Тема: Радиоволновой вид неразрушающего контроля

Радиоволновый метод неразрушающего контроля основан на регистрации изменений параметров электромагнитных волн радиодиапазона, взаимодействующих с объектом контроля. Обычно используются волны сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона с длиной от 1мм до100 мм. Контролируют изделия из материалов, где радиоволны не очень сильно затухают: диэлектрики (пластмассы, керамика, стекловолокно), магнитодиэлектрики (ферриты), полупроводники, тонкостенные металлические объекты.

По характеру взаимодействия с ОК различают методы прошедшего, отраженного, рассеянного излучения и резонансный.

Если контролируемая величина непосредственно связана с напряженностью поля (мощностью) отраженного, прошедшего или рассеянного излучения, используется амплитудный метод контроля. Техническая реализация метода проста, однако невысокая помехоустойчивость ограничивает его применение. Более надежные результаты получают, используя фазовый и амплитудно-фазовый методы, основанные на выделении полезной информации, заключенной в изменениях амплитуды и фазы волны.

Если толщина объекта превышает длину волны используемого зондирующего излучения, рекомендуется для ее измерения использовать геометрический или временной метод . В первом случае контролируемый параметр связан с отклонением положений отраженного луча в плоскости регистрации относительно выбранной системы координат, во втором — с изменением задержки сигнала во времени.

Для контроля тонкопленочных и анизотропных материалов применяют поляризационный метод , основанный на анализе изменений плоскости или вида поляризации колебаний после взаимодействия излучения с ОК. Перед испытаниями приемную антенну разворачивают до тех пор, пока сигнал на ее выходе от образцового ОК не станет равным нулю. Сигналы от испытываемых ОК характеризуют степень отклонения их свойств от образцового.

Голографический метод дает хорошие результаты при контроле внутреннего строения ОК, однако из-за сложности его аппаратурной реализации метод имеет ограниченное применение.

Наиболее полную информацию дает применение многоэлементных антенн , поскольку в этом случае удается воспроизвести внутреннюю структуру объекта.

Для повышения разрешающей способности дефектоскопии используют метод самосравнения . Он реализуется с помощью двух комплектов излучающих и приемных устройств, максимально приближенных друг к другу. Результирующий сигнал определяется разностью амплитуд и фаз сигналов приемников каждого канала. Наличие дефекта приводит к изменению условий распространения волны в одном канале и появлению разностного сигнала. Анализ динамики изменения сигнала при периодическом прохождении дефекта через зону контроля радиоволнового дефектоскопа позволяет снизить порог его чувствительности.

Резонансный метод радиоволнового контроля основан на введении ОК в резонатор, волновод или длинную линию и регистрации изменений параметров электромагнитной системы (резонансной частоты, добротности, числа возбуждаемых типов колебаний и т. д.). Этим методом контролируются размеры, электромагнитные свойства, деформации и другие параметры. Успешно используется резонансный метод для контроля уровня жидкостей в резервуарах и параметров движения различных объектов.

Радиоволновой контроль применяют для решения всех типовых задач неразрушающего контроля: толщинометрии, дефектоскопии, структуроскопии и интроскопии (контроля внутреннего строения). Используемая при этом аппаратура, как правило, построена на базе стандартных или модернизированных элементов СВЧ. Специальным элементом при решении конкретной задачи может быть источник или приемник излучения, а также приспособление для крепления и перемещения объекта.

Среди других особенностей радиоволнового контроля по сравнению с оптическим и радиационным следует отметить использование импедансного метода для расчета параметров сигналов и соизмеримость длины волны излучения с размерами радиоволнового тракта «источник излучения - объект контроля- приемник излучения».

Излучения СВЧ относятся к области радиоволн, которые с момента своего открытия использовались для передачи информации. Применение волн СВЧ для целей НК потребовало создания теории их взаимодействия с объектом контроля.

Радиоволновые средства неразрушающего контроля — это датчики с чувствительным элементом , в котором контролируемая величина преобразуется в информативный параметр; генераторы СВЧ - источники электромагнитных колебаний; вторичные преобразователи предназначены для формирования сигналов регистрации и управления.

Классификация приборов. Приборы радиоволнового контроля могут быть классифицированы поразличным признакам.

По информативному параметру различают приборы:

– амплитудные;

– фазовые;

– амплитудно-фазовые;

– поляризационные;

– резонансные;

– лучевые;

– частотные;

– преобразовательные (вид волны);

– спектральные.

По схемам расположения приемника и излучателя энергии СВЧ относительно контролируемого

образца могут быть:

– на прохождение (двусторонний доступ);

– на отражение (односторонний доступ);

– комбинированные.

Различают следующие формы образования сигнала:

– аналоговую;

– дифракционную;

– оптическую.

При использовании этого вида контроля наличие дефектов в исследуемых изделиях приводит к появлению дополнительных отражений электромагнитного поля, которые изменяют интерференционную картину и вызывают дополнительные потери энергии. Этот метод применяется в дефектоскопии диэлектриков, а также при исследовании состояния поверхности проводящих тел.

Недостатком СВЧ метода является сравнительно низкая разрешающая способность устройств, реализующих этот метод, обусловленная малой глубиной проникновения радиоволн в металлы.

Методы проведения технических экспертиз

Для проведения технических экспертиз применяют две группы методов, различающихся между собой способами проведения необходимых исследований и измерения основных характерис­тик:

· неразрушающие методы, когда все измерения производятся непосредс­твенно на объекте или на конструкции без повреждения элементов;

· разрушающие методы, связанные с отбором проб или образцов из конс­трукций и нарушением сплошности материала.

