用于对试样进行光热研究的方法和设备与流程

本发明涉及用于对试样进行光热研究的方法和设备。

背景技术：

用于对试样进行光热研究的方法和设备例如由位于德国塞尔布的耐驰仪器制造有限公司的“LFA 447 Nano ”小册子得知(在2012年07月04日，在互联网上可通过以下网址调取：http://www.netzsch-thermal-analysis.com/download/LFA_447_NanoFlash_D_1108_de_180.pdf)。已知的设备包括：

-呈电气式运行的炉子的形式的试样腔室，该试样腔室具有装入其中的试样保持件并且用于对试样进行布置和调温，

-氙气闪光灯作为激励源，以用于产生集中到待研究的试样的用作“激励侧面”的正面上的激励射线，以及

-红外线探测器，以用于检测从试样的“检测侧面”、在此为背面发出的热辐射。

借助已知的设备可确定试样的材料的物理特性、例如尤其其导温率以及其热导率。在已知相关材料的密度时还可确定材料的比热容。

已知的设备的工作方式在于，借助激励源以短的电磁激励脉冲照射试样的第一侧面(“正面”)，之后检测由于激励脉冲而从试样的与第一侧面相对的第二侧面(“背面”)发出的热辐射(作为在第二侧面上的温度的大小)，并且最后基于物理数学模型评估检测的热辐射，以便借助数学平差计算确定所述的材料参数(作为在平差计算中估算的相应模型参数)。

试样腔室的可调温性可选地或者在试样温度被预先规定并确定的情况下、或者在较大的温度范围中(通过例如以小的间距改变温度并且进行相应多次的单个测量)实现这种测量。

这种光热的研究很好地用于不透明试样，即，对于在试样的表面上或还有内部中出现的热辐射试样材料没有较大的穿透性。

但是，对或多或少透明的试样的研究是有问题的，因为在这种情况下从物理数学考量得到的模型相对复杂，尤其包括更多个需要在平差计算中估算的模型参数，从而损失确定最终感兴趣的材料参数、如尤其例如为导温性和/或热导性的准确性。

技术实现要素：

本发明的目的是，提出一种用于对试样进行光热研究的新型方法，借助该方法尤其也能够以相对高的准确性为透明试样确定材料热参数。

根据本发明该目的通过根据权利要求1的方法或根据权利要求8的设备实现。从属权利要求涉及本发明的有利的改进方案。

根据本发明的用于对试样进行光热研究的方法包括以下步骤：

a)以电磁的激励脉冲照射样品的第一侧面，

b)检测由于激励脉冲而从试样的与第一侧面相对的第二侧面发出的热辐射，

c)基于通过下列方程式定义的模型评估检测的热辐射：

对于0<x<L,t>0

对于x＝0,t>0

对于x＝L,t>0

T(x,0)＝0，对于t＝0

其中，

T表示试样的(与位置和时间相关的)温度，

L表示试样的厚度，

x表示在试样的厚度方向上看的位置坐标，在试样的第一侧面上具有x＝0并且在试样的第二侧面上具有x＝L，

t表示时间，在激励脉冲的时间点上t＝0，

E(t)表示激励脉冲的(与时间相关的)辐射流密度，

α表示试样的导温率，

k表示试样的热导率，

h表示在试样表面上的传热系数，

η'表示“总计的透明度因子”，

其中，进行数学平差计算，以便根据由检测的热辐射确定的在试样的第二侧面上的温度T(L,t)在时间上的变化曲线估算模型的一个或多个上述的参数α、k、h、η'，和/或从中导出的参数，如尤其例如为“h/k”或“L×h/k”(在试样厚度L已知的情况下对“L×h/k”的估算等效于对“h/k”的估算)。

在此，对在模型中的这种参数的估算等同于确定试样的相应参数。

因此，该方法尤其能够确定导温性(α)并且，如果比热容(c_p)同样已知或例如已根据参照测量，也能够确定热导率(k)。优选地，在完成评估之后给出(和/或存储)其中至少一个材料参数α和k。

