B. Augustyniak

1. Obrazowanie struktur z wykorzystaniem efektów fotoakustycznych i termografia B. Augustyniak

2. Zasada działania metody Wykorzystanie efektu fal ‘termicznych’ generowanych w materiale po dostarczeniu energii cieplnejw sposób modulowany

3. Zależności : pobudzenie- odpowiedź Schemat ogólny zależności między ‘pobudzeniem’ a ‘odpowiedzią’ dla badanej próbki w metodzie fotoakustycznej

4. Historia fotoakustyki fotophone Bell’a A. G. Bell discovered in 1880 that if a focused beam of light was rapidly interrupted and allow to fall on a selenium block, an audible signal could be picked up through a hearing tube. Alexander Graham Bell http://cdl.library.cornell.edu/cgi-bin/moa/moa-cgi?notisid=ABS1821-0013-416 http://www.americaslibrary.gov/cgi-bin/page.cgi/jb/gilded/bell_1

5. Doświadczenia Bell’a

6. Historia - cd • Pierwsze obserwacje w ciałach stałych 1880 Bell • Rozwój coraz czulszych mikrofonów • 1973 – spektroskopia fotoakustyczna (PAS) • 1980 ? - obrazowanie struktur (mikroskopia fotakustyczna)

7. Zasada działania mikroskopu fotoakustycznego • 1- próbka jest oświetlana w płaszczyźnie x-y promieniem lasera • 2 – badane są synchronicznie sygnały uzyskiwane z detektora wybranej wielkości fizycznej w sposób: a) kontaktowynp.mikrofon i komora fotoakustyczna lub bezpośrednio - piezoceramika albo warstwa termoczuła • b) bezkontaktowy(odchylenie wiązki światła)

8. Metoda z komorą fotoakustyczną Nagrzana próbka ogrzewa otaczający ośrodek (gaz). Zmiana ciśnienia gazu jest rejestrowana przez mikrofon zamocowany do ścianki komory

9. Detekcja piezoelektryczna Fale termiczne. Podstawy teoretyczne i możliwości zastosowań praktycznych, Z. Kleszczewski, J. Bodzenta, B. Pustelny; Podstawy Fizyczne badań Nieniszczących, Gliwice 95, Politechnika Śląska

10. Detekcja za pomocą sondującej wiązki światła Fale termiczne. Podstawy teoretyczne i możliwości zastosowań praktycznych, Z. Kleszczewski, J. Bodzenta, B. Pustelny; Podstawy Fizyczne badań Nieniszczących, Gliwice 95, Politechnika Śląska

11. Detekcja za pomocą wiązki światła - 2 Imaging with optically generated thermal waves G. Busse; IEEE Trans. on Sonics and Ultrasonics, SU-32, no. 2, 1985

12. UWAGA: Komora fotoakustyczna – wykorzystana jest do badań właściwości materiałów jednorodnych (gazy, ciecze, proszki, smary, żele)

13. Komora fotoakustyczna : badaniegazów i cieczy Bada się szybkość dyfuzji w funkcji np.. długości fali padającej na próbkę czy częstości modulacji natężenia tej fali

14. Źródła optyczne dla metod fotakustycznych • Lampy wolframowe (żarnikowe) • Wysoko ciśnieniowe lampy Xenonowe • Lampy kwarcowe • Żarniki Nearnst’a(bliska i średnia podczerwień) • Lasery

15. Key:      UV   =   ultraviolet (0.200-0.400 µm)              VIS   =   visible (0.400-0.700 µm)              NIR   =   near infrared (0.700-1.400 µm) Długości fal źródeł laserowych Laser Type Wavelength (mm) Argon fluoride (Excimer-UV)Krypton chloride (Excimer-UV)Krypton fluoride (Excimer-UV)Xenon chloride (Excimer-UV)Xenon fluoride (Excimer-UV)Helium cadmium (UV)Nitrogen (UV)Helium cadmium (violet)Krypton (blue)Argon (blue)Copper vapor (green)Argon (green)Krypton (green)Frequency doubled      Nd YAG (green)Helium neon (green)Krypton (yellow)Copper vapor (yellow) 0.1930.2220.2480.3080.3510.3250.3370.4410.4760.4880.5100.5140.5280.5320.5430.5680.570 Helium neon (yellow)Helium neon (orange)Gold vapor (red)Helium neon (red)Krypton (red)Rohodamine 6G dye (tunable)Ruby (CrAlO3) (red)Gallium arsenide (diode-NIR)Nd:YAG (NIR)Helium neon (NIR)Erbium (NIR)Helium neon (NIR)Hydrogen fluoride (NIR)Carbon dioxide (FIR)Carbon dioxide (FIR) 0.5940.6100.6270.6330.6470.570-0.6500.6940.8401.0641.15  1.5043.392.709.6   10.6   

16. ABC procesu propagacji fali cieplnej -1 • Założenia: • światło jest absorbowane na powierzchni • oświetlenie jest równomierne o pulsacji w Temperatura T na głębokości z w chwili t: Efekt: przesuniecie fazowe oraz obniżenie temperatury z głębokością UWAGA: parametr m (droga dyfuzji termicznej) jest funkcją częstości zmian natężenia padającej fali światła