Неразрушающие методы контроля строительных конструкций широко при­меняются в процессе проведения технических экспертиз зданий и сооружений. Их используют как при приемочном контроле конструкций на заводе-изготови­теле, так и непосредственно на объекте при проведении экспертизы.

По физическим принципам исследований эти методы можно классифици­ровать следующим образом:

1) механические методы;

2) акустические методы;

3) электрофизические методы;

4) методы ионизирующего излучения;

5) радиоволновые методы;

6) тепловые методы;

7) голографические методы;

8) прочие методы.

Механические методы нашли широкое применение в строительстве благодаря своей простоте, удобству и возможности быстро выполнить провер­ку состояния материала в различных точках конструкции. Прежде всего, это оценка прочности бетона с помощью эталонных молотков К.П.Кашкарова и ИЛ.Физделя. По диаметру отпечатков, полученных при ударе молотком, по эмпирическому графику определяется прочность бетона. Для этих целей так­же широко применяются склерометры различных типов. В этих приборах о прочности бетона судят по величине отскока стального бойка. Чаще всего их используют в транспортном строительстве при обследовании мостов.

Акустические ме тоды основаны на возбуждении упругих механических колебаний. По параметрам этих колебаний определяют физико-механические характеристики исследуемого материала. В зависимости от частоты колебаний эти методы делят на ультразвуковые (частота 20 тыс. Гц и выше), звуковые (до 20 тыс. Гц) и инфразвуковые (до 20 Гц).

Используют акустические методы, главным образом, для выявления и исследования дефектов конструкций (трещин, расслоения, пустот), про­верки качества швов сварных соединений, дефектоскопии клеевых соеди­нений и стыков, определение толщин изделий из металлических сплавов, а также для определения прочностных характеристик бетона по корреля­ционным зависимостям.

Электрофизические методы обследования делят на магнитные, электрические и электромагнитные.

Магнитные методы применяют для определения дефектов в металле, контроле качества сварных швов. Их использование основано на том, что магнитный поток при наличии дефекта конструкции искривляется и рас­сеивается.

С помощью электромагнитных методов можно определить толщину металлических элементов, а также контролировать натяжение арматуры в железобетонных конструкциях. Для выявления положения и глубины за­легания арматуры в железобетонных конструкциях используются прибо­ры магнитно-индукционного типа.

Электромагнитный метод положен в основу определения влажности древесины. По замеренному электрическому сопротивлению можно су­дить о состоянии материала в конструкции, пользуясь соответствующими зависимостями между электропроводностью и влажностью для данного сорта древесины.

Неразрушающий контроль с помощью ионизирующего излучения эффективно используют в процессе обследования строительных конс­трукций для различных целей. Преимущества применения ионизирую­щего излучения заключаются в возможности быстрого и качественного получения определяемых характеристик.

Контроль рентгеновскими и гамма-излучениями применяется для оценки физико-механических характеристик материалов и качества конс­трукций. Прежде всего, с его помощью осуществляют дефектоскопию сварных соединений, а также определение упругой составляющей дефор­мации металла. В бетоне и железобетоне производится определение плот­ности, контроль однородности, а также определение положения и диамет­ра арматуры и толщины защитного слоя бетона.Для просвечивания деталей и конструкций применяют также источники нейтронного излучения . Наиболее эффективным применением нейтронов оказывается при определении влажности материалов - бетона, древесины и др.

Большие перспективы применения имеет радиоволновой метод контроля (СВЧ). С помощью приборов, разработанных на основе этогс метода, можно оценить такие характеристики, как влажность, плотность пористость строительных материалов, толщину защитного слоя в железо­бетонных конструкциях.

Также эффективно применение радиоволнового метода при контроле пластмасс, древесины (в том числе и в клееных конструкциях), бетона, железобетона и других материалов. Радиоволновой метод дает возмож­ность исследовать как начальную стадию зарождения очагов нарушения сплошности конструкций, так и ход дальнейшего развития дефектов.

Широкие перспективы при обследовании ограждающих конструк­ций имеют тепловые методы , на основе которых разработаны специаль­ные приборы - тепловизоры. Они позволяют с высокой точностью прово­дить теплофизические исследования строительных конструкций.

Принцип действия тепловизоров основан на использовании инфра­красного излучения от внешнего источника, отраженного от исследуе­мого материала или прошедшего сквозь него. Применение тепловизоров дает возможность оценить общие теплопотери здания, обнаружить усадку теплоизоляции ограждающих конструкций, исследовать температурные поля, найти пустоты в изоляции, трещины в ограждающих конструкциях, Оценить воздухопроницаемость стыковых соединений.

Перспективными для применения являются также голографические методы , позволяющие получать при изменении условий рассмотрения одной и той же заснятой голограммы объемные изображения такими, какими они видны при различном положении точки наблюдения при не­посредственном рассмотрении объекта.

Существуют и другие методы неразрушающего контроля. Наибо­лее эффективным является комплексное применение различных методов, базирующихся на разных физических принципах, взаимно дополняющих друг друга.

При всех своих достоинствах неразрушающие методы не всегда дают достаточно полную характеристику обследуемого объекта. С их помощью не всегда возможно установить все необходимые физико-механические свойства материала конструкции, а также показатели несущей способнос­ти, жесткости, трещиностойкости и др.

поляризации, частоте и т.д.

