Лабораторные работы по электротехнике

Электротехника
Примеры расчета цепей
Лабораторные работы
Переходные процессы в линейных цепях
Вынужденные колебания
Оптика
Определение удельной теплоемкости воздуха
Гироскоп
Теплопроводность тел
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ОСАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СЛОЕВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕЙТРАЛЬНЫХ ФИЛЬТРОВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ

Цель работы - изготовление нейтральных светофильтров и исследование условий осаждения, определяющих характеристики фильтров на основе титана, полученных методом электронно-лучевого испарения металла в вакууме. Измерение спектральных характеристик нейтральных фильтров различной оптической плотности. Составление краткого технологического процесса нанесения полупрозрачных металлических слоев.

 СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛЕНОК МЕТАЛЛОВ

При работе спектральных приборов необходимо использовать оптические элементы, равномерно ослабляющие световой поток в широком спектральном диапазоне. Ослабление светового потока характеризуется величиной пропускания. Решение этой задачи может быть реализовано как с помощью нейтральных стекол, так и бесцветных стекол с осажденными на них полупрозрачными слоями металла. Для слоев металла значения коэффициентов пропускания (T), отражения (R) и поглощения (А) согласно выражению, приведенному в [11], связаны следующими зависимостями с показателем преломления слоя (n), коэффициентом поглощения слоя (k), его толщиной (d), длиной волны (λ), для которой определяются эти величины.

,

где

  ,

,

,

,

,

,

,

,

,  (2.14)

 

d - толщина слоя,

k - коэффициент поглощения слоя,

ks - коэффициент поглощения подложки (ks),

n0 - показатель преломления среды, из которой падает излучение

ns - показатель преломления подложки,

n - показатель преломления материала слоя.

Используемые в этих случаях металлы должны быть устойчивы к воздействию окружающей среды, механически прочны, а также обладать постоянным коэффициентом пропускания в рабочем (видимом, ИК) спектральном диапазоне прибора. Этим требованиям максимально удовлетворяет никель. Тонкие пленки на основе никеля являются механически прочными, стабильны во времени, имеют нейтральную характеристику в широком спектральном диапазоне.

Никель имеет температуру плавления 1750°С при давлении 10-3Па, поэтому для его осаждения предпочтительно электронно-лучевое испарение, оптические постоянные титана приведены в приложении. Все поглощающие слои очень чувствительны к условиям формирования пленок, поскольку определяющие их оптические параметры: показатель преломления и коэффициент поглощения зависят от структуры пленок. Определяющими факторами, оказывающими максимальное влияние на величину n и k, являются:

Степень разряжения в вакуумной камере.

Состав остаточных газов.

Чистота подложки (дефекты поверхности).

Химическая чистота поверхностей.

Наличие поверхностных напряжений.

Скорость изменения температуры подложки во время осаждения слоя.

Температура подложки во время измерения спектральных характеристик.

Скорость осаждения пленкообразующего материала.

Однородность (по составу) пленкообразующего материала.

Спектральные зависимости коэффициентов пропускания, отражения и поглощения определяются оптическими постоянными металлов и их толщиной.

Оптические постоянные никеля

На рис. 4.1 приведены спектральные характеристики пленок никеля различной толщины. Как видно из рисунка с ростом толщины пленки увеличивается не только поглощение в ней, но и ее коэффициент отражения, при этом, для пленки никеля фиксированной толщины характерно приблизительное постоянство отношения коэффициента отражения и пропускания в широком спектральном диапазоне.

Рис. 4.1. Кривые - зависимости отражения и пропускания пленки никеля толщиной 0,1нм, 0,2нм и 0,4 нм соответственно, нанесенной на подложку из стекла К8 (n=1,51) (сплошные линии показывают коэффициенты отражения (R), штрихпунктирные – коэффициенты пропускания (T)).

 СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Испарение пленки из металлической мишени можно проводить разными способами. Также, как и диэлектрики, некоторые пленки можно изготавливать путем резистивного испарения из тиглей. В качестве материала тигля используют вольфрам, имеющий высокую рабочую температуру. Нагрев в тиглях из вольфрама может достигать 2000ОС.

