Радиофизические методы диагностики материалов и сред (стр. 2 )

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.

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.

1.1 Основные виды диагностики материалов

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.