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.
Радиоволновой метод основан на зависимости прошедшего или отражённого радиоизлучения, от параметров и характеристик диэлектрических материалов (пластмасс, резины, стеклопластиков, термоизоляционных материалов, фанеры, зерна, песка и пр. материалов). В радиоволновом методе используется диапазон длин волн , который называется диапазоном сверх высоких частот. Электромагнитная волна представляет собой совокупность электрического Е и магнитного Н полей, распространяющихся в определённом направлении Z. В свободном пространстве электромагнитные волны поперечны, т.е. векторы Е и Н перпендикулярны направлению распространения.
Вектор Е определяет поляризацию электромагнитного поля (её амплитуду). Исходя из этого, волна может быть плоско поляризована (линейно поляризована), электрически поляризована, круговой поляризации (правой или левой поляризации, правая – по часовой стрелке, левая – против часовой стрелки). Напряжённость магнитного поля Н проверяется в её изменении по амплитуде в зависимости от магнитной проницаемости используемого материала. Н может меняться от нуля до максимального значения, что используется в методах электрического парамагнитного резонанса и в ядерных методах резонанса. Это позволяет исследовать слабые взаимодействия внутри вещества с применением этих методов.
Принципы построения радиоволновых
приборов неразрушающего контроля .
В радиоволновом методе используется диапазон длин волн от 1 до 1 мм, который называют диапазоном сверхвысоких частот (СВЧ). При прохождении сигнала через контролируемую среду, последняя влияет на его характеристики. Если контролируются диэлектрические материалы, то в качестве характеристик используют диэлектрическую постоянную и тангенс угла потерь ; при контроле полупроводниковых материалов оценивают диэлектрическую постоянную и магнитную проницаемость ; при контроле электропроводных материалов исследуют проводимость . Приборы радиоволнового контроля можно разделить на фазовые, амплитудно-фазовые, поляризационные, резонансные, спектральные, частотные, лучевые, преобразовательные. Все эти приборы основаны на использовании явлений отражения, прохождения, поглощения, преломления, поляризации и преобразования радиоволнового излучения. Для измерения степени влияния среды на сигнал применяются амплитудно-фазовые приборы. Схема прибора приведена на рисунке 1.
Приборы подобного типа содержат излучательную антенну 4 и приёмную антенну 6, источник генерации СВЧ1, вентиль 2, аттенюатор 3,7, с помощью которого можно ослабить излучение, детектор 8 и блок обработки и выдачи информации 9. После прохождения излучения через объект контроля 5 мощность сигнала будет оцениваться по формуле:
Мощность радиоизлучения, прошедшего через объект контроля ;
Площадь излучающей антенны 4;
Мощность излучающей антенны 4;
Коэффициенты прохождения радиоволны на границе раздела двух сред исследуемого материала и среды в которой он находится; , где
Длина излучающей антенны в поперечном сечении;
Расстояние от кромки излучающей антенны до поверхности испытуемого изделия 5;
Расстояние до кромки приёмной антенны от поверхности проверяемого изделия после прохождения радиоизлучения;
Толщина проверяемого изделия;
Коэффициенты отражения при падении радиоизлучения на поверхность изделия и при его выходе с поверхности изделия; , где
Волновое число;
Длина волны радиоизлучения.
Из выражения 1 видно, что при заданной мощности можно определить толщину контролируемого объекта или физические параметры . Для исключения переотражений необходимо согласовать границы с приёмной и излучающей антенной, т.е. расстояния . Радиоволновые приборы могут быть построены на принципе приёма отраженного от дефекта сигнала. Схема прибора показана на рис.2.
