DE10322271A1

DE10322271A1 - Vorichtung und Verfahren zur Untersuchung von Körpern

Info

Publication number: DE10322271A1
Application number: DE2003122271
Authority: DE
Inventors: Roland Boese; Medzid Muhasilovic
Original assignee: Universitaet Duisburg Essen
Current assignee: Universitaet Duisburg Essen
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2003-05-19
Publication date: 2004-12-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung aus zwei Strahlungsquellen und einer Detektionsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Untersuchung von Körpern, bei dem der zu untersuchende Körper durch die erste Strahlungsquelle lokal erwärmt wird und bei dem eine zweite Strahlungsquelle benutzt wird, um ein Beugungsmuster zu erzeugen, welches durch eine Detektionsvorrichtung aufgezeichnet wird. Die Vorrichtung und das Verfahren können angewendet werden zur berührungslosen und zerstörungsfreien Materialprüfung, wobei Materialinhomogenitäten sowohl an der Oberfläche als auch in der Tiefe des Materials aufgespürt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung aus mindestens zwei Strahlungsquellen und mindestens einer Detektionsvorrichtung, sowie ein Verfahren zur Untersuchung von Körpern, bei dem der zu untersuchende Körper durch eine Strahlungsquelle lokal erwärmt wird und bei dem eine zweite Strahlungsquelle benutzt wird, um ein Beugungsmuster zu erzeugen, welches durch eine Detektionsvorrichtung aufgezeichnet wird.
Stand der Technik
In den vergangenen Jahren zeichnete sich ein steigender Bedarf an Methoden zur schnellen, sicheren und zerstörungsfreien Untersuchung und Prüfung von Werkstoffen ab. Dieser Bedarf bezieht sich insbesondere auf in der Technik eingesetzte Werkstücke, die hohen Belastungen ausgesetzt sind und bei denen ein Materialversagen schwere Schäden zur Folge hätte, wie zum Beispiel Eisenbahnräder, Isolatoren von Hochspannungsleitungen, Blätter von Turbinenschaufeln und Kurbelwellen in Verbrennungsmotoren.
Hierbei ist es wichtig, dass bei der Werkstoffprüfung nicht nur Materialdefekte an der Werkstoffoberfläche, sondern auch solche in der Tiefe des Werkstückes detektiert werden.
Eine Vorrichtung zur berührungsfreien und zerstörungsfreien Untersuchung wird in DE 40 15 893 A1 beschrieben. In dieser Vorrichtung dient eine Strahlquelle zur Erzeugung nur eines Strahls, der in einen Test- und ein Anregungsstrahl mittels einen Strahlteiler geteilt wird.
In einem Untersuchungsverfahren mit einer solchen Vorrichtung ist eine umfangreiche optische Lenk- und Sensorausrüstung notwendig. Um innerhalb einer schmalen Messtoleranz des Teststrahls zu bleiben, ist zur Überwachung des Rücksignals von der Oberfläche des Körpers weiterhin ein zusätzlicher komplexer elektronischer Regel- und Steuerungskreis notwendig.
Nur in solcher Konstellation lässt sich eine Veränderung der Intensität des thermischen Rückstrahls feststellen, um auf diese Weise eine präzise Aussage über den Zustand der Materie treffen zu können.
Eine derartige Vorrichtung zur berührungsfreien und zerstörungsfreien Untersuchung ist auch aus DE 30 34 944 bekannt. Zur Überwachung des vom Hauptstrahl abgekoppelten Teststrahls ist dabei ein Fernrohr vorgesehen. Damit wird es dem Benutzer erlaubt, über das Fernrohr den mit dem Strahl des sichtbaren Licht beaufschlagten Punkt des Körpers zu überwachen.
Die auf diese Weise erfasste Information ermöglicht es, die aus der Rückseite des Körpers heraustretende und über einem fokussierenden Spiegel zu einem Detektor geleitete Wärmestrahlung einem bestimmten Punkt des Körpers zuzuordnen und dort schließlich den Zustand in der Materie zu erfassen.
