Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е

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