шве с подкладкой:

импедансным методом:

Методы теплового вида неразрушающего контроля:

ЛЕКЦИЯ №5 (ПРОДОЛЖЕНИЕ) ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ

Характеристики методов радиоволнового вида диагностики

Радиоволновой неразрушающий контроль основан на анализе взаимодействия электромагнитного излучения радиоволнового диапазона е объектами контроля. На практике наибольшее распространение получили сверх высокочастотные. (СВЧ) методы, использующие диапазон длин волн от 1 до 100 мм. Взаимодействие радиоволн может носить характер взаимодействия только падающей волны (процессы поглощения, дифракции, отражения, преломления, относящиеся к классу радиооптических процессов) или взаимодействия падаюшей иотраженной волн (интерференционные процессы, относящиеся к области радиоголографии). Кроме того, в радиодефектоскопии могут использоваться специфическиерезонансные эффекты взаимодействия радиоволнового излучения (электронный парамагнитный резонанс, ядереный магнитный резонанс и др.). Использование радиоволн перспективно по двум причинам: достигается расширение области применения неразрушающего контроля, так как для контроля диэлектрических, полупроводниковых, ферритовых и композитных материалов радиоволновыеметоды наиболее эффективны; во вторых появляется возможность использования радиоволн СВЧдиапазона.

К числу этих особенностей относятся следующие:

1. Диапазон СВЧ позволяет получить большой интервал мощностей генерируемых волн, что удобно для контроля материалов и сред различной степени прозрачности, от весьма тонких до таких, как мощные бетонныеоснования.

2. Волны СВЧ легко получить в виде когерентных поляризованных гармонических электромагнитных колебаний, а это дает возможность обеспечивать высокую

чувствительность и точность контроля, используя интерференционные явления, возникающие при взаимодействии когерентных волн с диэлектрическим слоем.

3. С помощью СВЧ можно осуществить бесконтактный контроль качества при одностороннем расположении аппаратуры по отношению к объекту - способ контроля на отражение.

4. Волны диапазона СВЧ могут быть остро сфокусированы, что позволяет обеспечить локальность контроля, минимальный краевой эффект, помехоустойчивость по отношению к близкорасположенным предметам, исключить влияние температуры объекта контроля на измерительные датчики и т.п.

5. Информация о внутренней структуре, дефектах и геометрии содержится в большом числе параметров полезного СВЧ сигнала: амплитуде, фазе, коэффициенте

поляризации, частоте и т.д.

6.Применение радиоволн СВЧ диапазона обеспечивает весьма малую инерционность контроля, позволяя наблюдать и анализировать быстропротекающие процессы.

7. Аппаратура диапазона СВЧ может быть выполнена достаточно компактной и удобной в эксплуатации.

8. При использовании резонансных радиоволновыхСВЧ методов имеется возможность многопараметрового контроля геометрии, состава и структуры материалов в «здоровой» и «дефектной» зонах.

Преимущественная область применения методов и техники СВЧ – это измерение геометрических размеров изделий из диэлектрических, композитных, ферритовых и полупроводниковых материалов.

Рис. 2. Схема поиска дефектов ультразвуковым дефектоскопом в сварном

шве с подкладкой:

1 – начальный импульс; 2 – стробирующий импульс;

3 – эхо-сигнал от дефекта (трещины); 4 – сигналы от подкладки.

Рис. 1.7. Схема контроля многослойных конструкций акустическим

импедансным методом:

1 – хвостовой отсек лопасти несущего винта вертолета;

2 – зона отслоения обшивки; 3 – обшивка; 4 – сотовый заполнитель;

5 – клеевой слой; 6 – преобразователь с сигнальной лампочкой;

7 – стрелочный индикатор дефектоскопа;

F P – сила реакции изделия на преобразователь.

Методы теплового вида неразрушающего контроля.

РЕЗУЛЬТАТ ПАТЕНТНОГО ПОИСКА

Был произведен патентный поиск глубиной 14 лет по материалам патентов России. Источником служил основной индекс МПК. В результате поиска был найден следующий патент:

Устройство для измерения параметров диэлектриков.

Регистрационный номер заявки: 2066457.

Дата публикации: 10.09.1996.

Страна публикации: Россия.

Основной индекс МПК: G01R27/26.

Использование: техника измерений СВЧ параметров материалов и антенных обтекателей.

Сущность изобретения: в устройстве, для измерения параметров диэлектриков вдоль всей образующей антенного обтекателя, достигается высокая точность измерений за счет выполнения приемо-передающей антенны в виде зеркальной двухфокусной антенны, согласованной со свободным пространством использования модулированного отражателя, содержащего модулирующий диод и диафрагму малых размеров, и поглотитель, размещенного внутри исследуемого антенного обтекателя в любой его части.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

В диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) применяются разнообразные по своему назначению и принципу действия приборы, предназначенные для народного хозяйства, военного дела и научных исследований. Существует ряд устройств СВЧ, в которых применяются диэлектрические материалы. Примером таких устройств являются:

· антенные обтекатели и антенные окна летательных аппаратов авиационной, ракетной и космической техники;

· СВЧ антенны (линзовые, диэлектрические, поверхностных волн и т.п.);

· герметизирующие окна, оболочки малых размеров, вставки, заглушки в каналах ненаправленных излучателей;

· генераторные устройства, устройства управления электромагнитным полем, фазовращатели, ограничители мощности, неотражающие нагрузки;

· индикаторные антенны, зонды, контактные индикаторы комплексов для различных физических исследований.

