Курсовая работа: Радиоволновые, радиационные методы контроля РЭСИ. Методы электронной микроскопии. Радиоволновой метод контроля реферат

Дипломная работа - Радиоволновые радиационные методы контроля РЭСИ Методы электронной микроскопии

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский государственный университет информатики и

радиоэлектроники

кафедра РЭС

РЕФЕРАТ

на тему:

«Радиоволновые, радиационные методы контроля РЭСИ. Методы электронной микроскопии»

МИНСК, 2008

Радиоволновый метод

Радиоволновые методы основаны на взаимодействии электромагнитного поля в диапазоне длин волн от 1 до 100 мм с объектом контроля, преобразовании параметров поля в параметры электрического сигнала и передаче на регистри­рующий прибор или средства обработки информации.

По первичному информативному параметру различают следующие СВЧ-методы: амплитудный, фазовый, амплитудно-фазовый, геометрический, времен­ной, спектральный, поляризационный, голографический. Область применения СВЧ-методов радиоволнового вида неразрушающего контроля приведен в таблице 1 и в ГОСТ 23480-79.

Табл. 1 –

Радиоволновые методы неразрушающего контроля

Название метода

Область применения

Факторы, огра­ничивающие область приме­нения

Контролируе­мые параметры

Чувствитель­ность

По­греш­ность

Ампли- тудный

Толщинометрия полуфабрикатов, изделий из радиопрозрачных материалов

Сложная кон­фигурация. Из­менение зазора

между антеной преобразователя и поверхностью конт-роля.

Толщина до 100 мм

1 – 3 мм

5%

Дефектоскопия полуфабрикатов, изделий и конст­рукций из ди­электрика

Дефекты: тре­щины, рас­слоения, недопрес-совки

Трещины бо­лее 0,1 – 1 мм

Фазовый

Толщинометрия листовых мате­риалов и полу­фабрикатов, слоистых изделий и конструкций из диэлектрика.

Волнистость профиля или поверхности объекта контро­ля при шаге менее 10L. От­стройка от влияния ампли­туды сигнала

Толщина до 0,5 мм

5 – 3 мм

1%

Контроль «элек­трической» (фа­зовой) толщины

Толщина до 0,5 мм

0,1 мм

Ампли-тудно -фазовый

Толщинометрия материалов, по­луфабрикатов, изделий и конст­рукций из ди­электриков, кон­троль изменения толщины.

Неоднознач­ность отсчета при изменении толщины более 0,5А, Е Измене­ние диэлектри­ческих свойств материала объек-тов контроля величиной бо­лее 2%. Толщи­на более 50 мм.

Толщина 0 –

50 мм

0,05 мм

±0,1 мм

Ампли-тудно -фазовый

Дефектоскопия слоистых мате­риалов и изделий из диэлектрика и полупроводника толщиной до 50 мм

Изменение за­зора между ан­тенной преобра­зователя и по­верхностью объ­екта контроля.

Расслоения, включения, трещины, из­менения плот­ности, нерав­номер-ное рас­пре-деление составных компонентов

Включения порядка 0,05А, Е. Трещины с раскрывом порядка 0,05 мм.Разноплот-ность порядка 0,05 г/см3

Геомет­рический

Толщинометря изделий и конст­рукций из ди­электриков: кон­троль абсолют­ных значений толщины, оста­точной толщины

Сложная кон­фигурация объ­ектов контроля; непараллель­ность поверхно­стей. Толщина более 500 мм

Толщина 0 -500 мм

1,0 мм

3-5

%

Дефектоскопия полуфабрикатов и изделий: контроль раковин, расслоений, инородных включений в изделиях из диэлектриче­ских материалов

Сложная кон­фигурация объ­ектов контроля

Определение глубины зале­гания дефек­тов в пределах до 500 мм

1,0 мм

1 –3%

Времен-

Толщинометрия конструкций и сред, являющих­ся диэлектрика­ми

Наличие «мерт­вой» зоны. На-носекундная техника. При-

Толщина более 500 мм

5—10 мм

5%

ной

Дефектоскопия сред из диэлек­триков

менение генера­торов мощно­стью более 100 мВт

Определение глубины зале­гания дефек­тов в пределах до 500 мм

5 — 10 мм

5%

Спек­тральный

Дефектоскопия полуфабрикатов и изделий из ра­диопрозрачных материалов

Стабильность частоты генера­тора более 10-6. Наличие источ­ника магнитно­го поля. Слож­ность создания чувствительного тракта в диапа­зоне перестрой­ки частоты бо­лее 10%

Изменения в структуре и физико-химических свойствах ма­териалов объ­ектов контро­ля, включения

Микродефек­ты и микронеоднород-ности значительно меньшие рабо­чей длины волны.

-

1

2

3

4

5

6

Поляри­зацион­ный

Дефектоскопия полуфабрикатов, изделий и конст­рукций из ди­электрических материалов.

Сложная кон­фигурация. Толщина более 100 мм.

Дефекты структуры и технологии, вызывающие анизотропию свойств мате­риалов (анизо­тропия, меха­нические и термические напряжения, технологиче­ские наруше­ния упорядо­ченности структуры)

Дефекты пло­щадью более 0,5 – 1,0 см2.

-

Гологра-фичес-кий

Дефектоскопия полуфабрикатов, изделий и конст­рукций из ди­электрических и полупроводнико­вых материалов с созданием ви­димого (объемно­го) изображения

Стабильность частоты генера­тора более 10-6. Сложность соз­дания опорного пучка или поля с равномерны­ми амплитудно -фазовыми ха­рактеристика­ми. Сложность и высокая стоимость ап­паратуры.

Включения, расслоения, разнотолщин-ность. Изме­нения формы объектов.

Трещины с раскрывом 0,05 мм

-

Примечание: λ– длина волны в контролируемом объект; L– размер раскрыва ан­тенны в направлении волнистости.

Необходимым условием применения СВЧ-методов является соблюдение сле­дующих требований:

— отношение наименьшего размера (кроме толщины) контролируемого объекта к наибольшему размеру раскрыва антенны преобразователя должно быть не ме­нее единицы;

— наименьший размер минимально выявляемых дефектов должен не менее чем в три раза превышать величину шероховатости поверхности контролируе­мых объектов;

— резонансные частоты спектра отраженного (рассеянного) излучения или напряженности магнитных полей материалов объекта и дефекта должны иметь различие, определяемое выбором конкретных типов регистрирующих устройств.

Варианты схем расположения антенн преобразователя по отношению к объек­ту контроля приведены в таблице 1.

Методы этого вида контроля позволяют определять толщину и обнару­жить внутренние и поверхностные дефекты в изделиях преимущественно из неметаллических материалов. Радиоволновая дефектоскопия дает возмож­ность с высокой точностью и производительностью измерять толщину диэ­лектрических покрытий на металлической подложке. В этом случае ампли­туда зондирующего сигнала представляет собой основной информационный параметр. Амплитуда проходящего через материал излучения уменьшается из-за многих причин, в том числе из-за наличия дефектов. Кроме этого, изменяются длина волны и ее фаза.

Существуют три группы методов радиоволновой дефектоскопии: на прохож­дение, отражение и на рассеяние.

Аппаратура радиоволнового метода обычно содержит генератор, работаю­щий в непрерывном или импульсном режиме, рупорные антенны, предназна­ченные для ввода энергии в изделие и прием прошедший или отраженной вол­ны, усилитель принятых сигналов и устройства для выработки командных сиг­налов, управляющих различного рода механизмами.

При контроле фольгированных диэлектриков производят сканирование поверх­ности проверяемого образца направленным пучком микроволн с длиной волны 2 мм.

В зависимости от информационно используемого параметра микроволн де­фектоскопы подразделяют на фазовые, амплитудно-фазовые, геометрические, поляризационные.

Изменение относительно амплитуды волны отсчитывается на эталонном из­делии. Амплитудные дефектоскопы наиболее просты с точки зрения настройки и эксплуатации, но их применяют только для обнаружения достаточно больших дефектов, значительно влияющих на уровень принятого сигнала.

Амплитудно-фазовые дефектоскопы позволяют обнаруживать дефекты, из­меняющие как амплитуду волны, так и ее фазу. Такие дефектоскопы способны давать достаточно полную информацию, например, о качестве заготовок фоль­гированных диэлектриков, предназначенных для изготовления отдельных слоев многослойных печатных плат.

В поляризационных дефектоскопах фиксируют изменение плоскости поля­ризации волны при ее взаимодействии с различными неоднородностями. Эти дефектоскопы могут быть использованы для обнаружения скрытых дефектов в самих различных материалах, например, для исследования диэлектрической ани­зотропии и внутренних напряжений в диэлектрических материалах.

Радиационные методы

Под радиационными методами неразрушающего контроля понимается вид не­разрушающего контроля, основанный на регистрации и анализе проникающего ионизирующего излучения после взаимодействия с контролируемым объектом. В основе радиационных методов лежит получение дефектоскопичес­кой информации об объекте с помощью ионизирующего излучения, прохожде­ние которого через вещество сопровождается ионизацией атомов и молекул сре­ды. Результаты контроля определяются природой и свойствами используемого ионизирующего излучения, физико-химическими характеристиками контроли­руемых изделий, типом и свойствами детектора (регистратора), технологией кон­троля и квалификацией дефектоскопистов.

Радиационные методы неразрушающего контроля предназначены для обна­ружения микроскопических нарушений сплошности материала контролируемых объектов, возникающих при их изготовлении (трещины, овалы, включения, ра­ковины и др.)

Классификация радиационных МНК представлена на рис1.

Методы электронной микроскопии (ЭМ)

Электронная микроскопия основывается на взаимодействии электронов с энер­гиями 0,5 — 50 кэВ с веществом, при этом они претерпевают упругие и неупру­гие столкновения.

Рассмотрим основные способы использования электронов при контроле тон­копленочных структур (см. рис.2)

Таблица 1 –

Схемы расположения антенн преобразователей по отношению к объекту контроля.

Схема расположения антенн преобра­зователя

Возможный метод контроля

Примечание

1

2

3

/>

Амплитудный, спек­тральный, поляриза­ционный

-

/>

Фазовый, амплитуд­но-фазовый, вре­менной, спектраль­ный

-

/>

Амплитудный, гео­метрический, спек­тральный, поляриза­ционный

-

/>

Фазовый, амплитуд­но-фазовый, гео­метрический, вре­менной, спектраль­ный

-

/>

Амплитудный, спек­тральный, поляриза­ционный.

-

/>

Амплитудный, поля­ризационный, голо-графический.

В качестве прием­ной используется моноэлементная антенна.

/>

Амплитудный, голо-графический.

В качестве прием­ной используется многоэлементная антенна.

/>

Амплитудный, ам­плитудно-фазовый, временной, поляри­зационный

-

/>

Амплитудный, фазо­вый, амплитудно-фазовый, спектраль­ный.

Функции пере­дающей (излу­чающей) и при-

емнои антенн со­вмещены в одной антенне.

