DE1917551A1 - Festkoerper-Verzoegerungsleitung - Google Patents

Description

M 2599

PATENTANWÄLTE Dr.-Ιπβ. KAfiS RUSCHKE DIpIMnS-H: L-!Ζ AßULAR

BE..-SM 33

Augueti-VIkiorla-Strafl· ·*

Matsushita Electric Industrial Co·, Ltd., Kadoma/Osaka (Japan)

Pestkörper-Verzögerungsleitung

Gegenstand der Erfindung ist eine Ultras ohaHverzögerungsleitung, die aus einer Pestkörper-Yerzögerungsleitung mit herkömmlichen Eingangs- und Ausgangsübertragern besteht. Die unbenutzten Flächen weisen eine äußere Zone auf, deren mechanischer Q-Wert sich von einem niedrigen Wert an den unbenutzten Flächen bis zum hohen mechanischen Q-Wert des Mediums der Verzögerungsleitung an der Zwischenfläche zwischen der äußeren und der inneren Zone des Körpers zum Dämpfen von Störsignalen verändert. Die äußere Zone kann durch Diffusion von Ionen in die äußere Zone hinein dadurch erzeugt werden, dass der Körper in ein Bad. aus einem geschmolzenen Salz, das die gewünschten Ionen enthält, eingetaucht wird, oder der Körper wird gebrannt, nachdem er mit einem Belag aus einer Glasur oder mit einem Anstrich versehen worden ist, (die) der die gewünschten Ionen enthält. Die äußere

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Zone kann auch, in der Weise erzeugt werden, dass ein Körper des Verzögerungsmediums erhitzt wird, der Atome eines Materials enthält, die als Kerne von Kristallen wirken, wobei eine Schicht eines Materials gebildet wird, in der die Kristalle als Zerstreuungszentren für akustische Wellen wirken»

Die Erfindung bezieht sich auf Pestkörper-Verzögerungsleitungen für Ultraschallwellen und im besonderen auf ein Verzögerungsmedium zum Dämpfen von Störsignalen in einer UItraschallverzöge rungsleitung♦

Bei ,einer Ultraschall-Festkörperverzögerungsleitung wird das zu verzögernde elektrische Signal (die Schwingung des elektrischen Potentiale) in eine entsprechende akustische Welle umgewandelt und in ein geeignetes Pestkörpermedium eingeführt. Die Geschwindigkeit von Schallwellen in Pestkörpern liegt im Bereich von 1-6 km/sec, welche Werte um einen Paktor von ungefähr ICr niedriger sind als die Geschwindigkeit eines elektrischen Signals in einem Kabel. Unter Verwendung eines verhältnismäßig kurzen Pfades im Pestkörperverzögerungsmedium kann daher eine große Verzögerung erreicht werden. Nachdem die Schallwelle zum Bewirken der erforderlichen Verzögerung eine bestimmte Strecke durchwandert hat, wird die Schallwelle in ein elektrisches Signal zurückverwandelt.

Damit diese beschriebene Aufgabe erfüllt werden kann, muss die Ultraschall-Pestkörperverzögerungsleitung grundsätzlich aus drei Bestandteilen bestehen, von denen der erste Bestandteil ein Übertrager oder Wandler ist, der das elektrische Signal in eine Schallwelle umwandelt. Der zweite Bestandteil besteht aus dem Verzögerungsmedium, das die Schallwelle durchwandert und dabei entsprechend verzögert wird. Der dritte Bestandteil ist ein zweiter Übertrager oder Wandler, der die Sehallwelle in das erforderliche Signal zurückverwandelt. Bei einer Ultraschall-Pestkörperverzögerungsleitung bestehen die Wandler aus piezoelektrischen Wandlern. Ein piezoelektrisches Material erzeugt unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes Druck-oder Zugspannungen sowie ein elektrisches Feld, wenn auf das Material

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ein Druck oder ein Zug ausgeübt wird. Diese Eigenschaft weist kristallinischer Quarz auf sowie polarisierte ferroelektrische keramische Stoffe wie Bariumtitanat, Bleizirkonattitanat und Natrium-kalium-niobat. Als Wandler wird oftmals eine dünne kreisrunde Scheibe aus kristallinischem Quarz benutzt, die aus einem Kristall mit der geeigneten Orientierung herausgeschnitten wird. Die Kristallscheiben sind an den entgegengesetzten Seiten mit dünnen Metallelektroden versehen, denen das elektrische Eingangssignal zugeführt wird. Das Feld erzeugt eine vibrierende Verformung des Kristalls, der eine Schallwelle in das Medium der Verzögerungsleitung leitet, die mit einer der Seiten in Berührung steht. Die resultierende Welle durchwandert das Medium längs eines Pfades bis zum Ausgangsende der Verzögerungsleitung und erzeugt eine mechanische Verformung eines Quarzkristalls, der als Ausgangswandler benutzt wird. Hierbei wird im Kristall ein elektrisches Feld erzeugt, und das Signal wird an den Elektroden des Ausgangswandlers als Spannungssignal abgeleitet.

