Возможности визуализации дефектов образцов с использованием газового разряда атмосферного давления

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Возможности, классификация и объекты методов дефектоскопии

1.1.1 Ультразвуковая методика

1.1.2 Методы, основанные на электромагнитных явлениях

1.1.3 Методы, использующие рентгеновское излучение

1.2 Типы газовых разрядов

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОЫ

2.1 Экспериментальная установка

2.1.1 Принципиальная электрическая схема источника питания

2.1.2 Источник питания

2.1.3 Краткие технические характеристики источника питания

2.2 Задающий генератор сигналов Г3−36

2.3 Экспериментальная разрядная ячейка

2.4 Съемный, гибкий зонд для изучения объектов

3. ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

3.1 Эмалированная одножильная медная проволока

3.2 Медный провод с резиновой изоляцией

3.3 Коаксиальный кабель

3.4 Четырёхжильный кабель ВЫВОДЫ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

???

Использование плазмы в промышленных целях — перспективное и быстро развивающееся направление научно-технической мысли. Перейдя в состояние плазмы, вещество приобретает новую способность воздействовать на контактирующие с ним материалы. Конкретные свойства плазмы и её типы варьируются в зависимости от различных параметров процесса (типа газа, частоты источника возбуждения, длительности обработки и т. д.), а от этих свойств, в свою очередь, зависят области её применения. Сегодня спектр применения плазмы атмосферного давления чрезвычайно широк. Во многих отраслях промышленности обработка плазмой атмосферного давления уже прочно вошла в обиход. В других сферах — активно ведутся поиски новых прикладных решений. Проводимые опыты демонстрируют широкий перспективный потенциал плазменной технологии. В связи с этим, «плазменные» методы, в частности методы, основанные на диэлектрическом барьерном разряде (ДБР) при атмосферном давлении позволяют решать ряд проблемных вопросов в методах применимых в современном производстве промышленной электроники. Так, особо перспективное применение плазмы атмосферного давления, — это методы дефектоскопии, неразрушающего контроля (НК) поверхности, применяемые в микроэлектронной, оптико-механической и оборонной промышленности для контроля качества высококлассных поверхностей, прозрачных и непрозрачных материалов, включая оптические, монокристаллические и металлические поверхности, контроль наличия поверхностных дефектов, неровностей, сколов, в том числе и для визуализации внутренних дефектов материалов и изделий, применимых в промышленности.

Цели работы

1. Используя возможности поверхностно — барьерного разряда, качественно изучить возможности плазменной визуализации дефектов промышленных установок.

2. Исследовать возможности плазменной визуализации различных типов дефектов для проводов и промышленных кабелей.

Структура и объём работы Работа состоит из введения, литературного обзора, методики экспериментов, обсуждения результатов, выводов и списка литературы.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Возможности, классификация и объекты методов дефектоскопии

Дефектоскопия (от лат. defectus — недостаток и skopeo — смотрю, рассматриваю, наблюдаю), комплекс методов и средств неразрушающего контроля материалов и изделий с целью обнаружения дефектов. Дефектоскопия включает: разработку методов и аппаратуру (дефектоскопы и др.); составление методик контроля; обработку показаний дефектоскопов.

Вследствие несовершенства технологии изготовления или в результате эксплуатации в тяжёлых условиях в изделиях появляются различные дефекты — нарушения сплошности или однородности материала, отклонения от заданного химического состава или структуры, а также от заданных размеров. Дефекты изменяют физические свойства материала (плотность, электропроводность, магнитные, упругие свойства и др.). В основе существующих методов дефектоскопии лежит исследование физических свойств материалов при воздействии на них рентгеновских, инфракрасных, ультрафиолетовых и гамма-лучей, радиоволн, ультразвуковых колебаний, магнитного и электростатического полей и другое.

Дефектоскопия — равноправное и неотъемлемое звено технологических процессов, позволяющее повысить надёжность выпускаемой продукции. Однако методы дефекоскопии не являются абсолютными, т.к. на результаты контроля влияет множество случайных факторов. Об отсутствии дефектов в изделии можно говорить только с той или иной степенью вероятности. Надёжности контроля способствует его автоматизация, совершенствование методик, а также рациональное сочетание нескольких методов. Годность изделий определяется на основании норм браковки, разрабатываемых при их конструировании и составлении технологии изготовления. Нормы браковки различны для разных типов изделий, для однотипных изделий, работающих в различных условиях, и даже для различных зон одного изделия, если они подвергаются различному механическому, термическому или химическому воздействию.

Применение дефектоскопии в процессе производства и эксплуатации изделий даёт большой экономический эффект за счёт сокращения времени, затрачиваемого на обработку заготовок с внутренними дефектами, экономии металла и др. Кроме того, дефектокопия играет значительную роль в предотвращении разрушений конструкций, способствуя увеличению их надёжности и долговечности.

1.1.1 Ультразвуковая методика

Ультразвуковая дефектоскопия — метод, предложенный С. Я. Соколовым в 1928 году и основанный на исследовании процесса распространения ультразвуковых колебаний с частотой 0,5 — 25 МГц в контролируемых изделиях с помощью специального оборудования — ультразвукового дефектоскопа. Является одним из самых распространенных методов неразрушающего контроля.

Звуковые волны не изменяют траектории движения в однородном материале. Отражение акустических волн происходит от раздела сред с различными удельными акустическими сопротивлениями. Чем больше различаются акустические сопротивления, тем большая часть звуковых волн отражается от границы раздела сред. Так как включения в металле обычно содержат газ (смесь газов) возникающих вследствие процесса сварки, литья и т. п. и не успевают выйти наружу при затвердевании металла, смесь газов имеет на пять порядков меньшее удельное акустическое сопротивление, чем сам металл, то отражение будет практически полное.

