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;

А. Н. Черноус – 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 № 8 от 14 марта 2013 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 978-966-657-485-8

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

© Воробьев Г. С., Пономарева А. А.,

Рыбалко А. А., Рубан А. И., 2013

ISBN 978-966-657-485-8 © 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 [iiiiiiivvvivii –viii].

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; ix] 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 [x].

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 [xi; xii], 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 [xiiixiv –xv].

Проведенный в этом направлении анализ литературных источников [xvi] 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 (Вс)/(Ам). 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 ДИАГНОСТИКА1221

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 [xvii –xviiixix] 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:

, 2 33

причем

, 4 45

, 6 57

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

, 8 69

– 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 (2.2) – (2.4). Длина волны в неограниченной среде равна

, 10 711

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

Если принять и , то из (2.5) 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

, 12 813

где , – напряженности компонент электрического и магнитного полей соответственно.

Если СВЧ-колебания распространяются в какой-то среде, то волновое сопротивление (2.6) может быть найдено так:

, 14 915

где – комплексное значение абсолютной магнитной проницаемости среды:

, 161017

 – комплексное значение абсолютной диэлектрической проницаемости среды:

, 181119

, – 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:

. 201221

Волновое сопротивление (2.6), (2.7) 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 (2.1), идущими от источника и нагрузки, показано на рис. 2.1.

Рис.  323. 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  (2.7) 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.

На практике для анализа процессов в линии передачи чаще всего используют понятия коэффициента бегущей волны (КБВ) или коэффициента стоячей волны (КСВ):

221323

где и – модули минимальной и максимальной напряженностей электрического поля (см. рис. 2.1). Кроме того, используется понятие фазы коэффициента отражения волны, однозначно задаваемого нагрузкой. Практически эта величина определяется расстоянием от нагрузки до точки минимума:

. 241425

Коэффициент отражения (2.3) может быть найден по известным КБВ или КСВ.

2.4 Общие вопросы построения аппаратуры радиоволнового контроля

В контролируемых объектах, как правило, могут быть доступными одна или две поверхности, что определяет возможность применения контроля только по отраженному или по отраженному и прошедшему излучениям. Контроль по прошедшему излучению требует более обширного пространства, но предпочтителен, поскольку возможно существенное снижение влияния перемещений контролируемых объектов между излучающей и приемной антеннами. Наиболее подробную информацию о контролируемом объекте дает применение многоэлементных антенн, которые решают задачу контроля внутреннего строения объекта [1; 9].

Задачи структуроскопии, толщинометрии и дефектоскопии можно решать с использованием одно- и многоканальных устройств (рис. 2.2 в варианте радиоволнового контроля по прошедшему излучению).

а б

Рис.  445. Схемы радиоволнового контроля: а – одноканального; б – многоканального (1 – СВЧ-генератор, 2 – излучающие системы, 3 – контролируемый объект, 4 – приемная система, 5 – блоки обработки сигналов)

Выбор рабочей частоты (трехсантиметрового или восьмимиллиметрового диапазона) обусловлен как общими требованиями по решаемой контрольно-измерительной задаче (геометрические размеры, необходимая разрешающая способность аппаратуры, зона контроля и т. д.), так и значениями электромагнитных параметров на данной рабочей частоте.

Поскольку СВЧ-колебания по мере проникновения вглубь материала контролируемого объекта уменьшаются по амплитуде, отраженные сигналы с увеличением толщины уменьшаются, и, начиная с некоторой толщины, контроль становится весьма затруднителен. Оценку затухания СВЧ-колебаний можно произвести, определив глубину проникновения СВЧ-поля для плоской волны из выражения [17]:

, 261527

а затем учесть, что волна близка к цилиндрической или сферической и сигналы будут дополнительно снижаться за счет геометрического фактора.

Обширной областью применения радиоволнового метода является контроль физических величин, характеризующих материал или его состояние. При необходимости получить повышенную точность измерения физических величин применяют двухканальные приборы типа интерферометров в сочетании с компенсационными способами измерений. Наибольшее распространение получили устройства для измерения плотности материалов на основе измерений диэлектрической проницаемости, влажности материалов и покрытий, оценки механических характеристик композиционных материалов, полуфабрикатов и изделий.

