DE2719141A1

DE2719141A1 - ULTRASONIC VISION DEVICE

Info

Publication number: DE2719141A1
Application number: DE19772719141
Authority: DE
Inventors: Manfred Ing Grad Fortmann
Original assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Current assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Priority date: 1977-04-29
Filing date: 1977-04-29
Publication date: 1978-11-02
Also published as: GB1596198A; FR2389166B1; FR2389166A1; IT1094453B; IT7822522A0

Description

Ultrasonic viewing device

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung holographischer Bilder von Objekten, die mittels Schallwellen geortet werden mit einem den Schallwellen ausgesetzten Meßspiegel, der mit kohärentem Licht beleuchtet wird und ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung.The present invention relates to a device for generating holographic images of objects by means of Sound waves are located with a measuring mirror which is exposed to the sound waves and which illuminates with coherent light and a method of operating the device.

Die Druckbehälter von wassergekühlten Kernreaktoren werden im Verlaufe von Wiederholungsprüfungen auch einer visuellen Inspektion ihrer Innenseite unterzogen, wozu alle Einbauten aus dem Behälter entfernt werden. Das Kühlmittel braucht nicht abgelassen zu werden, da die Inspektion wegen der vom Behälter ausgehenden radioaktiven Strahlung ohnehin nur fernbedient mit Hilfe von Fernsehkameras durchgeführt wird und diese auch unter Wasser arbeiten können. Dieses Verfahren scheidet für mit Flüssigmetall, z. B. mit Natrium gekühlte Kernreaktoren wegen der mangelnden Transparenz des Kühlmittels aus. Ein Ablassen desselben ist jedoch mit Rücksicht auf das Oxydationsrisiko natriumbenetzter Oberflächen und auf die Nachwärmeabfuhr der radioaktiven Teile unerwünscht und auch insofern unzureichend, als die gerade gesuchten möglicherweise vorhandenen Anrisse der Behälterwand durch die Oberflächenbenetzung und das in den Rissen zurückbleibende Kühlmittel unsichtbar bleiben. The pressure vessels of water-cooled nuclear reactors are also subjected to a visual inspection of their inside in the course of repeated tests, for which purpose all internals are removed from the vessel. The coolant does not need to be drained off, since the inspection is only carried out remotely with the aid of television cameras due to the radioactive radiation emanating from the container, and these can also work under water. This method does not apply to liquid metal, e.g. B. Sodium- cooled nuclear reactors because of the lack of transparency of the coolant. However, draining the same is undesirable in view of the risk of oxidation of sodium-wetted surfaces and the removal of residual heat from the radioactive parts, and it is also inadequate as the cracks on the container wall that are currently being sought remain invisible due to the surface wetting and the coolant remaining in the cracks.