Разрешающая способность акустического исследования, то есть способность выявлять мелкие дефекты раздельно друг от друга, определяется длиной звуковой волны, которая в свою очередь зависит от частоты ввода акустических колебаний. Чем больше частота, тем меньше длина волны. Эффект возникает из-за того, что при размере препятствия меньше четверти длины волны, отражения колебаний практически не происходит, а доминирует их дифракция. Поэтому, как правило, частоту ультразвука стремятся повышать. С другой стороны, при повышении частоты колебаний быстро растет их затухание, что сокращает возможную область контроля. Практическим компромиссом стали частоты в диапазоне от 0,5 до 10 МГц.

Существующие акустические методы неразрушающего контроля подразделяют на две большие группы — активные и пассивные.

Активные методы контроля подразумевают под собой излучение и приём акустических волн:

Методы отражения:

а) Эхо-метод или эхо-импульсный метод.

Исследование с помощью эхо-метода имеет две основные особенности:

— ультразвуковые колебания генерируются и принимаются в виде импульсов;

— дефектоскоп различает импульсы, приходящие в разное время (аналогично принципу радиолокации).

Структурная схема дефектоскопа, действующего на принципе эха, представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема дефектоскопа, действующего на принципе эха. а) — блок-схема; б) — форма ультразвукового импульса.

Ламповый или транзисторный генератор генерирует короткие периодические импульсы высокой частот которые подводят к ультразвуковому излучательному преобразователю (кварцевая пластинка в соответствующем корпусе), приложенному к исследуемой детали.

Излучаемая преобразователем ультразвуковая волна распространяется в толще исследуемого элемента и отражается от его дна или дефекта. Отражённая ультразвуковая волна возбуждает колебания в другом преобразователе-приёмнике, аналогичном излучающему и размещённому рядом, благодаря чему в нём возникает напряжение, по форме повторяющее импульсы излучателя, но сдвинутое по времени. Это напряжение усиливают и подают на пластины вертикального отклонения электроннолучевой трубки. Одновременно на пластины развёртки подают напряжение от генератора линейной развёртки (частота посылок). В результате на экране электроннолучевой трубки получаются три сдвинутых относительно друг друга импульса: входной импульс, импульс, отражённый от дна, и лежащий между ними импульс, отражённый от дефекта. Последний имеет место в случае наличия дефекта.

Несущая частота импульса может ступенчато изменяться в зависимости от вида исследуемого материала. Длительность импульса обычно составляет от 0,5 до 5 мкс. Чем короче импульс, тем меньшая глубина может быть исследована (что также зависит от материала); импульсами 0,5 мкс можно искать дефекты на глубине около 1,5 мм, при этом верхняя граница глубины достигает нескольких метров.

Определение места дефекта проводят на основании пропорции, имеющейся между временными отрезками импульсов на экране осциллографа и размерами исследуемой детали (например, толщины исследуемой детали). Для более быстрой оценки глубины расположения дефекта используют метки времени или расстояния.

Дефектоскопы, работающие на принципе эхо-метода, используют для обнаружения в стальных изделиях таких дефектов, как расслоение и усталостные трещины в деталях машин, поры, расслоения и неметаллические включения в поковках, трещины в слитках, неоднородность стальных соединений и т. д.

б) Зеркальный или Эхо-зеркальный метод.

Эхо-зеркальный метод ультразвукового контроля основывается на излучении в контролируемое изделие коротких зондирующих импульсов наклонным пьезоэлектрическим преобразователем, работающим как в раздельном, так и в раздельно-совмещенном режимах излучения-приема ультразвуковых колебаний, имеющим две пьезоэлектрические пластины, развернутые относительно продольной оси рельса под одинаковыми углами разворота ультразвукового луча на обе грани головки рельса и с одинаковыми углами ввода ультразвукового луча в одном направлении по ходу движения пьезоэлектрического преобразователя, и регистрации эхо-сигнала трижды зеркально отраженного от стандартного отражателя (стандартными отражателями называются какие-либо поверхности на рельсе, являющиеся конструктивной особенностью геометрии рельса в процессе его изготовления — поверхность катания головки рельса, подголовочные грани головки рельса, сопряжение головки рельса с шейкой, сопряжение шейки с подошвой, подошва и поверхности, изготовленные в процессе подготовки рельса к эксплуатации в пути в соответствии с требованием стандартов — торец, болтовое и штепсельное отверстие) одной подголовочной грани головки рельса, нестандартного отражателя (дефекта) и стандартного отражателя — другой подголовочной грани головки рельса. Движение ультразвукового луча по своей траектории образует фигуру «ромб» — к одной из подголовочной грани головки рельса, от нее к поверхности дефекта, от поверхности дефекта к другой подголовочной грани головки рельса и затем к пьезоэлектрической пластине, являющейся приемником в том же пьезоэлектрическом преобразователе.

Эхо-зеркальный метод ультразвукового контроля реализуется только в случае, если все поверхности, от которых отражаются ультразвуковые колебания, имеют зеркальную поверхность. Признаком обнаружения дефекта является регистрация эхо-сигнала пьезоэлектрической пластиной, работающей в режиме приема.

в) Ультразвуковой дифракционно-временной метод (Time of Flight Diffraction — ToFD).

Метод ToFD основан на взаимодействии ультразвуковых волн с краями несплошностей. Это взаимодействие приводит к излучению дифракционных волн в широком диапазоне углов. Обнаружение дифракционных волн позволяет установить наличие несплошности.

Время прохождения регистрируемых сигналов является мерой оценки высоты несплошности, тем самым позволяя измерить дефект. Размер несплошности всегда определяется временем прохождения дифракционных сигналов. Амплитуда сигнала не используется для определения размера.

Ультразвуковой дифракционно-временной метод основан на приеме волн, дифрагированных на вершинах дефекта.

Причем излучаются и применяются как продольные, так и поперечные волны.

Главная информационная характеристика — время прихода сигнала. Этот метод также называют времяпролетным, буквально переводя английское название Time of Flight Diffraction (ToFD).