Принцип работы подобных приборов состоит в следующем: сигнал СВЧ генератора 1 через вентиль 2 и узел разделения 3 подаётся на излучающую антенну 4, отражённый от объекта 6 сигнал поступает в антенну 5, детектируется в элементе 7 и идентифицируется в системе 8. Особенностью приборов, основанных на приёме отражённых сигналов, является наличие связи (напряжённости электромагнитного поля радиоизлучения) между излучающей и приёмными антеннами. Эта связь реализуется за счёт части излучения антенны 4 и является опорным сигналом, с которым суммируются отражённые сигналы . Совокупность всех компонентов сигнала носит интерференционный характер, зависящий от соотношения между амплитудой и фазой отражённого сигнала и сигнала связи . Вид интерференционной картины зависит от отражённого сигнала, несущего информацию о внутренней структуре контролируемого объекта, т.е. зависит от . Радиоволновые поляризационные приборы основаны на зависимости поляризации электромагнитной волны, т.е. от ориентации вектора Е в пространстве по мере распространения её в контролируемой среде. По виду поляризации (плоская, круговая, электрическая) можно судить о внутренней структуре материала. Обычно прибор настраивают так, что при отсутствии внутренних дефектов в объекте, сигнал в приёмной антенне равен нулю. При наличии дефекта или структурной неоднородности меняется плоскость или вид поляризации излучаемого сигнала, и в приёмной антенне появляется сигнал, несущий информацию о дефектах.
В радиоволновых резонансных приборах состояние контролируемого объекта определяется по воздействию среды на добротность, смещение резонансной частоты или на распределение поля в резонаторе. На рисунке 1 представлен цилиндрический резонатор в виде схемы:
|
Обычно резонатор 1 циклической формы диаметра , возбуждается на волне . Испытуемый образец 2 диаметра помещается внутри резонатора. В этом случае имеет место смещение резонансной частоты. По величине смещения определяется однородность этого образца и его сплошность. В случае несплошности или какого-либо дефекта внутри испытуемого объекта смещение резонансной частоты увеличивается. Этим и определяется контроль испытуемого образца.
В случае (рис.1 б) возникают разнополяризованные радиоволны. Одни с правой поляризацией, другие – с левой. Если такой резонатор положить на образец, то при наличии дефектов в образце, произойдёт изменение в поляризации радиоволны, и появятся некоторые составляющие величины этой поляризации (на рисунке это показано, как ). Измеряя положение этого значения можно найти место расположения этого дефекта и его протяжённость.
Схема работы лучевых приборов
На рис.2а) показано прохождение радиолуча через образец. Обычно используется луч миллимитрового диапазона, и его прохождение подчиняется законам геометрической оптики. В итоге по величине отклонения определяют показатель преломления и этим находят характеристику среды. Если среда однородная, то луч преломляясь выходит с противоположной стороны изделия, если же среда неоднородная, то помимо преломления происходит и отражение радиолуча, как показано на рисунке 2б). В приборах этого типа фиксируется радиоизображение внутренних дефектов.
Радиоволновые толщиномеры .
Радиоволновые методы позволяют контролировать толщину диэлектрических материалов, слоёв диэлектриков на металле и металлических листах. Информация о толщине может содержаться в амплитуде, фазе, смещении резонансной линии и резонансной кривой. Наиболее важными параметрами объекта, влияющими на прошедший или отражённый сигнал является толщина и диэлектрическая проницаемость материала. Чем однороднее материал, тем точнее измеряется толщина. Коэффициенты отражения и прохождения радиоволны для плоского однородного слоя при нормальном падении представляют собой осциллирующие функции, убывающие при возрастании толщины и отношении , где - длина волны радиолуча.
Период этих функций определяется длиной волны и показателем преломления среды. А степень убывания – коэффициентом затухания волны. На рисунке 3 приведены графики коэффициентов отражения для двух диэлектриков.
Ряд 1 – гипсобетон (); ряд 2 – оргстекло (
)
Рис.4
Ряд 1 – среднее затухание 
; ряд 2 – малое затухание ; ряд 3 – большое затухание ; - угол потерь.
