DE3423958A1 - Anordnung und verfahren zur bestimmung von rissen, blasen oder sonstigen fehlstellen in einem target-material - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE ZENZ & HELBER ■ D 4300 F.SSEM 1 ■ »Μ RUHRSTEIN 1 · TEL.: (0201) 412687

F 110

Gerald L. Fitzpatrick 19226 S. E. 46th Place Issaquah, Washington 98027, V.St.A.

Anordnung und Verfahren zur Bestimmung von Rissen, Blasen oder sonstigen Fehlstellen in einem Target-Material

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestimmung von Rissen, Blasen oder sonstigen Fehlstellen in einem Target-Material, insbesondere unter Verwendung magneto-optischer Visualisierung.

In vielen wissenschaftlichen, ingenieursmäßigen und herstellungsmäßigen Anwendungen müssen oberflächennahe Brüche, Risse, Blasen, Diskontinuitäten und Sprünge in Eisen- oder nicht-Eisenmaterialien festgestellt werden, um das strukturelle Widerstandsvermögen des Materials gewährleisten zu können. So ist beispielsweise der Materialzusammenhalt von Komponenten, insbesondere bei vielen Luft- und Raumfahrzeugen für deren angemessenen Betrieb kritisch, insbesondere bei hochbelasteten Komponenten, wie Turbinen- und Ventilatorflügeln, Raketenantriebssystemen, Flugkörperzellen usw..

Es wurden verschiedene Methoden entwickelt und zur Bestimmung von Rissen, Sprüngen o. dgl. in Materialien benutzt. So wurden beispielsweise Magnetteilchenmethoden eingesetzt, die statische oder "Nieder"-Frequenz- (unterhalb von 100 Hz) Magnetfelder verwenden, deren Feldkomponenten parallel zur Oberfläche von Eisenlegierungen verlaufen, wobei den Eisenlegierungen

Ströme parallel zu deren Oberflächen induziert werden. Die oberflächenparallelen Ströme können ihrerseits entweder direkt durch Kontaktelektroden oder indirekt unter Verwendung von das Targetmaterial umgebenden Spulen und niederfrequenter Anregung induziert werden. Zu den Oberflächen des Target-Materials parallel verlaufende Magnetfelder werden von Rissen oder oberflächennahen Sprüngen verzerrt, und diese Verzerrungen können unter Verwendung eines auf dem Material niedergeschlagenen Magnetpulvers bestimmt werden. Es wurden verschiedene Arten von Magnetpulvern zur Sichtbarmachung von Oberflächenrissen entwickelt. Jedes Magnetteilchen dieser Pulver besteht typischerweise aus einer einzigen magnetischen Domäne (d. h. einer Zonen von im wesentlichen einheitlicher Magnetisierung). Wenn das Magnetpulver trocken oder in einer nassen Aufschlämmung auf ein einen Riß oder Sprung enthaltendes Target-Material aufgebracht wird, suchen sich die magnetischen Teilchen zu vereinigen und bilden eine Brücke in Zonen von Feld-Ungleichmäßigkeiten, die dem Sprung oder Riß zugeordnet sind. Durch Mischung verschiedener Pigmente, fluoreszierender Farbstoffe o. dgl. mit dem Magnetpulver werden die Risse oder Sprünge sichtbar gemacht.

Die an sich weit verbreitete Magnetpulvermethode ist eine schmutzige und zeitraubende Methode, die die Induktion hoher Oberflächenströme in das Material und aufmerksame Beobachtung erforderlich macht. Magnetteilchemethoden eignen sich am besten für den Einsatz mit niedrigen Frequenzen und Eisenlegierrungen. Die erforderlichen großen Mengen von Magnetteilchen machen die Magnetpulvermethoden unwirksam, wenn hohe Frequenzen verwendet werden.

