Способ ультразвукового контроля качества оптически прозрачных монокристаллических слитков

 

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля материала оптически прозрачных изделий, в частности монокристаллических слитков, имеющих на своей боковой поверхности по крайней мере две плоскопараллельные плоскости, и может быть использовано для нахождения в протяженных монокристаллических слитках местоположения границ напряженных участков . Цель изобретения - повышение информативности контроля за счет определения границ напряженности участков на боковой поверхности контролируемого слитка. На торцовую поверхность контролируемого изделия устанавливают ультразвуковой преобразователь, излучают импульсы ультразвуковых колебаний, принимают серию эхо-импульсов, отраженных от противоположной поверхности изделия, сканируют по торцовой поверхности контролируемого изделия ультразвуковым преобразователем . При сканировании преобразователь в процессе излучения и приема вращают вокруг собственной оси. По изменению отклонения огибающей серии принятых эхо-импульсов от экспоненты определяют наличие внутренних механических напряжений. Размещают ультразвуковой преобразователь в центре торцовой поверхности контролируемого изделия, излучают импульсы ультразвуковых колебаний , просвечивают контролируемое изделие со стороны его боковой поверхности пучком когерентного света, обеспечивают акустооптическое взаимодействие ультразвуковых и световых волн. Выделяют из пространственного углового спектра дифрагированного в области взаимодействия пучка света один из дифракционных порядков , принимают выделенную часть светового пучка, преобразуют ее в электрический сигнал. Перемещают изделие в направлении , перпендикулярном световому пучку, и вдоль направления распространения импульса ультразвуковых колебаний на расстояние, кратное длине ультразвуковой волны, которое определяют по параметрам электрического сигнала. Измеряют длину ультразвуковой волны, а границы напряженных участков определяют из условия, когда измеренное значение длины волны превышает допустимые пределы. 2 ил. Ё О N о о ГО 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю G 01 N 29/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1 ваеЪ . lQ

»

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4610562/28 (22) 30.11,88 (46) 07.04,91. Бюл. М 13 (71) Таганрогский радиотехнический институт им. В.д. Калмыкова и МГУ им. M.В. Ломоносова (72) И.Н, Каневский, Б.А. Струнов, В.Н. Казимиров, К.А. Минаева и M.È. Сластен, (53) 620.179.16(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N. 1295326, кл. 6 01 N 29/04, 1985.

Авторское свидетельство СССР

N. 1486917, кл. G 01 и 29/04, 1987. (54) СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯЯ КАЧЕСТВА ОПТИЧ Е СКИ ПРОЗ РАЧ Н ЫХ

МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СЛИТКОВ (57) Изобретение относится к неразрушающим методам контроля материала оптически прозрачных изделий, в частности монокристаллических слитков, имеющих на своей боковой поверхности по крайней мере две плоскопараллельные плоскости, и может быть использовано для нахождения в протяженных монокристаллических слитках местоположения границ напряженных участков. Цель изобретения — повышение информативности контроля за счет определения границ напряженности участков на боковой поверхности контролируемого слитка. На торцовую поверхность контролируемого изделия устанавливают ультразвуковой преобразователь, излучают импульсы ультразвуковых колебаний, принимают серию эхо-импульсов, отраженных

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля материала оптически прозрачных изделий, например протяженных монокристаллических слит„„5U„„1640628 А1 от противоположной поверхности изделия, сканируют по торцовой поверхности контролируемого изделия ультразвуковым преобразователем. При сканировании преобразователь в процессе излучения и приема вращают вокруг собственной оси, По изменению отклонения огибающей серии принятых эхо-импульсов от экспоненты определяют наличие внутренних механических напряжений. Размещают ультразвуковой преобразователь в центре торцовой поверхности контролируемого изделия, излучают импульсы ультразвуковых колебаний, просвечивают контролируемое изделие со стороны его боковой поверхно.сти пучком когерентного света. обеспечивают акустооптическое взаимодействие ультразвуковых и световых волн. Выделяют из пространственного углового спектра дифрагированного в области вэаимодействия пучка света один из дифракционных порядков, принимают выделенную часть светового пучка, преобразуют ее в электрический сигнал. Перемещают изделие в направлении, перпендикулярном световому пучку, и вдоль направления распространения импульса ультразвуковых колебаний на расстояние, кратное длине ультразвуковой волны, которое определяют по параметрам электрического сигнала. Измеряют длину ультразвуковой волны, а границы напряженных участков определяют из условия, когда измеренное значение длины волны превышает допустимые пределы. 2 ил, 1 ков, имеющих на своей боковой поверхности по крайней мере две плоскопараллельные плоскости, с возникающими при росте неоднородными по обьему слитка остаточ1640628

55 ными внутренними механическими напряжениями, и может быть использовано для нахождения на боковой поверхности протяжного изделия местоположения границ напряженных участков слитка с недопустимыми по величине механическими напряжениями, Цель изобретения — повышение информативности контроля за счет определения границ напряженных участков на боковой поверхности контролируемого слитка.