Weiterhin ist ein photothermisches Mikroskop im Artikel „Photothermal Spectroscopy on a Microscopic Scale" von D.R. Petts und H.K. Wickeramasinghe aus dem „Ultrasonic Symposium 1981" (Seiten 832-836) beschrieben worden.
Die hier verwendete Messung stützt sich ebenfalls auf das Prinzip des gleichzeitigen Erfassens zweier Reflexionsbilder eines thermischen und eines optischen, einmal geteilten Strahles.
Bei diesem Verfahren wird das zu untersuchende Werkstück zuerst auf einen zum Strahleinfall senkrecht stehenden Bewegungstisch eingespannt. Während der Messung wird die Körperoberfläche senkrecht zum einfallenden Strahl verschoben. Bei Veränderungen in der Materialstruktur, einschließlich Materialdefekte, werden sich diese in dem veränderten thermischen Rückstrahl bemerkbar machen.
In der bereits erwähnten Patentschrift DE 40 15 893 A1 , aber auch in ebenfalls genannten Offenlegungsschrift DE 38 13 258 , in der eine weitere zerstörungsfreie und berührungsfreie Prüfmethode dargestellt ist, ist neben dem festen Aggregatzustand des Körpers auch die Absorptionsfähigkeit für den einfallenden infraroten Laserstrahl unbedingte charakteristische Voraussetzung des folglich stets undurchlässigen Materials.
Beim Einsatz der bekannten photothermischen zerstörungsfreien Prüfmethoden ergeben sich Schwierigkeiten bei der Justierung der Vorrichtung auf die zu prüfende Werkstoffoberfläche.
Dies kommt besonders bei der Verwendung von Lasern und anderen Quellen der elektromagnetischen Wellen, die außerhalb des menschlichen Sichtbereiches liegen, zum tragen. Bei den oben beschriebenen Methoden wird nur ein abgekoppelter Teststrahl durch den elektronischen Regelungs- und Steuerungskreis überwacht. Die Leistung des Anregungsteils des Hauptstrahls bleibt ohne Kontrolle.
Die Messausrüstung erwähnter Methoden ist komplex und reagiert sehr empfindlich auf Umgebungseinflüsse. Beispielsweise besteht der in DE 40 15 893 A1 beschriebene Steuer- und Regelkreis aus drei Analog/Digital-Wandlern und einer sechskanaligen elektronischen Steuerungseinheit. Dies kann eine potenzielle Quelle für Messfehler darstellen. Die in der gleichen Offenlegungsschrift beschriebene Lenk- und Sensoroptik muss genau auf die Welleninterferenz des Laserstrahls abgestimmt sein. Demzufolge würde eine unkontrollierte Arbeitstemperaturschwankung eine geometrische Veränderung in dieser sensitiven Anordnung bedingen.
In den oben beschriebenen Methoden wird die Messung indirekt durch die Geometrie der zu prüfenden Materialien beeinflusst. Bei einem größeren Materialstück ist auch die Bestrahlungsdauer zu verändern, so dass auch die Messzeit des einzelnen Messschritts beeinflusst wird.
Einer der Eigenschaften der Röntgenstrahlung in Röntgenbeugungsuntersuchungen ist die geringe Eindringtiefe der Strahlung. Ein kollimierter Röntgenstrahl dringt in Abhängigkeit von dem Absorptionsgrad der Materie höchstens einige zehntel Millimeter in die Oberfläche der zu untersuchenden Probe ein. Es sind somit keinerlei Aussagen über den Materialzustand in der Tiefe zu treffen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Prüfung von Körpern zu schaffen, die unter den erwähnten schwierigen Arbeitsbedingungen stabil ist und die es erlaubt, Aussagen über den Materialzustand in der Tiefe des Körpers zu treffen.
Diese Aufgabe wird in der neuen Prüfmethode zur zerstörungsfreien und berührungslosen Materialuntersuchung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf die Oberfläche des zu untersuchenden Körpers gleichzeitig ein Röntgenstrahl und ein infraroter Strahl gerichtet werden.
