Физические методы исследований с использованием современного оборудования (стр. 7 )

СКВИД – сверхпроводящий квантовый магнитометр, принцип действия которого основан на эффекте Джозефсона. По чувствительности он превосходит прочие магнитометры на 2–3 порядка. СКВИД применяют для измерения магнитных полей биологических объектов, измерения магнитной восприимчивости веществ. Основным недостатком СКВИД является необходимость охлаждения сверхпроводящего контура до уровня гелиевых или водородных температур.

Магнитооптические и гальваномагнитные магнитометры. Принцип действия магнитооптических магнитометров основан на изменении оптических свойств веществ под воздействием магнитного поля, т. е. на эффектах Фарадея, Керра, Зеемана, Ханле.

Эффект Фарадея (1845 г.) состоит во вращении плоскости поляризации линейно поляризованного света при прохождении его через вещество, помещенное в магнитное поле.

Эффект Керра (1875 г.) – магнитооптический эффект, состоящий в том, что плоско поляризованный свет, отражаясь от намагниченного ферромагнетика, становится электрически поляризованным.

Эффект Зеемана (1896 г.) – расщепление уровней энергии и спектральных линий атома и других атомных систем в магнитном поле.

Магнитооптические магнитометры применяют в лабораторных исследованиях для измерения магнитной индукции слабых, средних и сильных магнитных полей (постоянных и переменных).

Гальваномагнитные магнитометры регистрируют эффекты, возникающие при одновременном воздействии на полупроводник электрического и магнитного полей, т. е. эффекта Холла (см. параграф 11.3) и магниторезистивного эффекта.

Магниторезистивный эффект, или магнетосопротивление, – изменение электрического сопротивления проводника под действием магнитного поля, вызванное искривлением в магнитном поле траекторий носителей заряда.

Для измерения магнитной индукции постоянных, переменных и импульсных полей применяют магнитометры с измерительными преобразователями на основе эффекта Холла. Тесламетры Холла применяют для контроля магнитных систем в электроизмерительных и электронных приборах. Магниторезистивные тесламетры используют для измерения сильных полей (более 1–2 Тл), в которых зависимость электрического сопротивления от магнитной индукции линейна.

Из совокупности магнитометров, основанных на других принципах, можно выделить магнитомеханические приборы. Их принцип действия, основанный на силовом взаимодействии измеряемого магнитного поля и постоянного магнита, реализован в конструкциях кварцевых и крутильных магнитометров, магнитных весов, магнитных теодолитов, астатических магнитометров. На новых физических принципах основаны волоконно-оптические магнитострикционные приборы; магнитометры, использующие магнитоупругие волны, которые возникают в ферро - и антиферромагнетиках из-за связи между магнитными и упругими свойствами вещества; магнитометры с измерительными преобразователями в виде тонких ферромагнитных пленок.

Магнитные эталоны. Эталон – измерительное устройство, служащее для воспроизведения, хранения и передачи шкалы измерения или единицы измерения какой-либо величины. Эти эталоны обеспечивают единство магнитных измерений.

Наблюдение магнитной доменной структуры. Для экспериментального наблюдения магнитной доменной структуры используют метод магнитной суспензии, электронную микроскопию и магнитную нейтронометрию (нейтронографию).

Метод магнитной суспензии предложен в 1931 г. белорусским академиком и независимо от него немецким физиком Ф. Биттером. Он состоит в визуализации границ доменов путем нанесения на полированную поверхность ферромагнитного образца коллоидного раствора ферромагнетика, например, магнитной жидкости. Коллоидные частицы концентрируются на границах доменов, обрисовывая их контуры, которые рассматривают с помощью микроскопа.

Методом лоренцевой электронной микроскопии изучают явления, порожденные силой Лоренца. Ее часть, обусловленная действием магнитного поля образца, искривляет траекторию электронов. Это позволяет идентифицировать поля магнитных доменов в тонких пленках.
С помощью электронной микроскопии можно регистрировать динамику перемещения стенок магнитных доменов, например, в процессе перемагничивания тонких магнитных пленок.

Магнитная нейтронография – метод исследования магнитной структуры кристаллов в процессе упругого когерентного рассеяния образцом медленных нейтронов, длина волны которых имеет порядок межатомных расстояний в кристалле (λ ~10–1 нм). Наличие у нейтронов магнитного момента приводит к тому, что наряду с рассеянием на атомных ядрах происходит так называемое магнитное рассеяние нейтронов, возникающее из-за взаимодействия магнитных моментов нейтрона и электронной оболочки атома.

1.7. Электрические и магнитные методы контроля состава и свойств материалов. Устройства и методы неразрушающего контроля

Неразрушающий контроль (НК) – определение параметров и свойств объекта, при котором не нарушается его целостность. Неразрушающий контроль широко применяется при создании и эксплуатации качественных компонентов, изделий и конструкций, а также эксплуатации опасных объектов различных отраслей промышленности, позволяет получить полную информацию о дефектах, структуре, температуре и других параметрах объектов на расстоянии, без организации каких-либо специальных условий.

