Размещено на http://www.allbest.ru/

Радіофізичні методи діагностики матеріалів і середовищ

Вступ

Запропонований підручник є першою книгою, що дає узагальнене і систематизоване викладення навчальних та науково-прикладних методів радіофізичної діагностики матеріалів і середовищ. Радіофізичні методи, що базуються на використанні електромагнітних та акустичних хвиль, а також радіаційних явищ за взаємодії пучків заряджених частинок з об'єктом, сьогодні знаходять широке застосування при неруйнівному контролі якості матеріалів, що використовуються в промисловості, наноелектроніці, а також при діагностиці різних середовищ і біологічних об'єктів.

У зв'язку із широким спектром прикладних застосувань радіофізичних методів діагностики основна увага в підручнику приділяється фізичним принципам побудови методів діагностики з наведенням конкретних (найбільш типових) схем їх застосування. Стисло викладені традиційні радіохвильовий, оптичний і радіаційний методи контролю. Значну увагу приділено електромагнітним та акустичним резонансам у мікродіагностиці твердих тіл і плазми, які є перспективними в розвитку наноелектроніки.

Як пріоритетні напрями під час дослідження різних властивостей матеріалів та об'єктів, структурованих у мікро- і нанорозмірних масштабах, розглянуті завдання створення деяких нових видів апаратурних комплексів (АК) і методів, які могли б забезпечити проведення аналізу мікроструктури й елементного складу наноматеріалів і нанооб'єктів. У цьому плані розглянуті основні аспекти застосування сфокусованих пучків заряджених частинок, де велика увага приділена опису та методикам вимірювань із застосуванням ядерного скануючого мікрозонда, який на сьогодні є одним із найбільш перспективних інструментів мікроаналізу. Стисло описані методи та засоби ближньопольової НВЧ-діагностики матеріалів і середовищ, які є принципово новими щодо традиційних далекопольових радіохвильових методів діагностики.

Підручник розрахований на студентів напрямів підготовки «Мікро- та наноелектроніка» й «Електронні прилади та системи», а також може бути використаний аспірантами та інженерами, які працюють у напрямку створення і використання електрофізичної діагностичної апаратури для контролю якості матеріалів у промисловості та створення нових наноструктурних елементів електроніки.

Автори висловлюють глибоку вдячність рецензентам за критичні зауваження, поради та рекомендації щодо матеріалу рукопису, які дозволили поліпшити зміст підручника.

Рівень розроблення і впровадження нових технологій у наукоємні сфери промисловості характеризується не лише обсягом виробництва та асортиментом продукції, що випускається, але також показниками її якості. Висока якість забезпечується підвищеним рівнем контролю продукції, зокрема діагностикою матеріалів, з яких вона виготовлена. Трудомісткість контролю якості деяких виробів у промисловості та розроблення нових матеріалів становить 15-20 % загальних трудовитрат на їх виготовлення [-].

Одним зі шляхів вирішення цього завдання є використання радіофізичних методів, пов'язаних із впливом на об'єкт електромагнітних або акустичних хвиль різних діапазонів, а також сфокусованих пучків заряджених частинок. Радіофізичні методи діагностики матеріалів і середовищ є частиною більш великої галузі науки - інтроскопії, тобто внутрішньобачення, що охоплює медичну та плазмову діагностики, випромінювання підземних структур, пошук прихованих предметів і т. д.

Завдання, що можуть бути вирішені радіофізичними методами діагностики, можна звести до таких:

- дефектоскопія - виявлення несуцільностей (порожнеч) матеріалу;

- вимірювання геометричних розмірів об'єкта;

- контроль фізико-хімічних властивостей: хімічного складу, структури (структурометрія), міцності матеріалу;

- вивчення внутрішньої будови складних виробів і матеріалів (інтроскопія);

- вивчення об'єктів, структурованих у мікро- і нанорозмірних масштабах.

У ході вирішення перелічених вище завдань надзвичайно перспективним є радіохвильової метод діагностики [1, ] унаслідок розширення застосування в різних сферах науки і техніки композиційних, пластмасових, полімерних та інших діелектричних матеріалів.

Оптичний метод діагностики [1, 5-8] - найбільш доступний і легко реалізований у видимому світлі - зараз знаходиться на етапі свого другого народження, збагачуючись досягненнями електронної техніки, появою нових джерел світла оптичного діапазону, прогресом у галузі перетворювальної техніки, поєднанням оптичних пристроїв з обчислювальною технікою через електронні блоки. Розширюється використання оптичних квантових генераторів, що працюють в інфрачервоному, видимому або ультрафіолетовому діапазоні спектра електромагнітних коливань.

Радіаційна діагностика [4-8] на сьогодні є першою за обсягом застосувань у промисловості. Напрямки її розвитку визначаються загальними тенденціями розвитку вимірювальної техніки - застосування нових первинних вимірювальних перетворювачів та індикаторів, оснащення обладнання обчислювальною технікою та мікроелектронними елементами, змінами в спеціальних блоках, характерних для цього виду діагностики.

Крім перелічених вище традиційних радіофізичних методів діагностики матеріалів, необхідно відзначити появу нетрадиційних методів, які, наприклад, базуються на резонансних явищах при аномальній прозорості металів, прояви макроскопічної квантової когерентності у взаємодії між електронами, електромагнітними та звуковими хвилями. Як наслідок, електронні резонанси та хвильові процеси в металах стали дуже ефективними під час організації методів експериментального дослідження електронного енергетичного спектра, кінетичних характеристик, нелінійних властивостей і явищ [].

У сфері вивчення високочастотних властивостей напівпровідників можна умовно виділити такі напрямки: плазмові властивості напівпровідників; нелінійне поширення електромагнітних хвиль у напівпровідниках, резонансні явища та електромагнітні властивості феромагнітних напівпровідників і напівпровідників із надґратками.

Крім електромагнітних хвиль, ефективним способом мікродіагностики матеріалів і середовищ є акустичні методи досліджень в області ультразвукових частот (100-1000 МГц) [2, 3] і гіперзвукових частот (1011 Гц та вище) [10].

Разом із тим, незважаючи на широкі можливості перелічених вище методик того чи іншого виду діагностики, доступні для вирішення завдання за допомогою одного виду діагностики обмежені особливостями його фізичної взаємодії з досліджуваним об'єктом. Тому велике значення мають дослідження з розроблення комплексної діагностики, що базуються на органічному поєднанні методик декількох видів під час дослідження одного об'єкта. Складність реалізації цієї ідеї пояснюється необхідністю глибокого вивчення фізичної суті кожного методу і розроблення узагальненого алгоритму обробки різноманітної інформації про конкретний тип об'єкта.

