Сканирующий акустический микроскоп

Полезная модель относится к устройствам для исследования и анализа материалов с помощью ультразвуковых колебаний, а именно к акустическим микроскопам.
Акустическая микроскопия - есть совокупность способов визуализации микроструктуры и формы малых объектов с помощью ультразвуковых и гиперзвуковых волн. Акустическая микроскопия основана на том, что ультразвуковые волны, прошедшие, отраженные или рассеянные отдельными участками объекта, имеют различные характеристики (амплитуду, фазу) в зависимости от локальных вязкоупругих свойств образца. Эти различия позволяют методами визуализации звуковых полей получать акустические изображения, восстанавливаемые компьютером на экране дисплея.
В сканирующей растровой акустической микроскопии сфокусированный в точку ультразвуковой пучок перемещается по объекту, изображение которого воссоздается по точкам в виде растра. Принимая ту или иную часть излучения, можно судить об акустических свойствах образца в области, размеры которой определяются размерами фокального пятна. Эти размеры согласно теории дифракции равны не менее длины волны ультразвуковых колебаний в данной среде.
Известен акустический микроскоп по патенту РФ №79219, содержащий излучатель ультразвука, акустическую линзу для фокусировки пучка, отраженного от объекта и акустического приемника.
Недостатком этого микроскопа является низкая разрешающая способность.
Диаметр пятна Эйри h определяется так называемым критерием Рэлея, который устанавливает предел концентрации (фокусировки) акустического поля с помощью линзовых систем [Борн М., Вольф Э. Основы оптики // - М.: Наука - 1970]:
-1
h=2.44 λFD,
где λ - длина волны излучения, D - диаметр первичного зеркала или линзы, F - фокусное расстояние фокусирующего устройства.
Диаметр пятна Эйри h является важным параметром фокусирующей системы, который определяет ее собственную разрешающую способность в фокальной плоскости и определяет качество получаемого изображения. Он показывает минимальное расстояние между полем точечных источников в фокальной плоскости, которое способна зарегистрировать данная система. Максимальное разрешение идеальной линзовой системы не может превышать величины λ/2.
В зависимости от того, какая часть излучения после взаимодействия с объектом регистрируется, различают акустические микроскопы «на отражение», на «пропускание».
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству и принятому за прототип является сканирующий акустический микроскоп по патенту США № 4028933, содержащий передающий акустический элемент со сферической акустической линзой, приемный акустический элемент, жидкостную ячейку (иммерсионную среду), установленную между передающими и приемными элементами, а также системы сканирования исследуемого объекта и восстановления его изображения на экране видеоконтрольного устройства.
В микроскопе акустическая волна, возбуждаемая преобразователем, фокусируется акустической линзой. Исследуемый объект сканируется в фокальной плоскости линз. Акустический пучок, прошедший через объект, принимается акустической линзой приемного элемента, причем оптические оси и фокусы обеих линз совпадают.
Достоинством устройства является возможность получать изображение деталей объекта, сравнимых с длиной волны.
Недостатком данного устройства является низкое пространственное разрешение, ограниченное дифракционным пределом формирующей системы.
Задачей, решаемой предлагаемым устройством, является повышение качества получаемого изображения исследуемого объекта за счет повышения разрешающей способности акустической формирующей системы.
Технический результат, который может быть получен при выполнении заявленного устройства - улучшение разрешающей способности акустических систем построения изображения исследуемых объектов.
,
Поставленная задача решается благодаря тому что в сканирующем акустическом мироскопе, содержащем передающий акустический элемент, включающий звукопровод, сферическую акустическую линзу, приемный акустический элемент, жидкостную ячейку, установленную между передающим и приемными элементами, а также системы сканирования исследуемого объекта и восстановления его изображения на видеоконтрольном устройстве, новым является то, что в области фокусировки акустической линзы установлена мезоразмерная частица с характерным размером не более поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0.5 до 0.83.
В результате проведенных исследований было обнаружено, что мезоразмерная частица, например, в форме куба или сферы, с характерным размером не более поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0.5 до 0.83, формирует на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной концентрацией энергии и с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10 λ.
При выполнении мазоразмерной частицы с размерами более поперечных размеров области фокусировки излучения формирующей системы увеличиваются габариты устройства формирования изображения при сохранении качества концентрации акустического излучения частицей. При характерных размерах мезоразмерной частицы менее λ/2 локальная концентрация акустического поля вблизи поверхности частицы не возникает.
При относительной скорости звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде менее 0.5 поперечный размер локальной области концетрации поля становится порядка дифракционного предела и может быть обеспечен формирующей системой.
При относительной скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде более 0.83 локальная концентрация акустического поля возникает внутри частицы и не может быть использована для облучения исследуемого объекта.
На фиг. 1 схематически изображен сканирующий акустический микроскоп, работающий на прохождение.
Он содержит генератор 1, пьезоэлектрический преобразователь 2, звукопровод 3, акустическую линзу 4, мезоразмерную частицу 5, формируемую область повышенной концентрации акустической энергии и с высоким пространственным разрешением 6, исследуемый объект 7, жидкостную ячейку (иммерсионная среда) 8, приемный акустический элемент 9, устройство механического сканирования 10, видеоконтрольное устройство 11.
Устройство работает следующим образом.
3
Сканирующий акустический микроскоп содержит в качестве передающего акустического элемента звукопровод из плавленого кварца с пьезоэлектрическим преобразователем из LiNBO 2, сферическую акустическую линзу 4, мезоразмерную частицу из рексалита в форме сферы или куба 5. Внешняя поверхность акустической линзы 4, мезоразмерная частица 4, исследуемый объект 7 и приемный акустический элемент 9 находятся в жидкостной ячейке 8. Сигнал с генератора 1 возбуждает пьезопреобразователь 2 на необходимой частоте. В фокальной плоскости акустической линзы 4 установлена мезоразмерная частица 5. Формируемая ею область повышенной концентрации акустической энергии и с высоким пространственным разрешением 6 сканируется исследуемый объект 7 с помощью сканирующего устройства 10. Приемный элемент 7, выполненный, например, из пьезополупроводникового материала, например, СdS. Принятый сигнал, синхронизированный со сканирующим устройством 10, подается на видеоконтрольное устройство 11.
Сравнение прототипа и предлагаемого устройства производилось на частоте 1 МГц с жидкостной ячейкой из воды при 25°С (скорость звука 1490 м/с), в материала частицы может использоваться рексолит (скорость звука 2311 м/с) относительная скорость звука 0.645, формы частиц сфера и куб с характерным размером 1.5 λ. Было установлено, что в предлагаемом устройстве достигнуто пространственное разрешение, превышающее пространственное разрешение по прототипу в 3-3.5 раза. Повышение пространственного разрешения в предлагаемом устройстве эквивалентно повышению частоты ультразвукового излучения в 3-3.5 раза в прототипе. Кроме того, повышение пространственного разрешения по предлагаемому способу приводит к одновременному повышению интенсивности акустического поля на объекте исследования без повышения интенсивности излучения источника акустического поля.