Спосіб фотоакустичного дослідження зразків та пристрій для його здійснення

Реферат: Винахід належить до галузі фізики, зокрема до методів дослідження та діагностики твердотільних структур. Спосіб фотоакустичного дослідження зразків полягає в тому, що зразок розміщують всередині фотоакустичної комірки та опромінюють модульованим світлом, чим періодично нагрівають його поверхню. Створений в результаті нагріву за рахунок теплопередачі змінний тиск газу передають по з'єднувальному каналу в мікрофонну камеру. Частину розсіяного зразком світла каналюють в стінках з'єднувального каналу та виводять назовні комірки. Заявлено також пристрій для здійснення способу. Винахід забезпечує збільшення точності і відносної чутливості фотоакустичного методу шляхом мінімізації величини паразитного сигналу за рахунок зміни способу дослідження та конструкції пристрою. UA 104951 C2 (12) UA 104951 C2 UA 104951 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до методів, що базуються на фотоакустичному (ФА) ефекті та використовують газомікрофонну реєстрацію інформативного сигналу і можуть бути використані для дослідження та діагностики твердотільних структур. Відомий спосіб [1] фотоакустичного дослідження зразків, в якому зразок розміщують всередині фотоакустичної комірки та опромінюють модульованим світлом, чим періодично нагрівають його поверхню, а створений в результаті нагріву за рахунок теплопередачі змінний тиск газу передають по з'єднувальному каналу в мікрофонну камеру. Недоліком способу є наявність паразитного сигналу, який спотворює результати фотоакустичних досліджень. В основу винаходу поставлено задачу створити спосіб, який би мінімізував величину паразитного сигналу. Поставлена задача вирішується шляхом каналювання частини розсіяного зразком світла в стінках з'єднувального каналу та виведення назовні комірки цього світла, що перешкоджає утворенню паразитного сигналу. Відомий пристрій, ФА комірка [2], що складається з робочої камери, корпус якої виготовлено з непрозорого матеріалу з порожниною в ньому, що утворює внутрішній об'єм комірки, та вхідним вікном, а також вимірювального мікрофона, встановленого в тому ж корпусі та з'єднаного з порожниною корпусу камери наскрізним отвором. Недоліком такої ФА комірки є наявність поверхонь, що поглинають світло всередині робочого об'єму. Це призводить до виникнення паразитного сигналу, не пов'язаного із зразком. Іншим недоліком є мала, нерегульована відстань між камерою зразка та мікрофона, що призводить до збільшення робочої, резонансної частоти комірки, а таким чином, до зменшення її чутливості. Найбільш близьким до об'єкта, що заявляється, є модифікований резонатор Гельмгольца [3], що складається з робочої камери, де розміщується зразок, з'єднувальної трубки (акустичний тракт) та камери з вимірювальним мікрофоном. Наявність двох камер (робочої та камери з мікрофоном) та з'єднувальної трубки дозволяє захистити мікрофон від прямого попадання світла на нього, а також регулювати робочу частоту комірки в широкому діапазоні значень шляхом зміни довжини з'єднувальної трубки. Недоліком найближчого аналога є наявність паразитного ФА сигналу, обумовленого тим, що частина розсіяного випромінювання поглинається непрозорими елементами конструкції ФА комірки, що межують з газом, який заповнює внутрішній об'єм комірки. Генерація паразитного сигналу у випадку дослідження слабо поглинаючих або сильно розсіюючих світло зразків може суттєво спотворити результати вимірювань. В основу винаходу поставлено задачу збільшити точність вимірів інформативного ФА сигналу і відносної чутливості ФА методів шляхом мінімізації величини паразитного ФА сигналу за рахунок змін в конструкції ФА комірки. Поставлена задача вирішується шляхом створення ФА комірки, що складається з робочої камери (1), де розміщується зразок (2), з'єднувального каналу (3), камери вимірювального мікрофона (4) та мікрофона (5) (фіг. 1). Конструктивним матеріалом робочої камери (1) вибрано прозорий матеріал, що дозволяє суттєво вплинути на умови генерації паразитного ФА сигналу, оскільки більша частина розсіяного світла в цьому випадку виводиться назовні робочої камери. З'єднувальна трубка (3) виконана з двох зв'язаних між собою частин, перша частина, що з'єднана з робочою камерою (1), виготовлена з прозорого матеріалу, а друга частина герметично з'єднана з мікрофонною камерою (4) оптично прозорим клеєм та виготовлена з непрозорого матеріалу. З'єднання частин трубки між собою здійснено шляхом охоплення непрозорої частини трубки розширеною ділянкою прозорої. Внаслідок цього розсіяне світло, що розповсюджується, по матеріалу прозорої трубки виводиться за межі комірки і не поглинається на внутрішніх її поверхнях. Вказані конструктивні зміни практично повністю виключають можливість генерації паразитного ФА сигналу. Приклад Для досліду була взята ФА комірка з робочою камерою, яка виготовлена з прозорого матеріалу - скла. Вимір ФА сигналу було зроблено для зразка напівпровідникової структури, porSi-Si. У запропонованої комірки відношення інформативного сигналу до паразитного сигналу складає ~ 100/1 (близько 1 %) фіг. 2 (а). Для порівняння було проведено аналогічний дослід, зробивши виміри ФА коміркою, яка є прототипом до запропонованої [2]. У такої ФА комірки відношення інформативного до паразитного сигналу складає ~ 5/1 (близько 20 %) фіг. 2 (б). Спостерігається явне зменшення паразитного сигналу у комірці з використанням прозорого матеріалу для складових камери зразка. Перелік посилань: 1 UA 104951 C2 5 1. Rosencwaig A., Gersho A. Theory of photoacoustic effect with solids // J. Appl. Phys. - 1976. Vol.47, №1. - Р. 64-69. 2. Золотарь А.В., Булах Г.И., Бурбело Р.М. Фотоакустическое устройство для считывания информации. Авторское свидетельство СССР № 1215177, 1984. 3. Nordaus O., Pelz J. Frequency Dependence of Resonant Photoacoustic Cell: The Extended Helmholtz Resonator // J. Appl. Phys. - 1981. - Vol. - 25, № - 3. - P. 221-229. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 1. Спосіб фотоакустичного дослідження зразків, який полягає в тому, що зразок розміщують всередині фотоакустичної комірки та опромінюють модульованим світлом, чим періодично нагрівають його поверхню, а створений в результаті нагріву за рахунок теплопередачі змінний тиск газу передають по з'єднувальному каналу в мікрофонну камеру, який відрізняється тим, що частину розсіяного зразком світла каналюють в стінках з'єднувального каналу та виводять назовні комірки. 2. Пристрій для здійснення способу за п. 1, що складається з робочої камери, мікрофонної камери та з'єднувального каналу, який відрізняється тим, що з'єднувальний канал виконаний в вигляді трубки, яка складається з двох частин, причому робоча камера і зв'язана з нею частина з'єднувальної трубки виконані з прозорого матеріалу, а друга частина трубки, що зв'язана з мікрофонною камерою, виготовлена з непрозорого матеріалу. 3. Пристрій за п. 2, який відрізняється тим, що прозора частина з'єднувальної трубки та робоча камера виконані з кварцового скла. 4. Пристрій за п. 2 або 3, який відрізняється тим, що з'єднання частин з'єднувальної трубки між собою здійснено шляхом охоплення непрозорої частини трубки прозорою. 2 UA 104951 C2 Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3