Одним із перспективних напрямків у цьому плані є використання сфокусованих пучків заряджених частинок], на основі яких створені високоефективні апаратурні комплекси з дослідження різних властивостей матеріалів та об'єктів структурованих у мікро- і нанорозмірних масштабах: растрові та просвічувальні електронні мікроскопи, комплекси, призначені для електронно-пучкової літографії.

Проведений у цьому напрямку аналіз літературних джерел показав, що досі одним із найбільш ефективних інструментів при мікроаналізі властивостей матеріалів є ядерний скануючий мікрозонд [12]. Принцип його роботи полягає в тому, що прискорений до енергій декількох мегаелектронвольтів пучок іонів фокусується на поверхні досліджуваного зразка в пляму з розмірами близько одного мікрометра.

Значна увага в сучасних працях приділяється питанням розвитку ближньопольової НВЧ-діагностики [16], що дозволяє отримати інформацію про поверхневі й приповерхневі властивості різних середовищ у мікрохвильовому масштабі. Вона базується на реєстрації частини НВЧ-випромінювання, локалізованої в ближньому полі мікрозонда, що дозволяє значно підвищити роздільну здатність і подолати дифракційну межу на заданих частотах радіохвиль.

1.Класифікація та загальна характеристика методів діагностики матеріалів

В основу класифікації радіофізичних методів діагностики покладені фізичні процеси взаємодії електромагнітного та акустичного полів, а також сфокусованих пучків заряджених частинок з об'єктом контролю. З точки зору фізичних явищ, на яких вони базуються, можна виділити дев'ять видів неруйнівного радіофізичного контролю: магнітний, електричний, вихрострумовий, радіохвильовий, тепловий, оптичний, радіаційний, акустичний і мікрозондовий. Кожен із видів контролю поділяється на методи щодо запропонованих нижче ознак, які характерні не лише для класичних схем діагностики [1-9], а й для мікрозондової діагностики [11-16].

Характер взаємодії поля з об'єктом. Взаємодія має бути такою, щоб контрольована ознака об'єкта змінювалася при впливі на нього поля або пучків заряджених частинок.

Первинний інформативний параметр - конкретний параметр поля (амплітуда поля, час його поширення і т. д.) або спектральний склад випромінювання, зміну якого використовують для характеристики контрольованого об'єкта.

Спосіб отримання первинної інформації - конкретний тип датчиків, що використовують для вимірювання та фіксації згаданих інформаційних параметрів.

1.1 Основні види діагностики матеріалів

1. Магнітний вид контролю базується на аналізі взаємодії магнітного поля з контрольованим об'єктом. Його, як правило, застосовують для контролю зразків із феромагнітних матеріалів. Процес намагнічування і перемагнічування феромагнітного матеріалу супроводжується гістерезисними явищами, що схематично зображені на рис. 1.1. Властивості, які потрібно контролювати (хімічний склад, структура, наявність нещільностей та ін.), зазвичай пов'язані з параметрами процесу намагнічування і петлею гістерезису.

а б

Рисунок 1.1 - Криві намагнічування феромагнітних матеріалів: а - магнітожорсткого; б - магнітом'якого (1 - основна крива намагнічування, 2 - петля гістерезису, 3 - стрибкоподібний характер намагнічування, що спостерігається при точних вимірах)

Магнітожорсткі матеріали (загартована сталь) порівняно з магнітом'якими матеріалами (не загартовані сталі) мають велику коерцитивну силу , меншу магнітну проникність і намагніченість , - магнітна стала, що дорівнює (Вс)/(Ам). Зазвичай і для характеристики матеріалу феромагнетика вимірюють при малій напруженості намагнічуваного поля Н. У деяких випадках також вимірюють залишкову намагніченість . Ці первинні інформативні параметри використовують для контролю ступеня загартування, характеристик міцності та інших властивостей матеріалів. Наявність і кількість феритної складової в неферомагнітних матеріалах можуть бути визначені за намагніченості насичення, тобто при великих полях намагнічування. Ця величина тим більша, чим більший вміст фериту.

Високоточне вимірювання кривої намагнічування показує, що вона має стрибкоподібний характер (область 3 на рис. 1.1) у ділянці крутого підйому. Це так званий ефект Баркгаузена. Стрибки виникають унаслідок перемагнічування областей спонтанного намагнічування (доменів), що містяться у феромагнітному матеріалі. Параметри стрибків кривої намагнічування (їх кількість, величина, тривалість, спектральний склад) використовують як первинний інформативний параметр для контролю таких властивостей матеріалу, як хімічний склад, структура, ступінь пластичної деформації.

При намагнічуванні об'єкта контролю, поблизу поверхні якого є несуцільність (дефект), в області дефекту відбувається різка просторова зміна напруженості магнітного поля, виникає поле розсіяння (рис. 1.2). Зміна напруженості магнітного поля, точніше градієнта напруженості, використовують як первинний інформативний параметр для виявлення дефектів.

Рисунок 1.2 - Приклад просторової зміни магнітного поля в області дефекту

2. Електричний вид неруйнівного контролю ґрунтується на реєстрації параметрів електричного поля, що взаємодіє з контрольованим об'єктом (власне електричний метод), або поля, що виникає в контрольованому об'єкті внаслідок зовнішньої дії (термоелектричний і трибоелектричний методи). Первинними інформативними параметрами є електричні ємність і потенціал.

Ємнісний метод застосовують для контролю діелектричних або напівпровідникових матеріалів. За зміною діелектричної проникності, зокрема її реактивної частини (діелектричними втратами), контролюють хімічний склад пластмас, напівпровідників, наявність у них нещільностей, вологість сипких матеріалів та інші властивості.

Метод електричного потенціалу застосовують для контролю провідників. Вимірюючи падіння потенціалу на деякій ділянці, контролюють товщину провідного шару, наявність нещільностей поблизу поверхні провідника. Електричний струм огинає поверхневий дефект, за збільшенням падіння потенціалу на ділянці з дефектом визначають глибину нещільності з похибкою в кілька відсотків.

3. Вихрострумовий вид неруйнівного контролю базується на аналізі взаємодії електромагнітного поля перетворювача з електромагнітним полем вихрових струмів, що наводяться в контрольованому об'єкті. Його застосовують лише для контролю виробів з електропровідних матеріалів. Вихрові струми в об'єкті збуджують за допомогою перетворювача у вигляді котушки індуктивності, що живиться змінним або імпульсним струмом. Приймальним перетворювачем (вимірником) слугує та сама або інша котушка. Збуджувальну і приймальну котушки розташовують або з одного боку, або по різні боки від контрольованого об'єкта (метод проходження).

