DE1004820B - Anordnung zur Umwandlung von Ultraschall-Bildern in sichtbare elektronenoptische Bilder - Google Patents

Description

• Anordnung zur Umwandlung von Ultraschall-Bildern in sichtbare elektronenoptische Bilder Die zur Umwandlung von schalloptischen Bildern in sichtbare Bilder bekannten Anordnungen setzen entweder die beiderseitige Zugänglichkeit des zu prüfenden Objektes voraus, oder sie erfordern einen verhältnismäßig großen Aufwand. So sind z. B. Anordnungen vorgeschlagen worden, bei denen piezoelektrische Ladungen, die durch den Schalldruck auf den Außenflächen eines in Resonanz befindlichen Quarzes als Empfänger entstehen, zur Erzeugung eines Bildes benutzt worden, indem ein Elektronenstrahl analog den in der Fernsehtechnik benutzten Methoden die Quarzfläche abtastet. Die Raumladungen beeinflussen die an der Oberfläche entstehenden Sekundärelektronen gemäß dem Bildinhalt. Eine Absaugeelektrode fängt diese Elektronen ein und führt sie einer Verstärkeranordnung zu. Für diese Arbeitsweise sind Anordnungen nötig, wie sie zur Bildzerlegung und Wiederzusammensetzung in der Fernsehtechnik bekannt sind.
• Sie erfordern daher einen sehr großen und teuren Aufwand.
• Für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung sind derartige Anordnungen wegen der durch den großen Aufwand bedingten schlechten Beweglichkeit nicht tragbar.
• Die Erfindung richtet sich auf eine Anordnung, bei der zur Bilddarstellung eines nur einseitig zugänglichen Prüflings keine bildzerlegende Elemente notwendig sind und bei der darüber hinaus eine schalloptische Vergrößerung möglich ist. Dies wird dadurch erreicht, daß in der Bildebene eines schalloptischen Systems ein auf die verwendete Ultraschallfrequenz abgestimmter piezoelektrischer Schwinger angeordnet ist, dessen Rückseite erfindungsgemäß mit einer als Kathode für ein elektronenoptisches Abbildungssystem dienenden emissionsfähigen Schicht versehen ist, deren Elektronenemission durch die vom Ultraschall-Bild hervorgerufene Ladung des piezoelektrischen Schwingers steuerbar ist. Als Kathode kann vorzugsweise eine Alkalischicht benutzt werden, die sich auf der dem elektronenoptischen System zugekehrten Seite des piezoelektrischen Schwingers, beispielsweise eines Quarzes, befindet. Beim Auftreten eines Schalldruckes wird der Quarz erregt, und es werden Ladungen an seinen Außenflächen erzeugt. Diese Ladungen beeinflussen die äußere Austrittsarbeit der Elektronen der Alkali schicht. Je nach dem Bildinhalt des durch Reflektion der erzeugten Ultraschallwellen vom Prüfling hervorgerufenen Schallfeldbildes entstehen am Quarz Ladungspotentiale, die als Ladungsrelief das Bild zusammensetzen. Durch den Schallwechseldruck ist das Ladungsbild an sich ein Wechselspannungsrelief, welches ohne Gleichrichtung für Abbildungszwecke nicht brauchbar wäre. Das erforderliche Gleichspannungspotential entsteht bei der erfindungsgemäßen Anordnung automatisch durch die Erscheinung, daß Metallelektronen durch das Anodenfeld nur in einer Richtung die Kathode verlassen können. Auf der Alkalischicht bildet sich also durch die Gleichrichterwirkung der Schicht ein durch die hochfrequenten Piezoentladungen entstandenes Gleichspannungsrelief aus, d. h. die Elektronen verlassen nur dann die Schicht, wenn an ihr eine negative Halbwelle liegt.
• Zur Herabsetzung der statischen Austrittsarbeit kann hierbei das Potential der Anoden so hoch gelegt werden, daß eine Feldemission gerade noch nicht einsetzt und ein Leuchtschirmbild noch nicht sichtbar ist. Eine weitere Verminderung der Austrittsarbeit kann dadurch erzielt werden, daß an Metalloberflächen adsorbierte Atome oder Ionen elektropositiver Metalle Dipolschichten mit positiver Belegung nach außen bilden. Mit diesen Maßnahmen läßt sich erreichen, daß möglichst viele Elektronen die Schicht verlassen, solange die piezoelektrisch erzeugte Halbwelle ein negatives Vorzeichen hat, so daß die Empfindlichkeit der Anordnung gesteigert wird. Das durch die Gleichrichtung entstehende Effektivpotential ist kleiner als das Wechselpotential.
• Die erfindungsgemäße Anordnung kann in Verbindung mit einem vergrößernden schalloptischen System zur Feststellung der inneren Struktur eines zu prüfenden Körpers benutzt werden. Das schalloptische System besteht dabei z. B. aus einem Objektiv und einer Linse. Es ist fokussierbar ausgebildet und kann daher für jeden beliebigen Punkt innerhalb des Prüflings scharf eingestellt werden. Zur Änderung des Vergröß erungsmaßstabes können auswechselbare Linsen vorgesehen sein, die z. B. auf einem Revolverkopf angeordnet sind und wahlweise durch einen an der Außenseite des Gerätes angebrachten Hebel in den Strahlengang gebracht werden können.
