Сканирующий акустический микроскоп
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.
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИН (51) 5 G 01 Н 29/Об роскопа.
ГОсудАРстВенный Комитет
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ
ПРИ Гкнт СССР
1 (21) 4306207/24-28 (22) 14.09.87 (46) 30.0. l,90. Бюл. И - 4 (71) Институт радиофизики и электроники АН УССР (72) E.M.Ганапольский и Д.Н.Магсовецкий (53) 620.179.16(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
К 1154609, кл. G 01 N 29/06, 1983.
;(54) СКАНИРУЮЩИЙ АКУСТИЧЕСКИЙ МИКРО СКОП (57) Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем обеспечения исследования объекта по глубине без .ухудшения контрастности изображения.
Источником 4 насьпцения акустического парамагнитного резонанса в пьеэопреобразователе 3 поперечных волн создается поперечная акустическая волна„ которая влияет на фокусное расстояние передающего элемента, состоящая из звукопровода 1, пьезо
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при неразрушающемся контроле изделия.
Целью изобретения является расширение фучкциональных возможностей путем обеспечения исследования объекта по глубине без ухудшения контрастности изображения.
На чертеже представлена блок-czeма сканирующего акустического мик„Я0„„153965З А1
2 преобразователя 2 продольных волн и пьезопреобразователя 3 поперечных волн. Источник 7 зондирующих импульсов при помоши пьезопреобразователя 2 продольных волн возбуждает в звукопроводе 1 продольную акустическую волну, которую, сфокусировав при помощи источника 4 насыщения парамагнитного резонанса и пье- эопреобразователя 3 поперечных волн, направляют на исследуемый объект 9.
Акустическая волна, прошедшая объект
9 и содержащая о нем информацию, поступает на приемный акустпческий 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 насьпцения акустического парамагнитного резонанса, изменяют фокусное расстояние передающего элемента. 1 ил.
Микроскоп содержит звукопровод
РА
1, выполненный из однородно-легированного парамагнитнымп ионами диэлектрического монокристалла и имеющий плоскопараллельные торцы, пьезопреобразователь 2 продольных волн, имеющий акустический контакт с первым 3. торцом звукопровода 1, пьезопреобразователь 3 поперечных волн, имеющий акустический контакт с вторым торцом звукопровода и плоский выходной торец, источник 4 насьпцения
1539653 акустического парамагнитного резонанса (регулируемый генератор СВЧ).
Источник 4 насыщения акустического парамагнитного резонанса подключен к электрическому входу пьезопреобразователя 3 поперечных волн. Кроме того, сканирующий акустический микроскоп содержит приемный акустический элемент 5, имеющий плоский вход- 10 ной торец, установленный параллельно выходному торцу пьезопреобразователя 3, жидкостную ячейку 6, помещенную между выходным торцом пьезопреобразователя 3 и входным торцом при5 емного акустического элемента 5 и заполненную, 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
q = (1 — — -)q
r о (1)
= (1 — ->-) т
f В о где r (2) Ч2
45 где I интенсивность потока поперечных гиперзвуковыМ волн, Р на расстоянии r,Вт)мм — интенсивность потока поперечных гиперзвуковых волн по оси эвукопровода
Вт/мм .
Акустический показатель преломпе ния в кристалле, легированном парамагнитными ионами, при насьпцении акустического парамагнитного резонанса определяется по формуле (2) и при значительном превышении порога насьпцения на частоте п = Й + g Я, L гж имеет вид
q расстояние от оси звукопровода, мм; коэффициент преобразования на расстоянии r, отн. ед; коэффициент преобразования на оси звукопровода, отн. ед.; радиус преобразователя пе е ных волн мм. по р ч
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 криостате.
Устройство работает следующим образомм.
