Радіофізичні методи діагностики матеріалів і середовищ



Сторінка4/24
Дата конвертації09.03.2016
Розмір5.77 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   24

3РОЗДІЛ 2
РАДІОХВИЛЬОВА ДІАГНОСТИКА




  1. 2.1 Загальні питання радіохвильової діагностики


Радіохвильовий неруйнівний контроль базується на реєстрації зміни параметрів НВЧ електромагнітних хвиль радіодіапазону [5–9], що взаємодіють із контрольованим об'єктом. Діапазон довжин хвиль, що зазвичай використовуються в радіохвильовому контролі, становить 1–100 мм (у вакуумі), що відповідає частотам  Гц.

Окремі пристрої радіохвильового контролю можуть працювати на частотах f, що виходять за межі цього діапазону. Проте найчастіше для неруйнівного контролю використовують трисантиметровий діапазон (  ГГц) і восьмиміліметровий діапазон (  ГГц), які найбільш освоєні та забезпечені елементною базою й вимірювальною апаратурою. Оскільки НВЧ-коливання є поляризованими когерентними гармонічними коливаннями, це обумовлює можливість отримання високої чутливості та достовірності контролю. Радіохвильовий контроль відрізняється великою інформативністю за кількістю параметрів випромінювання, що можна використовувати. Фізичними величинами, які можуть нести корисну інформацію про параметри об'єкта контролю, є: амплітуда, фаза, зсув коливань у часі, спектральний склад, розподіл енергії у просторі, геометричні фактори, поворот площини поляризації, поява амплітудної або частотної модуляції під час руху об'єкта або зміна умов контролю і т. д. Відповідно до цього за первинним інформативним параметром розрізняють такі методи: амплітудний, фазовий, амплітудно-фазовий, геометричний, тимчасовий, спектральний, поляризаційний, голографічний та ін.

Залежно від взаємного розташування випромінювального і приймального пристроїв контроль може проводитися за випромінюванням, що пройшло, коли випромінювач і приймач розташовуються по різні боки від об'єкта; за відбитим випромінюванням, коли випромінювач і приймач розміщуються по один бік від контрольованого об'єкта і реєструється відбита частина випромінювання, і за розсіяним випромінюванням, коли приймач розташовується в області, де при номінальних параметрах контрольованого виробу інтенсивність випромінювання повинна бути близька до нуля. Радіохвильовим методом можна виробляти всебічний контроль об'єктів із діелектричних і магнітодіелектричних матеріалів, напівпровідникових структур і доступних розмірів металевих виробів.

Як відомо, надвисокочастотне випромінювання порівняно далеко поширюється у вільному просторі, й оператор може потрапити в зону випромінювання. Оскільки НВЧ-випромінювання впливає на біологічні об'єкти, то повинні дотримуватися певні санітарні норми та правила техніки безпеки.



  1. 2.2 Техніка безпеки при радіохвильовому контролі


За електричними властивостями тканини тіла людини в НВЧ-діапазоні є недосконалими діелектриками за великої наявності води (до 70 %), а глибина проникнення НВЧ-випромінювання в тіло людини може досягати приблизно 2 см для жирових тканин і 5 мм для м'язових тканин. Тому основний ефект, що визначає шкідливий вплив НВЧ-випромінювання, спостерігається в поверхневому нагріванні тіла людини (шкіри та підшкірної клітковини), що приводить до підвищення температури та зміни кров'яного тиску за рахунок розширення судин. Окремі слабозахищені органи людини є особливо чутливими до НВЧ-випромінювання, наприклад очі мають слабку терморегуляцію та внаслідок тривалого опромінення може з'явитися помутніння кришталика ока, що потребує їх спеціального захисту.

Для діапазону хвиль випромінювань, що застосовується в радіохвильовому контролі, інтенсивність випромінювання електромагнітних хвиль завжди унормована в одиницях щільності потоку потужності. Допустимі рівні опромінення залежно від тривалості впливу електромагнітного випромінювання становлять: 10 мкВт/см2 – при опроміненні протягом усього робочого дня, 100 мкВт/см2 – при опроміненні до 2 год за робочий день, 1000 мкВт/см2 – при короткочасному опроміненні (до 20 хв за робочий день) із використанням лише захисних окулярів.



Захист персоналу від небезпечного впливу НВЧ-опромінення, також як і від інших видів, далеко поширюваних випромінювань, забезпечується шляхом проведення низки заходів: зменшення рівня випромінювання, що виходить від джерела; екранування джерела випромінювання та робочого місця; поглинання електромагнітної енергії; застосування засобів індивідуального захисту.

Найбільш ефективним загальним засобом захисту від НВЧ-випромінювання є екрани з добре провідних матеріалів (алюміній, латунь, сталь та ін.), виготовлених у вигляді листів товщиною 0,5–2 мм або сітки з комірками розміром у кілька міліметрів.

Індивідуальні засоби (захисні окуляри, захисні халати, фартухи та комбінезони, захисні капюшони) використовуються для захисту людини або окремих її органів під час роботи в електромагнітних полях великої інтенсивності, коли інші заходи не можуть забезпечити необхідного ослаблення випромінювання. Захисний одяг шиють із радіотканини, що має переплетені металеві нитки, а захисні окуляри армовані металевою сіткою або мають спеціальне поглинальне покриття.

Під час проведення контролю радіохвильовим методом звичайно досить застосування заходів організаційного характеру та використання поглинального матеріалу з екраном у зоні роботи обладнання. Це дозволяє захистити достатньою мірою персонал, що працює з обладнанням, і усунути забруднення навколишнього середовища.



