Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Фотоакустические методы неразрушающей диагностики твердых тел (обзор литературы) 18
1.1. Тепловые волны в акустической диагностике 20
1.2. Тепловые методы регистрации тепловых волн 24
1.3. Акустические методы регистрации тепловых волн 28
1.3.1. Косвенная (газомикрофонная) акустическая регистрация...29
1.3.2. Прямая (пьезоэлектрическая) акустическая регистрация 34
1.4. Применение фотоакустического эффекта для дефектоскопии и определения температуропроводности твердых тел 38
1.4.1. Неразрушающий контроль дефектной структуры твердых тел фотоакустическим методом 38
1.4.2. Фотоакустические методики определения температуропроводности твердых тел 42
ГЛАВА II. Экспериментальные методики и установки для неразрушающей диагностики твердых тел фотоакустическим методом 48
2.1. Экспериментальная автоматизированная фотоакустическая установка с гармоническим источником тепловых волн 48
2.2. Экспериментальная автоматизированная фотоакустическая установка с импульсным источником тепловых волн 51
2.3. Измерительные ячейки 53
2.3.1. Методика регистрации ТВ с помощью эффекта Зеебека и конструкция термоэлектрического датчика 53
2.3.2. Газомикрофонные фотоакустические ячейки 56
2.3.3. Пьезоэлектрические преобразователи 58
2.4. Импульсные методики определения температуропроводности с обработкой сигнала во временной и частотной областях 58
ГЛАВА III. Неразрушающая диагностика тонких металлических пластин фото акустическим методом 64
3.1. Дефектоскопия металлических пластин с модельными дефектами..64
3.2. Дефектоскопия неоднородно деформированных металлов 69
3.3. Определение температуропроводности металлических пластин 72
ГЛАВА IV. Экспериментальное исследование анизотропии нелинейного акустического параметра твердых тел в области фазовых переходов фотоакустическим методом 80
4.1. Исследование фазовых переходов в твердых телах фотоакустическим методом (обзор литературы) 80
4.2. Параметр Грюнайзена и методы его исследования 83
4.3. Экспериментальная установка для исследования анизотропии нелинейного параметра твердых тел в диапазоне температур 77-400 К фото акустическим методом 86
4.4. Исследование температурной зависимости нелинейного параметра монокристалла титаната стронция в области структурного фазового перехода при 105,5К 90
4.5. Исследование анизотропии нелинейного параметра монокристалла триглицинсульфата в области сегнетоэлектрического фазового перехода при 322К 102
4.6. Исследование электронно-топологического перехода в поликристаллическом титане 107
Заключение 114
Литература 117
- Неразрушающий контроль дефектной структуры твердых тел фотоакустическим методом
- Экспериментальная автоматизированная фотоакустическая установка с импульсным источником тепловых волн
- Дефектоскопия неоднородно деформированных металлов
- Исследование температурной зависимости нелинейного параметра монокристалла титаната стронция в области структурного фазового перехода при 105,5К
Введение к работе
Фотоакустические (ФА) методы в последнее время находят широкое применение в неразрушающей диагностике твердых тел. Фотоакустический эффект, лежащий в основе этих методов, заключается в том, что при поглощении модулированного по интенсивности светового излучения в конденсированной среде и окружающем ее газе генерируются тепловые волны, сопровождающиеся, вследствие теплового расширения, акустическими волнами. Совершенствование техники эксперимента наряду с развитием теоретических представлений об особенностях формирования ФА сигнала в твердых телах привели к тому, что современные ФА методы стали одними из информативных и универсальных методов в физике твердого тела. ФА методы дают возможность проведения комплексных исследований (в том числе и бесконтактных) оптических, тепловых, линейных и нелинейных акустических параметров вещества, в том числе в образцах малого объема и произвольной формы, порошках, тонких пленках, биологических объектах. ФА методы позволяют получить информацию как о макроскопических, так и о микроскопических (в том числе квантовых) свойствах твердого тела.
Вследствие сильного затухания тепловой волны вклад в ФА сигнал дают источники, расположенные в приповерхностном слое твердого тела толщиной порядка длины тепловой волны, что дает возможность глубинного профилирования (послойной интроскопии) непрозрачных объектов. Поэтому ФА спектроскопия является удобным методом исследования приповерхностных слоев твердого тела. Она может быть использована как для визуализации дефектов, так и для количественного определения теплофизических параметров, в частности, температуропроводности.
Известно, что прочность твёрдых тел зависит от нарушений их сплошности: трещин, микропор, скоплений дислокаций и других "зародышей" процесса разрушения. Размеры зародышей на начальной стадии процесса разрушения обычно малы по сравнению с длиной акустической волны, и поэтому линейные упругие характеристики малочувствительны к дефектам структуры. Поскольку длина тепловых волн много меньше, чем акустических (так, на частоте 1 МГц в алюминии длина акустической волны составляет 6,4 мм, а тепловой всего J О'4 мм), это дает возможность микроскопического исследования с хорошим разрешением.