对此需要注意，参数α、k已知与密度(ρ)和比热容(c_p)相关，因此，这在评估过程中在已知密度(ρ)和比热容(c_p)的情况下能够同时确定参数α和k。

在一个优选的实施方式中，在数学平差计算中估算参数α、L×h/k和η'。

用于加热试样的第一侧面的激励脉冲可例如借助闪光灯或激光器产生。在一个优选的实施方式中借助脉冲式运行的激光器产生激励脉冲。

优选地，产生具有100nm至5μm的波长范围的激励脉冲(或在单色地产生具有主要波长在100nm至5μm范围中的激励脉冲时)。尤其在使用激光器时，可设置具有波长在700nm至2μm范围中的激励脉冲(例如，钕玻璃激光器：1062nm)。

通常有利的是，激励脉冲的短的脉冲持续时间(脉冲宽度)例如小于1ms，尤其小于0.5ms。另一方面，也在考虑到实现不太小的脉冲能量的情况下通常至少100ns的脉冲持续时间是有利的(尤其非常小的例如在几个10ns的范围中的脉冲持续时间可例如通过Q开关激光器实现)。

(每个激励脉冲的)脉冲能量优选为至少1J、尤其至少5J。另一方面，在许多应用情况中最大50J、尤其最大20J的脉冲能量就足够。

在一个优选的实施方式中，试样在测量过程(通过激励脉冲的照射和检测发出的热辐射)期间布置在气密的环境中。因此可有利地为试样提供对测量的可重复性有利的很好定义的环境或环境条件，这例如是惰性气体氛围和/或抽真空的环境(真空)。

对于检测热辐射可参考对此已知的现有技术。尤其可为此使用已知类型的红外线探测器。这种红外线探测器优选经过冷却(例如LN₂冷却)。

如已经所述的那样，本发明的目的尤其在于对透明试样的光热研究。在该方面可尤其设置试样，其在波长区间为2μm至6μm中在至少一个部位上具有至少0.3、尤其至少0.4的透射系数。

本发明尤其适合研究由玻璃材料构成的试样。

待研究的试样优选为薄板状、例如方形的或圆形的规格，并且优选具有在试样表面上看统一的厚度。

在此对根据本发明的方法所述的特殊的实施方式和改进方案可以类似的方式用作根据本发明的设备的实施方式和改进方案。对于设备所述的实施方式和改进方案可以类似的方式作为方法的实施方式或改进方案。

附图说明

下面根据光热研究的实施例参考附图详细描述本发明。其中：

图1示出了用于对试样进行光热研究的设备；

图2示出了在研究不透明试样时检测的热辐射关于时间的示例性的变化曲线的示意图；

图3示出了在研究透明试样时检测的热辐射关于时间的示例性的变化曲线的示意图，在试样的热量相对大地损失到环境中的情况中；以及

图4示出了在研究透明试样时检测的热辐射关于时间的示例性的变化曲线的示意图，在试样的热量相对小地损失到环境中的情况中。

具体实施方式

图1示意性地示出了用于对薄板状(在此为柱状)的试样P进行光热研究的设备10的一个实施例，该试样由均质的材料构成并且容纳在设备10的试样保持件12的试样容纳部中。

设备10还包括脉冲式运行的大功率氙气闪光灯14，其作为激励源用于产生电磁激励(射线)脉冲18，其指向试样P的第一侧面，该第一侧面在下面也称为试样P的“正面”16。

代替闪光灯，作为激励源可尤其例如使用脉冲式运行的激光器。

各个激励脉冲18的能量例如是大约10J并且可由用户在能程控的控制装置ST上设定。

控制装置ST在可选的测量程序的范围中控制设备10的可操控的所有部件的运行。

在示出的示例中，脉冲式激励射线18借助反射器20和校直透镜或聚焦透镜22集中到用作“激励侧面”的试样正面16上，其中在示出的示例中，均匀地照射试样正面16的几乎整个面(参见在图1中绘出的闪光灯射线)。

可选地，“激励光学系统”、在示出的实施例中即为例如透镜22可设置成能调节的，从而可在试样P的激励侧面上设定需要用激励射线照射的区域(“斑点(Spots)”的设定)。

