Радиофизические методы диагностики материалов и сред (стр. 1 )

Министерство образования и науки Украины

Сумский государственный университет

Г. С. Воробьев, А. А. Пономарева, А. А. Рыбалко, А. И. Рубан

Радиофизические методы диагностики материалов и сред

Монография

Под общей редакцией Г. С. Воробьева

Сумы

Сумский государственный университет

2013

УДК 537.8+621.3.09(075.8)

ББК 22.336я7

Р 60

Рецензенты:

С. П. Рощупкин – доктор физико-математических наук, профессор, заведующий отделом квантовой электродинамики сильных полей Института прикладной физики НАН Украины, заслуженный деятель науки и техники Украины;

– доктор физико-математических наук, профессор, проректор по научной работе, профессор кафедры прикладной физики Сумского государственного университета

Рекомендовано к печати ученым советом

Сумского государственного университета

(протокол от 01.01.01 г.)

Р 60	Радиофизические методы диагностики материалов и сред : монография  / Г. С. Воробьев, А. А. Пономарева, А. А. Рыбалко, А. И. Рубан ; под общей редакцией Г. С. Воробьева. – Сумы : Сумский государственный университет, 2013. – 171 с. ISBN -485-8

Монография является первой книгой, дающей обобщенное и систематизированное изложение научно-прикладных методов радиофизической диагностики материалов и сред. Основное внимание уделено физическим принципам построения методов диагностики с приведением конкретных схем их применения, а также электромагнитным и акустическим резонансам в микродиагностике твердых тел и плазмы.

Рассмотрены задачи создания новых видов аппаратурных комплексов и методов, обеспечивающих проведение анализа микроструктуры и элементного состава наноматериалов и нанообъектов. Описаны методы и средства ближнеполевой СВЧ-диагностики материалов и сред.

Монография рассчитана на аспирантов и инженеров, работающих в направлении создания и использования электрофизической диагностической аппаратуры для контроля качества материалов в промышленности и создания новых наноструктурных элементов электроники. Кроме того, монография может быть полезна при подготовке студентов направлений «Наноэлектроника» и «Электронные приборы и системы».

УДК 537.8+621.3.09(075.8)

ББК 22.336я7

© , ,

, , 2013

ISBN -485-8 © Сумский государственный университет, 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ. 9

РАЗДЕЛ 1 КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ МАТЕРИАЛОВ.. 13

1.1 Основные виды диагностики материалов. 13

РАЗДЕЛ 2 РАДИОВОЛНОВАЯ ДИАГНОСТИКА.. 21

2.1 Общие вопросы радиоволновой диагностики. 21

2.2 Техника безопасности при радиоволновом контроле. 22

2.3 Основные особенности электромагнитных процессов в СВЧ-
диапазоне. 24

2.4 Общие вопросы построения аппаратуры радиоволнового контроля. 28

2.5 Особенности взаимодействия радиоволнового излучения с объектами контроля 30

2.6 Элементная база и основные устройства аппаратуры радиоволнового контроля 32

2.6.1 Источники сверхвысокочастотных колебаний. 32

2.6.2 Основные устройства для формирования и обработки СВЧ-сигналов и полей 35

2.6.3 Индикаторы и преобразователи радиоволнового излучения. 40

2.6.4 Одноканальные методы радиоволнового контроля. 43

2.6.5 Двухканальные методы радиоволнового контроля. 45

2.6.6 Параметрические методы контроля. 48

2.6.7 Визуализация радиоволновых полей. 51

РАЗДЕЛ 3 ОПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ. 54

3.1 Общие вопросы оптического контроля. 54

3.1.1 Общие правила по технике безопасности и охране труда. 55

3.2 Источники света. 56

3.3 Основные оптические элементы и устройства. 58

3.4 Первичные преобразователи оптического излучения. 62

3.5 Основные методы оптического контроля. 65

3.5.1 Визуально-оптические методы контроля. 65

3.5.2 Фотометрические методы контроля. 68

3.5.3 Контроль телевизионными методами. 70

3.5.4 Интерференционные методы контроля. 71

3.5.5 Голографические методы.. 72

3.6 Практические схемы реализации оптического контроля. 73

3.6.1 Устройство и принцип работы измерительного микроскопа. 73

3.6.2 Схемы построения эндоскопов. 77

3.6.3 Структурная схема телевизионной установки для оптического контроля объектов 80