Die Fortpflanzung der Schallwelle im Medium wird bei einem am Medium angebrachten Wandler in Form einer kreisrunden Scheibe mit einem Durchmesser d beschrieben. Die Energie der Schallwelle wird als ein Strahl emittiert, der senkrecht zur Wandlerscheibe über eine Strecke verläuft, die von der Schallquelle aus ungefähr d / J{ beträgt, wobei /£ die Wellenlänge der Schallwelle im Medium isto Die Zone, in der die Schallwelle sich fortpflanzt als Strahl, wird als Nahfeld bezeichnet. Bei einer von der Schallquelle aus größeren Entfernung als d / /[ wird die Energie in einen Diffraktionsmuster verteilt, das eine Anzahl von Keulen bei einer Aufzeichnung in einem Polardiagramm darstellt. Diese Zone ist als Fernfeld bekannt. In vielen Fällen liegt die Pfadlänge der Welle im Fernfeld, um die erforderliche Verzögerung zu erhalten. Es ist daher möglich, dass Signale am Ausgangsende der Verzögerungsleitung ankommen und dabei Pfade durchwandern, die sich von den für das Hauptsignal charakteristischen Pfade unterscheiden, da ein !eil der übertragenen Energie sich ausbreitet und von den unbenutzten

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Flächen des Verzögerungsmediums reflektiert wird. Diese unerwünschten Signale sind als Sekundärsignale bekannt. Diese Sekundärsignäle können bekanntlich dadurch geschwächt werden, dass die unbenutzten Flächen des Mediums mit einem akustischen Absorbierungsmittel beschichtet werden, z„B. mit einem Harz oder mit einem lötmittel oder auch durch Wegschneiden der unbenutzten Flächen. Da es jedoch sehr schwierig ist, die mechanischen Impedanzen und das Absorbierungsmittel aufeinander abzustimmen, so können einige auf die unbenutzten Flächen fallenden Wellen in das Medium hinein reflektiert werden und erreichen den Ausgangswandler. Soll das sekundäre Signal schwach sein, so muss das Verzögerungsmedium vergrößert werden. Bei einer Ultraschall-Festkörperyerzögerungsleitung treten noch weitere unerwünschte Signale auf, die als Mehrfachwandersignale bekannt sind. Diese Signale sind die Folge von Echos, die in der Bahn des Hauptsignals hin- und herwandern, da die Wandler die auffallende Schallwelle zum Teil reflektieren. Die Verzögerungen der Mehrfachwandersignale liegen nahe bei ungeraden Vielfachen der Verzögerung des Hauptsignals. Unter diesen ist das das dritte Vielfache darstellende Wandersignal normalerweise das größte Signal. Diese Wandersignale können dadurch unterdrückt werden, dass die Wandler mit Mitteln versehen werden, die die Reflexionen an den freien Enden der Wandler vermindern.

Ein Verzögerungsmedium muss einen hohen mechanischen Q-Wert und einen niedrigen Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit, aufweisen. Geschmolzener Quarz mit einem mechanischen Q-Wert von ungefähr 10 _ im MHz-Frequenzbereich hat daher als Verzögerungsmedium weitgehend Verbreitung gefunden. Jedoch ist der Temperaturkoeffizient der Verzögerungszeit verhältnismäßig groß und beträgt ungefähr 80 ppm/°C, so dass oftmale ein großer Thermostat erforderlich ist, um wesentlichen Temperaturänderungen entgegenwirken zu können. Seit einiger Zeit werden als Verzögerungsmedium Mischoxidgläser verwendet, die im wesentlichen aus KgO, PbO und SiOg bestehen. Diese Gläser, deren Temperaturkoeffizient der Verzögerungszeit weniger als ±10 ppm/°C beträgt, können daher für verhältnismäßig kurze Verzögerungen verwendet werden, obwohl der mechanische Q-Wert nur 3000 - 4000 im

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MHz-Frequenzbereich beträgt.

Bei Verzögerungsleitungen fallen die Wandlermaterialien in Frequenzkategorien. Bei Frequenzen von weniger als 10 MHz werden weitgehend piezoelektrische keramische Stoffe verwendet. Bei höheren Frequenzen erschweren die hohen Dielektrizitätskonstanten die Impedanzanpassung außerordentlich. Wegen der überlegenen mechanischen Eigenschaften wird immer noch kristallinischer Quarz weitgehend verwendet. Im Bereich oberhalb von 100 MHz werden niedergeschlagene Filme aus binären II-VI-Verbindungen benutzt. Für Verzögerungsleitungen sind bei piezoelektrischen keramischen Stoffen die Dielektrizitätskonstante, der elektromechanische Kopplungskoeffizient und die Schallgeschwindigkeit wichtige Faktoren. Der Kopplungskoeffizient k steht mit der Bandbreite des Wandlers in Beziehung. Eine angeklammerte Kapazitanz, die die elektrische Impedanz des Wandlers bestimmt, ist proportional c /v, wobei £ die angeklammerte Dielektrizitätskonstante des keramischen Stoffes und ν die Schallgeschwindigkeit im keramischen Material ist. Daher ist der Wert von kv/£ gut geeignet zum Bestimmen der Eignung für eine Verzögerungsleitung.