Eine andere Methode zur Bestimmung von Sprüngen oder Rissen in Materialien ist die ^IIWirbel"-Strommethode. Bei Wirbelstrommethoden wird typischerweise ein zeitveränderliches elektromag-

netisches Feld verwendet, das an das zu untersuchende Target-Material angelegt wird. Kontaktlose Spulen können dann zur Anregung der Wirbelströme im Target-Material derart verwendet werden, daß diese Ströme um Sprünge herumfließen und zu Feldverzerrungen führen, welche die Bestimmung des Sprungs auf verschiedenen bekannten Wegen ermöglichen. Zum Beispiel können Schaltungsparameter, welche die Wechselwirkung zwischen der Erregerspule und dem auf diese ansprechenden Material charakterisieren, die Parameter der Kapazität, Induktivität oder Reaktanz sein. Wirbelstrommethoden erfordern jedoch einen beträchtlichen Aufwand an Hilfsanlagen, und die meisten Methoden ergeben kein Rißbild, sondern erzeugen Daten, aus denen die Riß- oder Sprunginformation erst nach Beendigung einer geeigneten Analyse gewonnen werden kann.

Die Erfindung räumt diese Nachteile herkömmlicher Fehlstellenanzeigemethoden aus. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren zur direkten optischen Erkennung von Oberflächen- oder oberflächennahen Rissen, Sprüngen usw. in Eisen- und Nichteisen-Materialien anzugeben. Dabei sollen sowohl die verschiedenen Risse oder anderen Fehlstellen in einem Target-Material zugeordneten statischen als auch dynamischen Magnetfelder direkt sichtbar gemacht werden können. Die Erfindung ist kompatibel mit den Erfordernissen der Wirbelstrommethoden, ermöglicht jedoch die direkte Erzeugung von Bildern von Rissen bzw. Sprüngen ohne zusätzliche Hilfseinrichtung und aufwendiger Datenanalyse, wie sie bei den meisten herkömmlichen Wirbelstromsystemen erforderlich sind.

Erfindungsgemäß werden Risse, Sprünge, Bläschen und andere Diskontinuitäten in einem Material durch Sichtbarmachung der den verschiedenen Fehlstellen in einem Target-Material zugeordneten statischen und/oder dynamischen Magnetfelder, letztere entweder in der Umgebung oder induziert, bestimmt.

Eine magnetische epitaktische Granatschicht wird auf einem nicht-magnetischen Substrat niedergeschlagen. Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein reflektierender Überzug oder reflektierendes Material nahe der epitaktischen Schicht vorgesehen, und das Substrat mit den zugehörigen Schichten wird dem Target-Material aufgesetzt. Danach wird ein Magnetfeld an das Target-Material und das Substrat angelegt. Polarisiertes Licht wird auf und durch das Substrat und die zugehörige epitaktisehe Schicht geschickt und von dem reflektierenden Überzug derart reflektiert, daß das polarisierte Licht wiederum die epitaktische Schicht durchläuft und zurück auf das Substrat fällt. Die in der epitaktischen Schicht existierende Magnetisierung tritt mit den nahegelegenen Magnetfeldern in Wechselwirkung, die oberflächennahen Rissen bzw. Sprüngen im' Target-Material zugeordnet sind, wodurch die Domänenstruktur der epitaktischen Schicht geändert wird. Die geänderte Domänenstruktur induziert eine Rotation der Polarisationsebene des einfallenden Lichts. Bei Betrachtung durch ein polarisierendes Material macht die Rotation des reflektierten Lichts die den Sprüngen oder Rissen zugeordneten Magnetfeldänderungen direkt sichtbar. Auf diese Weise sind Oberflächen- und oberflächennahe Sprünge oder Risse optisch erkennbar. Bei einem alternativen Beispiel wird von einer Transmissionsgeometrie Gebrauch gemacht.

Im folgenden werden Beispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine epitaktische Granatschicht und einen reflektierenden Überzug auf einem nicht-magnetischen Substrat;

Fig. 2a ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter

Verwendung einer Reflexionsgeometrie zur optischen Bestimmung von Sprüngen in einem Testmaterial ;

Fig. 2b ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung einer Transmissionsgeometrie zur optischen Bestimmung von Rissen oder Sprüngen in einem Testmaterial;

Fig. 3 den Faraday-Effekt einer magneto-optisch aktiven Granatschicht auf der Polarisationsebene einer einfallenden Lichtwelle;

Fig. 4a von Strömen induzierte Magnetfelder, welche

effektiv einen Sprung oder eine Fehlstelle in einem Testmaterial "überspringen";

Fig. 4b die Domänenstruktur der epitaktischen Schicht im Beisein eines Magnetfeldes; und

Fig. 4c ein Bild, das magneto-optisch von einem Sprung

innerhalb eines Testmaterials bei Verwendung des . erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt wird.

