ГОЛОВКА ДЛЯ АКУСТИЧЕСКОГО МИКРОСКОПА

ГОЛОВКА ДЛЯ АКУСТИЧЕСКОГО МИКРОСКОПА
Полезная модель относится к области неразрушающих ультразвуковых методов контроля и может быть испол; зовано в приборах различного назначения, например, акустиче :их микроскопах и ультразвуковых дефектоскопах.
Известна головка для акустического микроскопа, содержащая основание, одна из торцевых поверхностей которого имеет вогнутую сферическую поверхность, контактирующая с иммерсионной средой, а на другой расположен дискообразный пьезоизлучатель. (Ультразвук. Маленькая энциклопедия. /Под ред. И.П. Голяминой. - М.: Сов. энциклопедия, 1979, с. 217. 2. Дорожкин Л.М., Дороженко B.C. и др. Пленочный фокусирующий преобразователь для акустического микроскопа).
Недостатком этого устройства является низкая разрешающая способность, вследствие существования боковых лепестков высокой амплитуды в диаграмме направленности пьезоизлучателя, что обусловлено дискообразной конструкцией последнего.
Известен также фокусирующий акустический преобразователь (Патент РФ .№ 2091185, МПК В06ВЗ/04), состоящий из основания с выполненной в виде тела вращения фокусирующей поверхностью  на стороне, обращенной к исследуемому образцу, и нанесенным на эту поверхность слоем пьезоэлектрического материала и иммерсионной средой.
Недостаток, описанный выще, характерен также и для данного преобразователя.
Наиболее близким к заявляемому является (Патент Японии № 427500, GO 1 N29/24) объектив для фокусирования ультразвуковых лучей в акустическом микроскопе, содержащий основание, на одном из торцов которого имеется сферический участок, контактирующий со звукопроводящей средой, а на противоположном торце основания, расположен пьезоизлучатель, при этом на поверхности сферического участка сформирована пленка из специально обработанного халькогенного стекла.
Данное устройство характеризуется также невысоким пространственным разрешением.
Задачей полезной модели является повыщение разрещающей способности устройства за счет введения дополнительных пьезоизлучающих элементов оригинальной формы, которая обеспечивает в процессе работы подавление паразитных боковых лепестков в диаграмме направленности пьезоизлучателя при сохранении-.
г 5 05 1 г 6 6 3 5
G1 OKI 1/30
чувствительности устройства, обеспечивающейся высокой эффективностью электроакустического преобразования сигналов.
Поставленная задача решается тем, что в головке для акустического микроскопа, содержащей основание, один из торцов которого имеет, по крайней мере, одну фокусирующую поверхность, а на другом расположен, по крайней мере, один дискообразный пьезоизлучатель, согласно предлагаемого решения, введены дополнительно не менее двух пр.езоизлучателей кольцеобразной формы, расположенных коаксиапьно относительно фокусирующей поверхности и дискообразного пьезоизлучателя и совпадающих с ним по толщине, при этом внутренний и внещний радиусы каждого из кольцеобразных пьезоизлучателей относятся как 2:3, а величина зазоров между пьезоизлучателями не превыщает их толщины.
Пьезоизлучатели выполнены многослойными, при этом последовательности толщин слоев в каждом из пьезоэлементов выполнены повторяющимися.
Основание выполнено с поперечным размером D, который определяют из следующего соотношения: и продольным размером L , который определяют из соотнощения где - R радиус пьезоизлучателя. а Л - длина акустической волны в материале основания.
Разрешающая способность повышается также за счет определения геометрических размеров основания - продольных и поперечных, которые подчиняются соответствующим соотнощсниям, а именно: поперечный размер основания не должен превыщать 75 отношений радиуса пьезоизлучателя к длине акустической волны в материале основания, а продольный размер - может достигать 1000 длин акустических волн в материале основания. Это устраняет переотражение и рассеяние акустических волн стенками основания и увеличивает, тем самым отношение сигнал - щум, что, в свою очередь, приводит к увеличению разрешающей способности акустического объектива.
Заявляемое устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена конструкция заявляемого устройства в продольном разрезе; на Фиг 2. показан вид сверху на акустический объектив; на Фиг 3. приведена диаграмма направленности акустического объектива заявляемого устройства (1) в сравнении с прототипом (2).
Позициями на чертежах обозначены: 1 - основание; 2 - фокусирующая поверхность; 3,4 - пьезоизлучатели
(R/Л)
L 1000 (R/Л),
прямоугольные параллелепипеды), один из торцов которого имеет фокусирующую поверхность 2, а на другом расположены дискообразный и не менее двух кольцеобразных пьезоизлучателей коаксиально с фокусирующей поверхностью. Пьезоизлучатели имеют одинаковую толщину. Внутренний и внещний радиусы каждого из кольцеобразных пьезоизлучателей относятся как 2:3. Величина зазоров между пьезоизлучателями не превыщает их толщины.
В одном из вариантов пьезоизлучатели могут быть выполнены многослойными, при этом количество слоев определяется условиями электрического согласования пьезоизлучателя с линией, подводящей к нему электромагнитную энергию, и акустического согласования пьезоизлучателя с основанием объектива. Последовательности толщин слоев в каждом из пьезоизлучателей выполнены повторяющимися.
Наилучшими характеристиками обладает заявляемое устройство, в котором основание имеет продольный L и поперечный D размеры, подчиняющиеся следующим соотношениям
(R/A), (R/A),
ГДР - R радиус пьезоизлучателя, а Л - длина акустической волны в материале основания.