Необходимым применяемым методом обеспечения качества диэлектрических изделий является их радиоволновый контроль (РВК). По условиям дипломного проекта контроль параметров радиопрозрачных образцов (стенок) должен осуществляться при одностороннем подходе, из-за невозможности размещения приемной антенной системы позади исследуемого образца. В связи с этим, одной из задач дипломного проекта является выбор метода РВК и схемы элементной базы. Также, основываясь на выбранном методе, необходимо разработать структурную и принципиальную электрическую схемы, провести конструктивно-электрический расчет основных функциональных устройств СВЧ тракта.

Основной целью дипломного проекта является разработка конструкции СВЧ модулирующей отражающей части устройства с целью минимизации погрешностей контроля в сравнении с существующими методами.

МЕТОДЫ РАДИОВОЛНОВОГО КОНТРОЛЯ НА СВЧ

Общие сведения о радиоволновом контроле

Радиоволновый контроль - это определение методами и средствами измерительной техники на сверхвысоких частотах фактических характеристик и параметров объекта контроля. Получаемая при этом информация дает возможность объективно судить о фактическом состоянии исследуемых изделий и материалов.

Физической основой радиоволнового контроля на СВЧ является взаимодействие электромагнитных волн диапазона СВЧ с объектом контроля. Поэтому возможности и ограничения РВК зависят от вида и относительной интенсивности такого взаимодействия, которое может быть установлено экспериментально методами и средствами измерений на СВЧ.

Все измерения на СВЧ при РВК - это косвенные измерения, так как характеристики и параметры объекта контроля определяются путем соответствующих дополнительных вычислений через измеряемые радиотехнические характеристики электромагнитного поля или радиоволны.

Радиоволновые методы основаны на использовании взаимодействия радиоизлучений с материалами контролируемыми изделиями. Это взаимодействие может носить характер взаимодействия только падающей волны (процессы поглощения, дифракции, отражения, преломления), относящиеся к классу радиооптических процессов или взаимодействия падающей и отраженной волн (интерференционные процессы). Диапазон длин волн, используемых в РВК, составляет 1…100 мм (в вакууме), что соответствует частотам 300…3 ГГц.

Отдельные устройства радиоволнового контроля могут работать на частотах f, выходящих за пределы этого диапазона, однако чаще всего для неразрушающего контроля используют трехсантиметровый диапазон (fср? 10 ГГц) и восьмимиллиметровый диапазон (fср? 35 ГГц). Эти два диапазона наиболее освоенные и обеспеченные хорошим набором элементов и измерительной аппаратурой.

Особенности радиоволн СВЧ диапазона:

· СВЧ диапазон обеспечен большим перепадом мощностей генерируемых волн, что позволяет контролировать материалы и среды различной степени прозрачности;

· радиоволны СВЧ могут быть генерированы в виде когерентных поляризованных гармонических колебаний (волн), а это дает возможность обеспечивать высокую чувствительность и точность контроля, используя интерференционные явления, возникающие при взаимодействии когерентных волн с диэлектрическим слоем;

· с помощью радиоволн СВЧ можно осуществить бесконтактный контроль качества при одностороннем расположении аппаратуры по отношению к объекту;

· радиоволны СВЧ могут быть остро сфокусированы, что позволяет обеспечить локальность контроля, минимальный краевой эффект, помехоустойчивость по отношению к близко расположенным предметам, исключить влияние температуры объекта контроля на измерительные датчики;

· информация о внутренней структуре, дефектах и геометрии содержится в большом числе параметров СВЧ зондирующего сигнала: амплитуде, фазе, коэффициенте поляризации, частоте;

· применение радиоволн СВЧ обеспечивает весьма малую инерционность контроля, что позволяет наблюдать и анализировать быстропротекающие процессы;

· аппаратура СВЧ диапазона может быть выполнена достаточно компактной и удобной в эксплуатации.

С точки зрения теоретической электродинамики задача контроля сред методами СВЧ может быть сформулирована в виде граничной задачи во взаимодействии конкретных типов электромагнитных волн определенного вида поляризации с ограниченными или полуограниченными в пространстве объемами этих сред, имеющими разнообразные геометрические формы, свойства поверхности и диэлектрические свойства, изменяющиеся при изменении структуры сред. Результаты взаимодействия зависят от геометрии объектов контроля от значений их диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, которые, в свою очередь, определяются кристаллической структурой, степенью однородности, влагосодержанием материала объекта контроля и др .

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский государственный университет информатики и

радиоэлектроники

кафедра РЭС

«Радиоволновые, радиационные методы контроля РЭСИ. Методы электронной микроскопии»

МИНСК, 2008

Радиоволновый метод

Радиоволновые методы основаны на взаимодействии электромагнитного поля в диапазоне длин волн от 1 до 100 мм с объектом контроля, преобразовании параметров поля в параметры электрического сигнала и передаче на регистри­рующий прибор или средства обработки информации.

По первичному информативному параметру различают следующие СВЧ-методы: амплитудный, фазовый, амплитудно-фазовый, геометрический, времен­ной, спектральный, поляризационный, голографический. Область применения СВЧ-методов радиоволнового вида неразрушающего контроля приведен в таблице 1 и в ГОСТ 23480-79.

