CC BY
22
где bi = (IS)2 /[2(1 + Гэх)]; а. = ES [гэх(6р - а) + + 18р]/[12р(1 + г«)].
Выражения для а, и Ь, получены при Кт = 6 в формуле (14). Данное значение для Кт получено из условия совмещения функций Вит при достижении граничных условий анализа (В=2, т=2).
При условии Сэ<Сж для энергетически совместимых пробы и СО наибольшее значение S из решения (18) будет равно:
Scpm« = S,cp=al/2. (19)
В этом случае из всего множества решений для AS, его минимальное значение, т.е. минимальное значение AS^ выразится:
= (S.-SJ = (ES - 2SJ = (XS-a) (20) Полученное уравнение является математическим выражением принципа автоматического корректирования параметров элемента СО.
В соответствии с этим принципом определяется разность почернений элемента СО расчетным путем. Она является оптимальной только для данного элемента контролируемой пробы. Таким образом исключается применение СО, расширяется область применения атомно-эмиссионного анализа и устраняется влияние субъективных факторов на процесс получения конечного результата.
Как показала экспериментальная проверка различных марок сталей, а также алюминиевых, медных и титановых сплавов на АО "Омскагрегат", погрешность определения содержания элементов
предлагаемыми методами соответствует требованиям государственных стандартов.
Данный метод является новым в отечественной и зарубежной практике. Его основным преимуществом является возможность анализа материалов, обладающих различными структурными особенностями и физико - механическими свойствами.
Литература
1. Никитенко Б.Ф., Казаков Н.С., Кузнецов В.П. Пути повышения достоверности и точности анализа эмиссионной спектроскопии. - М.: ЦНИИ и ТЭИ, 1989.-53 с.
2. Никитенко Б.Ф., Казаков Н.С., Кузнецов A.A. Разработка и использование автоматизированных измерительных систем в спектральном анализе. -М.: НТЦ Информтехника, 1990. - 80 с.
3. Кузнецов A.A. Разработка и исследование способов диагностики материалов в атомно-эмис-сионном экспресс-анализе. Диссерт. канд. техн. наук. - Омск, 1995. - 148 с.
23.11.98 г.
Кузнецов Андрей Альбертович - канд. технич. наук, доцент кафедры теоретической электротехники Омского государственного университета путей сообщения;
Алтынцев Михаил Поликарпович - главный инженер ОАО "Омскагрегат";
Сабуров Виктор Петрович - д-р технич. наук, профессор, зав. кафедрой "Машины и технология литейного производства" Омского государственного технического университета.
Через тернии. Ученый в поиске
Н.А.Пашковский
ОБНАРУЖЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭФФЕКТА В ПРЕЦИЗИОННЫХ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРАХ
Обнаружена и исследована не известная ранее способность некоторых кварцевых резонаторов изменять частоту собственных колебаний от воздействия света на пьезоалемент. Выполнены экспериментальные исследования фоточувствитепьности различных типов пьезоэлементов. Объяснена физическая сущность обнаруженного фотоэффекта.
Введение
Погожим весенним утром 14 апреля 1976 года дважды лауреат Государственной (Сталинской) премии СССР И.А.Народицкий в процессе отладки ультрапрецизионного кварцевого генератора для заводского стандарта (эталона) частоты столкнулся со странным явлением: когда вышедшее из-за крыши соседнего дома солнце осветило пьезоэле-мент кварцевого резонатора, частота генератора внезапно возросла на несколько единиц 10 _в, а перекрытие луча ладонью привело к быстрому (около 3 секунд) возврату частоты к первоначальному значению.
Необычность явления заключалась в том, что оно не мото быть объяснено простым тепловым воздействием солнечного света на пьезоалемент. Во-первых этот пьезоалемент среза АТ в комнатных условиях имеет отрицательный температурный коэффициент частоты (ТКЧ) порядка -2«10-71/К, как это видно изтемпе-ратурно^частотной характеристики (ТЧХ), показанной на рис.1, и его нагрев должен был привести не к возрастанию, а к понижению частоты. Во-еторых, массивный пьезоалемент диаметром 2,5 мм и толщиной 1,7 мм, размещенный в вакуумированном стеклянном баллоне, не мог за 3 секунды прогреться от освещения и столь же быстро остыть после его прекращения.
to
Ж UiMfMtltn
I am ф*»им I fm wnnm mw4*fmtr*
-t.'i
захват проникающих в кристалл фотонов и вызывать реакцию на освещение, является электродное покрытие, что впоследствии подтвердилось при экспериментальных исследованиях.
