Учебники 80376

наносится тонкая металлическая пленка, неподвижный электрод разделен на две части (рис. 5.9, б). Между образцом и небольшим электродом, расположенным вблизи образца (0,01- 0,1 мм), прикладывается переменное электрическое напряжение, частота которого подбирается таким образом, чтобы в образце возникли резонансные механические колебания. Образованный неподвижным электродом и образцом - пленкой конденсатор включается в цепь высокой частоты и используется для регистрации параметров амплитуды колебаний с помощью метода частотной модуляции.

Разработанная методика позволяет измерять внутреннее трение в пленках толщиной от 1000 Å до 100 мкм в частотном диапазоне 10-104 Гц и в интервале температур 4,2-1500 К. Относительная амплитуда деформации может меняться в пределах 10-7-10-3.

На рис. 5.10 представлена структурная схема установки, которая состоит из возбуждающего генератора 1, электромеханического преобразователя 2, частотномодулированного генератора 3 и комплекса электроизмерительной аппаратуры. Возбуждение изгибных колебаний в консольно-закрепленном образце осуществляется звуковым генератором 1 при помощи электромеханического преобразователя 2. Электромеханический преобразователь является универсальным узлом, выполняющим две функции: во взаимосвязи со звуковым генератором он преобразует электрический сигнал в механические колебания образца и является параметрическим элементом частотномодулированного генератора 3. Последний модулируется по частоте при механических колебаниях образца-пленки.

Питание частотно-модулированного генератора по анодной и канальной цепям осуществляется от высокостабильного источника 4. Излучаемые генератором частотно-модулированные колебания принимаются измерительным приемником 5, в котором происходит

241

демодуляция принятого сигнала в электрический сигнал, соответствующий частоте и амплитуде механических колебаний образца. Этот сигнал одновременно подается для визуального наблюдения на осциллограф 6, электронный частотомер 7, регистрирующий частоту колебаний образца, и на амплитудно-дифференциальный дискриминатор 8. При отключении возбуждающего напряжения образец совершает свободно затухающие колебания. Дискриминатор «пропускает» лишь те колебания образца, максимальная амплитуда которых находится между выбранными порогами 1 и n+1. С выхода дискриминатора импульсы постоянной амплитуры подаются на электронный счетчик 9, который регистрирует число колебаний образца n, выбранных дискриминатором из свободно затухающих колебаний. Таким образом, зная число колебаний n и отношение 1 и n+1, можно определить величину внутреннего трения.

Выбранная для исследования пленка или тонкая фольга закрепляется консольно в цанговом зажиме или приклеивается к держателю высокотемпературным клеем (жидкое стекло 60 г, каолин 40 г, гидрат окиси натрия 2 г и растительное масло 1 г). При измерениях температурной зависимости внутреннего трения пленка вместе с датчиком помещается в трубчатый нагреватель сопротивления, выполненный из вольфрамовой проволоки диаметром 1 мм.

Во избежание окисления образцов и влияния воздушной среды на величину внутреннего трения образец вместе с частью установки помещается в камеру с остаточным давлением не выше, чем 10-5 Торр. Минимальная степень давления в вакуумной камере, ниже которой не сказывается влияние воздушной среды на затухание колебаний, зависит от толщины образца. Экспериментально установлено, что при давлении ниже чем 10-4 Торр остаточные газы не влияют на затухающие колебания пленок толщиной от 1000 Å до 100 мкм.

242

где - максимальное отклонение свободного конца образца, h - толщина и - длина образца.

Измерение размеров образца и максимальное отклонение можно произвести с помощью оптического микроскопа. Для этой цели колеблющийся образец располагается в непосредственной близости от прозрачной стенки вакуумной камеры. Это дает возможность измерить амплитуду колебаний при помощи измерительного микроскопа с фокусным расстоянием 24 мм. Проверка показала, что

и максимальном (К=8) отношениях порогов дискриминатора (нижний порог для всех К один и тот же) и сравнении их друг с другом. Если значения Q-1 в обоих случаях отличаются друг от друга не более чем на 5 %, то считают, что измерения Q-1 ведутся в амплитудонезависимой области. Этот способ проверки основан на том, что при изменении К меняется амплитуда, при которой происходит измерение Q-1. В амплитудозависимой области это ведет к изменению величины Q-1, а в амплитудонезависимой области она остается неизменной или меняется очень мало (например, не более чем на 5 % при изменении амплитуды в 4-5 раз).

Первый способ используют для проверки амплитудной зависимости при комнатной температуре, а второй – во всем диапазоне температур.

Перейдем теперь к оценке погрешностей при измерении внутреннего трения в тонких пленках. Погрешности при измерении Q-1 могут быть обусловлены различными

244

причинами. Ю.В. Пигузов предложил следующее выражение для определения абсолютной погрешности:

где Qn1 - погрешность, обусловленная креплением образца в

приборе. Эта погрешность особенно велика при больших амплитудах деформации. Кроме того, сюда же можно отнести погрешность за счет преодоления сопротивления воздуха при

колебаниях образца; QТ1 - погрешность, связанная с температурной зависимостью внутреннего трения; Qизм1 - погрешность, допускаемая при измерениях.