Чаще всего испарение металлических мишеней проводят проводять электронно-лучевой бомбардировкой. Для этого поток электронов в электрическом поле ускоряется до энергии 6-12 кэВ и фокусируется на поверхность материала. При столкновении большая часть кинетической энергии превращается в тепловую энергию, и при этом могут быть получены температуры свыше 3000° С. Энергия, выделяемая электронами, сконцентрирована в небольшом поверхностном объеме, определяемом глубиной проникновения электронов в испаряемый материал и площадью зоны, фокусировки электронного луча. Нижняя поверхность испаряемого материала находится в контакте с поверхностью испарителя, охлаждаемого водой. Следовательно, взаимодействие между испаряемым веществом и материалом испарителя практически отсутствует.

В устройствах, основанных на принципе нагрева электронной бомбардировкой, применяются электронные пушки. В качестве источника электронов обычно используют катод из вольфрамовой проволоки, поскольку этот материал сохраняет форму при высоких температурах, необходимых для получения значительной электронной эмиссии. Электроны, эмитированные из катода, необходимо ускорять до потенциала в несколько кВ. Испарители, в которых ускоряющее поле прикладывается между катодом и испаряемым веществом, называются испарителями с испаряемым анодом. Энергия электронов в пучках достаточна для ионизации остаточных газов или молекул испаряемого вещества. Эти процессы обуславливают потери энергии электронами пучка и расфокусировку последнего. Для уменьшения этих эффектов давление в вакуумной камере должно быть ниже 8×10-3Па. Для осаждения оптических покрытий используются электронные пушки с изгибом траектории электронного луча. Использование искривленных траекторий электронов позволяет эффективно разделить на малом расстоянии электронную пушку и источник паров.

Рис. 5.2. Схема электронно-лучевого испарителя

(U – испаряемое вещество, А – анод, К – катод, О – ограничивающая диафрагма, Э – экранирующая диафрагма).

На рис. 5.2 схематически изображена электронная пушка с искривленной траекторией луча. Искривление траектории луча осуществляется за счет помещения электронного пучка в постоянное магнитное поле, подстройка положения луча на мишени происходит путем изменения тока накала, который определяет скорость эмитированных электронов.

В таких пушках для увеличения электронного эмиссионного тока используется относительно большая площадь удлиненного катода. Это позволяет без снижения мощности пушки использовать рабочее напряжение до 12кВ. Для защиты от ионов испаряемого материала и от разрушения ионной бомбардировкой катод экранирован. В данной конструкции испарителя испаряемое вещество находится в охлаждаемой водой медной подставке (тигле). В зависимости от тепловых контактов между подставкой и испаряемым веществом, величины подводимой мощности для данных конструкций электронных пушек температура нагрева вещества может составить 3500°С, что позволяет испарять как тугоплавкие металлы, так и оксиды. Образовавшиеся на стекле полупрозрачные слои в зависимости от их толщины имеют различную стабильность во времени. На любой, самой химически устойчивой металлической, тонкой пленке всегда образуется оксидный слой. Влияние его на спектральные характеристики пленки тем сильнее, чем тоньше слой металла.

При осаждении металлических слоев следует учитывать, что оксидная пленка, которая возникает при напуске воздуха, содержащего большой процент кислорода, в вакуумную камеру, может привести к увеличению пропускания пленки, таким образом, следует осаждать слои большей толщины и меньшего пропускания, чем те, которые должны быть использованы при эксплуатации. Величина изменения коэффициента пропускания до и после напуска воздуха в вакуумную камеру определяется экспериментальным путем. Исходя из полученных результатов, методом последовательных приближений скорректировать пропускание образца в камере до получения заданных результатов пропускания образца на воздухе.

И зготовление пленок никеля можно проводить путем термического испарения их вольфрамовых тиглей или вольфрамовой проволоки, толщиной1-2мм, на которую наматывается спиралью никелевая проволока , толщиной 0.2-0.3 мм.