® Пробил* п*и0фл*немла 6 раьрче
-го
Рис. 1. ТЧХ резонатора среза АТ
В то же утро Народицкий продемонстрировал обнаруженный им эффект автору этих строк, и мы продолжили его изучение с помощью настольной лампы. Приближение лампы к резонатору увеличивало скачок частоты до нескольких единиц 10 ~7, но практически не влияло на его продолжительность.
На следующий день эффект был продемонстрирован группе специалистов, которые подтвердили, что он относится к классу ранее не известных и не описанных в литературе явлений. Было высказано предположение о вероятном открытии ранее неизвестного науке фотоупругого обратимого эффекта в прозрачных кристаллах. В связи с этим автором был предпринят поиск и изучение научной литературы по оптическому воздействию на кристаллы и начаты работы по детальному изучению обнаруженного эффекта.
Анализ литературы [1,2 и др.] показал, что все, обнаруженные ранее эффекты изменения физических свойств кристаллов под воздействием света обусловлены несовершенством кристаллической решетки исследуемых образцов, наличием в кристалле центров окрашивания (помутнения), которые становятся точками закрепления свободных дислокаций. Считается общепризнанным, что световой поток, беспрепятственно проходя через прозрачный бездефектный кристалл, не может вызвать изменения его физических свойств, поскольку кванты лучистой энергии могут задерживаться только упомянутыми дефектами. Пьезоэлементы прецизионных резонаторов изготавливаются из наиболее добротных и совершенно прозрачных кристаллов кварца и представляют собой полированные линзы с нанесенными на их поверхность тончайшими пленочными электродами в форме замочной скважины (см. рис.2). Электроды наносятся методом вакуумного напыления - вначале черный подслой хрома, обеспечивающий хорошую адгезию с кварцем, затем блестящий слой серебра с последующим гальваническим золочением. Таким образом, единственным элементом конструкции пьезоэлемента, способным производить
^ Шил/х^ы 1
I*
¿ершик
Рис. 2. Пьезоэлемент прецизионного резонатора
Экспериментальное изучение фотоэффекта
Был сооружен измерительный комплекс, схема которого показана на рис.3. Осветительная установка позволяла за счёт изменения напряжения на лампе от нуля до 220 В и изменения расстояния от лампы до объекта от 50 до 5 см увеличивать освещенность пьезоэлемента от нуля до 120 клк.
«нов
5 МГц ♦ д j-
49 КЧ J5WU СЧ
¿200л}
Рис. 3. Измерительный комплекс: АТР - автотрансформатор РНО-250-2 с градуированной шкалой напряжений; Л - лампа прожекторная 220 В, 500 Вт; КР -испытуемый кварцевый резонатор; КГ-кварцевый генератор с возбуждением КР на последовательном резонансе; КЧ - компаратор частотный 47-12; СЧ -стандарт частоты 5 МГц, стабильность 2*10'10 за месяц; ЧЭ - частотомер электронный; I - расстояние от волоска лампы до пьезоэлемента КР.
Калибровка установки производилась с помощью люксметра Ю-16 и фотоэлемента Ф-102 с поглотителем "х100", которые обеспечивали непосредственное измерение освещенности до 50 клк. Эта освещенность достигалась при напряжении 220 В и расстоянии 8,5 см. Для оценки освещенности при меньших расстояниях график зависимости Е = ф(1) был экстраполирован, до минимально возможного I = 5 см.
Частотоизмерительный комплекс обеспечивал высокую разрешающую способность измерения частоты 5 МГц ± Af с погрешностью до ± 1 • 10 9. На других частотах повышение разрешающей способности достигалось измерением частоты при деся-тисекундном счёте частотомера. Возбуждение резонатора на последовательном резонансе исключало влияние длинных проводов, которыми резо-
натор подключался к генератору.