ФА сигнал в случае прямого детектирования колебаний зависит не только от линейных упругих параметров, но и от коэффициента теплового расширения твердого тела, который определяется ангармонизмом кристаллической решетки и может быть выражен через упругие нелинейные модули третьего порядка, что дает возможность исследования нелинейных акустических свойств твердого тела, в том числе в критических точках. Кроме того, это дает возможность исследования тел, имеющих дефектную структуру, нелинейный отклик которых, как известно, сильнее изменяется, чем линейный.
Несмотря на то, что имеется большое количество работ, посвященных ФА эффекту в конденсированных средах, диагностические возможности этого физического явления использованы, на наш взгляд, недостаточно. Поэтому создание и реализация новых методов диагностики твердых тел на основе ФА эффекта представляется актуальным.
Целью работы являлось создание и реализация экспериментальных методов для диагностики твердых тел с помощью тепловых волн: Диагностика поверхностных и подповерхностных дефектов в
металлах.
Создание экспресс-методик для определения температуропроводности металлов в образцах малых размеров (10~9м3), не требующих предварительной калибровки измерительной установки.
Исследования анизотропии нелинейных упругих свойств твердых тел в области температур 77-400 К.
Поставленные цели работы предполагают решение следующих задач:
Создание аппаратно-программного фотоакустического комплекса для неразрушающей диагностики твердых тел в режиме тепловых волн с гармоническим и импульсным лазерным возбуждением с газомикрофонной, пьезоэлектрической и термоэлектрической регистрацией тепловых волн.
Разработка импульсной фотоакустической методики для неразрушающей диагностики твердых тел на основе временного и спектрального анализа ФА сигнала.
Разработка и реализация экспериментальных методик для локализации поверхностных и подповерхностных дефектов с помощью тепловых волн.
Создание автоматизированной экспериментальной установки и методик для исследования анизотропии нелинейных упругих свойств твердых тел фотоакустическим методом.
На защиту выносятся:
Реализация ряда фотоакустических методов изучения твердых тел с помощью разработанных аппаратно-программных комплексов.
Результаты экспериментального исследования остаточных деформаций в металлах.
3. Результаты исследования претрансформационного эффекта в
монокристалле титаната стронция.
Результаты экспериментального исследования анизотропии параметра Грюнайзена в монокристалле триглицинсульфата в области сегнетоэлектрического фазового перехода.
Результаты экспериментального исследования и теоретического анализа поведения нелинейного параметра поликристаллического титана в области электронно-топологического перехода.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы 130 страниц, в том числе 35 рисунков, 4 таблицы. Список цитируемой литературы включает 171 наименование.
Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы задачи исследований и дан анализ научной новизны полученных результатов и их практической ценности. Описывается структура диссертации.
В первой главе приводится обзор литературы по теории ФА эффекта в твердых телах и применению фотоакустических методов для неразрушающей диагностики вещества, в том числе количественной. Произведен их сравнительный анализ.
Проанализирована теоретическая зависимость ФА сигнала от оптических свойств, тепловых и упругих свойств вещества. Описаны имеющиеся в литературе теоретические модели ФА эффекта с газомикрофонной и пьезоэлектрической системами регистрации.
Исследована возможность применения ФА метода для задач дефектоскопии и определения температуропроводности. Проведен обзор имеющихся в литературе методик измерения температуропродности твердых тел.
Во второй главе описаны разработанные аппаратно-программные комплексы и развитые методики проведения эксперимента. В настоящей работе использовалось два способа возбуждения ФА сигнала -непрерывный и импульсный. Непрерывный способ возбуждения дает возможность накопления и обеспечивает меньший перегрев образца, что важно при исследовании фазовых переходов. В 2.1 описана автоматизированная фотоакустическая установка с гармоническим источником возбуждения тепловых волн. Установка включает источник излучения, механический прерыватель, фото акустическую ячейку с исследуемым образцом, механическую систему сканирования с электронным управлением, синхронный усилитель для измерения сигнала, компьютер с АЦП.
Тепловая волна практически затухает на расстоянии порядка длины
I у
тепловой диффузии ц= \~ (#-температуропроводность), которая
зависит от частоты как /~//:, т.е. низкочастотные волны проникают в образец глубже высокочастотных тепловых волн. Изменяя частоту, мы изменяем длину тепловой диффузии и, таким образом, производим локализацию неоднородности по глубине. Для этого необходимо измерить величину ФА сигнала на различных частотах модуляции. В случае использования импульсного источника с последующей обработкой сигнала в частотной области можно получить значения амплитуд и фазового сдвига ФА сигнала во всем интересующем нас диапазоне частот из одного измерения. В этом случае изображение исследуемого объекта на различных глубинах формируется за один проход сканирования.