• Zur Erzielung einer einwandfreien Ankopplung des Gerätes an den Prüfling kann das Gehäuse des schalloptischen Systems an seiner dem Prüfling zugekehrten Seite durch eine sehr dünne elastische Folie abgeschlossen werden, die durch einen zwischen ihr und dem Objektiv vorhandenen Überdruck gegen den Prüfling gedrückt wird. Eine Erhöhung der Kontrastwirkung in den mit der erfindungsgemäßen Anordnung erzeugten Bildern kann dadurch erzielt werden, daß der piezoelektrische Schwinger senkrecht zu seiner Achse durch eine aus einer dünnen Metallfolie bestehende Zwischenlage in zwei Hälften geteilt ist und daß ein einstellbares Phasendrehglied vorgesehen ist, über das der einen Hälfte des Schwingers ein geringer Bruchteil der vom Sender abgestrahlten Ultraschallenergie zugeführt wird.
• Mit dem Phasendrehglied wird am Empfängerquarz ein solcher Zustand eingestellt, daß bei Abwesenheit eines die Ausbreitung der Ultraschallwellen störenden Gegenstandes oder bei Vorhandensein einer planparallelen Platte die am Empfangs quarz eintreffende Ultraschallwelle nach Amplitude und Phase völlig kompensiert wird, so daß die Alkalischicht keine Elektronen emittiert. Das Phasengleichgewicht wird dann durch einen in den Weg des Ultraschallstrahlenganges geführten Gegenstand gestört. Durch Laufzeitveränderungen entstandene neue Phasenlagen der Ultraschallwellenzüge erregen nunmehr den Empfangsschwinger.
• An diesen phasengestörten Stellen wird die Schicht zur Emission angeregt, und es entsteht ein Phasenbild. Das Phasendrehglied besteht aus einer bekannten Widerstands-Kondensator-Brückenschaltung. Durch kontinuierliche Veränderung der Widerstands- bzw.
• Kap azitäts werte kann der Bildeindruck laufend geändert werden. Man betätigt das Drehglied in der Weise, daß für den betrachteten Bildausschnitt die günstigste Kontrastwirkung eintritt.
• In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Anordnung schematisch dargestellt.
• In einem rohrförmigen Ansatz 1 eines die gesamte Anordnung aufnehmenden Gehäuses 2 befindet sich ein von einem nicht dargestellten Generator erregter Quarz 3. Die von ihm ausgehenden Ultraschallwellen werden durch eine Sainmellinsel auf einem gekrümmten Spiegel 5 punktförmig abgebildet. Der Spiegel 5, der im hinteren Brennpunkt eines Objektivs 6 liegt, leuchtet dieses gleichmäßig aus. Die hinter dem Ob-Objektiv 6 parallel verlaufenden Schallstrahlen dringen in den Prüfling 7 ein und werden von seiner Rückwand oder einer in ihm liegenden Störstelle 9 (Lunker) reflektiert. Das Objektiv 6 und eine Linse 8 bilden zusammen ein vergrößerndes schalloptisches System. Mit diesem System, das fokussierbar angeordnet ist, kann auf jeden beliebigen Punkt innerhalb des Prüflings 7 scharf eingestellt werden. So erzeugen z. B. die von einer Störstelle 9 reflektierten Ultraschallstrahlen über das schalloptische System 6, 8 auf einem auf die Ultraschallfrequenz abgestimmten Quarz 10 ein aufrechtes vergrößertes Ultraschallbild 9' der Störstelle 9. Auf der Rückseite des Quarzes iO ist eine emissionsfähige Alkalischicht 11 angebracht, die als Kathode für ein aus einer ersten Anode 12, einer zweiten Anode 13 und einem Bildschirm 14 bestehendes elektronenoptisches System wirkt. Die Schicht 14 emittiert entsprechend dem durch das Ultraschallbild auf der Quarzoberfläche gebildeten Potentialrelief Elektronen, die nach Beschleunigung durch die Anoden 12 und 13 auf dem Bildschirm 14 auftreffen und auf ihm ein elektronenoptisches Abbild 9" erzeugen. Das Gehäuse 2 wird auf der dem Prüfling zugekehrten Seite durch eine sehr dünne elastische Folie 15 abgeschlossen. Das Innere des Gehäuses 2 ist, soweit es den schalloptischen Teil enthält, mit einer Kopplungsflüssigkeit 16 ausgefüllt. Dabei ist es vorteilhaft, die Halterung des Objektivs 6 als Trennwand 17 auszubilden, damit nur der links davon liegende Teil des Gehäuses unter erhöhten Druck gesetzt zu werden braucht, um ein ständiges Anliegen der Folie 15 am Prüfling 7 zu gewährleisten.
• PATENTANSPRCHE: 1. Anordnung zur Umwandlung von Ultraschall-Bildern in sichtbare elektronenoptische Bilder, bei der in der Bildebene eines schalloptischen Systems ein auf die verwendete Ultraschallfrequenz abgestimmter piezoelektrischer Schwinger angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite des piezoelektrischen Schwingers (10) mit einer als Kathode für ein elektronenoptisches Abbildungssystem dienenden emissionsfähigen Schicht (11) versehen ist, deren Elektronenemission durch die vom Ultraschall-Bild hervorgerufene Ladung des piezoelektrischen Schwingers steuerbar ist.