Beschrieben wird ein Verfahren zur magneto-optischen Sichtbarmachung von Sprüngen, Einschlüssen, Blasen, Diskontinuitäten usw. (im folgenden insgesamt als "Sprünge" bezeichnet) in Eisen- und Nicht-Eisen-Materialien. In der folgenden Beschreibung werden zu Erläuterungszwecken zahlreiche Einzelheiten z. B. besondere Granatmaterialien, Substrate, optische Konfigurationen, Magnetfelder, Ströme, Frequenzen usw. angegeben, um die Erfindung besser verständlich zu·, machen. Es ist klar, daß die Erfindung auch ohne diese speziellen Einzelheiten verwirklicht werden kann. In anderen Fällen sind bekannte optische

Komponenten, Strukturen und elektrische Behandlungsmittel nicht beschrieben, um die Erfindung nicht mit unnötigen Einzelheiten zu belasten.

Im folgenden wird auf Fig. 1 Bezug genommen, in der ein bevorzugtes Äusführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung eines nicht-magnetischen Granatsubstrats 10 gezeigt ist, auf welchem eine epitaktische magnetische Granatschicht 20 und optionell eine Schicht 21 angeordnet sind. Gemäß Fig. 1 ist eine reflektierende Oberfläche 22 mit bekannten Niederschlags-.methoden oder Materialien auf die epitaktische Schicht 20 derart aufgebracht, daß das Substrat 10 und die Schichten 20 und 21 durchdringendes Licht durch die Schicht 20, das Substrat 10 und die Schicht 21 zurückgeworfen wird und Sprünge dabei in einer nachfolgend noch genauer erläuterten Weise abgebildet werden. Zu beachten ist, daß die reflektierende Oberfläche 22 einen Frontflächenspiegel oder einen "Scotchlite"-Typ-Überzug sowie andere reflektierende Überzüge aufweisen kann, die in geeigneter Weise niedergeschlagen sind. Wie in ■ Fig, 1 gezeigt ist, ist eine elektrische Spule 24 um das Substrat 10 nebst zugehörigen Schichten herumgelegt. An der Spule 24 liegt eine elektrische Spannung, mit deren Hilfe ein Strom I in der Spule induziert wird, der wiederum ein Magnetfeld sowohl durch das Substrat 10 als auch die magnetischen Schichten 20 und 21 und durch ein nach Sprüngen oder anderen Diskontinuitäten zu untersuchendes Target-Material erzeugt. In der vorliegenden Beschreibung bedeutet der Begriff "epitaktische Schicht" oder "epitaktische Granatschicht" irgendeinen von zahlreichen geeigneten magnetooptisch aktiven Schichttypen mit magneto-optischer Aktivität, wie sie für die Zwecke der vorliegenden Erfindung bei jeder besonderen Anwendung erforderderlich ist.