Видно, что период осцилляции коэффициента отражения обратнопропорционален диэлектрической проницаемости. Однозначная связь между коэффициентом прохождения и толщиной имеет место при большом затухании. Появление неоднозначности при малом затухании затрудняет применение толщинометров, основанных на прохождении волны. В качестве примера рассмотрим толщиномер для измерения толщины прокатываемого металлического листа.
Толщиномер для измерения толщины
прокатываемого металлического листа.
1- узел для обработки сигналов и выдачи их на индикацию и управление
2- генератор СВЧ 10 -линза
3- тройник 11- измеряемый объект
4- вентиль 12- линза
7- подстроенный закорачивающий плунжер 15 - закорачивающий плунжер
9- антенна излучающая (рупор) 17 – согласующая нагрузка
18 – вентиль
В приборах этого назначения имеет место зеркальное отражение электромагнитной волны от поверхности контролируемого объекта, при этом на самой поверхности устанавливается пучность тока и узел напряжения. При измерении толщины объекта меняется построенная картина поля, что отмечается прибором. Генерируемые сигналы СВЧ через тройник 3 и вентили 4 и 18 поступает на ответвление 8 и 14, а затем на рупорные антенны 9 и 13 с линзами 10 и 12. Сигналы, отражаясь от поверхности измеряемого объекта 11, образуют стоячие волны. Резонаторы отражённых волн настраивается в резонанс посредством короткозамкнутых плунжеров 7 и 15.
|
Радиоволновые влагомеры.
Методы измерения влажности материалов основаны на поглощении и рассеянии радиоволн молекулами воды в области СВЧ. Информативными параметрами являются амплитуда, фаза и угол поворота плоскости поляризации электромагнитной волны. Известно, что в области СВЧ имеет место резонансное поглощение. Кроме того диэлектрическая постоянная воды в указанной области частот меняется от 80 до 20, тогда как эта величина для других материалов лежит в пределах 2-9. Это обстоятельство позволяет использовать радиоволновый метод для устройства влагомеров разного назначения. На рисунке 6 приведены зависимости диэлектрических проницаемостей от частоты.
Ряд 1 – проницаемость , ряд 2 – проницаемость .
Для измерения соединения влаги используется амплитудный влагомер, который основан на ослаблении мощности прошедшего через объект сигнала, его схема приведена на рисунке 2. В области слабосвязанной влаги коэффициент прохождения сигнала пропорционален содержанию воды.
Амплитудный влагомер.
1- генератор СВЧ 9 – устройство управления преобразованиями
2- вентиль 10 – устройство индикации
3- тройник волноводный 11 - детектор
4- антенна излучающая 12 - плунжер закороченный
5- антенна приёмная 13 – усилитель
6- преобразователь
7- плунжер закороченный
8- детектор
Амплитудно-фазовый влагомер.
1- Генератор СВЧ 5 – антенна приёмная
2- Переменные преобразователи 6 – устройство согласования нагрузки
3- Тройник 7 – тройник волноводный
4- Антенна излучающая 8 – индикатор
9 – усилитель 10 – детектор
Прибор работает на принципе сравнения сигнала, прошедшего через влажный объект, и сигнала прошедшего по волноводному тракту. В волноводном тройнике 7 сигналы сравнивают по амплитуде и фазе. Разностный сигнал после усилению индицируется в устройстве 8.
Радиоволновые дефектоскопы.
Эти приборы применяются для контроля трещин, воздушных включений, инородных включений, неоднородностей, дефектов склеивания и т.д. в диэлектрических материалах. Радиоволновые дефектоскопы строятся на принципе пропускания или отражения волны, которая несёт информацию о толщине слоёв и показателе преломления, т.е. о физических параметрах слоёв (плотность, пористость, влажность, состав и т.д.) на рисунке 9 в качестве примера приведены схема дефектоскопа с механическим сканированием.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Введение
Одной из важнейших проблем трубопроводного транспорта является сохранение нормального состояния линейной части промысловых и магистральных трубопроводов. Подземные трубопроводы, работающие при нормальных режимах, сохраняются, по крайней мере, несколько десятков лет. Так, например, в США некоторые трубопроводы, проработавшие около двадцати лет, полностью сохранились и не требуют ремонта. Этому способствовало то большое внимание, которое уделяется систематическому контролю состояния подземных и надземных трубопроводов и своевременная ликвидация появляющихся дефектов.
