Радиофизические методы диагностики материалов и сред (стр. 2 )

Кроме перечисленных выше традиционных радиофизических методов диагностики материалов, следует отметить появление нетрадиционных методов, которые, например, основаны на резонансных явлениях при аномальной прозрачности металлов, проявления макроскопической квантовой когерентности во взаимодействии между электронами, электромагнитными и звуковыми волнами. В результате электронные резонансы и волновые процессы в металлах стали весьма эффективнымы при организации методов экспериментального исследования электронного энергетического спектра, кинетических характеристик, нелинейных свойств и явлений [[10]].

В области изучения высокочастотных свойств полупроводников можно условно выделить следующие направления: плазменные свойства полупроводников; нелинейное распространение электромагнитных волн в полупроводниках, резонансные явления и электромагнитные свойства ферромагнитных полупроводников и полупроводников со сверхрешетками.

Кроме электромагнитных волн, эффективным способом микродиагностики материалов и сред являются акустические методы исследований в области ультразвуковых частот (100 – 1000 МГц) [2; 3] и гиперзвуковых частот (1011 Гц и выше) [10].

Вместе с тем, несмотря на широкие возможности перечисленных выше методик того или иного вида диагностики, доступные для решения задачи с помощью одного вида диагностики ограничены особенностями его физического взаимодействия с исследуемым объектом. Поэтому большое значение имеют исследования по разработке комплексной диагностики, основанные на органичном сочетании методик нескольких видов при исследовании одного объекта. Сложность реализации этой идеи объясняется необходимостью глубокого изучения физической сути каждого метода и разработки обобщенного алгоритма обработки многообразной информации о конкретном типе объекта.

Одним из перспективных направлений в этом плане является использование сфокусированных пучков заряженных частиц [[11]; [12]], на основе которых созданы высокоэффективные аппаратурные комплексы по исследованию различных свойств материалов и объектов структурированных в микро- и наноразмерных масштабах: растровые и просвечивающие электронные микроскопы, комплексы, предназначенные для электронно-пучковой литографии [[13][14]–[15]].

Проведенный в этом направлении анализ литературных источников [[16]] показал, что к настоящему времени одним из наиболее эффективных инструментов при микроанализе свойств материалов является ядерный сканирующий микрозонд [12]. Принцип его работы состоит в том, что ускоренный пучек ионов до энергий нескольких мегаэлектронвольт фокусируется на поверхности исследуемого образца в пятно с размерами около одного микрометра.

Значительное внимание в современных работах уделяется вопросам развития ближнеполевой СВЧ-диагностики [16], которая позволяет получить информацию о поверхностных и приповерхностных свойствах различных сред в микроволновом масштабе. Она базируется на регистрации части СВЧ-излучения, локализованной в ближнем поле микрозонда, что позволяет значительно поднять пространственное разрешение и преодолеть дифракционный предел на заданных частотах радиоволн.

РАЗДЕЛ 1 КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ МАТЕРИАЛОВ

В основу классификации радиофизических методов диагностики положены физические процессы взаимодействия электромагнитного и акустического полей, а также сфокусированных пучков заряженных частиц с объектом контроля. С точки зрения физических явлений, на которых они основаны, можно выделить девять видов неразрушающего радиофизического контроля: магнитный, электрический, вихретоковый, радиоволновой, тепловой, оптический, радиационный, акустический и микрозондовый. Каждый из видов контроля подразделяется на методы по рассматриваемым ниже признакам, которые характерны не только для классических схем диагностики [1–9], но и для микрозондовой диагностики [11–16].

Характер взаимодействия поля с объектом. Взаимодействие должно быть таким, чтобы контролируемый признак объекта изменялся при воздействии на него поля либо пучков заряженных частиц.

Первичный информативный параметр – конкретный параметр поля (амплитуда поля, время его распространения и т. д.) либо спектральный состав излучения, изменение которого используют для характеристики контролируемого объекта.

Способ получения первичной информации – конкретный тип датчиков, которые используют для измерения и фиксации упомянутых информационных параметров.

