ВВЕДЕНИЕ
С момента создания оптических квантовых генераторов значительное внимание уделяется исследованию взаимодействия мощного лазерного излучения с конденсированными средами, которое способно переводить вещество в экстремальные состояния, приводить к разрушению твердых тел, а также к формированию упругих напряжений и ударных волн.
Большой интерес к лазерному (оптико-акустическому) методу генерации звука вызван, в первую очередь, уникальными характеристиками возбуждаемых импульсов упругих волн, которые определяются параметрами оптического излучения и свойствами среды. Оптико-акустические источники звука имеют ряд преимуществ перед традиционными излучателями: отсутствие непосредственного контакта, возможность легкого изменения геометрических и энергетических параметров распределения источников звука, возможность создания источников звука, двигающихся с произвольной скоростью. Возбуждаемые лазером акустические импульсы с центральной частотой от весьма низкой до гиперзвука, используются для определения упругих постоянных и акустических параметров вещества, дисперсии скорости и затухания, выявления и идентификации неоднородностей, проведения исследований конденсированных сред и акустической диагностики динамических процессов, происходящих при воздействии лазерного излучения.
Согласно [22, 58], в настоящее время применяются следующие бесконтактные способы излучения и приема ультразвуковых колебаний: воздушно-акустический, электроискровой, емкостный, электромагнитно-акустический (ЭМА), радиационный (импульсные потоки ускоренных электронов) и лазерный оптико-акустический. Для применения в промышленности лазерный метод возбуждения звука является наиболее перспективным, экологически чистым и безопасным. К достоинствам этого метода следует отнести возможность возбуждения ультразвука на большом расстоянии от объекта контроля, возможность ввода энергии в любой точке поверхности изделия, возможность контролировать изде-
лия с грубой необработанной поверхностью. Также возможен контроль агрегатов в процессе эксплуатации, изделий, нагретых до высоких температур или находящихся под воздействием радиации. Быстродействие и возможность автоматизации, широкий круг контролируемых материалов являются привлекательными сторонами этого метода. Возбуждаемый вследствие быстрого нагрева среды в месте поглощения лазерного излучения акустический импульс, обладает непрерывным спектром в достаточно широком диапазоне частоты, что позволяет существенно повысить разрешающую способность процедуры контроля. Как показывают оценки [15], эффективная полоса частот составляет более 10 ГГц. При мгновенном нарастании плотности теплового потока через границу тела возбуждаются очень короткие акустические импульсы объемных волн с центральной частотой 100 ГГц [19]. Из-за сильного поглощения звука в высокочастотной области, в целях ультразвукового контроля, используют световые импульсы с медленно (1-10 не) нарастающим фронтом [58]. Акустические методы, основанные на применении упругих колебаний и волн в контролируемой среде, занимают очень важное место среди методов неразрушающего контроля и диагностики потому, что прочностные характеристики исходного материала и готового изделия тесно связаны с их свойствами, определяющими процесс возбуждения и распространения механических колебаний. Преимуществом акустических, в частности, ультразвуковых методов является то, что в них применяются колебания очень малой амплитуды, при этом контролируемое изделие не повреждается. Кроме того, ультразвуковые волны обладают способностью при сравнительно невысоких энергиях проникать на значительные, по сравнению с другими видами излучений, расстояния вглубь различных металлов и в значительной мере отражаться от границ раздела сред с различными акустическими свойствами. Благодаря этому, возможен контроль изделия толщиной от долей миллиметра до десяти и более метров, выявление дефектов с малым раскрытием, которые невозможно обнаружить другими методами. Для оценки остаточного ресурса готовых изделий и конструкций в процессе производства и эксплуатации, выявления и характеризации дефектов, исследования физико-механических
свойств и измерения параметров твердых тел необходимо использовать и развивать комплекс методов широкополосной неразрушающей ультразвуковой диагностики и дефектоскопии.