Как правило, большинство дефектов на трубопроводах появляются в результате коррозионных и механических повреждений, определение места и характера которых связаны с рядом трудностей и большими материальными затратами. Совершенно очевидно, что вскрытие трубопровода для его непосредственного визуального обследования экономически неоправданно. К тому же обследовать можно только внешнюю поверхность трубопровода. Поэтому в течение последних лет в нашей стране и за рубежом усилие специализированных научно-исследовательских и проектных организаций направлено на решение проблемы определения состояния подземных и надземных промысловых, магистральных нефтепродуктопроводов без их вскрытия. Эта проблема связана с большими техническими трудностями, однако при использовании современных методов и средств измерительной техники она успешно решается.
В работе мы рассмотрим один из методов, который обеспечивает выявление дефектов.
1. Особенности радиоволнового метода
Радиоволновой неразрушающий контроль основан на регистрации изменения параметров электромагнитных колебаний СВЧ, взаимодействующих с объектом исследования. Диапазон длин волн, преимущественно используемый в радиоволновом контроле, ограничен 1 - 100 мм. Более освоены и обеспечены измерительной аппаратурой 3-см и 8-мм поддиапазоны.
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. Вполне естественно, что в разработанной теории были учтены результаты, полученные в радиосвязи для волновых систем с распределенными параметрами (длинных линий, волноводов и др.) импедансным методом, в котором радиоволновой тракт «источник излучения - объект контроля - приемник излучения» заменяется моделью в виде длинной линии. При этом канал распространения колебаний СВЧ (двухпроводные линии, волноводы, свободное пространство) характеризуют волновым сопротивлением. Для идеального диэлектрика оно вещественно при е r =1 равно z 0 =377 Ом.
Отношение г/(ще a )=tgд называют тангенсом угла диэлектрических потерь и относят к важнейшим параметрам диэлектриков. Здесь г - удельная электрическая проводимость; щ - угловая частота. На одной частоте (tgд < 0,01) материал может считаться диэлектриком, на другой (tgд > 100) - проводником. При расчетах к идеальным диэлектрикам относят материалы, для которых tgд < 0,01. На частотах, меньших 9x10 6 Гц, морскую воду относят к классу диэлектриков; на частотах, больших 9x10 10 Гц, - к классу проводников. В промежуточной области 0,001 < tgд < 100 материал называют несовершенным диэлектриком, характеризующимся комплексной диэлектрической проницаемостью и комплексным волновым сопротивлением.
Для проводников мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости велика по сравнению с вещественной частью: е">>е a и волновое сопротивление определяется выражением z c будет равно квадратному корню из отношения (щм a) / г. С ростом частоты, z c увеличивается и, волны не могут глубоко проникать в проводник. Явление экранирования наружными слоями материала глубинных слоев от проникновения поля называют скин-эффектом. Он характеризуется глубиной проникновения плоской волны, на которой напряженность полей Е и Н уменьшается в е раз.
Скорость распространения электромагнитной волны в несовершенном диэлектрике зависит от частоты так как е"=г /щ. Величина v характеризует скорость перемещения точек, сохраняющих одну и ту же фазу волны. Зависимость v=f(щ) называют дисперсией. Через скорость находится длина волны л=vT v .
При переходе электромагнитной волны из одной среды в другую по нормали к граничной поверхности формируется отраженная волна. При наложении обеих волн образуется стоячая волна, характеризуемая коэффициентом стоячей волны по напряжению k стU = E max / E min или коэффициентом бегущей волны по напряжению k дu = l / k стU . Максимумы стоячей волны получаются там, где действующие значения напряженности падающей и отраженной волн складываются, а минимумы - там, где они вычитаются.