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Es ist daher bereits vorgeschlagen worden, für diese Zwecke ein Ultraschallgerät einzusetzen, das nicht nur bei einer höheren Frequenz (ca. 10 MHz) zur Bilderzeugung, sondern auch bei einer niedrigeren Frequenz (ca. 0,5 bis 3 MHz) zur Materialprüfung der Behälterwand verwendet werden kann (H. A. Rohrbacher, R. Bartholomy: "Ultraschall-Meßtechnik in Natriumsystemen", Bericht KFK 2116 Karlsruhe im März 1976). Die Wahl einer hohen Frequenz ist an sich zur Verbesserung des Auflösungsvermögens von Einzelheiten erwünscht, wird jedoch durch die dann höhere Dämpfung im Flüssigmetall begrenzt. Das Verfahren zur Herstellung von Bildern mittels Schallwellen ist zwar grundsätzlich dem aus der Lichtoptik bekannten gleich, doch führt die größere Wellenlänge zu einer Verstärkung der Beugungserscheinungen, die in Verbindung mit der langen Laufzeit der Schallwellen dazu führen, daß akustische Linsensysteme trotz erheblicher Größe wenig leistungsfähig sind. Auch stehen z. Z. keine akustischen Linsen-Werkstoffe zur Verfügung, die beispielsweise in flüssigem Natrium mit einer Mindesttemperatur von 450 K eingesetzt werden könnten. Für diesen Fall bietet sich der Einsatz des ebenfalls aus der Lichtoptik bekannten holographischen Verfahrens an, wie es von N. 0. Booth und J. L. Sutton in dem Bericht AD/A-002257 "Holographie Acoustic Imaging", San Diego, Calif. 1974 beschrieben ist. Die Eignung von auf dem Markt befindlichen Geräten für diesen Zweck ist bereits untersucht worden (siehe Bericht Nr. 750207 der Fraunhofer-Gesellschaft "Eignung des Holscan 200 der Firma Holosonics zur Fertigungs- und Wiederholungsprüfung an Reaktorkomponenten und -anlagen" von V. Schmitz). Zur Herstellung eines die gewünschten Auskünfte gebenden Bildes wird zweckmäßigerweise das akustische Hologramm auf dem Umweg über elektrische Impulse in Lichtsignale verwandelt.It has therefore already been proposed to use an ultrasound device for these purposes, which is not only at a higher frequency (approx. 10 MHz) for image generation, but also at a lower frequency (approx. 0.5 to 3 MHz) can be used for material testing of the container wall (H. A. Rohrbacher, R. Bartholomy: "Ultrasound measurement technology in sodium systems", report KFK 2116 Karlsruhe in March 1976). Choosing a high Frequency is desirable in itself to improve the resolution of details, but is increased by which then limits the higher damping in the liquid metal. The process of creating images using sound waves is basically the same as known from light optics, but the longer wavelength leads to an intensification of the diffraction phenomena, which in connection with the long running time of the sound waves lead to the fact that acoustic lens systems are not very efficient despite their considerable size. Also stand z. Currently none acoustic lens materials are available, for example in liquid sodium with a minimum temperature of 450 K could be used. In this case, it is also possible to use the light optics known holographic process, as reported by N. 0. Booth and J. L. Sutton in report AD / A-002257 "Holography Acoustic Imaging," San Diego, Calif. 1974 is described. The suitability of those on the market Devices for this purpose have already been examined (see report no. 750207 of the Fraunhofer-Gesellschaft "Suitability of the Holscan 200 from Holosonics for production and repeat tests on reactor components und -anlagen "by V. Schmitz). To produce a picture that gives the desired information, expediently, the acoustic hologram is converted into light signals indirectly via electrical impulses.

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Praktisch bedeutet dies, daß das Hologramm in einzelne Bildpunkte zerlegt werden muß, die nacheinander abgefragt und in elektrische Signale umgewandelt werden. Das oben erwähnte Gerät realisiert dies mit Hilfe einer mechanischen Abrasterung, was jedoch zu sehr langen Bildentstehungszeiten führt und eine Justierung erfordert, die während der Aufnahmezeit nur Bewegungen bis zu höchstens einem Achtel einer Schallwellenlänge zuläßt. Ein Einsatz der dort verwendeten Mechanik unter Flüssigmetall erscheint kaum möglich. Andererseits ist aus dem Bericht von R. S. Mezrich, C. F. Etzold, D. H. R. Vilkomerson "System for visualizing and measuring ultrasonic wavefronts" PRRL-75-TR-O44 der RCA Laboratories, Princeton, N. J. ein Verfahren zum optischen Abrastern eines akustischen, hier allerdings nicht holographischen sondern mit Hilfe von Linsen hergestellten Bildes bekannt, bei dem sich das zu betrachtende Objekt unter Wasser befindet. Das akustische Bild wird auf einer im Wasser hängenden Metallmembran erzeugt, die mit einem Strahl kohärenten Lichtes abgetastet wird. Die von der spiegelnden Membrane zurückgeworfenen Lichtstrahlen interferieren auf einem Strahlteiler mit einem zweiten, von einem Referenzspiegel reflektierten Teilstrahl. Die Lichtintensitätsschwankungen der Interferenz werden mit einer Fotodiode in elektrische Signale verwandelt, die nach Art des Fernsehens auf einem Anzeigeschirm zur Darstellung gebracht werden können. Da die Schwingungsamplituden des Meßspiegels nur Bruchteile der Lichtwellenlänge betragen, treten interpretierbare Intensitätsschwankungen nur auf, wenn die relative Phasendifferenz beider Teilstrahlen des kohärenten Lichtes 90° beträgt. Um diese Bedingung für jeden Bildpunkt zu erfüllen, besteht der Referenzspiegel aus einer optisch reflektierenden Schicht, die auf einemIn practice this means that the hologram has to be broken down into individual pixels, which are queried one after the other and converted into electrical signals. The above-mentioned device realizes this with the help of mechanical scanning, which, however, leads to very long image creation times and requires an adjustment that only allows movements of up to a maximum of one eighth of a sound wavelength during the recording time. An application of the mechanics used there under liquid metal hardly seems possible. On the other hand, from the report by RS Mezrich, CF Etzold, DHR Vilkomerson "System for visualizing and measuring ultrasonic wavefronts" PRRL-75-TR-O44 from RCA Laboratories, Princeton, NJ, a method for optically scanning an acoustic, but here not holographic, is known image produced with the help of lenses, in which the object to be viewed is under water. The acoustic image is generated on a metal membrane hanging in the water, which is scanned with a beam of coherent light. The light beams reflected by the reflective membrane interfere on a beam splitter with a second partial beam reflected by a reference mirror. The light intensity fluctuations of the interference are converted with a photodiode into electrical signals, which can be shown on a display screen in the manner of television. Since the oscillation amplitudes of the measuring mirror are only fractions of the light wavelength, interpretable intensity fluctuations only occur when the relative phase difference between the two partial beams of the coherent light is 90 °. In order to meet this condition for each pixel, the reference mirror consists of an optically reflective layer that is on top of a

