مقدمة
يمكن فقط لأنظمة الوميض التي تتميز بحساسية عالية وعرض نبض مناسب وتقييم بيانات متقدم أن تقيس بدقة المواد الرقيقة عالية التوصيل. التحدي الأكبر عند قياس مثل هذه المواد هو وقت القياس القصير للغاية. ويتطلب ذلك معدل مرتفع للحصول على البيانات وعرض نبضي منخفض للغاية.
ويعد النحاس مثالاً مثاليًا على ذلك. حيث يبلغ سمكه من 0.3 مم إلى عدة ملليمترات، وغالبًا ما يستخدم كموزع حراري أو طبقة ركيزة أو كلوحة تبريد منظمة، حيث يتطلب الأمر توزيعًا جانبيًا للحرارة وتكاملًا ميكانيكيًا موثوقًا. يمكن العثور على التطبيقات النموذجية في إلكترونيات الطاقة وتكنولوجيا البطاريات والتركيبات تحت ضغط حراري مرتفع، حيث يكون التصميم المدمج والتبديد الفعال للحرارة أمرًا بالغ الأهمية.
شروط الطريقة والقياسات
تم تجهيز جهاز LFA 707 StratoFlash®Classic بالليزر الذي يحقق كثافة طاقة عالية، وهو أمر ضروري بشكل خاص في درجات الحرارة العالية. ومع ذلك، عند قياس المواد الرقيقة، فإن مدخلات الطاقة المنخفضة ضرورية لمنع التلف والسخونة الزائدة.
وبفضل عرض النبض والجهد القابل للتعديل، يمكن لجهاز LFA 707 StratoFlash®Classic تكييف مدخلات الطاقة مع متطلبات القياس. يتميز الكاشف بمعدل اكتساب بيانات يبلغ 2 ميجاهرتز، مما يضمن عددًا كافيًا من نقاط البيانات حتى في أقصر أوقات القياس.
شروط القياس مفصلة في الجدول 1.
الجدول 1: شروط القياس
| المادة | نحاس نقي |
| السُمك | 0.32 مم إلى 4 مم |
| حامل العينة | قطر 12.7 مم |
| درجة الحرارة | درجة حرارة الغرفة |
| عرض النبض | 100 إلى 600 ميكروثانية |
| الطراز | النموذج القياسي، على أساس كيب ليمان مع تصحيح النبض |
نتائج القياس والمناقشة
يوضح الشكل 1 الانتشار الحراري للنحاس بسماكات مختلفة تتراوح من 0.32 مم إلى 4 مم. وكانت جميع النتائج في حدود ± 2.5% مقارنةً بالقيمة الأدبية التي تبلغ حوالي 117 مم²/ثانية عند درجة حرارة الغرفة [1].
تم ضبط طول النبضة وفقًا للسمك وزمن القياس، حيث تراوح بين 100 ميكروثانية و600 ميكروثانية. تباين نصف الزمن (t1/2) على رتبتين من المقادير من حوالي 210 ميكروثانية للعينة 0.32 مم إلى 24 مللي ثانية للعينة الأكثر سُمكًا بسمك 4 مم.
يوضح الشكل 2 إشارات العينات ذات السُمك الأدنى والأقصى. نسبة الإشارة إلى الضوضاء لكلا القياسين ليست مثالية. ويرجع ذلك إلى انخفاض مدخلات الطاقة المستخدمة لمنع ارتفاع درجة الحرارة وإجراء القياسات في درجة حرارة الغرفة. ومع ذلك، فإن النموذج الرياضي يناسب البيانات تمامًا، وهو أمر بالغ الأهمية لتحقيق نتائج دقيقة للغاية. في تحليل الوميض الليزري، تعتمد النماذج الرياضية المستخدمة لتحديد الانتشار الحراري على الحل التحليلي لمعادلة التوصيل الحراري، بافتراض وجود مدخلات طاقة لحظية (نبضة ديراك). ولكن في الواقع، يكون لنبض الليزر دائمًا مدة محدودة. بالنسبة للعينات ذات زمن القياس الطويل نسبيًا، عادةً ما تكون مدة النبضة أقصر بكثير من زمن القياس المميز، مما يجعل الانحرافات عن الافتراض المثالي ضئيلة (الشكل 2: نحاس 4 مم).
بالنسبة للمواد عالية التوصيل مثل النحاس، خاصةً عند قياس العينات الرقيقة، تحدث الاستجابة الحرارية خلال وقت قصير جدًا. في مثل هذه الحالات، تكون مدة النبضة من نفس ترتيب حجم زمن الانتشار المميز للعينة (الشكل 2: نحاس 0.32 مم). ويؤدي ذلك إلى تداخل بين مرحلة التسخين والاستجابة الحرارية للعينة، مما قد يؤدي إلى تشويه منحنى درجة الحرارة وبالتالي الانتشار الحراري المحسوب.
تصحيح النبض
لمراعاة هذا التأثير، يطبق برنامج التحليل NETZSCH LFA Proteus® تلقائيًا تصحيح النبض الأسي [2]. بدلاً من افتراض مدخلات الطاقة اللحظية، يتم أخذ الإشارة الحقيقية لنبض الليزر في الاعتبار أثناء التقييم. ويتحقق ذلك من خلال دمج إشارة النبضة من خلال الالتفاف، مما يسمح بأخذ مدخلات الحرارة المعتمدة على الوقت في الاعتبار عند حساب استجابة درجة الحرارة. بهذه الطريقة، يعكس الانتشار الحراري المقيَّم الظروف التجريبية الفعلية بدلاً من النبضة اللحظية المثالية.
من خلال مراعاة شكل النبض الفعلي أثناء التقييم، يحسن تصحيح النبض بشكل كبير من دقة تحديد الانتشار الحراري للعينات الرقيقة وعالية التوصيل. تزداد أهمية ذلك مع انخفاض سُمك العينة وزيادة الانتشار الحراري.
بالنسبة لأزمنة القياس القصيرة للغاية وبالتالي القصيرة للغاية أيضًا t1/2، فإن تصحيح النبض القوي والدقيق هو أهم ميزة تحليل. وهذا موضح في الشكل 3. كما في الشكل 1، تمثل النقاط الزرقاء الانتشار الحراري للنحاس بسماكات مختلفة. في هذه الحالة، تم استخدام تصحيح النبض للتقييم. تمثل المثلثات البرتقالية نفس القياسات، ولكن تم إجراء التقييم بدون تصحيح النبض. يؤدي تقليل سُمك العينة - مما يؤدي إلى أزمنة قياس أقصر - إلى زيادة الأخطاء الناتجة عن تداخل النبضات.
الخاتمة
تُظهر النتائج أنه حتى العينات النحاسية الرقيقة عالية التوصيل ذات أزمنة الاستجابة الحرارية القصيرة للغاية يمكن قياسها بدقة باستخدام LFA 707 StratoFlash®Classic . ويضمن الجمع بين التحكم في النبض القابل للتعديل والحصول على البيانات عالية السرعة والتصحيح المتقدم للنبض نتائج موثوقة للانتشار الحراري حتى في ظل ظروف القياس الصعبة. وهذا يجعل من LFA 707 StratoFlash®Classic حلاً قويًا لتوصيف المواد ذات الانتشار الحراري العالي جدًا