В 2.2 описана импульсная автоматизированная экспериментальная установка, реализующая предложенную методику. В качестве источника электромагнитного излучения использовался импульсный лазер, длительность импульса которого составляла 25 не (энергия в импульсе 6,3
мДж). Импульсу такой длительности соответствует частотный спектр шириной 6/ = 1/т= 40 МГц, спектральная мощность которого Ij на
частоте / пропорциональна 105т(2ф)/($т). При этом можно считать, что до частоты 5-Ю5Гц зіп(2ф)/(ф) = 1, т. е. в этом диапазоне частот спектральная мощность источника lj постоянна. Лазерный импульс
возбуждал в исследуемом образце импульс тепловых волн, который регистрировался с помощью датчика, размещенного в измерительной ячейке. Сигнал с регистратора после усиления в усилителе подавался на цифровой осциллограф, где он преобразовывался в цифровой код, запоминался и затем по каналу общего пользования (отечественный аналог интерфейса GPJB IEEE-488) поступал в персональный компьютер для обработки и хранения полученной экспериментальной информации. Синхронизация установки и запуск лазера осуществлялись с помощью управляющего устройства, сопряженного с ЭВМ по параллельному интерфейсу. Сервисные программы, написанные на языках Assembler и Pascal, обеспечивали запуск установки, автоматическое управление в диалоговом режиме работой программируемого запоминающего осциллографа, ввод сигнала в ЭВМ, его математическую обработку и вывод результатов в графическом виде на терминал и на жесткий диск для хранения и последующей обработки.
В 2.3 описана фотоакустическая импульсная методика неразрушаю щей диагностики твердых тел с обработкой сигнала в частотной области. Она основана на том факте, что частотная зависимость амплитуды фотоакустического сигнала различна в термически толстой (толщина образца ls много больше длины тепловой диффузии ft) и
термически тонкой (ls«fi) областях. Таким образом, зная толщину
образца ls, по измеренному значению критической частоты перехода из
термически толстой в термически тонкую область /с можно определить
температуропроводность образца: %s ~^^с- Достоинство разработанной методики заключается в том, что она является быстрой и не требует предварительной калибровки фотоакустической ячейки. Также в 2.3 описаны использовавшиеся в работе измерительные ячейки. Помимо стандартных конденсаторных микрофонов и пьезокерамики ЦТС-19, для регистрации тепловых волн была разработана специальная термоэлектрическая ячейка, принцип работы которой основан на эффекте Зеебека. Особенностью данной ячейки является то, что одним из электродов является сам исследуемый металлический образец, что позволило упростить ее конструкцию. Другое упрощение конструкции связано с тем, что, поскольку развитая методика определения температуропроводности не требует абсолютной калибровки, второй спаи не должен поддерживаться при фиксированной температуре и может иметь температуру окружающей среды.
В третьей главе фотоакустический эффект был использован для неразрушающей диагностики металлических пластин (исследования дефектных структур различного вида и определения температуропроводности ряда металлов).
Исследование дефектов в виде подповерхностных воздушных каналов в металлических образцах показало, что развитые методики позволяют производить их обнаружение, локализацию и оценку поперечных размеров. Также были исследованы образцы со смешанными поверхностными и подповерхностными дефектами. Подповерхностный дефект представлял собой воздушный цилиндрический канал, а поверхностный - неустраненные полировкой неровности шлифовки. Амплитуда ФА сигнала зависит как от коэффициента поглощения света, так и от тепловых свойств, фазовый же сдвиг же зависит только от тепловых свойств. Применительно к сильно поглощающим свет материалам это означает возможность разделения поверхностных и
подповерхностных дефектов: амплитудный контраст показывает оба вида дефектов, а фазовый - только подповерхностный дефект.
В 3.2 приведены результаты исследования неоднородно деформированных металлических пластин при импульсном возбуждении с обработкой в частотной области. Деформации были двух видов: полученные путем перегиба металлических пластин и путем их деформирования посредством локального давления с помощью специального устройства. После деформирования образцов их поверхность шлифовалась до устранения видимых дефектов. Измерения показали, что разработанная импульсная фотоакустическая методика позволяет обнаружить остаточные напряжения в металлах.
В параграфе 3.3 импульсная фотоакустическая методика с обработкой сигнала во временной и частотной областях применена для определения температуропроводности ряда металлов. Для исследования использовались металлические пластинки площадью в единицы квадратных сантиметров и толщиной от одной десятой миллиметра до 1 миллиметра, выполненные как из химически чистых металлов (99,9%) -Си, Та, Sn, Zn, Mg, так и из конструкционного материала - дюралюминия. Регистрация осуществлялась термоэлектрическим и фотоакустическим способами.
Сравнение результатов проведенных измерений с литературными
данными, полученными другими методами, показали, что разработанный
экспрессный фотоакустический метод определения
температуропроводности металлов имеет хорошую точность и может использоваться для исследования тепловых свойств металлов, в том числе и в технических приложениях.
Четвертая глава посвящена разработке фотоакустического метода измерения относительного изменения нелинейного акустического параметра, близкого к параметру Грюнайзена, и исследованию с его
помощью температурной зависимости и анизотропии параметра Грюнайзена твердых тел в области фазовых переходов.