Zum Erzielen der besten Leistung der Verzögerungsleitung ist die Verbindung zwischen den Wandlern und dem Verzögerungsmedium wichtig. Je höher die Betriebsfrequenz ist, desto kritischer wird diese Verbindung. Für eine Hochfrequenzverzögerungsleitung wird die Verbindung durch Kaltschweißung von Iridiumfilmen hergestellt, die auf das Medium und die Wandler aufgedampft werden. Für Niederfrequenzverzögerungsleitungen kann zuweilen ein Lötverfahren angewendet werden. Die beiden mit einander zu verbindenden Seiten werden mit einem Metallbelag versehen, entweder durch Aufdampfen oder durch elektrolose Plattierung, und werden durch Löten mit einander verbunden. Die Dicke der Verbindung ist kritisch für die Frequenzansprache wegen der Differenz der mechanischen Impedanz zwischen der Verbindung und dem Medium oder dem Wandler. Am besten wird eine sehr dünne Verbindung von /f/100 oder weniger oder auch von J[ /4 verwendet, wobei Z die akustische Wellenlänge im Material der Verbindung bei der

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Mittelbandfrequenz ist. Diese Verbindungen ergeben eine stetige Breitbandansprache. Da es sehr schwierig ist, die Dicke der Verbindung zu kontrollieren, so wurden für die Herstellung von Verbindungen zwischen den Wandlern und dem Verzögerungsmedium die herkömmlichen Lötverfahren nicht mehr bevorzugt·

Die an den Wandlern angebrachten Abdeckungen glätten die Ansprache und vermindern die Wirkung der Dicke der Verbindung. Die mechanische Impedanz des Abdeckmaterials muss ungefähr gleich der Impedanz des Wandlers sein. Pur diesen Zweck eignet sich gut eine dicke Schicht eines Lötmittels mit einem niedrigen Schmelzpunkt, die an einem aufgedampften oder plattierten Metallfilm am Wandler angebracht wird.

Die Erfindung sieht vor eine verbesserte Pestkörper-Verzögerungsleitung mit einer verbesserten Fähigkeit, Störsignale auszulöschen oder zurückzuhalten, und mit einem besseren Verhältnis Hauptsignal : Rauschpegel. Die Erfindung sieht ferner ein Verzögerungsmedium vor, dessen mechanischer Q-Wert sich mit der Entfernung von den unbenutzten Flächen des Verzögerungsmediums verändert, wobei die Störsignale in der Verzögerungsleitung geschwächt werden.

Bei einer Festkörper-Verzögerungsleitung nach der Erfindung pflanzt sich das Hauptsignal durch eine hohe Q-Zone des Verzögerungsmediums mit geringer Störung fort, und die Störsignale werden veranlasst, auf einen niedrigen Q-Bezirk des Verzögerungsmediuma zu fallen, der die Energie des Störsignals absorbiert und die Störsignale auslöscht oder dämpft.

Von der Erfindung werden nachstehend nur die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben. In den beiliegenden Zeichnungen ist die .

Fig»1 eine zum Teil als Schnitt gezeichnete Seitenansicht einer akustischen Festkörper-Verzögerungsleitung,

Fig.2 ein Querschnitt durch die Verzögerungsleitung nach der Fig.1, ·

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Pigo3 eine graphische Darstellung der Verteilung des mechanischen Q-Wertes im Verzögerungsmedium längs der in der Pig.2 dargestellten Leitung,

Pig.4 eine graphische Darstellung der Veränderungen von Störsignalen innerhalb von Zeitperioden, in denen die Verzögerungsmedien in geschmolzenem Silberchlorid eingetaucht sind,

Pig.5 eine graphische Darstellung der Veränderungen von Störsignalen innerhalb von Zeitperioden, in denen auf ein Glasmedium eine Silberpaste aufgebrannt wird,

Pig.6 eine graphische Darstellung der Veränderungen von Störsignalen innerhalb von Zeitperioden, in denen aus ein Glasmedium eine Glasur aufgebrannt wird,

Pigo7 ein Querschnitt durch eine Ultraschall-Pestkörper-Verzögerungsleitung für ein PAL-Colorsystem nach der Erfindung.

Die in der Pigoi dargestellte einfache Verzögerungsleitung weist auf ein Verzögerungsmedium 1, die Wandler oder Übertrager 2 und 3, die Verbindungsglieder 4 und 5, die Abdeckglieder 6 und 7, die elektrischen Signaleingangs- und -ausgangskreise 8 und 9 und einen Belag 10. Das Verzögerungsmedium 1 besitzt mindestens eine unbenutzte Pläche 21 und die benutzten Plächen wie die Eingangsfläche 22 und die Ausgangsfläche 23, mit denen die Wandler 2 und 3 über die Verbindungsglieder 4 und 5 in. Verbindung stehen. Das Verzögerungsmedium 1 kann jede herkömmliche Form aufweisen z.B. die Porm eines langgestreckten Zylinders, einer Scheibe, einer polygonalen Platte mit Reflexionsflächen usw_o Das Verzögerungsmedium wird aus bekannten Materialien geformt z.Bο aus geschmolzenem Quarz, Alkali-Blei-Silizium-Glas oder aus Alkali-Blei-Silizium-Pluoroxidglas.