В основе НК лежат физические процессы взаимодействия различных полей, излучений или веществ с объектами контроля. По этому признаку выделяют девять основных видов НК: магнитный, электрический, вихретоковый, радиоволновой, тепловой, оптический, радиационный, акустический, проникающими веществами. Каждый из этих видов осуществляется многими методами контроля, которые классифицируют по характеру взаимодействия физических полей с контролируемым объектом, по первичному информативному параметру и по способу получения информации.

Средства неразрушающего контроля распределяются по следующим направлениям:

1. Дефектоскопия – обнаружение дефектов типа нарушений сплошности (трещин, раковин, расслоений и т. д.). Дефектоскопия включает разработку методов и аппаратуру (дефектоскопы и др.), составление методик контроля, обработку показаний дефектоскопов. Дефектоскоп – ультразвуковой прибор, применяемый для поиска дефектов сварочных швов, а также обнаружения дефектов в соединениях различных металлических и неметаллических изделий.

2. Контроль геометрических характеристик (наружных и внутренних диаметров, толщины стенок, покрытий и слоев, степени износа, ширины и длины изделий и т. д.). Для контроля геометрических характеристик используются толщиномеры. По принципу действия толщиномеры подразделяются на ультразвуковые (на основе эхо-импульсного метода) и вихретоковые (на основе вихретокового фазового, вихретокового параметрического, импульсного индукционного принципов измерения).

3. Определение физико-механических и физико-химических характеристик (электрических, магнитных и структурных параметров, отклонений от заданного химического состава, твердости, пластичности, качества упрочненных слоев, содержания и распределения ферритной фазы и т. п.).

4. Техническое диагностирование – определение технического состояния объекта в период эксплуатации.

Выбор метода и прибора неразрушающего контроля для решения задач дефектоскопии, толщинометрии, структуроскопии и технического диагностирования зависит от параметров контролируемого объекта и условий его обследования.

5. Вибродиагностика – наиболее простой и информативный метод неразрушающего контроля для оценки состояния объекта.

6. Визуальный и измерительный методы, в том числе с использованием жестких и гибких видеоэндоскопов. Данные методы позволяют выявить поверхностные дефекты как на наружных поверхностях, так и во внутренних полостях изделий и измерить их параметры. Для осмотра внутренних поверхностей, глубоких полостей и труднодоступных мест применяют специальные трубки с призмами и миниатюрными осветителями (диоптрийные трубки), телевизионные трубки и лазеры. Минимальный размер дефектов, обнаруживаемых невооруженным глазом, составляет 0,1–0,2 мм, а при использовании оптических систем – десятки микрон.

При неразрушающем контроле методом проникающих веществ используется явление капиллярного проникновения в полость дефектов объекта хорошо смачивающих веществ. Данный метод неразрушающего контроля делится на капиллярные методы (в основе лежит капиллярное явление проникновения индикаторной жидкости в полость дефекта) и течеискания (используется для обнаружения различных сквозных дефектов).

Капиллярные методы контроля подразделяются на виды. В зависимости от типа проникающего вещества выделяют:

● Метод проникающих растворов – жидкостный метод капиллярного неразрушающего контроля, основанный на использовании в качестве проникающего вещества жидкого индикаторного раствора.

● Метод фильтрующихся суспензий – жидкостный метод капиллярного неразрушающего контроля, основанный на использовании в качестве жидкого проникающего вещества индикаторной суспензии, которая образует индикаторной рисунок из отфильтрованных частиц дисперсной фазы.

В зависимости от способа выявления индикаторного рисунка капиллярные методы подразделяют на следующие:

● Люминесцентный, основанный на регистрации контраста люминесцирующего в длинноволновом УФ-излучении видимого индикаторного рисунка на фоне поверхности объекта контроля.

● Цветной, основанный на регистрации контраста цветного в видимом излучении индикаторного рисунка на фоне поверхности объекта контроля.

● Люминесцентно-цветной, основанный на регистрации контраста цветного или люминесцирующего индикаторного рисунка на фоне поверхности объекта контроля в видимом или длинноволновом УФ-излучении.

● Яркостный, основанный на регистрации контраста в видимом излучении ахроматического рисунка на фоне поверхности объекта контроля.

Существуют комбинированные методы капиллярного контроля, которые сочетают два или более различных по физической сущности методов контроля, один из которых обязательно жидкостный. Комбинированные капиллярные методы контроля подразделяют в зависимости от характера физических полей (излучений) и особенностей их взаимодействия с контролируемым объектом.

Капиллярно-электростатический метод основан на обнаружении индикаторного рисунка, образованного скоплением электрически заряженных частиц у поверхностной или сквозной несплошности неэлектропроводящего объекта, заполненного ионогенным пенетрантом (жидкой средой).