Der Anregungsstrahl der ersten Strahlungsquelle zur lokalen Erwärmung ist ein Infrarotstrahl. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der ersten Strah lungsquelle um einen Infrarotlaser, so dass es sich bei der Infrarotstrahlung um gebündelte kohärente Strahlung handelt.
Bei der zweiten Strahlungsquelle handelt es sich um eine Röntgenquelle. Als Teststrahl dient ein parallelisierter Röntgenstrahl, der auf die zu untersuchende Probe geleitet wird. Die dadurch gewonnenen konstruktiven Interferenzen der Röntgenbeugung werden in einem Rückstrahl in einem Flächendetektor registriert und liefern somit eine präzise Aussage über die Oberflächenstruktur der Probe.
Die Infrarotstrahlung aus der ersten Strahlungsquelle wird vom zu untersuchenden Körper absorbiert, wobei eine Wärmewelle bzw. eine Wärmefortpflanzung auftritt. Als Folge entsteht eine lokale thermische Modulation.
Die Wärmeausbreitung kommt jedoch nicht nur über die Oberfläche zustande. Befindet sich also in dem zu untersuchenden Körper ein Defekt, ein Riss, eine Kavität oder eine ähnlich geartete Störung, so wird diese für die Wärmeausbreitung ein Hindernis bedeuten, selbst wenn sich der Defekt in der Tiefe des zu untersuchenden Körpers befindet. Dadurch wird auch die durch die Wärme bedingte Strukturänderung auf der Körperoberfläche beeinflusst.
Diese durch die Inhomogenität in der Tiefe thermisch bedingte Strukturänderung auf der Oberfläche wird weiterhin wie oben beschrieben mittels Röntgenbeugung registriert.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in den Zeichnungen anhand von schematisch dargestellten Ausführungsformen und Verfahrensschritten beschrieben.
Hierbei zeigt:
1: Vorrichtung zur zerstörungsfreien und berührungsfreien Untersuchung der inneren und/oder äußeren Struktur des zu untersuchenden Körpers
2: Anwendungsbeispiel: Beugungsmuster zur Lokalisation einer Kavität in einem Körper
3: Vergleichsbeispiel: Beugungsmuster mit gleichzeitiger Wärmebestrahlung und ohne Wärmebestrahlung zur Lokalisation einer Kavität in einem Körper
4: Anwendungsbeispiel: Lokalisation eines Risses in einem Körper Nachfolgend werden ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und zwei Anwendungsbeispiele und ein Vergleichsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien und berührungsfreien Untersuchung der inneren und/oder äußeren Struktur des zu untersuchenden, im festen Aggregatzustand befindlichen Körpers. Aus einer Röntgenstrahlquelle (1) wird ein Teststrahl (5) auf die Oberfläche des Körpers (23) geleitet, der auf einer motorisch betriebenen, translationsfähigen und um die vertikale Hauptachse (24) drehbaren Ebene eingefasst ist, die wiederum mit Ihrer Hauptachse (24) senkrecht zum eintreffenden Röntgenstrahl steht. Dieser Verstellmechanismus ist mit einer Datenleitung (26) mit der mikroelektronischen Kontroll- und Steuerungseinheit (20) verbunden, dessen Position von dort aus überwacht und eingestellt wird. Der gebeugte Teil des Röntgenstrahls wird als konstruktive Interferenz (14) in einem ortsempfindlichen zweidimensionalen Detektor (15) registriert. Die von der Körperoberfläche kommenden analogen Röntgenbeugungssignale werden hier in die digitalen Signale umgewandelt und mittels einer Datenleitung (17) einer Software, die sich ebenfalls in der mikroelektronischen Kontroll- und Steuerungseinheit (20) befindet zugänglich gemacht. Über die