1

2

3

/>

Амплитудно-фазовый, спектраль­ный

-

/>

качестве прие-мо-передающих антенн использу­ются две одинако­вые антенны.

/>

Амплитудно-фазовый, геометри­ческий, временной, поляризационный

-

/>

Амплитудный, голо-графический.

В качестве прием­ной используется многоэлементная антенна.

Обозначения: — антенна преобразователя;

— нагрузка./>

1 – СВЧ-генератор; 2 – объект контроля; 3 – СВЧ-приемник; 4 – линза для создания (квази) плоского фронта волны; 5 – линза для формирования радио-изображения; 6 – опорное (эталонное) плечо мостовых схем.

Примечание: допускается применение комбинаций схем расположения антенн преобра­зователя по отношению к объекту контроля.

Растровая электронная микроскопия (РЭМ). Сфокусированный пучок элект­ронов 1 (рис. 2) диаметром 2-10 нм с помощью отклоняющей системы 2 перемещается по поверхности образца, (либо диэлектрической пленки З1, либо полупроводника З-11.) Синхронно с этим пучком электронный пучок перемеща­ется по экрану электронно-лучевой трубки. Интенсивность электронного луча моделируется сигналом, поступающим с образца. Строчная и кадровая разверт­ка пучка электронов позволяют наблюдать на экране ЭЛТ определенную пло­щадь исследуемого образца. В качестве модулирующего сигнала можно исполь­зовать вторичные и отражательные электроны.

/>

Рисунок 1 – Классификация радиационных методов

/>

Рисунок 2 – Режимы работы растровой электронной микроскопии

а) контраст в прошедших электронах; б) контраст во вторичных и отраженных электронах; в) контраст в наведенном токе (З11 — ус­ловно вынесен за пределы прибора). 1 – сфокусированный луч; 2 – отклоняющая система; 3 – объект исследования — диэлектричес­кая пленка; 4 — детектор вторичных и отраженных электронов; 5 -усилитель; 6 — генератор развертки; 7 — ЭЛТ; 8 — сетка детектора; 9 -отраженные электроны; 10 — вторичные электроны.

Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) основана на поглоще­нии, дифракции электронов взаимодействия с атомами вещества. При этом про­шедший через пленку сигнал снимается с сопротивления, включаемого после­довательно с образцом З1. Для получения изображения на экране используются мощные линзы, располагаемые за образцом. Стороны образца должны быть плос­копараллельными, чистыми. Толщина образца должна быть много меньше дли­ны свободного пробега электронов и должна составлять 10… 100 нм.

ПЭМ позволяет определить: формы и размеры дислокаций, толщину образцов и профиль пленок. В настоящее время существуют ПЭ микроскопы до 3 МэВ.

Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ).

Изображение формируется как за счет вторичных электронов, так и за счет отраженных электронов (рис. 2). Вторичные электроны позволяют определить химический состав образца, а отраженные – морфологию его поверхности. При подаче отрицательного потенциала — 50 В происходит запирание малоэнергетичных вторичных электронов и изображение на экране становится контрастным, поскольку грани, расположенные под отрицательным углом к детектору, не про­сматриваются вообще. Если на сетку детектора подать положительный потенци­ал (+250 В), то вторичные электроны собираются с поверхности всего образца, что смягчает контрастность изображения. Метод позволяет получить информа­цию о:

— топологии исследуемой поверхности;

— геометрическом рельефе;

— структуре исследуемой поверхности;

— коэффициенте вторичной эмиссии;

— об изменении проводимости;

— о местоположении и высоте потенциальных барьеров;

— о распределении потенциала по поверхности и в поверхности (за счет заряда по поверхности при облучении электронами) при попадании сканирующего луча на поверхность полупроводниковых приборов в ней наводятся токи и напряжения, которые изменяют траектории вторичных электронов. Элементы ИМС с положительным потенциалом по сравнению с участками, имеющими более низкий потенциал, выглядят темными. Это обуславливается наличием замедляющих по­ лей над участками образца с положительным потенциалом, которые приводят к уменьшению сигнала вторичных электронов. Потенциально-контрастные измерения дают только качественные результаты из-за того, что замедляющие поля зависят не только от геометрии и напряжения пятна, но и от распределения напряжения по всей поверхности образца;

— большого разброса скоростей вторичных электронов;

— потенциальный контраст накладывается на топографический и на кон­ траст, связанный с неоднородностью состава материала образца.

Режим наведенного (индуцированного электронно-лучевого тока).

Электронный луч с большой энергией фокусируется на маленькой площади микросхемы и проникает через несколько слоев ее структуры, в результате в полупроводнике генерируются электронно-дырочные пары. Схема включения образца представлена на (рис.2, в). При соответствующих внешних напряжениях, приложенных к ИМС, измеряются токи обусловленные вновь рожденны­ми носителями заряда. Этот метод позволяет:

— определить периметр р-n перехода. Форма периметра оказывает влияние на пробивные напряжения и токи утечки. Первичный электронный луч (2) (рис. 3 и 4) движется по поверхности образца (1) в направлениях х, и в зависимости от направления перемещения меняется значение индуцированного тока в р-n переходе. По фотографиям р-n перехода можно определить искажения периметра р-n перехода (рис.5).

— определить места локального пробоя р-n перехода. При образовании локального пробоя р-n перехода в месте пробоя образуется лавинное умножение носителей тока (рис.6) Если первичный пучок электронов (1) попадает в эту область (3), то генерированные первичными электронами электронно-дырочные пары также умножаются в р-n переходе, в результате чего в данной точке будет зафиксировано увеличение сигнала и соответственно появление светлого пятна на изображении. Изменяя обратное смещение на р-n переходе, можно выявить момент образования пробоя, а проведя выявление структурных дефектов например с помощью селективного травления или с ПЭМ, можно сопоставить область пробоя с тем или иным дефектом.

/>

Рисунок 3 – Схема прохождения электронного луча

/>

Рисунок 4 – Изображение торцевого р-п-перехода с целью

определения его периметра

1 – торцевой р-n переход; 2 – электронный луч;

3 – область генерации электронно-дырочных пар.

/>/>

Рисунок 4 – Изображение планарного р-п-перехода с целью

определения его периметра

1 — планарный р-n переход; 2 — электронный луч;

3 — область генерации электронно-дырочных пар.

/>

Рисунок 5 – Искажения периметра планарного p-n-перехода сверху

— наблюдать дефекты. Если в области р-n перехода находится дефект (4) (рис. 6), то при попадании первичного пучка электронов в область дефекта некоторая часть генерированных пар рекомбинирует на дефекте, и соответственно до границы р-n перехода дойдет меньшее число носителей, что уменьшит ток во внешней цепи. На фотографии р-n перехода эта область будет выглядеть более темной, чем остальной фон. Изменяя соотношение между глубиной залегания р-n перехода и проникновением первичных электронов можно зондировать элек­трическую активность дефектов, располагающихся на разной глубине. Наблю­дение дефектов можно проводить при обратных и прямых смещениях р-n пере­хода.

Электронная оже-спектроскопия (ЭОС).

Она состоит в получении и анализе спектра электронов, испускаемых атома­ми поверхностей при воздействии на него электронным лучом. Такие спектры несут информацию:

— о химическом (элементном) составе и состоянии атомов поверхностных слоев;

— о кристаллической структуре вещества;

— о распределении примесей по поверхности и диффузионных слоях; Установка для оже-спектроскопии состоит из электронной пушки, энергоанализатора оже-электронов регистрирующей аппаратуры и вакуумной системы.

/>

/>

Рисунок 6 – Изображение планарного p-n-перехода с целью определения про­боя и выявления дефекта.

1 – эелектронный луч; 2 – планарный р-п-переход; 3 – металлическая примесь; 4 – дефект.

Электронная пушка обеспечивает фокусировку электрического пучка на об­разце и его сканирование. Диаметр пучка в установках с локальным оже-анализом составляет 0,07… 1 мкм. Энергия первичных электронов изменяется преде­лах 0,5… 30 кэВ. В установках оже-спектроскопии обычно в качестве энергоана­лизатора употребляется анализатор типа цилиндрического зеркала.

Регистрирующее устройство с помощью двухкоординатного самописца фик­сирует зависимость />, где: N– число электронов, попадающих на коллек­тор;

Ек– кинетическая энергия оже-электронов.

Вакуумная система установки ЭОС должна обеспечивать давление не более 107– 108Па. При худшем вакууме остаточные газы взаимодействуют с поверх­ностью образца и искажают анализ.

Из отечественных установок ЭОС следует отметить растровый оже-спекто-рометр 09 ИОС — 10 -005 Оже-локальностью в растровом режиме 10 мкм.

На (рис. 7) показан оже-спектр загрязненной поверхности GaAs из кото­рого видно, что наряду с основными спектрами GaAs, в пленке присутствуют примесные атомы S, О и С. Регистрируя значения энергий оже-электронов, эмитируемыми атомами при их возбуждении и сравнивая эти значения с табу­лированными, определяют химическую природу атомов, из которых эти элект­роны были эмитированы.

/>

Рисунок 7 – Оже-спектр загрязненной поверхности GaAs

Примечание: метод получил свое название по имени французского физика Пьера Оже, который в 1925 г. открыл эффект испускания электронов атомами вещества в результате возбуждения их внут­реннего уровня рентгеновскими квантами. Эти электроны получили название оже-электронов.

Эмиссионная электронная микроскопия (ЭЭМ).

При специальных условиях поверхность образца может испускать электро­ны, т.е. являться катодом: при приложении сильного электрического поля к поверхности (автоэлектронная эмиссия) или под действием бомбардировки по­верхности частицами.

В эмиссионном микроскопе показанном на рис. 8, поверхность образца является электродом системы, образующей с анодом электронную линзу.

Применение ЭЭМ возможно для материалов, которые имеют малую работу выхода. Исследуемое изделие является как бы составной частью электронно-оптической системы ЭЭМ, и в этом его принципиальное отличие от РЭМ.

ЭЭМ используют для визуализации микрополей. Если р-п-переход (1) (рис. 9) поместить в однородное электрическое поле (2) и подать на него запираю­щее напряжение, то поле, создаваемое р-п-переходом (3) (при больших токах утечки), будет искривлять линии основного поля.

Искривление линий позволяет определить распределение потенциала по по­верхности образца.

Электронно-отражательная спектроскопия (ЭОС).

В ЭОС поверхность наблюдаемого образца поддерживается при таком потен­циале, что все или большая часть облучающих электронов не попадают на по­верхность образца.

Принцип его работы показан на рис. 10. Коллимированный электронный луч направлен на поверхность образца перпендикулярно к ней. Электроны,

/>

Рисунок 8 – Принцип работы эмиссионного микроскопа

/>

Рисунок 9 – Визуализация p-n-перехода с помощью ЭЭМ

— p-n-переход, включенный в обратном направлении;- электронные

траектории поля р-п-перехода.