2.5 Особенности взаимодействия радиоволнового излучения с объектами контроля

Контролируемый объект, приемное и излучающее устройство при радиоволновом контроле находятся, как правило, в ближней зоне, где структура электромагнитного поля носит сложный характер и строгий анализ невозможен.

Поэтому вопросы взаимодействия объектов контроля с электромагнитным СВЧ-полем решаются экспериментально или приближенными методами. Если расстояния между границами различных сред соизмеримы или на много больше по сравнению с длиной волны СВЧ-колебаний в материале, а каждая из сред однородна, используют законы геометрической оптики. При этом полагают, что в пределах однородной среды СВЧ-излучение распространяется прямолинейно и направления падающей, отраженной и преломленной волн (во всех средах 1–3) лежат в одной плоскости (в плоскости чертежа на рис. 2.3) и тогда справедливы следующие соотношения, которые выполняются независимо от поляризации падающей волны [1; 9].

При отражении радиоволны от границы раздела двух сред угол падения равен углу отражения, т. е. . Прошедший во вторую среду луч преломляется на границе раздела сред так, что угол падения и угол преломления связаны выражениями

, , , 281629

где N – относительный коэффициент преломления; , – коэффициенты преломления среды 1 и 2 соответственно.

Рис.  567. Взаимодействие излучения с пластиной

Из выражения (2.15) можно получить

. 301731

Составляющая поля в отраженной и преломленной волнах зависит как от параметров сред, так и от поляризации падающей волны. Напряженность электрического поля характеризует коэффициенты отражения и преломления волн:

, . 32 1833

Коэффициенты отражения и преломления (2.16) для разных вариантов положения вектора напряженности электрического поля могут быть рассчитаны, если известны импедансы (волновые сопротивления) сред. Если вектор напряженности электрического поля лежит в плоскости падения, то

, 341935

. 362037

Если вектор напряженности электрического поля перпендикулярен плоскости падения, то

, 382139

. 402241

Поскольку между векторами напряженности электрического и магнитного полей существует однозначная связь, то

,

где – единичный вектор нормали.

Зная коэффициент отражения или преломления, можно определить компоненты электромагнитного поля в любой из сред. Некоторые частные случаи, реализуемые в аппаратуре радиоволнового контроля, рассмотрены в [1; 9].

2.6 Элементная база и основные устройства аппаратуры радиоволнового контроля

2.6.1 Источники сверхвысокочастотных колебаний

Основными источниками СВЧ-колебаний являются полупроводниковые и электронные генераторы [xx ; xxi].

В качестве полупроводниковых генераторов используют лавинно-пролетные диоды, диоды Ганна, туннельные диоды и др. Основные их достоинства: малые габариты, масса и потребляемая мощность. Недостаток – низкая стабильность характеристик и большие шумы.

Электронные генераторы СВЧ-колебаний [21] строятся на базе клистронов, ламп бегущей и обратной волн, магнетронов. В радиоволновой аппаратуре основное применение нашли клистронные генераторы мощностью 5–20 мВт. Их недостатком является необходимость высокого по напряжению стабилизированного питания и, как следствие, – большие габариты и масса.

В качестве примера схематично рассмотрим принцип действия и построения СВЧ-генераторов на основе лавинно-пролетного диода (ЛПД) и клистрона, функциональные схемы которых представлены на рис. 2.4.

а б

Рис.  689. Функциональные схемы СВЧ-генераторов на ЛПД (а) и отражательном клистроне (б)

