レーザー光熱サーモグラフィーを用いた構造化加熱による地中欠陥局在

レーザー投影光熱サーモグラフィー（LPPT）法は、試験片の体積に埋め込まれ、その表面に対して主に垂直に配向された表面下の欠陥を突き止めるために使用される。

この方法は、 図1bに示すような同じ伸びと周波数の2つの逆位相熱波場の破壊的干渉を使用する。等方性の無欠陥材料では、熱波は、コヒーレントな重ね合わせによって対称面で破壊的に（ すなわち、ゼロ温度振動）中和する。表面下欠陥を有する材料の場合、この方法は、一時的な熱流とこの欠陥との間の横方向（ すなわち 、面内）成分の相互作用を利用する。この相互作用は、サンプル表面上の対称線における再現された振動温度の伸びで測定することができる。ここで、欠陥含有試料は、重畳された熱波場によって走査され、サンプルの位置に関連して温度の伸びのレベルが測定される。対称性のために、欠陥が対称面を横切ると、破壊的干渉条件が再び満たされる。これにより、欠陥を非常に敏感に見つけることができます。さらに、破壊的干渉の最大外乱のレベルは欠陥の深さと相関するので、温度走査¹を解析することによってその深さを決定することが可能である。

LPPTは能動的なサーモグラフィー方法論に割り当てられます。これは、過渡的な加熱が活発に行われ、結果的に過渡的な温度分布がサーマルIRカメラによって測定される、十分に確立された非破壊的な方法です。一般に、この方法論の感度は、過渡熱流に対して本質的に垂直に配向する欠陥に限定される。さらに、支配的な過渡熱伝導方程式は放物線部分差分体積式への熱の流れは強く減衰する。結果として、能動サーモグラフィー法のプロービング深さは、通常はミリメートル範囲の表面近傍領域に限定される。最も一般的なアクティブサーモグラフィー技術の2つは、パルス式およびロックインサーモグラフィーです。それらは、平面光学面照明²により高速であるが、表面に垂直な一時的な熱流をもたらす。したがって、これらの技術の感度は、加熱された試料表面に対して主に平行に配向された欠陥（ 例えば層間剥離または空隙）に限定される。パルスサーモグラフィの経験則では、「検出可能な最小欠陥の半径は、表面下の深さの少なくとも1〜2倍にすべきである」 ^3と述べている³ 。垂直に配向した欠陥（ 例えば亀裂）と熱流との間の有効相互作用領域を増加させるために、熱流の方向はかわった。局所的な励起は、例えば線状または円形のスポットを有する集束レーザを使用することにより、垂直欠陥4,5,6,7と効果的に相互作用することができる面内成分を有する熱流を生成する。

この方法では、横方向の熱流成分を用いて表面下の欠陥を検出するが、熱波を重ねることができるが、欠陥、特に垂直方向の欠陥はこの重なりを妨げる。このように、提示された方法は、1 / ^8,9以下の幅/深さ比で人工地下欠陥を検出することが可能であるため、基準のない対称で非常に敏感な方法に似ている。今まで、十分なエネルギーを供給している2つの逆位相熱波場を作り出すことは困難でした。我々はこれを達成した空間光変調器（SLM）を高出力ダイオードレーザに結合することにより、レーザシステムの高い光学パワーをSLMの空間的および時間的解像度（ 図2参照）と高出力プロジェクタ。熱波場は、投影された画像のピクセル輝度を介して、2つの逆位相正弦波変調された線パターンの光熱変換によって生成される（ 図2 、 図1a参照）。これは、試料表面の構造化された加熱をもたらし、明確に破壊的に干渉する熱波場をもたらす。表面下の欠陥を見つけるために、破壊的な推論の外乱は、IRカメラを用いて表面の温度振動として測定される。

熱波という用語は、熱伝播の拡散特性のために熱波がエネルギーを輸送しないため、議論の余地がある。それでも、hea実際の波と拡散過程10,11,12との間で類似点を使用することを可能にする。したがって、熱波は伝搬方向に高度に減衰されているものと理解できますが、時間とともに周期的に変化します（ 図1b ）。特徴的な熱拡散長 （熱伝導率k 、熱容量c _p 、密度ρ ）と励振周波数fで説明する。熱波は強く減衰していますが、波の性質を応用してサンプルの特性を把握することができます。熱波干渉の第1の適用を用いて層の厚さを決定した。我々の方法とは対照的に、干渉効果は、深さ寸法（ すなわち 、表面に垂直）で使用され、レーザビームを分割することによって干渉の概念を第2の次元に拡張すると、表面欠陥^14のサイズを決めるのに熱波干渉が用いられた。この方法は透過構造にも適用された。さらに、1つのレーザ源のみが使用されているため、この方法は建設的な干渉が適用されるため、無欠陥の基準が必要となります。光出力パワーが著しく制限された光源を内蔵した無修正液晶ディスプレイ（LCD）プロジェクタを使用して、Holtmann らによって時間的に制御された加熱が行われた.PribeとRavichandranによるさらなるアプローチは、レーザをSLM16にも結合することによって^、 s = "xref"> 17。

本明細書に提示されるプロトコルは、鋼サンプルの表面に対して垂直に配向された表面下欠陥を見つけるためにLPPT法を適用する方法を説明する。この方法は初期段階にありますが、提案されたアプローチを検証するのに十分強力です。しかし、それは実験セットアップの達成可能な光出力の点で依然として制限されている。光出力の増加は依然として課題であるので、提示された方法は、人工放電加工ノッチを含む被覆鋼に適用される。それにもかかわらず、プロトコルの最も重要で最も重要なステップは、均質な構造照明を生成し、破壊的な熱波干渉の前提条件を満たすこと、および欠陥を見つけることは、依然としてより要求の厳しい欠陥を保持することである。支配的な量は熱拡散長μであるので、LPPT法は多数の異なる材料にも適用することができる。

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図1：破壊的干渉効果の原理 （ a ）実験中に使用された照明パターンの概略図。サンプルは、πの位相シフトを有する2つの周期的に照射されたパターンによって空間的および時間的に加熱される。破線は、両方のパターン間の対称線を表す。このラインは、評価用に「空乏線」として使用されます。 （ b ）熱的熱伝導方程式の解析解から計算された、空間的および時間的に分解された交互熱結果の図。これは、（a）の照明に対して、 P _{opt 1} = 1.5Wsin（2π0.125Hz t ）+ 1.5WとP _{opt 2} = 1.5Wsin（2π0.125Hz t ）の2つのパターンの放射照度に対する応答熱波を示す+π）+建築用鋼ρの 1.5W </k _p = 461 J /（kg・K）、 k = 54W /（m・K）である。破線の温度プロファイルは、均質で等方性の材料の熱振動を示していない。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。

図2：アクティブサーモグラフィーで使用される構造化加熱の測定原理の略図。トップハットプロファイルにホモジナイズされたガウスビームは、空間光変調器（Spatial Light Modulator：SLM）に適用される。 SLMは、その切り替え可能要素によって空間的にかつ時間的にそのスイッチング速度によってビームを空間的に分解する。各要素はSLMピクセルを表します。この実験では、SLMはデジタルマイクロミラーデバイス（DMD）である。時間決定論的制御ソフトウェアを用いてピクセル輝度Aを変調することによって、サンプル表面構造化された方法で加熱される。提示された実験の場合、角周波数ωでコヒーレントに干渉する熱波場の起源である2つの逆位相線（位相：φ= 0、π）を変調する。波面は試料の内部構造と相互作用し、表面の温度場にも影響を与えます。これは、中波赤外線カメラによる熱放射によって測定されます。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。