За взаєморозташуванням перетворювача та об'єкта розрізняють прохідні, накладні та екранні перетворювачі. На рис. 1.3 наведено приклад вихрострумового прохідного перетворювача.

Контроль вихровими струмами виконують без безпосереднього контакту перетворювачів з об'єктом, що дозволяє вести його при взаємному переміщенні перетворювача та об'єкта з великою швидкістю, полегшуючи тим самим автоматизацію контролю.

4. Радіохвильовий вид неруйнівного контролю та його різновид - ближньопольова НВЧ-діагностика - базуються на реєстрації змін параметрів електромагнітних хвиль радіодіапазону, що взаємодіють із контрольованим об'єктом. Зазвичай застосовують хвилі надвисокочастотного (НВЧ) діапазону довжиною 1-100 мм і контролюють вироби з матеріалів, де радіохвилі не надто сильно загасають: діелектрики (пластмаси, кераміка, скловолокно), магнітодіелектрики (ферити), напівпровідники, тонкостінні металеві об'єкти. За характером взаємодії з об'єктом контролю розрізняють методи прохідного, відбитого, розсіяного випромінювання і резонансний метод. Первинними інформативними параметрами є амплітуда, фаза, поляризація, частота, геометрія поширення вторинних хвиль, час їх проходження та ін.

Рисунок 1.3 - Вихрострумовий перетворювач прохідного типу

5. Тепловий вид базується на реєстрації змін теплових або температурних полів об'єктів. Він застосовується до об'єктів із будь-яких матеріалів. За характером взаємодії поля з контрольованим об'єктом розрізняють методи: пасивний, або власного випромінювання (на об'єкт не впливають зовнішнім джерелом енергії), та активний (об'єкт нагрівають або охолоджують від зовнішнього джерела). Вимірюваним інформативним параметром є температура, або тепловий потік.

6. Оптичний вид неруйнівного контролю ґрунтується на спостереженні або реєстрації параметрів оптичного випромінювання, що взаємодіє з контрольованим об'єктом. За характером взаємодії розрізняють методи прохідного, відбитого, розсіяного та індукованого випромінювання. Останнім терміном визначають оптичне випромінювання об'єкта під дією зовнішнього впливу, наприклад люмінесценцію. Первинними інформативними параметрами є амплітуда, фаза, ступінь поляризації, частота або частотний спектр, час проходження світла через об'єкт, геометрія заломлення та відбиття променів.

Оптичні методи широко застосовують для контролю прозорих об'єктів. У них виявляють макро- і мікродефекти, структурні неоднорідності, внутрішні напруження (за обертанням площини поляризації). Використання гнучких світловодів, лазерів, оптичної голографії, телевізійної техніки різко розширило сферу застосування оптичних методів, підвищило точність вимірювання.

7. Радіаційний вид неруйнівного контролю ґрунтується на реєстрації та аналізі проникаючого іонізуючого випромінювання після його взаємодії з контрольованим об'єктом. Залежно від природи іонізуючого випромінювання цей вид контролю поділяють на підвиди: рентгенівський, гамма-, бета- (потік електронів), нейтронний методи контролю. Останнім часом знаходять застосування навіть потоки позитронів, за ступенем поглинання яких визначають ділянки об'єкта, збіднені або збагачені електронами.

Найбільш широко для контролю якості використовують рентгенівське та гамма-випромінювання. Їх можна використовувати для контролю виробів із найрізноманітніших матеріалів, шляхом підбору необхідного частотного діапазону. Ці види випромінювання, як і раніше розглянуті, є електромагнітними хвилями. При цьому частота коливань підвищується від методу до методу. Магнітні та електричні методи використовують постійні або повільно мінливі поля. У вихрострумовому контролі частоти досягали мегагерцового діапазону. Далі частота збільшувалася при використанні НВЧ, інфрачервоного, оптичного випромінювань. Рентгенівське і гамма-випромінювання є найбільш короткохвильовими з усіх, розглянутих раніше, наприклад гамма-випромінювання має довжину хвилі  м (частоту  Гц).

8. Акустичний вид неруйнівного контролю, на відміну від вищерозглянутих, базується на реєстрації параметрів пружних хвиль, що виникають або збуджуються в об'єкті. Найчастіше використовують пружні хвилі ультразвукового діапазону (із частотою коливань вище 20 кГц), цей метод називають ультразвуковим. На відміну від усіх раніше розглянутих методів тут застосовують і реєструють не електромагнітні, а пружні хвилі, параметри яких тісно пов'язані з такими властивостями матеріалів, як пружність, густина, анізотропія (нерівномірність властивостей із різних напрямків) та ін. Акустичні властивості твердих матеріалів і повітря настільки сильно відрізняються, що акустичні хвилі відбиваються від найтонших зазорів шириною мм. Цей вид контролю придатний до всіх матеріалів, що досить добре проводять акустичні хвилі металів, пластмас, кераміки тощо.

Активні ультразвукові методи, різноманітні за схемами застосування, набули великого поширення.

Найбільш широке застосування отримав метод відбиття, або ехо-метод (рис. 1.4). Перетворювач 1 збуджує в об'єкті контролю 2 ультразвуковий імпульс. Він відбивається від нижньої поверхні об'єкта або дефекту 3 і приймається тим самим (або іншим) перетворювачем. Генератор електричних імпульсів 4, 6 синхронізований з генератором розгортки 7 електронно-променевої трубки 5. Відбиті сигнали посилюються і викликають появу на лінії розгортки піків. Зокрема на рис. 1.4 показаний сигнал, що посилається у виріб 8, ехосигнал від дефекту 9 і донний сигнал 10. Інформативними параметрами в цьому разі є амплітуда та час приходу імпульсів. Засобом порушення і приймання ультразвукових хвиль, як правило, є п'єзоперетворювачі.

9. Сфокусовані пучки заряджених частинок у діагностиці матеріалів застосовують для отримання повної інформації про нанооб'єкти на атомарному рівні. Проведення досліджень різних властивостей матеріалів та об'єктів, структурованих у мікро- і нанорозмірних масштабах, та їх діагностика є одним із пріоритетних напрямків сучасної науки і техніки. У зв'язку з цим стоїть завдання створення нових видів апаратурних комплексів (АК) і методів, які могли б забезпечити проведення аналізу мікроструктури й елементного складу нових наноматеріалів і нанооб'єктів. Серед широкого різноманітності фізичних принципів, на основі яких розробляються нові АК, особлива увага приділяється сфокусованим пучкам заряджених частинок. Насамперед це пов'язано з тим, що нижня межа розмірів сфокусованого пучка зараз знаходиться у нанометровому і суб-нанометровому діапазонах. Тому за рахунок детектування продуктів взаємодії частинок пучка з речовиною можна отримувати інформацію про мікроструктуру й елементний склад досліджуваних об'єктів.