Генератор на лавинно-пролетном диоде, функциональная схема которого изображена на рис. 2.4 а, состоит из следующих крупных блоков: ЛПД, резонатора Р, стабилизированного блока питания СБП, модулятора МД, блока управления частотой БУЧ. ЛПД и Р обычно конструктивно совмещаются, чтобы не было дополнительных набегов фаз и нестабильностей, определяемых особенностями СВЧ-диапазона. Именно эти два блока обеспечивают создание СВЧ-колебаний. СБП задает рабочий режим ЛПД по постоянному току, а МД и БУЧ дают возможность при необходимости осуществлять амплитудную модуляцию (чаще всего прямоугольными импульсами с частотой 1 кГц) и изменение частоты. Лавинно-пролетный диод – это специальный полупроводниковый диод, предназначенный для работы в СВЧ-диапазоне. Напряжение питания ( В в зависимости от типа диода) подается через дроссель в обратном направлении, а рабочая область генерации СВЧ-колебаний лежит в зоне электрического пробоя. Параллельно ЛПД включен резонатор Р, настроенный на частоту генерации. ЛПД в динамическом режиме обладает отрицательным сопротивлением и будет компенсировать потери энергии, поддерживая СВЧ-колебания в резонаторе. Энергия СВЧ-колебаний выводится из резонатора с помощью петли связи.

Стабилизированный блок питания СБП является источником постоянного напряжения, который не зависит от вариаций напряжения питающей сети и нагрузки. Он построен по типовой схеме и содержит трансформатор Тр, выпрямитель В, фильтр Ф и стабилизатор СТ с большим коэффициентом стабилизации для защиты диода от теплового пробоя и стабилизации СВЧ-колебаний.

Модулятор МД может быть выполнен в виде управляемого электронного ключа, подающего питание на ЛПД в требуемые моменты времени.

Генератор на отражательном клистроне, функциональная схема которого приведена на рис. 2.4 б, имеет блоки, аналогичные полупроводниковому СВЧ-генератору. Отражательный клистрон КЛ – это специальная электронно-вакуумная лампа, имеющая катод К с подогревателем ПК, две сетки СВ и СН, соединяемые с объемным резонатором Р, и отражатель ОТ. Блок питания СБП создает необходимые питающие напряжения.

Частоту СВЧ-колебаний клистронного генератора можно регулировать так же, как и в генераторе на ЛПД, изменяя резонансную частоту резонатора Р с помощью подстроечных винтов ПВ (перестройка на 10–20 %) или изменяя постоянные напряжения на электродах (отражателе) клистрона (перестройка до 1 %), а чтобы получить модулированные по амплитуде или частоте СВЧ-колебания, на отражатель ОТ клистрона подают пульсирующее напряжение.

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

К таким устройствам относятся: излучающие и приемные устройства, аттенюаторы, вентили, фазовращатели, направленные ответвители, детекторные секции, тройники, резонаторы, согласованные нагрузки, отрезки волноводов специальной формы, измерительные линии и волномеры. Большинство этих СВЧ-устройств, используемых в неразрушающем контроле, построены на базе волноводов, что характерно для трехсантиметрового и восьмимиллиметрового диапазонов СВЧ [17; 20].

Излучающие и приемные устройства (антенны), применяемые при радиоволновом контроле, могут быть выполнены в виде рупора, открытого среза волновода, щелей или волновода с диэлектрической вставкой (рис. 2.5), что определяется необходимой локальностью контроля, требуемой чувствительностью аппаратуры и особенностями конкретной задачи. Так, например, излучатель и приемник в виде рупора (рис. 2.5 а) дают хорошее согласование волноводного тракта с внешним пространством и с контролируемым объектом, что обеспечивает большие амплитуды сигналов, но ведет к ухудшению локальности контроля. Применение щелевого устройства в виде суживающегося волновода (рис. 2.5 г), наоборот, повышает локальность контроля, если контролируемый объект находится непосредственно у щели, но при этом возникают значительные отражения СВЧ-колебаний от узкого среза, что снижает чувствительность аппаратуры и ведет к маскировке полезного сигнала.

При удалении объекта от антенны зона облучения расширяется в виде конуса, угол раскрыва которого тем больше, чем меньше размеры антенны, т. е. примерно соответствует ширине ее диаграммы направленности. Зона, где происходит излучение СВЧ-колебаний, у излучателей и приемников чаще всего заполняется диэлектрическими вставками, которые улучшают работу этих устройств, а также препятствуют проникновению в них посторонних предметов и различных загрязнений. На основе показанных на рис. 2.5 устройств могут создаваться и более сложные излучающие и принимающие устройства, например двухэлементные, реализующие метод самосравнения в дефектоскопии, или в виде многоэлементных антенных решеток. Как следует из принципа взаимности, одно и то же устройство может использоваться в качестве излучающего или принимающего.