Радиоволновые методы неразрушающего контроля

Название метода

Область применения

Факторы, огра­ничивающие область приме­нения

Контролируе­мые параметры

Чувствитель­ность

По­греш­ность

Ампли- тудный

Толщинометрия полуфабрикатов, изделий из радиопрозрачных материалов

Сложная кон­фигурация. Из­менение зазора между антеной преобразователя и поверхностью конт-роля.

Толщина до 100 мм

1 – 3 мм

5%

Дефектоскопия полуфабрикатов, изделий и конст­рукций из ди­электрика

Дефекты: тре­щины, рас­слоения, недопрес-совки

Трещины бо­лее 0,1 – 1 мм

Фазовый

Толщинометрия листовых мате­риалов и полу­фабрикатов, слоистых изделий и конструкций из диэлектрика.

Волнистость профиля или поверхности объекта контро­ля при шаге менее 10L. От­стройка от влияния ампли­туды сигнала

Толщина до 0,5 мм

5 – 3 мм

1%

Контроль «элек­трической» (фа­зовой) толщины

Толщина до 0,5 мм

0,1 мм

Ампли-тудно -фазовый

Толщинометрия материалов, по­луфабрикатов, изделий и конст­рукций из ди­электриков, кон­троль изменения толщины.

Неоднознач­ность отсчета при изменении толщины более 0,5А,Е Измене­ние диэлектри­ческих свойств материала объек-тов контроля величиной бо­лее 2%. Толщи­на более 50 мм.

Толщина 0 –

0,05 мм

±0,1 мм

Ампли-тудно -фазовый

Дефектоскопия слоистых мате­риалов и изделий из диэлектрика и полупроводника толщиной до 50 мм

Изменение за­зора между ан­тенной преобра­зователя и по­верхностью объ­екта контроля.

Расслоения, включения, трещины, из­менения плот­ности, нерав­номер-ное рас­пре-деление составных компонентов

Включения порядка 0,05А,Е. Трещины с раскрывом порядка 0,05 мм.Разноплот-ность порядка 0,05 г/см3

Геомет­рический

Толщинометря изделий и конст­рукций из ди­электриков: кон­троль абсолют­ных значений толщины, оста­точной толщины

Сложная кон­фигурация объ­ектов контроля; непараллель­ность поверхно­стей. Толщина более 500 мм

Толщина 0 -500 мм

1,0 мм

Дефектоскопия полуфабрикатов и изделий: контроль раковин, расслоений, инородных включений в изделиях из диэлектриче­ских материалов

Сложная кон­фигурация объ­ектов контроля

1,0 мм

1 –3%

Времен-

Толщинометрия конструкций и сред, являющих­ся диэлектрика­ми

Наличие «мерт­вой» зоны. На-носекундная техника. При-

Толщина более 500 мм

5-10 мм

5%

ной

Дефектоскопия сред из диэлек­триков

менение генера­торов мощно­стью более 100 мВт

Определение глубины зале­гания дефек­тов в пределах до 500 мм

5 - 10 мм

5%

Спек­тральный

Дефектоскопия полуфабрикатов и изделий из ра­диопрозрачных материалов

Стабильность частоты генера­тора более 10 -6 . Наличие источ­ника магнитно­го поля. Слож­ность создания чувствительного тракта в диапа­зоне перестрой­ки частоты бо­лее 10%

Изменения в структуре и физико-химических свойствах ма­териалов объ­ектов контро­ля, включения

Микродефек­ты и микронеоднород-ности значительно меньшие рабо­чей длины волны.

-

1

2

3

4

5

6

Поляри­зацион­ный

Дефектоскопия полуфабрикатов, изделий и конст­рукций из ди­электрических материалов.

Сложная кон­фигурация. Толщина более 100 мм.

Дефекты структуры и технологии, вызывающие анизотропию свойств мате­риалов (анизо­тропия, меха­нические и термические напряжения, технологиче­ские наруше­ния упорядо­ченности структуры)

Дефекты пло­щадью более 0,5 – 1,0 см 2 .

Гологра-фичес-кий

Дефектоскопия полуфабрикатов, изделий и конст­рукций из ди­электрических и полупроводнико­вых материалов с созданием ви­димого (объемно­го) изображения

Стабильность частоты генера­тора более 10 -6 . Сложность соз­дания опорного пучка или поля с равномерны­ми амплитудно -фазовыми ха­рактеристика­ми. Сложность и высокая стоимость ап­паратуры.

Включения, расслоения, разнотолщин-ность. Изме­нения формы объектов.

Трещины с раскрывом 0,05 мм

Примечание: λ – длина волны в контролируемом объект; L – размер раскрыва ан­тенны в направлении волнистости.

Необходимым условием применения СВЧ-методов является соблюдение сле­дующих требований:

Отношение наименьшего размера (кроме толщины) контролируемого объекта к наибольшему размеру раскрыва антенны преобразователя должно быть не ме­нее единицы;

Наименьший размер минимально выявляемых дефектов должен не менее чем в три раза превышать величину шероховатости поверхности контролируе­мых объектов;

Резонансные частоты спектра отраженного (рассеянного) излучения или напряженности магнитных полей материалов объекта и дефекта должны иметь различие, определяемое выбором конкретных типов регистрирующих устройств.

Варианты схем расположения антенн преобразователя по отношению к объек­ту контроля приведены в таблице 1.

Методы этого вида контроля позволяют определять толщину и обнару­жить внутренние и поверхностные дефекты в изделиях преимущественно из неметаллических материалов. Радиоволновая дефектоскопия дает возмож­ность с высокой точностью и производительностью измерять толщину диэ­лектрических покрытий на металлической подложке. В этом случае ампли­туда зондирующего сигнала представляет собой основной информационный параметр. Амплитуда проходящего через материал излучения уменьшается из-за многих причин, в том числе из-за наличия дефектов. Кроме этого, изменяются длина волны и ее фаза.