Рисунок 1.4 - Схема імпульсного ультразвукового дефектоскопа

магнітний радіофізичний діагностика

2.Радіохвильова діагностика

2.1 Загальні питання радіохвильової діагностики

Радіохвильовий неруйнівний контроль базується на реєстрації зміни параметрів НВЧ електромагнітних хвиль радіодіапазону [5-9], що взаємодіють із контрольованим об'єктом. Діапазон довжин хвиль, що зазвичай використовуються в радіохвильовому контролі, становить 1-100 мм (у вакуумі), що відповідає частотам  Гц.

Окремі пристрої радіохвильового контролю можуть працювати на частотах f, що виходять за межі цього діапазону. Проте найчастіше для неруйнівного контролю використовують трисантиметровий діапазон ( ГГц) і восьмиміліметровий діапазон ( ГГц), які найбільш освоєні та забезпечені елементною базою й вимірювальною апаратурою. Оскільки НВЧ-коливання є поляризованими когерентними гармонічними коливаннями, це обумовлює можливість отримання високої чутливості та достовірності контролю. Радіохвильовий контроль відрізняється великою інформативністю за кількістю параметрів випромінювання, що можна використовувати. Фізичними величинами, які можуть нести корисну інформацію про параметри об'єкта контролю, є: амплітуда, фаза, зсув коливань у часі, спектральний склад, розподіл енергії у просторі, геометричні фактори, поворот площини поляризації, поява амплітудної або частотної модуляції під час руху об'єкта або зміна умов контролю і т. д. Відповідно до цього за первинним інформативним параметром розрізняють такі методи: амплітудний, фазовий, амплітудно-фазовий, геометричний, тимчасовий, спектральний, поляризаційний, голографічний та ін.

Залежно від взаємного розташування випромінювального і приймального пристроїв контроль може проводитися за випромінюванням, що пройшло, коли випромінювач і приймач розташовуються по різні боки від об'єкта; за відбитим випромінюванням, коли випромінювач і приймач розміщуються по один бік від контрольованого об'єкта і реєструється відбита частина випромінювання, і за розсіяним випромінюванням, коли приймач розташовується в області, де при номінальних параметрах контрольованого виробу інтенсивність випромінювання повинна бути близька до нуля. Радіохвильовим методом можна виробляти всебічний контроль об'єктів із діелектричних і магнітодіелектричних матеріалів, напівпровідникових структур і доступних розмірів металевих виробів.

Як відомо, надвисокочастотне випромінювання порівняно далеко поширюється у вільному просторі, й оператор може потрапити в зону випромінювання. Оскільки НВЧ-випромінювання впливає на біологічні об'єкти, то повинні дотримуватися певні санітарні норми та правила техніки безпеки.

2.2 Техніка безпеки при радіохвильовому контролі

За електричними властивостями тканини тіла людини в НВЧ-діапазоні є недосконалими діелектриками за великої наявності води (до 70 %), а глибина проникнення НВЧ-випромінювання в тіло людини може досягати приблизно 2 см для жирових тканин і 5 мм для м'язових тканин. Тому основний ефект, що визначає шкідливий вплив НВЧ-випромінювання, спостерігається в поверхневому нагріванні тіла людини (шкіри та підшкірної клітковини), що приводить до підвищення температури та зміни кров'яного тиску за рахунок розширення судин. Окремі слабозахищені органи людини є особливо чутливими до НВЧ-випромінювання, наприклад очі мають слабку терморегуляцію та внаслідок тривалого опромінення може з'явитися помутніння кришталика ока, що потребує їх спеціального захисту.

Для діапазону хвиль випромінювань, що застосовується в радіохвильовому контролі, інтенсивність випромінювання електромагнітних хвиль завжди унормована в одиницях щільності потоку потужності. Допустимі рівні опромінення залежно від тривалості впливу електромагнітного випромінювання становлять: 10 мкВт/см2 - при опроміненні протягом усього робочого дня, 100 мкВт/см2 - при опроміненні до 2 год за робочий день, 1000 мкВт/см2 - при короткочасному опроміненні (до 20 хв за робочий день) із використанням лише захисних окулярів.

Захист персоналу від небезпечного впливу НВЧ-опромінення, також як і від інших видів, далеко поширюваних випромінювань, забезпечується шляхом проведення низки заходів: зменшення рівня випромінювання, що виходить від джерела; екранування джерела випромінювання та робочого місця; поглинання електромагнітної енергії; застосування засобів індивідуального захисту.

Найбільш ефективним загальним засобом захисту від НВЧ-випромінювання є екрани з добре провідних матеріалів (алюміній, латунь, сталь та ін.), виготовлених у вигляді листів товщиною 0,5-2 мм або сітки з комірками розміром у кілька міліметрів.

Індивідуальні засоби (захисні окуляри, захисні халати, фартухи та комбінезони, захисні капюшони) використовуються для захисту людини або окремих її органів під час роботи в електромагнітних полях великої інтенсивності, коли інші заходи не можуть забезпечити необхідного ослаблення випромінювання. Захисний одяг шиють із радіотканини, що має переплетені металеві нитки, а захисні окуляри армовані металевою сіткою або мають спеціальне поглинальне покриття.

Під час проведення контролю радіохвильовим методом звичайно досить застосування заходів організаційного характеру та використання поглинального матеріалу з екраном у зоні роботи обладнання. Це дозволяє захистити достатньою мірою персонал, що працює з обладнанням, і усунути забруднення навколишнього середовища.

2.3 Основні особливості електромагнітних процесів у НВЧ-діапазоні

Детально основні положення поширення електромагнітних хвиль у різних середовищах викладені, наприклад, у а також в інших літературних джерелах. Зупинимося на загальних поняттях електромагнітних процесів при діагностиці матеріалів.

Оскільки розміри елементів НВЧ-пристроїв і відстані в НВЧ-діапазоні сумірні з довжиною хвилі коливань, електромагнітні процеси, як правило, визначаються накладенням принаймні двох хвиль - падаючої і відбитої :

,

Причому

,

,

де - напруженість поля в зоні джерела; - коефіцієнт поширення, що дорівнює

,

- коефіцієнт загасання коливань уздовж лінії; Г - коефіцієнт відбиття ; х - відстань у середовищі поширення коливань; - довжина хвилі НВЧ-коливань у загальному випадку.

