[1]Изобретение относится к акустической микроскопии, т.е. к получению увеличенного изображения предметов при помощи ультразвуковых колебаний высокой частоты, и может быть использовано в ультразвуковой дефектоскопии микрошлифов металлов, в медицинской диагностике, особенно для наблюдения слабоокрашенных биологических препаратов и т.п.
[2]Известен акустический микроскоп, содержащий пьезопреобразователь, жидкостную ячейку, пластину с полупрозрачной зеркальной пленкой, граничащей с жидкостной ячейкой, лазер, рефлектор, зеркало и блок восстановления изображения исследуемого объекта с электронно-лучевой трубкой [1].
[3]Недостатком этого микроскопа является относительная сложность конструкции, обусловленная конструктивными особенностями входящих в микроскоп оптических элементов.
[4]Наиболее близким по технической сущности к изобретению является сканирующий акустический микроскоп, содержащий передающий фокусирующий элемент, состоящий из пьезопреобразователя продольных волн и звуковода в виде стержня, на торце которого закреплен пьезопреобразователь, приемный акустический элемент, жидкостную ячейку, установленную между передающим и приемным элементами, систему сканирования исследуемого объекта и блок восстановления изображения объекта с электронно-лучевой трубкой. Свободный торец звуковода передающего фокусирующего элемента сканирующего акустического микроскопа выполнен в виде сферической акустической линзы [2].
[5]Недостатком известного сканирующего акустического микроскопа является относительная сложность конструкции, которая обусловлена как сложностью изготовления акустической линзы сферического типа из тяжелых в обработке монокристаллических материалов, например сапфира, так и трудностью юстировки взаимного расположения исследуемого объекта, акустической линзы передающего элемента и приемного элемента и недостаточной контрастностью изображения вследствие необходимости использования относительно большого слоя иммерсионной жидкости из-за вогнутой поверхности акустической линзы звуковода передающего фокусирующего элемента, что приводит к значительному поглощению ультразвуковых колебаний на частотах свыше 0,1 ГГц.
[6]Цель изобретения - упрощение конструкции сканирующего акустического микроскопа и увеличение контрастности изображения исследуемого объекта.
[7]Эта цель достигается тем, что в сканирующем акустическом микроскопе, содержащем передающий фокусирующий элемент, состоящий из пьезопреобразователя продольных волн и звуковода в виде стержня, на торце которого закреплен пьезопреобразователь, приемный акустический элемент, жидкостную ячейку, установленную между передающим и приемным элементами, систему сканирования исследуемого объекта и блок восстановления изображения объекта с электронно-лучевой. трубкой, звуковод выполнен в виде кругового прямого цилиндра из материала, имеющего аксиально-симметричное распределение упругих свойств по закону
[8]
[9]где r - расстояние от оси цилиндра, м;
[10]С(r) - скорость распространения продольных ультразвуковых колебаний на расстоянии г, м/с;
[11]С0 - скорость распространения продольных ультразвуковых колебаний по оси цилиндра, м/с;
[12]L - длина волны осцилляции пучка ультразвуковых колебаний внутри цилиндра, м.
[13]На чертеже схематически изображен сканирующий акустический микроскоп.
[14]Сканирующий акустический микроскоп содержит передающий фокусирующий элемент 1, приемный акустический элемент 2, выполненный, например, в виде стержня из пьезополупроводникового материала с плоским приемным торцом, жидкостную ячейку 3, установленную между передающим 1 и приемным 2 элементами. В ходе работы сканирующего акустического микроскопа в жидкостной ячейке 3 располагается исследуемый объект 4. Передающий фокусирующий элемент 1 включает пьезопреобразователь 5 продольных волн и звуковод 6, на торце которого закреплен пьезопреобразователь 5. Сканирующий акустический микроскоп содержит также систему 7 сканирования исследуемого объекта 4 и блок 8 восстановления изображения объекта 4 с электронно-лучевой трубкой. Звуковод 6 передающего фокусирующего элемента 1 выполнен в виде кругового прямого цилиндра из материала, имеющего аксиально-симметричное распределение упругих свойств по закону
[15]
[16]где r - расстояние от оси цилиндра звуковода 6, м;
[17]C(r) - скорость распространения продольных ультразвуковых колебаний на расстоянии r, м/с;
[18]С0 - скорость распространения продольных ультразвуковых колебаний по оси цилиндра звуковода 6, м/с;
[19]L - длина волны осцилляции пучка ультразвуковых колебаний внутри цилиндра звуковода 6, м.
