Высокочувствительный прибор субтерагерцовый эллипсометр для обнаружения низкоконтрастных дефектов в оптически непрозрачных материалах создали ученые Аналитического и технологического исследовательского центра «Высокие технологии и наноструктурированные материалы» Физического факультета Новосибирского государственного университета совместно с коллегами из Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН. В основе аппарата лежит использование терагерцового излучения для бесконтактной диагностики покрытий. Разработка направлена на создание технологии неразрушающего контроля для промышленных применений — в частности, в приборостроении, авиационной и космической отраслях
«Важная особенность нашего прибора заключается в том, что при его создании мы применили разработанные нами излучатель и высокоэффективные компактные тонкопленочные поляризационные элементы на основе метаматериалов — искусственных материалов с необычными оптическими свойствами. Работа нацелена на развитие методики бесконтактной эллипсометрической диагностики приповерхностных слоев оптически непрозрачных, а также рентгенонеконтрастных материалов и покрытий за счет перехода в коротковолновую часть миллиметрового диапазона длин волн. Изготовленный нами лабораторный макет субтерагерцового эллипсометра уже не раз продемонстрировал свою работоспособность и эффективность. Прибор позволяет обнаружить скрытые внутренние дефекты материала при сканировании пучком излучения вдоль его поверхности», — рассказал старший научный сотрудник лаборатории Сергей Александрович Кузнецов.
Ученые продемонстрировали перспективность разработанного ими субтерагерцового эллипсометра для неразрушающего контроля авиационных углепластиков. Исследования проводились на композитных материалах на основе углеродных волокон, предоставленных Сибирским научно-исследовательским институтом авиации им. С. А. Чаплыгина. Такие материалы применяются в авиастроении для создания несущих элементов легкомоторных летательных аппаратов — крыльев и фюзеляжа. С помощью экспериментального макета прибора удалось выявить в структуре композита приповерхностные расслоения на ранних стадиях их образования, что критически важно, поскольку при полетных нагрузках процесс расслоения неизбежно усиливается.
Вместе с научными сотрудниками Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН ученые ФФ НГУ также успешно апробировали эллипсометр при бесконтактном определении толщин и оптических констант жаропрочных керамических покрытий на основе диоксида циркония (ZrO2), которые методами плазменного и детонационного напыления наносятся на лопатки газовых турбин для их антикоррозийной защиты.
«В процессе напыления очень важно контролировать толщину и однородность покрытий. Эффективных и недорогих приборов, способных бесконтактно выполнять такую диагностику, не существует до сих пор — ни в России, ни за рубежом. Поскольку покрытия оптически непрозрачны, просветить их видимым или инфракрасным излучением невозможно, а рентгеновские исследования не дают необходимого контраста. Зато терагерцовые волны подходят, как нельзя лучше, и наш эллипсометр успешно справляется с поставленной задачей», — объяснил Сергей Кузнецов.
Эффективность субтерагерцового эллипсометра была подтверждена и при исследованиях, проводимых совместно с научными сотрудниками Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, которые работали над созданием специального керамического покрытия, способного поглощать электромагнитное излучение. Это покрытие предназначено для применения в установках термоядерного синтеза типа ТОКАМАК (тороидальная камера с магнитными катушками). Предполагается, что такие установки будут использоваться в энергетике будущего для производства электроэнергии на основе слияния ядер дейтерия и трития. В камерах установок осуществляется нагрев плазмы с помощью излучения, которое может оказывать разрушающее воздействие на их стенки, и предотвратить это должно керамическое покрытие, поглощающее излучение. Диагностику покрытия для определения толщины слоя и наличия дефектов успешно провели с помощью эллипсометра.
«Конечно, существуют и другие приборы для диагностики материалов, но преимущество разработанного нами устройства в том, что оно не требует физического контакта с исследуемым объектом. Достаточно направить на него терагерцовые волны и по изменению поляризации отраженного излучения определить, какова толщина и однородность покрытия», — прокомментировал Сергей Кузнецов.
В настоящее время ученые ФФ НГУ отрабатывают методику обнаружения порошков в бумажных почтовых конвертах с использованием эллипсометра. Рентгеновские установки не видят столь малое количество мелкого порошкового вещества, а в терагерцовом диапазоне прибор можно настроить таким образом, чтобы он стал чувствителен к этим материалам.
Пресс-служба НГУ