3.6.4 Применение телевизионной автоматики для оптического контроля объектов 82

3.6.5 Принцип работы и схема интерферометра. 85

3.6.6 Методики голографического контроля. 87

РАЗДЕЛ 4 РАДИАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ. 90

4.1 Общие вопросы радиационного контроля. 90

4.2 Техника безопасности при радиационном контроле. 94

4.3 Основные эффекты при взаимодействии ионизирующего излучения с веществом 95

4.4 Элементная база и основная аппаратура радиационного контроля. 98

4.4.1 Краткая характеристика источников излучения. 98

4.4.2 Индикаторы ионизирующего излучения. 103

4.4.3 Первичные преобразователи ионизирующего излучения в электрические сигналы 106

4.4.4 Дефектоскопия и контроль внутреннего строения. 109

4.4.5 Методика проведения радиационного контроля. 111

4.4.6 Рентгеновский контроль. 112

4.4.7 Специальные методы радиационного контроля качества. 115

РАЗДЕЛ 5 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ И АКУСТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАНСЫ В МИКРОДИАГНОСТИКЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ И ПЛАЗМЫ.. 117

5.1 Высокочастотные и резонансные свойства металлов. 119

5.1.1 Физический механизм циклотронного резонанса. 120

5.1.2 Общие положения циклотронного резонанса в металлах. 122

5.2 Высокочастотные резонансные свойства полупроводников. 123

5.2.1 Особенности распространения электромагнитной волны в плазме полупроводника. 123

5.2.2 Плазменные неустойчивости в полупроводниках при воздействии электромагнитных полей. 126

5.3 Ультразвуковые и гиперзвуковые волны в микродиагностике
материалов. 128

5.3.1 Особенности распространения ультразвука в металлах. 128

5.3.2 Особенности распространения гиперзвуковых волн в твердом
теле. 133

5.4 Практическая реализация резонансных явлений в микродиагностике твердых тел и плазмы.. 135

5.4.1 Метод ЦР - спектроскопии для определения энергетического спектра и кинетики электронов на ферми-поверхности. 135

5.4.2 Метод отсекания циклотронных резонансов в пластине для определения диаметров электронных орбит и их анизотропии. 136

5.4.3 Взаимное преобразование электромагнитных и звуковых волн в нормальном металле. 138

5.4.4 Возбуждение, трансляция и детектирование высокочастотного гиперзвука 141

5.4.5 Экспериментальная установка для исследований взаимодействия электронного пучка с плазменными колебаниями в полупроводнике. 144

5.4.6 Измерение свойств плазмы в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн. 146

РАЗДЕЛ 6 АППАРАТУРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ НОВЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ПО ДИАГНОСТИКЕ МИКРО - И НАНОРАЗМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ.. 150

6.1 Сфокусированные пучки заряженных частиц в диагностике
материалов. 150

6.1.1 Ядерный сканирующий микрозонд. 151

6.2 Ближнеполевая СВЧ-диагностика материалов и сред. 160

6.2.1 Общая характеристика метода ближнеполевой диагностики. 160

6.2.2 Типичные схемы микроволновых микроскопов. 164

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.. 168

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемая монография является первой книгой, дающей обобщенное и систематизированное изложение учебных и научно-прикладных методов радиофизической диагностики материалов и сред. Радиофизические методы, основанные на использовании электромагнитных и акустических волн, а также радиационных явлений при взаимодействии пучков заряженных частиц с объектом, в настоящее время находят широкое применение при неразрушающем контроле качества материалов, используемых в промышленности, наноэлектронике, а также при диагностике различных сред и биологических объектов.

