Субтерагерцовый эллипсометр позволяет бесконтактным образом обнаруживать повреждения и дефекты в материалах, используемых в промышленности, приборостроении, авиационной и космической отраслях.

Высокочувствительный прибор для обнаружения низкоконтрастных дефектов в оптически непрозрачных материалах создали сотрудники 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 её основе лежит использование терагерцового излучения для бесконтактной диагностики покрытий. Разработка направлена на создание технологии неразрушающего контроля для промышленных применений.

Терагерцовое излучение (ТГц-излучение) — электромагнитное излучение, спектр частот которого расположен между инфракрасным и микроволновым диапазонами и соответствует миллиметровым/субмиллиметровым волнам. Это излучение легко проходит сквозь большинство диэлектриков, например, дерево, пластики, керамика для него прозрачны, что делает его широко применимым в промышленности и материаловедении.

«Важная особенность нашего прибора заключается в том, что при его создании мы применили разработанные нами излучатель и высокоэффективные компактные тонкоплёночные поляризационные элементы на основе метаматериалов — искусственных материалов с необычными оптическими свойствами. Данная 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 Кузнецов.

Учёные продемонстрировали перспективность разработанного ими субтерагерцового эллипсометра для неразрушающего контроля авиационных углепластиков.

Исследования проводились на композитных материалах на основе углеродных волокон, предоставленных ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина». Данные 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 полётных нагрузках процесс расслоения неизбежно усиливается.

Вместе с научными сотрудниками Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН учёные АТИЦ 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 в данном случае 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 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. Предполагается, что предотвратить это должно керамическое покрытие, поглощающее излучение. Диагностику этого материала на толщину слоя и наличие 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 отражённого излучения определить, какова толщина и однородность покрытия», — пояснил Сергей Кузнецов.

В настоящее время учёные АТИЦ 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.

Источник: пресс-служба НГУ.