27. Радиотехнические и акустические методы

27.1. Емкостной метод

Емкостной метод в последнее время получил широкое распространение для исследования теплового расширения твердых тел при низких температурах.

Принципиальная схема измерительной ячейки емкостного дилатометра показана на рис. 27.1. Чувствительным элементом дилатометра является конденсатор, одна из пластин которого (1) закреплена неподвижно, Вторая подвижная пластина (2) соприкасается с исследуемым образцом (3) непосредственно, или через шток (4). При изменении температуры длина образца изменяется, что приводит к перемещению подвижной пластины (2). В результате перемещения пластины изменяется емкость конденсатора.

Изменение емкости фиксируется регистрирующим устройством. При конструировании регистрирующего устройства используются два метода измерения емкости.

Рис. 27.1. Схема дилатометрической ячейки емкостного дилатометра

Конденсатор измерительной ячейки подключается или в мостовую схему или в схему колебательного радиочастотного генератора. В первом случае изменению длины образца ставится в соответствие изменение емкости , во втором - изменение частоты колебательного контура ( , - постоянные прибора, определяемые конкретной конструкцией регистрирующей ячейки).

Чувствительность метода определяется чувствительностью регистрирующего устройства и может быть чрезвычайно высокой - 10^-8 - 10^-10 см. Труднее обеспечить необходимую точность измерений. Кроме полезного сигнала, который подается с конденсатора измерительной ячейки, на регистрирующее устройство попадают трудно контролируемые паразитные сигналы за счет изменения емкости подводящих проводов и других элементов измерительной системы.

Наиболее удачная конструкция емкостной измерительной ячейки, обеспечивающей высокую точность измерений, показана на рис. 27.2. В основу была положена идея трехсекционного конденсатора. При такой конструкции емкость определяется только емкостью самого конденсатора и не включает емкость подводящих линий. В данном случае исследуемый образец является одной из пластин конденсатора (рис. 27.2 в). На рис. 27.2 б изображена схема измерительной ячейки, которая используется для относительных измерений. Она изготавливается из меди высокой чистоты. Истинные значения коэффициентов расширения исследуемого образца можно вычислить, если известен коэффициент расширения меди в той же температурной области.

Рис. 27.2. Емкостной дилатометр а — схема трехсекционного конденсатора; б — схема дилатометрической ячейки для дифференциальных измерений; в — схем дилатометрической ячейки для абсолютных измерений: 1, 2, 3— пластины конденсатора, 1— образец, 4— стеклянные шарики диаметром 3 мм, 5— нагреватели

На рис. 27.2 в представлена схема измерительной ячейки для абсолютных измерений. В этом случае детали 1 и 2 должны быть изготовлены из исследуемого материала. Для описанной конструкции измерительной ячейки и при использовании в качестве регистрирующего устройства мостовой схемы точность измерений ограничена только нестабильностью эталонной емкости.

Рис. 27.3. Емкостной дилатометр

Из изложенного следует, что емкостные дилатометры обладают высокой чувствительностью. Специальная конструкция измерительной ячейки обеспечивает необходимую точность измерений. В связи с этим емкостные дилатометры можно использовать для исследований при низких температурах вплоть до 5 К, в частности для исследования электронного вклада в тепловое расширение. Основная трудность заключается в необходимости изготавливать массивные образцы специальной формы. Это обстоятельство ограничивает возможность применения метода при изучении теплового расширения труднообрабатываемых материалов и кристаллов малых размеров.