Параграфы 4.1-4.2 посвящены обзору имеющихся в литературе фотоакустических методик исследования фазовых переходов. Отмечается, что потенциал фотоакустического метода в этом направлении использован недостаточно, в частности, представляет большой интерес исследование фотоакустическим методом параметра Грюнайзена. Параметр Грюнайзена у является одной из важнейших характеристик динамики кристаллической решетки. Он является мерой ангармоничности сил межмолекулярного взаимодействия в кристалле. Именно ангармонизмом колебаний кристаллической решетки определяются такие процессы, как тепловое расширение, теплопроводность, поглощение звука. В изотропном случае параметр Грюнайзена вырождается в скаляр [3]:
Су су
где /3 = За - объемный коэффициент теплового расширения, а -линейный коэффициент теплового расширения, Су - теплоемкость при
постоянном объеме, В- модуль объемной упругости.
Измерение нелинейного параметра, близкого к параметру Грюнайзена, может быть произведено фотоакустическим методом [7]. Для двухслойной системы образец-пьезопреобразователь в случае, если толщина образца / много меньше толщины преобразователя, напряжение
на обкладках преобразователя Vопределяется следующей формулой:
ті ^ погл
(2)
Здесь ./^,,- поглощенная оптическая мощность, / - частота модуляции интенсивности света, р -плотность, ср - теплоемкость при постоянном давлении. Из (1) и (2), считая, что в твердых телах
теплоемкость при постоянном давлении ср приблизительно равна теплоемкости при постоянном объеме су, получим:
c/*^f-r (3)
Из выражения (3) видно, что амплитуда фотоакустического сигнала пропорциональна параметру Грюнайзена. Таким образом, по изменению амплитуды фотоакустического сигнала от температуры можно получить информацию о температурной зависимости нелинейного параметра.
Ранее ФА метод был использован для определения значения
параметра Грюнайзена ряда изотропных материалов при комнатной
температуре [7]. В настоящей работе исследуется температурная
зависимость различных компонент параметра Грюнайзена в области
фазовых переходов для монокристаллов титаната стронция в области
структурного фазового перехода, монокристалла триглицинсульфата в
области сегнетоэлектрического фазового перехода и
поликристаллического титана в области электронно-топологического перехода.
В параграфе 4.3 приводится описание разработанного низкотемпературного фотоакустического аппаратно-программного комплекса и методики измерений. Он состоит из полупроводникового лазера (Я = 1060 им, мощность 20 мВт), специально разработанной низкотемпературной фотоакустической вставки, помещаемой в термостат, синхронного усилителя Stanford SR830 и персонального компьютера. Измерения производились при гармоническом возбуждении и пьезоэлектрической регистрации. Для регистрации трех взаимно ортогональных компонент смещения поверхности образца (продольной и двух поперечных) использовались два преобразователя: кольцевой с радиальной поляризацией, электроды которого были разрезаны на сектора (в простейшем случае для двух взаимно перпендикулярных компонент в
виде креста), размещаемый сверху образца, и преобразователь с продольной поляризацией, размещаемый снизу.
В параграфе 4.4 приведены результаты исследования фотоакустического эффекта в монокристалле титаната стронция в области структурного фазового перехода при 105,5 К из кубической фазы Оь в
тетрагональную D,h. Титанат стронция - хорошо исследованный
кристалл, и в литературе можно найти температурные зависимости всех величин, входящих в выражение (2). Поэтому именно он был выбран для отработки методики. Результаты проведенных измерений температурной зависимости амплитуды фотоакустического сигнала для различных направлений и их сравнение с данными, вычисленными по результатам калориметрических, дилатометрических и упругих измерений показали, что фотоакустический метод определения относительного изменения нелинейного упругого параметра, реализованный в данной работе, может явиться хорошим дополнением к уже существующим методам исследования энгармонизма кристаллической решетки.
Претрансформациоиные эффекты в титанате стронция.
Проведенные измерения температурной зависимости амплитуды фото акустического сигнала для двух направлений выявили наличие анизотропии не только ниже, но и выше температуры фазового перехода, в области температур 105,5-115К. Оно является достаточно слабым, но, тем не менее, хорошо воспроизводимым. Это расхождение означает, что титанат стронция, который при комнатной температуре принято относить к кубическим кристаллам, выявляет небольшую анизотропию и выше точки перехода. Было произведено более тщательное исследование этого явления, иногда называемого претрансформационным, с помощью электроакустического эффекта (ЭАЭ). Электроакустический эффект заключается во взаимодействии постоянного электрического поля с акустическими волнами (АВ) в твердых телах, в результате которого
происходит изменение скорости АВ. В общем случае относительное изменение скорости АВ в твердом теле при приложении электрического поля определяется выражением:
Ac/c = [eE + f*E2]/2pc2 (4)
где р- плотность кристалла, с -скорость АВ, Ас- изменение скорости АВ при приложении электрического поля Е, е -эффективный пьезоэлектрический коэффициент, определяемый компонентами тензоров пьезоэффекта 3 и 5 порядков, /*- эффективный коэффициент электрострикции, определяемый компонентами тензоров электрострикции 4 и 6 порядков.
