Εισαγωγή
Μόνο τα συστήματα flash που διαθέτουν υψηλή ευαισθησία, κατάλληλο πλάτος παλμού και προηγμένη αξιολόγηση δεδομένων μπορούν να μετρήσουν με ακρίβεια λεπτά, ιδιαίτερα αγώγιμα υλικά. Η μεγαλύτερη πρόκληση κατά τη μέτρηση τέτοιων υλικών είναι ο εξαιρετικά σύντομος χρόνος μέτρησης. Αυτό απαιτεί τόσο υψηλό ρυθμό απόκτησης δεδομένων όσο και πολύ χαμηλό πλάτος παλμού.
Ο χαλκός είναι ένα τέλειο παράδειγμα για αυτό. Με πάχος από 0,3 mm έως μερικά χιλιοστά, χρησιμοποιείται συχνά ως διαχύτης θερμότητας, στρώμα υποστρώματος ή ως δομημένη πλάκα ψύξης, όπου απαιτείται τόσο πλευρική κατανομή θερμότητας όσο και αξιόπιστη μηχανική ενσωμάτωση. Τυπικές εφαρμογές μπορούν να βρεθούν στα ηλεκτρονικά ισχύος, στην τεχνολογία μπαταριών και σε συναρμολογήσεις υπό υψηλή θερμική καταπόνηση, όπου ο συμπαγής σχεδιασμός και η αποτελεσματική απαγωγή θερμότητας είναι ζωτικής σημασίας.
Μέθοδος και μετρήσεις Συνθήκες
Το LFA 707 StratoFlash®Classic είναι εξοπλισμένο με ένα λέιζερ που επιτυγχάνει υψηλή πυκνότητα ενέργειας, η οποία είναι ιδιαίτερα απαραίτητη σε υψηλές θερμοκρασίες. Ωστόσο, κατά τη μέτρηση λεπτών υλικών, η χαμηλή εισροή ενέργειας είναι απαραίτητη για την αποφυγή ζημιών και υπερθέρμανσης.
Χάρη στο ρυθμιζόμενο πλάτος παλμού και την τάση του, το LFA 707 StratoFlash®Classic μπορεί να προσαρμόσει την εισερχόμενη ενέργεια στις απαιτήσεις της μέτρησης. Ο ανιχνευτής διαθέτει ρυθμό συλλογής δεδομένων 2 MHz, εξασφαλίζοντας επαρκή αριθμό σημείων δεδομένων ακόμη και στους πιο σύντομους χρόνους μέτρησης.
Οι συνθήκες μέτρησης περιγράφονται λεπτομερώς στον πίνακα 1.
Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης
| Υλικό | Καθαρός χαλκός |
| Πάχος | 0.32 mm έως 4 mm |
| Υποδοχή δείγματος | Ø 12,7 mm |
| Θερμοκρασία | Θερμοκρασία δωματίου |
| Πλάτος παλμού | 100 έως 600 μs |
| Μοντέλο | Τυπικό μοντέλο, βασισμένο στο Cape Lehmann με διόρθωση παλμού |
Αποτελέσματα μετρήσεων και συζήτηση
Στο Σχήμα 1 απεικονίζεται η θερμική διαχυτότητα του χαλκού διαφορετικού πάχους, που κυμαίνεται από 0,32 mm έως 4 mm. Όλα τα αποτελέσματα είναι εντός ±2,5 % σε σύγκριση με τη βιβλιογραφική τιμή περίπου 117 mm²/s σε θερμοκρασία δωματίου [1].
Το μήκος του παλμού ρυθμίστηκε ανάλογα με το πάχος και το χρόνο μέτρησης, από 100 μs έως 600 μs. Ο χρόνος ημίσειας διάρκειας (t1/2) κυμαινόταν σε δύο τάξεις μεγέθους από περίπου 210 μs για το δείγμα 0,32 mm έως 24 ms για το παχύτερο δείγμα με 4 mm.
Το Σχήμα 2 δείχνει τα σήματα για τα δείγματα ελάχιστου και μέγιστου πάχους. Ο λόγος σήματος προς θόρυβο και των δύο μετρήσεων δεν είναι ιδανικός. Αυτό οφείλεται στη χαμηλή εισροή ενέργειας που χρησιμοποιείται για την αποφυγή της υπερθέρμανσης και στις μετρήσεις που πραγματοποιούνται σε θερμοκρασία δωματίου. Παρ' όλα αυτά, το μαθηματικό μοντέλο ταιριάζει απόλυτα με τα δεδομένα, γεγονός που είναι κρίσιμο για την επίτευξη εξαιρετικά ακριβών αποτελεσμάτων. Στην ανάλυση της λάμψης λέιζερ, τα μαθηματικά μοντέλα που χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της θερμικής διάχυσης βασίζονται στην αναλυτική λύση της εξίσωσης αγωγής θερμότητας, υποθέτοντας στιγμιαία εισαγωγή ενέργειας (παλμός Dirac). Στην πραγματικότητα, ωστόσο, ο παλμός λέιζερ έχει πάντα πεπερασμένη διάρκεια. Για δείγματα με σχετικά μεγάλο χρόνο μέτρησης, η διάρκεια του παλμού είναι συνήθως πολύ μικρότερη από τον χαρακτηριστικό χρόνο μέτρησης, καθιστώντας τις αποκλίσεις από την ιδανική υπόθεση αμελητέες (σχήμα 2: χαλκός 4 mm).