Произвести осаждение слоя, формирующего нейтральный фильтр согласно методике, изложенной в приложении. Работа выполняется с использованием электронно-лучевого испарителя или резистивного испарителя.

Записать пропускание контрольного образца непосредственно после нанесения слоя металла, перед закрытием высоковакуумного затвора, после закрытия высоковакуумного затвора, перед напуском воздуха в камеру и после напуска воздуха в камеру.

2.4.3 ЗАДАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

1. Назовите факторы, влияющие на значения величин n и k.

2. Опишите принцип работы ЭЛИ.

3. Где применяются нейтральные фильтры?

4. Чем вызвано постоянство пропускания по спектру изготовленных нейтральных фильтров?

5. Какова точность спектрофотометра МУМ-2 и чем это обусловлено?

Задание 1.

Произвести испарение никеля до пропускания контрольного образца 0,05.

Произвести измерение пропускания данного образца на спектрофотометре МУМ-2  в диапазоне длин волн 450¸900нм.

Построить график зависимости Т = f(λ).

Составить краткий технологический процесс изготовления нейтральных фильтров при работе с электронной пушкой, заполнив следующую таблицу:

№ п/п

Название операции

Используемое оборудование

t (сек)

Основной и вспомогат. материал

Примечание

ток накала (Jн),

ток эмиссии (Jэ),

Задание 2.

Произвести испарение никеля до пропускания контрольного образца 0,2.

Повторить пункты 2, 3.

Составить краткий технологический процесс изготовления нейтральных фильтров при работе с электронной пушкой, заполнив таблицу, показанную выше.

Для этого: Записать для каждого слоя ток накала (Jн), ускоряющее напряжение(U), ток эмиссии (Jэ), время прогрева испаряемого вещества, время осаждения испаряемого вещества, изменение отсчетов на СФКТ-751, давление в вакуумной камере до начала осаждения слоя, во время формирования слоя и после окончания осаждения вещества, длину волны (λ0), на которой производился контроль изменения коэффициента пропускания во время осаждения слоя.

Произвести осаждение слоя, формирующего нейтральный фильтр согласно методике, изложенной в приложении. Работа выполняется с использованием электронно-лучевого испарителя или резистивного испарителя.

. Записать пропускание контрольного образца непосредственно после нанесения слоя металла, перед закрытием высоковакуумного затвора, после закрытия высоковакуумного затвора, перед напуском воздуха в камеру и после напуска воздуха в камеру.

Отчет должен содержать:

1. Схему установки для испарения металлов.

2. Оптическую схему регистрации.

3. Спектральные кривые всех изготовленных образцов.

4. Краткий технологический процесс изготовления нейтральных фильтров.

5. Выводы о проделанной работе. 

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ.

Калитеевский Н.И. Волновая оптика. С.-Пб. «Лань», 2006.-466с.

Яковлев П.П., Мешков Б.Б. Проектирование интерференционных покрытий. М.: «Машиностроение»,1987.-192 с.

Справочник по лазерам. Под ред.А.М.Прохорова.Т.1,2.-М.: «Сов.радио», 1978.

Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. -М.;Наука, ФМЛ,1983, 320 с.

Справочник технолога-оптика. Под общей редакцией С.М.Кузнецова и М.А.Окатова. -Л; Машиностроение. 1983. 414 с.

ИКС-16. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

ИКС-22. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

МУМ-2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

Техническое описание и инструкция по эксплуатации калориметричес­кого стенда для измерения поглощения. ГУАП. 2001. 12 с.

Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. –Л; Машиностроение, 1973. 224с.

Ф.Абелес Оптические свойства металлических пленок. Физика тонких пленок. Под ред. М.К. Франкомба и Р.У. Гофмана -М: «Мир», 1973-Т.6.

Холлэнд Л. Нанесение тонких пленок в вакууме. 1963, М. -Госэнергоиздат.

Архитектура Зимнего дворца Санкт-Петербурга