DE3423958C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung
von Rissen, Sprüngen, Blasen, Diskontinuitäten o. dgl. in einem
nicht-vormagnetisierten Target-Material, insbesondere unter magneto-optischer
Sichtbarmachung der Fehlstellen, und eine Anordnung zur
Durchführung des Verfahrens.
In vielen wissenschaftlichen, ingenieur- und herstellungstechnischen
Anwendungsgebieten müssen oberflächennahe Brüche,
Risse, Blasen, Diskontinuitäten und Sprünge in unmagnetischen
Eisen- oder nicht-Eisenmaterialien festgestellt
werden, um die Strukturfestigkeit des Materials gewährleisten
zu können. So ist beispielsweise der einwandfreie Zustand
des Materials bei Bauteilen, u. a. bei vielen Luft-
und Raumfahrzeugen, für deren angemessenen Betrieb
kritisch. Dies gilt insbesondere für hochbelastete Komponenten,
wie Turbinen- und Ventilatorflügel, Raketenantriebssysteme,
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 in 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 Zone 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. Magnetteilchenmethoden eignen
sich am besten für den Einsatz mit niedrigen Frequenzen und
Eisenlegierungen. Die erforderlichen großen Mengen von Magnetteilchen
machen die Magnetpulvermethoden unwirksam,
wenn hohe Frequenzen verwendet werden.
Die Erfindung räumt die Nachteile herkömmlicherr Fehlstellenanzeigemethoden
aus. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und eine Anordnung zur direkten optischen Erkennung
von Oberflächen- oder oberflächennahen Rissen, Sprüngen
usw. in nichtmagnetischen 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.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zur
Bestimmung von Rissen, Sprüngen, Blasen, Diskontinuitäten
o. dgl. einem nicht vormagnetisierten Target-Material, ein magnetisches Material
mit einer Vielzahl von magnetischen Domänen, das wenigstens
eine magnetische epitaktische Schicht aufweist, die sich
auf einer Oberfläche eines nicht-magnetischen Substrats befindet,
nahe des nicht vormagnetisierten Target-Materials angeordnet wird, daß ein
Magnet-Wechselfeld 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
nahe eines Sprungs, einer Blase, einer Diskontinuität
o. dgl. im Target-Material 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
bestimmbar ist.
Dabei werden Risse, Sprünge, Bläschen und andere Diskontinuitäten
durch Sichtbarmachung der den verschiedenen Fehlstellen
in einem Target-Material zugeordneten statischen
und/oder dynamischen umgebenden oder im Material induzierten
Magnetfelder bestimmt.
Bei einer Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens
zur Lösung der Aufgabe ist vorgesehen:
Ein magnetisches Material mit einer Vielzahl magnetischer
Domänen, das in der Nähe des Target-Materials angeordnet
ist, wobei das magnetische Material wenigstens eine magnetische
epitaktische Schicht umfaßt, die auf einer Oberfläche
eines nicht-magnetischen Substrats angeordnet ist,
eine Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen und Anlegen
eines Magnet-Wechselfeldes an das Target-Material und
an das magnetische Material,
eine Lichtquelle, die polarisiertes Licht erzeugt und auf
das magnetische Material richtet,
eine Analysatoreinrichtung zur Beobachtung der Rotation der
Polarisationsebene des polarisierten Lichts nach dessen
Projektion auf und durch das magnetische Material, wobei
die Polarisationsebene als Folge der durch Magnetfeldstörungen
in Zonen des magnetischen Materials nahe eines
Sprungs, einer Blase, einer Diskontinuität o. dgl. im Target-
Material 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 bestimmbar
ist.
Zwar ist aus der GB-PS 15 10 658 eine Vorrichtung zur Untersuchung
und Überprüfung dünner magnetischer Schichten
auf magnetische Defekte bekannt, bei der ein Magnetband auf
das zu untersuchende Material aufgelegt wird, auf welches
ein streifenförmiges magnetisches Muster aufgezeichnet ist.