In Fig. 2a ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt,

bei dem eine Reflexionsgeometrie Verwendung findet. Ein Target-Material 25 ist vorgesehen, das einen innerhalb der Struktur des Materials 25 liegenden unbekannten Sprung 28 enthalten kann. Das Substrat 10 mit den ihm zugeordneten magnetischen epitaktischen Schichten 20 und 21 liegt über einem zu untersuchenden Abschnitt des Target-Materials 25. Ein Magnetfeld wird an das Testmaterial 25 und das Substrat 10 mit den zugehörigen Schichten 20, 21 und 22 dadurch angelegt, daß ein Strom durch die Spule 24 geschickt wird oder - alternativ - durch Anlegen von Elektroden an das Material. Zur Erzeugung einfallender Lichtstrahlenbündel 32 ist eine Lichtquelle 30 vorgesehen, welche beispielsweise als Glühlampe, bei einer Wellenlänge emittierender Laser, Leuchtstofflampe o. dgl. ausgebildet sein kann. Ein Diffusor 36 dient zur Diffusion der von der Lichtquelle 30 erzeugten Lichtstrahlen 32. Auch ein Polarisator 38 ist benachbart zu und in optischer Ausrichtung mit dem Diffusor 36 so angeordnet, daß von der Lichtquelle 30 erzeugtes Licht nach dem Durchtritt durch den Diffusor 36 linear polarisiert wird. Wie in Fig. 2a gezeigt ist, wird polarisiertes Licht 3 3 auf das mit den zugehörigen Schichten über dem Target-Material 25 angeordnete Substrat 10 geworfen, und wie weiter unten noch genauer erläutert werden wird, werden Sprünge 28 durch Beobachtung der an der reflektierenden Fläche 22 reflektierten und einen zweiten Polarisator 44 durchlaufenden Strahlung 42 direkt sichtbar gemacht. Wie gezeigt ist, werden unerwünschte Oberflächenreflexionen 45 derart von der Schicht 21 wegreflektiert, daß sie den zweiten Polarisator 44 nicht erreichen.

Wenn das polarisierte Licht 33 auf die magnetische epitaktische Granatschicht 20 fällt, wird die Polarisationsebene des einfallenden Lichts um einen Winkel gedreht, der durch die folgende Beziehung beschrieben werden kann:

θ ο< θ^. ν. · M

hierin bedeuten Qr die spezifische Faraday-Drehung der Schicht 20, K den Wellenvektor des einfallenden Lichts und die örtliche Magnetisierung der epitaktischen Schicht 20 an demjenigen Punkt, an dem das einfallende Licht die Schicht durchdringt. Das Vorzeichen des Scalar-ProduktsΚ· Η bestimmt die Drehrichtung. Zu beachten ist, daß im Falle eines Festkörpers die Faraday-Drehung nicht von dem Vorzeichen des Wellenvektors K , sondern nur von dem Winkel zwischen K und M abhängig ist. Daher wird der Rotationseffekt durch die Reflexionsfläche 22 zwischen der Oberseite des Target-Materials 25 und der magnetischen epitaktischen Granatschicht 20 verdoppelt. Die Reflexionsfläche 22 gewährleistet, daß das einfallende Licht 33 durch die epitaktische Schicht 20 zurückgeworfen und dadurch die effektive Rotation der Polarisationsebene verdoppelt wird. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine an sich nicht erforderliche zweite epitaktische Schicht über dem Substrat 10 angeordnet. Diese zweite epitaktische Schicht 21 ist von der unteren Schicht 20 um die Dicke des Substrats 10, im beschriebenen Beispiel um etwa 0,51 mm beabstandet. Es hat sich gezeigt, daß sie die Empfindlichkeit der beschriebenen Anordnung erhöht und den Kontrast verbessert. Der Einfachheit halber wird bei der Beschreibung der Arbeitsweise der Erfindung angenommen, daß die Schicht 21 nicht vorhanden ist.

Der Unterschied in der Drehung der Polarisationsebene des einfallenden linear polarisierten Lichts 33 und des reflektierten Lichts 42, das die epitaktische Schicht 20 durchläuft, ermöglicht die direkte Sichtbarmachung von Sprüngen im Material 25. Es wurde außerdem gefunden, daß die Erfindung die Sichtbarmachung des existierenden Zustandes der Magnetisierung in Materialien 25 aufgrund früherer magnetischer Vorgänge oder

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gegenwärtiger Bedingungen, z. B. elektromagnetischer Felder, Belastungsfelder oder Temperaturgradienten ermöglicht. Gewöhnlich sind ohne ein angelegtes magnetisches Feld magnetische Domänen (Zonen gleichmäßiger Magnetisierung in der epitaktischen Schicht 20) relativ klein. In vielen epitaktischen magnetischen Granatschichten, insbesondere den bei magnetischen Bubblespeichern o. dgl. verwendeten, haben die Domänen typischerweise einen Durchmesser von einigen um. Bei anderen epitaktischen Schichten können angelegte Felder (von beispielsweise 100 Gauss oder weniger) die magnetischen Domänen dazu veranlassen, sich zu großen Domänen von einigen Zentimetern Durchmesser in epitaktischen Schichten mit nur wenig größeren Abmessungen zu vereinigen.