Существуют три группы методов радиоволновой дефектоскопии: на прохож­дение, отражение и на рассеяние.

Аппаратура радиоволнового метода обычно содержит генератор, работаю­щий в непрерывном или импульсном режиме, рупорные антенны, предназна­ченные для ввода энергии в изделие и прием прошедший или отраженной вол­ны, усилитель принятых сигналов и устройства для выработки командных сиг­налов, управляющих различного рода механизмами.

При контроле фольгированных диэлектриков производят сканирование поверх­ности проверяемого образца направленным пучком микроволн с длиной волны 2 мм.

В зависимости от информационно используемого параметра микроволн де­фектоскопы подразделяют на фазовые, амплитудно-фазовые, геометрические, поляризационные.

Изменение относительно амплитуды волны отсчитывается на эталонном из­делии. Амплитудные дефектоскопы наиболее просты с точки зрения настройки и эксплуатации, но их применяют только для обнаружения достаточно больших дефектов, значительно влияющих на уровень принятого сигнала.

Амплитудно-фазовые дефектоскопы позволяют обнаруживать дефекты, из­меняющие как амплитуду волны, так и ее фазу. Такие дефектоскопы способны давать достаточно полную информацию, например, о качестве заготовок фоль­гированных диэлектриков, предназначенных для изготовления отдельных слоев многослойных печатных плат.

В поляризационных дефектоскопах фиксируют изменение плоскости поля­ризации волны при ее взаимодействии с различными неоднородностями. Эти дефектоскопы могут быть использованы для обнаружения скрытых дефектов в самих различных материалах, например, для исследования диэлектрической ани­зотропии и внутренних напряжений в диэлектрических материалах.

Радиационные методы

Под радиационными методами неразрушающего контроля понимается вид не­разрушающего контроля, основанный на регистрации и анализе проникающего ионизирующего излучения после взаимодействия с контролируемым объектом. В основе радиационных методов лежит получение дефектоскопичес­кой информации об объекте с помощью ионизирующего излучения, прохожде­ние которого через вещество сопровождается ионизацией атомов и молекул сре­ды. Результаты контроля определяются природой и свойствами используемого ионизирующего излучения, физико-химическими характеристиками контроли­руемых изделий, типом и свойствами детектора (регистратора), технологией кон­троля и квалификацией дефектоскопистов.

Радиационные методы неразрушающего контроля предназначены для обна­ружения микроскопических нарушений сплошности материала контролируемых объектов, возникающих при их изготовлении (трещины, овалы, включения, ра­ковины и др.)

Классификация радиационных МНК представлена на рис1.

Методы электронной микроскопии (ЭМ)

Электронная микроскопия основывается на взаимодействии электронов с энер­гиями 0,5 - 50 кэВ с веществом, при этом они претерпевают упругие и неупру­гие столкновения.

Рассмотрим основные способы использования электронов при контроле тон­копленочных структур (см. рис.2)

Таблица 1 –

Схемы расположения антенн преобразователей по отношению к объекту контроля.

Схема расположения антенн преобра­зователя	Возможный метод контроля	Примечание
1	2	3
	Амплитудный, спек­тральный, поляриза­ционный	-
	Фазовый, амплитуд­но-фазовый, вре­менной, спектраль­ный	-
	Амплитудный, гео­метрический, спек­тральный, поляриза­ционный	-
	Фазовый, амплитуд­но-фазовый, гео­метрический, вре­менной, спектраль­ный	-
	Амплитудный, спек­тральный, поляриза­ционный.	-
	Амплитудный, поля­ризационный, голо-графический.	В качестве прием­ной используется моноэлементная антенна.
	Амплитудный, голо-графический.	В качестве прием­ной используется многоэлементная антенна.
	Амплитудный, ам­плитудно-фазовый, временной, поляри­зационный	-
	Амплитудный, фазо­вый, амплитудно-фазовый, спектраль­ный.	Функции пере­дающей (излу­чающей) и при- емнои антенн со­вмещены в одной антенне.

Обозначения: - антенна преобразователя;

Нагрузка.

1 – СВЧ-генератор; 2 – объект контроля; 3 – СВЧ-приемник; 4 – линза для создания (квази) плоского фронта волны; 5 – линза для формирования радио-изображения; 6 – опорное (эталонное) плечо мостовых схем.

Примечание: допускается применение комбинаций схем расположения антенн преобра­зователя по отношению к объекту контроля.

Растровая электронная микроскопия (РЭМ). Сфокусированный пучок элект­ронов 1 (рис. 2) диаметром 2-10 нм с помощью отклоняющей системы 2 перемещается по поверхности образца, (либо диэлектрической пленки З1, либо полупроводника З-11.) Синхронно с этим пучком электронный пучок перемеща­ется по экрану электронно-лучевой трубки. Интенсивность электронного луча моделируется сигналом, поступающим с образца. Строчная и кадровая разверт­ка пучка электронов позволяют наблюдать на экране ЭЛТ определенную пло­щадь исследуемого образца. В качестве модулирующего сигнала можно исполь­зовать вторичные и отражательные электроны.