Современное производство машин, аппаратов и конструкций, в состав которых входят изделия из ферромагнитных металлов, является сложным, длительным и дорогостоящим процессом. При действующих технологиях низкое качество изделия выявляется на завершающей стадии изготовления машины, аппарата или конструкции, или в процессе их эксплуатации, что приводит к безвозвратной потере материальных и трудовых ресурсов. Максимальный экономический эффект достигается при контроле металлов и изделий на ранней стадии производства, когда стоимость изделия и расходы на исправления дефектов минимальны. Исходная заготовка обычно имеет простую форму, что позволяет использовать большую часть ее поверхности для ввода и регистрации акустических сигналов. Процессы непрерывного литья стальной заготовки, горячей прокатки или ковки, пильгерования труб и т.п., осуществляются при высоких (выше 800 °С) температурах. Охлаждение заготовки для проведения контроля и ее разогрев для последующей термической и механической обработки с целью устранения дефектов приводит к большим затратам энергии. Следовательно, необходимо развивать методы высокотемпературного ультразвукового неразрушающего контроля, основанные на генерации и регистрации ультразвука в ферромагнитных металлах при магнитном фазовом переходе, соответствующем точке Кюри.
В оптически поглощающих средах, к которым относятся металлы, при малых плотностях энергии, повышение температуры в зоне поглощения света незначительно и генерация акустических волн обусловлена тепловым расширением среды. Можно констатировать, что к настоящему моменту теория оптической генерации звука для металлов, находящихся при комнатных температурах, развита в достаточной степени и убедительно согласуется с результатами экспериментов.
С увеличением плотности поглощенной энергии температура вещества остается ниже температуры плавления, но становятся существенными нелинейные эффекты, связанные с изменением термодинамиче-
ских параметров вещества в процессе поглощения оптического излучения. Особый интерес представляет процесс оптико-акустического преобразования при магнитном фазовом переходе, когда в точке Кюри наблюдаются особенности свойств ферромагнитного металла. При поглощении оптического импульса в ферромагнитном металле реализуется нелинейный тепловой режим возбуждения звука и необходимо более детальное исследование оптимального режима возбуждения, что важно при решении прикладных задач, а также более глубокого понимания механизмов взаимодействия лазерного излучения с магнитоупорядоченными средами. В этом случае возбуждаемые акустические импульсы несут информацию о процессе преобразования электромагнитного и акустического полей, который представляет собой фундаментальное физическое явление. По изменению спектральных характеристик возбуждаемых импульсов можно судить о влиянии магнитного фазового перехода на структуру ферромагнетика, изучать динамику намагниченного состояния и доменной структуры. В настоящее время создана физическая модель и теоретические основы лазерной генерации объемных акустических волн в ферромагнетике при высоких температурах. Экспериментально исследованы параметры объемных (продольных и поперечных) акустических волн, возбуждаемых лазерным импульсом в ферромагнитном металле вблизи точки высокотемпературного магнитного фазового перехода.
Важное место в ультразвуковых методах неразрушающего контроля и исследований в физике твердого тела занимают методы, использующие поверхностные акустические волны (ПАВ, волны Рэлея). Это объясняется особенностями, которые отделяют ПАВ от других типов волн: большая концентрация акустической энергии в приповерхностном слое и быстрое спадание амплитуды с глубиной, отсутствие дисперсии и малое затухание при распространении. Поскольку ПАВ избирательно реагируют на дефекты в зависимости от глубины их залегания, с их помощью можно выявлять поверхностные и околоповерхностные дефекты, контролировать состояние поверхностного слоя, проводить оценку остаточных напряжений, определять термические и механические свойства поверхностного слоя металла.
8
При лазерном возбуждении на долю поверхностных волн приходится большая часть акустической энергии. Характеристики возбуждаемых акустических импульсов определяются пространственно-временной структурой падающего излучения, которой достаточно легко управлять. Лазерный метод генерации позволяет возбуждать как импульсные, так и квазигармонические ПАВ, формировать диаграмму направленности, изменять частоту и амплитуду в широких пределах.