1. Магнитный вид контроля основан на анализе взаимодействия магнитного поля с контролируемым объектом. Его, как правило, применяют для контроля объектов из ферромагнитных материалов. Процесс намагничивания и перемагничивания ферромагнитного материала сопровождается гистерезисными явлениями, которые схематически представлены на рис. 1.1. Свойства, которые требуется контролировать (химический состав, структура, наличие несплошностей и др.), обычно связаны с параметрами процесса намагничивания и петлей гистерезиса.

а б

Рис. 1.1. Кривые намагничивания ферромагнитных материалов:

а – магнитожесткого; б – магнитомягкого (1 – основная кривая намагничивания, 2 – петля гистерезиса, 3 – скачкообразный характер намагничивания, наблюдаемый при точных измерениях)

Магнитожесткие материалы (закаленная сталь) по сравнению с магнитомягкими материалами (незакаленной сталью) имеют большую коэрцитивную силу , меньшую магнитную проницаемость и намагниченность , – магнитная постоянная, равная (В×с)/(А×м). Обычно и для характеристики материала ферромагнетика измеряют при малой напряженности намагничивающего поля Н. В некоторых случаях также измеряют остаточную намагниченность . Эти первичные информативные параметры используют для контроля степени закалки, прочностных характеристик и других свойств материалов. Наличие и количество ферритной составляющей в неферромагнитном материале могут быть определены по намагниченности насыщения, т. е. при больших полях намагничивания. Эта величина тем больше, чем больше содержание феррита.

Высокоточное измерение кривой намагничивания показывает, что она имеет скачкообразный характер (область 3 на рис. 1.1) в области крутого подъема. Это так называемый эффект Баркгаузена. Скачки возникают в результате перемагничивания областей спонтанного намагничивания (доменов), содержащихся в ферромагнитном материале. Параметры скачков кривой намагничивания (их число, величина, длительность, спектральный состав) используют как первичный информативный параметр для контроля таких свойств материала, как химический состав, структура, степень пластической деформации.

При намагничивании объекта контроля, вблизи поверхности которого имеется несплошность (дефект), в области дефекта происходит резкое пространственное изменение напряженности магнитного поля, возникает поле рассеяния (рис. 1.2). Изменение напряженности магнитного поля, точнее градиента напряженности, используют как первичный информативный параметр для выявления дефектов.

Рис. 1.2. Пример пространственного изменения магнитного поля в области дефекта

2. Электрический вид неразрушающего контроля основан на регистрации параметров электрического поля, взаимодействующего с контролируемым объектом (собственно электрический метод), или поля, возникающего в контролируемом объекте в результате внешнего воздействия (термоэлектрический и трибоэлектрический методы). Первичными информативными параметрами являются электрические емкость и потенциал.

Емкостной метод применяют для контроля диэлектрических или полупроводниковых материалов. По изменению диэлектрической проницаемости, в том числе ее реактивной части (диэлектрическим потерям), контролируют химический состав пластмасс, полупроводников, наличие в них несплошностей, влажность сыпучих материалов и другие свойства.

Метод электрического потенциала применяют для контроля проводников. Измеряя падение потенциала на некотором участке, контролируют толщину проводящего слоя, наличие несплошностей вблизи поверхности проводника. Электрический ток огибает поверхностный дефект, по увеличению падения потенциала на участке с дефектом определяют глубину несплошности с погрешностью в несколько процентов.

3. Вихретоковый вид неразрушающего контроля основан на анализе взаимодействия электромагнитного поля вихретокового преобразователя с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в контролируемом объекте. Его применяют только для контроля изделий из электропроводящих материалов. Вихревые токи в объекте возбуждают с помощью преобразователя в виде катушки индуктивности, питаемой переменным или импульсным током. Приемным преобразователем (измерителем) служит та же или другая катушка. Возбуждающую и приемную катушки располагают либо с одной стороны, либо по разные стороны от контролируемого объекта (метод прохождения).

