Способ контроля однородности макроструктуры пластин полупрозрачных сильнорассеивающих материалов Советский патент 1993 года по МПК G01N21/88 

Изобретение относится к технической физике и связано с исследованием или анализом структуры материала путем определения его физических свойств.

Цель изобретения - повышение надежности контроля. Заявленные допустимые пределы размеров радиуса пучка сканирования позволяют выявить в пластине не только наличие макродефектов, но и их местоположение. Кроме того, предлагаемое определение области сканирования пластины не использует области с краевыми явлениями.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе контроля однородности макроструктуры пластин полупрозрачных сильнорассеивающих материалов, заключающемся в сканировании пластины пучком

излучения и регистрации сигнала приемника, пропорционального энергии пропущенного пластиной излучения, предварительно измеряют сигнал, пропорциональный энергии, пропущенной эталоном, помещенным вплотную к входному отверстию интегрирующей сферы с помощью приемника, расположенного в выходном отверстии интегрирующей сферы, измеряют сигнал того же приемника, пропорциональный энергии излучения, пропущенной пластиной, помещенной на место эталона, вычисляют эффективный коэффициент поглощения К и эффективный радиус гэфф пучка на выходе из пластины, определяют область сканирования пластины с поперечными размерами (G - 2Гэфф) х (Н - 2г,фф), где G и Н - длина и ширина пластины, а сканирование этой области проводят пучком излучения с радиусом гв, удовлетворяющим условию (10-20) I гв (2-4)F, где I - среднее расстояние между микронеоднородностями структуры, F - характерный размер макродефектов.

Необходимость выполнения условий по размеру радиуса пучка сканирования заключается в следующем. Очевидно, что при сканировании пучком с радиусом гв I сиг- нал приемника, пропорциональный энергии пропущенного излучения, будет случайной величиной, имеющей при прочих равных условиях минимум в случае, если излучение падает на микронеоднородность, выходя- щую на поверхность, и максимум, если оно попадает в промежуток между микронеоднородностями. При увеличении размеров пучка эта случайная величина будет усредняться, а колебания сигнала при сканирова- нии сглаживаться, что позволяет с большой достоверностью обнаруживать те ситуации, когда излучение попадает на макродефект. С другой стороны, размеры пучка нельзя беспредельно увеличивать, поскольку, очевидно, что при наличии соотношения гв F изменение сигнала, связанного с наличием макродефекта, будет очень малым и его практически невозможно будет зарегистрировать на фоне случайных колебаний.

Выбор оптимального размера пучка накладывает определенные ограничения на величину гэфф, которая определяет область достоверного определения макродефектов при сканировании. Очевидно, что эта об- ласть сканирования не совпадает со всей площадью G х Н пластины, поскольку при приближении сканирующего пучка к краю пластины начинают сказываться краевые эффекты. Так как пучок во время прохожде- ния через пластину расширяется из-за рассеяния на микронеоднородностях, то ясно, что Гэфф гв. Кроме того, даже если энергия падающего пучка имеет равномерное в пределах гв распределение по радиусу, то энер- гия выходящего пучка монотонно убывает от центра к периферии.

Определим г° эфф как такой радиус выходящего пучка, при котором выполняется условие

р -рСгЧфф.гвЯ/р а,

(1)

где R,,,- направленно-полусферическая про- пускательная способность пластины в случае, когда пучок находится далеко от границ и краевые эффекты не влияют на пропускание, Р(г° эфф, гв) - направленно-полусфери- чес(кая пропускательная способность пластины в случае, когда центр пучка находится на расстоянии г%фф от края пластины, 6 - относительное среднеквадрэтическое случайное колебание сигнала приемника при сканировании. Очевидно, что величина РОО равна направленно-полусферической пропускательной способности плоского слоя, бесконечного в перпендикулярных к пучку направлениях, и определяется формулой

P, 8ADЈe-3L,(2)

где D - коэффициент диффузии излучения, Ј (K/D) , К - эффективный коэффициент поглощения, L - толщина слоя, А - коэффициент, равный отношению внешней нормально-полусферической пропускательной способности тонкого пограничного слоя, к его внутренней двуполусферической пропускательной способности.

