Verbesserung der Rißdetektion mit dem Wirbelstromprüfverfahren durch Entwicklung eines magnetooptischen Wirbelstromsensors
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen der Arbeit wurde ein auf dem optischen Faraday-Effekt basierendes Wirbelstromprüfsystem erstellt, welches eine Magnetfeldmessung mit hohem lateralen Auflösungsvermögen ermöglicht. Die Untersuchungen sowohl an den Probekörpern als auch an den realitätsnahen Materialfehlern zeigten, dass mit einem magnetooptischen Wirbelstromprüfsystem das laterale Auflösungsvermögen deutlich gesteigert werden kann. Des Weiteren wurden auch tiefer liegende Fehler mit dem Verfahren sicher detektiert. Durch Variation des Laserstrahldurchmessers konnte das Auflösungsvermögen des Systems angepasst werden. Der im Rahmen der Arbeiten erstellte Versuchsaufbau war auf Grund des optischen Aufbaus sehr erschütterungsempfindlich. Daher wurde ein spezieller Manipulator eingesetzt, der den Testkörper unterhalb des Sensors verfährt und somit Erschütterungen vom Sensor fernhält. Im Rahmen der weiterführenden Arbeiten wurde für Handmessungen oder zur Integration des Systems in konventionellen Manipulatoren eine Entkoppelung der erschütterungsempfindlichen Ansteuerungs- und Messeinheit vom Sensor mit Hilfe von Glasfaserkabeln realisiert. Die hohe laterale Auflösung des Systems sowie die Möglichkeit, das laterale Auflösungsvermögen durch Änderung des Strahldurchmessers anzupassen, ergeben erweiterte Einsatzbereiche des Systems. Zusammen mit den Erkenntnissen zum Einsatz von Glasfaserkabeln steht somit ein neues, bereits relativ robustes Wirbelstromprüfverfahren zur Verfügung. Deutliche Fortschritte konnten auch auf dem Gebiet der magneto-optischen Granatschichten erzielt werden. Hervorzuheben ist an dieser Stelle neben der Entwicklung von hoch Bismut substituierten Yttrium-Eisengrantschichten (Y3xBixFe5O12, Bi-YIG) auch die Entwicklung Bismut substituierter Thulium-Eisengratschichten (Tm3xBixFe5O12l Bi-TmIG), bei denen es gelang, die gewünschte in-plane Magnetisierung bei hoher Sensorempfindlichkeit zu realisieren. Zudem wurden die für den Reflexionsbetrieb notwendigen Spiegelschichten weiter verbessert. So konnte neben einem Metallspiegelsystem (bestehend aus Haftvermittler, einer Aluminiumspiegelschicht und einer Titannitridschicht) im dritten Bewilligungsjahr eine erste BeSchichtung mit kratzfesten, gesputterten dielektrischen Interferenzspiegelschichten aufgebracht werden. Die im Rahmen des Projektes durchgeführten Arbeiten belegen das hohe laterale Auflösungsvermögen des magnetooptischen Wirbelstromprüfsystems. Des Weiteren zeigte sich, dass mit Hilfe dieses Systems neue Sensorkonzepte, wie die Variation des lateralen Auflösungsvermögens durch Änderung des Laserstrahldurchmessers, möglich sind. Dass diese Systeme auch in der Praxis eingesetzt werden können, wurde an Hand der Untersuchungen zur Integration von Lichtwellenleitern in das System gezeigt. Dabei wurde die Erschütterungsempfindlichkeit des Systems erheblich reduziert. Weiterhin ermöglicht der Einsatz von Lichtwellenleitern auch die Erstellung von Kleinstsensoren, da so das Licht nahezu punktuell eingeleitet werden kann. Die Erstellung von miniaturisierten Sensoren sowie eine weitere Reduzierung von Störgrößen, z. B. durch polarisationserhaltende Lichtwellenleiter oder die Erprobung von Vergleichsverfahren, wären sinnvolle weiterführende Arbeiten. Für den praktischen Einsatz wäre die Entwicklung von Verschleißschutzschichten sinnvoll, die nach den ersten - im Rahmen dieses Projektes - erzielten Ergebnissen aussichtsreich erscheint. Eine deutliche Steigerung der Empfindlichkeit des magneto-optischen Sensorelementes konnte durch den Einsatz der im Projekt entwickelten Bismut substituierten Thulium-Eisengratschichten (TnvxBixFesO^, Bi-TmIG) festgestellt werden. Das magnetische Ansprechverhalten dieser Schichten, welches durch die Koerzitivität (bei den geeignetsten Schichten um 5 kA/m) des Sensors begrenzt wird, könnte noch weiter herabgesetzt werden, wenn die gegenwärtig noch vorhandenen Defekte in der Schichtmorphologie ("pits") weiter verringert werden könnten. Damit wäre eine noch weitere Steigerung der Detektierbarkeit gegenüber kleinsten Defekten bzw. Tiefensignalen bei den Wirbelstromprüfungen möglich.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A. Lorenz: Visualisierung magnetischer Streufelder mit magneto-optischen Granatschichten Thüringer Technologietag Fachhochschulejena; 04.10.2006.