Преимущества метода ToFD [4]:

— Наиболее существенные отличия от стандартного эхо-импульсного метода:

— Возможность достижения более высокой точности при проведении измерений, как правило, ± 1 мм, а при повторном обследовании ± 0,3 мм.

— Независимость обнаружения дефекта от его углового положения.

— Измерение параметров дефекта основано на времени прохождения пути дифракционных сигналов и не зависит от амплитуды сигнала.

— Высокая производительность контроля, так как сканирование проводится вдоль одной линии с контролем всего объёма шва.

— Документирование и хранение результатов контроля.

— 100% воспроизводимость результатов контроля.

— Изменение величины эрозии металла внутренней поверхности.

— Альтернатива радиационному методу НК.

г) Ревербационный метод.

Основан на постепенном затухании сигнала в объекте контроля. При контроле двухслойной конструкции, в случае качественного соединения слоёв, часть энергии из первого слоя будет уходить во второй, поэтому ревербация будет меньше. В обратном случае будут наблюдаться многократные отражения от первого слоя, так называемый лес. Метод используется для контроля сцепления различных видов наплавок, например, баббитовой наплавки с чугунным основанием. Основным недостатком данного метода является регистрация дефектоскопом эхо-сигналов от границы соединения двух слоёв. Причиной этих эхо-сигналов является разница скоростей упругих колебаний в материалах соединения и их различное удельное акустическое сопротивление. Например, на границе баббит-сталь возникает постоянный эхо-сигнал даже в местах качественного сцепления. В силу конструкционных особенностей некоторых изделий, контроль качества соединения материалов ревербационным методом может быть невозможен именно из-за наличия на экране дефектоскопа эхо-сигналов от границы соединения.

Основные параметры контроля эталонируют согласно ГОСТ 14 782–86 при помощи комплекта стандартных образцов КОУ 2: СО-1; СО-2; СО-3 (обязательные образцы); СО-4 (рекомендуемый). Мерой эквивалентной площади, выявленной несплошности является амплитуда отраженного от нее сигнала. Оценку эквивалентной площади осуществляют либо прямым сравнением с площадью эквивалентных отражателей, либо с помощью специальных диаграмм. Для контроля используют дефектоскопы УД3−71, УД4−76; УСН-52 — дефектоскоп с процессором, который позволяет получать твердую копию сигналов; Р — skan — компьютеризированный дефектоскоп, он производит одновременную подачу эхо-импульсов с разных позиций. Это дает более полную и точную картину состояния исследуемого металла. Ультразвуковой контроль предназначен для выявления в сварных швах и околошовной зоне трещин, непроваров, несплавлений, пор, шлаковых включений и других дефектов без расшифровки их характера, но указанием координат, условных размеров и числа обнаруженных дефектов. УЗК более надежно, чем просвечивание выявляет плоскостные дефекты (трещины, непровары кромок) ориентированные параллельно оси шва. Наружные дефекты должны быть исправлены до проведения УЗК. Поверхность шва и околошовной зоны на ширине 60−120 мм в обе стороны от шва должна быть зачищена механическим способом. Шероховатость поверхности, подготовленной под УЗК должна быть не более Rа 6,3 (Rz-40). Для контроля изделий с внешним диаметром менее 200 мм, необходимо использовать преобразователи, с радиусом кривизны подошвы R, равным 0,9−1,1R радиуса контролируемого объекта, так называемые притертые преобразователи, которые в таком виде непригодны для контроля изделий с плоскими поверхностями.

Ультразвуковое исследование не разрушает и не повреждает исследуемый образец, что является его главным преимуществом. Возможно проводить контроль изделий из разнообразных материалов, как металлов, так и неметаллов. Кроме того, можно выделить высокую скорость исследования при низкой стоимости и опасности для человека (по сравнению с рентгеновской дефектоскопией) и высокую мобильность ультразвукового дефектоскопа.

Как правило ультразвуковая дефектоскопия не может дать ответ на вопрос о реальных размерах дефекта, лишь о его отражательной способности в направлении приемника. Эти величины коррелируют, но не для всех типов дефектов. Кроме того, некоторые дефекты практически невозможно выявить ультразвуковым методом в силу их характера, формы или расположения в объекте контроля. Практически невозможно производить достоверный ультразвуковой контроль металлов с крупнозернистой структурой, таких как чугун или сварной шов (толщиной свыше 60 мм) из-за большого рассеяния и сильного затухания ультразвука. Кроме того, затруднителен контроль малых деталей или деталей со сложной формой.

д) Акустическая микроскопия.

Совокупность методов визуализации микроструктуры и формы малых объектов с помощью УЗи гиперзвуковых волн. Она включает в себя также методы измерения локальных характеристик упругих и вязких свойств объекта и их распределений, но его поверхности или внутри объёма. Акустическая микроскопия основана на том, что УЗ-волны, прошедшие, отражённые или рассеянные отдельными участками объекта, имеют различные характеристики (амплитуду, фазу и др.) в зависимости от локальных вязкоупругих свойств образца. Эти различия позволяют методами визуализации звуковых полей получать акустические изображения на экране дисплея. В зависимости от способа преобразования акустических полей в видимое изображение различают сканирующую лазерную акустическая микроскопия и сканирующую растровую акустическая микроскопия.

Сканирующая лазерная акустическая микроскопия представляет собой разновидность голографии акустической, предназначенную для визуализации малых объектов. При облучении плоской УЗ-волной объекта, помещённого в жидкость, фронт волны после прохождения образца искажается из-за неоднородных фазовых задержек, а амплитуда изменяется в соответствии с неоднородностью коэффициент отражения и поглощения в объекте. Прошедшая волна падает на свободную поверхность жидкости и создаёт на ней поверхностный рельеф, соответствующий акустическому изображению объекта. Рельеф считывается световым лучом и воспроизводится на экране дисплея.