Формула (1) соответствует тому факту, что при подходе во время сканирования центра пучка к границе пластины на расстояние г эфф относительное изменение пропускательной способности равно относительному среднеквадратичному колебанию сигнала приемника.

Для того, чтобы по формуле (1) рассчитать значение г° эфф, необходимо численно решить трехмерную задачу диффузии излучения, что представляется в настоящее время чрезвычайно трудной задачей даже для современных быстродействующих ЭВМ. Можно, однако, сделать оценку Р(г°эфф, гв) снизу, а значит г° эфф сверху, исходя из следующих соображений. Очевидно, что излучение, выходящее из пластины при положении центра пучка на расстоянии г от границы, будет больше, чем излучение, выходящее из торца некоторого гипотетического цилиндра с радиусом г, т.е. Р(г, гв Рц(г, гв), где Рц(г, гв) - направленно-полусферическая пропускательная способность цилиндра. Поэтому в качестве оценки гэфф(о) сверху можно выбрать такое значение гэфф, при котором выполняется условие

Использование: исследование или анализ структуры материала путем определения его физических свойств. Сущность изобретения: дополняют сканирование пластины относительно пучка излучения предварительным измерением сигнала приемника излучения внутри сферы, пропущенного эталоном и пластиной, помещенными поочередно вплотную к входному отверстию интегрирующей сферы. Затем определяют область сканирования пластины с использованием вычисленных коэффициента поглощения и эффективного радиуса пучка сканирования. Сканируют эту область пучком с радиусом, удовлетворяющим условию (10-20) I гь

rB)().

Г и

у

к 1 (1 +Јк

к

|к-е L -И/ кГв/гэфф

h)2 - (1 - Јkh) (1 + г,))лО

(3) .(4)

)1 2: I0 - (u h/po)h 0, h 2 D (1 + rCT) (1 - rCT)

- корень уравнения;

гст - коэффициент отражения границы; lo и И - функции Бесселя нулевого и первого порядков.

Необходимая для расчета гэфф по соотношениям (2) - (4) величина D считается известной. Она слабо зависит от вариаций заданного технологического режима изготовления материала и может быть достаточно просто измерена на тонком образце этого материала. Другая величина - коэффициент А вообще не влияет на гэфф, поскольку она сокращается при подстановке (2) и (4) в формулу (3.

Что касается эффективного коэффициента поглощения К, то его величина во многом обусловлена наличием неконтролируемых в каждом конкретном случае примесей и может сильно меняться от пластины к пластине, что делает необходимым измерение К для каждой пластины. С этой целью сигнал U приемника излучения, пропорциональный энергии пропущенного пластиной излучения при положении пучка в центре пластины, относится к соответствующему сигналу LU, имеющему место при наличии эталона, помещенного на место пластины. Таким образом определяют пропускатель- ную способность 1. Рэт и Кэф, а затем на основании (2) рассчитывают эффективный коэффициент поглощения. При этом коэффициент А определяют из соотношения

А %

где п П + (1 - П) - эффективный показатель преломления, п0 - показатель преломления рассеивающих частиц, из которых сделан материал, П - пористость, а величина %, представляющая собой отношение нормально-полусферической пропускательной способности к двуполус- ферической, с хорошей точностью равна 1,25 для материалов с шероховатыми границами и 1,1 - для оптически гладких границ.

Способ осуществляют следующим образом.

5 являющийся функцией К и гв. где г„ - радиус падающего на пластину пучка.

0 5. Производят сканирование этой области пучком излучения, предварительно установив его радиус таким образом, чтобы он удовлетворял условию (10-20) I г„ (2-4)F, где I среднее расстояние между микроне5 однородностями структуры, F - характерный размер макродефектов.

Способ осуществляют с помощью устройства, схематически изображенного на чертеже. Излучение лазера 1 после прохож0 дения модулятора 2, светофильтра 3. делительной пластины 4 падает на эталон 5 или пластину из исследуемого материала 6,- установленных вплотную к входному отверстию интегрирующей сферы 7. Фотоприем5 ник 8, защищенный экраном 9 от попадания прямого излучения образца или эталона, вырабатывает сигнал, усиливаемый усилителем 10. Отраженное от делительной пластины 4 излучение попадает в сферу 11.