В пьезоэлектрических кристаллах, в которых отсутствует центр симметрии, величина электроакустического эффекта определяется в основном коэффициентом е и изменение скорости АВ линейно по электрическому полю. В центросимметричных кристаллах, в которых пьезоэффект отсутствует, наблюдается квадратичная зависимость скорости от электрического поля, определяемая вторым членом /"в правой части (4).
При измерении температурной зависимости скорости продольных акустических волн частотой 30 МГц от напряженности электрического поля, начиная с температуры Та+7К вплоть до температуры фазового перехода Та наряду с квадратичным наблюдался линейный по
электрическому полю вклад в изменение скорости АВ, величина которого увеличивалась с понижением температуры (рис.ба). При этом, начиная с температуры Та + 1К, вклад электрострикционного члена, квадратичного по электрическому полю, сильно уменьшался (рис.66). Это указывает на то, что в области температур Та до Та + 7К в исследованном образце титаната стронция проявляется пьезоэлектрический эффект и кристаллическая решетка не обладает центром симметрии.
Таким образом, анизотропия фотоакустического сигнала в титанате стронция, выявленная выше температуры фазового перехода, нашла свое подтверждение при исследовании электроакустического эффекта.
В параграфе 4.5 приведены результаты исследований температурной зависимости анизотропии трех компонент нелинейного параметра монокристалла триглицинсульфата [NH2СН2СООН\н2SOA в
области сегнетоэлектрического перехода ТС = 322К. Поскольку кристаллическая решетка триглицинсульфата имеет относительно мало элементов симметрии, и их число уменьшается в сегнетофазе, то ожидалось, что нелинейный упругий параметр покажет заметную анизотропию для многих направлений, причем в сегнетофазе анизотропия будет выражена сильнее, что и подтвердилось в ходе эксперимента.
Параграф 4.6 посвящен исследованию фотоакустического эффекта в поликристаллическом титане в области температур, соответствующих электронно-топологическому переходу. Под электронно-топологическим переходом (ЭТП) понимается качественное изменение топологии поверхности Ферми металлов путем легирования или внешних воздействий. При плавном изменении одного из параметров (температуры, давления или концентрации примесей) энергия Ферми проходит через особенность в плотности электронных состояний, что вызывает аномальное поведение ряда физических величин, в частности, таких, как скорость звука и тепловое расширение [8].
Нам известны только две работы, посвященные вопросу о том,
«выживают» ли связанные с ЭТП аномалии наблюдаемых параметров в
поликристаллических металлах. В работе [9] для различных модельных
типов поверхностей Ферми и различных типов ЭТП теоретически было
показано, что эффективный поверхностный импеданс
поли кристаллических металлов действительно выявляет особенности в окрестности электронно-топологического перехода. В работе [10]
экспериментально обнаружена аномалия скорости продольного ультразвука в поли кристаллическом титане в интервале температур, соответствующих ЭТП в монокристалле титана. Поэтому дальнейшие экспериментальные исследования, связанные с выявлением аномалий термодинамических параметров в поликристаллах металлов, ранее проявлявших ЭТП для монокристаллов, представляют интерес.
В настоящей работе экспериментально исследована температурная зависимость амплитуды ФА сигнала в поликристаллическом титане и впервые обнаружено аномальное поведение параметра Грюнайзена в области электронно-топологического перехода в интервале температур 150-160 К.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.
Неразрушающий контроль дефектной структуры твердых тел фотоакустическим методом
Проведенные измерения температурной зависимости амплитуды фото акустического сигнала для двух направлений выявили наличие анизотропии не только ниже, но и выше температуры фазового перехода, в области температур 105,5-115К. Оно является достаточно слабым, но, тем не менее, хорошо воспроизводимым. Это расхождение означает, что титанат стронция, который при комнатной температуре принято относить к кубическим кристаллам, выявляет небольшую анизотропию и выше точки перехода. Было произведено более тщательное исследование этого явления, иногда называемого претрансформационным, с помощью электроакустического эффекта (ЭАЭ). Электроакустический эффект заключается во взаимодействии постоянного электрического поля с акустическими волнами (АВ) в твердых телах, в результате которого происходит изменение скорости АВ. В общем случае относительное изменение скорости АВ в твердом теле при приложении электрического поля определяется выражением: где р- плотность кристалла, с -скорость АВ, Ас- изменение скорости АВ при приложении электрического поля Е, е -эффективный пьезоэлектрический коэффициент, определяемый компонентами тензоров пьезоэффекта 3 и 5 порядков, / - эффективный коэффициент электрострикции, определяемый компонентами тензоров электрострикции 4 и 6 порядков.
В пьезоэлектрических кристаллах, в которых отсутствует центр симметрии, величина электроакустического эффекта определяется в основном коэффициентом е и изменение скорости АВ линейно по электрическому полю. В центросимметричных кристаллах, в которых пьезоэффект отсутствует, наблюдается квадратичная зависимость скорости от электрического поля, определяемая вторым членом /"в правой части (4).