Погрешностью Q 1 можно пренебречь, поскольку, во-

n

первых, измерения проводятся в камере с остаточным давлением не выше, чем 510-5 Торр, во-вторых, масса образца в сотни и даже тысячи раз меньше массы держателя, что при жестком креплении исключает перекачку энергии колебаний образца, и, в-третьих, в системе отсутствуют трущиеся детали.

245

При высоких значениях внутреннего трения, когда n мало (n ~ 10-15), измерения производятся 10 и более раз и берется среднее значение, тогда

Подставляя в (5.23) значения 1 = 400 мВ, n+1 = 200 мВ (то есть, когда 1/n+1 = 2 – минимально), 1 = 1 мВ, n+1= 0,5 мВ, n = 10, n = 1, получим

Q 1

изм 100 % 1,9 % .

Qизм1

Таким образом, при заведомо наихудших условиях и при высоких температурах относительная ошибка не превышает 3,6 %. При комнатной и низких температурах n = 200-300. Кроме того, Q-1 измеряется при значениях 1/n+1 = 4- 8, что также приводит к уменьшению погрешности измерения. Учет этих и других погрешностей показывает, что общая погрешность измерения при комнатной температуре не превышает 1 %, а при гелиевых снижается до 0,5 %.

5.3.3.Методики измерения внутреннего трения

вобласти частот 5 102 - 5 105 Гц

Для этих методов характерно отсутствие специальной инерционной системы, связанной с образцом. Диапазон частот зависит от типа возбуждаемых колебаний, размера и формы образцов. В основном возбуждение и регистрация колебаний осуществляется двумя способами: пьезоэлектрическим и электромагнитным.

246

Пьезоэлектрическое возбуждение колебаний при измерении внутреннего трения впервые было использовано Куимби (1925 г.), а затем Захарьясом (1933 г.). Сущность метода состоит в том, что пьезоэлектрический преобразователь приклеивают к образцу в виде цилиндрического или прямоугольного стержня и полученную систему настраивают в резонанс (см. рис. 5.11).

Измеряют частоту, добротность системы, учитывают влияние преобразователя, определяют внутреннее трение образца. Этот метод получил широкое распространение в связи с тем, что обычно используемые кварцевые преобразователи обладают идеальными механическими свойствами и весьма малыми потерями.

Логарифмический декремент составного стержня можно определить по формуле

Здесь m1 и m2 – массы образца и кварца; f0 – резонансная частота составного стержня; fа, fр – частоты на антирезонансе и резонансе соответственно цепи составного стержня; Va и Vp – падение напряжения на сопротивлении 7, последовательно соединенном с составным стержнем, при антирезонансе и резонансе.

Опыт сначала проводят только для кварца (m1=0) и затем для составного стержня. Затем уже находят декремент колебаний образца.

247

электромагнитный датчик 3 (см. рис. 5.12), питаемый от генератора 5, создает переменное магнитное поле, которое взаимодействует с ферромагнитным диском 2 и приводит в колебательное движение образец. Во второй катушке 4, служащей приемником, создается э.д.с., которая усиливается и регистрируется. Взаимное расположение датчика и дисков определяет тип колебаний. При расположении, показанном на рис. 5.12, а, возбуждаются продольные колебания. Могут они быть также изгибными и даже крутильными.

Для измерения малого внутреннего трения метод, представленный на рис. 5.12, а, мало пригоден. Ферромагнитные диски вносят дополнительный вклад в общий фон внутреннего трения. Кроме того, этот метод мало пригоден при измерениях в области высоких температур.

Рис. 5.12. Электромагнитный способ возбуждения колебаний: Схема а: 1 – образец; 2 – ферромагнитные пластины; 3 – датчик; 4 – приемник; 5 – генератор; 6 – усилитель и осциллограф. Схема б: 1 – образец; 2 – упругий подвес; 3 – датчик; 4 – приемник; 5 – генератор; 6 – усилитель и осциллограф; 7 – печь или холодильник

Методика, представленная на рис. 5.12, б, была предложена Фёрстером (1937 г.). Колебания к образцу передаются через проволочный подвес. Через другой подвес

249

колебания передаются на регистрирующее устройство. Этот способ удобен для измерения внутреннего трения при высоких температурах: подвесы выводятся из нагревательного устройства, и вся электрическая часть находится в условиях комнатной температуры. Таким образом, эта методика позволяет измерять внутреннее трение материалов в интервале температур от 4 до 1000 К.

5.3.4. Измерение затухания в твердых телах в области частот 106-109 Гц

5.3.4.1. Импульсный эхо-метод

Импульсная методика затухания ультразвука стала применяться сравнительно недавно. Суть этой методики заключается в следующем.

1

2

3

4

Рис. 5.13. Схематичное изображение образца, склейки и преобразователя с нанесенными на него электродами

Для измерения затухания в образец перпендикулярно его

250