Software dieser Einheit lässt sich der Röntgenstrahl steuern. Aus einer anderen Strahlquelle (2) wird ein infraroter Teststrahl (4) über einen Spiegel (8) mit einem Kontrolllaserstrahl (6) sichtbaren Lichtes zusammen geführt. Dieser Spiegel (8) ist für das infrarote Licht transparent und für sichtbares Licht undurchlässig. Dieser Strahl (7) wird in einem Spiegel (9) um 90° abgelenkt (10) und zu einem um die eigene Achse schwenkbaren Spiegel geleitet. Dieser Spiegel (12), befindet sich auf einer Drehvorrichtung und bietet die Möglichkeit, den umlenkten infraroten Anregungsstrahl (13) zur gewünschten Stelle auf der Oberfläche des Körpers (23) zu leiten. Die Leistung und die Position des Anregungsstrahls werden durch die Software einer Kontroll- und Steuerungseinheit (16) überwacht. Nach der Absorption des Anregungsstrahls (13) auf der Oberfläche des Körpers (23) wird eine Wärmewelle erzeugt. Bei homogener Stoffverteilung wird eine homogene Wärmeverteilung erzielt. Durch die Detektion eines gebeugten Röntgenstrahls (14) wird eine lokale Temperaturveränderung der Oberfläche ebenfalls registriert. Trifft der Anregungsstrahl (13) nicht auf denselben Ort wie der Teststrahl (5), so werden somit Inhomogenitäten, die sich zwischen zwei Einstrahlstellen befinden, aufgespürt, da diese die Wärmeausbreitung beeinflussen. Es werden so nicht nur Inhomogenitäten auf der Oberfläche des Körpers (23), sondern auch solche in der Tiefe des zu untersuchenden Körpers detektiert. Bei großen Abständen zwischen dem Auftreffpunkt des Anregungsstrahls (13) und des Teststrahls (5) wird bei Körpern mit geringer Wärmeleitung keine Veränderung des gebeugten Röntgenstrahls (14) im Detektor (15) mehr registriert. Gleichermaßen beeinflusst die Dauer der thermischen Anregung der Körperoberfläche (23) auch eine Veränderung im Beugungsbild. Daher wird erfindungsgemäß eine geräte- und materialabhängige Optimierung vor einer Messung durchgeführt. Es können somit Störungen auch in größeren Materialtiefen erfasst und registriert werden.
2 zeigt als Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens die Lokalisierung einer Kavität in einem Körper unterhalb der Körperoberfläche. Als erste Strahlungsquelle wurde hierbei eine Infrarotlaserquelle und als zweite ein kollimierter Röntgenstrahl verwendet. Dabei wurde die Distanz zwischen der Aufprallstelle der Infrarotlaserquelle und der Aufprallstelle des Röntgenstrahls auf die Körperoberfläche auf 5 mm eingestellt. Die Kennlinie (25) repräsentiert das Beugungsmuster in der Form eines 2θ-Diffraktogramms einer homogenen, also intakten, Stelle des Körpers. Die Kennlinie (26) zeigt das Diffraktogramm einer Stelle auf dem Körper an, an der sich unterhalb der Materialoberfläche unsichtbar eine Kavität befindet.
3 als Anwendungs- und Vergleichsbeispiel zeigen die Kennlinien 25 und 26 die Diffraktogramme die bereits in 2 beschrieben wurden. Die Kennlinie 27 steht für eine Aufnahme, bei der genau oberhalb des Röntgenstrahls die Oberfläche des Körpers mit einem Infrarotlaserstrahl bestrahlt wurde. Die Kennlinie 28 zeigt das Beugungsmuster als Diffraktogramm, wobei bei der Aufnahme unter sonst gleichen Bedingungen keine Infrarotlaserbestrahlung stattgefunden hat. Die Kennlinien 27 und 28 dienen in der Auswertung als Referenzlinien zur Einordnung der Kennlinien 25 und 26 um eine Beurteilung der Körperbeschaffenheit vornehmen zu können.