По взаиморасположению преобразователя и объекта различают проходные, накладные и экранные преобразователи. В качестве примера на рис. 1.3 приведен пример вихретокового проходного преобразователя.

Контроль вихревыми токами выполняют без непосредственного контакта преобразователей с объектом, что позволяет вести его при взаимном перемещении преобразователя и объекта с большой скоростью, облегчая тем самым автоматизацию контроля.

Рис. 1.3. Вихретоковый преобразователь проходного типа

4. Радиоволновой вид неразрушающего контроля и его разновидность – ближнеполевая СВЧ-диагностика – основаны на регистрации изменений параметров электромагнитных волн радиодиапазона, взаимодействующих с контролируемым объектом. Обычно применяют волны сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона длиной 1–100 мм и контролируют изделия из материалов, где радиоволны не очень сильно затухают: диэлектрики (пластмассы, керамика, стекловолокно), магнитодиэлектрики (ферриты), полупроводники, тонкостенные металлические объекты. По характеру взаимодействия с объектом контроля различают методы прошедшего, отраженного, рассеянного излучения и резонансный метод. Первичными информативными параметрами являются амплитуда, фаза, поляризация, частота, геометрия распространения вторичных волн, время их прохождения и др.

5. Тепловой вид основан на регистрации изменений тепловых или температурных полей контролируемых объектов. Он применим к объектам из любых материалов. По характеру взаимодействия поля с контролируемым объектом различают методы: пассивный, или собственного излучения (на объект не воздействуют внешним источником энергии), и активный (объект нагревают или охлаждают от внешнего источника). Измеряемым информативным параметром является температура, либо тепловой поток.

6. Оптический вид неразрушающего контроля основан на наблюдении или регистрации параметров оптического излучения, взаимодействующего с контролируемым объектом. По характеру взаимодействия различают методы прошедшего, отраженного, рассеянного и индуцированного излучений. Последним термином определяют оптическое излучение объекта под действием внешнего воздействия, например люминесценцию. Первичными информативными параметрами являются амплитуда, фаза, степень поляризации, частота или частотный спектр, время прохождения света через объект, геометрия преломления и отражения лучей.

Оптические методы широко применяют для контроля прозрачных объектов. В них обнаруживают макро - и микродефекты, структурные неоднородности, внутренние напряжения (по вращению плоскости поляризации). Использование гибких световодов, лазеров, оптической голографии, телевизионной техники резко расширило область применения оптических методов, повысило точность измерения.

7. Радиационный вид неразрушающего контроля основан на регистрации и анализе проникающего ионизирующего излучения после взаимодействия его с контролируемым объектом. В зависимости от природы ионизирующего излучения этот вид контроля подразделяют на подвиды: рентгеновский, гамма, бета (поток электронов), нейтронный методы контроля. В последнее время находят применение даже потоки позитронов, по степени поглощения которых определяют участки объекта, обедненные или обогащенные электронами.

Наиболее широко для контроля качества используют рентгеновское и гамма - излучения. Их можно использовать для контроля изделий из самых различных материалов, путем подбора неоходимого частотного диапазона. Эти виды излучения, как и ранее рассмотренные, являются электромагнитными волнами. При этом частота колебаний повышается от метода к методу. Магнитные и электрические методы используют постоянные или медленно меняющиеся поля. В вихретоковом контроле частоты достигали мегагерцевого диапазона. Далее частота увеличивалась при использовании СВЧ, инфракрасного, оптического излучений. Рентгеновское и гамма-излучения являются наиболее коротковолновыми из всех, рассмотренных ранее, к примеру, гамма-излучение имеет длину волны  м (частоту  Гц).

8. Акустический вид неразрушающего контроля, в отличие от вышерассмотренных, основан на регистрации параметров упругих волн, возникающих или возбуждаемых в объекте. Чаще всего используют упругие волны ультразвукового диапазона (с частотой колебаний выше 20 кГц), этот метод называют ультразвуковым. В отличие от всех ранее рассмотренных методов здесь применяют и регистрируют не электромагнитные, а упругие волны, параметры которых тесно связаны с такими свойствами материалов, как упругость, плотность, анизотропия (неравномерность свойств по различным направлениям) и др. Акустические свойства твердых материалов и воздуха настолько сильно отличаются, что акустические волны отражаются от тончайших зазоров шириной  мм. Этот вид контроля применим ко всем материалам, достаточно хорошо проводящим акустические волны, – металлам, пластмассам, керамике и т. д.