В результате изучения современного состояния исследований по опто-акустике, автором настоящей диссертации сделан вывод о том, что процесс оптико-акустического преобразования поверхностных волн в ферромагнитных металлах при высокотемпературном магнитном фазовом переходе не исследовался.
Исследование параметров ПАВ, возбуждаемых с помощью лазера в ферромагнитных металлах при высоких температурах, позволит сделать высокотемпературный контроль универсальным. Станет возможным контролировать изделия любой формы и размеров на различных стадиях производства. Кроме того, для определения упругих постоянных и прочностных характеристик твердых тел акустическими методами, при исследовании физических свойств твердых тел и дефектоскопии необходимо комплексное использование объемных волн и ПАВ.
Исследование процесса возбуждения ПАВ в рамках физической модели, использованной для изучения объемных волн, является важным этапом проверки правильности исходных положений, адекватно описывающих процесс оптико-акустического преобразования в ограниченных телах из ферромагнитного металла при высоких температурах.
Таким образом, основная задача настоящей диссертационной работы заключается в определении теоретических и экспериментальных закономерностей процесса бесконтактной оптико-акустической генерации поверхностных акустических волн в ферромагнитном металле при магнитном фазовом переходе, соответствующем точке Кюри. Решение этой задачи имеет существенное значение для физики конденсированного состояния и практики, и, следовательно, тема настоящей диссертационной работы представляется актуальной.
Объектом исследования являются процессы взаимодействия импульсного лазерного излучения с ферромагнитными металлами.
Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование особенностей явления оптической генерации поверхностных акустических волн в ферромагнитном металле, выработке рекомендаций для создания методов акустического контроля. Для достижения цели были поставлены и решались следующие задачи:
— разработать элементы теории процесса лазерной термооптической генерации импульсов волн Рэлея в ферромагнитных металлах в высокотемпературной области, содержащей магнитный фазовый переход второго рода (точка Кюри);
— разработать методику проведения экспериментальных исследований лазерной генерации поверхностных акустических волн в ферромагнитных металлах. Разработать программу, реализующую автоматическую обработку данных, получаемых при экспериментальном исследовании;
— экспериментально исследовать зависимости параметров акустических импульсов поверхностных волн, возбуждаемых излучением импульсного лазера в ферромагнитном металле, от энергии оптических импульсов и температуры;
— обосновать возможность использования полученных результатов для целей акустического контроля изделий из ферромагнитных металлов.
Представленная работа выполнялась в 2002-2004 годы в рамках фундаментального научного исследования процесса лазерной генерации акустических полей при финансовой поддержке правительства Челябинской области (гранты Ш* А20022219 и А2003293), Министерства Образования РФ (технические задания 01.08.02Ф «Исследование возбуждения поверхностных волн в ферромагнетике при температуре магнитного фазового перехода (т. Кюри)» и 01.09.04Ф «Исследование термооптического возбуждения поверхностных акустических волн (волн Рэлея и волн Лэм-ба) лазерным импульсом в ферромагнитных металлах»), а также Российского Фонда Фундаментальных Исследований (грант № 04-02-96043-
10
р2004урал «Лазерная генерация волн Рэлея в ферромагнитных металлах»).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 149 источников. Выводы формулируются в конце каждой главы. Полный объем диссертации 150 страниц, включая 46 рисунков и 2 таблицы.
Во Введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цели и задачи диссертации, характеризуется новизна, научная и практическая значимость результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту и дана краткая характеристика основных разделов.
Первая глава носит обзорный характер. В начале главы анализируется состояние теоретических и экспериментальных исследований по термооптической генерации ультразвука в немагнитных и ферромагнитных металлах, находящихся при комнатных температурах. Отмечается, что теоретические представления развиты для случая, когда теплофизиче-ские параметры среды не изменяются в процессе поглощения оптического импульса и генерации ультразвука. Показано, что теоретические исследования оптико-акустического эффекта в металлах базируются на динамической теории термоупругости. Во второй части главы приведен обзор ряда работ, посвященных нелинейным режимам возбуждения объемных ультразвуковых волн лазерным импульсом в металлах. Показано, что нелинейные режимы генерации поверхностных акустических волн в случае ферромагнитных металлов не исследованы. Отмечается отсутствие в отечественной промышленности средств дистанционного высокотемпературного неразрушающего контроля и необходимость их разработки и внедрения. В результате проведенного анализа сделаны выводы, приводящие к формулировке цели и постановке основных задач настоящей диссертации.