Пролетевшие через последнюю апертуру линз, быстро замедляются и поворачи­ваются обратно в точке, определяемой потенциалом поверхности образца отно­сительно катода и напряженностью электрического поля на поверхности образ­ца. После поворота электроны вновь ускоряются, пролетая обратно через лин­зы, и увеличенное изображение проецируется на катодолюминесцентный эк­ран. Дополнительное увеличение можно получить, отделяя выходящий пучок от входящего в слабом магнитном поле и используя дополнительные увеличитель­ные линзы на пути выходящего пучка.

Контрастность в выходящем пучке определяется топологией поверхности и изменениями электрического потенциала и магнитных полей на ней.

Напряжение на образце

/>

Рисунок 10 – Принцип работы электронного отражательного микроскопа

ЛИТЕРАТУРА

Глудкин О.П. Методы и устройства испытания РЭС и ЭВС. – М.: Высш. школа., 2001 – 335 с

Испытания радиоэлектронной, электронно-вычислительной аппаратуры и испытательное оборудование/ под ред. А.И.Коробова М.: Радио и связь, 2002 – 272 с.

Млицкий В.Д., Беглария В.Х., Дубицкий Л.Г. Испытание аппаратуры и средства измерений на воздействие внешних факторов. М.: Машиностроение, 2003 – 567 с

Национальная система сертификации Республики Беларусь. Мн.: Госстандарт, 2007

Федоров В., Сергеев Н., Кондрашин А. Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных средств – Техносфера, 2005. – 504с.

www.ronl.ru

Радиоволновой метод неразрушающего контроля — реферат

Содержание

Введение                                                                                               3

Особенности радиоволнового метода                                               4

Методы радиоволнового неразрушающего контроля                       8

Приборы радиоволнового неразрушающего контроля                    15

Источники и приемники  радиоволнового излучения СВЧ            19

Литература                                                                                          23

Введение

Одной из важнейших  проблем трубопроводного транспорта является сохранение нормального состояния линейной части промысловых и магистральных трубопроводов. Подземные трубопроводы, работающие при нормальных режимах, сохраняются, по крайней мере, несколько десятков лет. Так, например, в США некоторые трубопроводы, проработавшие около двадцати лет, полностью сохранились и не требуют ремонта. Этому способствовало то большое внимание, которое уделяется систематическому контролю состояния подземных и надземных трубопроводов и своевременная ликвидация появляющихся дефектов.

Как правило, большинство  дефектов на трубопроводах появляются в результате коррозионных и механических повреждений, определение места и характера которых связаны с рядом трудностей и большими материальными затратами. Совершенно очевидно, что вскрытие трубопровода для его непосредственного визуального обследования экономически неоправданно. К тому же обследовать можно только внешнюю поверхность трубопровода. Поэтому в течение последних лет в нашей стране и за рубежом усилие специализированных научно-исследовательских и проектных организаций направлено на решение проблемы определения состояния подземных и надземных промысловых, магистральных нефтепродуктопроводов без их вскрытия. Эта проблема связана с большими техническими трудностями, однако при использовании современных методов и средств измерительной техники она успешно решается.

В работе мы рассмотрим один из методов, который обеспечивает выявление дефектов.

Особенности  радиоволнового  метода

Радиоволновой неразрушающий  контроль основан на регистрации  изменения параметров электромагнитных колебаний СВЧ, взаимодействующих  с объектом исследования. Диапазон длин волн, преимущественно используемый в радиоволновом контроле, ограничен 1 - 100 мм. Более освоены и обеспечены измерительной аппаратурой 3-см и 8-мм поддиапазоны.

Радиоволновой контроль применяют  для решения всех типовых задач  неразрушающего контроля: толщинометрии, дефектоскопии, структуроскопии и интроскопии (контроля внутреннего строения). Используемая при этом аппаратура, как правило, построена на базе стандартных или модернизированных элементов СВЧ. Специальным элементом при решении конкретной задачи может быть источник или приемник излучения, а также приспособление для крепления и перемещения объекта.  Среди других особенностей радиоволнового контроля по сравнению с оптическим и радиационным следует отметить использование импедансного метода для расчета параметров сигналов и соизмеримость длины волны излучения с размерами радиоволнового тракта «источник излучения — объект контроля— приемник излучения».

Излучения СВЧ относятся  к области радиоволн, которые  с момента своего открытия использовались для передачи информации. Применение волн СВЧ для целей НК потребовало  создания теории их взаимодействия с  объектом контроля. Вполне естественно, что в разработанной теории были учтены результаты, полученные в радиосвязи для волновых систем с распределенными параметрами (длинных линий, волноводов и др.) импедансным методом, в котором радиоволновой тракт «источник излучения - объект контроля - приемник излучения» заменяется моделью в виде длинной линии. При этом канал распространения колебаний СВЧ (двухпроводные линии, волноводы, свободное пространство) характеризуют волновым сопротивлением. Для идеального диэлектрика оно вещественно при εr=1 равно z0=377 Ом.  Отношение γ/(ωεa)=tgδ называют тангенсом угла диэлектрических потерь и относят к важнейшим параметрам диэлектриков. Здесь γ - удельная электрическая проводимость; ω - угловая частота. На одной частоте (tgδ < 0,01) материал может считаться диэлектриком, на другой (tgδ > 100) — проводником. При расчетах к идеальным диэлектрикам относят материалы, для которых tgδ < 0,01. На частотах, меньших 9x106 Гц, морскую воду относят к классу диэлектриков; на частотах, больших 9x1010 Гц, — к классу проводников. В промежуточной области 0,001 < tgδ < 100 материал называют несовершенным диэлектриком, характеризующимся комплексной диэлектрической проницаемостью и комплексным волновым сопротивлением.

Для проводников мнимая часть комплексной  диэлектрической проницаемости  велика по сравнению с вещественной частью: ε'>>εa и волновое сопротивление определяется выражением zc будет равно квадратному корню из отношения (ωμa) / γ . С ростом частоты, zc увеличивается и, волны не могут глубоко проникать в проводник. Явление экранирования наружными слоями материала глубинных слоев от проникновения поля называют скин-эффектом. Он характеризуется глубиной проникновения плоской волны, на которой напряженность полей Е и Н уменьшается в е раз.

Скорость распространения  электромагнитной волны в несовершенном  диэлектрике зависит от частоты  так как ε'=γ /ω. Величина v характеризует  скорость перемещения точек, сохраняющих  одну и ту же фазу волны. Зависимость v=f(ω) называют дисперсией. Через скорость находится длина волны λ=vTv.

При переходе электромагнитной волны из одной среды в другую по нормали к граничной поверхности формируется отраженная волна. При наложении обеих волн образуется стоячая волна, характеризуемая коэффициентом стоячей волны по напряжению kстU = Emax / Emin или коэффициентом бегущей волны по напряжению kδu = l / kстU. Максимумы стоячей волны получаются там, где действующие значения напряженности падающей и отраженной волн складываются, а минимумы — там, где они вычитаются.

Приведенные Формулы указывают  на возможность получить требуемый  результат, основываясь на законах  геометрической оптики или теории длинных  линий. При применении второго подхода  для расчета параметров сигналов СВЧ реальную систему «источник  излучения — объект контроля —  приемник» заменяют моделью в  виде длинной линии с такими же волновыми сопротивлениями и  размерами, как в реальной системе. Вариант построения такой модели показан ниже. Электромагнитные параметры  слоев изделия (εi, μi, γi) учитываются через комплексные волновые сопротивления Zi отрезков длинной линии. Входное сопротивление приемника и выходное сопротивление источника излучения (генератора) учитываются волновыми сопротивлениями Zп и Zг.

Дефект в виде расслоения заменяется в модели плоскопараллельным слоем такой же толщины, как дефект. Амплитуда сигнала от дефекта  уменьшается пропорционально площади, занимаемой дефектом относительно площади  контролируемой зоны.  

Соизмеримость длины волны  излучения СВЧ с размерами  элементов радиоволнового тракта обусловливает  сложный характер электромагнитного  поля в системе контроля. По этой причине методика оценки сигналов в  системе имеет характерную особенность. Если расстояние между границами  различных однородных сред, составляющих исследуемый объект, превышает длину  волны в материале, компоненты электромагнитной волны оценивают на основе законов геометрической оптики.

В противном случае предпочтительнее применение импедансного метода. В  обоих случаях получаемые оценки сигналов в системе приближенные и не исключено появление больших  ошибок. Поэтому рекомендуется пользоваться расчетным методом для определения  относительных значений величин  — изменения амплитуд сигналов при  малых изменениях параметров исследуемого предмета или условий контроля. Что  касается абсолютных значений сигналов, их следует оценивать экспериментально.

Методы радиоволнового неразрушающего контроля

Активный радиоволновой  метод - это метод радиоволнового неразрушающего контроля, при котором объект контроля подвергается воздействию источника радиоволнового излучения

 Пассивный радиоволновой  метод - это метод радиоволнового  неразрушающего контроля, при котором  источником радиоволнового излучения  является объект контроля

Амплитудный радиоволновой  метод – это метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации амплитуды радиоволн, взаимодействующих с объектом контроля

Фазовый радиоволновой метод - это метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации  фаз радиоволн, взаимодействующих  с объектом контроля

Амплитудно-фазовый радиоволновой метод – это метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации амплитуды и фаз радиоволн, взаимодействующих с объектом контроля

Временной радиоволновой  метод – это активный метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации времени прохождения радиоволн через объект контроля

 Геометрический радиоволновой метод – это активный метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации пространственного положения максимума интенсивности пучка радиоволнового излучения, прошедшего через объект контроля или отраженного от его задней поверхности

Частотно-фазовый радиоволновой метод – это активный фазовый радиоволновой метод, основанный на регистрации фаз радиоволн, взаимодействующих с объектом контроля, при изменении частоты генератора

Поляризационный радиоволновой метод – это метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации поляризации радиоволн, взаимодействующих с объектом контроля

 Поляризационно-фазовый радиоволновой метод – это активный фазовый радиоволновой метод, основанный на изменении поляризации радиоволн

Эллипсометрический радиоволновой метод – это активный метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации изменений параметров эллиптически поляризованного радиоволнового излучения в результате его взаимодействия с объектом контроля

 Резонансный радиоволновой  метод – это метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации резонанса и его параметров в системе преобразователь-объект контроля

Радиоволновой метод запаздывающей обратной связи – это активный метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации времени или фазы запаздывания сигнала обратной связи преобразователя

 Спектральный радиоволновой метод – это метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации спектра радиоволнового излучения

 Голографический радиоволновой  метод – это активный метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на голографии

 Радиоволновой метод преобразования типа волны – это активный метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации типа волны и изменений его структуры в результате взаимодействия с объектом контроля

Метод прошедшего радиоволнового излучения – это метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации параметров прошедшего через объект контроля радиоволнового излучения

 Метод отраженного радиоволнового излучения – это активный метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации параметров отраженного от объекта контроля радиоволнового излучения

 Метод рассеянного радиоволнового излучения – это метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации параметров радиоволнового излучения, рассеянного объектом контроля

 Радиоволновой метод свободного пространства – это метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации параметров радиоволнового излучения после взаимодействия с объектом контроля, расположенным вне преобразователя или его элементов