При измерении температурной зависимости скорости продольных акустических волн частотой 30 МГц от напряженности электрического поля, начиная с температуры Та+7К вплоть до температуры фазового перехода Та наряду с квадратичным наблюдался линейный по электрическому полю вклад в изменение скорости АВ, величина которого увеличивалась с понижением температуры (рис.ба). При этом, начиная с температуры Та + 1К, вклад электрострикционного члена, квадратичного по электрическому полю, сильно уменьшался (рис.66). Это указывает на то, что в области температур Та до Та + 7К в исследованном образце титаната стронция проявляется пьезоэлектрический эффект и кристаллическая решетка не обладает центром симметрии. Таким образом, анизотропия фотоакустического сигнала в титанате стронция, выявленная выше температуры фазового перехода, нашла свое подтверждение при исследовании электроакустического эффекта.
В параграфе 4.5 приведены результаты исследований температурной зависимости анизотропии трех компонент нелинейного параметра монокристалла триглицинсульфата [NH2СН2СООН\н2SOA в области сегнетоэлектрического перехода ТС = 322К. Поскольку кристаллическая решетка триглицинсульфата имеет относительно мало элементов симметрии, и их число уменьшается в сегнетофазе, то ожидалось, что нелинейный упругий параметр покажет заметную анизотропию для многих направлений, причем в сегнетофазе анизотропия будет выражена сильнее, что и подтвердилось в ходе эксперимента.
Параграф 4.6 посвящен исследованию фотоакустического эффекта в поликристаллическом титане в области температур, соответствующих электронно-топологическому переходу. Под электронно-топологическим переходом (ЭТП) понимается качественное изменение топологии поверхности Ферми металлов путем легирования или внешних воздействий. При плавном изменении одного из параметров (температуры, давления или концентрации примесей) энергия Ферми проходит через особенность в плотности электронных состояний, что вызывает аномальное поведение ряда физических величин, в частности, таких, как скорость звука и тепловое расширение [8].
Нам известны только две работы, посвященные вопросу о том, «выживают» ли связанные с ЭТП аномалии наблюдаемых параметров в поликристаллических металлах. В работе [9] для различных модельных типов поверхностей Ферми и различных типов ЭТП теоретически было показано, что эффективный поверхностный импеданс поли кристаллических металлов действительно выявляет особенности в окрестности электронно-топологического перехода. В работе [10] экспериментально обнаружена аномалия скорости продольного ультразвука в поли кристаллическом титане в интервале температур, соответствующих ЭТП в монокристалле титана. Поэтому дальнейшие экспериментальные исследования, связанные с выявлением аномалий термодинамических параметров в поликристаллах металлов, ранее проявлявших ЭТП для монокристаллов, представляют интерес. В настоящей работе экспериментально исследована температурная зависимость амплитуды ФА сигнала в поликристаллическом титане и впервые обнаружено аномальное поведение параметра Грюнайзена в области электронно-топологического перехода в интервале температур 150-160 К. В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.
Экспериментальная автоматизированная фотоакустическая установка с импульсным источником тепловых волн
Из (1.1)-(1.2) видно, что колебания температуры на ее поверхности распространяются от нее в виде быстро затухающих вглубь среды тепловых волн. На длине волны Х = 2пр-2«\п%1f затухание тепловой волны равно 54,5 дБ. Особенностью тепловых волн является то, что модуль их волнового вектора и коэффициент поглощения волны одинаковы и равны
Поэтому, если в твердом теле имеются области, в которых наблюдаются неоднородности хотя бы одного из параметров к,р,с , это приведет к изменению амплитуды и фазового сдвига тепловой волны. Если эти изменения амплитуды и фазового сдвига температуры измерить, то можно зарегистрировать области, в которых наблюдаются неоднородности среды. Для тепловых волн разрешение определяется не длиной волны Я, а длиной тепловой диффузии р = Л/2тг, численно равной длине, на которой тепловая волна затухает в є раз. Следует отметить, что тепловые волны являются медленными и сильно диспергирующими. Так, например, в алюминии (х = 0,82см2/с) на частоте /=30 Гц длина тепловой диффузии fj = 9,3-I0 2cMy скорость тепловой волны с = 17,4см/с, а на частоте/=1000 ц 1,5-10 2см, с = 100см/с (некоторые характерные теплофизические параметры для ряда металлов приведены в табл. 1.1). Вследствие сильного поглощения тепловых волн сканирование по частоте излучаемых тепловых волн позволяет локализовать неоднородность в твердом теле по глубине. Проделанные оценки показывают, что тепловые волны на низких частотах (от единиц герц до единиц килогерц) могут стать чувствительным инструментом для определения различных подповерхностных неоднородностей в твердых телах размером 0,1-1 мм.
Из формул (1.1)-(1.2) видно, что информацию о свойствах твердого тела несут также тепловые волны, распространяющиеся в газе, что позволяет изучать твердотельные образцы как с помощью непосредственной, так и косвенной регистрации. Тепловые методы регистрации основаны на измерении либо температуры поверхности исследуемого образца, либо величин, позволяющих ее вычислить.