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piezoelektrischen Kristall aufgebracht ist und mit diesem um mindestens eine Viertel-Lichtwellenlänge schwingt, da er mit einem entsprechenden Wechselstrom von z. B. 50 kHz erregt wird. Das zu erfassende Signal weist eine Frequenz von über 0,5 MHz auf und wird aus der 50 kHz-Schwingung herausgefiltert. Dieses Verfahren setzt jedoch zwischen Membran und Strahlteiler eine optische Transparenz des Mediums voraus und benötigt akustische Linsen, die wie oben ausgeführt für den Einsatz in Flüssigmetall nicht zur Verfügung stehen.piezoelectric crystal is applied and oscillates with this by at least a quarter of a light wavelength, since it is with a corresponding alternating current of z. B. 50 kHz is excited. The signal to be detected has a frequency of over 0.5 MHz and is filtered out of the 50 kHz oscillation. However, this method requires an optical transparency of the medium between the membrane and the beam splitter and requires acoustic lenses which, as explained above, are not available for use in liquid metal.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Ultraschallgerät zur Ortung und bildlichen Darstellung von Objekten, die in ein undurchsichtiges Fluid getaucht sind, mittels eines holographischen Verfahrens. Das Gerät soll zum Einsatz in flüssigem Metall, insbesondere in flüssigem Natrium geeignet sein.The object of the present invention is an ultrasound device for locating and visualizing objects, immersed in an opaque fluid by means of a holographic process. The device should go to Use in liquid metal, especially in liquid sodium.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Meßspiegel auf die der Schallquelle zugewandte Seite eines lichtdurchlässigen Körpers aufgebracht ist, der das Fluid, in das das zu ortende Objekt eingetaucht ist, von einem zweiten, lichtdurchlässigen Fluid trennt, in das die Lichtquelle eingetaucht ist. Die von einem Ultraschallsender erzeugten, von dem zu betrachtenden Objekt reflektierten oder es durchdringenden Schallwellen treffen auf die Vorderseite des Meßspiegels und verformen ihn entsprechend ihrer Intensität auch dann, wenn als lichtdurchlässiger Körper verhältnismäßig hartes, für den Einsatz in Flüssigmetall geeignetes Glas gewählt wird. Der Meßspiegel wird auf seiner Rückseite Bildpunkt für Bildpunkt mit einem Strahl kohärenten Lichtes abgetastet, das den lichtdurchlässigen Körper ohne weiteres durchdringt und das mit einem sogenannten Laser erzeugt wird. The object is achieved according to the invention in that the measuring mirror is applied to the side of a light-permeable body facing the sound source, which separates the fluid in which the object to be located is immersed from a second, light-permeable fluid in which the light source is immersed is. The sound waves generated by an ultrasonic transmitter, reflected by the object to be viewed or penetrating it, hit the front of the measuring mirror and deform it according to their intensity even if the translucent body selected is relatively hard glass suitable for use in liquid metal . The back of the measuring mirror is scanned pixel by pixel with a beam of coherent light which easily penetrates the translucent body and which is generated with a so-called laser.