闪光灯14的各个加热脉冲(激励脉冲18)引起对试样正面16的与时间相关(在此：脉冲式)的加热，从而引起从试样正面开始热脉冲扩散穿过试样P的材料直至与第一侧面(正面)相反的第二侧面，其在下面也称为“试样背面”24。

在示出的示例中，为了检测由试样背面24发出的热辐射26而设置(优选冷却的)红外线探测器28，其具有辐射敏感的探测器区域30，其中，在试样保持件12和探测器28或其探测器面30之间设置检测光学系统，其包括透镜32，该透镜用于确定探测器28在试样背面24的期望的、优选圆形的“视野”。

可选地，检测光学系统可构造成用于在试样背面上的视野的可调节性。为此在示出的示例中例如可设置透镜32沿光学轴线A的方向的可移位性。透镜32的这种可移位性在图1中通过双箭头34象征性地表示。

在已知通过激励脉冲18在试样正面16上所进行的热能输入Q和/或激励脉冲18的辐射流密度E(t)在时间上的变化曲线的情况下(例如基于操控)或通过对其的探测(例如基于测量)，可通过检测在试样P的背面24上发出的热辐射26、以下面还将详细描述的方式实现对试样P的物理特性(材料参数)的研究(“光热研究”)。

借助该研究方法得到的相关试样材料的物理特性，尤其是其热导率(英语：“thermal conductivity”)以及其导温率(通常也称为“热扩散系数”或“热扩散率”；英语：“thermal diffusivity”)。

在一个优选的方法变型方案中，不仅在试样正面上的电磁激励而且在试样背面上的热辐射检测分别在试样P的大致整个正面或背面上进行。由此可特别精确地获得由均质材料构成的试样的热导率和/或导温率。

“热导率”(下面也用符号“k”表示)量化为由于温度降而进行的热传导。明确地说，热导率相应于在温差为1K时在1s的时间段中流过1m厚的面积为1m²的材料层的热量(单位为焦耳，J或瓦特秒，Ws)。

“导温率”(下面也用符号“α”表示)量化为由于温度降而通过热传导产生的温度空间分布在时间上的变化。

在这两个材料参数k、α之间已知有如下关系：

k＝α×ρ×c_p。

在此表示：

k表示热导率

α表示导温率

ρ表示密度

c_p表示比热容

为了能够与温度相关地获得材料参数k和/或α，在示出的设备10的示例中包含试样保持件12的试样腔室36的外罩包括电气式运行的加热元件38和可选地包括以操控的方式可被冷却剂流经的冷却通道40。为此例如可在测量程序的范围中依次设定多个不同的试样温度(或借助连续的加热或冷却来进行调温)，以针对不同的试样温度分别使一个或多个激励脉冲集中到试样P上，并且针对不同的试样温度评估之后对每个激励脉冲检测的热辐射26的强度，并且因此也得出材料参数k和/或α的温度相关性。

控制装置ST可配备有(或连接)合适的评估器件(例如程控的计算机单元)和显示器件和/或存储器件以输出或存储得出的材料参数。

在示出的示例中，光学过滤器42(激励侧面)和44(检测侧面)形成试样腔室36的端侧端部。将过滤器的过滤器特性设置成，相应地尽可能地仅针对期望的光谱范围，即，一方面针对激励射线18(过滤器42)的光谱、另一方面针对热辐射26(过滤器44)的光谱给出透射率。

为了更好地理解根据本发明的设备10的工作原理，下面首先描述未在本发明范围中的、从物理方面考量的针对(用于激励射线的)“不透明试样P”和(用于激励射线的)“透明试样P”的情况的评估。该评估例如可借助所述的设备10(或包含在其中的控制装置ST)来实施。

在不透明试样P的情况下，为了对检测的热辐射的强度进行评估，通过下面方程式定义的模型是合适的：

对于0<x<L,t>0(热扩散方程) (1)

对于x＝0,t>0(正面的边界条件) (2)

对于x＝L,t>0(背面的边界条件) (3)