Параметры проводящих материалов на частоте 10 10 Гц
Приведенные формулы указывают на возможность получить требуемый результат, основываясь на законах геометрической оптики или теории длинных линий. При применении второго подхода для расчета параметров сигналов СВЧ реальную систему «источник излучения - объект контроля - приемник» заменяют моделью в виде длинной линии с такими же волновыми сопротивлениями и размерами, как в реальной системе. Вариант построения такой модели показан ниже. Электромагнитные параметры слоев изделия (е i , м i , г i) учитываются через комплексные волновые сопротивления Z i отрезков длинной линии. Входное сопротивление приемника и выходное сопротивление источника излучения (генератора) учитываются волновыми сопротивлениями Z п и Z г.
Дефект в виде расслоения заменяется в модели плоскопараллельным слоем такой же толщины, как дефект. Амплитуда сигнала от дефекта уменьшается пропорционально площади, занимаемой дефектом относительно площади контролируемой зоны.
Соизмеримость длины волны излучения СВЧ с размерами элементов радиоволнового тракта обусловливает сложный характер электромагнитного поля в системе контроля. По этой причине методика оценки сигналов в системе имеет характерную особенность. Если расстояние между границами различных однородных сред, составляющих исследуемый объект, превышает длину волны в материале, компоненты электромагнитной волны оценивают на основе законов геометрической оптики.
В противном случае предпочтительнее применение импедансного метода. В обоих случаях получаемые оценки сигналов в системе приближенные и не исключено появление больших ошибок. Поэтому рекомендуется пользоваться расчетным методом для определения относительных значений величин - изменения амплитуд сигналов при малых изменениях параметров исследуемого предмета или условий контроля. Что касается абсолютных значений сигналов, их следует оценивать экспериментально.
Коротко остановимся на методах и средствах радиоволнового контроля. 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. Для выделения этой информации в аппаратуру контроля вводят опорное плечо «источник - приемник излучения» и схему сравнения сигналов от объекта контроля с опорным.
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.
Радиоволновой контроль по прошедшему излучению позволяет обнаружить дефекты изделия, если их параметры м a и е a значительно отличаются от аналогичных параметров основного материала, а размеры соизмеримы или превышают длину волны зондирующего излучения. В простейшем варианте такого контроля в приемном тракте поддерживают режим бегущей волны. 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.
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.
радиоволновой контроль неразрушающий дефектоскопия
2. Источники и приемники радиоволнового излучения СВЧ
Колебания СВЧ могут быть получены с помощью генераторов магнетронного типа, ламп обратной волны, отражательных клистронов, квантово-механических генераторов и полупроводниковых приборов. Наибольшее применение находят клистроны, затем следуют магнетроны, лампы обратной волны и полупроводниковые генераторы.
Отражательные клистроны широко применяют в качестве задающих генераторов в радиолокационных станциях, в усилительных цепочках маломощных передатчиков, в радиорелейных линиях связи, маломощных генераторах СВЧ непрерывного или импульсного излучения в передающих устройствах малого радиуса действия (радиодальномеры, радиомаяки, ответчики), а также как маломощные генераторы в измерительной и малогабаритной аппаратуре благодаря ряду преимуществ перед другими маломощными генераторами СВЧ. Это, в частности, низкий уровень флюктуационных шумов, простота эксплуатации и высокая надежность при изменении в широких пределах условий эксплуатации. Выпускаемые отражательные клистроны малой мощности (до 100 мВт) перекрывают широкий диапазон длин волн, вплоть до субмиллиметровых. Некоторые типы клистронов требуют принудительного воздушного охлаждения, особенно предназначенные для работы в коротковолновой части миллиметрового диапазона, когда принципиально трудно повысить их кпд. К сожалению, тепловые уходы частоты преобладают над всеми другими и присущи любому типу генераторов СВЧ.