Источник 4 насыщения акустического парамагнитного резонанса генерирует непрерывное монохроматическое электромагнитное поле, частота Я..1. которого совпадает с частотой Й„„ акустического парамагнитного резонанса легирующих ионов монокристаллического звукопровода i. Мощность этого поля, с учетом потерь на преобразование в акустические к олебания, превышает порог насыщения акустического парамагнитного резонанса легирующих ионов, соответствующий уменьшению разности населенностей резонансных квантовых уровней этих ионов, вдвое. Это электромагнитное поле поступает на пьезопреббраэователь 3 поперечных волн. В пьезопреобразователе 3 электромагнитное поле преобразуется в непрерывные монохроматические акустические колебания с поперечной поляризацией, имеющие ту же частоту Я = НАПР, что и электромагнитное поле. Благодаря акустическому контакту пьезопреобраэователя
3 поперечных волн с вторым торцом звукопровода 1 в последнем возбуждаются объемные поперечные гиперзвуковые волны, воздействующие на легирующие парамагнитные ионы эа счет эффекта насьпцения акустического парамагнитного резонанса. Интенсивность потока этих поперечных волн пропорциональна коэффициенту преобразования пьезопреобразователя 3 и в соответствии с (1) имеет аксиально-симметричное квадратичное распределение по закону
15396, т„, К К г о 2Kb I о (3) К вЂ” акустический показатель
Р преломления на расстоянии r, отн. ед.;
К вЂ” акустический показатель преломления по оси эвукопровода 1, отн.ед.;
10 е — коэффициент парамагнитного поглощения акустических волн на частоте
Я„„, при отсутствии на-< сьйце ния, мм
К вЂ” волновое число гиперзвука в звукопроводе 1 по его оси, мм ;
b — параметр неоднородности (соотношение однородной и неоднородной ширины линии акустического парамагнитного резонанса), отн. ед.;
I — интенсивность потока па- 25
1 где
Зондирующий импульсный электромагнитный сигнал с частотой заполнения Q, генерируемь|й источником 7 и у зондирующих импульсов и подлежащий преобразованию в продольные объемные гиперзвуковые волны с последующей управляемой фокусировкой, подается на электрический вход пьезопреобразовтеля 2 продольных волн. В пьезопреобразователе 2 продольных волн зондирующий электромагнитный
20, сигнал преобразуется в продольные
Ф объемные гиперзвуковые колебания, ". 35
Таким образом, в механически одно- родном звукопроводе 1 формируется линзовое распределение акустического показателя преломления, причем фокусное расстояние 1 этой наведенной 40 поперечными волнами акустической линзы дается формулой
1 = 2лКЬ
При изменении мощности непрерывного электромагнитного поля, поступающего от источника 4 насыщения акустического парамагнитного резонанса на пьезопреобразователь 3 поперечных волн, изменяется величина Iä, что приводит к изменению фокусного расстояния передающего фокусирующего элемента пропорционально
В случае значительной неоднородности линии акустическîrо парамагнитного резонанса, т.е. при b (0,2 +, + 0,3, резонансное поглощение гипер53 6 звука насыщается при более низких уровнях Х„, чем резонансная дисперсия фазовой скорости гиперзвука, поэтому дополнительное поглощение рабочих продольных гиперзвуковых волн при их фокусировке не имеет места. частота которых также равна El„ а интенсивность однородна по всей площади пьезопреобразователя 2 продольHb!x волн. Благодаря акустическому контакту пьезопреобразователя 2 продольных волн с первым торцом звукопровода 1 в последнем возбуждаются объемные продольные гиперзвуковые 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 кьантовых уровней парамагнитных ионов вдвое. Поэтому влияние рабочих продольных волн на акустическую линзу, наведенную поперечными волнами, несущественно, тогда как влияние этой линзы на продольные волны приводит к их фокусировке, а фокусное расстояние управляется посредством изменения выходного напряжения генератора СВЧ. Сфокусированные продольные объемные гиперзвуковые волны через пьезопреобразователь 3, работающий на продольных волнах в качестве акустического буфера, поступают, пройдя слой имиерсионной жидкости ячейки 6, на исследуемый объект 9, который с помощью системы
8 механически сканируется в плоскости, параллельной торцам звукопровода .1.и приемного акустического эле1539653 мента 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 объект
9 продольный 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 пре- 20 образуется в приемном акустическом.; элементе в электрический сигнал и подается на вход управления яркостью луча электронно-лучевой трубки блока
10 визуализации. С выходов напряже- 25 ния развер ""îê системы 8 сканирования на cooTветствующие входы разверток блока 10 визуализации подаются сигналы, формирующие растр на экране электронно-лучевой трубки блока 10 визуали"ации. В итоге на экране электронно-лучевой трубки блока 10 визуализации наблюдается увеличенное акустическое иэображение слоя исследуемого объекта в сечении, соответствующем установленному выходному напряжению генератора СВЧ (фокусному
I расстоянию устройства), причем контрастность изображения не зависит от выбора этого сечения, так как толщина слоев иммерсионной жидкости не изменяется в процессе регупировки фо кусного расстояния устройства.
В предложенный акустический сканирующий микроскоп с целью управления
\ его рабочей частотой Рн может быть дополнительно введен электромагнит, например, сверхироводящий соленоид, в рабочий объем которого помещается эвукопровод 1. В этом случае источник ч насыщения акустического парамагнитного резонанса и источник 7 зондирующих импульсов выполняются перестраиваемыми, причем перестройка
1 частот их генерации сопряжена с реГ гулировкой тока электромагнита таким образом, чтобы выполнялись соотношения Я „= Я,„= G.l| — g Q„> диапазоне регулировки рабочей частоты микроскопа B. i..
Формула и з обретения
Сканирующий акустический микроскоп, содержащий акустически связанные передающий фокусирующий элемент, состоящий из акустически связанных звукопровода с плоскопараллельными торцами и пьезопреобраэователя про-дольных волн, жидкостную ячейку и приемный элемент, последовательно соединенные систему сканирования и блок визуализации, источник зондирующих импульсов, выход которого соединен с входом пьезопреобраэователя. продольных 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 преобразования и акустически связан с вторым торцом звукопровода, который выполнен из однородно легированного парамагнитными ионами диэлектрического монокристалла.
1539б53
Составитель В.Молодцов
Техред М.Ходанич
Корректор С.Шекмар
Редактор M.Öèòêèíà
Заказ 214 Тираж 495 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по иэобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101