Активные ультразвуковые методы, разнообразные по схемам применения, получили широкое распространение.

Наиболее широкое распространение получил метод отражения, или эхо-метод (рис. 1.4). Преобразователь 1 возбуждает в объекте контроля 2 ультразвуковой импульс. Он отражается от нижней поверхности объекта или дефекта 3 и принимается тем же (или другим) преобразователем. Генератор электрических импульсов 4, 6 синхронизирован с генератором развертки 7 электронно-лучевой трубки 5. Отраженные сигналы усиливаются и вызывают появление на линии развертки пиков. В частности, на рис. 1.4 показаны посылаемый в изделие сигнал 8, эхо-сигнал от дефекта 9 и донный сигнал 10. Информативными параметрами в этом случае являются амплитуда и время прихода импульсов. Средством возбуждения и приема ультразвуковых волн, как правило, являются пьезопреобразователи.

Рис. 1.4. Схема импульсного ультразвукового дефектоскопа

9. Сфокусированные пучки заряженных частиц в диагностике материалов применяются для получения полной информации о нанообъекте на атомарном уровне. Проведение исследований различных свойств материалов и объектов, структурированных в микро - и наноразмерных масштабах, и их диагностика являются одним из приоритетных направлений современной науки и технологий. В связи с этим стоит задача создания новых видов аппаратурных комплексов (АК) и методов, которые могли бы обеспечить проведение анализа микроструктуры и элементного состава новых наноматериалов и нанообъектов. Среди широкого многообразия физических принципов, на основе которых разрабатываются новые АК, особое внимание уделяется сфокусированным пучкам заряженных частиц. В первую очередь это связано с тем, что нижний предел размеров сфокусированного пучка в настоящее время лежит в нанометровом и суб-нанометровом диапазонах. Поэтому за счет детектирования продуктов взаимодействия частиц пучка с веществом можно получать информацию о микроструктуре и элементном составе исследуемых объектов.

РАЗДЕЛ 2 РАДИОВОЛНОВАЯ ДИАГНОСТИКА

,

Радиоволновой неразрушающий контроль основан на регистрации изменения параметров СВЧ электромагнитных волн радиодиапазона [5–9], взаимодействующих с контролируемым объектом. Диапазон длин волн, обычно используемых в радиоволновом контроле, составляет 1–100 мм (в вакууме), что соответствует частотам Гц.

Отдельные устройства радиоволнового контроля могут работать на частотах f, выходящих за пределы этого диапазона. Однако чаще всего для неразрушающего контроля используют трехсантиметровый диапазон ( ГГц) и восьмимиллиметровый диапазон ( ГГц), которые наиболее освоены и обеспечены элементной базой и измерительной аппаратурой. Поскольку СВЧ-колебания являются поляризованными когерентными гармоническими колебаниями. Это обусловливает возможность получения высокой чувствительности и достоверности контроля. Радиоволновой контроль отличается большой информативностью по числу параметров излучения, которые можно использовать. Физическими величинами, которые могут нести полезную информацию о параметрах объекта контроля, являются: амплитуда, фаза, сдвиг колебаний во времени, спектральный состав, распределение энергии в пространстве, геометрические факторы, поворот плоскости поляризации, появление амплитудной или частотной модуляции при движении объекта или изменении условий контроля и т. д. В соответствии с этим по первичному информативному параметру различают следующие методы: амплитудный, фазовый, амплитудно-фазовый, геометрический, временной, спектральный, поляризационный, голографический и др.