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Die beiden möglicherweise, wie ζ. Β. Natrium und Luft miteinander unverträglichen Fluide werden zuverlässig voneinander getrennt. Der vom Meßspiegel zurückgeworfene Lichtstrahl wird nur intermittierend aufgenommen, da das Bild nicht kontinuierlich, sondern in diskreten Bildpunkten abgetastet wird.The two possibly, like ζ. Β. Sodium and air incompatible fluids become reliable separated from each other. The light beam reflected by the measuring mirror is only recorded intermittently because the image is not scanned continuously but in discrete pixels.

Ebenso wie das oben beschriebene Gerät arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Strahlteiler, einem auf einem piezoelektrischen Kristall aufgebrachten Referenzspiegel und einer von dem Strahlteiler beleuchteten Fotodiode, wobei sich der Abstand zwischen Referenzspiegel und Strahlteiler in Abhängigkeit von der an den Kristall angelegten Spannung ändert. Während dort jedoch eine gleichmäßige, sinusförmige Wechselspannung verwendet wird, ist ein zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung geeignetes Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß diese im Verlauf der Aufnahme eines einzelnen Bildpunktes nacheinander zwei unterschiedliche Betriebszustände durchläuft. In einem ersten Zustand, nachdem der Lichtstrahl vom einen auf den nächsten Bildpunkt gelenkt worden ist, wird die an den Kristall angelegte Spannung derart verändert, daß sich der Abstand des Meßspiegels zum Strahlteiler um wenigstens zwei Drittel einer Lichtwellenlänge ändert, wobei der Wert der Spannung, die einer Stellung des Referenzspiegels entspricht, bei der die von Meß- und Referenzspiegel zurückgeworfenen, auf den Strahlteiler interferierenden Lichtwellen eine Phasendifferenz von aufweisen und die Änderungsrichtung der Phasendifferenz definiert ist, gemessen und gespeichert wird. Die überlagerung der Spiegelbewegung durch die abklingenden Störechos vom vorhergehenden Bildpunkt sind unbedeutend klein bzw. können ausgefiltert werden. Durch die Korrelation von Bewegungsrichtung des Meßspiegesl mit der Lichtintensitäts-Zu- oder -Abnahme ist eine eindeutigeJust like the device described above, the device according to the invention works with a beam splitter, a reference mirror mounted on a piezoelectric crystal and one illuminated by the beam splitter Photodiode, the distance between the reference mirror and the beam splitter depending on the Crystal applied voltage changes. While there, however, a uniform, sinusoidal alternating voltage is used is, a suitable method for operating the device according to the invention is characterized in that this runs through two different operating states one after the other in the course of recording a single pixel. In a first state, after the light beam has been directed from one pixel to the next, the voltage applied to the crystal is changed in such a way that the distance between the measuring mirror and the beam splitter changes changes by at least two thirds of a wavelength of light, the value of the voltage being that of a position of the reference mirror, in which the reflected from the measuring and reference mirror, on the beam splitter interfering light waves have a phase difference of and the direction of change of the phase difference is defined, measured and stored. The superposition of the mirror movement by the decaying False echoes from the previous pixel are insignificantly small or can be filtered out. Through the correlation of the direction of movement of the measuring mirror with the increase or decrease in light intensity is a clear one