а б в г д е

Рис.  71011. Типы излучающих и приемных устройств, используемых в радиоволновом контроле: а – рупор; б – фланец волновода; в – срез волновода; г – суживающийся конец волновода; д – щели; е – волновод с диэлектрической вставкой

Канализирующие устройства волновода или отрезки коаксиальных линий с различными поперечными сечениями передают энергию СВЧ-колебаний от генератора и излучателя или от приемного устройства к первичному измерительному преобразователю. Коаксиальные линии (рис. 2.6 а) используются при передаче СВЧ-энергии на короткие расстояния. Полосковые линии (рис. 2.6 б, в) хорошо сочетаются с современной печатной технологией производства радиоэлектронной техники. Чаще других в устройствах радиоволнового контроля применяют прямоугольные волноводы, а иногда – круглые. В области коротковолнового СВЧ-диапазона (восьмимиллиметрового и короче) могут быть использованы диэлектрические волноводы и устройства на их основе (рис. 2.6 е).

Аттенюатор (ослабитель) служит для дискретной или плавной регулировки амплитуды СВЧ-сигналов путем изменения размеров поперечного сечения волновода, введения вставок, в которых затухают СВЧ-колебания, или путем использования поляризационных особенностей СВЧ-колебаний.

а б в г д е

Рис.  81213. Поперечные сечения основных типов канализирующих СВЧ-устройств: а – коаксиальная линия; б – симметричная полосковая линия; в – несимметричная полосковая линия; г – прямоугольный волновод; д – круглый волновод; е – диэлектрический волновод (1 – металл; 2 – диэлектрик)

Вентиль пропускает СВЧ-энергию только в одном направлении, т. е. только падающую волну, что необходимо для работы СВЧ-тракта в режиме бегущей волны и устранения влияния нагрузки на источник колебаний.

Фазовращатель дает возможность изменить фазу СВЧ-колебаний на фиксированное значение дискретно или плавно и представляет собой отрезок длинной линии регулируемой длины или с изменяемыми электрическими параметрами среды ( или ), что позволяет регулировать электрическую длину отрезка и приводит к дополнительному набегу фазы, зависящему от отношения электрической длины отрезка к длине волны.

Направленный ответвитель имеет один вход и два или более выходов, на которые передает определенную часть только падающей или отраженной волны в нужный волновод СВЧ-тракта. Он может использоваться как делитель мощности в определенной пропорции, а также для сложения или вычитания сигналов.

Детекторная секция (амплитудный детектор, выпрямитель) преобразует СВЧ-колебания в сигналы постоянного тока или в сигналы, пропорциональные огибающей СВЧ-колебаний. Она выполняется на базе СВЧ выпрямительного устройства с полупроводниковым диодом. Для увеличения значений выходных сигналов детекторная секция обычно содержит резонаторную часть, которая настраивается специальным поршнем в режим резонанса на рабочей частоте. В аппаратуре с аналоговой обработкой сигнала к детекторной секции обычно подключаются чувствительный микроамперметр, усилитель или регистрирующий прибор.

Смесительная секция подобна детекторной, но имеет два входа, к которым подводятся СВЧ-колебания двух разных частот. В результате их наложения и выпрямления на выходе смесительной секции выделяется составляющая колебаний разностной частоты, которая намного меньше частоты СВЧ-колебаний и обработка сигналов на которой производится гораздо проще.

Тройники имеют три или более волноводных ответвлений и служат для разделения потока СВЧ-энергии или, наоборот, для суммирования (вычитания) СВЧ-колебаний. В аппаратуре радиоволнового контроля используют -тройник, -тройник и двойной тройник (стрелками на рис. 2.7 показано направление вектора напряженности электрического поля).

