Введение к работе
Актуальность темы. С момента своего возникновения акустическая микроскопия рассматривалась как перспективный метод изучения и неразрушаюцего контроля микроструктуры и локальных свойств твердых, тел. Однако, вплоть до последних лет реальная область- ее применения была ограничена, поскольку разрабатывались, в основном, принципы и методы акустической" визуализации- и характеризации поверхности плоских образцов, которые но в состоянии конкурировать с оптическими или электронно-микроскопическими методами. Отношение к акустической микроскопии принципиально меняется, когда речь идет об изучении внутренней структуры в объеме образцов. Имеется значительное число сред -.непрозрачные, проводящие среды и т.д, для-„которых такое изучение осуществимо только методами акустической микроскопии. Однако использование акустической микроскопии для наблюдения внутренней микроструктуры твердых тел сразу же натолкнулось на ряд принципиальных трудностей. Лишь в последние годы было предлояено несколько подходов к проблеме развития акустической микроинтраскопии.
В существующих системах. сканирующей акустической микроскопии используются достаточно протяженные зондирующие импульсы. Как следствие, импульсы, отраженные от различных элементов внутренней структуры, перекрываются и накладываются на мощный импульс, обусловленный отражением от передней поверхности объекта. Разделить отраженные импульсы и сформировать из них акустические изображения внутренних структур в этих условиях, как правило,, не удается. Для разрешения этих трудностей естественным является использование ультракоротких зондирующих импульсов. Однако, разработка как принципов акустической микроскопии на ультракоротких импульсах, так и соответствующей аппаратуры на высокочастотном ультразвуке только начинается. Данная диссертация посвящается экспериментальному и теоретическому анализу ряда возникающих при этом проблем.
Принципиальной является проблема формирования выходного сигнала сканирующего акустического микроскопа (САМ). При отражении от плоской границы раздела ультракороткие акустические импульсы могут существенно изменять свою пространственно-временную структуру. Для интерпретации акустических изображений, для развития количественных методов акустической микроскопии
необходимо теоретическое и экспериментальное исследование взаимодействия короткоимпульсных сходящихся пучков с плоской границей раздела, анализ формирования выходного сигнала микроскопа отраженным пучком после такого взаимодействия и изучение ' зависимости выходного сигнала от положения линзы, параметров линзовой системы и акустических свойств образца. При формировании акустических изобранений элементов ' внутренней структуры эти проблемы усугубляются сферическими аберрациями, возникающими ?а счет преломления сходящегося пучка на границе раздела иммерсионной аидкостл и исследуемого образца и сильно искажающими структуру пучка дане в изотропном образце. При изучении внутренней структуры анизотропных материалов возникают дополнительные сложности, связанные с угловой зависимостью фазовой скорости волны от направления волнового вектора. Особый интерес проблеме формирования акустических изображений в анизотропных средах придает эффект преимущественного распространения акустической энергии вдоль определенных направлений в этих средах (эффект так называемой фононной фокусировки). .
В настоящее время достаточно псмно разработаны принципы акустической микроскопии для визуализации плоских объектов (поверхностей или слоев). С другой стороны акустическая микроскопия широко используется'для исследования объектов, форма которых близка к сферической (микровключения в различных неоднородных средах, биологические- клетки и др.). Недавно была теоретически реаена задача о взаимодействии фокусированного акустического пучка с упругой сферой произвольного радиуса [6]. Актуальной является экспериментальная -проверка теоретических представлений и разработка на этой основе принципов визуализации неплоских объектов и акустомикроскопических методов измерения их геометрических и упругих параметров.
Акустическая микроскопия относится к методам керазрушающего контроля, основным - достоинством которых является возковность исследования внутренней структуры объектов без изменения их состояния. К числу факторов, способных вызвать изкенения в образце при облучении его фокусированным ультразвуковым пучком, относятся преяде всего нагрев образца, величина которого может сказаться существенной при изучении например, фазовых переходов в различных материалах или при исследовании биологических
объектов.
Перечисленные проблемы и определили основное направление работ, легших в основу диссертации.
Цель работы: разработка методов сканирующей импульсной ультразвуковой микроскопии для исследования и неразрушающего контроля микроструктуры и локальных механических свойств твердых тел, в том числе некоторых анизатропных материалов и неплоских объектов.
