Новый метод измерения температуры в 3D-объектах

Инженеры Университета Висконсин-Мэдисон сделали возможным дистанционное определение температуры под поверхностью определенных материалов с помощью нового метода, который они называют глубинной термографией. Этот метод может быть полезен в приложениях, где традиционные датчики температуры не работают, например, для контроля характеристик полупроводников или ядерных реакторов нового поколения.

Многие датчики температуры измеряют тепловое излучение, большая часть которого находится в инфракрасном спектре, исходящее от поверхности объекта. Чем горячее объект, тем больше излучения он излучает, что является основой для таких устройств, как тепловизионные камеры.

Однако глубинная термография выходит за рамки поверхности и работает с определенным классом материалов, которые частично прозрачны для инфракрасного излучения.

«Мы можем измерить спектр теплового излучения, испускаемого объектом, и использовать сложный алгоритм для определения температуры не только на поверхности, но и под ней, от десятков до сотен микрон», — говорит Михаил Кац, специалист по UW-Мэдисон профессор электротехники и вычислительной техники. «Мы можем делать это точно и аккуратно, по крайней мере, в некоторых случаях».

Катс, его научный сотрудник Юйчжэ Сяо и коллеги описали эту технику этой весной в журнале ACS Photonics .

В рамках проекта команда нагревает кусок плавленого кварца (разновидность стекла) и анализирует его с помощью спектрометра. Затем они измерили показания температуры на разных глубинах образца с помощью вычислительных инструментов, ранее разработанных Сяо, в которых он рассчитал тепловое излучение, испускаемое объектами, состоящими из нескольких материалов. Работая в обратном направлении, они использовали алгоритм для определения температурного градиента, который лучше всего соответствует экспериментальным результатам.

Катс говорит, что именно эта попытка была подтверждением концепции. В своей будущей работе он надеется применить эту технику к более сложным многослойным материалам и надеется применить методы машинного обучения для улучшения процесса. В конце концов, Катс хочет использовать глубинную термографию для измерения полупроводниковых устройств, чтобы получить представление об их распределении температуры во время работы.

Это не единственное возможное применение метода. Этот тип трехмерного температурного профилирования также можно использовать для измерения и отображения облаков высокотемпературных газов и жидкостей.

«Например, мы предполагаем, что это будет актуально для ядерных реакторов на расплаве соли, где вы хотите знать, что происходит с точки зрения температуры соли во всем объеме», — говорит Катс. «Вы хотите сделать это, не застревая в датчиках температуры, которые могут не выдержать очень долгое время при температуре 700 градусов по Цельсию».

Он также говорит, что этот метод может помочь в измерении теплопроводности и оптических свойств материалов без необходимости подключения датчиков температуры.

«Это полностью удаленный бесконтактный способ измерения тепловых свойств материалов, который раньше нельзя было делать», — говорит Катс.

Юйчжэ Сяо, Чэнхао Ван, Алиреза Шахсафи и Джад Салман из UW-Madison также внесли свой вклад в подготовку статьи.

Это исследование было поддержано грантами Министерства обороны (N00014-16-1-2556) и Министерства энергетики (DE-NE0008680).