Непосредственный вариант диагностики методом тепловых волн представляется наиболее удобным, так как из множества эффектов, сопровождающих облучение образца светом, используется самый простой: так называемый фототермический, т.е. выделение тепла в образце за счет поглощения света. Для непосредственного измерения температуры поверхности применяются термопары и термисторы [12, 38], при этом образец должен находиться в хорошем тепловом контакте с датчиком температуры, теплоемкость которого мала. В варианте оптического калориметрирования (т.е. прямом измерении скачка температуры в образце, помещенном в хорошо вакуумир о ванный сосуд Дыоара) этот метод был использован для измерения оптического поглощения воды для двух длин волн светового излучения [39]. В силу медленного отклика контактные методы регистрации достаточно удобны только для хорошо теплопроводящих сред при низких частотах модуляции [40].
Другой часто используемый способ регистрации тепловых волн - с помощью пироэлектрического эффекта [41]. Пироэлектрики - это кристаллические диэлектрики, обладающие спонтанной поляризацией. Обычно спонтанная поляризация пироэлектриков не заметна, так как электрическое поле, создаваемое ею, компенсируется полем свободных электрических зарядов, которые "натекают" на поверхность пироэлектрика из его объёма и из окружающего воздуха. При изменении температуры величина спонтанной поляризации изменяется, что вызывает появление электрического поля, которое можно наблюдать, пока свободные заряды не успеют его скомпенсировать. Это явление и называется пироэлектрическим эффектом (пироэлектричеством). Исторически исследование пироэлектрических материалов было сосредоточено на разработке детекторов для ИК излучения [42]. Возможность использования пироэлектрических пленок для исследования оптического поглощения в твердотельных образцах, находящихся с ними в тесном контакте, была продемонстрирована в [43]. Одномерная теория пироэлектрической регистрации тепловых волн при их оптическом возбуждении, дающая зависимость принимаемого сигнала от оптических, тепловых и геометрических параметров системы твердотельный слой пироэлектрическая пленка, была развита в [44].
Поскольку все пироэлектрики являются так же и пьезоэлектриками, то в случае контакта между образцом и пироэлектрическим датчиком принимаемый фотоакустический сигнал имеет смешанную природу, что затрудняет его интерпретацию. Для получения чисто пироэлектрического отклика нужно создавать зазор между образцом и пироэлектрическим датчиком [45], что усложняет монтаж образца и к тому же не позволяет получить информацию об упругих параметрах.
Для дистанционного измерения колебаний температуры поверхности широко используется метод ИК-радиометрии [2, 12-15, 46]. При этом регистрируется излучение, испускаемое нагретым образцом. Поскольку при комнатной температуре максимум излучения приходится на длину волны порядка 10 мкм, используются детекторы ИК излучения. При этом лазерное возбуждение производится в неинфракрасной области (часто - в видимом диапазоне), чтобы отраженный пучок не регистрировался детектором. В соответствии с законом Стефана-Больцмана полная излучаемая мощность испускаемого средой теплового ИК излучения W определяется формулой [47]:
Дефектоскопия неоднородно деформированных металлов
Поглощение твердым телом модулированного излучения приводит к возникновению тепловых волн в освещаемой области, что, вследствие теплового расширения, вызывает колебания поверхности образца, которые можно зарегистрировать различными способами. Прямое детектирование колебаний поверхности образца может осуществляться с помощью пьезоэлектрического преобразователя, приклеенного с помощью акустической склейки непосредственно к поверхности образца. Пьезоэлектрическая регистрации имеет ряд преимуществ по сравнению с газомикрофонной. Пьезопреобразователи имеют более широкую частотную полосу (от нескольких герц до десятков мегагерц), отличаются компактностью и легкостью монтажа, что важно при работе в ограниченном пространстве (например, в сосуде Дьюара) и могут быть использованы в широком интервале температур и давлений.
Трехмерная модель пьезоэлектрической регистрации в квазистатическом случае для конденсированных сред была развита в работе [36]. В рамках этой модели образец считается изотропным безграничным упругим слоем, поверхность которого на нагружена. Расчет разности потенциалов на обкладках преобразователя, которая далее называется ФА сигналом, осуществляется следующим образом [62].