Електромагнітна хвиля - це поперечна хвиля електричного і магнітного полів, охарактеризувати її можна напруженостями: електричного поля , магнітного поля та ін.; у лінії передачі - напругою U, струмом I. Усі ці величини пропорційні одна одній (коефіцієнт пропорційності є векторною величиною), тому аналіз електромагнітних процесів можна вести, використовуючи одну з них (найбільш зручно - за напруженістю електричного поля або напругою).

Якщо НВЧ-коливання передаються від джерела до приймача (навантаження), то вздовж лінії поширення (двопровідній, хвилеводу, вільного простору тощо) встановлюється певний періодичний розподіл електромагнітних величин (напруженостей електричного і магнітного полів , густини енергії і т. д.), що залежить від довжини хвилі та параметрів середовища поширення (2.2) - (2.4). Довжина хвилі у необмеженому середовищі дорівнює

,

де с - швидкість світла у вакуумі; - відносна діелектрична проникність середовища; - відносна магнітна проникність середовища.

Якщо взяти і , то з (2.5) отримуємо довжину хвилі у вакуумі, що широко використовується при аналізі процесів у НВЧ-діапазоні.

Основним показником, що характеризує довгу лінію передачі або середовище, є хвильовий опір (імпеданс), який для монохроматичного коливання визначається за формулою

де , - напруженості компонент електричного та магнітного полів відповідно.

Якщо НВЧ-коливання поширюються в якомусь середовищі, то хвильовий опір (2.6) може бути знайдений так:

,

де - комплексне значення абсолютної магнітної проникності середовища:

;

 - комплексне значення абсолютної діелектричної проникності середовища:

,

, - індукція компонент електричного та магнітного полів відповідно; - магнітна стала, що дорівнює 1/36 Ф/м; - питома електрична провідність середовища, См/м; - колова частота НВЧ-коливань, рад/с.

Часто використовують величину, що називається тангенсом кута діелектричних втрат, яку зручно застосовувати при аналізі процесів у діелектриках:

.

Хвильовий опір (2.6), (2.7) діелектричних неферомагнітних матеріалів менший, ніж хвильовий опір вакууму ( = 377 Ом), а у феромагнітних діелектриків може бути більшим за нього.

Провідні матеріали мають дуже малий за модулем хвильовий опір, що визначається питомою електричною провідністю ( можна знехтувати ) і магнітною проникністю , аргумент імпедансу близький до 45°, тобто дійсна й уявна частини хвильового опору рівні. Для напівпровідникових матеріалів - феритів і недосконалих діелектриків - хвильовий опір має проміжне значення щодо металів та діелектриків і різні співвідношення між дійсною й уявною частинами.

Розподіл напруженості електричного поля (або пропорційного йому напруги) уздовж двопровідної або хвилевідної довгої лінії в різних режимах, кожен із яких задається співвідношенням між падаючою та відображеною хвилями (2.1), що йдуть від джерела та навантаження, показаний на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 - Поширення НВЧ-коливань у різних режимах: 1 - стояча хвиля; 2 - біжуча хвиля; 3 - загальний випадок; 4 - лінія зі втратами

У каналах радіохвильової апаратури зазвичай намагаються отримати режим біжучої хвилі, коли амплітуда напруг та струмів по довжині тракту стала і відбувається найбільш повна передача НВЧ-енергії в навантаження (рис. 2.1).

Режим біжучої хвилі (узгоджений режим) досягається, якщо опір навантаження дорівнює хвильовому опору лінії (2.7) і характеризується тим, що модуль напруженості електричного та магнітного полів уздовж лінії сталий. Якщо лінія і навантаження не мають втрат ( , або - чисто реактивне), то виникає режим стоячої хвилі, коли модулі падаючої та відбитої хвиль однакові. Тому в точках, віддалених на , досягаються нульові значення напруженості електричного або магнітного поля (рис. 2.1). У загальному випадку () напруженість електричного поля буде періодично змінюватися від максимального до мінімального значення (рис. 2.1), причому зсув мінімуму від кінця лінії характеризуватиме реактивну складову опору навантаження, а перепад між максимумом і мінімумом залежить від активної складової.

На практиці для аналізу процесів у лінії передачі найчастіше використовують поняття коефіцієнта біжучої хвилі (КБХ) або коефіцієнта стоячої хвилі (КСХ):

де і - модулі мінімальної та максимальної напруженостей електричного поля (див. рис. 2.1). Крім того, використовується поняття фази коефіцієнта відбиття хвилі, що однозначно задається навантаженням. Практично ця величина визначається відстанню від навантаження до точки мінімуму:

.

Коефіцієнт відбиття (2.3) може бути знайдений за відомим КБХ або КСХ.

2.4 Загальні питання побудови апаратури радіохвильового контролю

У контрольованих об'єктах, як правило, можуть бути доступними одна або дві поверхні, що визначає можливість застосування контролю лише за відбитим або за відбитим і прохідним випромінюваннями. Контроль за прохідним випромінюванням вимагає більш широкого простору, але кращий, оскільки можливе істотне зниження впливу переміщень контрольованих об'єктів між антенами випромінювальними та приймальними. Найбільш детальну інформацію про контрольований об'єкт дає застосування багатоелементних антен, що вирішують завдання контролю внутрішньої будови об'єкта [1; 9].

Завдання структуроскопії, товщинометрії та дефектоскопії можна вирішувати за допомогою використання одно- та багатоканальних пристроїв (рис. 2.2 у варіанті радіохвильового контролю за прохідним випромінюванням).

а б

Рисунок 2.2 - Схеми радіохвильового контролю: а - одноканального; б - багатоканального (1 - НВЧ-генератор, 2 - випромінювальні системи, 3 - контрольований об'єкт, 4 - приймальна система, 5 - блоки обробки сигналів)

Вибір робочої частоти (трисантиметрового або восьмиміліметрового діапазону) обумовлений як загальними вимогами щодо розв'язуваної контрольно-вимірювальної задачі (геометричні розміри, необхідна роздільна здатність апаратури, зона контролю і т. д.), так і значеннями електромагнітних параметрів на даній робочій частоті.

Оскільки НВЧ-коливання в міру проникнення вглиб матеріалу контрольованого об'єкта зменшуються за амплітудою, відбиті сигнали зі збільшенням товщини зменшуються, і, починаючи з деякої товщини, контроль стає важким. Оцінку загасання НВЧ-коливань можна провести, визначивши глибину проникнення НВЧ-поля для плоскої хвилі з виразу [17]:

,

а потім урахувати, що хвиля близька до циліндричної або сферичної та сигнали будуть додатково знижуватися за рахунок геометричного фактора.

