Сканирующий акустический микроскоп Советский патент 1990 года по МПК G01N29/06 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при неразрушающемся контроле изделия .

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем обеспечения исследования объекта по глубине без ухудшения контрастности изображения.

На чертеже представлена блок-схема сканирующего акустического мик- роскопа

Микроскоп содержит звукопровод 1, выполненный из однородно-легированного парамагнитными ионами диэлектрического монокристалла и имеющий плоскопараллельные торцы, пьеэопре- образователь 2 продольных волн,чмею- ший акустический контакт с первым торцом звукопровода 1, пьезопре- образователь 3 поперечных волн, име-- ющий акустический контакт с вторым торцом звукопровода и плоский выходной торец, источник 4 насыщения

оо

«Ј.

акустического парамагнитного резонанса (регулируемый генератор СВЧ). Источник 4 насыщения акустического парамагнитного резонанса подключен к электрическому входу пьезопреобра- зователя 3 поперечных волн. Кроме того, сканирующий акустический микроскоп содержит приемный акустический элемент 5, имеющий плоский входной торец, установленный параллельно выходному торцу пьезопреобразова- теля 3, жидкостную ячейку 6, помещенную между выходным торцом пъезопре- образователя 3 и входным торцом приемного акустического элемента 5 и з полненную, например, жидким гелием, источник 7 зондирующих импульсов, подключенный к электрическому входу пьезопреобразователя 2 продольных волн, систему 8 сканирования исследуемого объекта 9 и блок 10 визуализации с запоминающей электронно-лучевой трубкой.

Входы разверток блока 10 визуализации подключены к выходам напряжения разверток системы 8 сканирования, а вход управления яркостью луча электронно-лучевой трубки блока 10 визуализации подключен к выходу приемного акустического элемента 5. Объект 9 помещен в жидкостную ячейку 6 и механически связан с выходом системы 8 сканирования. Коэффициент преобразования пьезопреобразователя 3 поперечных волн имеет аксиально-симметричное квадратичное распределение по закону

„г

(1)

ЯГ (1 )Ч01

где г - расстояние от оси звукопро вода, мм;

q - коэффициент преобразования на расстоянии г, отн. ед;

q - коэффициент преобразования на оси звукопровода, отн. ед.;

R - радиус преобразователя поперечных волн, мм.

Передающий фокусирующий элемент состоящий из звуковопровода 1 и пьезопреобразователей 2, 3, приемный акустический элемент 5, жидкостная ячейка 6 и исследуемый объект 9 находятся в азотно-гелиевом кри- остате.

Устройство работает следующим образом.

Источник 4 насыщения акустического парамагнитного резонанса генерирует непрерывное монохроматическое электромагнитное поле, частота SI l

которого совпадает с частотой $2

АПР

5

0

5

0

5

0

акустического парамагнитного резонанса легирующих ионов монокристаллического звукопровода 1. Мощность этого поля, с учетом потерь на преобразование в акустические колебания, превышает порог насыщения акустического парамагнитного резонанса легирующих ионов, соответствующий уменьшению разности населенностей резонансных квантовых уровней этих ионов, вдвое. Это электромагнитное поле поступает на пьезопреобразователь 3 поперечных волн. В пъезопреобразовате- ле 3 электромагнитное поле преобразуется в непрерывные монохроматические акустические колебания с поперечной поляризацией, имеющие ту же частоту Я,. &дпр что и электромагнитное поле. Благодаря акустическому контакту пьезопреобразователя 3 поперечных волн с вторым торцом звукопровода 1 в последнем возбуждаются объемные поперечные гиперзвуковые волны, воздействующие на легирующие парамагнитные ионы за счет эффекта насыщения акустического парамагнитного резонанса. Интенсивность потока этих поперечных волн пропорци ональна коэффициенту преобразования пьезопреобразователя 3 и в соответствии с (1) имеет аксиально-симметричное квадратичное распределение по закону

,1

d - Ь-м«м

R

(2)

где 1Г - интенсивность потока поперечных гиперзвуковыз волн/ на расстоянии г,Вт/мм ; 10 - интенсивность потока поперечных гиперзвуковых волн по оси звукопровода 1, Вт/ммг.