Первоначально рассчитывается распределение температуры T(p,s,t) в образце для гармонического во времени пучка с гауссовским в пространстве распределением интенсивности и экспоненциальным законом поглощения света (цилиндрические координаты р,є и r,z выбраны так, как указано на рис. 1.6). Далее находится функция Грина для механических напряжений сг /г,г,р,є). Затем определяется механическое напряжение в образце 7ij(r,z,t)= ja j(r,z,p,e)T(p,s,t)dpd и механическое смещение в образце и sample керамике щ -a TS(j +—(аі} &&8«), где а - линейный коэффициент теплового расширения, G-модуль сдвига, v -коэффициент Пуассона, 8ц символ Кронеккера (8 =1 при i = j и 8 = 0 при і Ф j). Затем найденные деформации подставляются в уравнения состояния пьезоэлектрика: где Е- напряженность электрического поля, D - электрическое смещение, С ы - модуль упругой податливости, eklJ - пьезоэлектрический модуль, єік - диэлектрическая проницаемость. Далее делается ряд упрощающих предположений: поверхность образца считается свободной от напряжений, а толщина преобразователя - много меньшей толщины образца, что дает сг№, тхг,туг = 0 и Ех,Еу = 0. Учитывая аксиальную симметрию преобразователя [63] и отсутствие на границе свободных зарядов JD3dA = 0, можно найти электрическое напряжение на обкладках преобразователя U [62]: если преобразователь размещается с освещенной стороны образца (при z 0), знак минус - если с теневой (при z = l), е и dia,- эффективные пьезоэлектрическая и диэлектрическая постоянные преобразователя соответственно, LnFl,tlfip и Апреобр - толщина и площадь преобразователя. Таким образом, эта модель учитывает как плоское смещение поверхности образца, так и его изгиб, возникающий из-за градиента температуры вдоль оси z.
Подстановка в [1.4] распределения температуры дает достаточно сложное выражение, поэтому обычно ограничиваются рассмотрением предельных случаев. Для теневого расположения преобразователя (z=/) эти предельные случаи приведены в табл. 1.3.
Необходимо отметить, что во всех случаях выходное напряжение определяется поглощенной оптической мощностью Рпвг,, тепловыми и акустическими параметрами образца:
Исследование температурной зависимости нелинейного параметра монокристалла титаната стронция в области структурного фазового перехода при 105,5К
ФА сигнал зависит и от толщины образца в точке сканирования, что позволяет исследовать профиль поверхности образца. Пример этого был приведен в работе [69], где было показано, что ФА сигнал позволяет «увидеть» цилиндрическую ступеньку на поверхности алюминиевой плашки. Таким образом, фотоакустический микроскоп может быть использован в качестве измерителя толщины [70].
Потенциал фотоакустического метода особенно широко раскрылся при исследовании подповерхностных особенностей теплофизических параметров (инородных включений, трещин, легированных областей и неоднородностей другого вида). Первой работой, в которой были выполнены наблюдения не только поверхностных, но и подповерхностных особенностей в непрозрачном твердом теле на примере керамики карбида кремния, была работа [71]. Позднее было показано [72], что пространственное разрешение ФА микроскопии определяется длиной тепловой диффузии. Пространственное разрешение 2 мкм было достигнуто в работе [73] при ФА исследовании фотолитографических масок. В работе [74] было показано, что фазовый контраст более пригоден для наблюдения подповерхностных тепловых особенностей, т.к. на амплитудный оказывают влияние особенности оптического поглощения на поверхности. Кроме того, в этой же работе была рассчитана зависимость амплитуды и фазы от толщины образца в рамках модели газового поршня для случая алюминий-воздух и найдено, что амплитуда становится независимой от толщины образца на глубине примерно одной длины тепловой волны, а фаза - двух. Также была произведена оценка из амплитудных и фазовых данных глубины залегания дефектов в виде воздушных каналов в толще алюминиевого образца. Таким образом, в том случае, когда дефект залегает на большей глубине, удобнее использовать фазовый контраст, что было экспериментально продемонстрировано в работе [75].
Фотоакустический метод выявляет очень высокую чувствительность к тепловым неоднородно стям. Приведем два примера. Если просверлить подповерхностное отверстие в материале и плотно заполнить его опилками этого же материала, такое отверстие все равно будет чувствоваться тепловыми волнами благодаря тому, что тепловые волны хуже распространяются в этой области из-за наличия тепловых границ, причем отверстие будет просматриваться почти так же хорошо, как и заполненное воздухом [74]. Пример того, что тепловые волны позволяют выявить области пластической деформации в металле, был приведен в работе [76]. Две области пластической деформации были созданы в бронзовой пластинке путем давления острого клина, после чего образец зашлифовывался. При сканировании поперек созданных областей на зависимости амплитуды от координаты сканирования проявились два четко выраженных максимума. После отжига образца они исчезли, что и свидетельствует о том, что тепловые волны реагировали именно на области пластической деформации. Тщательные экспериментальные исследования областей индентации по Виккерсу в наноникеле фотоакустическим методом были проведены в [77].
В настоящее время проводится активное исследование возможностей восстановления пространственного распределения тепловых параметров образца. При получении количественных оценок основная трудность фотоакустического метода заключается в том, что экспериментальному измерению доступны лишь некие интегральные характеристики, и информация о неоднородностях среды содержится в них в неявном виде. В работе [78] для восстановления распределения теплопроводности и теплоемкости для случая нагрева гауссовым лазерным пучком и профилей неоднородности, зависящей только от глубины, было предложено аналитическое выражение для температуры поверхности, основанное на сеточной аппроксимации температуры поверхности в виде так называемой цепной дроби и была решена обратная задача. Эффективность предложенного алгоритма была проверена экспериментально: использовались радиальная и частотная зависимость амплитуды и фазы тепловой волны при регистрации методом «миража» для восстановления распределения теплопроводности и теплоемкости по глубине для образцов закаленной стали [79].