Im folgenden wird auf Fig. 3 Bezug genommen. Dort ist die Wirkung einer magnetischen epitaktischen Granatschicht 20 auf die Polarisationsebene von einfallendem Licht 33 dargestellt. Eine Lichtwelle 50, die ein representativer Strahl des einfallenden Lichts 33 ist, weist einen Wellenvektor+ K entlang der negativen Z-Achse auf, die linear polarisiert entlang der Y-Achse ist. Die Lichtwelle 50 durchläuft die epitaktische Schicht und läuft zur Oberfläche 22, wobei ihre Polarisation im Gegenuhrzeigersinn um einen Winkel ö gedreht wird. Wenn die Lichtwelle 50 auf die Reflexionsfläche 22 trifft, wird der Wellenvektor umgekehrt, und die Lichtwelle 50 durchläuft wieder die epitaktische Schicht 20. Dadurch tritt eine doppelte Faraday-Drehung der Polarisation der Welle 50 auf, so daß die Polarisationsebene der Lichtwelle 50 jetzt 2 0 mit Bezug auf die Y-Achse oder die ursprüngliche Polarisationsrichtung gedreht ist.

Im folgenden wird auf die Figuren 4a bis 4c Bezug genommen. Aus diesen ist zu erkennen, daß die einem Sprung zugeordneten Magnetfelder in der Lage sind, die Richtung der existierenden

Magnetisierung an einem Punkt in der epitaktischen Schicht 20 von+ M auf - M umzuschalten. Wie in Fig. 4a gezeigt ist, hat ein kleiner Sprung 28 eine zugehörige Magnetfeld-("B-Feld")-Verzerrung, die die Magnetisierung der epitaktischen Schicht 20 in Zonen parallel zum Sprung (vgl. Fig. 4b) umschalten. Die Polarisationsebene des durch die Zone mit der Magnetisierung H^ - ~M laufenden Lichts wird um einen Winkel

gedreht, jedoch wird die Polarisationsebene des durch die benachbarte Zone mit Magnetisierung fallenden Lichts

um einen Winkel Bz ⁰^ K₄ · N₂^O ( \Θ_Λ I ^ \Θ₂\^ θ) gedreht. Daher ist der Gesamtwinkel zwischen den Polafisationsebenen der beiden Lichtwellen anfänglich 0, während er nach dem Durchlauf durch die beiden benachbarten Zonen mit entgegengesetzter Magnetisierung die folgende Größe hat:

IB^ Ie₁I t ιθ₂ι

Wie in Fig. 3 gezeigt, besteht die Wirkung der Reflexionsfläche 22 in der Verdopplung des Rotationswinkels der Polarisation, wodurch sich ein Winkel von 4 θ zwischen den Polarisationsebenen der beiden Lichtwellen nach Durchlauf durch die epitaktische Schicht 20 ergibt. Das Licht 42, das zum Betrachter 43 zurückgeworfen wird, durchläuft eine zweiten Polarisator 44 (bezeichnet als "Analysator"), und der Sprung oder ein anderer Defekt unter der Oberfläche wird dadurch erkennbar. In der Praxis geschieht dies durch Einstellung des Analysators 44 derart, daß eine der beiden Lichtwellen gesperrt und die andere durchgelassen wird, wobei die Polarisationsebenen dieser Lichtwellen um einen Winkel von 4 ~@ auseinanderliegen, wenn die beiden epitaktischen Schichten 20 und 2 1 verwendet werden. Daher sind zwei benachbarte Zonen mit umgekehrter Magnetisierung. Mi und M₃₁ in jeder der beiden epitaktisehen Schichten 20 und 21 als dunkel (hell) oder hell (dunkel) sichtbar, je

nach der Einstellung des Analysators 44. Mit anderen Worten, die Zone der "umgekehrten" Magnetisierung neben der Grenzfläche des Sprungs wird in der in Fig. 4c dargestellten Weise sichtbar gemacht.