На фиг. 1 представлено распределение длйны ультразвуковой волны (Л), вдоль длины (1) контролируемого изделия, характерное для изделия с внутренними механическими напряжениями; на фиг. 2— структурная схема устройства для реализации способа ультразвукового контроля.

Устройство для реализации способа ультразвукового контроля качества протяженнйх изделий содержит ультразвуковой преобразователь 1, импульсный модулятор

2, переключатель 3, приемник 4, двухканальный осциллограф 5, генератор 6 экспоненты, синхронизатор 7, генератор 8 высокочастотный, аттенюатор 9, лазер 10, щель 11, фотоприемник 12 и контролируемое протяженное иэделие 13, причем ультразвуковой преобразователь 1 подключен к выходу импульсного модулятора 2 и может подключаться переключателем 3 к входу приемника 4, выход которого в свою очередь соединен с входом первого канала У двухканального осциллографа 5, вход второго канала У двухканального осциллографа

5 соединен с выходом генератора 6 экспоненты, вход генератора 6 экспоненты подключен к первому выходу синхронизатора 7, второй и третий выходы синхронизатора 7 соединены с третьим входом (входом Х) двухканального осциллографа 5 и первым входом импульсного модулятора 2 соответствено, первый и второй выходы генератора

8 высокочастотного подключены к второму входу импульсного модулятора 2 и входу аттенюатора 9 соответственно, выход аттенюатора 9 с помощью переключателя 3 может подключаться к входу приемника 4, на оптической оси лазера 10 расположены последовательно щель 11 и фотоприемник 12, выход фотоприемника 12 подключен к выходу аттенюатора 9. Контролируемое протяженное изделие 13 своей торцовой поверхностью акустически соединено с ультразвуковым преобразователем 1 и установлено между лазером 10 и щелью 11 так, чтобы оптическая ось лазера 10 и продольная ось контролируемого протяженного изделия 13 пересекались и были взаимно перпендикулярны.

Способ ультразвукового контроля оптически прозрачных монокристаллических слитков осуществляется следующим образом.

Ультразвуковой преобразователь 1 устанавливают на торцовую поверхность контролируемого протяженного изделия 13.

Излучают в изделие 13 импульсы ультразвуковых колебаний с помощью ультразвукового преобразователя 1. Для этого импульсный модулятор 2 формирует из непрерывного гармонического сигнала, вырабатываемого генератором 8 высокочастотным, зондирующие радиьимпульсы нужной длительности и с необходимым периодом повторения, задаваемые импульсами синхронизатора 7.

Зондирующие радиоимпульсы с импульсного модулятора 2 подаются на ультразвуко- вой преобразователь 1. Ультразвуковые импульсы распространяются в контролируемом протяженном изделии 13, многократно отражаясь от его плоскопараллельных торцовых поверхностей. Отраженную от противоположной ультразвуковому преобразователю 1 торцовой поверхности контролируемого протяженного изделия 13 серию эхо-импульсов принимают ультразвуковым преобразователем 1, который преобразует их в электрические сигналы.

Эти сигналы подаются на вход приемника 4 через замкнутый переключатель 3, усиливаются в нем до необходимой величины и с выхода приемника 4 подаются на вход первого канала У двухканального осциллографа

5 для визуальной индикации их на экране электроннолучевой трубки. На вход второго канала У двухканального осциллографа 5 подается экспоненциальный сигнал с генератора 6 экспоненты. Синхронизатор 7 обеспечивает согласованный между собой запуск импульсного модулятора 2, генератора 6 экспоненты и генератора развертки двухканального осциллографа 5 так, что на экране двухканального осциллографа 5 одновременно с серией принятых эхо-импульсов наблюдается экспоненциальный сигнал. Экспоненциальный сигнал совмещается с огибающей серии принятых эхоимпульсов путем изменения постоянной времени генератора 6 экспоненты. Ультразвуковым преобразователем 1 сканируют по торцовой поверхности контролируемого протяженного изделия 13 путем его перемещения. При сканировании ультразвуковой преобразователь 1 в процессе излучения и приема вращают вокруг собственной оси и по изменению отклонения огибающей серии принятых эхо-импульсов от экспоненты, осуществляемому визуально на экране двухканального осциллографа 5, определя1640628

10

20 ют наличие внутренних механических напряжений в контролируемом протяженном изделии 13. Внутренние механические напряжения в контролируемом протяженном изделии 13 имеются в том случае, когда экспоненциальная огибающая серии принятых эхо-импульсов при вращении ультразвукового преобразователя 1 вокруг своей оси переходит в убывающий по экспоненте модуль косинуса и обратно, Для нахождения на боковой поверхности контролируемого протяженного изделия 13 местоположения границ напряженных участков при обнаружении в контролируемом протяженном изделии 13 внутренних механических напряжений ультразвуковой преобразователь 1 размещают в центре торцовой поверхности контролируемого протяженного изделия 13 и излучают импульсы ультразвуковых колебаний в контролируемое протяженное изделие 13.

