الانعكاس الحراري في المجال الزمني (TDTR)

نظرًا لأن TDTR هي طريقة بصرية غير تلامسية، فمن الممكن أيضًا قياس العينات في أجهزة التبريد المزودة بمنفذ بصري أو في المجاهر عالية الحرارة أو في بيئة عالية الضغط.

ومن السمات الخاصة لتقنية القياس هذه أنه يجب ترسيب طبقة معدنية على سطح العينة المراد تحليلها. يعمل هذا الفيلم المعدني كمحول طاقة ضوئي، حيث يمكن استخدام التغير في انعكاسية هذه الطبقة المعدنية للاستدلال على التغير في درجة الحرارة. ولإجراء القياس، يُستخدم ليزر أولي قوي (ليزر الضخ) لتسخين بقعة على سطح العينة موضعيًا ويتم قراءة تسخين هذه البقعة بسبب التغيرات في انعكاسية الطبقة المعدنية باستخدام ليزر ثانٍ (ليزر مسبار).

ثم يتم إجراء تحليل البيانات باستخدام حل تحليلي لمعادلة التوصيل الحراري بالإحداثيات الأسطوانية. يتم تحديد خواص الانتقال الحراري للطبقات المعنية عادةً عن طريق تركيب المعلمات الحرة، وتقليل الانحراف بين الاستجابة الحرارية المتوقعة من النموذج والاستجابة الحرارية للعينة المقيسة في التجربة. المعلمات الحرة هي خصائص انتقال الحرارة غير المعروفة، مثل التوصيل الحراري للعينة.

عند استخدام TDTR في الممارسة اليومية، من الضروري أن يكون سطح العينة أملس قدر الإمكان لتجنب التشتت غير المرغوب فيه لضوء الليزر وبالتالي التداخل في القياس.

يستخدم TDTR في الغالب لقياس التوصيل الحراري في اتجاه السُمك، أي عموديًا على السطح. أما بالنسبة للمواد متباينة الخواص الحرارية مثل الهياكل فائقة الشبيكة أو الأغشية متعددة الكريستالات أو البلورات متباينة الخواص الحرارية، حيث يجب قياس التوصيل الحراري في المستوى أيضًا، يمكن أيضًا قياس انتقال الحرارة في المستوى باستخدام ما يسمى بنهج المحاذاة الخاطئة. ومع ذلك، تقل دقة القياس.

وعادةً ما تُستخدم ليزرات ND:YAG أو Ti:الياقوت الأزرق (Ti:sapphire) كـ “ليزر مضخة” في إعدادات TDTR. يولد الليزر نبضة ضوئية لتسخين الطبقة المعدنية (المعروفة أيضًا باسم محول الطاقة) وبالتالي طبقة العينة الأساسية. ولقراءة إشارة درجة الحرارة، يتم استخدام ليزر الموجة المستمرة (ليزر CW) كليزر مسبار لتسجيل الزيادة في درجة الحرارة المحلية. واعتمادًا على المادة المستخدمة في محول الطاقة (مثل Au أو Al أو Pt)، يجب اختيار الطول الموجي لليزر المسبار (من 473 نانومتر إلى 532 نانومتر أو 785 نانومتر إلى 808 نانومتر).

يشير مصطلح “الانعكاسية الحرارية” إلى حقيقة أن الانعكاسية “R” للفيلم المعدني تعتمد على درجة حرارته “T”. وينتج عن ذلك معامل الانعكاسية الحرارية الخاص بالمادة G = dR/dT. وكلما زاد هذا المعامل، زادت حساسية طبقة محول الطاقة وزادت دقة قياسها.