Die Wandler oder Übertrager 2 und 3 bestehen aus einem piezoelektrischen Material wie Bariumtitanat oder Quarz oder aus einem polykristallinischen piezoelektrischen Material, wie Bleititanat-Zirkonat oder Blei-Magnesium-Niobat-Titanatr-Zirkonat. Das am

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meisten bevorzugte piezoelektrische keramische Material besteht aus Blei-Magnesium-Niobat-Titanat-Zirkonat in der rhombohedra^-^ len Phase, da der wesentliche Wert kv/f größer ist als bei anderen keramischen Materialien. Die Wandler oder Übertrager 2 und 3 werden von den Verbindungsgliedern 4 und 5 mit den Eingangs_ und Ausgangsflächen des Verzögerungsmediums 1 fest in Berührung gehalten. Nach der Erfindung werden beide genannten Flächen an den Wandlern und am Medium nach dem herkömmlichen Aufdampfungsverfahren metallisiert und durch ein Lötmittel mit einander verbunden, wobei ein die Verbindungsglieder 4 und 5 bildender dünner Film erzeugt wird. Durch Kontrollieren der DiGke des Lötmittelfilmes kann die Dicke der Verbindungsglieder

fc 4 und 5 ohne Schwierigkeiten mit nur 5u bemessen werden. Das Lötmittel kann aus Blei, Zinn, Indium, Wismut und Kadmium bestehen. In der beiliegenden Tabelle 1 sind Zusammensetzungen und Eigenschaften geeigneter Lötmittel für die Herstellung der Verbindungen zusammengestellt. In diesen Lötmitteln beträgt die Geschwindigkeit der Schallwellen ungefähr 1000 m/sec für den Abschermodus· Mit Hilfe des beschriebenen Lötverfahrens kann für eine Abscherwelle von einigen Megahertz bei der Verbindung eine Dicke von //100 leicht erzielt werden. Die Abdeckglieder 6 und 7 weisen vorzugsweise eine mechanische Impedanz auf, die ungefähr der Impedanz der Wandler entspricht, und können aus einem Lötmittel mit einem niedrigen Schmelzpunkt hergestellt werden, z.B· aus Newton-Metall oder aus einer Silberfar-

) be. Das Newton-Metall besteht aus 3256 Blei, 52# Wismut und 16s£ Zinne Die Abdeckung glättet die Ansprache, beeinträchtigt jedoch die Dämpfung in der Verzögerungsleitung, Die Abdeckung wird daher in Verzögerungsleitungen nicht immer benutzt« Die schematisch dargestellten elektrischen Kreise 8 und 9 können die bei Verzögerungsleitungen im allgemeinen verwendeten verschiedenen Schaltungselemente enthalten, Der Belag 10 besteht vorzugsweise aus einem weichen Harz.

Die Fig.3 zeigt in graphischer Darstellung den mechanischen Q-Wert an einer Stelle auf der Linie 11 in der Fig.2, wobei die Bezugszahlen auf der waagerechten Achse in der Fig.3 den Positionen mit den gleichen Bezugs zahlen in der Fig. 2 entsprechen.

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Eine innere Zone 17 des Verzögerungsmediums weist einen hohen mechanischen Q-Wert auf. Der mechanische Q-Wert in der Außenzone 16 liegt im Bereich zwischen einem niedrigen Wert an der unbenutzten fläche 18 bis zum genannten hohen Wert an der Zwischenfläohe mit der genannten inneren Zone 17* Die im Medium 1 erregte Hauptwelle pflanzt sich hauptsächlich in der inneren Zone 17 fort. Die aus der Strahlausbreitung und den Seitenkeulen des Diffraktionsmusters herrührende Energie gelangt in die Zone 16 und wird vernichtet aufgrund viskoser Dämpfung, thermischer Effekte und einer spannungsinduzierten Wanderung, so dass die Energie zur inneren Zone nicht zurückkehrt.

Bei den älteren Verzögerungsleitungen wurden solche Störsignale durch einen absorbierenden Belag auf der unbenutzten fläche 18 gedämpft. Da es jedoch unmöglich ist, die mechanischen Impedanzen des Verzögerungsmediums und des Absorbierungsmittels an einander anzupassen, so kann ein Teil der auffallenden Energie an der fläche 18 reflektiert werden und erzeugt am Ausgang Störsignale.

Das Verzögerungsmedium nach der Erfindung kann mittels einer Oberflächenbehandlung erzeugt werden, wobei von der unbenutzten fläche 18 aus geeignete Ionen in das Medium hineindiffundieren. Bei dieser Oberflächenbehandlung wird ein die gewünschte form aufweisender Körper des Mediums in ein Bad eines geschmolzenen Salzes getaucht, das die geeigneten Ionen enthält, oder es wird ein Körper des Mediums erhitzt, der mit einer Glasur oder einer Paste beschichtet ist, die die zu diffundierenden Ionen enthält. Die genannten Ionen müssen den mechanischen Q-Wert des Mediums herabsetzen. Die Dicke der äußeren Zone 16, d*iu die Strecke zwischen 12 und 13 in den figuren 2 oder 3» wird von der Temperatur und von der Zeitdauer des Eintauchens bestimmt, wobei das Störsignal, nicht jedoch das Hauptsignal geschwächt wird. Die Größe und die Verteilung des mechanischen Q-Wertes in der Zone 16 hängt von der Menge und von der Verteilung der diffundierten Ionen ab. Da im vorliegenden falle die Zusammensetzung sich allmählich von der inneren Zone aus zur unbenutzten fläche 18 des Mediums ändert, so vernichtet die in die Außenzone

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einfallende Schallwelle die Energie, ohne in die innere Zone zurückreflektiert zu werden.