а б в

Рис.  91415. Волноводные СВЧ-тройники: а – Е-тройник; б – Н-тройник; в – СВЧ-мост (двойной тройник)

Резонаторы по существу являются резонансными контурами и с их помощью можно выполнять те же преобразования сигналов, что и с помощью резонансных контуров: выделять колебания требуемой частоты, согласовывать различные элементы между собой, изменять значения токов или напряжений и т. д. Резонаторы могут выполняться в виде объемных конструкций или отрезков волноводов и длинных линий. Перестройка СВЧ-резонаторов производится с помощью штырей, плунжеров, короткозамыкающих поршней, пластин и гибких диафрагм.

Согласованные нагрузки предназначены для подключения к СВЧ-тракту, чтобы поглотить падающую волну и устранить тем самым отражения СВЧ-колебаний. Они выполняются в виде отрезка длинной линии, который имеет активное сопротивление, равное сопротивлению линии ().

Измерительные линии представляют собой отрезок длинной линии с прорезью для введения зонда детекторной секции. В прорезь отрезка длинной линии вводится зонд, который может быть перемещен вдоль линии, что позволяет помещать его в место, где достигается необходимое соотношение между падающей и отраженной волнами и соответственно получаются определенные значения СВЧ-колебаний (максимум, минимум, среднее). Измерительная линия имеет точную градуировку и позволяет измерять многие величины, характеризующие СВЧ-колебания.

Волномеры – устройства для определения частоты или длины волны СВЧ-колебаний (в простейшем случае – это короткозамкнутая измерительная линия с калиброванными размерами элементов). Например, для часто используемого прямоугольного волновода при возбуждении в нем волны типа длина волны равна

,

где – длина волны в вакууме; – относительная диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего волновод; – размер широкой стенки волновода.

2.6.3 Индикаторы и преобразователи радиоволнового излучения

Индикаторы СВЧ-излучения преобразуют распределение плотности СВЧ-энергии в видимое изображение, что позволяет оператору анализировать качество контролируемого объекта. При радиоволновом контроле в качестве индикаторов обычно используются люминофоры и жидкие кристаллы, а регистрация интенсивности СВЧ-излучения чаще всего основана на его преобразовании в низкочастотные или постоянные электрические сигналы.

Люминофоры – это вещества, обладающие свойством светиться при воздействии на них определенных видов излучения, возбуждающих люминофор в оптической части излучения. Это видимое излучение и воспринимает оператор. Однако энергия квантов СВЧ-излучения недостаточна для возбуждения люминофора, поэтому для его возбуждения производится дополнительное облучение вещества люминофора от специального источника с квантами, имеющими большую энергию, например лампой, излучающей ультрафиолетовый свет. Интенсивность излучения вспомогательного источника устанавливают таким образом, чтобы яркость свечения люминофора была средней. Тогда при воздействии СВЧ-излучения условия работы люминофора будут изменяться, и яркость свечения будет зависеть от падающей на люминофор СВЧ-энергии, что позволит наблюдать ее распределение в пространстве.

Жидкие кристаллы имеют молекулярную структуру, промежуточную между жидкостью (обладают текучестью) и твердым телом (аномальные оптические свойства). Для целей неразрушающего контроля применяют холестерические жидкие кристаллы. Тонкий слой жидкого кристалла в зависимости от его температуры и угла наблюдения имеет наибольший коэффициент отражения для света определенной длины волны. Поэтому, если освещать пленку на основе жидкого кристалла белым светом и фиксировать угол наблюдения, при изменении температуры можно получить максимум интенсивности отражения для различных цветов – компонентов белого света. Чтобы улучшить условия наблюдения, жидкий кристалл наносится на пленку с зачерненной основой, что повышает контрастность изображения и устраняет помехи за счет вторичного отражения. При проведении контроля пленку накладывают на контролируемый объект и по цветной окраске оператор судит о температуре в той или иной части объекта, обусловленной нагревом его СВЧ-излучения. Чувствительность неразрушающего контроля с помощью жидких кристаллов при прочих равных условиях определяется числом различаемых оператором градаций цвета. Для некоторых жидких кристаллов на основе холестерина окраска отраженного света изменяется по всему спектру от красного до фиолетового при изменении температуры на 1–3 К, что дает возможность оценивать разрешающую способность проведения контроля с их помощью 0,1–0,2 К. Тепловые переходы в жидких кристаллах обратимы, поэтому индикаторы на их основе можно использовать многократно. По сравнению с другими термоиндикаторами жидкие кристаллы особенно эффективны, когда необходимо отличать малые градиенты температур при невысоких температурах (283–393 К).