Вторая глава содержит описание физической модели и элементы теории лазерной термооптической генерации импульсов поверхностных акустических волн в ферромагнитных металлах в широком температурном интервале. Выражения для вектора смещений получены в виде инте-
11
тральных представлений с учетом изменения коэффициента теплового расширения ферромагнетика с температурой и конечного значения скорости распространения теплового возмущения. Задача решена в общем виде для произвольного распределения интенсивности в импульсе проникающего излучения и температурной зависимости коэффициента теплового расширения. Показано, что спектральные характеристики определяются интегральным преобразованием функции распределения термоакустических источников, которая нелинейно зависит от интенсивности оптического излучения.
Третья глава содержит описание методики и результаты численного расчета параметров импульсов волн Рэлея в некоторых ферромагнитных металлах (железо, никель) и ферромагнитном сплаве (инвар) для различных значений характерных параметров лазерного излучения в широком интервале температур ферромагнитных сред. Рассмотрен практически важный случай гауссова пространственно-временного распределения интенсивности в оптическом импульсе.
В четвертой главе описаны экспериментальное оборудование, методика проведения, а также результаты экспериментальных исследований зависимости амплитудного значения и спектральной плотности импульг сов поверхностных упругих волн, возбуждаемых в ферромагнитном металле импульсным лазерным излучением за счет термоупругого эффекта от параметров лазерного излучения и температуры ферромагнитного металла. Проводится сравнение экспериментальных данных с теоретическими выводами. Отмечается согласие полученных данных с результатами расчетов, основанных на реальной зависимости коэффициента теплового расширения от температуры.
В пятой главе показана необходимость учета нелинейных эффектов, происходящих при поглощении оптического излучения и генерации упругих колебаний в ферромагнитных металлах, для определения оптимальных параметров источника ультразвука и проведении корректного анализа отраженных от дефекта акустических импульсов. Это повысит точность процедуры контроля, использующей лазерное возбуждение упругих импульсов для характеризации дефектов в образцах из ферромаг-
12
нитных материалов.
В заключении представлены основные результаты и выводы по диссертации.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
— физическая модель процесса лазерной генерации импульсов поверхностных акустических волн в ферромагнитном металле в высокотемпературной области, содержащей магнитный фазовый переход второго рода (точка Кюри), учитывающая температурную зависимость коэффициента теплового расширения и конечное значение времени релаксации теплового потока;
— выражения для компонент вектора смещений, соответствующих вкладу поверхностных акустических волн (волн Рэлея) в акустическое поле, возбуждаемое импульсным лазерным излучением в ферромагнитном металле;
— результаты расчета зависимости амплитуды и спектральных характеристик возбуждаемых импульсов для ферромагнитных металлов, обладающих аномалиями теплового расширения различных типов, от температуры среды и параметров падающего оптического излучения. Показано, что наибольшее влияние тепловой нелинейности на параметры возбуждаемых импульсов ПАВ наблюдается при температуре ферромагнетика, близкой к температуре Кюри, что обусловлено аномалиями теплового расширения в соответствующей области температуры;
— методика проведения эксперимента, сбора и анализа данных. Для ферромагнитного сплава 32НКД экспериментально зафиксирован нелинейный рост амплитуды акустических импульсов при увеличении энергии возбуждающих оптических импульсов и различное относительное изменение амплитуды с температурой при различных значениях энергии оптических импульсов, что согласуются с данными расчета, основанными на реальной температурной зависимости коэффициента теплового расширения образца;
— показана необходимость учета тепловой нелинейности при разработке и усовершенствовании методик высокотемпературного неразруша-ющего контроля ферромагнитных изделий, что может уменьшить по-
13
грешность в определении характеристик поверхности и параметров дефектов;
Научная новизна результатов диссертационной работы определяется тем, что в ней впервые:
— теоретически решена задача лазерного термоакустического преобразования для поверхностных акустических волн в ферромагнитных металлах с учетом температурной зависимости коэффициента теплового расширения ферромагнитного металла и конечного значения времени релаксации теплового потока;
— рассчитаны характеристики возбуждаемых акустических импульсов поверхностных волн (волн Рэлея) для ферромагнитных металлов, обладающих аномалиями теплового расширения различных типов;
— установлено, что наибольшее изменение амплитуды и спектральной функции происходит при приближении температуры ферромагнитного пространства к точке Кюри;
— разработаны стенд для проведения экспериментальных исследований высокотемпературной лазерной генерации волн Рэлея в ферромагнитном металле и новая методика сбора и анализа экспериментальных данных, использующая видеокамеру и вычислительную технику; *
— экспериментально определены параметры импульсов поверхностных акустических волн в ферромагнитном металле в широком температурном интервале, содержащем магнитный фазовый переход (точку Кюри).
Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы для разработки новых и усовершенствование существующих методов высокотемпературного ультразвукового контроля металлоизделий с использованием импульсного лазерного излучения. Учет нелинейного характера процесса возбуждения упругих импульсов, обусловленного изменением теплофизических параметров ферромагнитного металла в зоне поглощения оптического излучения может служить основой для уменьшения погрешности определения параметров дефектов и характеристик поверхности.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докла-
14
дывались и обсуждались на следующих конференциях:
1) XVI Российской научно-технической конференции «Неразрушаю-щий контроль и диагностика», г.Санкт-Петербург, 2002 г.
2) XXI Уральской региональной конференции «Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами», г.Тюмень, 2003 г.
3) XXIII Российской школе по проблемам науки и технологий, г.Миасс, 2003 г.
4) XXX Международной зимней школе физиков-теоретиков «Коуров-ка», г.Кыштым, 2004 г.
5) XXII Уральской конференции по неразрушающему контролю «Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами», г.Челябинск, 2004 г.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 работ. Содержание диссертации опубликовано в работах [35, 36, 37, 43, 44, 45]. ..,
Автор считает необходимым выразить глубокую благодарность своему научному руководителю Гуревичу Сергею Юрьевичу, сотрудникам Петрову Юрию Владимировичу и Журавлеву Льву Григорьевичу за помощь в проведении экспериментальных исследований, а также Шуль-гинову Александру Анатольевичу, Мирзаеву Джалалу Аминуловичу и Рущицу Сергею Вадимовичу за рекомендации и полезные обсуждения.
15
1 Анализ современного состояния теоретических и экспериментальных исследований по лазерной генерации ультразвуковых ПАВ в металлах. Обзор литературы
1.1 Термооптическое возбуждение ультразвука в металлах
Явление оптической генерации звука впервые наблюдал А.Г.Белл в 1880 г. [105] при поглощении в газах периодически прерываемого инфракрасного излучения. Оно получило название оптико-акустического эффекта. Вследствие малой эффективности преобразования оптической энергии в звуковую практическое значение для генерации звука оптико-акустический эффект приобрел лишь с появлением оптических квантовых генераторов. В 1955 году, одновременно и независимо, ученые отечественных научных школ академиков Н.Г.Басова и А.М.Прохорова, удостоенных совместно с американским ученым Ч.Таунсом Нобелевской премии, предложили принцип создания оптического квантового генератора. Первые работы по оптической генерации звука в конденсированной среде были выполнены в 1963 году, когда А.М.Прохоров с сотрудниками впервые наблюдали образование ударных волн при взаимодействии лазерного излучения с водой [7]. Что касается возбуждения упругих колебаний в твердых телах, то здесь первыми, по-видимому, являются публикации Р.М.Уайта [146,147], в которых представлены результаты экспериментальных исследований зависимости амплитуды акустических сигналов в различных металлах и сплавах от энергии оптического импульса, излучаемого рубиновым лазером в режиме свободной генерации. Было высказано предположение о тепловом механизме возбуждения акустических колебаний. Ультразвуковые импульсы поверхностных акустических волн, возбуждаемые импульсным лазером в алюминиевой пленке, впервые наблюдались в работе Уайта и Ли [133]. В России идея о возможности возбуждения звука с помощью лазеров была запатентована в 1963 году [1], а возможность использования этого явления для контроля
16
материалов в 1966 году [2].