Ss kann jedes geschmolzene Salz verwendet werden, solange das Medium nach dem Eintauehen eine Verteilung des mechanischen Q-Wertea entsprechend der Kurve nach der Pig«3 aufweist* SilberT Lithium-oder Natrium-Ionen diffundieren in wesentlichem Ausmaß in ein Glas hinein bei einer Temperatur, die innerhalb des Bereiches zwischen der Übergangstemperatur und der Erweichungstemperatur liegt, und die eine Herabsetzung des mechanischen Q-Wertes bewirkt. Besonders zu bevorzugen sind geschmolzene Silbersalze, geschmolzenes Lithiumsalz oder geschmolzenes Natriumsalz, z_eB. Silberhalogen, Lithiumkarbonat oder Natriumnitrat. Die Ionendiffusion in einen Glaskörper hinein wird vorzugsweise innerhalb eines Temperaturbereiches zwischen der Übergangstemperatur und der Erweichungstemperatur des Glaskörpers durchgeführte Unterhalb der Obergangstemperatur erfolgt keine wesentliche Diffusion, und oberhalb der Erweichungstemperatur verformt sich der Glaskörper als Folge einer viskosen Strömung· Nach der Immersion werden die Diffus ions schicht en an den Flächen, an denen die Wandler oder Übertrager angebracht werden sollen, z.B. durch fräsen oder Polieren entfernt.

Die Fig»4 zeigt die Veränderungen der Störsignale in einer Ver~ zögerungsleitung für verschiedene Eintauchzeiten, wenn die Verzögerungsleitungen aus einem Glasmedium hergestellt werden, das in geschmolzenes Silberchlorid mit einer Temperatur von 55O°C eingetaucht wurde. Die Zusammensetzung des Glases war 73 Mol$£ SiO₂, 19,1 MOL?* PbO, 7,9 MOLJi KgO bei dem Oxidglas und 72 M0L$ SiO₂, 15,5 MOLJi PbO, 3,2 MOLg PbI₂, 7 MOL?! I₂O, 1,5 MOLg Al₂O₃ und 0,8 MOIj^ Aa₃O₅ bei dem fluorozidglas. Diese Zusammensetzungen eignen sich als Verzögerungsmedium wegen des kleinen Tesp®- raturkoeffizienten der Verzögerungsseit, d.h. kleiner als einige ppm/°C. Aus der Pig«4 ist zu ersehen, dass das in der oben beschriebenen Weise behandelte Fluoroxidglas die Störsig« nale weitaus besser schwächen kann als die anderen Oxidgläa®r* In der beiliegenden Tabelle 2 sind Glaszusammensetzungen

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angeführt, die als Verzögerungsmedium zu bevorzugen sind. Der Zusatz von 0,5 mol?i zu den 3,0 mol# AlgO« des Fluoröxidglases bewirkt eine Stabilisierung der akustischen Eigenschaften des Glases. Der Zusatz von 0,1 mol?i zu 2,0 mol# As₃O, des Fluoroxidglases vermindert die Dämpfung der Schallwelle. Das As₂0, wirkt überdies als Reinigungsmittel im Glas. Werden im Glassystem die Sauerstoffionen durch mehr als 10 Atom# Fluorionen ersetzt, so erfolgt eine Kristallisation des Glaskörpers in der gesamten Zone mit der Folge, dass die Fortpflanzung des Hauptsignals stark beeinträchtigt wird.

Eine Diffusion erwünschter Ionen in das Glas hinein kann dadurch erzielt werden, dass die unbenutzte Fläche, an der keine Verbindung mit Wandlern hergestellt wird, mit einem Belag einer Silberpaste oder einer Glasur versehen wird, die die gewünschten Ionen enthält, wonach das Verzögerungsmedium bei einer Temperatur gebrannt wird, die zwischen der Übergangs- und der Erweichungstemperatur des Glasmediums liegt, und zwar so lange, wie zum Erzeugen der gewünschten Dicke der Diffusionsschicht an der unbenutzten Fläche erforderlich ist.

Eine zu bevorzugende Silberpaste kann nach dem folgenden Verfahren zubereitet werden. 95 g Silberpulver, 5 g Polymetaakrylat und 20 g Terpineol werden in einer herkömmlichen Kugelmühle 20 bis 150 Stunden lang mit einander vermischt. Die Partikelgröße des Silberpulvers beträgt vorzugsweise weniger als 2 Mikron. Die Fig.5 zeigt die Veränderungen bei den Störsignalen in der Verzögerungsleitung, wenn das Verzögerungsmedium verschieden lange bei einer Temperatur von 500⁰O mit dem Belag der Silberpaste auf der unbenutzten Fläche gebrannt worden ist· Die Zusammensetzungen des Verzögerungsmediums waren in beiden Fällen die gleichen.

