АКУСТИЧЕСКАЯ ГОЛОВКА

АКУСТИЧЕСКАЯ ГОЛОВКА
Полезная модель относится к оборудованию для неразрушающего ультразвукового контроля и может быть использована в приборах различного назначения, например, акустических микроскопах и ультразвуковых дефектоскопах.
Известна головка для акустического микроскопа, содержащий основание, одна из торцевых поверхностей которого имеет вогнутую сферическую поверхность, а на другой расположен пьезоизлучатель, ппичем со стороны сферической поверхности основания имеется иммерсионная среда -жидкость (Ультразвук. Маленькая энциклопедия. /Под ред. И.П. Голяминой. - М.: Сов. энциклопедия, 1979, с. 217).
Недостатком такого устройства являются сложность электрического согласования пьезоизлучателя с линией, подводящей электромагнитную энергию на высоких частотах.
Известна также головка для фокусирования ультразвуковых лучей в акустическом микроскопе (Патент Японии Ns 427500, МПК GO 1 N29/24), содержащий основание, на одном из торцов которого и.1еется сферический участок, контактирующий через иммерсионную жидкость 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 плохим электрическим согласованием на высоких частотах.
Наиболее близким к заявляемому, яв.пяется фокусирующий акустический преобразователь (Патент РФ Kt 2091185, МПК В06БЗ/04), состоящий из основания с выполненой в виде тела вращения фокусирующей поверхностью на стороне, обращенной к исследуемому образцу, и нанесенным на эту поверхность слоем пьезоэлектрического материала и иммерсионной средой.
Недостатком этого устройства является сложность электрического согласования преобразователя с линией, подводящей электромагнитную энергию к последнему, что ухудщает работу устройства, другим недостатком является сложность реализации конструкции согласующего устройства.
3 дачей полезной модели является улучщение электрического согласования на высоких рабочих частотах при сохранении высокого пространственного разрещения и эффективности электроакустического преобразования.
GlOKll/30
Поставленная задача решается тем, что в акустическом объективе, содержащем основание, на одном из торцов которого выполнена фокусирующая поверхность, на которой расположен пьезоизлучатель, контактирующий с исследуемым образцом через иммерсионную жидкость, согласно предлагаемого решения, основание выполнено в виде микрополосковой линии.
Пьезоизлучатель выполнен многослойным.
Часть основания, включающая торец, на котором размещена фокусирующая поверхность с пьезоизлучателем, покрыта диэлектрической пленкой для обеспечения электрической изоляции микрополосковой линии от иммерсионной жидкости.
Диэлектрическую пленку выбирают со значением акустического импеданса, лежащем в интервале значений акустических импедансов, соответствующих материалам пьезоизл)чателя и иммерсионной жидкости.
Заявляемое устройство поясняется чертежами, где конструкция заявляемого устройства представлена в продольном разрезе: на Фиг.1 - вид спереди, на Фиг.2 - вид сбоку.
П- зициями на чертежах обозначены: 1 - основание в виде микрополосковой линии; 2 - электрод микрополосковой линии; 3 - фокусирующая поверхность; 4 пьезоизлучатель; 5 - диэлектрическая пленка; 6 - иммерсионная жидкость.
Акустическая головка состоит из основания 1, на одном из торцов которого выполнена фокусирующая поверхность 3, на которой расположен пьезоизлучатель 4. Пьезоизлучатель 4 контактирует с исследуемым образцом через иммерсионную жидкость 6. Основание 1 акустического объектива выполнено в виде микрополосковой линии 2, обеспечт дающей согласованное подведение электромагнитной энергии непосредственно к пьезоизлучателю.
В одном из вариантов акустической головки пьезоизлучатель 4 выполнен многослойным.
В другом варианте акустической головки часть основания 1, включающая торец, на котором размещена фокусирующая поверхность 3 с пьезоизлучателем 4, покрыта диэлектрической пленкой 5 для обеспечения электрической изоляции электродов микропслосковой линии 2 Oil иммерсионной жидкости 6.
Наилучщими характеристиками обладает акустическая головка, в которой диэлектрическая пленка выбрана со значением акустического импеданса, лежащем в интервале значений акустических импедансов, соответствующих материалам пьезоизлучателя и иммерсионной жидкости.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Электрический сигнал подводится к пьезоизлучателю 4 через электрод 2 микрополосковой линии L что обеспечивает электрическое согласование пьезоизлучателя с линией, подводящей электромагнитную энергию на высоких частотах. Подведенный к пьезоизлучателю высокочастотный электрический сигнал, преобразуется в акустическое поле. В силу того, что пьезоизлучатель 4 находится непосредственно на фокусирующей поверхности 3 основания 1, акустическое поле, проходя сквозь иммерсионную жидкость 6. фокусируется на поверхности или под поверхностью на заданной глубине исследуемого образца. 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 -пьезоизлучатель. где преобразуется в электромагнитный сигнал, несущий информацию об исследуемом объекте.