T(x,0)＝0，对于t＝0(初始条件) (4)

其中：

T表示试样的(与位置和时间相关的)温度，

L表示试样的厚度，

x表示在试样的厚度方向上看的位置坐标，在试样的正面上具有x＝0并且在试样的背面上具有x＝L，

t表示时间，在激励脉冲的时间点上t＝0，

E(t)表示激励脉冲的(与时间相关的)辐射流密度，

α表示试样的导温率，

k表示试样的热导率，

h表示在试样表面上的传热系数。

在该模型中，传热系数h量化为在相关的试样侧面上传送给环境(在试样腔室中)的(对流的)热损失。

在借助设备10进行的测量程序的范围中，控制单元ST控制调温器件(加热元件38和冷却通道40；例如“温度随时间变化的程序”)的运行和激励源(氙气闪光灯14或激光器；例如时间上的脉冲周期和/或脉冲能量)的运行，其中，从如在图1中看出的IR探测器28开始还将信号或数据传递给控制单元ST，该信号或数据代表在试样背面上的温度T(L,t)在时间上的变化曲线(或者控制装置可从该信号或数据中得出温度T(L,t)在时间上的变化曲线)。

因此，基于上述模型，可借助控制装置ST优选程控地执行数学平差计算，以根据从检测的热辐射中得出的在试样背面上的温度T(L,t)在时间上的变化曲线尤其估算出模型的参数α和k。估算的参数α和k此时是相关的试样P的通过评估获得的材料参数“热导率”(也为“导热系数”)和“导温率”(也为“热扩散系数”)。

该过程在下面通过设备10的应用示例以及参考在图2中所示的在不透明(例如金属)试样P上的测量结果而再次示出。

图2针对不透明试样P示例性地示出了代表借助探测器28检测的热辐射26的强度的探测器信号I在时间上的变化曲线。为了简单起见而假设该与时间相关的变化曲线I(t)同时代表在试样P的背面24上的温度T(L,t)在时间上的变化曲线。一般地，在已知探测器28的特性的情况下，借助控制装置ST可始终以合适的方式将直接接收的变量I(t)换算成用于下面继续评估所需的变量T(L,t)。

在图2中，在时间点t＝0时借助激励脉冲18以预先规定的能量和/或预先规定的辐射流密度E(t)在时间上的变化曲线照射试样正面。

在不透明的、即热辐射不可穿透的试样P的情况下，由照射引起的在试样正面上的热输入Q相应于与照射面积相乘的、激励脉冲18的辐射流密度E(t)在时间t上的积分。

在实际中，激励脉冲18的持续时间(在时间上的“宽度”)至少(并且优选地)比接下来得到根据试样厚度(L)和试样特性(尤其α和k)表征的在试样背面24上的温度变化的持续时间小很多。

在这种情况下，在例如仅已知激励脉冲18的总能量(例如大约10J)就足够。辐射流密度E(t)的时间变化曲线此时例如在数学上可近似看作狄拉克函数δ(t)：E(t)＝Q/A_p×δ(t)，其中，A_p表示由激励脉冲照射的面积。

如从图2中看出的那样，在大约t＝130ms的时间点在试样背面24的温度T(L,t)开始上升。这明显意味着施加在试样正面16上的热能Q在大约130ms之后“到达”试样背面24上。

在大约t＝1500ms的时间点，温度T(L,t)经过最大值。这明显意味着，自该时间点在试样背面24上通过对流和/或辐射到环境中“损失”的热比通过对流而穿过试样内部(仍然)补充的热更多。

明显地，所述时间点以及在试样背面24上的温度T(L,t)的整个详细变化曲线尤其取决于材料参数α和k(或h/k)并且可通过上述模型描述，从而根据得出的温度T(L,t)在时间上的变化曲线通过所述数学平差计算可简单地估算模型的参数α和h/k(例如借助“最小二乘法”等使参数α和h/k(或L×h/k)在数学上“相配合”)。对此可至少得出(算出)导温率(α)和参数h/k或L×h/k。这如上所述地，在已知或测量比热容(c_p)时还提供相关试样P的热导率(k)。