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A. Lorenz, M. Lindner, H. Richert, J. Heinrich, P. Görnert: LPE grown bismuth substituted rare earth iron garnet layers (Bi-REIG) with different magneto-optical imaging behaviour Gemeinsamen Jahrestagung von DGKK und PTWK (Polen) Humbold Universität Berlin; 06.03.-08.03.2006
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A. Lorenz, M. Lindner, S. Kracunovska, P. Görnert: LPE grown Bi substituted rare earth iron garnets films for magneto-optical sensors 15. International Conference on Crystal Growth Salt Lake City (Utah, USA), 12.-17.08.2007
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A. Lorenz, R. Hergt, T. Aichele, G. Bruchlos, M. Röder, P. Görnert: Morphologische Instabilitäten beim Wachstum Bismut substituierter Yttriumeisengranatschichten; III. Kinetikseminar der DGKK, MPI für Physik komplexer System Dresden; 15.02.2002.
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A. Lorenz, R. Hergt, T. Aichele, P. Görnert, R. Zielke, H. Schoon, H.-A. Crostack: Magnetooptische Granatschichten - Bildgebende Sensoren für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung Thüringer Werkstofftag 2002, Herausgeber: J. D. Schnapp, U. Glatzel, K. D. Jandt, H. Knake, Verlag Dr. Köster Berlin (2002), ISBN: 3-89574-473-5
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A. Lorenz, R. Hergt, T. Aichele, P. Görnert: Züchtung empfindlicher magnetooptisch aktiver Sensoren auf der Basis von Seltenerd- Eisengranat Zeitschrift für Kristallographie, Supplement Issue No. 21, 210 (2004)
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Aichele.T., A. Lorenz, R. Hergt, P. Görnert: Garnet Layers Prepared by Liquid Phase Epitaxy for Microwave and Magnetooptical Applications - a review Cryst, Res. Technol. 38 , 575 (2003)
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Görnert, P., T. Aichele, A. Lorenz, R. Hergt, J. Taubert: Liquid Phase Epitaxy (LPE) grown Bi, Ga, AI Substituted Iron Garnets with huge Faraday Rotation for Magneto-optic Applications phys. stat, sol. (a) 201. 1398 (2004)
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P. Görnert: Hard and Soft Magnetic Materials, Sensors, Magnetic Recording, and Magnetooptics Lecture notes zur Second German-Vietnam Summer School on Modern Optics and New Materials, 22.-25.09.2005, Ho Chi Minh City (Vietnam)
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R, Zielke, H.-G. Rademacher, H.-A. Crostack, Universität Dortmund Magneto-optical sensors for non-destructive testing Sensor Conference 2007, 13th International Conference Nürnberg, Germany 22.-24 May 2007 Proceedings Volume 1, ISBN 978-3- 9810993-1-7
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R. Zielke, H.-A. Crostack, H. Schoon, Universität Dortmund; R. Hergt; IPHTJena Erprobung magnetooptischer Sensoren für die Wirbelstromprüfung DGZfP Jahrestagung 2002 in Weimar
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R. Zielke, H.-A. Crostack, H. Schoon; Universität Dortmund; A. Lorenz, P. Görnert; Innovent Jena Magnetooptische Wirbelstromprüfsysteme DGZfP Jahrestagung 2003 in Mainz
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T. Hibiya, and P. Görnert Liquid Phase Epitaxy of Garnets Liquid Phase Epitaxy of Electronic, Optical and Optoelectronic Materials Eds. P. Capper and M. Mauk, John Wiley & Sons Ltd., Chichester, 2007, ISBN-10; 0-470-85290-9
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U. Radtke, R. Zielke, H.-G. Rademacher, H.-A. Crostack, Universität Dortmund; R. Hergt, IPHT Jena e.V Application of magneto-optical method for real-time visualisation of eddy currents with high spatial resolution for nondestructive testing Optics and Lasers in Engineering 36 (2001) 251-268