Улучшение на высоких частотах электрического согласования пьезоизлучателя с линией, подводящей электромагнитную энергию, происходит за счет того, что основание акустического объектива выполнено в виде микрополосковой линии, имеющей стандартное волновое сопротивление. При этом импеданс пьезоизлучателя имеет оптимальное значение, соответствующее волновому сопротивлению подводящей линии. В отсутствии микрополосковой линии, совмещенной с основанием акустического объектива, как это имеет место в прототипе, обеспечение электрического согласования пьезоизл чателя с линией, подводящей электромагнитную энергию, на высоких частотах (от нескольких сотен Мегагерц до нескольких Гигагерц), представляет собой сложную радиотехническую задачу. Таким образом, предлагаемый акустический объектив обеспечивает, кроме улучшения электрического согласования, также упрощение конструкции согласующего устройства.
Дополнительное акустическое согласование пьезоизлучателя с исследуемым объектом реализуется при выполнении пьезоизлучателя многослойным, что уменьшае интерфе; опционные потери акустического сигнала и увеличивает чувствительность акустического объектива.
Улучшение характеристик (увеличение чувствительности и повышение коэффициента электроакустического преобразования) акустического объектива реализуется при выполнении последнего таким образом, что часть основания, включающая торец, на котором размещена фокусирующая поверхность с пьезоизлучателем, покрыта диэлектрической пленкой для обеспечения электрической изоляци.. микрополосковой линии от иммерсионной жидкости. В этом случае
уменьшаются потери электромагнитной мощности, подводимой к пьезоизлучателю. что приводит к улучшению характеристик акустического объектива.
Расчеты показывают, что улучшенное акустическое согласование пьезоизлучателя с иммерсионной жидкостью реализуется при выполнении условия, при котором диэлектрическую пленку выбирают со значением акустического импеданса, лежашем в интервале значений акустических импедансов, соответствующих материалам пьезоизлучателя и иммерсионной жидкости.
Пример конкретного выполнения. Акустическая головка, рассчитанный на центральную частоту 1000 МГц, имеющий пьезоизлучатель с полосой частот 1000 МГц (500 - 1500 МГц), основание которого представляет собой несимметричную микрополосковую линию, выполненную из сапфира с медными электродами, имеет на одном из торцов вогнутую сферическую фокусирующ)то поверхность. Радиус кривизны сферы составляет 75 микрометров, а диаметр зрачка фокусирующей поверхности 50 микрометров. При использовании пленки окиси цинка в качестве пьезоэлектрика, расчетная толщина пьезослоя для центральной частоты 1000 МГц составила 3 микрометра. В этом случае модуль импеданса пьезоизлучателя, примерно равен 200 Ом. Несимметричная микрополосковая линия имеет плавно изменяющуюся ширину одного из электродов от 500 микрон (у одного из торцов, где микрополосковая линия имеег волновое сопротивление 50 Ом и соединена с волноведущей СВЧ линией), до 125 микрон у противоположного торца, где микрополосковая линия соединена с пьезоизлучателем (и где микрополосковая линия имеет волновое сопротивление 200 Ом, равное оптимальному значению импеданса пьезоизлучателя). Такая простая конструкция согласующего устройства позволяет улучшить электрическое согласование пьезоизлучателя с линией, подводящей электромагнитную энергию на высоких частотах, а также улучшить коэффициент электроакустического преобразования пьезоизлучателя.
Пример многослойного выполнения пьезоизлучателя. Тонкопленочный пьезоизлучатель, выполнен на фокусирующей поверхности основания из сапфира н состоит из слоев: Хром (0.05микрометров); Медь (0.3 мкм); Окись цинка (Змкм); Медь (0.15 мкм). Такой преобразователь имеет широкую полосу частот, удачное акустическое согласование слоев, что обеспечивает повышение чувствительности акустического объектива.
При введении дополнительного диэлектрического покрытия части основания, включаюцей торец с фокусирующей поверхностью и пьезоизлучателем, уменьшаются диссипации энергии за счет изоляции проводника микрополосковой линии от иммерсионной жидкости, имеющей, в общем случае, конечную проводимость. При этом
происходит увеличение чувствительности и коэффициента преобразования п ьезоизлучателя.
В шолнение диэлектрической пленки, например, из моноокиси кремния, имеющей акустический импеданс, равный 15.48 -10 кг/сек м , дополнительно улучшает акустическое согласование между пьезоизлучателем (Окись цинка, акустический импеданс равен 34.1 -10 кг/сек м) и иммерсионной жидкостью (Вода, акустический импеданс равен L5 -10 кг/сек м).
Таким образом, заявляемое устройство отличается улучшенным электрическим согласованием пьезоизлучателя с линией, подводящей электромагнитную энергию на высоких частотах вплоть до нескольких Гигагерц, а также улучшенным акустическим согласованием пьезослоя с иммерсионной жидкостью, что позволяет использовать его в акустических микроскопах, работающих на высоких частотах для анализа микрообъектов, в том числе в биофизике и биомедицине.