Durch Defekte in der zu untersuchenden dünnen Magnetschicht
wird das auf das aufliegende Band aufgezeichnete statische
Magnetfeldmuster verzerrt und diese Verzerrungen werden mit
magneto-optischen Mitteln unter Nutzung des Faraday-Effekts
sichtbar gemacht.
Unmagnetische Targets können auf diese Weise, mangels einer
geeigneten Magnetfelderzeugungseinrichtung für das zu untersuchende
Target, jedoch nicht geprüft werden.
Gleiches gilt für die US-PS 38 93 023, aus der eine Vorrichtung
zum direkten Sichtbarmachen lokaler externer Magnetfelder
bekannt ist, die auch zur Untersuchung magnetischer
Materialien verwendet werden kann. Die US-PS 38 93 023
verwendet eine mehrschichtig aufgebaute Vorrichtung,
innerhalb derer mit statischen Feldern eine periodische
Struktur magnetischer Domänen aufgebaut ist. Die Domänenstruktur
der oberen Schicht, die durch das statische Feld
in der darunterliegenden Schicht aufrechterhalten wird,
kann vorübergehend durch externe Felder oder externe magnetische
Materialien gestört werden. Diese Störung wird mit
magneto-optischen Mitteln sichtbar gemacht und dient der
Anzeige des zu untersuchenden externen Feldes. Die Vorrichtung
ist beispielsweise vorgesehen zur Prüfung von Magnetköpfen,
Ton- und Videobändern oder zur Aufzeichnung des
Feldes eines Permanentmagneten. Zur Untersuchung und Prüfung
nicht-magnetischer Materialien ist auch diese Einrichtung
nicht geeignet.
Bei der Erfindung wird eine magnetische epitaktische Granatschicht
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 epitaktische Schicht geschickt
und bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
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 polarisiertes
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 und eine zugehörige Anordnung zur Durchführung des
Verfahrens. 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
Ausführungsbeispiel 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 Niederschlagsmethoden
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 erforderlich
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
Lichtstrahlbündel 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 33 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:
RαRf ·
hierin bedeuten Rf die spezifische Faraday-Drehung der
Schicht 20, 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-Produkts · bestimmt
die Drehrichtung. Zu beachten ist, daß im Falle eines Festkörpers
die Faraday-Drehung nicht von dem Vorzeichen des Wellenvektors
, sondern nur von dem Winkel zwischen und 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
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 µm. 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 repräsentativer Strahl des einfallenden
Lichts 33 ist, weist einen Wellenvektor + 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 R 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 2R mit Bezug auf
die Y-Achse oder die ursprüngliche Polarisationsrichtung gedreht
ist.
Im folgenden wird auf die Fig. 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 + auf - 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
₁ = - laufenden Lichts wird um einen Winkel
Rα₁ · ₁ < O
gedreht, jedoch wird die Polarisationsebene des durch die
benachbarte Zone mit Magnetisierung fallenden Lichts
um einen Winkel
R₂α₁ · ₂ < O (|R₁|≃|R₂|≅R)
gedreht. Daher ist der Gesamtwinkel zwischen den Polarisationsebenen
der beiden Lichtwellen anfänglich 0, während er nach
dem Durchlauf durch die beiden benachbarten Zonen mit entgegengesetzter
Magnetisierung die folgende Größe hat:
2R≅|R₁|+|R₂|
Wie in Fig. 3 gezeigt, besteht die Wirkung der Reflexionsfläche
22 in der Verdopplung des Rotationswinkels der Polarisation,
wodurch sich ein Winkel von 4 R zwischen den Polarisationsebenen
der beiden Lichtwellen nach Durchlauf durch die
epitaktische Schicht 20 ergibt. Das Licht 42, das zum Betrachter
43 zurückgeworfen wird, durchläuft einen 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 R auseinanderliegen, wenn
die beiden epitaktischen Schichten 20 und 21 verwendet werden.