Радиоволновой метод биений – это активный спектральный радиоволновой метод, основанный на регистрации низкочастотного спектра биений, образованный взаимодействием непрерывного частотно-модулированного радиоволнового излучения с объектом контроля

Радиоволновой метод поверхностных волн – это активный радиоволновой метод, основанный на анализе поверхностных волн, возбужденных в связанных диэлектрических волноводах, одним из которых является объект контроля, а другим - расположенная параллельно ему активная диэлектрическая антенна поверхностных волн

 Детекторный радиоволновой метод – это метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации параметров радиоволнового излучения детектором

 Болометрический радиоволновой метод – это метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации параметров радиоволнового излучения болометром

Термисторный радиоволновой метод – это метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации параметров радиоволнового излучения термистором

Радиоволновой метод фотоуправляемой полупроводниковой пластины – это метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на применении в качестве реактивного зонда фотоуправляемой полупроводниковой пластины или пленки, толщина которой значительно меньше рабочей длины волны

myunivercity.ru

Содержание Введение 3 - Реферат - Радиоволновые методы контроля

Доступные файлы (1):

1.docx

Введение 3

Особенности радиоволнового метода 4

Источники и приемники радиоволнового излучения СВЧ 11

Литература 15

Введение

Одной из важнейших проблем трубопроводного транспорта является сохране

ние нормального состояния линейной части промысловых и магистральных трубопроводов. Подземные трубопроводы, работающие при нормальных режимах, сохраняются, по крайней мере, несколько десятков лет. Так, например, в США некоторые трубопроводы, проработавшие около двадцати лет, полностью сохрани

лись и не требуют ремонта. Этому способствовало то большое внимание, которое уделяется систематическому контролю состояния подземных и надземных трубопроводов и своевременная ликвидация появляющихся дефектов.

Как правило, большинство дефектов на трубопроводах появляются в результате коррозионных и механических повреждений, определение места и характера которых связаны с рядом трудностей и большими материальными затратами. Совершенно очевидно, что вскрытие трубопровода для его непосредственного визуального обследования экономически неоправданно. К тому же обследовать можно только внешнюю поверхность трубопровода. Поэтому в течение последних лет в нашей стране и за рубежом усилие специализированных научно-исследовательских и проектных организаций направлено на решение проблемы определения состояния подземных и надземных промысловых, магистральных нефтепродуктопроводов без их вскрытия. Эта проблема связана с большими техническими трудностями, однако при использовании современных методов и средств измерительной техники она успешно решается.

В работе мы рассмотрим один из методов, который обеспечивает выявление дефектов.

Особенности радиоволнового метода

Радиоволновой неразрушающий контроль основан на регистрации изменения параметров электромагнитных колебаний СВЧ, взаимодействующих с объектом исследования. Диапазон длин волн, преимущественно используемый в радиоволновом контроле, ограничен 1 - 100 мм. Более освоены и обеспечены измерительной аппаратурой 3-см и 8-мм поддиапазоны.

Радиоволновой контроль применяют для решения всех типовых задач неразрушающего контроля: толщинометрии, дефектоскопии, структуроскопии и интроскопии (контроля внутреннего строения). Используемая при этом аппаратура, как правило, построена на базе стандартных или модернизированных элементов СВЧ. Специальным элементом при решении конкретной задачи может быть источник или приемник излучения, а также приспособление для крепления и перемещения объекта.

Среди других особенностей радиоволнового контроля по сравнению с оптическим и радиационным следует отметить использование импедансного метода для расчета параметров сигналов и соизмеримость длины волны излучения с размерами радиоволнового тракта «источник излучения — объект контроля— приемник излучения».

Излучения СВЧ относятся к области радиоволн, которые с момента своего открытия использовались для передачи информации. Применение волн СВЧ для целей НК потребовало создания теории их взаимодействия с объектом контроля. Вполне естественно, что в разработанной теории были учтены

результаты, полученные в радиосвязи для волновых систем с распределенными параметрами (длинных линий, волноводов и др.) импедансным методом, в котором радиоволновой тракт «источник излучения - объект контроля - приемник излучения» заменяется моделью в виде длинной линии. При этом канал распространения колебаний СВЧ (двухпроводные линии, волноводы, свободное пространство) характеризуют волновым сопротивлением. Для идеального диэлектрика оно вещественно при εr=1 равно z0=377 Ом.

Отношение γ/(ωεa)=tgδ называют тангенсом угла диэлектрических потерь и относят к важнейшим параметрам диэлектриков. Здесь γ - удельная электрическая проводимость; ω - угловая частота. На одной частоте (tgδ < 0,01) материал может считаться диэлектриком, на другой (tgδ > 100) — проводником. При расчетах к идеальным диэлектрикам относят материалы, для которых tgδ < 0,01. На частотах, меньших 9x106 Гц, морскую воду относят к классу диэлектриков; на частотах, больших 9x1010 Гц, — к классу проводников. В промежуточной области 0,001 < tgδ < 100 материал называют несовершенным диэлектриком, характеризующимся комплексной диэлектрической проницаемостью и комплексным волновым сопротивлением.

Для проводников мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости велика по сравнению с вещественной частью: ε'>>εa и волновое сопротивление определяется выражением zc будет равно квадратному корню из отношения (ωμa) / γ . С ростом частоты, zc увеличивается и, волны не могут

глубоко проникать в проводник. Явление экранирования наружными слоями материала глубинных слоев от проникновения поля называют скин-эффектом. Он характеризуется глубиной проникновения плоской волны, на которой напряженность полей Е и Н уменьшается в е раз.Скорость распространения электромагнитной волны в несовершенном диэлектрике зависит от частоты так как ε'=γ /ω. Величина v характеризует скорость перемещения точек, сохраняющих одну и ту же фазу волны. Зависимость v=f(ω) называют дисперсией. Через скорость находится длина волны λ=vTv.

При переходе электромагнитной волны из одной среды в другую по нормали к граничной поверхности формируется отраженная волна. При наложении обеих волн образуется стоячая волна, характеризуемая коэффициентом стоячей волны по напряжению kстU = Emax / Emin или коэффициентом бегущей волны по напряжению kδu = l / kстU. Максимумы стоячей волны получаются там, где действующие значения напряженности падающей и отраженной волн складываются, а минимумы — там, где они вычитаются.

Приведенные Формулы указывают на возможность получить требуемый результат, основываясь на законах геометрической оптики или теории длинных линий. При применении второго подхода для расчета параметров сигналов СВЧ реальную систему «источник излучения — объект контроля — приемник» заменяют моделью в виде длинной линии с такими же волновыми сопротивлениями и размерами, как в реальной системе. Вариант построения такой модели показан ниже. Электромагнитные параметры слоев изделия (εi, μi, γi) учитываются через комплексные волновые сопротивления Zi отрезков длинной линии. Входное сопротивление приемника и выходное сопротивление источника излучения (генератора) учитываются волновыми сопротивлениями Zп и Zг.

Дефект в виде расслоения заменяется в модели плоскопараллельным слоем такой же толщины, как дефект. Амплитуда сигнала от дефекта уменьшается пропорционально площади, занимаемой дефектом относительно площади контролируемой зоны.

Соизмеримость длины волны излучения СВЧ с размерами элементов радиоволнового тракта обусловливает сложный характер электромагнитного поля в системе контроля. По этой причине методика оценки сигналов в системе имеет характерную особенность. Если расстояние между границами различных однородных сред, составляющих исследуемый объект, превышает длину волны в материале, компоненты электромагнитной волны оценивают на основе законов геометрической оптики.В противном случае предпочтительнее применение импедансного метода. В обоих случаях получаемые оценки сигналов в системе приближенные и не исключено появление больших ошибок. Поэтому рекомендуется пользоваться расчетным методом для определения относительных значений величин — изменения амплитуд сигналов при малых изменениях параметров исследуемого предмета или условий контроля. Что касается абсолютных значений сигналов, их следует оценивать экспериментально.

Коротко остановимся на методах и средствах радиоволнового контроля. Если контролируемая величина непосредственно связана с напряженностью поля (мощностью) отраженного, прошедшего или рассеянного излучения, используется амплитудный метод контроля. Техническая реализация метода проста, однако невысокая помехоустойчивость ограничивает его применение. Более надежные результаты получают, используя фазовый и амплитудно-фазовый методы, основанные на выделении полезной информации, заключенной в изменениях амплитуды и фазы волны. Для выделения этой информации в аппаратуру контроля вводят опорное плечо «источник - приемник излучения» и схему сравнения сигналов от объекта контроля с опорным.

Если толщина объекта превышает длину волны используемого зондирующего излучения, рекомендуется для ее измерения использовать геометрический или временной метод. В первом случае контролируемый

параметр связан с отклонением положений отраженного луча в плоскости регистрации относительно выбранной системы координат, во втором - с изменением задержки сигнала во времени.Для контроля тонкопленочных и анизотропных материалов применяют поляризационный метод, основанный на анализе изменений плоскости или вида поляризации колебаний после взаимодействия излучения с ОК. Перед испытаниями приемную антенну разворачивают до тех пор, пока сигнал на ее выходе от образцового ОК не станет равным нулю. Сигналы от испытываемых ОК характеризуют степень отклонения их свойств от образцового.^ дает хорошие результаты при контроле внутреннего строения ОК, однако из-за сложности его аппаратурной реализации метод имеет ограниченное применение.

Радиоволновой контроль по прошедшему излучению позволяет обнаружить дефекты изделия, если их параметры μa и εa значительно отличаются от аналогичных параметров основного материала, а размеры соизмеримы или превышают длину волны зондирующего излучения. В простейшем варианте такого контроля в приемном тракте поддерживают режим бегущей волны. Наиболее полную информацию дает применение многоэлементных антенн, поскольку в этом случае удается воспроизвести внутреннюю структуру объекта. Для повышения разрешающей способности дефектоскопии используют метод самосравнения. Он реализуется с помощью двух комплектов излучающих и приемных устройств, максимально приближенных друг к другу. Результирующий сигнал определяется разностью амплитуд и фаз сигналов приемников каждого канала. Наличие дефекта приводит к изменению условий распространения волны в одном канале и появлению разностного сигнала. Анализ динамики изменения сигнала при периодическом прохождении дефекта через зону контроля радиоволнового дефектоскопа позволяет снизить порог его

чувствительности.

^ радиоволнового контроля основан на введении ОК в резонатор, волновод или длинную линию и регистрации изменений параметров электромагнитной системы (резонансной частоты, добротности, числа возбуждаемых типов колебаний и т. д.). Этим методом контролируются размеры, электромагнитные свойства, деформации и другие параметры. Успешно используется резонансный метод для контроля уровня жидкостей в резервуарах и параметров движения различных объектов.

Радиоволновые средства неразрушающего контроля - это датчики с чувствительным элементом, в котором контролируемая величина преобразуется в информативный параметр; генераторы СВЧ — источники электромагнитных колебаний; вторичные преобразователи предназначены для формирования сигналов регистрации и управления.