Магнетронные генераторы охватывают широкий диапазон частот и обеспечивают большой диапазон мощностей в импульсе: от единиц ватт до десятков мегаватт. Они находят широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре в качестве задающих генераторов, источников мощности СВЧ и т.д. Однако в последнее время намечается отказ от их широкого использования вследствие большой нестабильности генерируемой частоты и тепловых уходов частоты. Кроме того, наличие постоянных магнитов увеличивает массу магнетронов, для питания требуются высокое напряжение и интенсивное охлаждение (путем обдува) резонатора.
Лампы обратной волны (ЛОВ) относятся к классу широкодиапазонных генераторов колебаний СВЧ с электронной перестройкой частоты. Выпускается большое число типов ЛОВ, перекрывающих диапазон волн от 60 см до десятых долей миллиметра. Для фокусировки электронного луча в ЛОВ в основном применяют постоянные магниты трубчатой формы. Такие ЛОВ выпускаются в виде пакетированной конструкции, в которой объединены корпус ЛОВ, постоянный магнит и юстирующее приспособление. Поэтому нормальная работа ЛОВ может быть нарушена при наличии внешних магнитных полей или расположенных поблизости от ЛОВ ферромагнитных материалов. Как правило, расстояние между ЛОВ и подобными материалами должно быть не менее 400 мм. Режим работы ЛОВ сильно зависит от внешних условий (температуры, влажности), а также согласования с нагрузкой.
Лампы обратной волны особенно критичны к изменению температуры среды. При воздействии на лампы обратной волны механических ударов и вибраций происходят периодические изменения расстояния между отдельными электродами электронной пушки либо их поперечные смещения относительно друг друга, что сопровождается амплитудной и частотной модуляцией генерируемых колебаний. Девиация частоты ЛОВ при вибрациях обычно несколько больше, чем у клистронов. К недостаткам ламп данного типа относится также то, что данные лампы, находившиеся на хранении и длительное время (более двух месяцев) не включающиеся, должны быть подвергнуты тренировке, которая занимает не менее 1,5 ч. Генераторы на основе ЛОВ, как и все генераторы СВЧ с широким диапазоном электронной перестройки частоты, не обладают высокой стабильностью частоты при работе в какой-либо точке диапазона.
Эффективный автогенератор сантиметровых и миллиметровых волн может быть создан на полупроводниковом эквиваленте отражательного клистрона - лавинно-пролетном диоде (ЛПД), который служит основой ряда устройств СВЧ (генераторов, усилителей, преобразователей частоты).
В основе работы ЛПД лежит эффект генерации когерентных колебаний при лавинном пробое полупроводниковых диодов СВЧ. Получаемая при этом мощность колебаний в непрерывном режиме составляет для различных диодов от десятков микроватт до нескольких милливатт при длине волны 0,8-10 см. Генератор состоит из лавинно-пролетного диода и полого резонатора, связанного с полезной нагрузкой. Характерная особенность ЛПД - повышенный уровень шума на высоких (>10 4 ГГц) частотах. Даже в германиевых диффузионных ЛПД с однородным пробоем этот уровень на 25-30 дБ превышает дробовой шум вакуумного диода с таким же током. В кремниевых ЛПД, где пробой сопровождается микроплазменными явлениями, уровень шума может превышать на 60-70 дБ дробовой шум.
Малогабаритные генераторы сантиметрового диапазона (3-15 ГГц) обеспечивают в непрерывном режиме при токе питания 10-20 мА и напряжении 20-70 В выходную мощность от 5 до 50 мВт при кпд 3-7%. Значительный уровень высших гармоник в спектре лавинного тока позволяет использовать ЛПД сантиметрового диапазона волн для создания генераторов миллиметрового диапазона. Резонатор такого генератора целесообразно делать двух- или трехконтурным, с тем чтобы один из контуров, не связанный с полезной нагрузкой, был настроен на основную частоту в коротковолновой части сантиметрового диапазона (10-15 ГГц), а остальные - на высшие гармоники. Генераторы этого типа имеют в верхней части миллиметрового диапазона выходную мощность (в непрерывном режиме) порядка единиц милливатт. Однако спектральная плотность флюктуации амплитуды и частоты ЛПД на 15-20 дБ выше, чем у отражательных клистронов. Итак, СВЧ-устройства на ЛПД обладают такими преимуществами, как малые габариты, масса, экономичность питания и т.д. Основной их недостаток - высокий уровень шумов.