В сканирующей растровой акустическая микроскопия сфокусированный УЗ-пучок перемещается по объекту, изображение которого воссоздаётся по точкам в виде растра. Фокусированная волна, падая на образец, частично отражается от объекта, частично поглощается и рассеивается в нём, а частично проходит через него. Принимая ту или иную часть излучения, можно судить об акустических свойствах образца в области, размеры которой определяются размерами фокального пятна.

Методы прохождения.

Методы прохождения подразумевают под собой наблюдение за изменением параметров ультразвуковых колебаний, прошедших через объект контроля, так называемых сквозных колебаний. Изначально для контроля применялось непрерывное излучение, а изменение его амплитуды сквозных колебаний расценивалось как наличие дефекта в контролируемом объекте, так называемой звуковой тени. Отсюда появилось название теневой метод. Со временем непрерывное излучение сменилось импульсным, а к фиксируемым параметрам помимо амплитуды добавились также фаза, спектр и время прихода импульса и появились другие методы прохождения. Термин теневой потерял свой первоначальный смысл и стал означать один из методов прохождения. В англоязычной литературе метод прохождения называется «through transmission technique или through transmission method», что полностью соответствует его российскому названию. Термин теневой в англоязычной литературе не применяется.

а) Теневой метод.

Основан на применении двух устройств: лампового или транзиторного генератора с ультразвуковым передающим преобразователем и ультразвукового приёмного преобразователя с усилением и прибора, показывающим относительную интенсивность ультразвука. Принцип действия дефектоскопа, основанного на теневом методе, иллюстрирует рис. 2.

Рис. 2. Дефектоскоп, основанный на теневом методе.

1 — генератор высокочастотных колебаний; 2 — излучатель; 3 -исследуемая деталь; 4 — дефект; 5 — контактная (иммерсионная) жидкость; 6 — приёмный преобразователь; 7 — измерительный прибор.

Излучатель (передающий преобразователь) посылает пучок ультразвуковых колебаний, направленный на исследуемую деталь. В месте расположения дефекта происходит отражение и затухание ультразвуковых колебаний, и количество проходящей энергии снижается. За дефектом образуется как бы тень, в которой интенсивность ультразвуковых колебаний очень мала. Измерение интенсивности проходящей энергии позволяет судить о месте расположения дефекта и даже о его размерах. Диапазон применяемых частот находится в пределах от 100 кГц до 3 МГц.

Теневой метод находит наибольшее применение для исследования отливок. Отливка, имеющая весьма неровную поверхность, погружается вместе с двумя преобразователями в контактную жидкость (вода или масло). Преобразователи механически скреплены между собой, что облегчает их перемещение вдоль детали. Этим методом также пользуются при исследовании листов, прутков, проволоки и т. д. [6,7].

б) Зеркально-теневой метод.

Используется для контроля деталей с двумя параллельными сторонами, развитие теневого метода: анализируются отражения от противоположной грани детали. Признаком дефекта, как и при теневом методе, будет считаться пропадание отраженных колебаний. Основное достоинство этого метода в отличие от теневого заключается в доступе к детали, с одной стороны.

По технике выполнения (фиксируется эхосигнал) — это метод отражения, а по физической сущности контроля (измеряют ослабления сигнала, дважды прошедшего ОК в зоне несплошности) — близок к теневому методу. Зеркально — теневой метод часто применяют одновременно с эхо-методом. Наблюдают за появлением эхосигналов и за возможным ослаблением донного сигнала несплошностями, которые не дают четких эхосигналов и плохо выявляются эхо-методом. Это может быть скопление очень мелких несплошность или несплошность, расположенный так, что отраженный от него сигнал уходит в сторону и не попадает на приемный преобразователь [6,15].

в) Временной теневой.

Основан на запаздывании импульса во времени, затраченного на огибание дефекта. Используется для обнаружения трещин, возникающих в железобетонных конструкциях при их нагружении, причём появление трещины регистрируется при меньших (25−30%) нагрузках, чем при других известных способах. Метод применим для обследования трещиностойкости шпал в заводских условиях, предварительно напряжённых железобетонных пролётных строений мостов и др. [7,15].

г) Ревербационно-сквозной метод.

На небольшом расстоянии друг от друга, как правило, с одной стороны изделия, устанавливают два преобразователя — передатчик и приёмник. Ультразвуковые волны, посылаемые в объект контроля после многократных отражений, в конечном счете, попадают на приёмник. Отсутствие дефекта позволяет наблюдать стабильные отраженные сигналы. При наличии дефекта изменяется распространение ультразвуковых волн — изменяется амплитуда и спектр принятых импульсов. Метод применяется для контроля многослойных конструкций и полимерных композитных материалов.

1.1.2 Методы, основанные на электромагнитных явлениях

Значительное внимание всегда уделялось вопросам учета нелинейности в условиях переменного намагничения тел. Здесь, прежде всего, нужно отметить один интересный нелинейный эффект, открытый в 1956 году. Эффект состоит в том, что глубинный дефект в ферромагнитном теле, не выявляющийся при намагничении последнего слабым переменным полем из-за сильно выраженного скин-эффекта и незначительной величины поля, начинает четко обнаруживаться индукционными датчиками, если дополнительно наложить на тело достаточно сильное постоянное поле. Описанное явление получило качественно и частично количественное толкование. На базе его с определенным успехом разрабатывался новый вариант методики выявления скрытых дефектов. Сущность этой методики заключается в том, что крытый дефект в ферромагнитном изделии может быть выявлен при помощи дефектоскопа переменного поля, если это изделие внести в достаточно сильное постоянное поле. К числу работ более позднего времени относятся аналитические и экспериментальные исследования магнитостатических полей рассеяния поверхностных дефектов с учетом влияния на поле дефекта нелинейности кривой намагничения [7,8]. Кроме того, в последнее время в рамках конверсии проводятся работы по исследованию возможности использовать нелинейное рассеяние зондирующего электромагнитного излучения контролируемым объектом (дефектом) с целью повышения помехозащищенности и надежности электромагнитных методов дефектоскопии и контроля. Суть этого эффекта заключается в том, что некоторые объекты (дефекты) или их элементы при облучении электромагнитными волнами обладают способностью генерировать спектральные составляющие, отсутствующие в спектре падающего потока электромагнитного излучения. Само явление обратного излучения на составляющих (гармониках) спектра, наблюдаемое при облучении некоторых металлических объектов, в частности подверженных коррозийным воздействиям электромагнитными волнами, известно давно, еще с начала 40-х годов. Но лишь в конце 60-х годов этот эффект начали использовать целенаправленно для решения различных радиолокационных задач в условиях сильных фоновых полей от поверхности земли, листвы, деревьев, морской поверхности и т. д.