Источники и приемники радиоволнового излучения СВЧ

Колебания СВЧ могут быть получены с помощью генераторов магнетронного типа, ламп обратной волны, отражательных клистронов, квантово-механических генераторов и полупроводниковых приборов. Наибольшее применение находят клистроны, затем следуют магнетроны, лампы обратной волны и полупроводниковые генераторы.

Отражательные клистроны широко применяют в качестве задающих генераторов в радиолокационных станциях, в усилительных цепочках маломощных передатчиков, в радиорелейных линиях связи, маломощных генераторах СВЧ непрерывного или импульсного излучения в передающих устройствах малого радиуса действия (радиодальномеры, радиомаяки, ответчики), а также как маломощные генераторы в измерительной и малогабаритной аппаратуре благодаря ряду преимуществ перед другими маломощными генераторами СВЧ. Это, в частности, низкий уровень флюктуационных шумов, простота эксплуатации и высокая надежность при изменении в широких пределах условий эксплуатации. Выпускаемые отражательные клистроны малой мощности (до 100 мВт) перекрывают широкий диапазон длин волн, вплоть до субмиллиметровых. Некоторые типы клистронов требуют принудительного воздушного охлаждения, особенно предназначенные для работы в коротковолновой части миллиметрового диапазона, когда принципиально трудно повысить их кпд. К сожалению, тепловые уходы частоты преобладают над всеми другими и присущи любому типу генераторов СВЧ.

Магнетронные генераторы охватывают широкий диапазон

частот и обеспечивают большой диапазон мощностей в импульсе: от единиц ватт до десятков мегаватт. Они находят широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре в качестве задающих генераторов, источников мощности СВЧ и т.д. Однако в последнее время намечается отказ от их широкого использования вследствие большой нестабильности генерируемой частоты и тепловых уходов частоты. Кроме того, наличие постоянных магнитов увеличивает массу магнетронов, для питания требуются высокое напряжение и интенсивное охлаждение (путем обдува) резонатора.

Лампы обратной волны (ЛОВ) относятся к классу широкодиапазонных генераторов колебаний СВЧ с электронной перестройкой частоты. Выпускается большое число типов ЛОВ, перекрывающих диапазон волн от 60 см до десятых долей миллиметра. Для фокусировки электронного луча в ЛОВ в основном применяют постоянные магниты трубчатой формы. Такие ЛОВ выпускаются в виде пакетированной конструкции, в которой объединены корпус ЛОВ, постоянный магнит и юстирующее приспособление. Поэтому нормальная работа ЛОВ может быть нарушена при наличии внешних магнитных полей или расположенных поблизости от ЛОВ ферромагнитных материалов. Как правило, расстояние между ЛОВ и подобными материалами должно быть не менее 400 мм. Режим работы ЛОВ сильно зависит от внешних условий (температуры, влажности), а также согласования с нагрузкой.

Лампы обратной волны особенно критичны к изменению температуры среды. При воздействии на лампы обратной волны механических ударов и вибраций происходят периодические изменения расстояния между отдельными электродами электронной пушки либо их поперечные смещения относительно друг друга, что сопровождается амплитудной и частотной

модуляцией генерируемых колебаний. Девиация частоты ЛОВ при вибрациях обычно несколько больше, чем у клистронов. К недостаткам ламп данного типа относится также то, что данные лампы, находившиеся на хранении и длительное время (более двух месяцев) не включающиеся, должны быть подвергнуты тренировке, которая занимает не менее 1,5 ч. Генераторы на основе ЛОВ, как и все генераторы СВЧ с широким диапазоном электронной перестройки частоты, не обладают высокой стабильностью частоты при работе в какой-либо точке диапазона.

Эффективный автогенератор сантиметровых и миллиметровых волн может быть создан на полупроводниковом эквиваленте отражательного клистрона — лавинно-пролетном диоде (ЛПД), который служит основой ряда устройств СВЧ (генераторов, усилителей, преобразователей частоты).В основе работы ЛПД лежит эффект генерации когерентных колебаний при лавинном пробое полупроводниковых диодов СВЧ. Получаемая при этом мощность колебаний в непрерывном режиме составляет для различных диодов от десятков микроватт до нескольких милливатт при длине волны 0,8-10 см. Генератор состоит из лавинно-пролетного диода и полого резонатора, связанного с полезной нагрузкой. Характерная особенность ЛПД — повышенный уровень шума на высоких (>104 ГГц) частотах. Даже в германиевых диффузионных ЛПД с однородным пробоем этот уровень на 25-30 дБ превышает дробовой шум вакуумного диода с таким же током. В кремниевых ЛПД, где пробой сопровождается микроплазменными явлениями, уровень шума может превышать на 60-70 дБ дробовой шум.

Малогабаритные генераторы сантиметрового диапазона (3-15 ГГц) обеспечивают в непрерывном режиме при токе питания 10-20 мА и напряжении 20-70 В выходную мощность от 5 до 50 мВт при кпд 3-7%. Значительный уровень высших гармоник в спектре лавинного тока позволяет использовать ЛПД сантиметрового диапазона волн для создания генераторов

миллиметрового диапазона. Резонатор такого генератора целесообразно делать двух- или трехконтурным, с тем чтобы один из контуров, не связанный с полезной нагрузкой, был настроен на основную частоту в коротковолновой части сантиметрового диапазона (10-15 ГГц), а остальные — на высшие гармоники. Генераторы этого типа имеют в верхней части миллиметрового диапазона выходную мощность (в непрерывном режиме) порядка единиц милливатт. Однако спектральная плотность флюктуации амплитуды и частоты ЛПД на 15-20 дБ выше, чем у отражательных клистронов. Итак, СВЧ-устройства на ЛПД обладают такими преимуществами, как малые габариты, масса, экономичность питания и т.д. Основной их недостаток — высокий уровень шумов.

Созданы и получили также практическое применение полупроводниковые генераторы СВЧ на диодах Ганна. Они работают при низких напряжениях питания (4-8,5 В), потребляя при этом ток от 0,4 до 1,5 А

Сравнительная характеристика некоторых типов генераторов СВЧ приведена в таблице.

1. ^

Ермолов И.Н.,Останин Ю.А. «Методы и средства неразрушающего контроля», 1988 г., Высш.школа.

gendocs.ru

Радиоволновые, радиационные методы контроля РЭСИ. Методы электронной микроскопии

Главная » Рефераты » Текст работы «Радиоволновые, радиационные методы контроля РЭСИ. Методы электронной микроскопии - Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника»

Миʜᴎϲтерство образования Республики Беларусь

Белорусский государственный университет информатики и

радиоэлектроники

кафедра РЭС

РЕФЕРАТ

на тему:

«Радиоволновые, радиационные методы контроля РЭСИ. Методы электронной микроскопии»

МИНСК, 2008

Радиоволновый метод

Радиоволновые методы основаны на взаимодействии электромагнитного поля в диапазоне длин волн от 1 до 100 мм с объектом контроля, преобразовании параметров поля в параметры электрического сигнала и ᴨȇредаче на регистри-рующий прибор или средства обработки информации.

По ᴨȇрвичному информативному параметру различают следующие СВЧ-методы: амплитудный, фазовый, амплитудно-фазовый, геометрический, времен-ной, сᴨȇктральный, поляризационный, голографический. Область применения СВЧ-методов радиоволнового вида неразрушающего контроля приведен в таблице 1 и в ГОСТ 23480-79.

Табл. 1 -

Радиоволновые методы неразрушающего контроля

Примечание: ? - длина волны в контролируемом объект; L - размер раскрыва ан-тенны в направлении волʜᴎϲтости.

Необходимым условием применения СВЧ-методов является соблюдение сле-дующих требований:

- отношение наименьшего размера (кроме толщины) контролируемого объекта к наибольшему размеру раскрыва антенны преобразователя должно быть не ме-нее единицы;

- наименьший размер минимально выявляемых дефектов должен не менее чем в три раза превышать величину шероховатости поверхности контролируе-мых объектов;

- резонансные частоты сᴨȇктра отраженного (рассеянного) излучения или напряженности магнитных полей материалов объекта и дефекта должны иметь различие, определяемое выбором конкретных типов регистрирующих устройств.

Варианты схем расположения антенн преобразователя по отношению к объек-ту контроля приведены в таблице 1.

Методы этого вида контроля позволяют определять толщину и обнару-жить внутренние и поверхностные дефекты в изделиях преимущественно из неметаллических материалов. Радиоволновая дефектоскопия дает возмож-ность с высокой точностью и производительностью измерять толщину диэ-лектрических покрытий на металлической подложке. В этом случае ампли-туда зондирующего сигнала представляет собой основной информационный параметр. Амплитуда проходящего через материал излучения уменьшается из-за многих причин, в том числе из-за наличия дефектов. Кроме этого, изменяются длина волны и ее фаза.

Существуют три группы методов радиоволновой дефектоскопии: на прохож-дение, отражение и на рассеяние.

Аппаратура радиоволнового метода обычно содержит генератор, работаю-щий в непрерывном или импульсном режиме, рупорные антенны, предназна-ченные для ввода энергии в изделие и прием прошедший или отраженной вол-ны, усилитель принятых сигналов и устройства для выработки командных сиг-налов, управляющих различного рода механизмами.

При контроле фольᴦᴎҏованных диэлектриков производят сканирование поверх-ности проверяемого образца направленным пучком микроволн с длиной волны 2 мм.

В зависимости от информационно используемого параметра микроволн де-фектоскопы подразделяют на фазовые, амплитудно-фазовые, геометрические, поляризационные.

Изменение относительно амплитуды волны отсчитывается на эталонном из-делии. Амплитудные дефектоскопы наиболее просты с точки зрения настройки и эксплуатации, но их применяют только для обнаружения достаточно больших дефектов, значительно влияющих на уровень принятого сигнала.

Амплитудно-фазовые дефектоскопы позволяют обнаруживать дефекты, из-меняющие как амплитуду волны, так и ее фазу. Такие дефектоскопы способны давать достаточно полную информацию, например, о качестве заготовок фоль-ᴦᴎҏованных диэлектриков, предназначенных для изготовления отдельных слоев многослойных ᴨȇчатных плат.

В поляризационных дефектоскопах фиксируют изменение плоскости поля-ризации волны при ее взаимодействии с различными неоднородностями. Эти дефектоскопы могут быть использованы для обнаружения скрытых дефектов в самих различных материалах, например, для исследования диэлектрической ани-зотропии и внутренних напряжений в диэлектрических материалах.

Радиационные методы

Под радиационными методами неразрушающего контроля понимается вид не-разрушающего контроля, основанный на регистрации и анализе проникающего ионизирующего излучения после взаимодействия с контролируемым объектом. В основе радиационных методов лежит получение дефектоскопичес-кой информации об объекте с помощью ионизирующего излучения, прохожде-ние которого через вещество сопровождается ионизацией атомов и молекул сре-ды. Результаты контроля определяются природой и свойствами используемого ионизирующего излучения, физико-химическими характеристиками контроли-руемых изделий, типом и свойствами детектора (регистратора), технологией кон-троля и квалификацией дефектоскопистов.

