РОЗДІЛ 2
МЕТОДИКИ ВИМІРЮВАННЯ АКУСТИЧНОЇ ЕМІСІЇ ТА РЕЄСТРАЦІЇ АКУСТИЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ В НАПІВПРОВІДНИКАХ ПРИ ДІЇ ПОСТІЙНОГО ПРЯМОГО СТРУМУ ТА ІМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ОПРОМІНЕННЯ
Дослідження АЕ потребує наявність найбільш досконалої методики через такі особливості сигналів АЕ як низький енергетичний рівень, широкий діапазон частот, великий динамічний діапазон, сильний вплив електричних та акустичних шумів різноманітного походження. Детектор (п'єзоелектричний перетворювач) та електронні блоки повинні вносити в досліджуємий сигнал мінімальні спотворення, мати високу чутливість (високий коефіцієнт підсилення) та мінімальний рівень власних шумів. Для фільтрації шумів необхідна частотна та амплітудна селекція сигналів та ретельне екранування від електромагнітних наводок.
На рис. 2.2 дано узагальнені блок - схеми установок для дослідження АЕ та вивчення кореляційних явищ між АЕ та електрофізичними параметрами структур. В обох методиках сигнали АЕ реєструються та обробляються спеціалізованим акустоемісійним приладом АФ - 15 [118] (рис. 2.1 та рис. 2.2) що містить у собі підсилювачі (3, 5) фільтри (4) і лічильник імпульсів. Оскільки електричні сигнали акустичної емісії мають малу амплітуду, вони підсилюються в попередньому підсилювачі (3). Смуговий фільтр (4) "вирізає" в спектрі сигналів діапазон частот 20 ? 2000 кГц. Потім сигнали підсилюються в основному підсилювачі (5) до 80 дБ (104 раз) і більше та аналізуються.
Цей прилад забезпечує прийом сигналів АЕ по двом каналам та одночасну реєстрацію не менш 4-ох інформаційних параметрів: амплітуда, швидкість лічби, сума осциляцій, активність, сума подій [118].
Рис. 2.1. Блок - схема установки для збудження та реєстрації акустичних імпульсів імпульсами ОКГ.
Рис. 2.2. Узагальнена блок-схема установки для реєстрації та обробки сигналів акустичної емісії та для запису електролюмінесценції.
1 - зразок, 2 - п'єзоелектричний перетворювач (датчик АЕ),
3 - попередній підсилювач, 4 - блок фільтрів, 5 - основний підсилювач,
6 - осцилограф, 7 - 4-и координатний самописець, 8, 14 - комп'ютери,
9 - джерело напруги, 10 - фотодіод, 11 - монохроматор,
12 - ФЕК, 13 - підсилювач.
2.1 . Методика дослідження акустичної емісії
Від параметрів датчика АЕ залежить достовірність інформації про джерело АЕ. Спотворення сигналів АЕ починається з моменту їх виникнення: за рахунок поглинання в середовищі, на їх поширення впливає форма зразка, який досліджується. Внаслідок цього відбувається спотворення частотного спектру і зменшення амплітуди сигналу АЕ, тобто втрачається корисна інформація. Тому до приймача повинні ставитись такі вимоги: він повинен мати високу чутливість, досить широку смугу пропускання та стабільність, тобто не змінювати своїх характеристик з часом. Акустоелектричний перетворювач, зокрема на основі п'єзокераміки ЦТС, в якому перетворення пружних хвиль в електричні коливання відбувається завдяки п'єзоефекту, має найбільшу чутливість. Мінімальний зсув, який можна ним зареєструвати становить 10-7 м. Границя чутливості датчика обмежена тепловими шумами; але така висока чутливість пов'язана з використанням його резонансних властивостей. Це призводить до того, що амплітудно - частотна характеристика багатьох п'єзоелектричних перетворювачів суттєво нерівномірна. В такому випадку висока чутливість може бути забезпечена у вузькій смузі частот навколо власної резонансної частоти перетворювача. Такі приймачі доцільні тоді, коли головним завданням є необхідність зареєструвати саме явище акустичної емісії, а не аналіз первісної форми її сигналів.
Тривалість імпульсів АЕ знаходиться в межах 10-8 ? 10-4 с, тому для реєстрації цих сигналів необхідно використовувати широкосмугові підсилювачі. На практиці діапазон частот звужується до 20 ?2000 кГц. Просування в область низьких частот обмежується наявністю промислових та інших низькочастотних шумів, рівень яких значно перевищує рівень сигналів АЕ. Область частот, які перевищують 2 МГц, характеризується значним поглинанням пружних хвиль у твердому тілі. Коефіцієнт поглинання квадратично зростає із збільшенням частоти. Оскільки аналіз сигналів АЕ полягає в аналізі електричних сигналів (імпульсів), що знімаються з акустоелектричного перетворювача, то як інформативні виступають параметри, характерні для імпульсних електричних сигналів.
Амплітуда імпульсів АЕ на п'єзоперетворювачі 10-8?10-2 В, інтенсивність 0 ? 105 імп/с; максимальна енергія одиничних імпульсів дискретної АЕ, яка випромінюється металевим зразком при його розриві, досягає 10-5 Дж.
2.1.1. Інформативні параметри сигналів АЕ
Основними параметри АЕ відповідно до ДСТУ 2374-94 [139] є: число імпульсів за час спостереження N?, активність що дорівнює кількості імпульсів за певний інтервал часу спостереження (зазвичай 0,1 або 1 с). Фактично реєструють не всі імпульси АЕ, а лише ті що перевищують визначений поріг Uп. Тоді параметри емісії позначають як сумарний рахунок N та швидкість рахунку N. Параметром, що враховує кількість імпульсів та амплітуду сигналів АЕ є ефективне значення АЕ V, що пропорційне множенню активності (швидкості рахунку) АЕ на середнє значення амплітуди сигналів АЕ за одиницю часу. Виражають у вольтах.
Інформативними параметрами сигналів акустичної емісії є:
Сумарна акустична емісія - це кількість зареєстрованих перевищень сигналами АЕ встановленого рівня обмеження за період проведення вимірювань. Цей рівень можна встановити спеціально, якщо необхідно реєструвати імпульси з певною амплітудою. Щодо найменших амплітуд цей рівень визначається чутливістю апаратури, що використовується для реєстрації сигналів АЕ.
Інтенсивність АЕ - сумарна акустична емісія за одиницю часу.
Амплітуда АЕ - максимальне значення сигналу акустичної емісії.
Амплітудний розподіл - розподіл амплітуд акустичної емісії протягом вибраного інтервалу часу реєстрації. Амплітудний розподіл являє собою гістограму, на якій відтворено відношення певної кількості імпульсів ?? , зареєстрованих в інтервал