Рисунок 1 – Классификация радиационных методов

Рисунок 2 – Режимы работы растровой электронной микроскопии

а) контраст в прошедших электронах; б) контраст во вторичных и отраженных электронах; в) контраст в наведенном токе (З11 - ус­ловно вынесен за пределы прибора). 1 – сфокусированный луч; 2 – отклоняющая система; 3 – объект исследования - диэлектричес­кая пленка; 4 - детектор вторичных и отраженных электронов; 5 -усилитель; 6 - генератор развертки; 7 - ЭЛТ; 8 - сетка детектора; 9 -отраженные электроны; 10 - вторичные электроны.

Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) основана на поглоще­нии, дифракции электронов взаимодействия с атомами вещества. При этом про­шедший через пленку сигнал снимается с сопротивления, включаемого после­довательно с образцом З1. Для получения изображения на экране используются мощные линзы, располагаемые за образцом. Стороны образца должны быть плос­копараллельными, чистыми. Толщина образца должна быть много меньше дли­ны свободного пробега электронов и должна составлять 10.. 100 нм.

ПЭМ позволяет определить: формы и размеры дислокаций, толщину образцов и профиль пленок. В настоящее время существуют ПЭ микроскопы до 3 МэВ.

Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ).

Изображение формируется как за счет вторичных электронов, так и за счет отраженных электронов (рис. 2). Вторичные электроны позволяют определить химический состав образца, а отраженные – морфологию его поверхности. При подаче отрицательного потенциала - 50 В происходит запирание малоэнергетичных вторичных электронов и изображение на экране становится контрастным, поскольку грани, расположенные под отрицательным углом к детектору, не про­сматриваются вообще. Если на сетку детектора подать положительный потенци­ал (+250 В), то вторичные электроны собираются с поверхности всего образца, что смягчает контрастность изображения. Метод позволяет получить информа­цию о:

Топологии исследуемой поверхности;

Геометрическом рельефе;

Структуре исследуемой поверхности;

Коэффициенте вторичной эмиссии;

Об изменении проводимости;

О местоположении и высоте потенциальных барьеров;

О распределении потенциала по поверхности и в поверхности (за счет заряда по поверхности при облучении электронами) при попадании сканирующего луча на поверхность полупроводниковых приборов в ней наводятся токи и напряжения, которые изменяют траектории вторичных электронов. Элементы ИМС с положительным потенциалом по сравнению с участками, имеющими более низкий потенциал, выглядят темными. Это обуславливается наличием замедляющих по­ лей над участками образца с положительным потенциалом, которые приводят к уменьшению сигнала вторичных электронов. Потенциально-контрастные измерения дают только качественные результаты из-за того, что замедляющие поля зависят не только от геометрии и напряжения пятна, но и от распределения напряжения по всей поверхности образца;

Большого разброса скоростей вторичных электронов;

Потенциальный контраст накладывается на топографический и на кон­ траст, связанный с неоднородностью состава материала образца.

Режим наведенного (индуцированного электронно-лучевого тока).

Электронный луч с большой энергией фокусируется на маленькой площади микросхемы и проникает через несколько слоев ее структуры, в результате в полупроводнике генерируются электронно-дырочные пары. Схема включения образца представлена на (рис.2, в). При соответствующих внешних напряжениях, приложенных к ИМС, измеряются токи обусловленные вновь рожденны­ми носителями заряда. Этот метод позволяет:

Определить периметр р-n перехода. Форма периметра оказывает влияние на пробивные напряжения и токи утечки. Первичный электронный луч (2) (рис. 3 и 4) движется по поверхности образца (1) в направлениях х, и в зависимости от направления перемещения меняется значение индуцированного тока в р-n переходе. По фотографиям р-n перехода можно определить искажения периметра р-n перехода (рис.5).

Определить места локального пробоя р-n перехода. При образовании локального пробоя р-n перехода в месте пробоя образуется лавинное умножение носителей тока (рис.6) Если первичный пучок электронов (1) попадает в эту область (3), то генерированные первичными электронами электронно-дырочные пары также умножаются в р-n переходе, в результате чего в данной точке будет зафиксировано увеличение сигнала и соответственно появление светлого пятна на изображении. Изменяя обратное смещение на р-n переходе, можно выявить момент образования пробоя, а проведя выявление структурных дефектов например с помощью селективного травления или с ПЭМ, можно сопоставить область пробоя с тем или иным дефектом.

Рисунок 3 – Схема прохождения электронного луча

Рисунок 4 – Изображение торцевого р-п-перехода с целью

определения его периметра

1 – торцевой р-n переход; 2 – электронный луч;

3 – область генерации электронно-дырочных пар.

Рисунок 4 – Изображение планарного р-п-перехода с целью

определения его периметра

1 - планарный р-n переход; 2 - электронный луч;

3 - область генерации электронно-дырочных пар.

Рисунок 5 – Искажения периметра планарного p-n-перехода сверху

Наблюдать дефекты. Если в области р-n перехода находится дефект (4) (рис. 6), то при попадании первичного пучка электронов в область дефекта некоторая часть генерированных пар рекомбинирует на дефекте, и соответственно до границы р-n перехода дойдет меньшее число носителей, что уменьшит ток во внешней цепи. На фотографии р-n перехода эта область будет выглядеть более темной, чем остальной фон. Изменяя соотношение между глубиной залегания р-n перехода и проникновением первичных электронов можно зондировать элек­трическую активность дефектов, располагающихся на разной глубине. Наблю­дение дефектов можно проводить при обратных и прямых смещениях р-n пере­хода.