Измерительные преобразователи (первичные измерительные преобразователи, датчики) производят преобразование компонентов СВЧ-излучений и полей в электрические сигналы, удобные для последующей обработки. В качестве первичных измерительных преобразователей применяют: полупроводниковые и термоэлектрические приборы. Полупроводниковые приборы (СВЧ-диоды и транзисторы) построены на базе -перехода и за счет его нелинейных свойств дают возможность преобразовать СВЧ-колебания в сигналы постоянного тока, видеосигналы или сигналы более низкой частоты (преобразование частоты). При выпрямлении СВЧ-колебаний получают видеосигналы или сигналы низкой частоты (выделение огибающей СВЧ-колебаний) и постоянную составляющую выпрямленного тока, что используется для непосредственной индикации сигналов магнитоэлектрическими микроамперметрами. Когда полупроводниковые диоды используются в качестве смесителя для преобразования частоты, огибающая СВЧ-колебаний и их фаза переносятся на пониженную несущую (разностную) частоту, обработка сигнала производится радиоэлектронной техникой, имеющей лучшие технические и метрологические показатели. В аппаратуре радиоволнового контроля наибольшее применение получили СВЧ-диоды. Термоэлектрические приборы (терморезисторы, термисторы и болометры) используют тепловое действие СВЧ-энергии, поэтому их изготавливают из материалов, хорошо преобразующих тепловые изменения в электрические сигналы.

Полупроводниковый СВЧ-диод – это точечный диод, специально предназначенный для применения в СВЧ-диапазоне. Его конструкция чаще всего выполняется в виде коаксиальных форм с толстыми и короткими элементами – выводами, удобными для монтажа и электрического соединения с канализирующими СВЧ-устройствами (волноводами, длинными линиями). Учитывая, что СВЧ-диод и элементы секции (обычно параметры СВЧ-диодов задают вместе с волноводной секцией) имеют паразитные индуктивности и емкости, ограничивающие его возможности, для каждого диода указывают рабочий диапазон длин волн и наибольшее значение КБВ, получаемое при его использовании. Полупроводниковые диоды по сравнению с другими первичными измерительными преобразователями СВЧ-энергии отличают высокое быстродействие, большая чувствительность и простота использования. Их недостаток – невысокие метрологические характеристики и плохая перегрузочная способность.

Терморезистор – нелинейный полупроводниковый резистор, сопротивление которого сильно зависит от температуры. Терморезисторы выполняются из полупроводникового материала сложного состава с температурным коэффициентом до 6 % на 1 К. Для работы в СВЧ-диапазоне применяют измерительные терморезисторы (термисторы), позволяющие проводить измерения мощности от долей микроватта до нескольких милливатт. Свойства терморезистора описывают две характеристики: температурная – зависимость сопротивления от температуры и вольтамперная . Поскольку СВЧ-энергия в терморезисторе преобразуется в тепловую, терморезистор характеризуют температурным коэффициентом и постоянной времени, которая по сравнению с диодами оказывается большой, что и ограничивает области их применения.

Болометры – специально выполненные резисторы из проводникового или полупроводникового материала, предназначенные для обнаружения и измерения чрезвычайно малых потоков мощности. По сравнению с другими терморезисторами болометры отличает более высокая стабильность характеристик (металлические болометры), но вместе с тем – пониженные температурные коэффициенты. Их так же, как СВЧ-диоды, изготавливают парами, причем располагают рядом и один из них экранируют от излучения. Болометры часто применяют с охлаждением до низких температур с целью увеличить их чувствительность и снизить погрешность измерений.