Великою галуззю застосування радіохвильового методу є контроль фізичних величин, що характеризують матеріал або його стан. За необхідності отримати підвищену точність вимірювання фізичних величин застосовують двоканальні прилади типу інтерферометрів у поєднанні з компенсаційними способами вимірювань. Найбільшого поширення набули пристрої для вимірювання щільності матеріалів на основі вимірів діелектричної проникності, вологості матеріалів і покриттів, оцінки механічних характеристик композиційних матеріалів, напівфабрикатів і виробів.

2.5 Особливості взаємодії радіохвильового випромінювання з об'єктами контролю

Контрольований об'єкт, приймальний та випромінювальний пристрої при радіохвильовому контролі знаходяться, як правило, у ближній зоні, де структура електромагнітного поля носить складний характер і строгий аналіз неможливий.

Тому питання взаємодії об'єктів контролю з електромагнітним НВЧ-полем вирішуються експериментально або наближеними методами. Якщо відстані між кордонами різних середовищ сумірні або на багато більші порівняно з довжиною хвилі НВЧ-коливань у матеріалі, а кожна із середовищ однорідна, використовують закони геометричної оптики. При цьому вважають, що в межах однорідного середовища НВЧ-випромінювання поширюється прямолінійно і напрямки падаючої, відбитої та заломленої хвиль (у всіх середовищах 1-3) лежать в одній площині (у площині креслення на рис. 2.3) і тоді справедливі такі співвідношення, що виконуються незалежно від поляризації падаючої хвилі [1, 9].

При відбитті радіохвилі від межі розділу двох середовищ кут падіння дорівнює куту відбиття, тобто . Промінь, що пройшов у інше середовище, заломлюється на межі розділу середовищ так, що кут падіння і кут заломлення пов'язані виразами

, , ,

де N - відносний коефіцієнт заломлення; , - коефіцієнти заломлення середовища 1 і 2 відповідно.



Рисунок 2.3 - Взаємодія випромінювання з пластиною

Із виразу (2.15) можна отримати

.

Складова поля у відбитій і заломленій хвилях залежить як від параметрів середовищ, так і від поляризації падаючої хвилі. Напруженість електричного поля характеризує коефіцієнти відбиття та заломлення хвиль:

, . (2.16)

Коефіцієнти відбиття і заломлення (2.16) для різних варіантів положення вектора напруженості електричного поля можуть бути розраховані, якщо відомі імпеданс (хвильові опори) середовищ. Якщо вектор напруженості електричного поля лежить у площині падіння, то

,

Якщо вектор напруженості електричного поля перпендикулярний до площини падіння, то

.

Оскільки між векторами напруженості електричного та магнітного полів існує однозначний зв'язок, то

,

де - одиничний вектор нормалі.

Знаючи коефіцієнт відбиття або заломлення, можна визначити компоненти електромагнітного поля в будь-якому із середовищ. Деякі окремі випадки, реалізовані в апаратурі радіохвильового контролю, розглянуті в [1, 9].

2.6 Елементна база та основні пристрої апаратури радіохвильового контролю

2.6.1 Джерела надвисокочастотних коливань

Основними джерелами НВЧ-коливань є напівпровідникові та електронні генератори.

Як напівпровідникові генератори використовують лавинно-пролітні діоди, діоди Ганна, тунельні діоди та ін. Основні їх переваги: малі габарити, маса та споживана потужність. Недолік - низька стабільність характеристик і великі шуми.

Електронні генератори НВЧ-коливань [21] будуються на базі клістронів, ламп біжучої та зворотної хвиль, магнетронів. У радіохвильовій апаратурі основне застосування знайшли клістронні генератори потужністю 5-20 мВт. Їх недоліком є необхідність високого за напругою стабілізованого живлення і, як наслідок, великі габарити та маса.

Як приклад схематично розглянемо принцип дії та побудови НВЧ-генераторів на основі лавинно-пролітного діода (ЛПД) і клістрона, функціональні схеми яких зображені на рис. 2.4.

а б

Рисунок 2.4 - Функціональні схеми НВЧ-генераторів на ЛПД (а) і відбивному клістроні (б)

Генератор на лавинно-пролітних діодах, функціональна схема якого зображена на рис. 2.4 а, складається з таких великих блоків: ЛПД, резонатора Р, стабілізованого блока живлення СБЖ, модулятора МД, блока управління частотою БУЧ. ЛПД і Р, як правило, конструктивно поєднуються, щоб не було додаткових набігів фаз і нестабільностей, що визначаються особливостями НВЧ-діапазону. Саме ці два блоки забезпечують створення НВЧ-коливань. СБЖ задає робочий режим ЛПД за постійним струмом, а МД і БУЧ дають можливість за необхідності здійснювати амплітудну модуляцію (найчастіше прямокутними імпульсами із частотою 1 кГц) і зміну частоти. Лавинно-пролітний діод - це спеціальний напівпровідниковий діод, призначений для роботи в НВЧ-діапазоні. Напруга живлення ( В залежно від типу діода) подається через дросель у зворотному напрямку, а робоча область генерації НВЧ-коливань лежить у зоні електричного пробою. Паралельно ЛПД увімкнений резонатор Р, налаштований на частоту генерації. ЛПД у динамічному режимі має негативний опір і компенсуватиме втрати енергії, підтримуючи НВЧ-коливання в резонаторі. Енергія НВЧ-коливань виводиться з резонатора за допомогою петлі зв'язку.

Стабілізований блок живлення СБЖ є джерелом постійної напруги, що не залежить від варіацій напруги живильної мережі та навантаження. Він побудований за типовою схемою і містить трансформатор Тр, випрямляч В, фільтр Ф і стабілізатор СТ із великим коефіцієнтом стабілізації для захисту діода від теплового пробою і стабілізації НВЧ-коливань.

Модулятор МД може бути виконаний у вигляді керованого електронного ключа, що подає живлення на ЛПД у необхідні моменти часу.

Генератор на відбивному клістроні, функціональна схема якого наведена на рис. 2.4 б, має блоки, аналогічні напівпровідниковому НВЧ-генератору. Відбивний клістрон КЛ - це спеціальна електронно-вакуумна лампа, що має катод К із підігрівачем ПК, дві сітки СВ і СН, що з'єднуються з об'ємним резонатором Р, і відбивач ВІД. Блок живлення СБЖ створює необхідні живлячі напруги.

