Развој фотоакустичког мерног система за термичку карактеризацију танких узорака

Abstract

Настанак звучног таласа након осветљавања узорка модулисаним светлосним снопом назива се фотоакустички (ФА) ефекат. Теоријска истраживања предвиђају да је уз помоћ мерних техника заснованих на ФА ефекту могуће извршити одређивање карактеристика танких узорака. ФА технике нису инвазивне и због тога изазивају интересовање у разним областима науке, медицине и технике. У зависности од карактеристика које се желе проучавати, примењују се различите технике засноване на ФА ефекту. У фокусу предложеног истраживања је примена фреквенцијске ФА технике за термичку карактеризацију, док ће споредни правац истраживања разматрати могућности повезивања фреквенцијске ФА технике са ФА спектроскопијом ради симултане оптичке и термичке карактеризације. Предмет истраживања је развој ФА мерног система (ФАМС) за одређивање термичких параметара танких узорака, и то термичке дифузивности, термичке проводности и коефицијента термичког ширења. Систем се састоји од побудног дела, ФА ћелије и детекционог дела. Побудни део система чине извор светлости и модулатор светлосног снопа. Модулисани светлосни сноп погађа узорак у коме се апсорбује део светлосне енергије, што за последицу има формирање акустичког сигнала фреквенције једнаке фреквенцији модулације светлосног снопа. Генерисани акустички сигнал се детектује микрофоном, док се део светлости који се рефлектује од узорка детектује фотодетектором, па детекциони део система чине микрофон са претпојачавачем, фотодетектор, појачавачи детектованих сигнала и систем за аквизицију. У оквиру система за аквизицију се налазе аквизициона картица, lock-in детектор и рачунар. ФА ћелијом се назива затворени простор у коме се простире акустички сигнал генерисан ФА ефектом. Мада ФА ћелија може бити изведена као комора у коју се постављају узорак, микрофон и фотодетектор, чешће се узорак причвршћује директно за микрофон, тако да простор између узорка и микрофона представља ФА ћелију...

The formation of sound waves after exposition of a sample to a modulated light beam is called the photoacoustic (PA) effect. Theoretical researches predict that it is possible to determine characteristics of thin samples with the help of measurement techiques based on the PA effect. PA techniques are not invasive and for this reason cause interest in many different areas of science, medicine and technique. Depending on the characteristics to be studied, different techniques are applied based on the PA effect. In the focus of the suggested research is the application of the PA frequency technique for thermal catheterization, while the secondary direction of the research will consider possibilities of connecting the frequency PA technique with the PA spectroscopy aimed at the simultaneous optical and thermal characterization. The subject of research is the development of the PA measurement system for determination of thermal parameters of thin samples, namely thermal diffusivity, thermal conductivity and linear expansion coefficient. The system consists of an excitation part, a PA cell and a detection part. The excitation part of the system consists of a light source and a modulator of the light beam. The modulated light beam affects the sample, which absorbs a part of the light energy, and due to the PA effect, the created acoustic signal has the same frequency as the light-beam modulations. Generated acoustic signal is detected by a microphone, whereas the part of light reflected from the sample is detected by a photodetector, so the detection part of the system consists of the microphone with a preamplifier, photodetector, amplifiers of the detected signals and an acquisition system. The acquisition system includes an acquisition card, a lock-in detector and a computer. The PA cell is a closed space in which an acoustic signal is generated by the PA effect. Although a PA cell can be a chamber in which the sample, microphone and photodetector are placed, more often the sample is attached directly to the microphone, so that the space between the sample and the microphone represents a PA cell...