Die Erfindung zeigt also Störungen des Zustandes existierender Magnetisierungen in einer besonderen Zone der epitaktischen Schicht 20 dadurch an, daß entweder die Größe und Richtung der existierenden Magnetisierung geändert oder die Magnetisierung in der über dem Sprung im Material 25 gelegenen Zone der Schicht 20 insgesamt umgekehrt (umgeschaltet) wird. Diese Störungen werden dann durch das zurückkehrende polarisierte Licht 42 unter Verwendung des polarisierenden Analsysators 44 sichtbar "abgebildet". Der Zusatz der optionellen Schicht 21

ändert die Arbeitsweise der Erfindung nicht, sondern verdoppelt nur die Drehung der Polarisationsebene des einfallenden Lichts 33.

In Fig. 2b ist ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem eine Transmissionsgeometrie Verwendung findet. Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2a ist ein nicht-magnetisches Substrat 10 vorgesehen, auf dem magnetische epitaktische Granatschichten 20 und 21 angeordnet sind. Ein linearer Polarisator 80 ist in Sandwich-Anordnung zwischen die epitaktische Schicht 20 und einer diffuses Licht emittierenden Lichtquelle 85 eingebaut. Das Substrat 10, die epitaktischen Magnetschichten 20 und 21, der Polarisator 80 und die Lichtquelle 8 5 sind von der Spule 24 umgeben und bilden eine Anordnung, die mit dem zu untersuchenden Material 25, in welchem ein Sprung 28 vorhanden ist, in Kontakt gebracht wird. Die Lichtquelle 85 erzeugt Licht, das aufwärts durch die polarisierende Schicht 80, die Schicht 20, das Substrat 10 und durch die epitaktische Schicht 21 läuft. Durch Betrachtung des durch die epitaktischen Schichten 20 und 21 fallenden Lichts

durch den Polarisator 44 können Magnetfeldumkehrungen oder andere Magnetfeldstörungen aufgrund des Sprungs 2 8 in der epitaktischen Schicht 20 direkt sichtbar gemacht werden. Daher ist die Theorie der Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2b im wesentlichen dieselbe wie diejenige des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2a. Daher werden wie im Falle der Fig. 2a Sprünge aufgrund der Drehung der Polarisationsebene von einfallendem Licht, das die Schicht 20 und die optionelle Schicht 21 durchläuft, sichtbar gemacht.

In der vorausgegangenen Beschreibung der Erfindung wurde angenommen, daß die Frequenzen im wesentlichen 0 sind. Es ist für den Fachmann klar, daß bei Umkehr der Magnetfelder aufgrund von Stromumkehrungen o. dgl. (d. h. Wechselstromsignalen) diese Felder die Magnetisierung der epitaktischen Schicht 20 von + M zu-M umschalten können. In solch einem Fall ist das Muster von hell und dunkel durch den polarisierenden Analysator 4 4 synchron mit diesen Stromumkehrungen. Wenn ein Wechselfeld wie im Falle von Wirbelstrommethoden bekannter Art angelegt wird, kann das durch den Analysator 44 sichtbar gemachte Bild auf einen Mittelwert, also einen einheitlichen Wert kommen und dadurch das Bild des Sprungs "auswaschen". Es gibt eine Anzahl von Methoden, um das Bild des Sprungs im Falle von Stromumkehrungen zu erhalten. Eine Lösung besteht darin, die Beleuchtung der epitaktischen Schicht 20 bei derselben Frequenz und mit einer festen Phasenbeziehung zu den Stromumkehrungen amplitudenzumodulieren. In ähnlicher Weise ist es möglich, eine Amplitudenmodulation der in das Untersuchungsmaterial 25 induzierten Ströme zu verwenden. Bei sehr niedrigen Frequenzen ist es möglich, die einfallende Lichtquelle 3 3. in Fig. 2a synchron zu den angelegten Magnetfeldern zu zerhacken. Für höherfrequente Anwendungen könnte das einfallende Licht mit Hilfe verschiedener Geräte amplitudenmoduliert werden.