Claims (1)

1. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Kathode des elektronenoptischen Systems dienende emissionsfähige Schicht (11) aus einer Alkalischicht besteht.

   3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Verringerung der Austrittsarbeit der Elektronen vorgesehen sind.

   4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das schalloptische System (16,8) fokussierbar ist.

   5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das schalloptische System (16,8) vergrößernde Wirkung hat.

   6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Änderung des Vergrößerungsmaß stab es des schalloptischen Systems auswechselbare Linsen (16, 8) vorgesehen sind.

   7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) des schalloptischen Systems an seiner dem Prüfling (7) zugekehrten Seite durch eine sehr dünne elastische Folie (15) abgeschlossen ist, die durch einen zwischen ihr und dem Objektiv (6) des schalloptischen Systems vorhandenen Uberdruck gegen den Prüfling (7) gedrückt wird.

   8. Anordnung nach Anspruch 1 mit einer Einrichtung zur Erhöhung der Kontrastwirkung der Bilder, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Schwinger senkrecht zu seiner Achse durch eine aus einer dünnen Metallfolie bestehende Zwischenlage in zwei Hälften geteilt ist und daß ein einstellbares Phasendrehglied vorgesehen ist, über das der einen Hälfte des Schwingers ein ge ringer Bruchteil der vom Sender abgestrahlten Ultraschallenergie zugeführt wird.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentanmeldung p 43609 IX/42c; deutsche Patentschrift Nr. 688 385; schweizerische Patentschrift Nr. 227 257; österreichische Patentschrift Nr. 159 770; USA.-Patentschrift Nr. 2 164 125; Actualites Scientifiques et Industrielles Nr. 523, Propriétés Piezo-Chimiques, Physiques et Biophysiques des Ultra-Sons, 1937, S. 64.