تسخين مختلفة قابلية التكرار العالية التي يمكن تحقيقها - حتى عند استخدام معدل التسخين الأقصى البالغ 50 كلفن/الدقيقة (الشكل 5).
يسمح وقت التثبيت المنخفض لنظام الفرن عالي السرعة المكون من 4 أنابيب صغيرة والقدرة الناتجة على تطبيق طلقات LFA دون انقطاع بأوقات اختبار سريعة جدًا. يرسم الشكل 6 نتائج الانتشار الحراري مقابل الزمن. عند معدل تسخين 50 كلفن/دقيقة، اكتمل القياس بعد 60 دقيقة فقط - في حين زاد وقت الاختبار إلى 170 دقيقة عند معدل تسخين 10 كلفن/دقيقة.
الخاتمة
تتميز أفران الأنابيب المصغرة لأفران LFA 467 HT HyperFlash بوقت استقرار ممتاز، مما يسمح بإجراء القياسات بوتيرة متسارعة. وهذا يجعل من الأفران ذات 4 أنابيب صغيرة إلى نظام عالي السرعة يمكن تشغيله بأعلى معدلات التسخين دون التعرض لفقدان في التكاثر والدقة. حتى أن سرعة الاختبار العالية تسمح بإنتاجية أسرع من تلك التي تتيحها الأنظمة المزودة بمبدلات العينات الأوتوماتيكية لأكثر من 4 عينات.