Durch Amplitudenmodulation des einfallenden Lichts 33 auf diese oder eine andere Weise wären dunkle Bereiche einer Fläche stets von einem Detektor oder dem Auge durch den Analysator 4 4 als dunkel und helle Zonen des Objekts stets auch als hell sichtbar. Daher könnte der Sprung 28 selbst dann direkt sichtbar werden, wenn sich die Felder zeitlich ändern (d. h. im Falle einer Wirbelstromerregung). Durch Einstellen der Frequenz des elektromagnetischen Feldes, das die Wirbelströme erregt, kann man die Hauttiefe (die Eindringtiefe der anregenden Welle) steuern und dadurch eine Information bezüglich der Tiefe der erfindungsgemäß festgestellten Sprünge erhalten.

Gepulste Gleichströme oder amplitudenmodulierte elektromagnetische Felder, welche im wesentlichen gepulste Gleichströme im Testmaterial 25 erregen, können bei der Erfindung ebenfalls Verwendung finden, wenn sich die Felder zeitlich ändern. Wenn daher ein Objekt durch den Analysator 44 betrachtet wird, suchen die Magnetisierungsrichtungen in der epitaktischen Schicht unter Bedingungen konstanter Lichtintensität ihre Richtung aufrechtzuerhalten, so daß das Bild von Sprüngen im Material 25 sichtbar und nicht wie im Falle von zeitlich sich ändernden Strömen und Feldern verschwommen wird.

Beschriebenen wurden vorstehend ein Verfahren und eine Anordnung zur direkten Sichtbarmachung von Oberflächen- oder oberflächennahen Rissen, Sprüngen usw. in untersuchten Materialien. Die Erfindung stellt einfache und ökonomische Mittel zur Bestimmung von Sprüngen zur Verfügung. Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind verschiedene Abwandlungen und Änderungen möglich. So ist beispielsweise klar, daß;die Erfindung über die Feststellung von Sprüngen in anorganischen Materialien hinaus verwendbar ist, so z. B. bei der Feststellung von Tumoren oder anderen Diskontinuitäten in biologischen Geweben oder Zellen.

Claims (16)

PATENTANWÄLTE ZENZ & HELBER · D 43 ~"N 1 · , RUJdRSTEIN l.-.TEL::.iO2 Oi) 4126Θ7 F 1 10 Gerald L. Fitzpatrick Ansprüche

1. Anordnung zur Bestimmung von Rissen, Sprüngen, Blasen oder sonstigen Diskontinuitäten in einem Target-Material, gekennzeichnet durch:

ein magnetisches Material (20, 21) mit einer Vielzahl magnetischer Domänen, das in der Nähe des Target-Materials angeordnet ist,

eine Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung (24) zum Erzeugen und Anlegen eines Magnetfeldes an das Target-Material und an das magnetische Material (20, 21)

eine Lichtquelle (30, 36, 38; 85, 80) die polarisiertes Licht (33) erzeugt und auf das magnetische Material (20, 21) richtet,