Количество пьезоизлучателей, равное количеству фокусирующих поверхностей, определяется структурной схемой измерительной установки, в которой используется заявляемое устройство. Увеличение количества пьезоизлучателей, имеющих геометрию, соответствующую заявляемой, наряду с увеличением разрешающей способности, приводит к увеличению скорости обработки сигиалов, содержащих информацию об исследуе .ом объекте, с помощью акустического микроскопа, содержащего заявляемое устройство.
Устройство по П.П.1 и 2 работает следующим образом. Электрический сигнал, подведенный к пьезоизлучателям 3 и 4, включенным электрически параллельно, преобразуется в акустическое поле, имеющее пространственную форму пучка, распространяющегося вдоль основания 1 до фокусирующей поверхности 2. Для уменьшения акустического затухания при работе устройства между объективом и исследуе-аым объектом /вьодится иммерсионная жидкостъ. Акустические волны претерпевают преломление на границах разделов: материал основания - иммерсионная жидкость и иммерсионная жидкость - исследуемый объект. Акустический пучок фокусируется на поверхности исследуемого объекта или внутри объекта на заданном
расстоянии от его поверхности. Акустическая волна, отраженная от локальных неоднородностей на поверхности или под поверхностью исследуемого образца возвращается по тому же пути в обратном направлении: исследуемый объект иммерсионная жидкость - основание объектива - пьезоизлучатели, где преобразуется в электромагнитный сигнал, несущий информацию об исследуемом объекте.
Повышение разрешающей способности объектива происходит за счет подавления, примерно на порядок, интенсивности боковых лепестков в диаграмме направленности пьезоизлучателя в сравнении с дискообразным пьезоизлучателем, что обеспечивается введением не менее двух дополнительных пьезоизлучателей кольцеобразной формы, располож нных коаксиально с фокусирующей поверхностью и с дискообразным пьезоизлучателем и имеющих отнощения внутреннего радиуса к внещнему в каждом кольце, равные 2/3.
На Фиг. 3. Приведены угловые спектры излучения пьезоизлучателей (1) - в объективе с дискообразным пьезоизлучателем и (2) - в заявляемом устройстве. На графике даны распределения интенсивности излучения (/) в зависимости от синуса угла между нормалью к плоскости пьезоизлучателя и направлением распространения акустиче гой волны (w).
График на Фиг. 3. наглядно демонстрирует уменьшение на порядок уровня интенсивности боковых лепестков (2) первого порядка в заявляемом устройстве в сравнении с уровнем интенсивности боковых лепестков (1) первого порядка в объективе с дискообразным пьезоизлучателем. Подавление боковых лепестков в диаграмме направленности пьезоизлучателя приводит к увеличению разрешающей способности акустического объектива при сохранении высокой чувствительности устройства за счет эффективного электроакустического преобразования сигналов.
Расчеты, а также экспериментальные исследования показывают, что при поперечном размере основания линзы, меньшем, чем 75 отношений радиуса пьезоизлучателя к длине акустической волны в материале основания, происходит «касание акустическим пучком стенок основания и, как следствие, переотражение и рассеяние акустических волн стенками основания, что приводит к ухудшению отношения сигнал - шум, дополнительному искажению информационного импульса и, в конечном счете, - к ухудшению разрешающей способности акустического объектива. Принятие
поперечных размеров основания, превыщающими 75 отнощений радиуса пьезоизлучателя к длине акустической волны в материале основания, при продольном размере основания, достигающим 1000 отношений радиуса пьезоизлучателя к длине акустической волны в
материале звукопровода, приводит к устранению указанных эффектов и, как следствие, к увеличению разрешающей способности.
Продольный размер основания является оптимальным в пределах указанного значения. Превышение продольного размера указанного значения приводит к возникновению дополнительных искажений за счет значительной пространственной расходи.ости акустического гххчка.
Пример конкретного вьшолнения.
Акустический объектив, рассчитанный на центральную частоту 100 МГп, имеюший пьезоизлучатель с полосой частот 100 МГц (50 - 150 МГц), выполненный из кристалла ниобата лития YZ+36° среза и размещенный на одном из торцов основания объектива, которое изготовлено из плавленого кварца длиной 20 мм и диаметром 12 мм, имеет фокусирующую поверхность на другом из торцов основания. Диаметр фокусирующей апертуры 4 мм, радиус кривизны вогнутой поверхности составляет 5 мм, угловая апертура акустического излучения в воде составляет 17.5 градусов. Диаметр пьезоизлучателя дискового типа составляет 4.50 мм. Внутренний диаметр первого кольца пьезоизлучателя составляет 4.55 мм, а внешний диаметр первого кольца 6.75 мм. Внутренний диаметра второго кольца пьезоизлучателя равен 6.80 мм, а внешний диаметр 10.12 мм. Длина звуковой волны в плавленом кварце на частоте 100 МГц равна 59.6 микрометра. При подведении к пьезоизлучателю импульса длительностью 10 наносекунд и амплитудой 3 вольта, импульсный отклик от плоской отражающей поверхности имеет амплитуду 50 милливольт. Длительность импульсного отклика в случае объектива с дискообразным пьезоизлучателем составляет, примерно 15 наносекунд, а в случае заявляемого устройства исходный импульс, практически не искажается, и его длительность остается, примерно равной 12 наносекундам.
При поперечном размере основания, равном 12 мм и продольном размере 20 мм, акустический пучок не касается стенок основания и отношение сигнал - щум составляет, примерно 60 децибел, тогда как при выполнении основания с поперечным размером, меньшим 10.5 мм, происходит резкое уменьшение отношения сигнал - шум до значений в 30 децибел, что искажает информацию об исследуемом объекте.
Заявляемое устройство отличается повышенной разрешающей способностью, что позволяет использовать его в акустических микроскопах, работающих на высоких частотах для анализа микрообъекгов, в том числе, в биофизике и биомедицине.