Вначале была предпринята попытка выявить такой же фотоэффект на низкочастотных резонаторах различных срезов и видов колебаний, которая в силу понятных теперь причин не увенчалась успехом. После этого было проведено подробное исследование фотоэффекта на резонаторах различных У- срезов и с разными пьезоэлементами на частоту 5 МГц.
Измерения проводились по следующей методике. При выключенной лампе заранее устанавливалась экспозиция (напряжение U по шкале АТР и расстояние I) и фиксировалось показание частотомера. Затем включалась лампа и регистрировалось максимальное показание частотомера, которое достигалось через 3-5 секунд, после чего лампа выключалась и регистрировалось минимальное показание частотомера, достигавшееся через такой же промежуток времени. Далее менялась экспозиция и проводились замеры по той же методике. По окончании измерений определялась освещенность Е для каждой экспозиции и строился график зависимости уходов частоты Af/f от освещенности Е для каждого резонатора.
На рис.4 и 5 представлены графики этой зависимости для некоторых типов резонаторов, конструктивные параметры которых приведены в таблице.
4290
Е,лк
ioeo
Эту зависимость по аналогии с другими характеристиками резонаторов можно назвать фото-частотной характеристикой (ФЧХ), выражаемой некой функцией АШ = Ф (Е), производная от которой может быть названа светочувствительностью резонатора. Из рис.5 видно, что при освещенностях свыше 20 килолюкс ФЧХ всех резонаторов становится практически линейной функцией д±/£ = се, в которой светочувствительность р=сопз1, а величина её определяется конструктивными особенностями каждого типа резонаторов. Определенные из графиков значения р приведены в таблице.
Необходимо отметить, что во всех экспериментах наблюдалось несовпадение первого и третьего замеров частоты (до включения лампы и после ее выключения), обусловленное наложением на "световой" эффект чисто "теплового" ухода частоты в соответствии с ТЧХ резонатора. Величина этого ухода у вакуумных резонаторов составляла 57%, а у газонаполненных возрастала до 25-30 %.
У кварцевого термодатчика У- среза (поз.6 в таблице),имеющего огромный положительный ТКЧ=+80-10-€/К, световой эффект при включении лампы полностью поглощался непрерывным тепловым ходом частоты "в плюс", но его можно было ощутить после выключения лампы, когда частота резко уходила "в минус".
Рис.4. Зависимость изменения частоты КР от освещенности до 8 клк.
Рис.5. Зависимость изменения частоты КР от освещенности до 100 клк.
№ Тип и срез резонатора Вид кварц, сьрья Частота F, МГц Номер моды колеб. Размеры ПЭ, мм Обраб. ПЭ Материал электродов Светочувствительность ,р
Rc<|> D D, Т 10 клк %
1 о "Нарцисс" УХ1/+ 35° (АТ) Природн. Искусств. 5 с 5 с 300 € 22,5 с 10 < 1,7 < Полир. < Cr-Ag-Au « + 1,5 « 100 «
3 4 Нарцисс-3 АТ "Лотос" ухЫ/-14°/+ 35° Природн. < с с 3 5 < < « с 1 а < с § 1.0 1,7 Го « < « « « « +1,2 +0,6 +0,7 60 40 47
5 6 "Гиацинт "АТ Тер мо датчик ух!/0° (У-среэ) _а_ « « « 3 1 « 5 0,4 11*1 и ф. +2,7 180
Светочувствительность указана для диапазона освещенности Е = 20 - 100 килолюкс
Введение менаду лампой и резонатором красного, зеленого или синего светофильтра приводило к одинаковому снижению фотоэффекта на 1520%. Освещение резонаторов ультрафиолетовым светильником "АРУФ0111-50М" выявило очень низкую чувствительность к УФ-лучам: резонатор, приставленный вплотную к светильнику, дал уход частоты всего + 15109.
Испытания нескольких КР типа "Нарцисс" из разных видов кварца и с разной добротностью (поз. 1 и 2 в таблице) не выявили ощутимых различий по виду ФЧХ и светочувствительности, что является одним из доказательств непричастности кристалла к фотоэффекту.