Für die Glasur ist ein Gemisch zu bevorzugen, das aus im wesentlichen 100 g Glasfritte, 3 g Zelluloseazetatbutylat, 17 g Terpineol und 1g eines flächenaktiven Mittels besteht. Das Gemisch wird in einer herkömmlichen Kugelmühle gemahlen und bildet eine Glasur. Eine bevorzugte Zusammensetzung der Glasfritte besteht

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aus gewiohtsmäßig 28,5^ Ha₂O, 20£ PbO, 6,O^ SiO₂ und 45, Die Glasfritte wird in der folgenden Weise hergestellt· Die Zusammensetzung wird in einem Platintiegel 30 Minuten lang bei einer Temperatur von 800 bis 120O⁰O geschmolzen, danach auf Baumtemperatur abgekühlt und gemahlen bis zu einer Partikelgröße von ungefähr 1 Mikron. Die Fig.6 zeigt die Veränderungen bei den Störsignalen in der Verzögerungsleitung, wenn die Glasur auf die unbenutzte Fläche des Verzögerungsmediums aufgetragen und verschieden lange bei einer Temperatur von 55O⁰C gebrannt worden ist.

In der beiliegenden Tabelle 3 sind weitere Zusammensetzungen für die Glasfritte zusammengestellt sowie deren mechanische Eigenschaften» Die Zusammensetzungen enthalten etwas Lithium, Natrium und/oder Silberionen, die in das Glasmedium hineinwandern und während des Brennens die äußere Zone 16 im Glasmedium bilden. Die bevorzugten Zusammensetzungen der Glasfritte weisen die gleiche mechanische Impedanz auf wir das Glasmedium, und wegen der guten mechanischen Übereinstimmung zwischen dem Glasmedium und der Glasfritte ist ein Übergang der auffallenden Wellen an der unbenutzten Fläche in die Glasfritte hinein ohne Reflexion möglich, so dass die akustische Energie der Welle in der Glasfritte wirksam vernichtet werden kann.

Während des Tauch- oder des Brennverfahrens können die gewünschten Ionen, wie die Silber-, Lithium- oder Natriumionen in das Medium hineinwandern und die genannte Außenzone bilden, deren mechanischer Gütefaktor Q die in der Fig.3 als Kurve dargestellte Verteilung aufweist. Wie aus den Figuren 4, 5 und 6 zu ersehen ist, betragen die bevorzugten Tauch- oder Brenn-r zeiten mehr als 10 Stunden. Außergewöhnlich lange Tauch- oder Brennzeiten führen zu einer Diffusion der in Betracht kommenden Ionen in die innere Zone des Verzögerungsmediums hinein und bewirken eine Dämpfung des Haupteignais. Weiterhin ist bei den beschriebenen Verfahren die Abkühlungeperiode wichtig, da die Abkühlungsgeschwindigkeit bekanntlich die akustischen Eigenschaften des Glasmediums beeinflusst. Bei den beschriebenen Verfahren beträgt die Abkühlungsgeschwindigkeit immer 5°C/Stunde

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und ist daher zu bevorzugen. Bei einer mit dem Verzögerungsmedium nach der Erfindung ausgestatteten Verzögerungsleitung wird die Energie der in die äußere Zone 16 hineinwandernden unerwünschten Wellen vernichtet, so dass der Ausgangswandler 3 nur sehr wenig beeinflusst und das Störsignal in der Verzögerungsleitung stark geschwächt wird.

Die Störsignale können auch unterdrückt werden die Verwendung eines Glasmediums, das eine Kristallisationsschicht an der Außenzone nahe an der unbenutzten Fläche aufweist. Diese örtlich begrenzte Kristallisationsschicht kann durch eine Wärmebehandlung des Glaskörpers erzeugt werden, der Ionen enthält, die als Kristallisationskerne wirken. Die Dicke der Kristallisationsschicht kann durch die Erhitzungstemperatur und die Dauer der Erhitzung bestimmt werden. Pur diesen Zweck eignen sich besonders gut Titan-, Zirkonium- und Platinionen. Ein im Glasmedium ausgefällter Kristall wirkt als ZerstreuungsZentrum für die Schallwelle. Ein weiteres Merkmal das als Verzögerungsmedium verwendeten teilweise kristallisierten Glases ist darin zu sehen, dass die Kristallisation des Glases von der Außenseite aus zur inneren Zone hin fortschreitet, wobei nadelförmige Kristalle erzeugt werden. Solche Kristalle zerstreuen und unterdrücken die unerwünschten Wellen in derselben Weise wie- ein Verzögerungsmedium, dessen unbenutzte Fläche durch teilweises Wegfräsen zick—zack-förmig ausgestaltet ist.

Die Fig.7 zeigt eine erfindungsgemäße Verzögerungsleitung für ein PAL-Colorsystem. Die Wandler 30 und 31 bestehen aus Blei-Magnesium-Niobat-Zirkonat-Titanat, welches keramische Material parallel zu den beiden mit Elektroden versehenen Flächen polarisiert ist, von denen die eine Fläche frei und die andere Fläche mit dem Verzögerungsmedium verbunden ist. Das Verzögerungsmedium weist eine die Schallwelle reflektierende Fläche auf· Die mit dem Eingangswandler aktivierte Abscherwelle wandert im Verzögerungsmedium 32 durch Reflexion an der Fläche 36 über eine Bahn 33, die in der Fig.7 schematisch dargestellt ist. Das Verzögerungsmedium weist im vorliegenden Falle die gleiche Zusammensetzung auf wie das Beispiel 4 in der Tabelle 2, wobei

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. - 14 -

die unbenutzten Flächen, die zur Ebene der Zeichnung senkrechten oberen und unteren Flächen und beide Selten 3.4 .und "35 mit einem Belag aus Silberpaste versehen und 50 Stunden lang bei einer Temperatur von 55O⁰G gebrannt worden sind. Die Verbindung zwischen den Wandlern und dem Verzögerungsmedium wird durch Löten nach der Erfindung hergestellt. Die Tabelle 4 zeigt die charakteristischen Eigenschaften der Verzögerungsleitung.