Частоту НВЧ-коливань клістронного генератора можна регулювати так само, як і в генераторі на ЛПД, змінюючи резонансну частоту резонатора Р за допомогою налаштування підстроюваних гвинтів ПГ (перебудова на 10-20 %) або змінюючи постійні напруги на електродах (відбивачі) клістрона (перебудова до 1 %), а щоб отримати модульовані за амплітудою або частотою НВЧ-коливання, на відбивач ВІД клістрона подають пульсуючу напругу.

2.6.2 Основні пристрої для формування та обробки НВЧ-сигналів і полів

До таких пристроїв належать: випромінювальні та приймальні пристрої, атенюатори, вентилі, фазообертачі, спрямовані відгалужувачі, детекторні секції, трійники, резонатори, узгоджені навантаження, відрізки хвилеводів спеціальної форми, вимірювальні лінії та хвилеміри. Більшість цих НВЧ-пристроїв, що використовуються в неруйнівному контролі, побудовані на базі хвилеводів, що характерно для трисантиметрового і восьмиміліметрового діапазонів НВЧ [17, 20].

Випромінювальні та приймальні пристрої (антени), що застосовуються при радіохвильовому контролі, можуть бути виконані у вигляді рупора, відкритого зрізу хвилеводу, щілин або хвилеводу з діелектричною вставкою (рис. 2.5), що визначається необхідною локальністю контролю, необхідною чутливістю апаратури й особливостями конкретного завдання. Так, наприклад, випромінювач і приймач у вигляді рупора (рис. 2.5 а) дають хороше узгодження хвилевідного тракту із зовнішнім простором і контрольованим об'єктом, що забезпечує великі амплітуди сигналів, але призводить до погіршення локальності контролю. Застосування щілинного пристрою у вигляді звужувального хвилеводу (рис. 2.5 г), навпаки, підвищує локальність контролю, якщо контрольований об'єкт знаходиться безпосередньо біля щілини, але при цьому виникають значні відбиття НВЧ-коливань від вузького зрізу, що знижує чутливість апаратури та призводить до маскування корисного сигналу.

При видаленні об'єкта від антени зона опромінення розширюється у вигляді конуса, кут розкриття якого тим більший, чим менші розміри антени, тобто приблизно відповідає ширині її діаграми спрямованості. Зона, де відбувається випромінювання НВЧ-коливань, у випромінювачів і приймачів найчастіше заповнюється діелектричними вставками, що покращують роботу цих пристроїв, а також перешкоджають проникненню в них сторонніх предметів і різних забруднень. На основі показаних на рис. 2.5 пристроїв можуть створюватись і складніші випромінювальні та приймальні пристрої, наприклад двохелементні, що реалізують метод самопорівняння в дефектоскопії, або у вигляді багатоелементних антенних решіток. Як випливає з принципу взаємності, один і той самий пристрій може використовуватися як випромінювальний або приймальний.

а б в г д е

Рисунок 2.5 - Типи випромінювальних і приймальних пристроїв, що використовуються в радіохвильовому контролі: а - рупор; б - фланець хвилеводу; в - зріз хвилеводу; г - звужувальний кінець хвилеводу; д - щілини; е - хвилевід із діелектричною вставкою

Каналізуючі пристрої хвилеводу або відрізки коаксіальних ліній із різними поперечними перерізами передають енергію НВЧ-коливань від генератора і випромінювача або від приймального пристрою до первинного вимірювального перетворювача. Коаксіальні лінії (рис. 2.6 а) використовуються при передачі НВЧ-енергії на короткі відстані. Смугові лінії (рис. 2.6 б, в) добре поєднуються із сучасною друкованою технологією виробництва радіоелектронної техніки. Частіше за інших у пристроях радіохвильового контролю застосовують прямокутні хвилеводи, а іноді - круглі. В області короткохвильового НВЧ-діапазону (восьмиміліметрового і коротше) можуть бути використані діелектричні хвилеводи та пристрої на їх основі (рис. 2.6 е). Атенюатор (ослаблювач) служить для дискретного або плавного регулювання амплітуди НВЧ-сигналів шляхом зміни розмірів поперечного перерізу хвилеводу, введення вставок, в яких загасають НВЧ-коливання, або шляхом використання поляризаційних особливостей НВЧ-коливань.



а б в г д е

Рисунок 2.6 - Поперечні перерізи основних типів каналізуюючих НВЧ-пристроїв: а - коаксіальна лінія; б - симетрична смугова лінія; в - несиметрична смугова лінія; г - прямокутний хвилевід; д - круглий хвилевід; е - діелектричний хвилевід (1 - метал; 2 - діелектрик)

Вентиль пропускає НВЧ-енергію лише в одному напрямку, тобто лише падаючу хвилю, що необхідно для роботи НВЧ-тракту в режимі біжучої хвилі та усунення впливу навантаження на джерело коливань.

Фазообертач дає можливість змінити фазу НВЧ-коливань на фіксоване значення дискретно або плавно й становить відрізок довгої лінії регульованої довжини або зі змінними електричними параметрами середовища ( або ), що дозволяє регулювати електричну довжину відрізка та приводить до додаткового набігу фази, який залежить від відношення електричної довжини відрізка до довжини хвилі.

Спрямований відгалужувач має один вхід і два або більше виходів, на які передає певну частину лише падаючої або відбитої хвилі в потрібний хвилевід НВЧ-тракту. Він може використовуватися як дільник потужності в певній пропорції, а також для додавання або віднімання сигналів.

Детекторна секція (амплітудний детектор, випрямляч) перетворює НВЧ-коливання в сигнали постійного струму або в сигнали, пропорційні обвідної НВЧ-коливань. Вона виконується на базі НВЧ випрямного пристрою з напівпровідниковим діодом. Для збільшення значень вихідних сигналів детекторна секція зазвичай містить резонаторну частину, що налаштовується спеціальним поршнем у режим резонансу на робочій частоті. В апаратурі з аналоговою обробкою сигналу до детекторної секції, як правило, підключають чутливий мікроамперметр, підсилювач або реєструвальний прилад.

Змішувальна секція подібна детекторній, але має два входи, до яких підводяться НВЧ-коливання двох різних частот. Унаслідок їх накладення і випрямлення на виході змішувальної секції виділяється складова коливань різницевої частоти, яка набагато менша за частоту НВЧ-коливань і обробка сигналів на якій проводиться набагато простіше.