После указанных публикаций, возросший интерес к изучению лазерного возбуждения ультразвуковых колебаний привел к большому числу теоретических и экспериментальных работ, представленных в отечественной и зарубежной печати. Результаты исследований отечественных ученых, проведенных в период с 1963 по 1990 годы, систематизированы и обобщены в работах [15, 50, 80, 99], причем работы [15, 99] содержат приложения к неразрушающему контролю. Итоги развития зарубежных исследований за этот промежуток времени подведены в работах [104, 113, 123, 124].
Поглощение короткого оптического импульса металлом приводит к увеличению температуры в небольшой области среды. Возникающие температурные напряжения являются источниками акустических волн различных типов [50, 80]. Амплитуда и форма акустических колебаний определяется механизмом взаимодействия лазерного излучения с конденсированной средой [84, 92, 99]. Принято различать три основных типа механизмов, при которых напряжения в металлах, возникают различным образом [25, 79, 113]: тепловой (термоупругий), испарительный (абляционный) и пробойный. Тепловой механизм связан с нестационарным нагревом среды, температура которой остается ниже температуры плавления. Испарительный механизм обусловлен изменением агрегатного состояния вещества, пробойный - формированием ударной волны при оптическом пробое в плазменном облаке вблизи поверхности металла. Поскольку генерация звука за счет двух последних механизмов связана с образованием кратеров на поверхности изделия, то контроль изделий на их базе нельзя назвать неразрушающим. Экспериментальному исследованию параметров акустических импульсов, возбуждаемых при различных механизмах в металлах, посвящен ряд работ [8, 48, 95, 116, 149], в которых рассмотрены различные методики определения пороговых значений энергии, определяющих действие того или иного механизма. Границы механизмов определялись по зависимости амплитуды, длительности, параметров спектральной плотности возбуждаемых акустических импульсов от энергии падающего оптического излучения, в работе [95]
17
дополнительно регистрировался и отраженный от образца оптический импульс.
Возникновение того или иного механизма генерации ультразвука зависит от поверхностной плотности тепловой мощности, граничное значение Qmin которой можно оценить по формуле [28]
где Тт - температура плавления, То - температура среды до облучения лазером, а - температуропроводность, Xq - теплопроводность, to -длительность оптического импульса, А - поглощательная способность. Экспериментальное значение Qmm, разделяющее термоупругий и испарительный механизмы для различных металлов, колеблется в пределах от 15 до 30-50 МВт/см2 [99, 104, 107, 123].
В работе [116] показано, что акустические волны, генерируемые при поглощении лазерного излучения, несут информацию о различных стадиях поглощения оптического излучения и могут их характеризовать. Экспериментальные исследования проводились с помощью эксимерно-го лазера, алюминиевого образца и образца из полиметилметакрилата. Порог мощности, соответствующий началу плавления материала, определялся по зависимости амплитуды от интенсивности лазерного излучения, а также от времени задержки прихода акустического импульса относительно зондирующего импульса. Все типы волн, генерируемые при поглощении импульса оптического излучения, могут быть использованы для определения пороговых значений мощности. Так, в работе [120] использовались поверхностные акустические волны, возбуждаемые ультрафиолетовым импульсным лазером в образце из кремния. Информация о начале плавления поверхности образца была получена из зависимости времени задержки прихода акустических импульсов от падающего потока мощности. Также отмечается изменение формы и амплитуды акустического импульса при превышении порога.
Теоретические исследования оптико-акустического эффекта в металлах в области термоупругого эффекта базируются на динамической теории термоупругости [67, 85]. Первая теоретическая работа по динами- |
