RU2660765C1 - Способ бесконтактного измерения температуры in situ - Google Patents
Способ бесконтактного измерения температуры in situ Download PDFInfo
- Publication number
- RU2660765C1 RU2660765C1 RU2017104846A RU2017104846A RU2660765C1 RU 2660765 C1 RU2660765 C1 RU 2660765C1 RU 2017104846 A RU2017104846 A RU 2017104846A RU 2017104846 A RU2017104846 A RU 2017104846A RU 2660765 C1 RU2660765 C1 RU 2660765C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- sample
- measuring
- measurement
- situ
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 title claims abstract description 8
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 claims abstract description 3
- 230000006378 damage Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 claims abstract description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 15
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 claims description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 6
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000002277 temperature effect Effects 0.000 description 1
- 238000004861 thermometry Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/0003—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for sensing the radiant heat transfer of samples, e.g. emittance meter
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J4/00—Measuring polarisation of light
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/007—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for earth observation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/21—Polarisation-affecting properties
Landscapes
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Pathology (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Radiation Pyrometers (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике измерения физической температуры объекта по температурным изменениям его оптических постоянных, и может быть использовано для дистанционного измерения температуры объекта в промышленности, медицине, биологии, в физических исследованиях и др. Заявлен способ бесконтактного измерения температуры in situ, заключающийся в том, что образец освещают поляризованным светом и измеряют изменение интенсивности при отражении. В процессе измерения регистрируют отраженное от поверхности образца электромагнитное излучение с длиной волны в диапазоне 300-900 нм. Анализируют изменение интенсивности после отражения и находят температуру, решая следующее уравнение: M(T)=F(T), где М(Т) - среднее арифметическое данных об интенсивности со всех четырех фотоприемников эллипсометра, зависящее от температуры, F(T) - функция, вид которой зависит от исследуемого материала. Новым является то, что для зондирующего пучка задают состояние линейной поляризации с поворотом 0° и накапливают массив данных для дальнейшего усреднения, а также то, что предложенный способ позволяет измерять температуру образца от температуры 4 K до его термического разрушения. Технический результат - повышение точности измерения температуры in situ независимо от структуры отражающей поверхности и при температурах до 4 K. 2 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике измерения физической температуры объекта по температурным изменениям его оптических постоянных, и может быть использовано для дистанционного измерения температуры объекта в промышленности, медицине, биологии, в физических исследованиях и др.
Известно дистанционное измерение температуры поверхности объекта, основанное на измерении температуры двух участков поверхности объекта, одну из которых выбирают в качестве опорной и по отношению к которой вычисляют дифференциальную излучательную способность и физическую температуру объекта [US 2007047615 А1, МПК G01G 5/08, опубл. 2007-03-01]. Этот способ позволяет повысить точность измерений за счет исключения влияния фона и помех, однако для реализации предложенного способа необходимо использовать яркостный пирометр, который должен работать в достаточно близких спектральных интервалах, в которых спектральные излучательные способности объекта принимаются равными. Кроме того, необходимым условием является достаточно близкое расположение друг к другу сигнальной и опорной поверхностей исследуемого объекта, что на практике не всегда возможно. Это ограничивает практическое применение предложенного способа.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ по патенту [US 5313044, МПК B23K 26/03, G01N 21/21, опубл. 17.05.1994 г. (прототип)]. Этот способ позволяет измерять состояние поляризации при отражении в видимом спектральном диапазоне и, следовательно, по измеренным эллипсометрическим параметрам ψ и Δ находить значение комплексного показателя преломления. Недостатками данного способа являются необходимость точной настройки оптической схемы эллипсометра для измерения температурной зависимости комплексного показателя преломления и использование специфических эллипсометрических моделей отражающей поверхности в случае многослойного или шероховатого образца. Также к существенному недостатку можно отнести то, что способ предполагает измерение температуры только при нагревании выше 0°С.
Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерения температуры in situ независимо от структуры отражающей поверхности и при температурах до 4 K.
Технический результат достигается тем, что в способе бесконтактного измерения температуры in situ, заключающемся в том, что образец освещают поляризованным светом и измеряют изменение интенсивности при отражении, в процессе измерения регистрируют отраженное от поверхности образца электромагнитное излучение с длиной волны в диапазоне 300-900 нм, анализируют изменение интенсивности после отражения, находят температуру, решая следующее уравнение: M(T)=F(T), где
М(Т) - среднее арифметическое данных об интенсивности со всех четырех фотоприемников эллипсометра, зависящее от температуры,
F(T) - функция, вид которой зависит от исследуемого материала, новым является то, что для зондирующего пучка задают состояние линейной поляризации с поворотом 0°, что накапливают массив данных для дальнейшего усреднения, а также то, что предложенный способ позволяет измерять температуру образца от температуры 4 K до его термического разрушения.
Это отличие позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлен в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивает заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
На фиг. 1 представлена схема магнитоэллипсометрического комплекса in situ, работающего в широком диапазоне температур.