  1. 2.3 Основні особливості електромагнітних процесів у НВЧ-діапазоні


Детально основні положення поширення електромагнітних хвиль у різних середовищах викладені, наприклад, у [171819] а також в інших літературних джерелах. Зупинимося на загальних поняттях електромагнітних процесів при діагностиці матеріалів.

Оскільки розміри елементів НВЧ-пристроїв і відстані в НВЧ-діапазоні сумірні з довжиною хвилі коливань, електромагнітні процеси, як правило, визначаються накладенням принаймні двох хвиль – падаючої і відбитої  :

, (2.1)

причому


, (2.2)

, (2.3)


де – напруженість поля в зоні джерела; – коефіцієнт поширення, що дорівнює

, (2.4)


– коефіцієнт загасання коливань уздовж лінії; Г – коефіцієнт відбиття ; х – відстань у середовищі поширення коливань; – довжина хвилі НВЧ-коливань у загальному випадку.

Електромагнітна хвиля – це поперечна хвиля електричного і магнітного полів, охарактеризувати її можна напруженостями: електричного поля , магнітного поля та ін.; у лінії передачі – напругою U, струмом I. Усі ці величини пропорційні одна одній (коефіцієнт пропорційності є векторною величиною), тому аналіз електромагнітних процесів можна вести, використовуючи одну з них (найбільш зручно – за напруженістю електричного поля або напругою).

Якщо НВЧ-коливання передаються від джерела до приймача (навантаження), то вздовж лінії поширення (двопровідній, хвилеводу, вільного простору тощо) встановлюється певний періодичний розподіл електромагнітних величин (напруженостей електричного і магнітного полів , густини енергії і т. д.), що залежить від довжини хвилі та параметрів середовища поширення (2.2) – (2.4). Довжина хвилі у необмеженому середовищі дорівнює

, (2.5)


де с – швидкість світла у вакуумі; – відносна діелектрична проникність середовища; – відносна магнітна проникність середовища.

Якщо взяти і , то з (2.5) отримуємо довжину хвилі у вакуумі, що широко використовується при аналізі процесів у НВЧ-діапазоні.

Основним показником, що характеризує довгу лінію передачі або середовище, є хвильовий опір (імпеданс), який для монохроматичного коливання визначається за формулою

, (2.6)


де , – напруженості компонент електричного та магнітного полів відповідно.

Якщо НВЧ-коливання поширюються в якомусь середовищі, то хвильовий опір (2.6) може бути знайдений так:

, (2.7)

де – комплексне значення абсолютної магнітної проникності середовища:



; (2.8)

 – комплексне значення абсолютної діелектричної проникності середовища:

, (2.9)

, – індукція компонент електричного та магнітного полів відповідно; – магнітна стала, що дорівнює 1/36  Ф/м; – питома електрична провідність середовища, См/м; – колова частота НВЧ-коливань, рад/с.



Часто використовують величину, що називається тангенсом кута діелектричних втрат, яку зручно застосовувати при аналізі процесів у діелектриках:

. (2.10)


Хвильовий опір (2.6), (2.7) діелектричних неферомагнітних матеріалів менший, ніж хвильовий опір вакууму (  = 377 Ом), а у феромагнітних діелектриків може бути більшим за нього.

Провідні матеріали мають дуже малий за модулем хвильовий опір, що визначається питомою електричною провідністю (  можна знехтувати ) і магнітною проникністю , аргумент імпедансу близький до 45°, тобто дійсна й уявна частини хвильового опору рівні. Для напівпровідникових матеріалів – феритів і недосконалих діелектриків – хвильовий опір має проміжне значення щодо металів та діелектриків і різні співвідношення між дійсною й уявною частинами.

Розподіл напруженості електричного поля (або пропорційного йому напруги) уздовж двопровідної або хвилевідної довгої лінії в різних режимах, кожен із яких задається співвідношенням між падаючою та відображеною хвилями (2.1), що йдуть від джерела та навантаження, показаний на рис. 2.1.

Рисунок  2.1 – Поширення НВЧ-коливань у різних режимах:

1 – стояча хвиля; 2 – біжуча хвиля; 3 – загальний випадок; 4 – лінія зі втратами

У каналах радіохвильової апаратури зазвичай намагаються отримати режим біжучої хвилі, коли амплітуда напруг та струмів по довжині тракту стала і відбувається найбільш повна передача НВЧ-енергії в навантаження (рис. 2.1).

Режим біжучої хвилі (узгоджений режим) досягається, якщо опір навантаження дорівнює хвильовому опору лінії (2.7) і характеризується тим, що модуль напруженості електричного та магнітного полів уздовж лінії сталий. Якщо лінія і навантаження не мають втрат ( , або – чисто реактивне), то виникає режим стоячої хвилі, коли модулі падаючої та відбитої хвиль однакові. Тому в точках, віддалених на , досягаються нульові значення напруженості електричного або магнітного поля (рис. 2.1). У загальному випадку ( ) напруженість електричного поля буде періодично змінюватися від максимального до мінімального значення (рис. 2.1), причому зсув мінімуму від кінця лінії характеризуватиме реактивну складову опору навантаження, а перепад між максимумом і мінімумом залежить від активної складової.

На практиці для аналізу процесів у лінії передачі найчастіше використовують поняття коефіцієнта біжучої хвилі (КБХ) або коефіцієнта стоячої хвилі (КСХ):

(2.11)

де і – модулі мінімальної та максимальної напруженостей електричного поля (див. рис. 2.1). Крім того, використовується поняття фази коефіцієнта відбиття хвилі, що однозначно задається навантаженням. Практично ця величина визначається відстанню від навантаження до точки мінімуму:



. (2.12)

Коефіцієнт відбиття (2.3) може бути знайдений за відомим КБХ або КСХ.



1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   24


База даних захищена авторським правом ©refs.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка