DE60125561T2

DE60125561T2 - Messung ferromagnetischer resonanz

Info

Publication number: DE60125561T2
Application number: DE60125561T
Authority: DE
Inventors: Peter William Haycock
Original assignee: Keele University
Current assignee: Keele University
Priority date: 2000-10-10
Filing date: 2001-10-01
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2021-10-02
Also published as: AU2001290156A1; ES2278779T3; JP2004511782A; US20040100278A1; DK1325346T3; GB0024837D0; ATE349709T1; US7034550B2; EP1325346A1; EP1325346B1; JP4087704B2; DE60125561D1; WO2002031524A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ferromagnetresonanzmessung.
Einige Elemente, insbesondere Eisen, Kobalt und Nickel, zeigen den Effekt einer spontanen Magnetisierung, der Ferromagnetismus genannt wird. In einem ferromagnetischen Material wirken die Atome praktisch als atomare Stabmagneten, die gemeinschaftlich in Wechselwirkung treten, so dass große Gruppen von Atomen innerhalb einer Struktur eine gemeinsame Ausrichtung ihres Magnetismus haben. In einer quantenmechanischen Beschreibung wird die Ausrichtung von magnetischen Momenten auf die Austauschwechselwirkung zurückgeführt, die eine magnetische Ordnung energetisch begünstigt.
Ferromagnetresonanzmessungen sind konzeptionell ähnlich wie Kernspinresonanzmessungen, welche die Grundlage von bildgebenden Magnetresonanzscannern (MRI) bilden. Eine ferromagnetische Probe wird in einem starken Magnetfeld angeordnet. Die Wirkung des starken Magnetfeldes besteht darin, die atomaren magnetischen Momente in einer einzigen Ausrichtung auszurichten und die Energieniveaus von Anregungszuständen der Atome zu verändern. Mikrowellenstrahlung mit einer vorbestimmten Frequenz wird auf die Probe gerichtet. Die Stärke des Magnetfeldes wird allmählich gesteigert, wodurch der Grad der Ausrichtung der Atome verändert wird und die Energieniveaus der Anregungszustände der Atome modifiziert werden. Wenn ein Energieniveau eines Anregungszustandes der Energie der einfallenden Mikrowellenphotonen entspricht, wird die Mikrowellenstrahlung durch das ferromagnetische Material resonant absorbiert.
Das Ausmaß der durch die Probe absorbierten Mikrowellenstrahlung wird unter Verwendung eines Mikrowellendetektors überwacht. Die Werte der Magnetfeldstärke, welche die Absorption der Mikrowellenstrahlung veranlassen, zeigen die Struktur der untersuchten Probe an.
Bei bekannten Ferromagnetresonanzmessungsverfahren wird eine Probe eines zu untersuchenden Materials innerhalb eines Hohlraumresonators angeordnet, wobei die Resonanz des Hohlraums für die Frequenz der Mikrowellenstrahlung, die auf die Probe gerichtet werden soll, ausgewählt wird. Der Hohlraumresonator verbessert den Störabstand der Ferromagnetresonanzmessung.
In jüngster Zeit ist eine modifizierte Ferromagnetresonanzmessung entwickelt worden, bei der ein eindeutiges Magnetfeld an eine Probe angelegt wird und die auf die Probe gerichtete Mikrowellenstrahlung über einen Bereich von Frequenzen gewobbelt wird (M.E. Unwin et al., A novel broadband ferromagnetic resonance spectrometer, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 205 (1999) 199–208). Die Probe wird auf eine solche Weise in einem Wellenleiter angeordnet, dass die Mikrowellenstrahlung so isoliert wird, dass sie in nur einer Richtung durch die Probe hindurchgeht. Diese Anordnung beruht auf einem Resonanzisolator, einer Mikrowellenschaltungseinrichtung, die eine Mikrowellenausbreitung in nur einer Richtung erlaubt.
Ein Nachteil bekannter Ferromagnetresonanzmessungsverfahren ist, dass sie erfordern, dass eine Probe in einem Hohlraumresonator oder in einem Wellenleiter angeordnet wird. Folglich kann eine Ferromagnetresonanzmessung einer großen Probe nicht ausgeführt werden, wenn nicht ein Teil dieser Probe entfernt und innerhalb eines Hohlraumresonators oder Wellenleiters angeordnet wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ferromagnetresonanzmessungsverfahren bereitzustellen, das den obigen Nachteil überwindet oder abmindert.
Die Erfinder haben erkannt, dass sich das Ferroresonanzsignal von nicht korrodiertem Stahl sehr von demjenigen von Rost unterscheidet und dass demzufolge die Integrität einer Struktur, die ein mit Stahlelementen verstärktes Nichteisenmaterial umfasst, unter Verwendung einer Ferromagnetresonanzmessung erfasst werden kann.
Nach der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum zerstörungsfreien Bestimmen des Korrosionsgrades von Stahlelementen einer Struktur, die ein mit den Stahlelementen verstärktes Nichteisenmaterial umfasst, wobei das Verfahren umfasst, ferromagnetische Resonanzeigenschaften der Struktur zu messen, durch Anlegen eines Magnetfeldes auf die Struktur unter Verwendung eines angrenzend an die Struktur angeordneten Magneten, Richten von Mikrowellenstrahlung zu der Struktur hin und Erfassen des Anteils der Mikrowellenstrahlung, der durch die Stahlelemente übertragen oder reflektiert wird, wobei die Messung mit der Struktur vor Ort vorgenommen wird.
Die Erfindung stellt ein schnelles und unmittelbares, zerstörungsfreies Verfahren zum Bestimmen des Korrosionsgrades von Stahlelementen, die sich innerhalb eines Nichteisenmaterials befinden, bereit.
Es ist nicht beabsichtigt, dass der Begriff Nichteisenmaterial ein Material ausschließt, das eine kleine Menge an Eisensubstanzen enthält. Stattdessen ist beabsichtigt, dass der Begriff Nichteisenmaterial bedeutet, dass die Menge an Eisensubstanzen innerhalb des Materials ausreichend gering ist, dass sie die Messung nach der Erfindung nicht bedeutsam beeinflusst.
Passenderweise wird das Magnetfeld wesentlich konstant gehalten, die Mikrowellenstrahlung über einen Bereich von Frequenzen wird auf die Struktur gerichtet und eine oder mehrere Eigenschaften des Spektrums der Mikrowellenabsorption innerhalb der Stahlelemente werden in Abhängigkeit von der Frequenz bestimmt.
Passenderweise wird die Form des Mikrowellenabsorptionsspektrums unter Verwendung eines Spektrumanalysators bestimmt. Alternativ dazu werden die Frequenzen, bei denen Maxima der Mikrowellenabsorption auftreten, bestimmt.
Passenderweise wird die Mikrowellenstrahlung über den Bereich von Frequenzen gewobbelt.
Passenderweise wird die Mikrowellenstrahlung als ein Impuls bereitgestellt, der den Bereich von Frequenzen einschließt.
Vorzugsweise wird eine Antenne verwendet, um den Mikrowellenimpuls auf die Struktur zu richten, und die gleiche Antenne wird anschließend verwendet, um denjenigen Anteil des Mikrowellenimpulses, der durch die Stahlelemente übertragen oder reflektiert wird, zu erfassen.
Passenderweise wird ein Spektrumanalysator verwendet, um das Spektrum der Mikrowellenabsorption innerhalb der Stahlelemente in Abhängigkeit von der Frequenz zu bestimmen.
Alternativ dazu wird ein Spektrumanalysator verwendet, um die Frequenzen, bei denen Maxima der Mikrowellenabsorption auftreten, zu bestimmen.
Passenderweise wird die Frequenz der Mikrowellenstrahlung wesentlich konstant gehalten, und die Stärke des an die Struktur angelegten Magnetfeldes wird unter Verwendung eines Elektromagneten verändert, wobei die Form des Spektrums der Mikrowellenabsorption innerhalb der Stahlelemente in Abhängigkeit von der Feldstärke bestimmt wird.
Passenderweise wird die Frequenz der Mikrowellenstrahlung wesentlich konstant gehalten, und die Stärke des an die Struktur angelegten Magnetfeldes wird unter Verwendung eines Elektromagneten verändert, wobei die Magnetfeldstärke, bei der Maxima der Mikrowellenabsorption innerhalb der Stahlelemente auftreten, bestimmt wird.
Vorzugsweise wird das Verfahren geeicht durch Ausführen einer Reihe von ferromagnetischen Resonanzmessungen von Strukturen, die bekannte Ausmaße an Korrosion haben, wobei ein unbekanntes Ausmaß an Korrosion einer Struktur bestimmt wird durch Ausführen einer ferromagnetischen Resonanzmessung dieser Struktur und Vergleichen der Ergebnisse der Messung mit den Eichmessungen.
Vorzugsweise wird die Mikrowellenstrahlung bei oder um 1 GHz festgelegt oder hat dort eine Mittelfrequenz.
Vorzugsweise ist das Magnetfeld ausreichend stark, um den Magnetisierungszustand der Stahlelemente zu sättigen.
Vorzugsweise wird die Magnetfeldstärke bei oder um 0,1 Tesla festgelegt.
Die Struktur umfasst vorzugsweise verstärkten Beton.
Vorzugsweise wird eine Hintergrundmessung ohne an die Struktur angelegtes Magnetfeld vorgenommen, und die Ergebnisse der Hintergrundmessung werden mit einer anschließenden ferromagnetischen Resonanzmessung der Struktur verglichen, um das Signal-Rausch-Verhältnis der Messung zu verbessern.
Es wird nun, nur als Beispiel, eine spezifische Ausführungsform der Erfindung beschrieben, unter Bezugnahme auf die beigefügte Abbildung, die eine schematische Darstellung ist, die eine Ferromagnetresonanzmessung nach der Erfindung darstellt.
Unter Bezugnahme auf 1 umfasst eine Stahlbetonwand Stahlstäbe 1, die sich innerhalb von Beton 2 befinden. Der Beton 2 ist ein Nichteisenmaterial.
Ein Dauermagnet 3, der einen Nordpol 4 und einen Südpol 5 umfasst, wird an der Stahlbetonwand angeordnet. Ein durch den Magneten 3 erzeugtes Magnetfeld geht durch den Beton 2 hindurch, in die Stahlstäbe 1, längs der Stahlstäbe 1 und zurück durch den Beton 2. Eine einzelne Magnetfeldlinie 6, die das durch den Magneten 3 erzeugte Magnetfeld anzeigt, wird in 1 gezeigt.
Eine Mikrowellenquelle 7 erzeugt einen weißen Strahl von Mikrowellen (d.h., Mikrowellen über einen Bereich von Wellenlängen), der unter Verwendung einer Antenne 8 in den Beton 2 gerichtet wird. Die Mikrowellen werden durch den Stahlstab 1 reflektiert, gehen durch den Beton 2 hindurch zurück und werden durch eine zweite Antenne 9 erfasst. Die erfassten Mikrowellen werden unter Verwendung eines Spektrumanalysators 10 analysiert.
Der Spektrumanalysator 10 wird verwendet, um das Frequenzspektrum der Mikrowellenabsorption zu bestimmen. Die Form des Spektrums ist charakteristisch für Stahl und/oder Rost, die innerhalb der Stahlbetonwand vorhanden sind, und die Amplitude der Absorption ist unmittelbar mit den vorhandenen Mengen an Stahl und Rost verbunden.
Der Spektrumanalysator 10 wird geeicht durch Prüfen von Stahlbeton, der unterschiedliche bekannte Korrosionsniveaus hat, und Speichern der sich ergebenden Mikrowellenspektren. Anschließend an das Eichen wird das Ausmaß der Korrosion in einer Stahlbetonwand bestimmt durch Vergleichen des gemessenen Absorptionsspektrums mit den Eichspektren.
Die Mikrowellenquelle 7 kann den weißen Strahl von Mikrowellen als einen Impuls erzeugen. Wenn dies getan wird, ist nur eine einzige Antenne 8 erforderlich, wobei die Antenne 8 während der Impulserzeugung mit der Mikrowellenquelle 7 verbunden und während der Pulserfassung mit dem Spektrumanalysator 10 verbunden ist. Ein weiterer Vorteil des Mikrowellenimpulses ist, dass er selbsttätig ein breites Band von Mikrowellen bereitstellt.
Die Mikrowellenquelle 7 kann einen ununterbrochenen Strahl von Mikrowellen, gewobbelt über einen Bereich von Frequenzen, bereitstellen. Wenn dies getan wird, ist ein Spektrumanalysator nicht erforderlich, da die zu einer gegebenen Zeit auf die Stahlbetonwand gerichtete Mikrowellenfrequenz bekannt ist.
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform können Mikrowellen, die eine feststehende Frequenz haben, verwendet und die Stärke des an den Stahlbeton angelegten Magnetfeldes verändert werden. Um das Magnetfeld zu verändern, muss der Magnet 3 statt eines Dauermagneten ein Elektromagnet sein.
Das Magnetfeld sättigt vorzugsweise den Magnetisierungszustand des Stahls. Ein bevorzugter Wert der Magnetfeldstärke beträgt rund 0,1 Tesla bei Resonanz.
Eine bevorzugte Mittelfrequenz für die Mikrowellen beträgt rund 1 GHz.
Das Absorptionsspektrum von Mikrowellen, die durch den Stahlbeton weitergeleitet statt reflektiert werden, kann gemessen werden. Eine Messung dieser Art ist mathematisch äquivalent zu einer Reflexionsmessung.
Um die Wirkung von Hintergrundrauschen zu verringern, kann ein Mikrowellenspektrum ohne den Magneten 3 an seinem Platz bestimmt werden. Diese Hintergrundmessung kann verglichen werden mit einer anschließenden Messung, die mit dem Magneten 3 an seinem Platz vorgenommen wird.
Die Mikrowellenquelle 7 kann so angeordnet werden, dass sie Mikrowellen auf den Beton 2 richtet, ohne dass eine Antenne erforderlich ist.

Claims

Verfahren zum zerstörungsfreien Bestimmen des Korrosionsgrades von Stahlelementen einer Struktur, die ein mit den Stahlelementen verstärktes Nichteisenmaterial umfasst, wobei das Verfahren umfasst, ferromagnetische Resonanzeigenschaften der Struktur zu messen, durch Anlegen eines Magnetfeldes auf die Struktur unter Verwendung eines angrenzend an die Struktur angeordneten Magneten, Richten von Mikrowellenstrahlung zu der Struktur hin und Erfassen des Anteils der Mikrowellenstrahlung, der durch die Stahlelemente übertragen oder reflektiert wird, wobei die Messung mit der Struktur vor Ort vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Magnetfeld wesentlich konstant gehalten wird, die Mikrowellenstrahlung über einen Bereich von Frequenzen auf die Struktur gerichtet wird und eine oder mehrere Eigenschaften des Spektrums der Mikrowellenabsorption innerhalb der Stahlelemente in Abhängigkeit von der Frequenz bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Form des Mikrowellenabsorptionsspektrums unter Verwendung eines Spektrumanalysators bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Frequenzen, bei denen Maxima der Mikrowellenabsorption auftreten, bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Mikrowellenstrahlung über den Bereich von Frequenzen gewobbelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Mikrowellenstrahlung als ein Impuls bereitgestellt wird, der den Bereich von Frequenzen einschließt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine Antenne verwendet wird, um den Mikrowellenimpuls auf die Struktur zu richten, und die gleiche Antenne anschließend verwendet wird, um denjenigen Anteil des Mikrowellenimpulses, der durch die Stahlelemente übertragen oder reflektiert wird, zu erfassen.
Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei ein Spektrumanalysator verwendet wird, um das Spektrum der Mikrowellenabsorption innerhalb der Stahlelemente in Abhängigkeit von der Frequenz zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei ein Spektrumanalysator verwendet wird, um die Frequenzen, bei denen Maxima der Mikrowellenabsorption auftreten, zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Frequenz der Mikrowellenstrahlung wesentlich konstant gehalten wird und die Stärke des an die Struktur angelegten Magnetfeldes unter Verwendung eines Elektromagneten verändert wird, wobei die Form des Spektrums der Mikrowellenabsorption innerhalb der Stahlelemente in Abhängigkeit von der Feldstärke bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Frequenz der Mikrowellenstrahlung wesentlich konstant gehalten wird und die Stärke des an die Struktur angelegten Magnetfeldes unter Verwendung eines Elektromagneten verändert wird, wobei die Magnetfeldstärke, bei der Maxima der Mikrowellenabsorption innerhalb der Stahlelemente auftreten, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren geeicht wird durch Ausführen einer Reihe von ferromagnetischen Resonanzmessungen von Strukturen, die bekannte Ausmaße an Korrosion haben, wobei ein unbekanntes Ausmaß an Korrosion einer Struktur bestimmt wird durch Ausführen einer ferromagnetischen Resonanzmessung dieser Struktur und Vergleichen der Ergebnisse der Messung mit den Eichmessungen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mikrowellenstrahlung bei oder um 1 GHz festgelegt wird oder dort eine Mittelfrequenz hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Magnetfeld ausreichend stark ist, um den Magnetisierungszustand der Stahlelemente zu sättigen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnetfeldstärke bei oder um 0,1 Tesla festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Struktur verstärkten Beton umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Hintergrundmessung ohne an die Struktur angelegtes Magnetfeld vorgenommen wird und die Ergebnisse der Hintergrundmessung mit einer anschließenden ferromagnetischen Resonanzmessung der Struktur verglichen werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis der Messung zu verbessern.