Радиофизические методы диагностики материалов и сред (стр. 4 )

РАЗДЕЛ 2 РАДИОВОЛНОВАЯ ДИАГНОСТИКА

,

2.1 Общие вопросы радиоволновой диагностики

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.

2.2 Техника безопасности при радиоволновом контроле

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.

2.3 Основные особенности электромагнитных процессов в СВЧ-диапазоне

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.