На фиг. 2 показана зависимость среднего по всем сигналам с фотоприемников эллипсометра от температуры, полученная в процессе выполнения эксперимента.
Устройство для бесконтактного измерения температуры in situ (Фиг. 1) состоит из источника линейно поляризованного света 1, входного сверхвысоковакуумного окна 2, исследуемого образца 4, выходного сверхвысоковакуумного окна 7, блока регистрации состояния интенсивности 8, сверхвысоковакуумной камеры 9, магистрали для откачки 6, обтюратора 10.
Измерения температуры происходят следующим образом. Источник линейно поляризованного света 1 генерирует зондирующее излучение 3, причем угол поворота плоскости поляризации относительно плоскости падения равен 0° и, проходя через входное сверхвысоковакуумное окно 2, попадает внутрь сверхвысоковакуумной камеры 9 и затем падает на поверхность исследуемого образца 4. Падающий, линейно поляризованный световой пучок отражается от поверхности образца с изменением интенсивности, обусловленным температурным воздействием на образец. Так как падающий свет поляризован в плоскости падения, то при изменении температуры образца и, как следствие, его оптических постоянных изменяется его отражательная способность. Отраженный от образца луч 5, выходя из высоковакуумной камеры через высоковакуумное окно 7, поступает в блок регистрации интенсивности 8. При этом оптические измерения проводят при двух положениях обтюратора 10, который перекрывает оптический тракт для учета фоновой засветки. Анализируя состояние интенсивности результирующего пучка, находят температуру Т, решая следующее уравнение:
где М(Т) - среднее арифметическое данных об интенсивности со всех четырех фотоприемников эллипсометра, зависящее от температуры,
F(T) - функция, вид которой зависит от исследуемого материала [Магунов А.Н. Лазерная термометрия твердых тел. - М.: Физматлит, 2001].
Заявляемый бесконтактный способ измерения температуры обладает следующими преимуществами:
- высоким быстродействием, которое определяется только типом приемника излучения и схемой обработки электрических сигналов. Современный уровень электронных устройств позволяет достичь значения постоянной времени до 10-3 с;
- возможностью измерения температуры движущихся объектов (при условии организации следящей системы) и элементов, находящихся под высоким напряжением;
- возможностью измерения высоких температур, при которых применение контактных средств измерения либо невозможно, либо время их работы невелико;
- возможностью измерения низких температур до 4 K, при которых применение пирометров технически труднореализуемо, а применение контактных методов дает большие погрешности;
- возможностью работы в условиях вакуума, агрессивных газовых сред, радиации и повышенной температуры окружающей среды при пространственном разнесении анализирующего приемника и сопутствующей электроники при помощи оптоволоконного кабеля.
Claims (4)
- Способ бесконтактного измерения температуры in situ, заключающийся в том, что образец освещают поляризованным светом и измеряют изменение интенсивности при отражении, в процессе измерения регистрируют отраженное от поверхности образца электромагнитное излучение с длиной волны в диапазоне 300-900 нм, анализируют изменение интенсивности после отражения, находят температуру, решая следующее уравнение: M(T)=F(T), где
- М(Т) - среднее арифметическое данных об интенсивности со всех четырех фотоприемников эллипсометра, зависящее от температуры,
- F(T) - функция, вид которой зависит от исследуемого материала,
- отличающийся тем, что для зондирующего пучка задают состояние линейной поляризации с поворотом 0°, что накапливают массив данных для дальнейшего усреднения, а также тем, что предложенный способ позволяет измерять температуру образца от температуры 4 K до его термического разрушения.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017104846A RU2660765C1 (ru) | 2017-02-14 | 2017-02-14 | Способ бесконтактного измерения температуры in situ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017104846A RU2660765C1 (ru) | 2017-02-14 | 2017-02-14 | Способ бесконтактного измерения температуры in situ |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015150219A Previously-Filed-Application RU2015150219A (ru) | 2015-11-23 | 2015-11-23 | Способ бесконтактного измерения температуры in situ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2660765C1 true RU2660765C1 (ru) | 2018-07-09 |
Family
ID=62815639
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017104846A RU2660765C1 (ru) | 2017-02-14 | 2017-02-14 | Способ бесконтактного измерения температуры in situ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2660765C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2715089C1 (ru) * | 2019-08-07 | 2020-02-25 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Способ бесконтактного измерения пространственного распределения температуры и излучательной способности объекта |