4 zeigt als Anwendungsbeispiel für eine Materialprüfung das Untersuchungsergebnis von einem Körper, bei dem ein senkrechter Riss von der Körperoberfläche in die Tiefe des Materials verlief. Als erste Strahlungsquelle wurde hierbei wiederum eine Infrarotlaserquelle und als zweite ein kollimierter Röntgenstrahl verwendet. Dabei wurde die Distanz zwischen der Aufprallstelle der Infrarotlaserquelle und der Aufprallstelle des Röntgenstrahls auf die Körperoberfläche auf 2,5 mm eingestellt. Zur Untersuchung des Körpers wurden dann die die Inf rarotlaserquelle und die Röntgenquelle simultan über die Körperoberfläche bewegt, um so Materialinhomogenitäten des Körpers lokalisieren zu können. Die Kennlinie 29 zeigt das Beugungsbild, wie es an den homogenen, also intakten, Orten des Körpers aufgenommen wurde. Die Kennlinie 30 zeigt das Beugungsbild, wie es aufgenommen wurde, als beim Bewegen der beiden Strahlungsquellen über die Körperoberfläche eine inhomogene, also defekte, Stelle des Körpers getroffen wurde. Die Kennlinie 31 zeigt ein Differenzdiffraktogramm, das auf die unterschiedlichen Intensitäten und auf die Phasenverschiebung zeigt und somit die Lokalisierung von Inhomogenitäten und Materialdefekten im inneren des Körpers ermöglicht.

Claims

Vorrichtung zur Untersuchung von Körpern, insbesondere zur Bestimmung von Materialdefekten, bestehend aus mindestens zwei Strahlungsquellen und einer Detektions- und Auswertevorrichtung, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale – Es ist mindestens eine Strahlungsquelle (2) zur Erwärmung des zu untersuchenden Körpers (23) oder Teilen hiervon vorhanden – Es ist mindestens eine weitere Strahlungsquelle (1) zur Erzeugung eines sich am oder im Körper (23) bildenden Beugungsmusters vorhanden – Es ist mindestens eine Detektionseinheit (15) zur Erfassung des entstehenden Beugungsmusters vorhanden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Strahlungsquelle Infrarotlicht im Wellenlängenbereich von 0,65 μm bis 1000 μm emittiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Strahlungsquelle Röntgenstrahlung im Wellenlängenbereich von 0,01 nm bis 10 nm emittiert.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Infrarotstrahlungsquelle um einen Infrarotlaser handelt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquellen relativ zu dem zu untersuchenden Körper bewegt werden können.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit zur Erfassung des Beugungsmusters aus einem zweidimensional ortsauflösendem Flächendetektor besteht.
Verfahren zur Untersuchung von Körpern, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst mindestens eine Infrarotstrahlungsquelle zur Erwärmung von Teilen oder des gesamten zu untersuchenden Körpers benutzt wird, dann mindestens eine Röntgenstrahlungsquelle zur Erzeugung eines Beugungsmusters auf den zu untersuchenden Körper gerichtet wird und schließlich das entstehende Beugungsmuster mittels einer Detektionseinheit erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass während der Untersuchung die Strahlungsquellen relativ zu dem zu untersuchenden Material gleichzeitig, in unveränderlichem Abstand zueinander und parallel zueinander bewegt werden, wobei der Abstand der Strahlungsquellen untereinander vor der Untersuchung festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass während der Untersuchung die Strahlungsquellen in konstantem Abstand zur Körperoberfläche entlang der Körperoberfläche bewegt werden.
Verwendung der Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nach einem oder mehrerer der Ansprüche 7 bis 9 zur berührungslosen und zerstörungsfreien Material- und Werkstoffprüfung angewendet wird.
Verwendung zur berührungslosen und zerstörungsfreien Material- und Werkstoffprüfung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Verfahren nach einem oder mehrerer der Ansprüche 7 bis 9 Materialinhomogenitäten sowohl an der Oberfläche des zu untersuchenden Körpers als auch in der Tiefe des zu untersuchenden Körpers aufgespürt werden können.