Акустический показатель преломле ния в кристалле, легированном парамагнитными ионами, при насыщении акустического парамагнитного резонанса определяется по формуле (2) и при значительном превышении порога насыщения на частоте &„ Я + д $t(/ имеет вид

к„

kti

5

г

2КЬг

(3)

де

К„

«Ј ь Ч /4

акустический показатель преломления на расстоянии г, отн. ед.; акустический показатель преломления по оси звуко- провода 1, отн.ед.; коэффициент парамагнитного поглощения акустических волн на частоте &.по ПРИ отсутствии наАИг i

сыщения, мм ; волновое число гиперзвука в звукопроводе 1 по его оси, ; параметр неоднородности (соотношение однородной и неоднородной ширины линии акустического парамагнитного резонанса), отн. ед.;

интенсивность потока поперечных объемных гиперзвуковых волн, при которой разность населенно- стей резонансных квантовых уровней парамагнитных ионов уменьшается вдвое по сравнению с термодинамически равновесным значением, Вт/мм .

Таким образом, в механически однородном звукопроводе 1 формируется линзовое распредел ёние акустиче скогб показателя преломления, причем фокусное расстояние 1 этой наведенной поперечными волнами акустической линзы дается формулой

1 b4 K-I./ui-I

П

(4)

При изменении мощности непрерывного электромагнитного поля, поступающего от источника 4 насыщения акустического парамагнитного резонанса на пьезопреобразователь 3 поперечных волн, изменяется величина 10, что приводит к изменению фокусного расстояния передающего фокусирующего элемента пропорционально 4lJ. В случае значительной неоднородности линии акустического парамагнитного резонанса, т.е. при b 0,2 + + 0,3, резонансное поглощение гипер5396536

звука насыщается при более низких уровнях 10, чем резонансная дисперсия фазовой скорости гиперзвука, поэтому дополнительное поглощение рабочих продольных гиперзвуковых; волн при их фокусировке не имеет места.

Зондирующий импульсный электромагнитный сигнал с частотой заполнения Ьсц, генерируемый источником 7 зондирующих импульсов и подлежащий преобразованию в продольные объемные гиперзвуковые волны с последую- 15 Щей управляемой фокусировкой, подается на электрический вход пьеэопре- образовтеля 2 продольных волн. В пьезопреобразователе 2 продольных волн зондирующий электромагнитный сигнал преобразуется в продольные

10

2Q

объемные гиперзвуковые колебания, частота которых также равна SI

и

5

0

интенсивность однородна по всей площади пьезопреобразователя 2 продоль- 5 ных волн. Благодаря акустическому контакту пьезопреобразователя 2 про дольных волн с первым торцом звуко- провода 1 в последнем возбуждаются объемные продольные гиперзвуковые 0 волны. Так как зондирующий сигнал является импульсным, то даже при равенстве амплитуды импульсов продольных волн амплитуде непрерывного по времени поля поперечных волн обеспечивается выполнение условия, когда средняя по времени интенсивность рабочих продольных волн меньше интенсивности, необходимой для понижения разности населенностей квантовых уровней парамагнитных ионов вдвое. Поэтому влияние рабочих продольных волн на акустическую линзу, наведенную поперечными волнами, несущественно, тогда как влияние этой

5 линзы на продольные волны приводит к их фокусировке, а фокусное расстояние управляется посредством изменения выходного напряжения генератора СВЧ. Сфокусированные продоль0 ные объемные гиперзвуковые волны через4пьезопреобразователь 3, работающий на продольных волнах в качестве акустического буфера, поступают, пройдя слой иммерсионной жидс кости ячейки 6, на исследуемый объект 9, который с помощью системы 8 механически сканируется в плоскости, параллельной терцам звукопро- вода „1 и приемного акустического элемента 5. Сканирование исследуемого объекта 9 по глубине, т.е. по направлению нормали к плоскости механического сканирования, осуществляется посредством описанной выше электронной регулировки фокусного расстояния устройства.