В зависимости от взаимного расположения излучающего и приемного устройств контроль может производиться по прошедшему излучению, когда излучатель и приемник располагаются по разные стороны от объекта; по отраженному излучению, когда излучатель и приемник располагаются по одну сторону от контролируемого объекта и регистрируется отраженная часть излучения, и по рассеянному излучению, когда приемник располагается в области, где при номинальных параметрах контролируемого изделия интенсивность излучения должна быть близка к нулю. Радиоволновым методом можно производить всесторонний контроль объектов из диэлектрических и магнитодиэлектрических материалов, полупроводниковых структур и доступных размеров металлических изделий.

Как известно, сверхвысокочастотное излучение сравнительно далеко распространяется в свободном пространстве, и оператор может попасть в зону излучения. Поскольку СВЧ-излучение оказывает влияние на биологические объекты, то должны соблюдаться определенные санитарные нормы и правила техники безопасности.

По электрическим свойствам ткани тела человека в СВЧ-диапазоне являются несовершенными диэлектриками из-за большого присутствия воды (до 70 %), а глубина проникновения СВЧ-излучения в тело человека может достигать примерно 2 см для жировых тканей и 5 мм для мышечных тканей. Поэтому основной эффект, определяющий вредное влияние СВЧ-излучения, состоит в поверхностном нагреве тела человека (кожи и подкожной клетчатки), приводящем к повышению температуры и изменению кровяного давления за счет расширения сосудов. Отдельные слабозащищенные органы человека являются особо чувствительными к СВЧ-излучению, например глаза имеют слабую терморегуляцию и в итоге длительного облучения может появиться помутнение хрусталика глаза, что требует их специальной защиты.

Для диапазона волн излучений, применяемого в радиоволновом контроле, интенсивность излучения электромагнитных волн всегда нормирована в единицах плотности потока мощности. Допустимые уровни облучения в зависимости от длительности воздействия электромагнитного излучения составляют: 10 мкВт/см2 – при облучении в течение всего рабочего дня, 100 мкВт/см2 – при облучении до 2 ч за рабочий день, 1000 мкВт/см2 – при кратковременном облучении (до 20 мин за рабочий день) с использованием только защитных очков.

Защита персонала от опасного воздействия СВЧ-облучения, также как и от других видов, далеко распространяющихся излучений, обеспечивается путем проведения ряда мероприятий: уменьшение уровня излучения, исходящего от источника; экранирование источника излучения и рабочего места; поглощение электромагнитной энергии; применение средств индивидуальной защиты.

Наиболее эффективным общим средством защиты от СВЧ-излучения являются экраны из хорошо проводящих материалов (алюминий, латунь, сталь и др.), выполненных в виде листов толщиной 0,5–2 мм или сетки с ячейками размером в несколько миллиметров.

Индивидуальные средства (защитные очки, защитные халаты, фартуки и комбинезоны, защитные капюшоны) используются для защиты человека или отдельных его органов при работе в электромагнитных полях большой интенсивности, когда другие меры не могут обеспечить необходимого ослабления излучения. Защитная одежда шьется из радиоткани, которая имеет переплетенные металлические нити, а защитные очки армированы металлической сеткой или имеют специальное поглощающее покрытие.

При проведении контроля радиоволновым методом обычно достаточно применения мер организационного характера и использования поглотительного материала с экраном в зоне работы оборудования. Это позволяет защитить в достаточной степени персонал, работающий с оборудованием, и устранить загрязнение окружающей среды.

Подробно основные положения распространения электромагнитных волн в различных средах изложены, например, в [[17]–[18][19]] а также в других литературных источниках. Остановимся на общих понятиях электромагнитных процессов при диагностике материалов.

Поскольку размеры элементов СВЧ-устройств и расстояния в СВЧ-диапазоне соизмеримы с длиной волны колебаний, электромагнитные процессы, как правило, определяются наложением, по крайней мере, двух волн – падающей и отраженной:

,

причем

,

,

где – напряженность поля в зоне источника; – коэффициент распространения, равный

,

– коэффициент затухания колебаний вдоль линии; Г – коэффициент отражения; х – расстояние в среде распространения колебаний; – длина волны СВЧ-колебаний в общем случае.