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Fixierung einer bestimmten Stellung des Meßspiegels möglich (z. B. entspricht einem größeren Abstand zwischen Meßspiegel und Strahlteiler eine Helligkeitsabnahme). In einem zweiten Betriebszustand, während dessen die Interferenz der vom Meßspiegel und vom Referenzspiegel zurückgeworfenen Lichtwellen gemessen wird, wird die an den Kristall angelegte Spannung auf den gespeicherten Wert zurückgeführt und mit einer wesentlich unterhalb der verwendeten Ultraschallfrequenz liegenden Korrekturfrequenz so verändert, daß in den zwischen dem Auftreffen der Schallimpulse liegenden Zeiträumen die Ausgangsspannung der Fotodiode auf einem konstanten Wert gehalten wird. Letzteres ist wichtig, damit nur die hochfrequente, vom Ultraschall erzeugte Änderung der vom Meßspiegel zurückgeworfenen Lichtstrahlen während der gesamten Aufnahmezeit mit gleichbleibender Proportionalität empfangen werden kann. Die gleichbleibende Phasendifferenz wird erzielt, indem die den Kristall steuernde Spannung durch die an der Fotodiode meßbare Lichtintensität mittels einer Korrekturfrequenz auf einen dem Mittelwert der gemessenen größten Interferenzunterschiede entsprechenden Wert geregelt wird.Fixation of a certain position of the measuring mirror possible (e.g. a greater distance between the measuring mirror and the beam splitter corresponds to a decrease in brightness). In a second operating state, during which the interference from the measuring mirror and the reference mirror reflected light waves are measured, the voltage applied to the crystal is stored on the Value and with a correction frequency that is significantly below the ultrasonic frequency used so changed that in between the impact of the sound pulses, the output voltage of the photodiode is kept at a constant value will. The latter is important so that only the high-frequency, change in the light rays reflected by the measuring mirror during the entire period, produced by the ultrasound Recording time can be received with constant proportionality. The constant phase difference becomes achieved by the voltage controlling the crystal by means of the light intensity that can be measured at the photodiode a correction frequency to a corresponding to the mean value of the measured greatest interference differences Value is regulated.

Die während des zweiten Betriebszustandes von der Fotodiode abgegebenen elektrischen Signale werden üblicherweise der Verstärkung bedürfen. Diese Verstärkung ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung umgekehrt proportional der Größe der im Verlauf des ersten Betriebszustandes gemessenen und gespeicherten Schwankung der Intensität der auf die Fotodiode auftreffenden Lichtstrahlen. Das Ausmaß der Schwankung erlaubt Rückschlüsse auf den Zustand des Meßspiegels, der beispielsweise durch Angriff des Flüssigmetalles in seiner Reflektionsfähigkeit herabgesetzt sein kann.The electrical signals emitted by the photodiode during the second operating state are usually need reinforcement. This gain is reversed according to a further feature of the invention proportional to the size of the fluctuation measured and stored in the course of the first operating state Intensity of the light rays striking the photodiode. The extent of the fluctuation allows conclusions to be drawn about the condition of the measuring mirror, which is, for example, caused by Attack of the liquid metal can be reduced in its reflectivity.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung beschrieben, und zwar zeigtAn embodiment of the invention is shown in the drawing described, namely shows

Figur 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung, soweit sie in das Fluid eingetaucht ist, in dem sich das zu ortende Objekt befindet und ohne die Geräte zur Auswertung und Darstellung der dort gewonnen Signale undFigure 1 shows the device according to the invention insofar as it is shown in the fluid in which the object to be located is located is immersed and without the devices for evaluation and Representation of the signals obtained there and

Figur 2 ein Schaltbild der gesamten Anlage.Figure 2 is a circuit diagram of the entire system.

In der Figur 1 ist zunächst das zu ortende Objekt 1 beliebiger Form dargestellt, das in eine undurchsichtige Flüssigkeit 2, im Beispiel Natrium eingetaucht ist. Ein ebenfalls in die Flüssigkeit getauchter Schallsender 3 sendet Ultraschall-Impulse aus, die von der Oberfläche des Objekts 1 reflektiert werden. Einen für den Einsatz in flüssigem Natrium geeigneten Schallsender hat die Anmelderin in der Anmeldung P 26 46 389.8 beschrieben. Die reflektierten Schallwellen treffen auf einen Meßspiegel 4, der aus einer wenige/im dicken Schicht aus z. B. Silber, Nickel oder Chrom besteht, die auf einen Glasblock 5 beispielsweise aufgedampft ist. Der Glasblock 5 ist in eine Fassung 6 eingepaßt, die aus einem beispielsweise stark nickelhaltigen Material besteht, das denselben Ausdehnungskoeffizienten wie das Glas hat, damit die Dichtigkeit und Festigkeit der Verbindung auch ohne die Verwendung von Dicht- und Klebstoffen gewährleistet bleibt, deren Einsatz in heißem Flüssigmetall nicht möglich ist. Die Fassung 6 ist mit Einkerbungen 7 versehen, die eine Reihe kleiner schallreflektierender Flächen bilden, durch die etwaige Echos von Schallimpulsen gestreut werden, die in einem größeren Winkel in den Glasblock 5 eindringen. Die Fassung 6 ist mit einem Dichtungsring 8 versehen auf ein Innengehäuse 9 geschraubt, und nach Montage der weiterenIn the figure 1, the object to be located 1 of any shape is shown first, which is in an opaque Liquid 2, in the example sodium, is immersed. A sound transmitter also immersed in the liquid 3 emits ultrasonic pulses that are reflected from the surface of the object 1. One for use The applicant has described sound transmitters suitable for liquid sodium in application P 26 46 389.8. The reflected sound waves impinge on a measuring mirror 4, which consists of a few / im thick layer z. B. silver, nickel or chromium, which is vapor-deposited on a glass block 5, for example. The glass block 5 is fitted into a socket 6, which consists of a material with a high nickel content, for example, which has the same coefficient of expansion as the glass, thus ensuring the tightness and strength of the connection Even without the use of sealants and adhesives, their use in hot liquid metal is guaranteed not possible. The socket 6 is provided with notches 7, which are a number of small sound-reflecting Form areas through which any echoes of sound impulses are scattered in a penetrate larger angle into the glass block 5. The socket 6 is provided with a sealing ring 8 on a Inner housing 9 screwed, and after assembly of the other