Созданы и получили также практическое применение полупроводниковые генераторы СВЧ на диодах Ганна. Они работают при низких напряжениях питания (4-8,5 В), потребляя при этом ток от 0,4 до 1,5 А.
Сравнительная характеристика некоторых типов генераторов СВЧ
Литература
1. Неразрушающий контроль. Том 6. Справочник. Под общ. ред. В.В. Клюева, Москва, 2006 г.
2. Мильман И.И. «Радиоволновой, тепловой и оптический контроль», часть 1, уч. пособие, Екатеринбург, 2001 г.
3. Ермолов И.Н., Останин Ю.А. «Методы и средства неразрушающего контроля», 1988 г., Высш. школа.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Метод неразрушающего контроля состояния поверхности полупроводниковых пластин, параметров тонких поверхностных слоёв и границ раздела между ними. Методика измерений на эллипсометре компенсационного типа. Применение эллипсометрических методов контроля.
реферат , добавлен 15.01.2009
Сущность метода магнитной дефектоскопии. Расчет составляющих напряженности поля. Разработка автоматизированной системы магнитопорошкового контроля оси колесной пары вагон. Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.
дипломная работа , добавлен 19.06.2014
Средства регистрации и количественных измерений световой энергии. Тепловые и фотонные приемники оптического излучения: полупроводниковые болометры, термоэлементы, фоторезисторы, фото- и светодиоды; параметры, характеризующие их свойства и возможности.
презентация , добавлен 07.06.2013
Классификация и модели тепловой дефектоскопии. Модель активного теплового контроля пассивных дефектов. Оптическая пирометрия. Приборы теплового контроля. Схемы яркостного визуального пирометра с исчезающей нитью. Пирометр спектральных отношений.
реферат , добавлен 15.01.2009
Природа и характеристики магнитного поля. Магнитные свойства различных веществ и источники магнитного поля. Устройство электромагнитов, их классификация, применение и примеры использования. Соленоид и его применение. Расчет намагничивающего устройства.
курсовая работа , добавлен 17.01.2011
Метод высокоточной гелиевой дефектоскопии. Растворимость гелия в кристаллах с дефектами вакансионного типа. Схема термодесорбционной установки, методика измерений. Система вакуумирования, калибровки масс-спектрометра, контроля температуры ячеек насыщения.
контрольная работа , добавлен 03.12.2014
Технические средства визуально-оптической дефектоскопии. Технические характеристики видеокроулера Rovver 400. Выбор метода контроля и теоретическое моделирование, оценка чувствительности. Разработка структурной схемы установки, ее влияние на экологию.
дипломная работа , добавлен 08.09.2014
Состав элегазового электротехнического оборудования, задачи контроля его параметров. Канал контроля влажности элегаза. Мониторинг подстанционного оборудования. Диапазон величин контролируемых параметров. Конструкции системы диагностики и контроля КРУЭ.
курсовая работа , добавлен 01.02.2012
Общая характеристика методов, применяемых для измерения параметров капилляров фильер: голографической интерферометрии, Фурье-оптики, микроскопический. Сравнительный анализ рассмотренных методов, определение их основных преимуществ и недостатков.
контрольная работа , добавлен 20.05.2013
Типы источников излучения, принципы их классификации. Источники излучения симметричные и несимметричные, газоразрядные, тепловые, с различным спектральным распределением энергии, на основе явления люминесценции. Оптические квантовые генераторы (лазеры).
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.