Радиационные методы неразрушающего контроля предназначены для обна-ружения микроскопических нарушений сплошности материала контролируемых объектов, возникающих при их изготовлении (трещины, овалы, включения, ра-ковины и др.)

Классификация радиационных МНК представлена на рис1.

Методы электронной микроскопии (ЭМ)

Электронная микроскопия основывается на взаимодействии электронов с энер-гиями 0,5 - 50 кэВ с веществом, при этом они претерᴨȇвают упругие и неупру-гие столкновения.

Рассмотрим основные способы использования электронов при контроле тон-копленочных структур (см. рис.2)

Таблица 1 -

Схемы расположения антенн преобразователей по отношению к объекту контроля.

Обозначения: - антенна преобразователя;

- нагрузка.

1 - СВЧ-генератор; 2 - объект контроля; 3 - СВЧ-приемник; 4 - линза для создания (квази) плоского фронта волны; 5 - линза для формирования радио-изображения; 6 - опорное (эталонное) плечо мостовых схем.

Примечание: допускается применение комбинаций схем расположения антенн преобра-зователя по отношению к объекту контроля.

Растровая электронная микроскопия (РЭМ). Сфокусированный пучок элект-ронов 1 (рис. 2) диаметром 2-10 нм с помощью отклоняющей системы 2 ᴨȇремещается по поверхности образца, (либо диэлектрической пленки З1, либо полупроводника З-11.) Синхронно с этим пучком электронный пучок ᴨȇремеща-ется по экрану электронно-лучевой трубки. Интенсивность электронного луча моделируется сигналом, поступающим с образца. Строчная и кадровая разверт-ка пучка электронов позволяют наблюдать на экране ЭЛТ определенную пло-щадь исследуемого образца. В качестве модулирующего сигнала можно исполь-зовать вторичные и отражательные электроны.

Рисунок 1 - Классификация радиационных методов

Рисунок 2 - Режимы работы растровой электронной микроскопии

а) контраст в прошедших электронах; б) контраст во вторичных и отраженных электронах; в) контраст в наведенном токе (З11 - ус-ловно вынесен за пределы прибора). 1 - сфокусированный луч; 2 - отклоняющая система; 3 - объект исследования - диэлектричес-кая пленка; 4 - детектор вторичных и отраженных электронов; 5 -усилитель; 6 - генератор развертки; 7 - ЭЛТ; 8 - сетка детектора; 9 -отраженные электроны; 10 - вторичные электроны.

Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) основана на поглоще-нии, дифракции электронов взаимодействия с атомами вещества. При этом про-шедший через пленку сигнал снимается с сопротивления, включаемого после-довательно с образцом З1. Для получения изображения на экране используются мощные линзы, располагаемые за образцом. Стороны образца должны быть плос-копараллельными, чистыми. Толщина образца должна быть много меньше дли-ны свободного пробега электронов и должна составлять 10.. 100 нм.

ПЭМ позволяет определить: формы и размеры дислокаций, толщину образцов и профиль пленок. В настоящее время существуют ПЭ микроскопы до 3 МэВ.

Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ).

Изображение формируется как за счет вторичных электронов, так и за счет отраженных электронов (рис. 2). Вторичные электроны позволяют определить химический состав образца, а отраженные - морфологию его поверхности. При подаче отрицательного потенциала - 50 В происходит запирание малоэнергетичных вторичных электронов и изображение на экране становится контрастным, поскольку грани, расположенные под отрицательным углом к детектору, не про-сматриваются вообще. Если на сетку детектора подать положительный потенци-ал (+250 В), то вторичные электроны собираются с поверхности всего образца, что смягчает контрастность изображения. Метод позволяет получить информа-цию о:

- топологии исследуемой поверхности;

- геометрическом рельефе;

- структуре исследуемой поверхности;

- коэффициенте вторичной эмиссии;

- об изменении проводимости;

- о местоположении и высоте потенциальных барьеров;

- о распределении потенциала по поверхности и в поверхности (за счет заряда по поверхности при облучении электронами) при попадании сканирующего луча на поверхность полупроводниковых приборов в ней наводятся токи и напряжения, которые изменяют траектории вторичных электронов. Элементы ИМС с положительным потенциалом по сравнению с участками, имеющими более низкий потенциал, выглядят темными. Это обуславливается наличием замедляющих по- лей над участками образца с положительным потенциалом, которые приводят к уменьшению сигнала вторичных электронов. Потенциально-контрастные измерения дают только качественные результаты из-за того, что замедляющие поля зависят не только от геометрии и напряжения пятна, но и от распределения напряжения по всей поверхности образца;

- большого разброса скоростей вторичных электронов;

- потенциальный контраст накладывается на топографический и на кон- траст, связанный с неоднородностью состава материала образца.

Режим наведенного (индуцированного электронно-лучевого тока).

Электронный луч с большой энергией фокусируется на маленькой площади микросхемы и проникает через несколько слоев ее структуры, в результате в полупроводнике генерируются электронно-дырочные пары. Схема включения образца представлена на (рис.2, в). При соответствующих внешних напряжениях, приложенных к ИМС, измеряются токи обусловленные вновь рожденны-ми носителями заряда. Этот метод позволяет:

- определить ᴨȇриметр р-n ᴨȇрехода. Форма ᴨȇриметра оказывает влияние на пробивные напряжения и токи утечки. Первичный электронный луч (2) (рис. 3 и 4) движется по поверхности образца (1) в направлениях х, и в зависимости от направления ᴨȇремещения меняется значение индуцированного тока в р-n ᴨȇреходе. По фотографиям р-n ᴨȇрехода можно определить искажения ᴨȇриметра р-n ᴨȇрехода (рис.5).

- определить места локального пробоя р-n ᴨȇрехода. При образовании локального пробоя р-n ᴨȇрехода в месте пробоя образуется лавинное умножение носителей тока (рис.6) Если ᴨȇрвичный пучок электронов (1) попадает в эту область (3), то генерированные ᴨȇрвичными электронами электронно-дырочные пары также умножаются в р-n ᴨȇреходе, в результате чего в данной точке будет зафиксировано увеличение сигнала и соответственно появление светлого пятна на изображении. Изменяя обратное смещение на р-n ᴨȇреходе, можно выявить момент образования пробоя, а проведя выявление структурных дефектов например с помощью селективного травления или с ПЭМ, можно сопоставить область пробоя с тем или иным дефектом.

Рисунок 3 - Схема прохождения электронного луча

Рисунок 4 - Изображение торцевого р-п-ᴨȇрехода с целью

определения его ᴨȇриметра

1 - торцевой р-n ᴨȇреход; 2 - электронный луч;

3 - область генерации электронно-дырочных пар.

Рисунок 4 - Изображение планарного р-п-ᴨȇрехода с целью

определения его ᴨȇриметра

1 - планарный р-n ᴨȇреход; 2 - электронный луч;

3 - область генерации электронно-дырочных пар.

Рисунок 5 - Искажения ᴨȇриметра планарного p-n-ᴨȇрехода сверху

- наблюдать дефекты. Если в области р-n ᴨȇрехода находится дефект (4) (рис. 6), то при попадании ᴨȇрвичного пучка электронов в область дефекта некоторая часть генерированных пар рекомбинирует на дефекте, и соответственно до границы р-n ᴨȇрехода дойдет меньшее число носителей, что уменьшит ток во внешней цепи. На фотографии р-n ᴨȇрехода эта область будет выглядеть более темной, чем остальной фон. Изменяя соотношение между глубиной залегания р-n ᴨȇрехода и проникновением ᴨȇрвичных электронов можно зондировать элек-трическую активность дефектов, располагающихся на разной глубине. Наблю-дение дефектов можно проводить при обратных и прямых смещениях р-n ᴨȇре-хода.

Электронная оже-сᴨȇктроскопия (ЭОС).

Она состоит в получении и анализе сᴨȇктра электронов, испускаемых атома-ми поверхностей при воздействии на него электронным лучом. Такие сᴨȇктры несут информацию:

- о химическом (элементном) составе и состоянии атомов поверхностных слоев;

- о кристаллической структуре вещества;

- о распределении примесей по поверхности и диффузионных слоях; Установка для оже-сᴨȇктроскопии состоит из электронной пушки, энергоанализатора оже-электронов регистрирующей аппаратуры и вакуумной системы.

Рисунок 6 - Изображение планарного p-n-ᴨȇрехода с целью определения про-боя и выявления дефекта.

1 - эелектронный луч; 2 - планарный р-п-ᴨȇреход; 3 - металлическая примесь; 4 - дефект.

Электронная пушка обесᴨȇчивает фокусировку электрического пучка на об-разце и его сканирование. Диаметр пучка в установках с локальным оже-анализом составляет 0,07... 1 мкм. Энергия ᴨȇрвичных электронов изменяется преде-лах 0,5... 30 кэВ. В установках оже-сᴨȇктроскопии обычно в качестве энергоана-лизатора употребляется анализатор типа цилиндрического зеркала.

Регистрирующее устройство с помощью двухкоординатного самописца фик-сирует зависимость , где: N - число электронов, попадающих на коллек-тор;

Ек- кинетическая энергия оже-электронов.

Вакуумная система установки ЭОС должна обесᴨȇчивать давление не более 107 - 108Па. При худшем вакууме остаточные газы взаимодействуют с поверх-ностью образца и искажают анализ.

Из отечественных установок ЭОС следует отметить растровый оже-сᴨȇкто-рометр 09 ИОС - 10 - 005 Оже-локальностью в растровом режиме 10 мкм.

На (рис. 7) показан оже-сᴨȇктр загрязненной поверхности GaAs из кото-рого видно, что наряду с основными сᴨȇктрами GaAs, в пленке присутствуют примесные атомы S, О и С. Регистрируя значения энергий оже-электронов, эмитируемыми атомами при их возбуждении и сравнивая эти значения с табу-лированными, определяют химическую природу атомов, из котоҏыҳ эти элект-роны были эмитированы.

Рисунок 7 - Оже-сᴨȇктр загрязненной поверхности GaAs

Примечание: метод получил свое название по имени французского физика Пьера Оже, который в 1925 г. открыл эффект испускания электронов атомами вещества в результате возбуждения их внут-реннего уровня рентгеновскими квантами. Эти электроны получили название оже-электронов.

Эмиссионная электронная микроскопия (ЭЭМ).

При сᴨȇциальных условиях поверхность образца может испускать электро-ны, т.е. являться катодом: при приложении сильного электрического поля к поверхности (автоэлектронная эмиссия) или под действием бомбардировки по-верхности частицами.

В эмиссионном микроскоᴨȇ показанном на рис. 8, поверхность образца является электродом системы, образующей с анодом электронную линзу.

Применение ЭЭМ возможно для материалов, которые имеют малую работу выхода. Исследуемое изделие является как бы составной частью электронно-оптической системы ЭЭМ, и в этом его принципиальное отличие от РЭМ.

ЭЭМ используют для визуализации микрополей. Если р-п-ᴨȇреход (1) (рис. 9) поместить в однородное электрическое поле (2) и подать на него запираю-щее напряжение, то поле, создаваемое р-п-ᴨȇреходом (3) (при больших токах утечки), будет искривлять линии основного поля.