不透明试样的上述模型能够提供相对精确的材料参数α和h/k(或L×h/k)的值。明确地说，不透明试样的由4个方程式组成的模型总共包含“仅”2个未知的、可借助平差计算估算的参数(α和h/k)。

但是，在热辐射或多或少透明的试样P的情况中上述评估模型毫无用处，而是需要修改。从物理方面考虑得到下列模型：

对于0<x<L,t>0 (1)

对于x＝0,t>0 (2)

对于x＝L,t>0 (3)

T(x,0)＝0，对于t＝0 (4)

其中，

T表示试样的(与位置和时间相关的)温度，

L表示试样的厚度，

x表示在试样的厚度方向上看的位置坐标，在试样的正面上具有x＝0并且在试样的背面上具有x＝L，

t表示时间，在激励脉冲的时间点上t＝0，

E(t)表示激励脉冲的(与时间相关的)辐射流密度，

α表示试样的导温率，

k表示试样的热导率，

h表示在试样表面上的传热系数，

η表示(无尺寸的)“透明度因子”。

因此，用于透明试样的该模型(相对于不透明试样的模型)在试样侧面上的两个边界条件中分别通过项h×η×(T(0,t)-T(L,t))而修改(补充)。该项或包含在其中的透明度因子表征由于试样P的透明度通过热辐射从正面16到背面24穿过试样P的能量传递。

基于用于透明试样的模型同样可进行数学平差计算，以便根据在试样背面24上的温度T(L,t)在时间上的变化曲线估算模型的参数α、k、h和η，或至少估算模型的参数α、h/k和η。从中得出的并且在考虑到例如根据参照同样测量的热容得出的估算的参数α和k此时是通过评估获得的材料参数，即，相关试样P的热导率(k)和导温率(α)。

该过程在下面通过设备10的应用示例以及参考在图3中所示的在透明试样P(例如由玻璃材料构成)上的测量结果而示出。

图3针对透明试样P示例性地示出了代表热辐射26的强度、或在试样P的背面24上的温度T(L,t)在时间上变化曲线的信号I在时间上的变化曲线。

在图3中，在时间点t＝0时用短的激励脉冲18通过预先规定的能量和/或预先规定的辐射流密度E(t)在时间上的变化曲线来照射试样正面16。

优选的是，假设使两个试样侧面16、24“变黑”，以增加对(在正面16上)照射能量的吸收和(在背面24上)热辐射的发射。在这种情况下，由照射得到的在试样正面上的热输入Q又相应于与照射面积相乘的、激励脉冲18的辐射流密度E(t)在时间上的积分。

如从图3中看出的那样，并且与根据图2的示例不同，因为试样P是透明的，几乎立刻开始，即，在t≈0ms时在试样背面24上的温度T(L,t)已经有很小的阶梯式的提升。这就是因为从试样正面16开始有一定的能量部分通过热辐射快速地横穿试样P，并且在背面24上的温度T(L,t)提高。

此外，从图3中可看出，类似于根据图2的示例那样，在一定的延迟之后(在此以约100至200ms的数量级)在试样背面24上的温度T(L,t)开始提高并且由此主要是温度提高，其通过热传导穿过试样材料而引起。

在所示示例中约t＝2280ms的时间点上，温度T(L,t)经过最大值。这明显再次表明，自该时间点在试样背面上通过对流和/或辐射到环境中“损失”的热比穿过试样内部补充的热更多。

所述时间点以及在试样背面24上的温度T(L,t)在时间上的整个变化曲线尤其取决于材料参数α、h/k(或L×h/k)和η并且可通过上述模型描述。

因此，借助得出的温度T(L,t)在时间上的变化曲线通过数学平差计算再次估算模型的参数α和k，以及额外地估算参数h和η，以便由此得出材料参数，即，试样P的热导率(k)和/或导温率(α)。

但是已经显示出，通过透明试样的该模型不能始终以足够的精确性得出材料参数k和α(或在考虑到使用的平差计算方法具有小的“统计的不确定性”)。明确地说，这在于，透明试样的由4个方程式构成的模型总共包含3个未知的(待估算的)参数(α、h/k和η)，而不透明试样的模型在相同数量的方程式的情况下少包含一个未知的参数(η)。