Прошедший через исследуемый объек

9продольный гиперзвуковой сигнал, несущий информацию об акустической плотности сканируемых участков объекта 9, поступает, пройдя второй слой иммерсионной жидкости ячейки 6, на приемный акустический элемент 5. Поперечный гиперзвук в иммерсионной жидкости не возбуждается и не поступает ни на исследуемый объект 9, ни на приемный акустический элемент 5. Продольный гиперзвуковой сигнал преобразуется в приемном акустическом; элементе в электрический сигнал и подается на вход управления яркостью луча электронно-лучевой трубки блока

10визуализации. С выходов напряжения разверток системы 8 сканирования на соотзетствующие входы разверток блока К) визуализации подаются сигналы, формирующие растр на экране электронно-лучевой трубки блока 10 визуализации, В итоге на экране электронно-лучевой трубки блока 10 визуализация наблюдается увеличенное акустическое изображение слоя исследуемого объекта в сечении, соответствующем установленному выходному напряжению генератора СВЧ (фокусному расстоянию устройства), причем контрастность изображения не зависит от выбора этого сечения, так как толщина слоев иммерсионной жидкости не изменяется в процессе регулировки фокусного расстояния устройства,

В предложенный акустический сканирующий микроскоп с целью управления его рабочей частотой Ј(1 может быть дополнительно введен электромагнит,

5

0

5

0

5

0

5

например, сверхпроводящий соленоид, в рабочий объем которого помещается звукопровод 1. В этом случае источник 4 насыщения акустического парамагнитного резонанса и источник 7 зондирующих импульсов выполняются перестраиваемыми, причем перестройка частот их генерации сопряжена с регулировкой тока электромагнита таким образом, чтобы выполнялись соотношения 9. Qsrip С1„ - uQ

иг

во всем

диапазоне регулировки рабочей час тоты микроскопа Qu. .

Формула изобретения

Сканирующий акустический микроскоп, содержащий акустически связанные передающий фокусирующий элемент, состоящий из акустически связанных звукопровода с плоскопараллельными торцами и пьезопреобразователя про- - дольных волн, жидкостную ячейку и приемный элемент, последовательно соединенные систему сканирования и блок визуализации, источник зондирующих импульсов, выход которого соединен с входом пьезопреобразователя продольньгх волн, выход приемного элемента соединен с вторым входом блока визуализации, передающий фокусирующий элемент имеет аксиально симметричное квадратичное распределение акустического показателя преломления , отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены пьезопреобразователь поперечных волн и регулируемый генератор СВЧ, выход которого соединен с входом пьезопреобразователя поперечных волн, который выполнен с аксиально симметричным квадратичным распределением коэффициента прерб- разования и акустически связан с вторым торцом звукопровода, который выполнен из однородно легированного парамагнитными ионами диэлектрического монокристалла.

:-1

т

8

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем обеспечения исследования объекта по глубине без ухудшения контрастности изображения. Источником 4 насыщения акустического парамагнитного резонанса в пьезопреобразователе 3 поперечных волн создается поперечная акустическая волна, которая влияет на фокусное расстояние передающего элемента, состоящего из звукопровода 1, пьезопреобразователя 2 продольных волн и пьезопреобразователя 3 поперечных волн. Источник 7 зондирующих импульсов при помощи пьезопреобразователя 2 продольных волн возбуждает в звукопроводе 1 продольную акустическую волну, которую, сфокусировав при помощи источника 4 насыщения парамагнитного резонанса и пьезопреобразователя 3 поперечных волн, направляют на исследуемый объект 9. Акустическая волна, прошедшая объект 9 и содержащая о нем информацию, поступает на приемный акустический элемент 5, с выхода которого информация об объекте подается на электронно-лучевую трубку блока 10 восстановления изображения. При помощи системы 8 сканирования осуществляют исследование объекта по плоскости, а, изменяя напряжение на выходе источника 4 насыщения акустического парамагнитного резонанса, изменяют фокусное расстояние передающего элемента. 1 ил.