В то же время перспективность использования метода нелинейного рассеяния для дефектоскопии и контроля весьма обнадеживающая из-за высокой вероятности появления нелинейности в дефектных местах: усиленная коррозия, окислы, непровары сварных швов и т. п. Перспективность практического использования метода тоже очень заманчива, особенно для дистанционного контроля и диагностики различных трубопроводов в полевых условиях.

В 1997 году по инициативе предприятий «Гипс-Кнауф» и «JointPower» был разработан и запущен в серийное производство конвейерный металлодетектор МД800−2К, отличительной особенностью которого является использование нового принципа электромагнитного зондирования контролируемого пространства. Основное преимущество указанного металлодетектора заключается в том, что за счет полимодального метода контроля обеспечивается полная электромагнитная совместимость нескольких датчиков металла, а это, в свою очередь, позволяет достаточно гибко конфигурировать контролируемую зону с максимально возможным учетом специфических особенностей технологического оборудования.

Подводя краткий итог работ в области дефектоскопии и электромагнитного контроля [20], следует подчеркнуть одно важное обстоятельство — вся история развития этого научного направления характеризуется сочетанием фундаментальности в постановке и глубине разработки проблем с практической целенаправленностью. Все научные проблемы исходили из потребностей практики, а научные результаты находили свое применение на практике.

1.1.3 Методы, использующие рентгеновское излучение

Источником гамма-лучей могут быть естественные радиоактивные элементы или искусственные радиоактивные изотопы. Радиоактивные элементы или искусственные изотопы, применяемые в качестве гамма-лучей для дефектоскопии, должны обладать следующими свойствами: достаточно большой период полураспада, доступная цена и отсутствие газовых, радиоактивных продуктов распада.

Для целей дефектоскопии чаще всего используют изотопы кобальта и иридия — кобальт-60 и иридий-192, получаемые как продукт распада в ядерных реакторах.

В связи с тем, что интенсивное излучение представляет значительную опасность для здоровья человека, радиоактивный препарат помещают в специальные контейнеры из свинца и чугуна, так называемых бомбах (например, кобальтовая бомба).

Радиоактивный препарат помещают внутри такой защиты на вдвигаемой или вворачиваемой штанге. Положение штанги по отношению к отверстию, через которое и происходит излучение, можно менять вручную при помощи тросов или с помощью управляемых на расстоянии пружинных и электромагнитных механизмов. На рис. 4 представлен один из типов контейнера для кобальта-60.

Рис. 3. Контейнер для кобальта-60.

1 — чугунный корпус;2 — свинцовый экран;3 — препарат изотопа в нерабочем положении;4 — препарат в рабочем положении;5 — препарат в рабочем положении для кругового просвечивания;6 — вкладыш для переноски и изъятия препарата изотопа;7 — защитный винт, выкручиваемый в рабочем состоянии; 8 — трос для дистанционного перемещения препарата (ручное управление).

В результате просвечивания исследуемой детали, в которой проверяют отсутствие дефектов, происходит засветка специальной фотоплёнки, что аналогично методу рентгенографии. Этот метод называется радиографией гамма-лучами или коротко — геммаграфией. Соответствующая конструкция контейнера с радиоактивным изотопом позволяет одновременно исследовать несколько однотипных деталей, как это показано на рис. 4.

Рис. 4. Контейнер с радиоактивным изотопом.

1 — предупреждающий плакат;2 — пульт управления;3 — штатив; 4 — контейнер с источником гамма-излучения;5 — кассеты с фотоплёнками; 6 — исследуемые детали.

Одно из наиболее распространенных применений рентгеновского излучения в промышленности — контроль качества материалов и дефектоскопия. Рентгеновский метод является неразрушающим, так что проверяемый материал, если он найден удовлетворяющим необходимым требованиям, может затем использоваться по назначению. И рентгеновская, и гамма-дефектоскопия основаны на проникающей способности рентгеновского излучения и особенностях его поглощения в материалах. Проникающая способность определяется энергией рентгеновских фотонов, которая зависит от ускоряющего напряжения в рентгеновской трубке. Поэтому толстые образцы и образцы из тяжелых металлов, таких, например, как золото и уран, требуют для их исследования рентгеновского источника с более высоким напряжением, а для тонких образцов достаточно источника и с более низким напряжением. Для гамма-дефектоскопии очень крупных отливок и крупного проката применяются бетатроны и линейные ускорители, ускоряющие частицы до энергий 25 МэВ и более. Поглощение рентгеновского излучения в материале зависит от толщины поглотителя d и коэффициента поглощения m и определяется формулой I = I₀e-md, где I — интенсивность излучения, прошедшего через поглотитель, I₀ — интенсивность падающего излучения, а e = 2,718 — основание натуральных логарифмов. Для данного материала при данной длине волны (или энергии) рентгеновского излучения коэффициент поглощения является константой. Но излучение рентгеновского источника не является монохроматичным, а содержит широкий спектр длин волн, вследствие чего поглощение при одной и той же толщине поглотителя зависит от длины волны (частоты) излучения. Рентгеновское излучение широко применяется во всех отраслях промышленности, связанных с обработкой металлов давлением. Оно также применяется для контроля артиллерийских стволов, пищевых продуктов, пластмасс, для проверки сложных устройств и систем в электронной технике. (Для аналогичных целей применяется и нейтронография, в которой вместо рентгеновского излучения используются нейтронные пучки). Рентгеновское излучение применяется и для других задач, например, для исследования полотен живописи с целью установления их подлинности или для обнаружения добавочных слоев краски поверх основного слоя.