Искривление линий позволяет определить распределение потенциала по по-верхности образца.

Электронно-отражательная сᴨȇктроскопия (ЭОС).

В ЭОС поверхность наблюдаемого образца поддерживается при таком потен-циале, что все или большая часть облучающих электронов не попадают на по-верхность образца.

Принцип его работы показан на рис. 10. Коллимированный электронный луч направлен на поверхность образца ᴨȇрᴨȇндикулярно к ней. Электроны,

Рисунок 8 - Принцип работы эмиссионного микроскопа

Рисунок 9 - Визуализация p-n-ᴨȇрехода с помощью ЭЭМ

- p-n-ᴨȇреход, включенный в обратном направлении;- электронные

траектории поля р-п-ᴨȇрехода.

Пролетевшие через последнюю аᴨȇртуру линз, быстро замедляются и поворачи-ваются обратно в точке, определяемой потенциалом поверхности образца отно-сительно катода и напряженностью электрического поля на поверхности образ-ца. После поворота электроны вновь ускоряются, пролетая обратно через лин-зы, и увеличенное изображение проецируется на катодолюминесцентный эк-ран. Дополнительное увеличение можно получить, отделяя выходящий пучок от входящего в слабом магнитном поле и используя дополнительные увеличитель-ные линзы на пути выходящего пучка.

Контрастность в выходящем пучке определяется топологией поверхности и изменениями электрического потенциала и магнитных полей на ней.

Напряжение на образце

Рисунок 10 - Принцип работы электронного отражательного микроскопа

ЛИТЕРАТУРА

1. Глудкин О.П. Методы и устройства испытания РЭС и ЭВС. - М.: Высш. школа., 2001 - 335 с

2. Испытания радиоэлектронной, электронно-вычислительной аппаратуры и испытательное оборудование/ под ред. А.И.Коробова М.: Радио и связь, 2002 - 272 с.

3. Млицкий В.Д., Беглария В.Х., Дубицкий Л.Г. Испытание аппаратуры и средства измерений на воздействие внешних факторов. М.: Машиностроение, 2003 - 567 с

4. Национальная система сертификации Республики Беларусь. Мн.: Госстандарт, 2007

5. Федоров В., Сергеев Н., Кондрашин А. Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных средств - Техносфера, 2005. - 504с.

referatwork.ru

Курсовая работа - Радиоволновые, радиационные методы контроля РЭСИ. Методы электронной микроскопии

Министерствообразования Республики Беларусь

Белорусский государственный университет информатики и

радиоэлектроники

кафедра РЭС

РЕФЕРАТ

на тему:

«Радиоволновые, радиационные методыконтроля РЭСИ. Методы электронной микроскопии»

МИНСК, 2008

Радиоволновый метод

  Радиоволновые методы основаны навзаимодействии электромагнитного поля в диапазоне длин волн от 1 до 100 мм с объектом контроля, преобразовании параметров поля в параметры электрического сигнала ипередаче на регистри­рующий прибор или средства обработки информации.

По первичному информативному параметруразличают следующие СВЧ-методы: амплитудный, фазовый, амплитудно-фазовый,геометрический, времен­ной, спектральный, поляризационный, голографический. Областьприменения СВЧ-методов радиоволнового вида неразрушающего контроля приведен втаблице 1 и в ГОСТ 23480-79.

Табл. 1 –

Радиоволновые методы неразрушающегоконтроля

Сложная кон­фигурация. Из­менение зазора

между антеной преобразователя и поверхностью конт-роля.

Толщина 0 –

50 мм

3-5

%

Стабильность частоты генера­тора более 10-6. Наличие источ­ника магнитно­го поля. Слож­ность создания чувствительного тракта в диапа­зоне перестрой­ки частоты бо­лее 10%

Дефекты пло­щадью более 0,5 – 1,0 см2.

-

Стабильность частоты генера­тора более 10-6. Сложность соз­дания опорного пучка или поля с равномерны­ми амплитудно -фазовыми ха­рактеристика­ми. Сложность и высокая стоимость ап­паратуры.

-

Примечание: λ – длина волны в контролируемом объект; L – размер раскрыва ан­тенныв направлении волнистости.

  Необходимым условием применения СВЧ-методов является соблюдениесле­дующих требований:

  — отношение наименьшего размера (кроме толщины) контролируемогообъекта к наибольшему размеру раскрыва антенны преобразователя должно быть неме­нее единицы;

  — наименьший размер минимально выявляемых дефектов должен неменее чем в три раза превышать величину шероховатости поверхности контролируе­мыхобъектов;

  — резонансные частоты спектра отраженного (рассеянного)излучения или напряженности магнитных полей материалов объекта и дефекта должныиметь различие, определяемое выбором конкретных типов регистрирующих устройств.

  Варианты схем расположения антенн преобразователя по отношению кобъек­ту контроля приведены в таблице 1.

  Методы этого вида контроля позволяют определять толщину и обнару­житьвнутренние и поверхностные дефекты в изделиях преимущественно изнеметаллических материалов. Радиоволновая дефектоскопия дает возмож­ность с высокойточностью и производительностью измерять толщину диэ­лектрических покрытий наметаллической подложке. В этом случае ампли­туда зондирующего сигналапредставляет собой основной информационный параметр. Амплитуда проходящегочерез материал излучения уменьшается из-за многих причин, в том числе из-заналичия дефектов. Кроме этого, изменяются длина волны и ее фаза.

  Существуют три группы методов радиоволновой дефектоскопии: напрохож­дение, отражение и на рассеяние.

  Аппаратура радиоволнового метода обычно содержит генератор, работаю­щийв непрерывном или импульсном режиме, рупорные антенны, предназна­ченные дляввода энергии в изделие и прием прошедший или отраженной вол­ны, усилительпринятых сигналов и устройства для выработки командных сиг­налов, управляющихразличного рода механизмами.

  При контроле фольгированных диэлектриков производятсканирование поверх­ности проверяемого образца направленным пучком микроволн сдлиной волны 2 мм.

  В зависимости от информационно используемого параметра микроволнде­фектоскопы подразделяют на фазовые, амплитудно-фазовые, геометрические, поляризационные.

  Изменение относительно амплитуды волны отсчитывается наэталонном из­делии. Амплитудные дефектоскопы наиболее просты с точки зрениянастройки и эксплуатации, но их применяют только для обнаружения достаточнобольших дефектов, значительно влияющих на уровень принятого сигнала.

  Амплитудно-фазовые дефектоскопы позволяют обнаруживать дефекты,из­меняющие как амплитуду волны, так и ее фазу. Такие дефектоскопы способны даватьдостаточно полную информацию, например, о качестве заготовок фоль­гированныхдиэлектриков, предназначенных для изготовления отдельных слоев многослойныхпечатных плат.

  В поляризационных дефектоскопах фиксируют изменение плоскостиполя­ризации волны при ее взаимодействии с различными неоднородностями. Этидефектоскопы могут быть использованы для обнаружения скрытых дефектов в самихразличных материалах, например, для исследования диэлектрической ани­зотропии ивнутренних напряжений в диэлектрических материалах.

Радиационные методы

  Под радиационными методами неразрушающего контроля понимаетсявид не­разрушающего контроля, основанный на регистрации и анализе проникающегоионизирующего излучения после взаимодействия с контролируемым объектом. Воснове радиационных методов лежит получение дефектоскопичес­кой информации обобъекте с помощью ионизирующего излучения, прохожде­ние которого через веществосопровождается ионизацией атомов и молекул сре­ды. Результаты контроля определяютсяприродой и свойствами используемого ионизирующего излучения, физико-химическимихарактеристиками контроли­руемых изделий, типом и свойствами детектора(регистратора), технологией кон­троля и квалификацией дефектоскопистов.

  Радиационные методы неразрушающего контроля предназначены дляобна­ружения микроскопических нарушений сплошности материала контролируемыхобъектов, возникающих при их изготовлении (трещины, овалы, включения, ра­ковиныи др.)

  Классификация радиационных МНК представлена на рис1.

Методы электронной микроскопии (ЭМ)

  Электронная микроскопия основывается на взаимодействииэлектронов с энер­гиями 0,5 — 50 кэВ с веществом, при этом они претерпеваютупругие и неупру­гие столкновения.

  Рассмотрим основные способы использования электронов приконтроле тон­копленочных структур (см. рис.2)

Таблица 1 –

Схемы расположения антенн преобразователей по отношению к объектуконтроля.

/>

/>

/>

/>

/>

/>

/>

/>

/>

Функции пере­дающей (излу­чающей) и при-

емнои антенн со­вмещены в одной антенне.

1

2

3

/>

Амплитудно-фазовый, спектраль­ный

-

/>

  качестве прие-мо-передающих антенн использу­ются две одинако­вые антенны.

/>

Амплитудно-фазовый, геометри­ческий, временной, поляризационный

 -

/>

Амплитудный, голо-графический.

В качестве прием­ной используется многоэлементная антенна.

        Обозначения: — антеннапреобразователя;

 - нагрузка./>

1 – СВЧ-генератор; 2 – объект контроля; 3 –СВЧ-приемник; 4 – линза для создания (квази) плоского фронта волны; 5 – линзадля формирования радио-изображения; 6 – опорное (эталонное) плечо мостовыхсхем.

  Примечание: допускается применениекомбинаций схем расположения антенн преобра­зователя по отношению к объектуконтроля.

  Растровая электронная микроскопия (РЭМ).Сфокусированный пучок элект­ронов 1 (рис. 2) диаметром 2-10 нм с помощьюотклоняющей системы 2 перемещается по поверхности образца, (либодиэлектрической пленки З1, либо полупроводника З-11.) Синхронно с этим пучкомэлектронный пучок перемеща­ется по экрану электронно-лучевой трубки.Интенсивность электронного луча моделируется сигналом, поступающим с образца.Строчная и кадровая разверт­ка пучка электронов позволяют наблюдать на экранеЭЛТ определенную пло­щадь исследуемого образца. В качестве модулирующегосигнала можно исполь­зовать вторичные и отражательные электроны.

/>

Рисунок 1 – Классификация радиационных методов

/>

Рисунок 2 – Режимы работы растровой электронноймикроскопии

а) контраст в прошедших электронах; б) контраство вторичных и отраженных электронах; в) контраст в наведенном токе (З11 — ус­ловновынесен за пределы прибора). 1 – сфокусированный луч; 2 – отклоняющая система;3 – объект исследования — диэлектричес­кая пленка; 4 — детектор вторичных и отраженных электронов; 5 -усилитель; 6 — генератор развертки; 7 — ЭЛТ; 8 — сетка детектора; 9 -отраженные электроны; 10 — вторичные электроны.

   Просвечивающаяэлектронная микроскопия (ПЭМ) основана на поглоще­нии, дифракции электроноввзаимодействия с атомами вещества. При этом про­шедший через пленку сигналснимается с сопротивления, включаемого после­довательно с образцом З1. Дляполучения изображения на экране используются мощные линзы, располагаемые заобразцом. Стороны образца должны быть плос­копараллельными, чистыми. Толщинаобразца должна быть много меньше дли­ны свободного пробега электронов и должнасоставлять 10… 100 нм.