Трійники мають три або більше хвилевідних відгалужень і служать для поділу потоку НВЧ-енергії або, навпаки, для підсумовування (віднімання) НВЧ-коливань. В апаратурі радіохвильового контролю використовують E_трійник, H_трійник і подвійний трійник (стрілками на рис. 2.7 показано напрям вектора напруженості електричного поля).

а б в

Рисунок 2.7 - Хвилевідні НВЧ-трійники: а - Е-трійник; б - Н-трійник; в - НВЧ-міст (подвійний трійник)

Резонатори, по суті, є резонансними контурами, та з їх допомогою можна виконувати ті самі перетворення сигналів, що й за допомогою резонансних контурів: виділяти коливання необхідної частоти, погоджувати різні елементи між собою, змінювати значення струмів або напруг і т. д. Резонатори можуть виконуватись у вигляді об'ємних конструкцій або відрізків хвилеводів і довгих ліній. Перебудова НВЧ-резонаторів проводиться за допомогою штирів, плунжерів, короткозамикальних поршнів, пластин і гнучких діафрагм.

Узгоджені навантаження призначені для підключення до НВЧ-тракту, щоб поглинути падаючу хвилю й усунути тим самим відбиття НВЧ-коливань. Вони виконуються у вигляді відрізка довгої лінії, що має активний опір, що дорівнює опору лінії ().

Вимірювальні лінії - це відрізок довгої лінії з прорізом для введення зонда детекторної секції. У проріз відрізка довгої лінії вводять зонд, який може бути переміщений уздовж лінії, що дозволяє поміщати його в місце, де досягається необхідне співвідношення між падаючою і відбитою хвилями та відповідно виходять певні значення НВЧ-коливань (максимум, мінімум, середнє). Вимірювальна лінія має точне градуювання та дозволяє вимірювати багато величин, що характеризують НВЧ-коливання.

Хвилеміри - пристрої для визначення частоти або довжини хвилі НВЧ-коливань (у простому випадку - це короткозамкнена вимірювальна лінія з каліброваними розмірами елементів). Наприклад, для часто використовуваного прямокутного хвилеводу при збудженні в ньому хвилі типу довжина хвилі дорівнює

,

де - довжина хвилі у вакуумі; - відносна діелектрична проникність речовини, що заповнює хвилевід; - розмір широкої стінки хвилеводу.

2.6.3 Індикатори та перетворювачі радіохвильового випромінювання

Індикатори НВЧ-випромінювання перетворюють розподіл густини НВЧ-енергії у видиме зображення, що дозволяє оператору аналізувати якість контрольованого об'єкта. При радіохвильовому контролі як індикатори зазвичай використовують люмінофори та рідкі кристали, а реєстрація інтенсивності НВЧ-випромінювання найчастіше базуються на його перетворенні в низькочастотні або постійні електричні сигнали.

Люмінофори - це речовини, що володіють властивістю світитися при впливі на них певних видів випромінювання, що збуджують люмінофор в оптичній частині випромінювання. Це видиме випромінювання сприймає оператор. Проте енергія квантів НВЧ-випромінювання недостатня для збудження люмінофора, тому для її порушення виробляється додаткове опромінення речовини люмінофора від спеціального джерела із квантами, що мають велику енергію, наприклад лампою, яка випромінює ультрафіолетове світло. Інтенсивність випромінювання допоміжного джерела встановлюють таким чином, щоб яскравість світіння люмінофора була середньою. Тоді при впливі НВЧ-випромінювання умови роботи люмінофора будуть змінюватися, й яскравість світіння залежатиме від падаючої на люмінофор НВЧ-енергії, що дозволить спостерігати її розподіл у просторі.

Рідкі кристали мають молекулярну структуру, проміжну між рідиною (володіють текучістю) і твердим тілом (аномальні оптичні властивості). Для цілей неруйнівного контролю застосовують холестеричні рідкі кристали. Тонкий шар рідкого кристала залежно від його температури та кута спостереження має найбільший коефіцієнт відбиття для світла певної довжини хвилі. Тому, якщо висвітлювати плівку на основі рідкого кристала білим світлом і фіксувати кут спостереження, при зміні температури можна отримати максимум інтенсивності відображення для різних кольорів - компонентів білого світла. Щоб поліпшити умови спостереження, рідкий кристал наноситься на плівку із зачорненою основою, що підвищує контрастність зображення й усуває перешкоди за рахунок вторинного відображення. Під час проведення контролю плівку накладають на контрольований об'єкт і за кольоровим забарвленням оператор робить висновки про температуру в тій чи іншій частині об'єкта, зумовленої нагріванням його НВЧ-випромінювання. Чутливість неруйнівного контролю за допомогою рідких кристалів при інших рівних умов визначається кількістю градацій кольору, які розрізняє оператор. Для деяких рідких кристалів на основі холестерину забарвлення відбитого світла змінюється по всьому спектру від червоного до фіолетового при зміні температури на 1-3 К, що дає можливість оцінювати роздільну здатність проведення контролю з їх допомогою 0,1-0,2 К. Теплові переходи в рідких кристалах оборотні, тому індикатори на їх основі можна використовувати багато разів. Порівняно з іншими термоіндикаторами рідкі кристали особливо ефективні, коли необхідно відрізняти малі градієнти температур при невисоких температурах (283-393 К).

Вимірювальні перетворювачі (первинні вимірювальні перетворювачі, датчики) виробляють перетворення компонентів НВЧ-випромінювань і полів в електричні сигнали, зручні для подальшої обробки. Як первинні вимірювальні перетворювачі застосовують: напівпровідникові та термоелектричні прилади. Напівпровідникові прилади (НВЧ-діоди та транзистори) побудовані на базі -переходу і за рахунок його нелінійних властивостей дають можливість перетворити НВЧ-коливання в сигнали постійного струму, відеосигнали або сигнали більш низької частоти (перетворення частоти). При випрямленні НВЧ-коливань отримують відеосигнали або сигнали низької частоти (виділення обвідної НВЧ-коливань) і сталу складову випрямленої струму, що використовується для безпосередньої індикації сигналів магнітоелектричними мікроамперметрами. Коли напівпровідникові діоди використовуються як змішувач для перетворення частоти, обвідна НВЧ-коливань і їх фаза переносяться на знижену несучу (різницеву) частоту, обробка сигналу проводиться радіоелектронною технікою, що має кращі технічні та метрологічні показники. В апаратурі радіохвильового контролю найбільше застосування отримали НВЧ-діоди. Термоелектричні прилади (терморезистори, термістори і болометри) використовують теплову дію НВЧ-енергії, тому їх виготовляють із матеріалів, що добре перетворюють теплові зміни в електричні сигнали.