An den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können von Sachkundigen im Rahmen des Erfindungsgedankens Änderungen, Abwandlungen und Ersetzungen vorgenommen werden. Die Erfindung selbst wird daher nur durch die beiliegenden Patentansprüche abgegrenzt.

T a b e lie 1

Zusammensetzung flüssig fest

in Gew_e?6 Temperatur in C Temperatur in ⁰C

Bi Pb Sn In

128 135 121 116 117 117

57	2	41	50	133
57	1	42	42	135
55	5	40	58	136
		50	127
		58	145
		42	123

Tabelle 2

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Tabelle 2

	1	Oxidglas	3	Fluoroxidglas	4	5	6
	73,0	2	73,6	69,0	72,0	71,9
SiO2	19,1	70,6	16,8	17,5	15,5	16,0
PbO		20,2		4,0	3,2	3,0
PbP2	7,9		9,6	8,0	7,0	6,6
κ2ο		8,5
Na2O		0,7
BaO				1,0	1.5	1,5
Al2O3				0,5	0,8	1,0
As2O3	0,06		0,08	1,3	1,2	0,8
Temp.Koeff. d.Verzog.Zeit	4500	0,38	4800	3900	4300	4700
mechan.Güte faktor Q	) 8,9	3000	8,7	9,2	8,9	8,7
Mechan· Impedanz (10 kg/m -see		9,2

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Tabelle

Chem.Zusammeneetzg.	27,0 - 31«Ο	Dichte (iO3kg/m5)"	mechan.Impedanz (kg/m -see)
Ag2O	61,0 - 65,0
1Li2O	6,0 - 8,2	3,56 - 3,70	9,4-10,6x106
B2O3	26,0 - 28,0
Ag2O	48,0 - 52,0 6,0 - 8,0
B2O3 SiO2	14,0 - 16,0	3,40 - 3,62	9,6-10,5x1O6
Na2O	12,0 - 15,0
Ii2O	21,0 - 24,0
PbO	62,0 - 65,0	3,48 - 3,65	9,1-10,IxIO6
P2O5	23,0 - 26,0
Na2O	55,0 - 57,0
P2O5	18,0 - 21,0	3,60 - 3,74	8,0-9,3x106
PbO	13,0 - 16,0
Ii2O	64,0 - 66,0
B2°3	18,0 - 21,0	3,51 - 3,65	8,7-9,8xiO6
PbO	27,0 - 32,0
Na2O	44,0 - 52,0
B2O3	16,0 - 19,0	3,40 - 3,60	7,0-8,3x106
PbO	26,0 - 29,0
Na2O	45,5 - 48,0 3,0 - 7,0
B2O3 SiO2	17,0 - 20,5	3,50 - 3,73	7,0-7,8 χ 106
PbO

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Li2O	12,0	- 14	,0
B2O3	51,0	- 53	,0
SiO2	3,5	- 5,	0
PbO	18,0	- 20	,0

- 17 -

Tabelle 3 (Fortsetzung)

>,50 - 3,61

7,7-7,9 x 10^c

Tabelle

Verzögerungszeit Dämpfung Störsignal Bandbreite Mittelfrequenz Abweichung d.Verzögerungszeit

Temperaturkoeffizient der Verzögerungszeit

Gewicht 64,0 MikroSekunden 10 Dezibel
-25 Dezibel
2,5 MHz
4,43 MHz

ί 1,3 Nano-Sekunden 0+0,9 ppm/°0 bei 25⁰O

55 g

Patentansprüche

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Claims (1)

1. -. 18 -

   Patente ns ρ r ü c h e

   Ultraschallverzögerungsleitung, gekennzeichnet durch ein Festkörperverzögerungsmedium, das benutzte Flächen, wie Eingangs- und Ausgangsflächen, reflektierende Flächen sowie unbenutzte Flächen aufweist, an welchen Eingangsund Ausgangsflächen Signaleingangs- und -ausgangswandler angebracht sind, die im Verzögerungsmedium eine Schallwelle erzeugen bezw· aufnehmen, und dadurch gekennzeichnet, dass das Verzögerungsmedium eine innere Zone mit einem hohen mechanischen Gütefaktor Q und eine äußere Zone an den unbenutzten Flächen aufweist, dass der mechanische Gütefaktor Q der äußeren Zone von einem niedrigen Wert an den unbenutzten Flächen auf einen hohen Wert an der Zwischenfläche zwischen der inneren und der äußeren Zone ansteigt, wobei eine Hauptwelle der akustischen Welle sich durch die innere Zone hindurch fortpflanzt, während unerwünschte Wellen der akustischen Welle von der äußeren Zone unterdrückt werden.

