Способ неразрушающего контроля механической анизотропии диэлектрических материалов Советский патент 1991 года по МПК G01N22/00 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного неразрушающего контроля диэлектрических материалов и изделий.

Целью изобретения является повышение точности контроля.

На чертеже приведена блок-схема устройства, реализующего способ неразрушающего контроля механической анизотропии диэлектрических материалов.

Устройство содержит источник 1 линейно поляризованного излучения, вращатель 2 плоскости поляризации, поляризационный модулятор 3, диэлектрический материал 4. второй вращатель 5 плоскости поляризации, анализатор 6, СВЧ-детектор 7, усилитель 8, блок 9 выборки и деления напряжения, экстрематор 10, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 11, блок 12 обработки и измеритель 13 разности фаз.

Устройство работает следующим образом.

Электромагнитные колебания, генерируемые источником 1, поступают во вращатель 2, где устанавливается азимут зондирующего излучения равным 45°, и поступают далее в модулятор 3. С помощью

о

00 Ч) 00

ел

модулятора 3 из исходного СВЧ-излучения формируют две линейно поляризованные электромагнитные волны, азимут которых составляет соответственно 45 и 90° с плоскостью падения, и поочередно направляют их на материал 4. Отраженное от него электромагнитное излучение поступает во вращатель 5. С помощью вращателя 5 осуществляется вращение эллипса поляризации отраженной волны, а затем с по- 1чощью анализатора 6 выполняется преобразование электромагнитной волны эллиптической поляризации в линейно поляризованную волну. После детектирования с помощью детектора 7 сигнал усиливается усилителем 8 и поступает на блок 9, с помощью которого определяют отношение минимального значения сигнала к максимальному, которое дает значение коэффициента эллиптичности отраженной электромагнитной волны, поскольку анализатор 6 при вращении эллипса поляризации вращателем 5 в минимуме сигнала выделяет малую ось эллипса, а в максимуме - большую. Измерение азимута осуществляется путем измерения разности фаз опорного сигнала с опорной обмотки вращателя 5 и продетектированного сигнала с выхода усилителя 8, которые поступают на входы из- мерителя 13. Выходной сигнал измерителя 13, пропорциональный азимуту отраженной волны, поступает в блок 12. Блох 9 в соответствии с управляющим сигналом с модулятора 3 работает в двух режимах. В первом, при облучении материала 4 линейно поляризованной электромагнитной волной, плоскость поляризации которой состав л яет45°с плоскостью падения, с помощью блока 9 определяют отношение ми- нимального значения сигнала к максимальному, которое дает значение коэффициента эллиптичности отраженной электромагнитной волны, поскольку анализатор 6 при вращении эллипса поляризации вращателем 5 в минимуме сигнала выделяет малую ось эллипса, а в максимуме - большую. Во втором режиме, при облучении материала 4 линейно поляризованной электромагнитной волной, плоскость поляризз- ции которой составляет 90° с плоскостью падения, с помощью блока 9 определяют Отношение максимального значения сигнала к минимальному, которое дает при условии предварительной калибровки величину коэффициента отражения зондирующей волны. Измеренные значения коэффициента эллиптичности и коэффициента отражений с помощью АЦП 11 преобразуются в цифровой код и поступают в блок 12, в кото- ром рассчитывается значение эллипсометрического параметра р и определяются экстремальные значения величин p/Rsnpv вращении материала 4, по отношению которых судят о степени анизотропии материала 4. Запишем выражения для коэффициентов отражения линейно поляризованных СВЧ-волн, поляризованных в плоскости падения (р-поляризация) и перпендикулярно ей (S-поляризация);

RD

tg

JlЈL

Rs

(1) (2)

tg(p0 +pt)

- з|п(о ffi )

sin (po + yx )

po , p - уол падения и преломления ветственно.

Если положить угол падения р0 45°, (1) и (2) получим

„ 4.9(45 Ч1,) Ьз(450-ср,)

Р tg(t54q,) t t90°-{45°-4 ,)l

,i H l-tq ( el3«5«-40 9Ь

SmU5a-q 1sin(,)

Sin(45°+qi«y ч т(45°-с Л

(4B°-Ui,V) -tg(4Sfl-qa

(4)

Co5(45e-4Y)

Из уравнений (З) и (4) получаем

RP R2s(5)

Рассмотрим теперь основное уравнение зллипсометрии, которое имеет следующий вид:

/9 tgVeJA -jk ,(6)

где ф, Д- эллипсометрические углы. В радиоволновой эллипсометрии более удобно измерять другие эллипсометрические параметры: эллиптичность tg у и азимут %, которые связаны с tp, А известными формулами перехода. Воспользовавшись этими формулами, уравнение (б) с учетом (5) для изотропного диэлектрического материала без поглощения приводится к следующему виду:

rt

()

Таким образом из (7) видно, что для изотропного диэлектрического материала без поглощения тангенс азимута отраженной волны, падающей на материал под углом 45°, и линейно поляризованной под углом 45° к плоскости падения равен коэффициенту отражения линейно поляризованной волны, поляризованной перпендикулярно плоскости падения. Следовательно, отношение p/Rs для изотропного материала должно тождественно равняться единице. В случае контроля анизотропных материалов при облучении последних линейко поляризованной волной под углом 45° и азимутом лад - 45° тангенс азимута (для материалов

без поглощения) или значение эллипсомет- рического параметра р (при его наличии) отраженной волны не равняется величине RS, поскольку соотношение (5) для ортогонально поляризованных компонент р- и S-, на которые можно разложить падающую волну, не выполняется вследствие анизотропии диэлектрических свойств материала. Более высокая точность обусловлена использованием зллипсометрической методики измерения параметров двух линейно поляризованных волн, имеющих равный угол падения и различный азимут. Формула изобретения Способ неразрушающего контроля механической анизотропии диэлектрических материалов, заключающийся в облучении диэлектрического материала линейно поляризованной волной, измерении коэффициента отражения Rs отраженной волны, плоскость поляризации которой составляет угол «1 с плоскостью падения, и измерении

параметров отраженной волны, плоскость поляризации которой составляет угол оа к плоскости падения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля, диэлектрический материал облучают под углом 45°, величины углов а и оа выбирают соответственно 90 и 45°, а в качестве измеряемого параметра отраженной волны, плоскость поляризации которой составляет угол Си 45°, выбирают эллиптичность и азимут эллипса поляризации, а степень анизотропии диэлектрического материала определяют по формуле

(P/RS )мзкс (/Э/RcVnm

/3 , где (p/Rs, )макс . (p/Rs )мик г экстремальные значения отношений;

1, А- эллипсометрические углы, связанные с эллиптичностью и азимутом.

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для неразрушающего контроля диэлектрических материалов в радиотехнической и авиационной промышленности. Цель изобретения - повышение точности контроля анизотропии диэлектрических материалов. Сущность изобретения заключается в поочередном облучении диэлектрического материала под углом 45° двумя линейно поляризованными волками, азимут которых составляет 45 и 90° с плоскостью падения, измерении эллипсометрических параметров отраженной электромагнитной волны, падающей на образец с азимутом 45°, и коэффициента отражения электромагнитной волны, азимут которой при падении на образец составляет 90°, и определении экстремальных значений отношения эллип- сометрического параметра р к коэффициенту отражения. Изобретение позволяет обнаружить анизотропию материала при любом положении образца, а также практически полностью исключить погрешность, обусловленную перекосами образца, и погрешность, связанную с амплитудно-временной и частотной нестабильностью источника излучения. 1 ил. У fe