Физическая сущность фотоэффекта
При первых же количественных испытаниях на измерительном комплексе выявилась очень сильная зависимость фотоэффекта от расположения пьезоэлемента по отношению к направлению светового потока. Когда свет направлялся на полированную поверхность пьезоэлемента, реакция резонаторов на освещение была намного слабее, чем при освещении шлифованного цилиндрического бортика (см. рис.2), хотя освещаемая поверхность в этом случае была несоизмеримо меньшей (для КР "Нарцисс" - в 11 раз) С этого момента все полированные пьезоэлементы ислытывались в положении бортиком к свету. А сам этот феномен дал ключ к разгадке всего механизма воздействия света на резонатор.
Когда лучи направлены на полированную поверхность, кванты лучистой энергии беспрепятственно проходят сквозь прозрачный кристалл либо отражаются от блестящего золотого электрода, не вызывая серьезных изменений его состояния. Попадая же на шлифованный матовый бортик, они рассеиваются по всему объему кристалла и захватываются черной хромовой пленкой, нагревая электроды. Электроды, стремясь расшириться, растягивают поверхностные слои кристалла в под-электродной области, в которой сосредоточена вся колебательная энергия резонатора [3,4]. Подэлек-тродная область, стремясь расшириться, встречает противодействие со стороны холодной кольцевой периферийной зоны и как бы подвергается всестороннему круговому сжатию. Реакция активной центральной области на это сжатие определяет величину и знак изменения частоты.
Характер изменения частоты от воздействия радиальной сжимающей силы, направленной под разными азимутальными углами относительно кристаллографических осей пьезоэлемента, исследовался в работе [5], в которой приводятся частотно-силовые характеристики (ЧСХ) для различных срезов. График ЧСХ для среза АТ из работы [5] воспроизведен на рис.6.
Рис. 6. Частотно-силовая характеристика (ЧСХ) пьезоэлемента среза АТ при сжатии по диаметру. СКЧ - силовой коэффициент частоты, Р - сила сжатия, ф - азимутальный угол относительно кристаллографических осей X и Т
На нем отчетливо видно явное преобладание положительных уходов частоты. Следовательно, при всестороннем сжатии вычисленный по ЧСХ интегральный силовой коэффициент частоты (ИСКЧ) будет иметь положительный знак, т.е. предсказывать возрастание частоты, что и происходит при освещении резонатора.
Таким образом, мы встретились со сложным фото-термо-тензо-частотным динамическим обратимым эффектом, который может быть описан следующим образом: световой луч своим тепловым воздействием растягивает электроды, переводя пьезоэлемент в новое упругое состояние с новой частотой, и непрерывно поддерживает его в этом состоянии, снабжая все новыми порциями тепла, которые от электродов передаются кристаллу и вызывают тепловой дрейф частоты в соответствии с ТЧХ. После выключения света электроды сжимаются, возвращая ПЭ в прежнее упругое состояние, но уже при другой температуре. Дальше дрейф частоты происходит по чисто тепловым законам до наступления теплового равновесия. Полученные нами результаты в сопоставлении сданными работы [б] наводят на мысль о существовании весьма близкого "родства" между фотоэффектом и температурно-динамическим эффектом. В частности, в этой работе приводится значение ИСКЧ, рассчитанное авторами для среза ухЫ/-13 °54'/+35° и равное 43 % от ИСКЧ для среза АТ. Точно в такой же пропорции соотносятся полученные нами в эксперименте величины светочувствительности тех же срезов (поз.4 и 1 таблицы).Это соотношение отчётливо видно на графиках рис.4 и 5 для КР "Лотос" и "Нарцисс".
Аналогичным образом в обоих эффектах ощущается зависимость величины воздействия от размера электродов (см. поз.З, 4, 5 в таблице работы [6]. Поэтому сделанное в работе [6] заявление о
том, что переносом тепла на электроды посредством излучения при рассмотрении температурно-динамических эффектов можно пренебречь, представляется необоснованным.
