26.3. Интерференционный метод

Интерференционный метод был предложен Физо в 1864 г. и до настоящего времени является классическим методом исследования теплового расширения.

Чувствительным элементом в данном случае является интерферометр, принципиальная схема которого дана на рис. 26.2. Интерферометр состоит из двух кварцевых или стеклянных пластин 1, 2, поверхности которых должны быть отполированы до 0,05 длины волны используемого света. Пластины разделены тремя образцами 3, приготовленными из исследуемого материала.

Длина образцов подгоняется таким образом, чтобы между пластинами образовывался воздушный клин. Опорные поверхности образцов должны быть обработаны с точностью не хуже, чем половина длины используемого света.

Интерференционная картина возникает в результате наложения света, отраженного от нижней поверхности верхней пластины и от верхней поверхности нижней пластины интерферометра. В данном случае наблюдаются интерференционные полосы равной толщины. (В некоторых конструкциях интерференционных дилатометров для получения интерференционной картины используется сходящийся пучок света. При этом наблюдаются интерференционные кольца равного наклона).

При изменении длины образца интерференционная картина смещается. Удлинению образца ставится в соответствие перемещение интерференционных полос относительно неподвижной метки. Смещение интерференционной картины на одну полосу соответствует удлинению образца на величину, равную половине длины волны используемого света. Удлинение образца при нагревании вычисляется из соотношения

(26.4)

где - постоянная прибора, зависящая от конструкции интерферометра и длины волны источника света; - число полос, целое и дробное, на которое смещается интерференционная картина относительно неподвижной метки при изменении температуры от до .

Рис. 26.2. Схема интерферометра. а - для абсолютных измерений, б - для относительных измерений

Линейный коэффициент теплового расширения вычисляется из стандартного соотношения.

Чувствительность интерференционного дилатометра определяется чувствительностью устройства, с помощью которого отсчитывается дробная часть ширины интерференционной полосы. До последнего времени удавалось уверенно отсчитывать 0,01 - 0,005 ширины полосы, что соответствует удлинению образца - (1 - 3) 10^-7 см.

Применение лазерной техники для получения строго монохроматического света повысило чувствительность интерференционного дилатометра к удлинению образца до 10^-8 см.

Чтобы получить при измерении хорошую точность, необходимо предусмотреть специальные устройства, предохраняющие интерферометр от воздействия теплового излучения. Точность, метода, как правило, имеет тот же порядок, что и чувствительность.

Рис. 26.3. Различные варианты измерительных ячеек

Образцы различной формы (заштрихованные детали), используемые в интерференционных дилатометрах. Основная трудность при использовании интерференционного метода заключается в необходимости точной обработки исследуемых образцов. В связи с этим в разных работах для исследования были предложены образцы различной формы. Некоторые из них показаны на рис. 26.3. В случае а образец вырезался в виде усеченного цилиндра; в б для опоры на пластины интерферометра образец имел три ножки вверху и три - внизу. В в образец помещался в кварцевый стаканчик. Интерференционная картина при этом возникла в результате отражения, света от крышки стаканчика и от верхнего полированного торца образца. В г цилиндрический образец, помещенный в кварцевый стакан, покрывался зеркалом. Интерференционная картина наблюдалась при отражении света от зеркала и от нижней грани призмы, закрепленной на кварцевом стакане. Наиболее удачной, видимо, является конструкция, предложенная в д. На исследуемый образец произвольной формы опирается кварцевый винт, проходящий через верхнюю пластину интерферометра. С его помощью задается нужный угол воздушного клина. Интерферометр и образец расположены на общей кварцевой основе. При такой конструкции образец должен иметь две плоскопараллельные поверхности.

Процесс измерения на интерференционном дилатометре достаточно утомителен, так как необходимо непрерывно следить за перемещением интерференционной картины. Применяют методы автоматической регистрации числа перемещающихся интерференционных полос с одновременной регистрацией температуры.

Несмотря на указанные экспериментальные трудности, интерференционный метод является наиболее надежным абсолютным методом исследования теплового расширения веществ в широкой температурной области от 10 до 1000 К.

В литературе описан способ применения интерферометра для определения коэффициента теплового расширения. В этом случае интерферометр Фабри - Перо используется в качестве объемного резонатора. Зеркала интерферометра, близкого к конфокальному (расстояние между зеркалами равно 98% от радиуса кривизны зеркал), закреплены в держателях (рис. 26.4 а), между которыми зажат исследуемый образец. Луч от гелий-неонового лазера направляется в интерферометр (рис. 26.4 б). Если интерферометр является резонатором для падающей волны, луч проходит через него и подается на усилитель. При изменении длины образца расстояние между зеркалами интерферометра изменяется, в результате чего изменяется резонансная частота . Предложенная конструкция лазера предусматривает сохранение условия резонанса в этом случае, для чего длина лазера изменяется в пределах 1/2 длины волны при помощи пьезоэлектрического модулятора длины.

Изменение резонансной частоты пропорционально изменению оптической длины интерферометра, т. е. в конечном счете изменению длины образца

(26.5)

Измерения на таком дилатометре проводятся следующим образом: целое число полос при перемещении интерференционной картины отсчитывается так же, как на обычном интерференционном дилатометре; вместо отсчета дробного числа полосы определяется изменение резонансной частоты. Авторы полагают, что чувствительность к изменению длины образца может быть получена до 10^-10 см при длине образца 5-10 см. Для достижения такой высокой чувствительности необходимо иметь стандартный высокостабильный сферический интерферометр и высокую технику калибровки аппаратуры регистрации изменения резонансной частоты. Основная трудность - исключение дрейфа лазера и электронной техники после проведения калибровки. Применяемый метод регистрации расширения накладывает жесткое ограничение на минимальный размер образца. Образец должен быть не меньше половины длины используемого лазера.

Для получения абсолютных значений коэффициента расширения держатели зеркал интерферометра и исследуемый образец должны быть изготовлены из одного и того же материала, что, естественно, ограничивает возможность применения описанного дилатометра.

Рис. 26.4. Дилатометр с применением гелий-неонового лазера. а - закрепление образца в конфокальном интерферометре: 1 - зеркала интерферометра, 2 - образец; б - схема установки: 1 - пьезоэлектрический модулятор длины, 2 - зеркала лазера, 3 - трубка лазера, 4 - полупрозрачное зеркало, 5 - оптический фильтр, 6 - печь, 7 - термопара, 8 - образец, 9 - кремниевый фотодиод. 10 - усилитель, 11 - генератор пилообразной развертки, 12 - блок питания