在本文中尤其已经显示出，模型仅在T(L,t)的时间变化曲线实际上(并且如例如从图3中可看出的那样)经过明显更突出的最大值时或在该变换曲线结束处在试样背面上出现或多或少明显的温度减小时相当好地“起作用”，即，提供足够精确的k和α的值。

该标准因此等同于在试样表面(或至少在试样背面24)上有到环境中的“相对高的热损失”(这通过在模型的边界条件中的项h×η×(T(0,t)-T(L,t))被考虑)。

确切地说能够解释成，在考虑到包含在边界条件中的项“h×η”的情况下，“高的热损失”或等同于在结束时温度T(L,t)的相应降低有利地提高了在数学上的“相配合”(平差计算)的统计可靠性。

但是另一方面，在实际中，当该热损失恰好最小化时是有利的，因为通过所述模型没有绝对完全地精确地检测该损失，并且此外在确定试样P的热导率(k)和导温率(α)时在数学物理方面看作是“干扰的”(由于上述“未知量”的数量的增加)。

尤其可通过以下方式减小热损失，在抽真空的环境，即，低压或真空中，在试样P上进行测量，以便相应地降低从试样P输出到环境中的热传导。因此设备10优选地配备有用于对试样腔室36抽真空的(未示出的)器件。例如，该器件可包括例如由控制装置ST操控的并且与试样腔室36的内部连接的真空泵。

根据本发明，即使在相对低的所述类型的热损失并且同时以相对高的精确性确定相关材料参数的情况下，设备10也能够例如基于可相应选择的测量程序(其实现用于对试样进行光热研究的根据本发明的方法)对透明试样进行光热研究。

对此重要的是，使用新型模型，其用于在研究方法的范围中或在研究设备10的控制装置ST的设计(例如编程)的范围中描述(透明的)试样。

该新型模型通过下列方程式定义：

对于0<x<L,t>0 (1)

对于x＝0,t>0 (2)

对于x＝L,t>0 (3)

T(x,0)＝0，对于t＝0 (4)

其中，

T表示试样的(与位置和时间相关的)温度，

L表示试样的厚度，

x表示在试样的厚度方向上看的位置坐标，在试样的第一侧面上具有x＝0并且在试样的第二侧面上具有x＝L，

t表示时间，在激励脉冲的时间点上t＝0，

E(t)表示激励脉冲的(与时间相关的)辐射流密度，

α表示试样的导温率，

k表示试样的热导率，

h表示在试样表面上的传热系数，

η'表示总计的透明度因子。

相对于更上面所述的、从物理数学角度来看的“可信的”模型，根据本发明使用的模型的修改之处在于，在两个边界条件中分别通过新的参数η'代替项h×η。

从物理数学角度，针对该修改的合理性或参数η'的物理意义没有得到直接合理的解释。在此方面，可将参数η'在一定程度上称为纯粹的数学的“辅助变量”(没有物理上简单定义的意义)。原则上，根据本发明进行的修改显然是对模型的粗糙化，而因此“恶化”。

在控制装置ST基于该模型实施数学平差计算，以便根据温度T(L,t)在时间上的变化曲线来估算模型的参数α、h/k(或L×h/k)、η'时，则由此可尤其针对材料参数α和k确定令人惊奇的精确的值，确切地说也特别有利的是，在试样表面16、24上进行试样研究时发生到环境中的“相对低的热损失”。

图4针对在真空中研究的透明试样P示例性地示出了代表热辐射26的强度或在试样P的背面24上的温度T(L,t)在时间上的变化曲线的信号I在时间上的变化曲线。

由于在试样表面上的相对低的热损失，根据图4的变化曲线与根据图3的变化曲线的不同之处在于，在该变化曲线的结束处没有经过突出的最大值。尤其在这种情况下显示出根据本发明的新型模型的强度，该新型模型此时也允许确定材料参数α和k的相对精确的值。