Заключение
1. Открытие светочувствительности резонаторов среза АТ определилось сочетанием в одном месте и в одно время целого ряда случайных факторов, самыми главными из которых были два светила: солнце, осветившее пьезоэлемент в момент измерения стабильности эталонного генератора, и блестящий экспериментатор И.А.Народицкий.не оставлявший без внимания ни одной аномалии, не доискавшись её причин. Только солнце, способное дать освещенность до 100 клк на фоне обычной комнатной освещенности порядка 50 лк [7], помогло обнаружить ранее неизвестный фотоэффект и дало толчок исследованиям, позволившим пролить новый свет на механизм взаимодействия электрода с кварцевой пластиной.
2. Поскольку обнаруженный фотоэффект не затрагивал фундаментальных свойств кварца, мы с Народицким не стали претендовать на регистрацию открытия, но оформили заявку на изобретение пьезокварцевого приемника светового излучения, основанного на его использовании [8]. В течение двух лет эта заявка отвергалась экспертами ВНИИГПЭ по причине "отсутствия новизны", после чего Контрольный совет ГКИО признал новизну изобретения, но отказал в выдаче авторского свидетельства, так как в заявке якобы "не раскрыто преимущество предлагаемого решения перед известными".
Дальнейшие исследования фотоэффекта были прекращены, поскольку наши научные и производственные интересы были далеки от фотометрии. А от подготовки публикации по нашим исследованиям автора отвлекли другие проблемы.
3. После того как эта статья была уже написана, автор вновь перелистал свой рабочий журнал с замерами фотоэффекта и обнаружил в нем такую запись от 11.05.77г.: "Характерно, что светофильтры уменьшают освещенность по люксметру в 2-3 раза (при одном и том же 1),а световое воз-
действие на КР (кварцевый резонатор) снижают всего на 20%".
Есть все основания предположить, что если бы мы тогда не оставили этот результат без внимания (по своей малограмотности в теории излучений), а продолжили бы эксперимент, поставив на пути лучей сразу 2-3 светофильтра разного цвета (т.е. исключили бы из облучения весь видимый спектр), то обнаружили бы, что скачок частоты определяется, в основном, невидимой инфракрасной компонентой излучения лампы, о существовании которой мы тогда не задумывались, а свет лишь сопровождает инфракрасные лучи.
Автор убежден, что новое поколение исследователей подтвердит эту версию.
Литература
1. Гордон Р. Влияние освещения на механические свойства щелочно-галоидных кристаллов // Физ.акустика. - 1968. - Т. 3, Ч.Б., Гл.III.
2. Осипьян Ю.А., Савченко И.Б. Экспериментальное наблюдение влияния света на пластическую деформацию сульфида кадмия // ЖЭТФ -1968. -Т.7.- Вып.4. - С.130.
3. Пашковский Н.А. Некоторые вопросы теории пьезокварцевых линз // Электронная техника. Сер. IX Радиокомпоненты. - 1968. - Вып. 3. - С.25.
4. Багаев В.П., Теренько B.C. Электрическая поляризация крарцевых линз среза AT // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Ill, -1965, Вып. 2. - С.41.
5. Теренько B.C., Ивлев Л.Е. О силовом коэффициенте частоты кварцевых резонаторов, //Электронная техника. Сер. IX . - 1968. - Вып. 5. - С.45.
6. Ивлев Л.Е., Дикиджи А.Н. Влияние нестационарного теплового режима на частоту прецизионных кварцевых резонаторов // Электронная техника. Сер. IX. - 1968. - Вып.4. - С.12.
7. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. - М.: Наука, 1966. - С. 202.
8. Заявка на изобретение "Пьезокварцевый приемник светового излучения" № 2517770 / 25 (105669), приоритет от 08.08.77г.
06.12.1996 г.
Пашковский Наум Аронович - канд. технич. наук, ведущий инженер Омского приборостроительного завода им. Козицкого.
Редакция приносит извинения Н.А.Пашковскому за ошибки, допущенные в статье "Аналитическое исследование температурно-частотных характеристик кварцевых резонаторов среза АТ", опубликованной в приложении к журналу "Омский научный вестник" в ноябре 1998 г.
___/
________