[20]Кроме того, сканирующий акустический микроскоп содержит генератор 9 радиочастотных импульсов, электрически связанный с пьезопреобразователем 5 передающего фокусирующего элемента 1. Оптимальной длиной цилиндра звуковода 6 передающего фокусирующего элемента 1 является величина, равная четверти длины L волны осцилляции пучка ультразвуковых колебаний по оси цилиндра, так как при этом обеспечивается фокусировка акустических колебаний на свободном торце цилиндра при его минимальной длине, т.е. с минимальным поглощением ультразвуковых колебаний в звуководе 6. Для получения фокального пучка на определенном расстоянии от свободного торца звуковода 6 необходимо его длину взять несколько меньше четверти длины L волны осцилляции. В общем случае рабочий отрезок S для фокусирующего элемента 1 с распределением упругих свойств по указанному закону определяется из выражения
[21]
[22]где Z - длина цилиндра звуковода 6, м;
[23]Сср - скорость распространения продольных ультразвуковых колебаний в окружающей звуковод 6 среде, м/с.
[24]Сканирующий акустический микроскоп работает следующим образом.
[25]Радиочастотные импульсы с генератора 9 поступают на пьезопреобразователь 5 передающего фокусирующего элемента 1 и преобразуются им в продольные ультразвуковые колебания. Ультразвуковые колебания, распространяясь по криволинейной траектории в звуководе 6, фокусируются вблизи его свободного торца непосредственно на исследуемом объекте 4, расположенном в жидкостной ячейке 3. Затем ультразвуковые колебания попадают на приемный акустический элемент 2 - пьезополупроводниковый детектор, например монокристалл сульфида кадмия, и преобразуется им в монополярный видеоимпульс. С приемного элемента 2 сигналы поступают на блок 8 восстановления изображения объекта 4 с электронно-лучевой трубкой с памятью. В ходе работы сканирующего акустического микроскопа система 7 осуществляет сканирование исследуемого объекта 4 и синхронизирует свою работу с работой блока 8 восстановления изображения. При этом на экране электронно-лучевой трубки с памятью блока 8 возникает изображение исследуемого объекта 4, увеличение и контрастность которого зависят, в частности, от частоты используемых ультразвуковых колебаний и поглощающих свойств иммерсионной жидкости ячейки 3.
[26]Цилиндр из акустически прозрачного материала, в котором создано аксиально-симметричное распределение его упругих свойств по указанному закону, может быть изготовлен следующим образом. Цилиндр из многокомпонентного силикатного стекла, содержащего натрий, помещают в солевой расплав, содержащий литий. Температуру расплава доводят до температуры на 50-100°С выше температуры стеклования. Выдерживают цилиндр в расплаве определенное время, необходимое для взаимной диффузионной замены ионов натрия стекла на ионы лития расплава, которая происходит в радиальном направлении. Время выдержки определяется коэффициентами взаимодиффузии тех и других ионов, а также размерами цилиндра, которые могут применяться, например, от диаметра 0,1 мм до диаметра 20 мм.
[27]Проведенные исследования показали, что обработанный указанным способом цилиндр размерами ⌀10×40 мм из стекла состава, мас. %: SiO2 60; Al2O3 20, Li2O 10; Na2O 10 в паре с пьезопреобразователем из ЦТС-19 позволяет получить в дистиллированной воде тонкий ультразвуковой "луч", который сравнительно мало расходится и на расстоянии 40-50 мм. Данные исследования указывают на существенное упрощение работы со сканирующим акустическим микроскопом, так как отпадает необходимость его фокусировки на исследуемый объект.
[28]Звуковод из материала с аксиально-симметричным распределением его упругих свойств может быть использован и в приемном акустическом элементе.
[29]Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет упростить конструкцию микроскопа и увеличить контрастность изображения, так как толщина слоя иммерсионной жидкости сводится к минимуму, определяемому по существу только толщиной исследуемого объекта, звуковод имеет простую геометрическую форму, а механическое сканирование исследуемого объекта происходит между двумя весьма гладкими плоскопараллельными поверхностями.