CN114719771A (zh) * | 2022-04-20 | 2022-07-08 | 广东工业大学 | 一种对材料多维高温几何形变的非接触式原位测量方法 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU694774A1 (ru) * | 1978-05-19 | 1979-10-30 | Ленинградский Ордена Ленина Политехнический Институт Им. М.И.Калинина | Бесконтактный способ измерени температуры полупроводников |
US5313044A (en) * | 1992-04-28 | 1994-05-17 | Duke University | Method and apparatus for real-time wafer temperature and thin film growth measurement and control in a lamp-heated rapid thermal processor |
US5501637A (en) * | 1993-08-10 | 1996-03-26 | Texas Instruments Incorporated | Temperature sensor and method |
US6583875B1 (en) * | 2000-05-19 | 2003-06-24 | Therma-Wave, Inc. | Monitoring temperature and sample characteristics using a rotating compensator ellipsometer |
CN103674252A (zh) * | 2013-11-15 | 2014-03-26 | 华中科技大学 | 一种原位椭圆偏振测量装置 |
US20150219497A1 (en) * | 2014-02-06 | 2015-08-06 | Film Sense, LLC | Multiple Wavelength Ellipsometer System and Related Method |
-
2017
- 2017-02-14 RU RU2017104846A patent/RU2660765C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU694774A1 (ru) * | 1978-05-19 | 1979-10-30 | Ленинградский Ордена Ленина Политехнический Институт Им. М.И.Калинина | Бесконтактный способ измерени температуры полупроводников |
US5313044A (en) * | 1992-04-28 | 1994-05-17 | Duke University | Method and apparatus for real-time wafer temperature and thin film growth measurement and control in a lamp-heated rapid thermal processor |
US5501637A (en) * | 1993-08-10 | 1996-03-26 | Texas Instruments Incorporated | Temperature sensor and method |
US6583875B1 (en) * | 2000-05-19 | 2003-06-24 | Therma-Wave, Inc. | Monitoring temperature and sample characteristics using a rotating compensator ellipsometer |
CN103674252A (zh) * | 2013-11-15 | 2014-03-26 | 华中科技大学 | 一种原位椭圆偏振测量装置 |
US20150219497A1 (en) * | 2014-02-06 | 2015-08-06 | Film Sense, LLC | Multiple Wavelength Ellipsometer System and Related Method |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2715089C1 (ru) * | 2019-08-07 | 2020-02-25 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Способ бесконтактного измерения пространственного распределения температуры и излучательной способности объекта |
CN114719771A (zh) * | 2022-04-20 | 2022-07-08 | 广东工业大学 | 一种对材料多维高温几何形变的非接触式原位测量方法 |
CN114719771B (zh) * | 2022-04-20 | 2023-05-26 | 广东工业大学 | 一种对材料多维高温几何形变的非接触式原位测量方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10605662B2 (en) | Material property determination using photothermal speckle detection | |
CA2868841C (en) | Imaging systems for optical computing devices | |
JP6151721B2 (ja) | Thzセンサを用いた連続不均一性のウェブ上のキャリパー・コーティング測定 | |
Zhao et al. | Novel optical fiber sensor for simultaneous measurement of temperature and salinity | |
US20130286398A1 (en) | Imaging Systems for Optical Computing Devices | |
US8622612B2 (en) | Method and apparatus for determining the thermal expansion of a material | |
JP6281941B2 (ja) | 誘電体の屈折率の検出方法およびその装置、膜厚検出方法およびその装置ならびに表面粗さ検出方法およびその装置 | |
RU2660765C1 (ru) | Способ бесконтактного измерения температуры in situ | |
Pitarma et al. | Analysis of materials emissivity based on image software | |
WO1999019700A1 (en) | Temperature measuring method and apparatus | |
CN113324663B (zh) | 一种外场目标发射率的测量方法及*** | |
RU2522775C1 (ru) | Способ пассивной локализации ребер прямоугольного металлического параллелепипеда в инфракрасном излучении | |
RU2645008C1 (ru) | Устройство для измерения длины распространения инфракрасной поверхностной электромагнитной волны | |
RU2512659C2 (ru) | Способ измерения длины распространения инфракрасных поверхностных плазмонов по реальной поверхности | |
RU2479833C2 (ru) | Способ локализации неоднородностей металлической поверхности в инфракрасном излучении | |
WO2018204545A1 (en) | Method for rapid temperature measurement and apparatus thereof | |
RU2709600C1 (ru) | Интерферометр Майкельсона для определения показателя преломления поверхностных плазмон-поляритонов терагерцевого диапазона | |
RU2681427C1 (ru) | Устройство для измерения длины распространения инфракрасной поверхностной электромагнитной волны | |
RU2491533C1 (ru) | Способ определения глубины проникновения поля терагерцовых поверхностных плазмонов в окружающую среду | |
RU2625641C1 (ru) | Устройство для промера распределения поля инфракрасной поверхностной электромагнитной волны над её треком | |
RU2629909C1 (ru) | Статическое устройство для определения распределения интенсивности поля инфракрасной поверхностной электромагнитной волны вдоль её трека | |
Son et al. | Thermal expansion and stress and measurement using high-order diffraction: possibilities and theoretical limits | |
Dorney et al. | Imaging with THz pulses | |
RU2663301C1 (ru) | Устройство для измерения коэффициентов отражения и излучения материалов и покрытий | |
Bogomolov et al. | Determination of the refractive index of IR surface plasmons by static asymmetric interferometry |