Daher sind zwei benachbarte Zonen mit umgekehrter Magnetisierung
₁ und ₂ in jeder der beiden epitaktischen 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 Analysators 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 85 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 28 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 + zu - umschalten können. In solch einem Fall ist das
Muster von hell und dunkel durch den polarisierenden Analysator
44 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 33 in
Fig. 2a synchron zu den angelegten Magnetfeldern zu zerhacken.
Für höherfrequente Anwendungen könnte das einfallende Licht 33
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
44 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.
Beschrieben 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 verwendet ist, so z. B. bei der Feststellung von Tumoren
oder anderen Diskontinuitäten in biologischen Geweben oder
Zellen.
Claims (10)
1. Verfahren zur Bestimmung von Rissen, Sprüngen, Blasen,
Diskontinuitäten o. dgl. in einem nicht vormagnetisierten Target-Material,
wobei
- ein magnetisches Material mit einer Vielzahl von magnetischen Domänen, das wenigstens eine magnetische epitaktische Schicht aufweist, die sich auf einer Oberfläche eines nicht-magnetischen Substrats befindet, nahe des nicht vormagnetisierten Target-Materials angeordnet wird,
- ein Magnet-Wechselfeld an das Target-Material und das magnetische Material angelegt wird,
- polarisiertes Licht auf und durch das magnetische Material projiziert wird und 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. im Target- Material durch Beobachtung von Magnetfeldstörungen im in der Nähe angeordneten magnetischen Material (20, 21) bestimmbar ist.
- ein magnetisches Material mit einer Vielzahl von magnetischen Domänen, das wenigstens eine magnetische epitaktische Schicht aufweist, die sich auf einer Oberfläche eines nicht-magnetischen Substrats befindet, nahe des nicht vormagnetisierten Target-Materials angeordnet wird,
- ein Magnet-Wechselfeld an das Target-Material und das magnetische Material angelegt wird,
- polarisiertes Licht auf und durch das magnetische Material projiziert wird und 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. im Target- Material durch Beobachtung von Magnetfeldstörungen im in der Nähe angeordneten magnetischen Material (20, 21) bestimmbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
als magnetisches Material eine magnetische Eisen-Granat-
Epitaxi-Schicht verwendet wird, die auf einem nicht-magnetischen
Substrat niedergeschlagen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, 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.
4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis 3,
enthaltend:
ein magnetisches Material (20, 21) mit einer Vielzahl magnetischer Domänen, das in der Nähe des Target-Materials angeordnet ist, wobei das magnetische Material (20, 21) mindestens eine magnetische epitaktische Schicht umfaßt, die auf einer Oberfläche eines nicht-magnetischen Substrats (10) angeordnet ist,
eine Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung (24) zum Erzeugen und Anlegen eines Magnet-Wechselfeldes 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 (44) 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.
ein magnetisches Material (20, 21) mit einer Vielzahl magnetischer Domänen, das in der Nähe des Target-Materials angeordnet ist, wobei das magnetische Material (20, 21) mindestens eine magnetische epitaktische Schicht umfaßt, die auf einer Oberfläche eines nicht-magnetischen Substrats (10) angeordnet ist,
eine Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung (24) zum Erzeugen und Anlegen eines Magnet-Wechselfeldes 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 (44) 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.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die magnetische epitaktische Schicht (20) eine magnetische
epitaktische Granatschicht ist.
6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, 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.
7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,
daß auf der epitaktischen Schicht (20) ein reflektierender
Überzug (22) derart angeordnet ist, daß einfallendes
polarisiertes Licht (33) durch das Substrat (10) zurückreflektiert
wird und aus letzterem austritt.
8. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, 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.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß das einfallende polarisierte Licht (33)
synchron mit dem Magnetfeld moduliert ist, so daß der
Ausgang des Analysators (44) im wesentlichen konstant
bleibt.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß eine zweite epitaktische Magneteisen-Granatschicht
(21) auf einer zweiten Oberfläche des nicht-magnetischen
Substrats (10) angeordnet ist.
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