Просвечивают контролируемое протяженное изделие 13 со стороны его боковой поверхности пучком когерентного света лазера 10, Обеспечивают акустооптическое взаимодействие ультразвуковых и световых волн взаимным расположением контролируемого протяженного изделия 13 с размещенным в центре его торцовой поверхности ультразвуковым преобразователем 1 и лазера 10 так, чтобы ультразвуковой и световой пучки пересекались, и, кроме этого, световой пучок должен падать на звуковой пучок нормально. Акустооптическое взаимодействие обеспечивают также установкой частоты ультразвуковой волны, удовлетворяющей условию

Л2

;Гс >>1

Искомую частоту ультразвуковой волны для обеспечения акустооптического взаимодействия в пределе Рамана-Ната в контролируемом изделии, например из галлий-гадолиниевого граната, найдем по формуле где U — скорость распространения сдвиговой ультразвуковой волны в исследуемом монокристалле;

Л вЂ” длина световой волны используемого лазера в вакууме;

1 — длина взаимодействия на первый дифракционный максимум;

n — показатель преломления исследуемого монокристалла.

Выделяют иэ пространственно углового спектра, прошедшего через контролируемое протяженное изделие 13 и дифрагиро25

55 ванного в области взаимодействия. пучка света, один иэ дифракционных порядков, например +1, с помощью щели 11 перемещением ее в направлении, перпендикулярном направлению распространения светового пучка, и принимают выделенную часть светового пучка фотоприемником 12, С помощью последнего преобразуют выделенную часть светового пучка s электрический сигнал, фаза которого определяется координатой точки просвечивания. При нахождении на боковой поверхности контролируемого протяженного изделия 13 границ напряженных участков вход приемника 4 соединяется с выходом фотоприемника 12 переключателем 3. Одновременно с электрическим сигналом с фотоприемника 12 на вход приемника 4 через аттенюатор 9 подается опорный сигнал частотой И с генератора 8 высокочастотного. Эти сигналы усиливаются в приемнике 4 и с выхода приемника 4 поступают на вход первого канала

У двухканального осциллографа 5. Синхронизатор 7 обеспечивает синхронный запуск генератора развертки двухканального осциллографа 5 с началом зондирующего сигнала, вырабатываемого импульсным модулятором 2, На экране двухканального осциллографа 5 фиксируется прямоугольный радиоимпульс на фоне непрерывного сигнала той же частоты, разность фаз этих сигналов зависит только от координаты точки просвечивания Х, задаваемой перемещением контролируемого протяженного изделия 13, Если амплитуду непрерывного опорного сигнала уравнять аттенюатором 9 с амплитудой импульсного сигнала, то в и ределах этого импульсного сигнала его результирующая амплитуда периодически изменяется cr нуля до 200 и снова до нуля при перемещении контролируемого протяженного изделия поочередно на расстояние il, Перемещают контролируемое и ротяженное изделие 13 в направлении, перпендикулярном световому пучку, и вдоль направления распространения импульса ультразвуковых колебаний на расстояние, кратное длине ультразвуковой волны, которое определяют по параметрам электрического сигнала, и измеряют длину ультразвуковой волны. Измерение длины ультразвуковой волны осуществляется с помощью системы отсчета механизма перемещения контролируемого протяженного изделия 13 при его перемещении. Показания системы отсчета меха; ниэма перемещения фиксируются при перемещении контролируемого протяженного изделия 13 в положениях, соответствующих нулевой амплитуде результирующего

1640628 сигнала на экране двухканального осциллографа 5, Погрешность отсчета перемещения и самого перемещения существующих механизмов перемещения может быть достаточно малой, например 1 мкм, вполне удовлетворительной для данного способа.

Границы напряженных участков определяют из условия, когда измеренное значение длины волны превышает допустимые пределы.

Формула изобретения

Способ ультразвукового контроля каче-. ства оптически прозрачных монокристаллических слитков, заключающийся в том, что на торцовую поверхность контролируемого слитка устанавливают ультразвуковой преобразователь, излучают импульсы ультразвуковых колебаний, принимают серию эхо-импульсов, отраженных от противоположной поверхности изделия, сканируют по торцовой поверхности контролируемого иэделия ультразвуковым преобразователем, при сканировании преобразователь в процессе излучения и приема вращают вокруг собственной оси и по изменению огибающей серии принятых эхо-импульсов определяют наличие внутренних механических напряжений, о тл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения информативности кон5 троля за счет определения границ напряженных участков на боковой поверхности контролируемого слитка, после определения наличия напряжений размещают ультразвуковой преобразователь в центре

10 торцовой поверхности контролируемого слитка, излучают импульсы ультразвуковых колебаний и локально просвечивают контролируемый слиток со стороны его боковой поверхности пучком когерентного света, по15 следовательно перемещают слиток в осевом направлении на расстояние, кратное длине ультразвуковой волны, которое определяют по параметрам прошедшего через контролируемый слиток светового пучка в

20 одном иэ диффракционных порядков его углового спектра, измеряют длину ультразвуковой волны, а границу напряженного участка определяют по местоположению точки, в которой изменяется длина волны.

1640628

Фл . f.

Фиг. 2.

Составитель Г.Федоров

Редактор С.Патрушева Техред M.Mîðãåíòàë Корректор, M.Äeì÷èê

Заказ 1015 Тираж 403 Подписное

ВНИИПИ.Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101