Электромагнитная волна представляет собой поперечную волну электрического и магнитного полей, охарактеризовать ее можно напряженностями: электрического поля , магнитного поля  и др.; в линии передачи – напряжением U, током . Все эти величины пропорциональны друг другу (коэффициент пропорциональности является векторной величиной), поэтому анализ электромагнитных процессов можно вести, используя одну из них (наиболее удобно – по напряженности электрического поля или напряжению).

Если СВЧ-колебания передаются от источника к приемнику (нагрузке), то вдоль линии распространения (двухпроводной, волновода, свободного пространства и др.) устанавливается определенное периодическое распределение электромагнитных величин (напряженностей электрического  и магнитного  полей, плотности энергии и т. д.), зависящее от длины волны и параметров среды распространения – . Длина волны в неограниченной среде равна

,

где с – скорость света в вакууме; – относительная диэлектрическая проницаемость среды; – относительная магнитная проницаемость среды.

Если принять и , то из получаем длину волны в вакууме , которая широко используется при анализе процессов в СВЧ-диапазоне.

Основным показателем, характеризующим длинную линию передачи или среду, является волновое сопротивление (импеданс), которое для монохроматического колебания определяется по формуле

,

где , – напряженности компонент электрического и магнитного полей соответственно.

Если СВЧ-колебания распространяются в какой-то среде, то волновое сопротивление может быть найдено так:

,

где – комплексное значение абсолютной магнитной проницаемости среды:

,

– комплексное значение абсолютной диэлектрической проницаемости среды:

,

, – индукция компонент электрического и магнитного полей соответственно; – магнитная постоянная, равная Гн/м; – диэлектрическая постоянная, равная 1/36 Ф/м; – удельная электрическая проводимость среды, См/м; – круговая частота СВЧ-колебаний, рад/с.

Часто используют величину, называемую тангенсом угла диэлектрических потерь, которую удобно применять при анализе процессов в диэлектриках:

.

Волновое сопротивление, диэлектрических неферромагнитных материалов меньше, чем волновое сопротивление вакуума (=377 Ом), а у ферромагнитных диэлектриков может быть больше его.

Проводящие материалы имеют очень малое по модулю волновое сопротивление, определяемое удельной электрической проводимостью ( можно пренебречь) и магнитной проницаемостью , а аргумент импеданса близок к 45°, т. е. действительная и мнимая части волнового сопротивления равны. Для полупроводниковых материалов – ферритов и несовершенных диэлектриков – волновое сопротивление имеет промежуточное значение относительно металлов и диэлектриков и различные соотношения между действительной и мнимой частями.

Распределение напряженности электрического поля (или пропорционального ей напряжения) вдоль двухпроводной или волноводной длинной линии в различных режимах, каждый из которых задается соотношением между падающей и отраженной волнами, идущими от источника и нагрузки, показано на рис. 2.1.

Рис. . Распространение СВЧ-колебаний в разных режимах:

1 – стоячая волна; 2 – бегущая волна; 3 – общий случай; 4 – линия с потерями

В каналах радиоволновой аппаратуры обычно стараются получить режим бегущей волны, когда амплитуда напряжений и токов по длине тракта постоянна и происходит наиболее полная передача СВЧ-энергии в нагрузку (рис. 2.1).

Режим бегущей волны (согласованный режим) достигается при равенстве сопротивления нагрузки  волновому сопротивлению линии   и характеризуется тем, что модуль напряженности электрического и магнитного полей вдоль линии постоянен. Если линия и нагрузка не имеют потерь (, или – чисто реактивное), то возникает режим стоячей волны, когда модули падающей и отраженной волн равны и поэтому в точках, отстоящих на , достигаются нулевые значения напряженности электрического или магнитного поля (рис. 2.1). В общем случае () напряженность электрического поля будет периодически изменяться от максимального до минимального значения (рис. 2.1), причем смещение минимума  от конца линии будет характеризовать реактивную составляющую сопротивления нагрузки, а перепад между максимумом и минимумом зависит от активной составляющей.