Электронная оже-спектроскопия (ЭОС).

Она состоит в получении и анализе спектра электронов, испускаемых атома­ми поверхностей при воздействии на него электронным лучом. Такие спектры несут информацию:

О химическом (элементном) составе и состоянии атомов поверхностных слоев;

О кристаллической структуре вещества;

О распределении примесей по поверхности и диффузионных слоях; Установка для оже-спектроскопии состоит из электронной пушки, энергоанализатора оже-электронов регистрирующей аппаратуры и вакуумной системы.

Рисунок 6 – Изображение планарного p-n-перехода с целью определения про­боя и выявления дефекта.

1 – эелектронный луч; 2 – планарный р-п-переход; 3 – металлическая примесь; 4 – дефект.

Электронная пушка обеспечивает фокусировку электрического пучка на об­разце и его сканирование. Диаметр пучка в установках с локальным оже-анализом составляет 0,07... 1 мкм. Энергия первичных электронов изменяется преде­лах 0,5... 30 кэВ. В установках оже-спектроскопии обычно в качестве энергоана­лизатора употребляется анализатор типа цилиндрического зеркала.

Регистрирующее устройство с помощью двухкоординатного самописца фик­сирует зависимость , где: N – число электронов, попадающих на коллек­тор;

Е к – кинетическая энергия оже-электронов.

Вакуумная система установки ЭОС должна обеспечивать давление не более 10 7 – 10 8 Па. При худшем вакууме остаточные газы взаимодействуют с поверх­ностью образца и искажают анализ.

Из отечественных установок ЭОС следует отметить растровый оже-спекто-рометр 09 ИОС - 10 - 005 Оже-локальностью в растровом режиме 10 мкм.

На (рис. 7) показан оже-спектр загрязненной поверхности GaAs из кото­рого видно, что наряду с основными спектрами GaAs, в пленке присутствуют примесные атомы S, О и С. Регистрируя значения энергий оже-электронов, эмитируемыми атомами при их возбуждении и сравнивая эти значения с табу­лированными, определяют химическую природу атомов, из которых эти элект­роны были эмитированы.

Рисунок 7 – Оже-спектр загрязненной поверхности GaAs

Примечание: метод получил свое название по имени французского физика Пьера Оже, который в 1925 г. открыл эффект испускания электронов атомами вещества в результате возбуждения их внут­реннего уровня рентгеновскими квантами. Эти электроны получили название оже-электронов.

Эмиссионная электронная микроскопия (ЭЭМ).

При специальных условиях поверхность образца может испускать электро­ны, т.е. являться катодом: при приложении сильного электрического поля к поверхности (автоэлектронная эмиссия) или под действием бомбардировки по­верхности частицами.

В эмиссионном микроскопе показанном на рис. 8, поверхность образца является электродом системы, образующей с анодом электронную линзу.

Применение ЭЭМ возможно для материалов, которые имеют малую работу выхода. Исследуемое изделие является как бы составной частью электронно-оптической системы ЭЭМ, и в этом его принципиальное отличие от РЭМ.

ЭЭМ используют для визуализации микрополей. Если р-п-переход (1) (рис. 9) поместить в однородное электрическое поле (2) и подать на него запираю­щее напряжение, то поле, создаваемое р-п-переходом (3) (при больших токах утечки), будет искривлять линии основного поля.

Искривление линий позволяет определить распределение потенциала по по­верхности образца.

Электронно-отражательная спектроскопия (ЭОС).

В ЭОС поверхность наблюдаемого образца поддерживается при таком потен­циале, что все или большая часть облучающих электронов не попадают на по­верхность образца.

Принцип его работы показан на рис. 10. Коллимированный электронный луч направлен на поверхность образца перпендикулярно к ней. Электроны,

Рисунок 8 – Принцип работы эмиссионного микроскопа

Рисунок 9 – Визуализация p-n-перехода с помощью ЭЭМ

P-n-переход, включенный в обратном направлении;- электронные

траектории поля р-п-перехода.

Пролетевшие через последнюю апертуру линз, быстро замедляются и поворачи­ваются обратно в точке, определяемой потенциалом поверхности образца отно­сительно катода и напряженностью электрического поля на поверхности образ­ца. После поворота электроны вновь ускоряются, пролетая обратно через лин­зы, и увеличенное изображение проецируется на катодолюминесцентный эк­ран. Дополнительное увеличение можно получить, отделяя выходящий пучок от входящего в слабом магнитном поле и используя дополнительные увеличитель­ные линзы на пути выходящего пучка.

Контрастность в выходящем пучке определяется топологией поверхности и изменениями электрического потенциала и магнитных полей на ней.

Напряжение на образце

Рисунок 10 – Принцип работы электронного отражательного микроскопа

ЛИТЕРАТУРА

1. Глудкин О.П. Методы и устройства испытания РЭС и ЭВС. – М.: Высш. школа., 2001 – 335 с

2. Испытания радиоэлектронной, электронно-вычислительной аппаратуры и испытательное оборудование/ под ред. А.И.Коробова М.: Радио и связь, 2002 – 272 с.

3. Млицкий В.Д., Беглария В.Х., Дубицкий Л.Г. Испытание аппаратуры и средства измерений на воздействие внешних факторов. М.: Машиностроение, 2003 – 567 с

4. Национальная система сертификации Республики Беларусь. Мн.: Госстандарт, 2007

5. Федоров В., Сергеев Н., Кондрашин А. Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных средств – Техносфера, 2005. – 504с.