ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.05.2024
Просмотров: 14
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Звуковая волна, падая на поверхность раздела двух сред, как и световая волна, частично проходит в другую среду. При этом происходит преломление волны, т. е. если волна падает на поверхность раздела под углом фь то в следующей среде направление движения волны (звукового луча) будет под другим углом ( фг). Отношение угла падения к углу преломления (рис. 1.11) определяется отношением скоростей распространения звуковых колебаний в этих средах з п 1131/8111 г з2=с1/с2, где С1 и Сг — скорости звука в обеих средах. Если удельные акустические сопротивления обеих сред близки друг к другу, то почти вся энергия перейдет из одной среды в другую, а если при этом среды (или материалы из них) будут иметь разные скорости звука, то можно сделать акустические линзы из таких материалов (см. разд, 6),
Чувствительность дефектоскопа с непрерывным излучением можно повысить, концентрируя ультразвуковые волны с помощью акустических линз. Акустические линзы изготовляют обычно из органического стекла.
Поведение ультразвука в материалах
Ультразвук в широком смысле определяется как любой звук, имеющий частоту выше 20 кГц, что является приблизительно самой высокой частотой, которую может уловить человеческое ухо. Тем не менее, акустические микроскопы излучают ультразвук в диапазоне от 5 МГц до 400 МГц, что позволяет достичь разрешения в микрометрах. Ультразвук, проникающий в образец, может рассеиваться, поглощаться или отражаться внутренними элементами или самим материалом. Эти действия аналогичны поведению света. Ультразвук, отраженный от внутреннего элемента или (в некоторых приложениях) прошедший через всю толщу образца, используется для получения акустических изображений.
Ультразвуковые частоты
Ультразвуковые частоты, излучаемые в образцы преобразователями акустических микроскопов, варьируются от низких 10 МГц (редко 5 МГц) до высоких 400 МГц или более. В этом спектре частот существует компромисс между проникновением и разрешением. Ультразвук на низких частотах, таких как 10 МГц, проникает глубже в материалы, чем ультразвук на более высоких частотах, но пространственное разрешение акустического изображения меньше. С другой стороны, ультразвук на очень высоких частотах не проникает глубоко, но обеспечивает акустические изображения с очень высоким разрешением. Частота, выбранная для получения изображения конкретного образца, будет зависеть от геометрии детали и используемых материалов.
Приведенное ниже акустическое изображение микросхемы, заключенной в пластик, было сделано с использованием преобразователя с частотой 30 МГц, поскольку эта частота обеспечивает хороший компромисс между проникновением и разрешением изображения.
Акустическая микроскопия
История
Понятие акустической микроскопии восходит к 1936 году, когда С. Я. Соколов предложил устройство для получения увеличенных изображений структуры с помощью звуковых волн частотой 3 ГГц. Однако из-за технологических ограничений того времени такой прибор не мог быть сконструирован, и только в 1959 году Данн и Фрай[2] провели первые эксперименты по акустической микроскопии, хотя и не на очень высоких частотах.
Научная литература показывает очень незначительный прогресс в создании акустического микроскопа после экспериментов Данна и Фрая примерно до 1970 года, когда появились две группы исследователей, одну из которых возглавил К.Ф. Куэйт (Стэнфордский университет), а другую - А. Корпел и Л.В. Кесслер (Zenith Radio Research Labs). Первые попытки разработать операционный акустический микроскоп были сосредоточены на высокочастотной адаптации низкочастотных методов ультразвуковой визуализации. В одной из ранних систем использовалась брэгговская дифракционная визуализация[3], основанная на прямом взаимодействии между полем акустических волн и лазерным лучом. Другой пример был основан на вариациях ячейки Полмана.[4] Оригинальное устройство основано на суспензии асимметричных частиц в тонком слое жидкости, которые при воздействии акустической энергии вызывают визуальные изменения отражательной способности. Каннингем и Куэйт [5] модифицировали это, поместив крошечные латексные сферы в жидкость. Акустическое давление вызывало изменения популяции, которые можно было обнаружить визуально. Кесслер и Сойер[6] разработали жидкокристаллическую ячейку, которая позволяла обнаруживать звук по гидродинамической ориентации жидкости. В 1973 году группа Quate начала разработку концепции,[7], в котором использовался первый сканирующий акустический микроскоп (SAM) с конфокальной парой ультразвуковых линз 50 МГц для фокусировки и обнаружения ультразвуковой энергии. В 1974 году эта концепция была реализована Р. А. Лемонсом и К. Ф. Куэйтом в Микроволновой лаборатории Стэнфордского университета. Достижения этого прибора, сканирующего акустического микроскопа, связаны с достижением очень высокого разрешения, новыми режимами получения изображений и приложениями.
С тех пор было сделано много усовершенствований в системах акустической микроскопии для повышения разрешения, качества и точности изображения. Большинство из них были подробно описаны в книге Бриггс, Эндрю (1992). Продвинутый в акустической микроскопии. Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-1-4615-1873-0., Маев, Роман (2008). Акустическая микроскопия: основы и приложения. Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40744-6., а также недавно в Маев, Роман (2013). Достижения в области акустической микроскопии и ультразвуковой визуализации высокого разрешения: от принципов к новым приложениям. Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-41056-9.
Принцип работы ультразвукового микроскопа состоит в следующем. В сосуде с жидкостью находится объект, увеличенное изображение которого мы хотим получить при помощи ультразвука. Узкий пучок ультразвуковых лучей, идущий от кварцевой пластинки /, освещает этот объект 2 отражённые от него ультразвуковые лучи собираются акустической линзой 3 на кварцевой пластинке 4 (рис. 190). [c.298]
Типы акустических микроскопов
За полвека, прошедшее с момента первых экспериментов, непосредственно приведших к разработке акустических микроскопов, было разработано по крайней мере три основных типа акустических микроскопов. Это сканирующий акустический микроскоп (SAM), конфокальный сканирующий акустический микроскоп (CSAM) и сканирующий акустический микроскоп C-mode (C-SAM).[16]
Совсем недавно акустические микроскопы, основанные на системах пикосекундного ультразвука, продемонстрировали акустическую визуализацию в клетках с использованием субоптических длин волн, работающих с ультразвуковыми частотами в диапазоне нескольких ГГц. Поскольку подавляющее большинство используемых сегодня акустических микроскопов являются приборами типа C-SAM, это обсуждение будет ограничено этими приборами.[17]1>