2. Распределение поля при использовании разных видов зондов. Киннетика роста температуры при постоянном свч питании
Форма и размеры зонда оказывают сильное влияние на локальность и распределение поля в объекте. Локальность поля можно оценить исходя из рисунка 2.1.
а) б)
Рисунок 2.1 – Пространственное распределение температуры на поверхности объекта (а) и вдоль его оси (б) для разных значений радиуса сферического и плоского острий при ε = 12 tgδ = 1
Данные на рисунке 2.1 зависимости позволяют сделать вывод, что сферическая форма острия позволяет значительно повысить степень локальности СВЧ поля в объекте за счёт того, что при использовании плоского зонда поле концентрируется по периметру зонда [4], а при использовании сферического зонда непосредственно под самим зондом. Также рисунок 2.1б чётко отражает зависимость локальности нагреваемой зоны от радиуса зонда. Ведь чем меньше радиус зонда, тем более сконцентрировано поле.
На локальность нагрева влияют размеры и форма зонда, на динамику роста температуры при постоянном питании влияет мощность СВЧ излучения. Зависимость роста температуры показана на рисунке 2.2
Рисунок 2.2 – Динамика роста температуры во времени при различной мощности источника СВЧ излучения.
Анализируя данный график можно заметить 2 стадии роста температуры – крутой и пологий участки. Крутой участок графика говорит о стремительном росте температуры за короткий промежуток времени, это происходит за счёт теплоёмкости объекта (кремния) и слабого влияния теплопроводности на данном этапе. Пологий участок говорит о преобладании теплопроводности на данном этапе, т.е. температура, полученная за первый этап, начинает передаваться в окружающий материал и дальнейший рост температуры в локализованном участке снижается и степень локализации нагрева уменьшается. Для того, чтобы ослабить влияние теплопроводности на локализацию нагрева можно использовать импульсный режим СВЧ питания.
3. Импульсный режим свч излучения
Для моделирования разогрева используем частоту в 8 ГГц. На рисунке 3.1 можем увидеть форму сигналов импульсного и постоянного СВЧ питания.
а)
б)
Рисунок 3.1 – Форма сигналов для непрерывного и импульсного источников СВЧ излучения на частоте 8 ГГц
При использовании импульсного СВЧ разогрева материал полупроводника во время действия импульса разогревается, при этом длина импульса подбирается такая, чтобы был активен «первый этап» разогрева обусловленный теплоёмкостью разогреваемого материала. По окончании импульса материал начинаем остывать, отдавая энергию, как в окружающую среду, так и рассеивая её по объёму разогреваемого объекта, но это рассеивание происходит в значительно меньшей степени, чем при постоянном СВЧ излучении, так как в этот момент в объект не поступает новая энергия. Затем начинается новый импульс, и материал снова стремительно разогревается. Выходит так, что локальность воздействия значительно возрастает в ущерб возникновению постоянных скачков температуры, которые можно наблюдать на рисунке 3.2.
Естественно, что при импульсном и неимпульсном питании при одной и той-же мощности излучения объект получает разное количество энергии, что приводит к тому, что при импульсном питании достигаемая температура значительно меньше, чем при постоянном, что подтверждается исходя из рисунка 3.2
Рисунок 3.2 – Динамика роста температуры во времени при неимпульсном и импульсном режимах работы источника СВЧ излучения мощностью 100 Вт
а)
б)
Рисунок 3.3 – Динамика роста температуры во времени при различной скважности (Q) импульсного источника СВЧ излучения
Количество получаемой объектом энергии напрямую зависит от скважности СВЧ излучения и, по сути, скважность равняется тому, во сколько раз меньше энергии получает объект при импульсном питании, что можно увидеть на рисунке 3.3. Но изменяя скважность излучения можно добиться не только изменения максимальной температуры, до которой можно разогреть материал, но также это действует и на локальность излучения [5]. Ведь чем меньше времени, относительно разогрева, будет охлаждаться материал, тем больше будет вступать в силу теплопроводность материала и понижаться локальность.
Схожим образом на локальность нагрева будет действовать изменение длительности импульса СВЧ излучения. Сохраняя одну и ту же скважность, но изменяя длительность импульса можно изменять время, в течение которого нагревается объект, следовательно, взяв большую длительность импульса, уменьшается степень локальности поля в объекте за счёт действия теплопроводности. Соответственно необходимо брать как можно меньшую длительность импульса, которая, в свою очередь, ограничена частотой излучения из-за влияния переходных процессов.
Также, при увеличении длительности импульса увеличивается амплитуда осцилляций температуры, что может негативно воздействовать на материал объекта и его кристаллическую структуру. Наглядно видно увеличение амплитуды колебаний температуры при увеличении длительности импульса на рисунке 3.4
Рисунок 3.4 – Динамика роста температуры во времени при неимпульсном и импульсном режимах работы источника СВЧ излучения мощностью 500 Вт
Выводы
Благодаря использованию импульсного режима СВЧ питания существует возможность увеличения локализации разогрева материала и более стабильного поддержания необходимого уровня температуры, чем при использовании непрерывного излучения.
Анализируя полученные данные, было сделано заключение, что для уменьшения девиаций температуры в объекте при импульсном режиме воздействия целесообразно руководствоваться не только изменением скважности, но и значительным уменьшением длительности импульса. Этого в свою очередь достаточно сложно достичь ввиду существенного влияния переходных процессов, одним из вариантов решения проблемы является уход в терагерцовый диапазон.