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nachstehend beschriebenen Teile mit einem Außengehäuse verschweißt, wodurch die Dichtigkeit der Vorrichtung gewährleistet ist. Um den Wärmeübergang von dem heißen Flüssigmetall auf die empfindlichen Geräte im Inneren der Vorrichtung möglichst herabzusetzen, ist der Zwischenraum 11 zwischen Außen- und Innengehäuse evakuiert. Darüberhinaus ist im Zwischenraum 11 ein Wärmestrahlungsschutzblech 12 aus Chrom-Nickel-Stahl angebracht, dessen Oberflächen ebenso wie die Innenfläche des Außengehäuses und die Außenfläche des Innengehäuses poliert sind. Das Außengehäuse 10 und das Innengehäuse 9 sind aus einem gegen das Flüssigmetall beständigen Material, z. B. Chrom-Nickel-Stahl hergestellt. Die Verbindung von der Vorrichtung zur Oberfläche des Flüssigmetalls wird durch ein unter Umständen biegsames Rohr 13 hergestellt, in dem zwei weitere dünne Rohre oder Schläuche 14, 15 koaxial geführt sind. Der Zwischenraum zwischen dem Rohr 13 und dem ersten Schlauch 14 ist eine Fortsetzung des Zwischenraums 1 1 und wie dieser evakuiert. Im Inneren des zweiten Schlauches 15 wird der Vorrichtung ein Kühlgas, beispielsweise Stickstoff zugeführt, das durch Bleche 16 geleitet den durch die Pfeile angedeuteten Weg nimmt und das Innengehäuse kühlt. Danach strömt das Kühlgas in dem Ringraum zwischen dem Außenschlauch 14 und dem Innenschlauch 15 wieder ab. Temperaturempfindliche elektronische Bauteile können in an sich bekannter Weise mittels eines hier nicht gezeigten zusätzlichen Peltierelementes auf konstanter Temperatur gehalten werden. Im Innenschlauch 15 sind darüberhinaus die zur Versorgung der Vorrichtung nötigen elektrischen Kabel 17 verlegt, deren weiterer Weg der Übersichtlichkeit halber hier nicht dargestellt ist. Im Inneren des Innengehäuses 9 ist als Quelle kohärenten Lichtes ein Laser 18 angebracht. Der von ihm ausgehende Lichtstrahl trifft auf einen Strahlteiler 19, wodurch die eine Hälfte des Strahles in Richtung auf einenParts described below are welded to an outer housing, thereby ensuring the tightness of the device is guaranteed. About the heat transfer from the hot liquid metal to the sensitive devices inside to reduce the device as possible, the space 11 between the outer and inner housing is evacuated. Furthermore a heat radiation protection plate 12 made of chromium-nickel steel is attached in the space 11, the surfaces of which as well as the inner surface of the outer case and the outer surface of the inner case are polished. That The outer housing 10 and the inner housing 9 are made of a material resistant to the liquid metal, e.g. B. Made of chrome-nickel steel. The connection from the The device for the surface of the liquid metal is produced by a tube 13, which may be flexible under certain circumstances, in the two further thin tubes or hoses 14, 15 are guided coaxially. The space between the pipe 13 and the first tube 14 is a continuation of the intermediate space 11 and evacuated like this. Inside the second Hose 15 is supplied with a cooling gas, for example nitrogen, which is passed through metal sheets 16 to the device takes the path indicated by the arrows and cools the inner housing. The cooling gas then flows in the annular space between the outer tube 14 and the inner tube 15 again. Temperature sensitive electronic components can be kept constant in a manner known per se by means of an additional Peltier element, not shown here Temperature are maintained. In addition, the inner tube 15 contains those necessary for supplying the device electrical cable 17 is laid, the further path of which is not shown here for the sake of clarity. In the interior of the inner housing 9, a laser 18 is attached as a source of coherent light. The one emanating from him Light beam hits a beam splitter 19, whereby one half of the beam in the direction of a