Για υλικά με υψηλή αγωγιμότητα, όπως ο χαλκός, ειδικά κατά τη μέτρηση λεπτών δειγμάτων, η θερμική απόκριση εμφανίζεται σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Σε τέτοιες περιπτώσεις, η διάρκεια του παλμού είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με τον χαρακτηριστικό χρόνο διάχυσης του δείγματος (σχήμα 2: χαλκός 0,32 mm). Αυτό οδηγεί σε επικάλυψη μεταξύ της φάσης θέρμανσης και της θερμικής απόκρισης του δείγματος, η οποία μπορεί να παραμορφώσει την καμπύλη θερμοκρασίας και, κατά συνέπεια, την υπολογιζόμενη θερμική διαχυτότητα.
Διόρθωση παλμού
Για να ληφθεί υπόψη αυτό το φαινόμενο, το λογισμικό ανάλυσης NETZSCH LFA Proteus® εφαρμόζει αυτόματα τη διόρθωση εκθετικού παλμού [2]. Αντί να θεωρείται στιγμιαία εισαγωγή ενέργειας, κατά την αξιολόγηση λαμβάνεται υπόψη το πραγματικό σήμα του παλμού λέιζερ. Αυτό επιτυγχάνεται με την ενσωμάτωση του σήματος του παλμού μέσω συνέλιξης, επιτρέποντας τη συνεκτίμηση της χρονικά εξαρτώμενης εισροής θερμότητας στον υπολογισμό της απόκρισης θερμοκρασίας. Με αυτόν τον τρόπο, η αξιολογούμενη θερμική διαχυτότητα αντικατοπτρίζει τις πραγματικές πειραματικές συνθήκες και όχι έναν εξιδανικευμένο στιγμιαίο παλμό.
Λαμβάνοντας υπόψη την πραγματική μορφή του παλμού κατά την αξιολόγηση, η διόρθωση του παλμού βελτιώνει σημαντικά την ακρίβεια του προσδιορισμού της θερμικής διαχυτότητας για λεπτά και ιδιαίτερα αγώγιμα δείγματα. Αυτό καθίσταται όλο και πιο σημαντικό καθώς μειώνεται το πάχος του δείγματος και αυξάνεται η θερμική διαχυτότητα.
Για εξαιρετικά σύντομους χρόνους μέτρησης και, συνεπώς, για εξαιρετικά σύντομο t1/2, μια ισχυρή και ακριβής διόρθωση παλμού είναι το σημαντικότερο χαρακτηριστικό ανάλυσης. Αυτό παρουσιάζεται στο σχήμα 3. Όπως και στο σχήμα 1, οι μπλε κουκκίδες αντιπροσωπεύουν τη θερμική διαχυτότητα του χαλκού με διαφορετικά πάχη. Σε αυτή την περίπτωση, η διόρθωση παλμού χρησιμοποιήθηκε για την αξιολόγηση. Τα πορτοκαλί τρίγωνα αντιπροσωπεύουν τις ίδιες μετρήσεις, αλλά η αξιολόγηση πραγματοποιήθηκε χωρίς διόρθωση παλμού. Η μείωση του πάχους του δείγματος - με αποτέλεσμα μικρότερους χρόνους μέτρησης - οδηγεί σε αυξημένα σφάλματα που προκαλούνται από την επικάλυψη παλμών.
Συμπέρασμα
Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι ακόμη και λεπτά, εξαιρετικά αγώγιμα δείγματα χαλκού με εξαιρετικά σύντομους χρόνους θερμικής απόκρισης μπορούν να μετρηθούν με ακρίβεια με τη χρήση του LFA 707 StratoFlash®Classic . Ο συνδυασμός ρυθμιζόμενου ελέγχου παλμών, απόκτησης δεδομένων υψηλής ταχύτητας και προηγμένης διόρθωσης παλμών εξασφαλίζει αξιόπιστα αποτελέσματα θερμικής διάχυσης ακόμη και υπό απαιτητικές συνθήκες μέτρησης. Αυτό καθιστά το LFA 707 StratoFlash®Classic μια ισχυρή λύση για τον χαρακτηρισμό υλικών με πολύ υψηλή θερμική διαχυτότητα