Рентгенодефектоскопия основана на поглощении рентгеновских лучей, которое зависит от плотности среды и атомного номера элементов, образующих материал среды. Наличие таких дефектов, как трещины, раковины или включения инородного материала, приводит к тому, что проходящие через материал лучи ослабляются в различной степени. Регистрируя распределение интенсивности проходящих лучей, можно определить наличие и расположение различных неоднородностей материала.

Чувствительность методов рентгенодефектоскопии определяется отношением протяжённости дефекта в направлении просвечивания к толщине детали в этом сечении и для различных материалов составляет 1—10%. Применение рентгенодефектоскопии эффективно для деталей сравнительно небольшой толщины, т.к. проникающая способность рентгеновских лучей с увеличением их энергии возрастает незначительно. Рентгенодефектоскопию применяют для определения раковин, грубых трещин, ликвационных включений в литых и сварных стальных изделиях толщиной до 80 мм и в изделиях из лёгких сплавов толщиной до 250 мм. Для этого используют промышленные рентгеновские установки с энергией излучения от 5—10 до 200—400 кэв (1 эв = 1,60 210 · 10^-19Дж). Изделия большой толщины (до 500 мм) просвечивают сверхжёстким электромагнитным излучением с энергией в десятки Мэв, получаемым в бетатроне.

Газовые разряды, и плазма в том числе, могут послужить инструментом для расширения возможностей дефектоскопии.

1.2 Типы газовых разрядов

В настоящее время существует множество видов газовых разрядов, подтверждением тому могут служить их различные классификации, например:

Характеристика газового разряда по признаку питающего напряжения.

А) Постоянного тока.

Б) ВЧ плазма.

Для возбуждения и поддержания тлеющего разряда постоянного тока необходимо, чтобы два проводящих (металлических) электрода находились в непосредственном контакте с зоной плазмы. С технологической точки зрения такая конструкция плазмохимического реактора является не всегда удобной. Во-первых, при проведении процессов плазменного нанесения диэлектрических покрытий непроводящая пленка может также образовываться и на электродах. Это приведет к увеличению нестабильности разряда и в конечном итоге к его затуханию. Во-вторых, в реакторах с внутренними электродами всегда существует проблема загрязнений целевого процесса материалами, удаляемыми с поверхности электрода в ходе физического распыления или химических реакций с частицами плазмы. Избежать этих проблем, в том числе и полностью отказаться от использования внутренних электродов, позволяет использование периодических разрядов, возбуждаемых не постоянным, а переменным электрическим полем.

Реально используемый для возбуждения плазмы диапазон частот не слишком велик. Это связано с тем, что работающие установки могут создавать помехи радиосвязи. Международными договоренностями выделены несколько частот для промышленных установок. Наиболее употребительными являются частоты 13.56 МГц и 2450 МГц. Первая частота относится к области частот, называемых высокими (ВЧ разряд), а вторая — к области сверхвысоких частот (СВЧ разряд).

Для ВЧ разрядов существуют разные способы их возбуждения, которые делят по признаку того, замыкаются ли силовые линии электрического поля в плазме или нет. К первой группе относятся индукционные разряды, где разряд возбуждается путем подачи переменного тока в соленоид, внутри которого расположен реактор из диэлектрического материала. Силовые линии электрического поля представляют собой окружности концентрические с витками соленоида, а магнитное поле направлено вдоль оси соленоида. Такой разряд называют разрядом Н-типа. Ко второй группе относятся разряды, в которых переменное напряжение подается на электроды, которые могут находиться в непосредственном контакте с плазмой, либо быть изолированными от нее.

Плазма ВЧ разряда находит широкое применение в технологии микроэлектроники при проведении процессов нанесения покрытий, травления материалов и модификации поверхности. Существование нескольких способов возбуждения ВЧ разряда обуславливает существование нескольких типов плазмохимических ВЧ реакторов.

В) Наносекундные разряды. Наносекундный СВЧ разряд является новым направлением и в исследованиях плазмохимии газовых разрядов. Высокие значения приведенного электрического поля в таком разряде способствуют эффективному протеканию процессов, требующих высокой энергии электронов, таких как ионизация, диссоциация и возбуждение электронных уровней молекул и атомов. Одновременно, короткая длительность импульсов обеспечивает отсутствие значительного нагрева газа и приводит к закалке образующихся продуктов, предотвращая их термическое разложение. Отмеченные особенности делают наносекундный СВЧ разряд весьма близким по своим параметрам и свойствам к барьерному, импульсному коронному и пучковому разрядам, уже нашедшим широкое применение в различных плазмохимических технологиях.

Наносекундный разряд характеризуется обилием пространственных форм и структур. Выбирая давление газа, мощность и электродинамическую систему, создающую разряд, можно изменять параметры образующейся плазмы и таким образом оптимизировать эффективность плазмохимических процессов. Кроме того, такой разряд хорошо согласован с падающей волной, так что большая часть СВЧ мощности эффективно поглощается в разрядной плазме. Эти особенности делают наносекундный СВЧ разряд весьма привлекательным для реализации плазмохимических процессов, протекающих в сильно неравновесной низкотемпературной плазме.

Отметим, что большинство приложений низкотемпературной плазмы предполагает либо непрерывное поддержание разряда, либо использование импульсно-периодического режима с достаточно высокой средней мощностью. В случае наносекундного СВЧ разряда это приводит к необходимости создания недорогих и эффективных источников излучения, способных работать с высокой частотой следования импульсов.