2.6.4 Одноканальные методы радиоволнового контроля

Одноканальные устройства радиоволнового контроля по прошедшему излучению применимы в тех случаях, когда возможен двусторонний доступ к внешним границам контролируемого объекта. В простейшем варианте такого контроля в приемном тракте обеспечивают режим бегущей волны и измеряют амплитуду полученного СВЧ-сигнала. Недостатками такого метода контроля являются сильная зависимость сигнала от уровня излучения и малая чувствительность. Поэтому аппаратура с лучшими метрологическими характеристиками выполняется с использованием балансных или мостовых схем.

Измеритель, функциональная схема которого показана на рис. 2.8, может быть использован для однопараметрового контроля толщины или свойств тонких листовых материалов. В этом измерителе за счет измерения величины, связанной с отношением мощности прошедшей и падающей волн, результат контроля не зависит от небольших вариаций выходной мощности генератора. Его преобразовательная часть выполнена на базе двух открытых концов волноводов В1 и В2, защищенных четвертьволновыми кольцевыми прорезями КП1 и КП2, в промежутке между которыми помещается контролируемый объект КО. Показание логометра ЛГ-прибора, измеряющего отношение токов, пропорциональных прошедшему излучению, и ответвленной направленным ответвителем НО, не зависит от подаваемой от генератора Г через аттенюатор А мощности и определяется только свойствами контролируемого объекта, что особенно существенно при радиоволновом контроле объектов с различными отражательными характеристиками и при изменении выходной мощности СВЧ-генератора.

Рис.  101617. Функциональная схема устройства одноканального радиоволнового контроля

Измеритель, построенный в соответствии со схемой рис. 2.8, имеет невысокую чувствительность из-за плохого согласования волноводов В1 и В2 и усиления сигналов по постоянному току, ограниченного дрейфом. Кроме того, этот измеритель не позволяет производить раздельный контроль параметров контролируемого объекта.

2.6.5 Двухканальные методы радиоволнового контроля

Повышенную чувствительность имеет двухканальное устройство с усилением по переменному току, функциональная схема которого изображена на рис. 2.9 [1].

Рис.  111819. Функциональная схема двухканального устройства радиоволнового контроля

Источником СВЧ-колебаний в нем является генератор Г, запитываемый от блока питания СБП и модулятора МД, который создает прямоугольное напряжение с частотой 1 кГц и подает его на лавинно-пролетный диод или на отражательный клистрон. В результате СВЧ-колебания также имеют огибающую в виде прямоугольного радиоимпульса. Радиоимпульсы через аттенюатор А, вентиль ВН и секцию контроля мощности КМ поступают к простому тройнику Т, разделяющему СВЧ-энергию на две равные части, направляемые в одинаковые излучающие рупоры РИ1 и РИ2. Часть СВЧ-энергии отражается от внешней поверхности контролируемого объекта КО и эталона ЭТ, но затухает в вентиле и аттенюаторе и почти не влияет на работу генератора Г. Если свойства объекта контроля и эталона одинаковы, то напряженность электрического поля в 1- и 2-каналах (объекта контроля и эталона) одинакова. Поэтому после выпрямления диодами Д1 и Д2 СВЧ-сигналы напряжения на резисторах R1 и R2 будут иметь вид одинаковых прямоугольных импульсов. Получить максимальный сигнал позволяет настройка с помощью короткозамыкающих настроечных поршней НП1 и НП2. Учитывая разную полярность напряжений и , нетрудно видеть, что потенциал средней точки потенциометра при определенном положении его движка, достигаемый при настройке, будет равен нулю (). Вследствие этого напряжения на выходе усилителя У и фазового детектора ФД будут равны также нулю и не вызовут отклонения стрелочного прибора СП.

Предположим, контролируемый объект имеет толщину меньше номинального значения. В этом случае напряженность поля в приемном рупоре РП2 будет больше, чем при номинальном значении толщины объекта, увеличится импульс напряжения () на выходе детектора Д2, что приведет к появлению напряжения () на движке потенциометра R и соответственно на выходе усилителя У () при увеличении толщины. В результате работы фазового детектора ФД с учетом фазы опорного напряжения, создаваемого модулятором М и совпадающего, например, с напряжением на его выходе появится постоянное отрицательное выходное напряжение, которое покажет стрелочный прибор СП.