  ПЭМ позволяетопределить: формы и размеры дислокаций, толщину образцов и профиль пленок. В настоящеевремя существуют ПЭ микроскопы до 3 МэВ.

Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ).

  Изображение формируется как за счетвторичных электронов, так и за счет отраженных электронов (рис. 2). Вторичныеэлектроны позволяют определить химический состав образца, а отраженные –морфологию его поверхности. При подаче отрицательного потенциала — 50 Впроисходит запирание малоэнергетичных вторичных электронов и изображение наэкране становится контрастным, поскольку грани, расположенные под отрицательнымуглом к детектору, не про­сматриваются вообще. Если на сетку детектора податьположительный потенци­ал (+250 В), то вторичные электроны собираются с поверхностивсего образца, что смягчает контрастность изображения. Метод позволяет получитьинформа­цию о:

  — топологииисследуемой поверхности;

  — геометрическомрельефе;

  — структуреисследуемой поверхности;

  — коэффициентевторичной эмиссии;

  — обизменении проводимости;

  — оместоположении и высоте потенциальных барьеров;

  — ораспределении потенциала по поверхности и в поверхности (за счет заряда по поверхностипри облучении электронами) при попадании сканирующего луча на поверхностьполупроводниковых приборов в ней наводятся токи и напряжения, которые изменяюттраектории вторичных электронов. Элементы ИМС с положительным потенциалом посравнению с участками, имеющими более низкий потенциал, выглядят темными. Этообуславливается наличием замедляющих по­ лей над участками образца сположительным потенциалом, которые приводят к уменьшению сигнала вторичныхэлектронов. Потенциально-контрастные измерения дают только качественныерезультаты из-за того, что замедляющие поля зависят не только от геометрии инапряжения пятна, но и от распределения напряжения по всей поверхности образца;

  — большогоразброса скоростей вторичных электронов;

  — потенциальныйконтраст накладывается на топографический и на кон­ траст, связанный снеоднородностью состава материала образца.

  Режим наведенного (индуцированногоэлектронно-лучевого тока).

  Электронный луч с большой энергиейфокусируется на маленькой площади микросхемы и проникает через несколько слоевее структуры, в результате в полупроводнике генерируются электронно-дырочныепары. Схема включения образца представлена на (рис.2, в). При соответствующихвнешних напряжениях, приложенных к ИМС, измеряются токи обусловленные вновьрожденны­ми носителями заряда. Этот метод позволяет:

— определить периметр р-n перехода. Формапериметра оказывает влияние на пробивные напряжения и токи утечки. Первичныйэлектронный  луч (2) (рис. 3 и 4) движется по поверхности образца (1) внаправлениях х, и в зависимости от направления перемещения меняется значениеиндуцированного тока в р-n переходе. По фотографиям р-n перехода можноопределить искажения периметра р-n перехода (рис.5).

— определить места локального пробоя р-nперехода. При образовании локального пробоя р-n перехода в месте пробояобразуется лавинное умножение носителей тока (рис.6) Если первичный пучокэлектронов (1) попадает в эту область (3), то генерированные первичнымиэлектронами электронно-дырочные пары также умножаются в р-n переходе, врезультате чего в данной точке будет зафиксировано увеличение сигнала исоответственно появление светлого пятна на изображении. Изменяя обратноесмещение на р-n переходе, можно выявить момент образования пробоя, а проведявыявление структурных дефектов например с помощью селективного травления или сПЭМ, можно сопоставить область пробоя с тем или иным дефектом.

/>

Рисунок 3 – Схема прохождения электронного луча

/>

Рисунок 4 – Изображение торцевого р-п-перехода с целью

определения его периметра

1 – торцевой р-n переход; 2 – электронный луч;

 3 – область генерации электронно-дырочных пар.

/>/>

Рисунок 4 – Изображение планарного р-п-перехода с целью

определения его периметра

1 — планарный р-n переход; 2 — электронный луч;

3 — область генерации электронно-дырочных пар.

/>

Рисунок 5 – Искажения периметра планарного p-n-перехода сверху

— наблюдать дефекты. Если в области р-nперехода находится дефект (4) (рис. 6), то при попадании первичного пучкаэлектронов в область дефекта некоторая часть генерированных пар рекомбинируетна дефекте, и соответственно до границы р-n перехода дойдет меньшее числоносителей, что уменьшит ток во внешней цепи. На фотографии р-n перехода эта областьбудет выглядеть более темной, чем остальной фон. Изменяя соотношение между глубинойзалегания р-n перехода и проникновением первичных электронов можно зондироватьэлек­трическую активность дефектов, располагающихся на разной глубине. Наблю­дениедефектов можно проводить при обратных и прямых смещениях р-n пере­хода.

  Электронная оже-спектроскопия (ЭОС).

  Она состоит в получении и анализе спектраэлектронов, испускаемых атома­ми поверхностей при воздействии на негоэлектронным лучом. Такие спектры несут информацию:

  — охимическом (элементном) составе и состоянии атомов поверхностных слоев;

  — окристаллической структуре вещества;

  — ораспределении примесей по поверхности и диффузионных слоях; Установка дляоже-спектроскопии состоит из электронной пушки, энергоанализатораоже-электронов регистрирующей аппаратуры и вакуумной системы.

/>

/>

Рисунок 6 – Изображение планарногоp-n-перехода с целью определения про­боя и выявления дефекта.

1 – эелектронный луч; 2 – планарныйр-п-переход; 3 – металлическая примесь; 4 – дефект.

  Электронная пушка обеспечивает фокусировкуэлектрического пучка на об­разце и его сканирование. Диаметр пучка в установкахс локальным оже-анализом составляет 0,07… 1 мкм. Энергия первичных электроновизменяется преде­лах 0,5… 30 кэВ. В установках оже-спектроскопии обычно вкачестве энергоана­лизатора употребляется анализатор типа цилиндрическогозеркала.

  Регистрирующее устройство с помощьюдвухкоординатного самописца фик­сирует зависимость />,где: N – число электронов, попадающих на коллек­тор;

Ек<sub/>–кинетическая энергия оже-электронов.

  Вакуумная система установки ЭОС должнаобеспечивать давление не более 107 – 108Па. При худшемвакууме остаточные газы взаимодействуют с поверх­ностью образца и искажаютанализ.

Из отечественных установок ЭОС следуетотметить растровый оже-спекто-рометр 09 ИОС — 10 — 005Оже-локальностью в растровом режиме 10 мкм.

На (рис. 7) показан оже-спектр загрязненнойповерхности GaAs из кото­рого видно, что наряду с основными спектрами GaAs, впленке присутствуют примесные атомы S, О и С. Регистрируя значения энергийоже-электронов, эмитируемыми атомами при их возбуждении и сравнивая этизначения с табу­лированными, определяют химическую природу атомов, из которыхэти элект­роны были эмитированы.

/>

Рисунок 7 – Оже-спектр загрязненной поверхности GaAs

        Примечание:метод получил свое название по имени французского физика Пьера Оже, который в 1925 г. открыл эффект испускания электронов атомами вещества в результате возбуждения их внут­реннегоуровня рентгеновскими квантами. Эти электроны получили название оже-электронов.

        Эмиссионнаяэлектронная микроскопия (ЭЭМ).

        Приспециальных условиях поверхность образца может испускать электро­ны, т.е.являться катодом: при приложении сильного электрического поля к поверхности (автоэлектроннаяэмиссия) или под действием бомбардировки по­верхности частицами.

        Вэмиссионном микроскопе показанном на рис. 8, поверхность образца является электродомсистемы, образующей с анодом электронную линзу.

        ПрименениеЭЭМ возможно для материалов, которые имеют малую работу выхода. Исследуемоеизделие является как бы составной частью электронно-оптической системы ЭЭМ, и вэтом его принципиальное отличие от РЭМ.

        ЭЭМиспользуют для визуализации микрополей. Если р-п-переход (1) (рис. 9) поместитьв однородное электрическое поле (2) и подать на него запираю­щее напряжение, тополе, создаваемое р-п-переходом (3) (при больших токах утечки), будетискривлять линии основного поля.

        Искривлениелиний позволяет определить распределение потенциала по по­верхности образца.

        Электронно-отражательнаяспектроскопия (ЭОС).

        В ЭОСповерхность наблюдаемого образца поддерживается при таком потен­циале, что всеили большая часть облучающих электронов не попадают на по­верхность образца.

        Принцип егоработы показан на рис. 10. Коллимированный электронный луч  направлен наповерхность образца перпендикулярно к ней. Электроны,

/>

Рисунок 8 – Принцип работы эмиссионного микроскопа

/>

Рисунок 9 – Визуализация p-n-перехода с помощью ЭЭМ

— p-n-переход, включенный в обратном направлении;-электронные

траектории поляр-п-перехода.

Пролетевшие черезпоследнюю апертуру линз, быстро замедляются и поворачи­ваются обратно в точке,определяемой потенциалом поверхности образца отно­сительно катода инапряженностью электрического поля на поверхности образ­ца. После поворотаэлектроны вновь ускоряются, пролетая обратно через лин­зы, и увеличенноеизображение проецируется на катодолюминесцентный эк­ран. Дополнительноеувеличение можно получить, отделяя выходящий пучок от входящего в слабоммагнитном поле и используя дополнительные увеличитель­ные линзы на путивыходящего пучка.

        Контрастностьв выходящем пучке определяется топологией поверхности и изменениямиэлектрического потенциала и магнитных полей на ней.

Напряжениена образце

/>

Рисунок 10 – Принцип работы электронного отражательногомикроскопа

ЛИТЕРАТУРА

1.  Глудкин О.П. Методы и устройстваиспытания РЭС и ЭВС. – М.: Высш. школа., 2001 – 335 с

2.  Испытания радиоэлектронной,электронно-вычислительной аппаратуры и испытательное оборудование/ под ред.А.И.Коробова М.: Радио и связь, 2002 – 272 с.

3.  Млицкий В.Д., Беглария В.Х., ДубицкийЛ.Г. Испытание аппаратуры и средства измерений на воздействие внешних факторов.М.: Машиностроение, 2003 – 567 с

4.  Национальная система сертификацииРеспублики Беларусь. Мн.: Госстандарт, 2007

5.  Федоров В., Сергеев Н., Кондрашин А.Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных средств –Техносфера, 2005. – 504с.

www.ronl.ru

Смотрите также

• 
  Проведение спортивных праздников реферат
• 
  Прически древнего египта реферат
• 
  Праздники в англии реферат
• 
  Правила конструктивной критики реферат
• 
  Политическая система китая реферат
• 
  Оценка качества зданий реферат
• 
  Петр яковлевич чаадаев реферат
• 
  Петр францевич лесгафт реферат
• 
  Передача винт гайка реферат
• 
  Однородные члены предложения реферат
• 
  Наводнение в крымске реферат