Таким образом, разнообразие возможных эффектов и практических приложений разряда, создаваемого излучением большой интенсивности и малой длительности, делают изучение такого разряда и разработку эффективных СВЧ источников для его создания весьма актуальной задачей.

Г) Пульсирующие разряды.

Оптический пульсирующий разряд (ОПР) в сверхзвуковом потоке газа стабильно горит в фокальной плоскости при частоте повторения импульсов f = 20 — 100 кГц. ОПР в потоке газа применяется для аэрофизического моделирования, а также представляет интерес для аэрокосмичских задач и плазмохимии.

Характеристика газового разряда по давлению плазмообразующего газа.

А) Плазма атмосферного давления.

Б) Плазма пониженного давления.

Такая плазма генерируется в закрытых камерах в условиях вакуума (10^-3 — 10^-9 бар). Уменьшенное относительно атмосферного давления количество частиц на единицу объема приводит к увеличению свободного пути пробега и сравнительно более низкому числу процессов столкновения. В связи с этим плазма имеет меньшую склонность к релаксации и способна далеко распространяться в пространстве. Для эвакуации камеры необходимы мощные насосы. Плазма низкого давления не подходит для поточной обработки.

В) Плазма повышенного давления.

Источники плазмы высокого (от 1000 Па до атмосферного и, редко, выше) давления называют плазмотронами или плазменными горелками. В них, как правило, плазма образуется в специальной разрядной камере, сквозь которую продувается плазмообразующий газ. Наиболее часто используются дуговой или индукционный разряд. Для небольших мощностей (до нескольких кВт) распространены также СВЧ плазмотроны.

Плазма высокого давления генерируется, например, в специальных газоразрядных лампах. Для предварительной обработки поверхности она непригодна.

Характеристика газового разряда по температуре.

Плазму делят на низкотемпературную (температура меньше миллиона K) и высокотемпературную (температура миллион K и выше). Такое деление обусловлено важностью высокотемпературной плазмы в проблеме осуществления управляемого термоядерного синтеза. Разные вещества переходят в состояние плазмы при разной температуре, что объясняется строением внешних электронных оболочек атомов вещества: чем легче атом отдает электрон, тем ниже температура перехода в плазменное состояние.

В неравновесной плазме электронная температура существенно превышает температуру ионов. Это происходит из-за различия в массах иона и электрона, которое затрудняет процесс обмена энергией. Такая ситуация встречается в газовых разрядах, когда ионы имеют температуру около сотен, а электроны около десятков тысяч K.

В равновесной плазме обе температуры равны. Поскольку для осуществления процесса ионизации необходимы температуры, сравнимые с потенциалом ионизации, равновесная плазма обычно является горячей (с температурой больше нескольких тысяч K).

А) Высокотемпературная плазма.

Высокотемпературная плазма, возникающая в результате термической ионизации, является равновесной или, другими словами, изотермической плазмой. Степень ее ионизации очень велика, благодаря чему она является очень хорошим проводником — проводимость высокотемпературной плазмы сопоставима с проводимостью металлов.

Температура поверхности Солнца и звёзд равна нескольким тысячам градусов по Цельсию, их недра разогреты до миллионов градусов. Отсюда следует, что значительная часть вещества Вселенной, сконцентрированная в звёздах, находится в состоянии высокотемпературной плазмы.

Б) Низкотемпературная плазма.

Низкотемпературной называют плазму, у которой средняя энергия электронов меньше характерного потенциала ионизации атома (<10 эВ); температура её обычно не превышает 10⁵ К. Плазма с более высокой температурой называют горячей или высокотемпературной. Обычно низкотемпературная плазма слабоионизованная, т. е. число нейтральных атомов и молекул значительно превышает число заряженных частиц — электронов и ионов. Отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объёма называется степенью ионизации плазмы. Поскольку кулоновское взаимодействие между заряженными частицами значительно сильнее, чем взаимодействие между нейтральными частицами, и это взаимодействие дальнодействующее, то наличие заряженных частиц в низкотемпературной плазме в большой степени определяет её свойства, в т. ч. электрические и электромагнитные. Много видов низкотемпературной плазмы существует в природе (рис. 3). Низкотемпературная плазма в соответствии с физическими свойствами может быть стационарной, нестационарной, равновесной, неравновесной, идеальной и неидеальной.

Рис. 5. Виды низкотемпературной плазмы, существующие в природе.

Стационарная и нестационарная низкотемпературная плазма.

Стационарная низкотемпературная плазма обладает большим временем жизни по сравнению с временами релаксации в ней. Нестационарная (импульсная) низкотемпературная плазма живёт ограниченное время, определяемое как временем установления равновесия в плазме, так и внешним условиями. Плазма, время жизни которой превышает характерное время переходных процессов, наз. квазистационарной. Например, плазма в канале молнии образуется и поддерживается в результате прохождения через него электрического тока. Характерное время установления равновесия в проводящем канале ~10^-5 с, характерное время расширения (т. е. разрушения) этого проводящего канала ~10^-3 с, поэтому в течение прохождения основной части тока через проводящий канал плазму в нём можно считать квазистационарной.

Равновесная и неравновесная низкотемпературная плазма.

Низкотемпературная плазма называется равновесной, если её компоненты находятся в термодинамическом равновесии, т. е. температура электронов, ионов и нейтральных частиц совпадает. В низкотемпературной плазме легко создаются неравновесные условия в результате селективного действия внешних электрических полей: электрическая энергия от них передаётся заряженным частицам, а те отдают её частицам газа при столкновениях. При таком способе введения энергии средняя энергия заряженных частиц может значительно отличаться от тепловой энергии нейтральных частиц. В первую очередь это относится к электронам, которые из-за малой массы неэффективно обмениваются энергией при упругом столкновении с нейтральными частицами газа. При этом не только средняя энергия электронов, но и вид распределения электронов по энергиям может существенно отличаться от равновесного.