В связи с широким спектром прикладных применений радиофизических методов диагностики основное внимание в монографии уделяется физическим принципам построения методов диагностики с приведением конкретных (наиболее типичных) схем их применения. Кратко изложены традиционные радиоволновой, оптический и радиационный методы контроля. Значительное внимание уделено электромагнитным и акустическим резонансам в микродиагностике твердых тел и плазмы, которые являются перспективными в развитии наноэлектроники.

В качестве приоритетных направлений при исследовании различных свойств материалов и объектов, структурированных в микро - и наноразмерных масштабах, рассмотрены задачи создания некоторых новых видов аппаратурных комплексов (АК) и методов, которые могли бы обеспечить проведение анализа микроструктуры и элементного состава наноматериалов и нанообъектов. В этом плане рассмотрены основные аспекты применения сфокусированных пучков заряженных частиц, где большое внимание уделено описанию и методикам измерений с применением ядерного сканирующего микрозонда, который в настоящее время является одним из наиболее перспективных инструментов микроанализа. Кратко описаны методы и средства ближнеполевой СВЧ-диагностики материалов и сред, которые являются принципиально новыми по отношению к традиционным дальнеполевым радиоволновым методам диагностики.

Монография рассчитана на студентов направлений подготовки «Наноэлектроника» и «Электронные приборы и системы», а также может быть использована аспирантами и инженерами, работающими в направлении создания и использования электрофизической диагностической аппаратуры для контроля качества материалов в промышленности и создания новых наноструктурных элементов электроники.

Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам: профессору кафедры прикладной физики Сумского государственного университета Черноусу А. Н., заведующему отделом квантовой электродинамики сильных полей Института прикладной физики НАН Украины Рощупкину С. П. за критические замечания, советы и рекомендации относительно материала рукописи, которые позволили улучшить содержание монографии.

ВВЕДЕНИЕ

Уровень разработки и внедрения новых технологий в наукоемкие сферы промышленности характеризуется не только объемом производства и ассортиментом выпускаемой продукции, но также показателями ее качества. Высокое качество обеспечивается повышенным уровнем контроля продукции, в частности диагностикой материалов, из которых она изготовлена. Трудоемкость контроля качества некоторых изделий в промышленности и разработка новых материалов составляет 15–20 % общих трудозатрат на их изготовление [[1][2][3][4][5][6][7]–[8]].

Одним из путей решения данной задачи является использование радиофизических методов, связанных с воздействием на объект электромагнитных или акустических волн различных диапазонов, а также сфокусированных пучков заряженных частиц. Радиофизические методы диагностики материалов и сред являются частью более обширной области науки – интроскопии, т. е. внутривидения, которая охватывает медицинскую и плазменную диагностики, излучение подземных структур, поиск скрытых предметов и т. д.

Задачи, которые могут быть решены радиофизическими методами диагностики, можно кратко свести к следующим:

– дефектоскопия – обнаружение несплошностей (пустот) материала;

– измерение геометрических размеров объекта;

– контроль физико-химических свойств: химического состава, структуры (структурометрия), прочностных характеристик материала;

– изучение внутреннего строения сложных изделий и материалов (интроскопия);

– изучение объектов, структурированных в микро - и наноразмерных масштабах.

При решении вышеперечисленных задач весьма перспективным является радиоволновой метод диагностики [1; [9]] из-за расширения применения в различных сферах науки и техники композиционных, пластмассовых, полимерных и других диэлектрических материалов.

Оптический метод диагностики [1; 5–8] – наиболее доступный и легкореализуемый в видимом свете – сейчас переживает свое второе рождение, обогащаясь достижениями электронной техники, появлением новых источников света оптического диапазона, прогрессом в области преобразовательной техники, сочетанием оптических устройств с вычислительной техникой через электронные блоки. Расширяется использование оптических квантовых генераторов, работающих в инфракрасном, видимом или ультрафиолетовом диапазоне спектра электромагнитных колебаний.

Радиационная диагностика [4–8] является сейчас первой по объему применения в промышленности. Направления ее развития определяются общими тенденциями развития измерительной техники – применение новых первичных измерительных преобразователей и индикаторов, оснащение оборудования вычислительной техникой и микроэлектронными элементами, изменениями в специальных блоках, характерных для этого вида диагностики.