   2. Ultraschallverzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verzögerungsmedium aus Alkali- -blei-siliziumoxidglas oder aus Alkali-blei-siliziumfluoroxidglas hergestellt ist.

   3. Ultraschallverzögerungsleitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verzögerungsmedium aus Pluoroxidglas besteht, und dass die Sauerstoffatome durch Fluoratome in einer Menge von weniger als 10 Atomji ersetzt sind.

   4. Ultraschall verzögerungsleitung nach Anspruch 1_r dadurch gekennzeichnet, dass die Signaleingangs- und -ausgangswandler an den Eingangs- und Ausgangsflächen mit Hilfe einer dünnen Schicht eines Lötmittels angebracht sind,

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   das gewichtsmäßig aus 1-53* Blei, 40-42$ Zinn und 55-57$ Wismut oder aus 40-60$ Zinn und 40-60$ Indium besteht.

   5. Ultraschallverzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verzögerungsmedium aus einem Kalium-Blei-Siliziumoxidglas oder aus einem Kalium-Blei-Silizium-Fluor oxidglas besteht, und dass die genannte äußere Zone aus einer kristallisierten Schicht des genannten Glases besteht.

   6, Ultrasehallverzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangs- und Ausgtngswandler mit einem Abdeckglied versehen sind, das aus einer Silberfarbe oder aus Newton-Metall besteht.

   7ο Verfahren zum Herstellen eines GlasVerzögerungsmediums, das eine innere Zone mit einem hohen mechanischen Gütefaktor Q und eine äußere Zone an den unbenutzten Flächen des Mediums aufweist, deren mechanischer Gütefaktor Q von einem niedrigen. Wert an der Fläche auf einen hohen Wert an der Zwischenfläche zwischen der äußeren und der inneren Zone ansteigt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Glaskörper des Verzögerungsmediums in der gewünschten Form hergestellt wird, das der Glaskörper in ein geschmolzenes Salz eingetaucht wird, das aus Silberhalogen, Lithiumkarbonat oder aus Natriumnitrat besteht, wobei die genannte äußere Zone durch Diffusion der Atome des geschmolzenen Salzes in den Glaskörper hinein erzeugt wird, und dass die Diffusionssohichten an den gewünschten Fläohen entfernt werden.

   8. Verfahren zum Herstellen eines Glasverzögerungsmediums, das eine innere Zone mit einem hohen mechanischen Gütefaktor Q und eine äußere Zone an den unbenutzten Flächen des Mediums aufweist, deren mechanischer Gütefaktor Q von einem niedrigen Wert an der Fläche auf einen hohen Wert an der Zwischenfläche zwischen der äußeren und der inneren Zone ansteigt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Glaskörper des Verzögerungsmediums in der gewünschten Form hergestellt

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   wird, dass an den unbenutzten Flächen des Glaskörpers ein Glasurmaterial aufgetragen wird, das β der Glaskörper mit dem Glasurmaterialbelag auf eine Temperatur zwischen der Übergangs- und der Erweichungstemperatur des Glasmediums erhitzt wird, wobei durch Diffusion der in der Glasur enthaltenen aktiven Atome in den Glaskörper hinein die äußere Zone erzeugt wird, und dass das Glasurmaterial aus einer Glasfritte besteht, die Lithium-, Matrium- oder Silberionen oder Gemische aus diesen enthält.

   9· Verfahren zum Herstellen eines Glasverzögerungsmediums, das eine innere Zone mit einem hohen mechanischen Gütefaktor Q und eine äußere Zone an den unbenutzten Flächen des Mediums aufweist, deren mechanischer Gütefaktor Q von

   einem niedrigen Wert an der Fläche auf einen hohen Wert an der Zwischenfläche zwischen der äußeren und der inneren Zone ansteigt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Glaskörper des Verzögerungsmediums in der gewünschten Form hergestellt wird, dass an den unbenutzten Flächen des Glaskörpers eine Silberfarbe aufgetragen wird, dass der Glaskörper mit der aufgetragenen Silberfarbe auf eine zwischen der Übergangs- und der Erweichungstemperatur liegende Temperatur des Glasmediums erhitzt wird, wobei durch Diffusion der in der Silberfarbe enthaltenen Silberatome in den Glaskörper hinein die äußere Zone erzeugt wird, und dass die Silberfarbe als aktives Element Silberpulver mit einer Partikelgröße von weniger ale 2 Mikron enthält.

   10. Verfahren zum Herstellen eines Glasverzögerungsmediums, das eine innere Zone mit einem hohen mechanischen Gütefaktor Q und eine äußere Zone an den unbenutzten Flächen des Mediums aufweist, deren mechanischer Gütefaktor Q von einem niedrigen Wert an der Fläche auf einen hohen Wert an der Zwischenfläche .zwischen der äußeren und der inneren Zone ansteigt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Glaskörper des Verzögerungsmediume in der gewünschten Form hergestellt wird, welcher Körper Titan? Zirkonium- oder Platinatoae enthält, das· das Glasverzögerungemediuii an den

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   unbenutzten Flächen so lange erhitzt wird, dass sich eine Kr is t all isat i ons schi eh■ t mit ausgefällt en Kr is tall en b ildet, die als Zerstreuungszentren für akustische Wellen wirken.

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