Равновесная плазма обычно реализуется в газе при высоком давлении, где столкновения частиц происходят часто и скорость установления равновесия относительно велика. Примерами такой плазмы являются плазма дугового разряда при атмосферном давлении, плазма искрового разряда или молнии в атмосфере.

Характерным примером неравновесной плазмы является плазма тлеющего разряда или плазма дугового разряда низкого давления; напр., в плазме гелий-неонового лазера при давлении газа ~10 тор температура газа в центре разрядной трубки примерно 400 К, тогда как средняя энергия электронов несколько эВ.

Идеальная и неидеальная плазма.

Плазма считается идеальной, если средняя кинетическая энергия заряженных частиц (3/2)kТ много больше средней энергии её взаимодействия с окружающими частицами.

Характеристика газового разряда по виду вольтамперной характеристики (ВАХ).

Рис. 6. ВАХ температура тихого разряда.

Рис. 7. ВАХ разряда.

Электрический разряд в газах, прохождение электрического тока через газовую среду под действием электрического поля, сопровождающееся изменением состояния газа. Многообразие условий, определяющих исходное состояние газа (состав, давление и т. д.), внешних воздействий на газ, форм, материала и расположения электродов, геометрии возникающего в газе электрического поля и т. п. приводит к тому, что существует множество видов Электрический разряд в газе, причём его законы сложнее, чем законы прохождения электрического тока в металлах и электролитах. Электрический разряд в газе подчиняются Ома закону лишь при очень малой приложенной извне разности потенциалов, поэтому их электрические свойства описывают с помощью вольтамперной характеристики (рис. 6 и 7).

Газы становятся электропроводными при их ионизации. Если электрический разряд в газах происходит только при вызывающем и поддерживающем ионизацию внешнем воздействии (при действии т. н. внешних ионизаторов), его называют несамостоятельным газовым разрядом. Электрический разряд в газах, продолжающийся и после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным.

Когда ионизация газа происходит при непрерывном действии внешнего ионизатора и малом значении разности потенциалов между анодом и катодом в газе, начинается «тихий разряд». При повышении разности потенциалов (напряжения) сила тока тихого разряда сперва увеличивается пропорционально напряжению (участок кривой OA на рис. 6), затем рост тока с ростом напряжения замедляется (участок кривой AB), и когда все заряженные частицы, возникшие под действием ионизатора в единицу времени, уходят за то же время на катод и на анод, усиления тока с ростом напряжения не происходит (участок ВС). При дальнейшем росте напряжения ток снова возрастает и тихий разряд переходит в несамостоятельный лавинный разряд (участок СЕ на рис. 6). В этом случае сила тока определяется как интенсивностью воздействия ионизатора, так и газовым усилением, которое зависит от давления газа и напряжённости электрического поля в пространстве, занимаемом разрядом. Тихий разряд наблюдается при давлении газа порядка атмосферного. Внешними ионизаторами могут быть: естественное радиоактивное излучение, космические лучи, потоки фотонов (сильное световое облучение), пучки быстрых электронов и т. д. Ионизаторы двух последних типов используются (преимущественно в импульсном режиме) в газовых лазерах.

Переход несамостоятельного электрического разряда в газах в самостоятельный характеризуется резким усилением электрического тока (точка Е на кривой рис. 6) и называется электрическим пробоем газа. Соответствующее напряжение U3 называется напряжением зажигания. Разряд после лавинного пробоя принимает форму тлеющего разряда, если давление газа низко (несколько мм рт. ст.). При более высоком давлении (например, при атмосферном) лавинное усиление электрического разряда в газах приводит к возникновению электрического пространственного заряда, что меняет характер процесса пробоя. Образуется один или несколько узких проводящих (заполненных плазмой) каналов, исходящих от одного из электродов. Такие каналы называются стримерами. Время образования стримеров очень мало (около 10^-7 сек).

После короткого переходного процесса самостоятельный газовый разряд становится стационарным. Обычно такой разряд осуществляют в закрытом изолирующем сосуде (стеклянном или керамическом). Ток в газе течёт между двумя электродами: отрицательным катодом и положительным анодом.

Одним из основных типов газового разряда, формирующимся, как правило, при низком давлении и малом токе (участок «в» на рис. 7), является тлеющий разряд (рис. 8):

Рис. 8. Схема областей тлеющего разряда, где главные четыре области разрядного пространства, характерные для тлеющего разряда, это:

1 — катодное тёмное пространство;2 — тлеющее свечение;3 — фарадеево тёмное пространство;4 — положительный столб.

Области 1 — 3 находятся вблизи катода и образуют катодную часть разряда, в которой происходит резкое падение потенциала (катодное падение), связанное с большой концентрацией положительных ионов на границе областей 1—2. В области 2 электроны, ускоренные в области 1, производят интенсивную ударную ионизацию. Тлеющее свечение обусловлено рекомбинацией ионов и электронов в нейтральные атомы или молекулы. Для положительного столба разряда вследствие постоянной и большой концентрации электронов характерны незначительное падение потенциала в нём, свечение, вызываемое возвращением возбуждённых молекул (атомов) газа в основное состояние (состояние с наинизшей возможной энергией), и большая электропроводность.

При увеличении разрядного тока обычный тлеющий разряд становится аномальным (рис. 7) и начинается стягивание (контракция) положительного столба. Столб отрывается от стенок сосуда, в нём начинает происходить дополнительный процесс потери заряженных частиц (рекомбинация в объёме). Предпосылкой этого является высокая плотность заряженных частиц. При дальнейшем повышении разрядного тока газ нагревается настолько, что становится возможной его термическая ионизация. Столкновения между атомами или молекулами в этом случае столь сильны, что происходит отщепление электронов. Такой разряд называется дуговым разрядом. С возрастанием тока электропроводность столба повышается, вольтамперная характеристика дугового разряда приобретает падающий характер (рис. 7). Следует отметить, что хотя он может «гореть» в широком диапазоне давлений газа и иных условий, в большинстве случаев дуговой разряд наблюдается при давлении порядка атмосферного.