17. Właściwości fali termicznej • : • fale termicznie są silnie tłumione • głębokość wnikania zmniejsza się ze wzrostem pulsacji natężenia oświetlenia • można obrazować powierzchnie oraz obszary podpowierzchniowe

18. Przykłady działania mikroskopii fotoakustycznej ciał stałych • wyniki z lat 1980 –tych • wyniki badań współczesnych • obrazowanie tkanek

19. Pierwsze wyniki badań nad obrazowaniem struktur

20. Detekcja za pomocą mikrofonu i komory akustycznej Układ pomiarowy Występ o wysokości kilku mm w aluminium Laser 5 W, CO2 G. Busse, A. Ograbek; . Appl. Phys. Vol. 51, (1980)

21. Detekcja za pomocą mikrofonu i komory akustycznej G. Busse, A. Ograbek; . Appl. Phys. Vol. 51, (1980) Pęknięcie w ceramicznym materiale Y. G. Wong at all ; Appl. Phys. Lett. Vol 32, (1978)

22. Detekcja za pomocą przetwornika piezoelektrycznego Owady sztuczne w aluminiowym wałku Dwie częstości modulacji fali świetlnej. ‘Lepsze’ obrazy daje sygnał ‘przesunięcia fazowego’ G.Busse at all ; Appl. Phys. Lett. Vol 36, (1980)

23. Detekcja za pomocą przetwornika pyroelektrycznego Czujnik- aluminizowana folia (polyvinyloden) PVF2) połączona z próbką za pomocą żelu. A.C. Boccara at all ; Appl. Phys.Lett. Vol 36, (1980)

24. Detekcja bez kontaktu – detekcyjna wiązka światła jest równoległa do powierzchni (1) Płytka metalowa Wiązka detekcyjna przechodzi centralnie przez wiązkę padająca J.C. Murphy at all ; Appl. Phys.Lett. Vol 38, (1981)

25. Detekcja bez kontaktu – detekcyjna wiązka światła jest równoległa do powierzchni (2) Warstwa nałożona na stalowe podłoże Najlepszy obraz dla sygnału ‘fazy’; dodatkowe struktury (pionowe linie) są związane ze strukturą warstwy diamento-pochodnej oraz strukturą podłoża Z. Kleszczewski, J. Bodzenta, B. Pustelny; Podstawy Fizyczne badań Nieniszczących, Gliwice 95, Politechnika Śląska

26. Wyniki badania współczesnego mikroskopu fotakustycznego (lata 2000)

27. Wyniki badania układów warstwowych (tranzystory) Application of photoacoustic method and evolutionary algoritm for determination of therml properties of layered structure R. Asoba, Z. Suszyński; J. Phys. IV, vol. 117 (2004)

28. Wyniki badania (tranzystory) 2 Application of photoacoustic method and evolutionary algoritm for determination of therml properties of layered structure R. Asoba, Z. Suszyński; J. Phys. IV, vol. 117 (2004)

29. Wyniki badania (tranzystory) 3 Application of photoacoustic method and evolutionary algoritm for determination of therml properties of layered structure R. Asoba, Z. Suszyński; J. Phys. IV, vol. 117 (2004)

30. Delaminacja - modelowanie Analiza zmiany amplitudy sygnału FA od częstości modulacji. 1D – szeregowe połączenie 2D – uwzględnia się efekty brzegowe Limitation of 1D thermal model in comprison with 2D model of light thyristor structure in thermal wave microscopy; Z. Suszyński, R. Duer, R. Arsoba; J. Phys. IV, vol. 117 (2004)

31. Mikroskop fotoakustyczny – analiza po głębokości a crack on an integrated circuit for different frequencies – > wyznaczone obrazy dla różnych głębokości In depth Analysis and Characterisation by Photoacoustic Imagery, 15 WCNDE, Roma 2000

32. Badania materiałów biologicznych – tomografia fotoakustyczna Badanie ‘in vivo’ mózgu szczura Nature Biotechnology, vol. 21, 7 (2003)

33. tomografia fotoakustyczna - 2

34. Badania tkanki za pomocą efektu fotoakustycznego Wykrywanie stanów rakowych

35. Badanie tkanki metoda powierzchniowa kontaktu http://www.medphys.ucl.ac.uk/research/mle/pdf_files/bios200manuscript2.pdf

36. Obraz z interferometru dla sondy powierzchniowej http://www.medphys.ucl.ac.uk/research/mle/pdf_files/bios200manuscript2.pdf

37. Podsumowanie fotakustyki • Zalety: • bezinwazyjna ? • ‘ujawnia’ właściwości termosprężyste materiału • Wady: • stosunkowo mała głębokość obrazowania (rzędu mm) • ‘czasochłonne’ skanowanie ze względu na małą szybkość propagacji fal termicznych

38. Termografia • Obserwacja rozkładu temperatury • Termografia aktywna • Termografia impulsowa • Termografia modulacyjna

39. Przykłady obrazów termograficznych cd.. http://www.ir55.com/infrared_IR_camera.html

40. Pomiar rozkładu temperatury powierzchni http://en.wikipedia.org/wiki/Thermography

41. Efekty cieplne – transfer ciepła – emisja     The image on the left shows two adults and a child through an infrared thermal imager.  After a  minute of sitting on the couch the thermal infrared energy of the people is transferred and stored in the couch until they get up.  The image on the right illustrates the fact that all objects radiate heat.  The heat from their bodies that transferred to the couch is now being emitted from the couch and displayed on a thermal imaging device. http://www.x20.org/library/thermal/blackbody.htm

42. detektory Ze względu na zasadę działania rozróżniamy dwa rodzaje detektorów promieniowania podczerwonego: termiczne i fotonowe. Promieniowanie podczerwone padające na detektor termiczny powoduje wzrost jego temperatury, co w wypadku elementu półprzewodnikowego zmniejsza jego opór elektryczny a więc zmienia napięcie elektryczne na detektorze. Zaletą detektorów termicznych jest szeroki zakres długości fali, w którym sygnał na wyjściu detektora jest stały, zaś wadą - stosunkowo długi czas odpowiedzi. W detektorach fotonowych jest wykorzystywana kwantowa natura półprzewodnika, w którym uwolnienie lub przepływ nośników ładunku jest bezpośrednio związany z absorpcją fotonu. Takimi detektorami mogą być następujące materiały: InSb, InAs, HgCdTe.

43. Analiza... Zależność średniej wartości temperatury od czasu stygnięcia dla dwóch obszarów powierzchni.

44. Kamery .. The MHTI (Hand held thermalimager) is an ultra compactthermal imaging system which is catered for law enforcement, military and security applications. The system has an integrated laser with digital image storage and download capabilities. The system uses standard COTS batteries.Exceptional image quality, compact form factor and ruggedness make the MHTI a great system for commanders and warfighters. http://www.imaging1.com/thermal/hand-held-FLIR-thermal.html

45. Kamery ..2 The T14 in combat.  The T14 is a robust military grade multi purpose FLIR thermal system.  T14 can be used as a thermal weapon sight, handheld monocular or head mounted infrared system.   This unique item is the top of the line in rugged lightweight soldier operated man portable thermal systems http://www.imaging1.com/thermal/hand-held-FLIR-thermal.html

46. Podstawy.. . Widmo promieniowania ciała doskonale czarnego o różnych wartościach temperatury. W. Olifieruk, Termografia aktywna w badaniach materiałów; IPPT PAN Warszawa, XII Seminarium Nieniszczące Badania Nieniszczące, Zakopane 2006

47. Zdolności emisyjne ciał AGA Thermovision Operating Manuał, AGA Infrared Systems AB, S-181 81 Lindigo, Sweden, 1975.

48. Termografia aktywna Istotą termografii aktywnej jest badanie termicznej odpowiedzi materiału w funkcji czasu na stymulację zewnętrznym impulsem ciepła. Owa odpowiedź jest rejestrowana za pomocą termografu. Schemat termografii aktywnej.

49. Jeszcze o fali... Termiczna droga dyfuzji jest odwrotnie proporcjonalna do f 2 , zatem fale o wysokiej częstotliwości wnikają do badanego materiału płycej niż fale o częstotliwości niskiej (na przykład, w wypadku warstwy farby, fala o częstotliwości 36 Hz wnika na głębokość 40 um podczas gdy fala o częstotliwości = 2,25 Hz - na głębokość 80 um) podobnie jak inne rodzaje fal, fale termiczne mogą odbijać się od powierzchni pustek, pęknięć i delaminacji. Odbite fale wracają na powierzchnię materiału, kształtując rozkład temperatury, który może być, w bezkontaktowy sposób, wyznaczany i rejestrowany za pomocą termografu podczerwieni. Czasowe sekwencje tego rozkładu zawierają informacje o położeniu defektów podpowierzchniowych.

50. Termografia modulacyjna Schemat układu pomiarowego termografii modulacvinej. Fale termiczne są generowane przez nagrzewanie badanej powierzchni źródłem ciepła, którego natężenie zmienia się sinusoidalnie . Za pomocą termografu podczerwieni wyznacza się oscylujące pole temperatury na powierzchni badanego obiektu w stanie ustalonym. Sekwencja czasowa pól temperatury pozwala odtworzyć postać fali termicznej na badanej powierzchni, co umożliwia wyznaczenie przesunięcia fazy tej fali względem oscylacji źródła ciepła. Otrzymuje się mapę przesunięć fazowych. Przesunięcie fazowe, przy zadanej częstotliwości, jest funkcją dyfuzyjności cieplnej, której wartość zależy od wad materiału. Zatem mapa przesunięć fazowych ujawnia wady w warstwie powierzchniowej materiału. Zaleta termografii modulacyjnej wynika z faktu, że przesunięcie fazowe nie zależy od emisyjności powierzchni. Wadą tej termografii jest konieczność skonstruowania źródła ciepła o mocy promieniowania zmieniającej się sinusoidalnie.