eine Analysatoreinrichtung (4,4) zur Beobachtung der Rotation der Polarisationsebene des polarisierten Lichts (42; 90) nach dessen Projektion auf und durch das magnetische Material (20, 21), wobei die Polarisationsebene als Folge der durch Magnetfeldstörungen in Zonen des magnetischen Materials (20, 21) nahe eines Sprungs (28), einer Blase, einer Diskontinuität o. dgl. im Target-Material (25) bewirkten Wiederausrichtung bzw. Neuordnung der magnetischen Domänen gedreht wird, wodurch ein Sprung, eine Blase, eine Diskontinuität o. dgl. durch Beobachtung von Magnetfeldstörungen im magnetischen Material (20, 21) bestimmbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldstörungen die Verteilung der magnetischen Domänen im magnetischen Material (20, 21) ändern.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Material eine erste magnetische epitaktische Granatschicht (20) aufweist, die auf einer ersten Oberfläche eines nicht-magnetischen Substrats (10) angeordnet ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die LichterZeugungseinrichtung eine Lichtquelle (30, 36; 85) mit einem polarisierenden Material (38; 80) aufweist, das optisch zu dem magnetischen Material (20, 21) ausgerichtet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der epitaktischen Schicht (20) ein reflektierender Überzug (22) derart angeordnet ist, daß einfallendes polarisiertes Licht (33) durch das Substrat (10) zurück reflektiert wird und aus letzterem austritt.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (85) und das polarisierende Material (80) in Sandwich-Bauweise zwischen der magnetischen epitaktischen Schicht (20) und dem Target-Material (25) angeordnet sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation der Polarisationsebene des einfallenden Lichts (33) auf der magnetischen epitaktischen Schicht (20, 21) nach der folgenden Beziehung vorgesehen ist:

θ oC Of K- M

wobei bedeuten:

r = die spezifische Faraday-Drehung der magnetischen epitaktischen Schicht (20, 21),

K = der Wellenvektor des einfallenden polarisierten Lichts,

\*i = die örtliche Magnetisierung der magnetischen epitaktischen Schicht.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldstörungen Feldumkehrungen in der Nähe einer Grenzschicht eines Sprungs (28), einer Blase o. dgl. im Target-Material (25) bilden.

9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldstörungen Änderungen in der Größe und Richtung der existierenden magnetischen Domänen bilden, welche in der Nähe einer Grenzschicht eines Sprungs (28), einer Blase o. dgl. im Target-Material (25) liegen.

10. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfelderzeugungseinrichtung (24) ein wechselndes (AC) Magnetfeld erzeugt und daß das einfallende polarisierte Licht (3 3) synchron mit dem Magnetfeld moduliert ist, so daß der Ausgang des Analysators (44) im wesentlichen konstant bleibt.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite epitaktische Magneteisen-Granatschicht (21) auf einer zweiten Oberfläche des nicht-magnetischen Substrats (10) angeordnet ist.

12. Verfahren zur Bestimmung von Rissen, Sprüngen, Blasen, Diskontinuitäten o. dgl. in einem Target-Material, dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetisches Material mit einer Vielzahl von magnetischen Domänen nahe des Target-Materials angeordnet wird, daß ein Magnetfeld an das Target-Material und das magnetische Material angelegt wird, daß polarisiertes Licht

auf und durch das magnetische Material projiziert wird und daß die Drehung der Polarisationsebene des projizierten Lichts beobachtet wird, wobei die Polarisationsebene als Folge der durch Magnetfeldstörungen in Zonen des magnetischen Materials (20, 21) nahe eines Sprungs (28), einer Blase, einer Diskontinuität o. dgl. im Target-Material (25) bewirkten Wiederausrichtung bzw. Neuordnung der magnetischen Domänen gedreht wird, wodurch ein Sprung, eine Blase, eine Diskontinuität o. dgl. durch Beobachtung von Magnetfeldstörungen im magnetischen Material (20, 21) bestimmbar ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Magnetfeldstörungen die Verteilung der magnetischen Domänen im magnetischen Material geändert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß als magnetisches Material eine magnetische Eisen-Granat-Epitaxi-Schicht verwendet wird, die auf einem nicht-magnetischen Substrat niedergeschlagen wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein reflektierender Überzug auf der Epitaxi-Schicht derart angeordnet wird, daß das einfallende polarisierte Licht durch die Epitaxi-Schicht fällt, durch die Epitaxi-Schicht und das Substrat zurück reflektiert wird und aus dem Substrat nach außen tritt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung der Polarisationsebene des einfallenden Lichts auf der magnetischen Epitaxi-Schicht die folgende Beziehung erfüllt:

wobei bedeuten:

r = die spezifische Faraday-Drehung der magnetischen Epitaxi-Schicht,

I^ = der Wellenvektor des einfallenden polarisierten Lichts,

IM = die örtliche Magnetisierung der magnetischen Epitaxi-Schicht.