http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=e30e26ba-95bf-4248-9c34-9e89603da68a&print=1
© 2024 Российская академия наук
Субтерагерцовый эллипсометр позволяет бесконтактным образом обнаруживать повреждения и дефекты в материалах, используемых в промышленности, приборостроении, авиационной и космической отраслях.
Высокочувствительный прибор для обнаружения низкоконтрастных дефектов в оптически непрозрачных материалах создали сотрудники Аналитического и технологического исследовательского центра «Высокие технологии и наноструктурированные материалы» Физического факультета Новосибирского государственного университета совместно с коллегами из Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН. В её основе лежит использование терагерцового излучения для бесконтактной диагностики покрытий. Разработка направлена на создание технологии неразрушающего контроля для промышленных применений.
![Разработан экспериментальный высокочувствительный прибор для бесконтактного обнаружения дефектов в непрозрачных материалах 1-2.jpg (jpg, 30 Kб)](/FStorage/Download.aspx?id=55f1f223-4b62-4d61-9996-d38b8c4003cc)
Терагерцовое излучение (ТГц-излучение) — электромагнитное излучение, спектр частот которого расположен между инфракрасным и микроволновым диапазонами и соответствует миллиметровым/субмиллиметровым волнам. Это излучение легко проходит сквозь большинство диэлектриков, например, дерево, пластики, керамика для него прозрачны, что делает его широко применимым в промышленности и материаловедении.
«Важная особенность нашего прибора заключается в том, что при его создании мы применили разработанные нами излучатель и высокоэффективные компактные тонкоплёночные поляризационные элементы на основе метаматериалов — искусственных материалов с необычными оптическими свойствами. Данная работа нацелена на развитие методики бесконтактной эллипсометрической диагностики приповерхностных слоев оптически непрозрачных, а также рентгенонеконтрастных материалов и покрытий за счет перехода в коротковолновую часть миллиметрового диапазона длин волн. Изготовленный нами лабораторный макет субтерагерцового эллипсометра уже не раз продемонстрировал свою работоспособность и эффективность. Прибор позволяет обнаружить скрытые внутренние дефекты материала при сканировании пучком излучения вдоль его поверхности», — рассказал старший научный сотрудник лаборатории Сергей Кузнецов.
![Разработан экспериментальный высокочувствительный прибор для бесконтактного обнаружения дефектов в непрозрачных материалах 2-2.jpg (jpg, 32 Kб)](/FStorage/Download.aspx?id=804a6da9-aee6-42f9-916e-8d60be71c2fc)
Учёные продемонстрировали перспективность разработанного ими субтерагерцового эллипсометра для неразрушающего контроля авиационных углепластиков.
Исследования проводились на композитных материалах на основе углеродных волокон, предоставленных ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина». Данные материалы применяются в авиастроении для создания несущих элементов легкомоторных летательных аппаратов — крыльев и фюзеляжа. С помощью экспериментального макета прибора удалось выявить в структуре композита приповерхностные расслоения на ранних стадиях их образования, что критически важно, поскольку при полётных нагрузках процесс расслоения неизбежно усиливается.
Вместе с научными сотрудниками Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН учёные АТИЦ ФФ НГУ также успешно апробировали эллипсометр при бесконтактном определении толщин и оптических констант жаропрочных керамических покрытий на основе диоксида циркония (ZrO2), которые методами плазменного и детонационного напыления наносятся на лопатки газовых турбин для их антикоррозийной защиты.
«В процессе напыления в данном случае очень важно контролировать толщину и однородность покрытий. Эффективных и недорогих приборов, способных бесконтактно выполнять такую диагностику, не существует до сих пор — ни в России, ни за рубежом. Поскольку покрытия оптически непрозрачны, просветить их видимым или инфракрасным излучением невозможно, а рентгеновские исследования не дают необходимого контраста. Зато терагерцовые волны подходят как нельзя лучше, и наш эллипсометр успешно справляется с поставленной задачей», — объяснил Сергей Кузнецов.
Эффективность субтерагерцового эллипсометра была подтверждена при исследованиях, проводимых совместно с научными сотрудниками Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, которые работали над созданием специального керамического покрытия, способного поглощать электромагнитное излучение. Это покрытие предназначено для применения в установках термоядерного синтеза типа ТОКАМАК (тороидальная камера с магнитными катушками). Предполагается, что такие установки будут использоваться в энергетике будущего для производства электроэнергии на основе слияния ядер дейтерия и трития. В камерах установок осуществляется нагрев плазмы с помощью излучения, которое может оказывать разрушающее воздействие на их стенки. Предполагается, что предотвратить это должно керамическое покрытие, поглощающее излучение. Диагностику этого материала на толщину слоя и наличие дефектов успешно провели с помощью эллипсометра.
«Конечно, существуют и другие приборы для диагностики материалов, но преимущество разработанного нами устройства в том, что оно не требует физического контакта с исследуемым объектом. Достаточно направить на него терагерцовые волны и по изменению поляризации отражённого излучения определить, какова толщина и однородность покрытия», — пояснил Сергей Кузнецов.
В настоящее время учёные АТИЦ ФФ НГУ отрабатывают методику обнаружения порошков в бумажных почтовых конвертах с использованием эллипсометра. Рентгеновские установки не «видят» столь малое количество мелкого порошкового вещества, а в терагерцовом диапазоне прибор можно настроить таким образом, чтобы он стал чувствителен к этим материалам.
Источник: пресс-служба НГУ.