0 Сигнал с приемника 12 усиливается усилителем 13. Сигналы с усилителей 10 и 13 поочередно измеряют цифровым вольтметром 14, который соединен с системой сбора и обработки данных 15, включающей крейт

5 КАМАК, ЭВМ, терминал и цифропечатаю- щее устройство. Измерение однородности макроструктуры образца проводят предлагаемым способом путем параллельного перемещения пластины в плоскости

0 перпендикулярной оптической оси.

Изобретение иллюстрируется следующим примером. При осуществлении предлагаемого способа необходимо выполнение некоторых условий для материала, из кото5 рого изготовлена пластина. Это условие так называемого диффузионного предела

1 D/L 0 где толш.ина исследуемой пластины. Самым характерным признаком

0 выполнения этих условий является высокое значение коэффициента отражения пластины (R 0,9) в исследуемой области спектра.

Пластина из волокнистой кварцевой

5 теплоизоляции толщиной 9 мм и пористостью П - 94%, лазерная длина волны 0,63 мкм. Средний размер волокон, из которых состоит теплоизоляция - 2 мкм Значение показателя преломления гь для кварца на данной длине волны n0 V457 Для определения значения коэффициента поглощения пластины располагают ее вплотную ко входному окну интегрирующей сферы и измеряют сигнал Ц пропорциональный ее пропускательной способности Р относительно сигнала 1)эт, пропорционального пропускательной способности РЭт эталона, помещенного затем на месте исследуемой пластины. Зная пропускание эталона Рэт в -0.02 определяют, что пропускание пластины Р Рэт U /1)эт - 1,8- 10 . Полагают, что значение коэффициента диффузии излучения D получено из предварительных экспериментов и равно 4,27-10 см. Если значение D отсутствует, его можно найти по формуле D « РНх(4п ), измерив пропускание образца (изготовленного из той же пластины) небольшой толщины Нх (Нх 0,4 см).

Величину п2 определяют по формуле

п2 - П + (1 - П) по2 0,94 + (1 - 0,94) х

х 1,4572 1,335.

Значение коэффициента х с хорошей точностью принимают равным 1,25, Тогда 1,25-1,335 1669

Подставляя известные и найденные значения А, D в уравнение (2) для направленно-полусферической пропускательной способности плоского слоя и решая его относительно коэффициента поглощения, находят R 5, .

Исследование структуры волокнистой теплоизоляции-на микроскопе позволили установить, что среднее расстояние между микронеоднородностями структуры 1 60 мки, а характерный размер макродефектов F 3 мм. Согласно предлагаемому способу сканирование выбранной площадки производят пучком, удовлетворяющим условию (10-20)1 гв (2-4) F. Отсюда получаем, что оптимум величины гв составит 1 мм.

Пусть относительное среднеквадратичное колебание сигнала приемника во время сканирования пучка по пластине 5 0.03. Имеющихся данных достаточно для того,

чтобы из уравнения (3) рассчитать гэфф, на выводе из пластины. Расчеты дают гэфф - 8 мм. Если размеры сканируемой пластины GxH составляют 20x40 см . то область сканирования имеет размеры (20 - 2 -0,8) х (40 2-0,8)- 18,4x38.4 см2.

Формула изобретения Способ контроля однородности макроструктуры пластин полупрозрачных сильнорассеивающих материалов, заключающийся в том, что сканируют пластину пучком излучения и регистрируют сигнал приемника, пропорциональный энергии пропущенного пластиной излучения, отличающийс я тем, что, с целью повышения надежности контроля, предварительно измеряют сигнал, пропорциональный энергии, пропущенной эталоном, помещенным вплотную к входному отверстию интегрирующей сферы

с помощью приемника, расположенного в выходном отверстии интегрирующей сферы, измеряют сигнал того же приемника, пропорциональный энергии излучения, пропущенной пластиной, помещенной на место

эталона, вычисляют эффективный коэффициент поглощения К и эффективный радиус Гэфф пучка на выходе из пластины, определяют область сканирования пластины с поперечными размерами (G - 2гэфф) х (Н 2гэфф), где G и Н - длина и ширина пластины, а сканирование этой области проводят пучком излучения с радиусом гв, удовлетворяющим условию (10-20) I гв (2-4)F, где I - среднее расстояние между микронеоднородностями структуры, F - характерный раз- .мер макродефектов.