Научная новизна работы. В настоящей работе впервые получены следующие результаты:
Исследовано взаимодействие импульсного фокусированного ультразвукового пучка с плоской поверхностью раздела кидкость-твердое тело. Отравенныи сигнал формируется в виде двух импульсов - зеркально отраженного и возникающего за счет переизлучения стекающей поверхностной волны. Показано, что существует интервал положений акустической линзы, для которых форма этих импульсов слабо зависит от расстояния нейду линзой и объектом, а сани импульсы разделяются во времени. На основе этого разработана методика локального измерения абсолютной величины скорости вытекающей поверхностной волны с использованием фокусирующей системы с импульсным возбуждением.
Исследованы особенности формирования выходного сигнала импульсного САМ при отражении ультразвука от плоской границы раздела внутри изотропного твердого тела. При этом выходной сигнал САН содержит три максимума, соответствующие трансформации падающего фокусированного ультразвукового пучка в продольную и поперечную волны и их конверсии на внутренней неоднородности. Показано, что использование аподизированной линзы с затененной центральной частью позволяет получать изображение' элементов внутренней структуры только в поперечных волнах. Показано, что рефракционные абберации существенно ограничивают разрешение САМ. Найдена оптимальная апертура акустической линзы, при которой достигается максимальное разрешение САМ на заданной глубинэ внутри твердотельного образца при формировании изображения продольными волнами.
Исследована аномалия распространения фокусированного ультразвукового пучка в слоистых кристаллах, связанная с процессом фононной фокусировки. Предложена методика исследования струкруры дефектов высоко-ориентированного пирографита, обнаружен
принципиально новый тип дефекта в виде множественных отслоений, с толщиной, сравнимой с атомными размерами.
Экспериментально изучена зависимость выходного сигнала САМ от положения сферического объекта при его сканировании в ; фокусированном пучке. Найдена зависимость видимого размера объекта от апертуры акустической линзы и частоты ультразвука.
Теоретически изучен процесс нагрева объекта, помещенного в фокальнув область САМ в процессе получения изображения. Получены приблииенные аналитические выражения для оценки его величины. Показано, что повышение температуры заведомо мало (<0,1с) для твердотельных образцов, но может достигать нескольких градусов в биологических объектах (клетки, ткани). Практическая ценность работы.
Разработан и доведен до серийного изготовления импульсный
ультразвуковой микроскоп с амплигудно-временным анализом формы
сигнала, предназначенный для исследования внутренней структуры
, оптически непрозрачных образцов, исследования- локальных
.механических . свойств материалов и неразрушающего контроля
изделий. - . . "_ _
/ .. Разработан и создан принципиально новый ультразвуковой
объектив на' основе пьезоэлектрического преобразователя,
. обладающий хорошими импульсными - характеристиками в широком
диапазоне частот. ."
Разработанная методика исследования топологии внутренних дефектов слоистых кристаллов использовалась в НИИ "Графит" для . отработки методики- получения бездефектных кристаллов и пленок, обладавших повышенной адгезией. ..'"- -
Разработанная методика определения структуры акустических полей сферического фокусирующего преобразователя с помощью тест-.. объекта, размеры которого существенно больше длинн волны ультразвука. Разработаны методы определения размера сферических объектов, которые могут стать- основой для определения величины и механических свойств посторонних включений в исследуемом материале.
Решен вопрос .о величине разогрева образца в процессе получения акустического изображения. Получены формулы, которые Могут использоваться для оценки вносимых микроскопом искажений при исследовании температурозависимых процессов, таких как фазовые переходы и, например, при исследовании биологических
объектов.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на 19-ом Международном симпозиуме "Acoustical imaging", Бохум, ФРГ, 1991, на 20-ом Международном симпозиуме """Acoustical imaging", Нанкин, КНР, 1992, на Меадународном симпозиуме "Ultrasonic international", Бена, Австрия, 1993, и на семинарах Центра акустической микроскопии Института химической физики РАН и кафедры акустики МГУ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения я списка литературы. Объем диссериации составляет 135 страниц, содержит 38 рисунков. Список литературы содержит 156 наименований. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