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Referenzspiegel 20 abgelenkt wird, der auf einem piezoelektrischen Kristall 21, beispielsweise Quarz aufgebracht ist (zur Verdeutlichung hier auseinandergezeichnet). Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Referenzspiegel 20, der als die eine Elektrode dient und eine zweite, z. B. geerdete Elektrode 22 werden in dem Kristall Dimensionsänderungen induziert, durch die der Abstand zwischen dem Referenzspiegel 20 und dem Strahlteiler 19 um mindestens zwei Drittel einer Lichtwellenlänge verändert werden kann. Der andere Halbstrahl setzt seinen Weg geradlinig fort und wird mittels einer ersten Linse 2 auf einen Strahlablenker 24 fokussiert. Dieser lenkt den Strahl analog den Vorgängen beim Entstehen eines Fernsehbildes mit Hilfe einer zweiten Linse 25 so ab, daß er, senkrecht auftreffend, nacheinander die gesamte, in eine größere Anzahl von Bildpunkten unterteilt gedachte Rückseite des Keßspiegels 4 abtastet. Dort wird der Strahl reflektiert und nimmt den Weg zurück zum Strahlteiler 19. Zwischen Meßspiegel 4 und Strahlteiler 19 kann ein weiterer, hier nicht dargestellter Spiegel angebracht sein, mit dem der Lichtstrahl in bekannter Weise umgelenkt wird, wenn die baulichen Gegebenheiten dazu zwingen, den Meßspiegel außerhalb der verlängerten Achse Laser-Strahlteiler anzuordnen .Reference mirror 20 is deflected on a piezoelectric Crystal 21, for example quartz, is applied (drawn apart here for clarity). By Applying an electric voltage to the reference mirror 20, which serves as the one electrode and one second, e.g. B. grounded electrode 22 are induced in the crystal dimensional changes, through which the distance changed between the reference mirror 20 and the beam splitter 19 by at least two thirds of a light wavelength can be. The other half-beam continues its path in a straight line and becomes 2 by means of a first lens focused on a beam deflector 24. This directs the beam analogous to the processes involved in the creation of a television image with the help of a second lens 25 so that he, incident vertically, successively the entire, in one larger number of pixels subdivided imaginary rear side of the Keßspiegel 4 scans. There will be the ray reflects and takes the path back to the beam splitter 19. Between the measuring mirror 4 and the beam splitter 19, another, mirror not shown here, with which the light beam is deflected in a known manner, if the structural conditions force the measuring mirror to be arranged outside the extended axis of the laser beam splitter .

Da der Meßspiegel 4 unter dem Einfluß der auf ihn auftreffenden Schallwellen Schwingungen in der Größenordnung von einem Tausendstel bis zu einem Zehnmillionstel einer Lichtwellenlänge ausführt, ist der Abstand von diesem zum Strahlteiler ebenso Änderungen unterworfen, wie derjenige zwischen dem Strahlteiler 19 und dem Referenzspiegel 20. Die auf ersterem interferierenden, von jedem der Spiegel zurückgeworfenen Strahlen verstärken oder dämpfen einander, je nach ihrer Phasendifferenz, was zuSince the measuring mirror 4 vibrates in the order of magnitude under the influence of the sound waves impinging on it from a thousandth to a ten-millionth of a wavelength of light is the distance from it to the beam splitter is also subject to changes, as is that between the beam splitter 19 and the reference mirror 20. Those interfering on the former, from each The reflected rays from the mirror amplify or attenuate each other, depending on their phase difference, which leads to

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einer unterschiedlich starken Beleuchtung des Strahlteilers 19 führt. Diese unterschiedlich hellen Lichterscheinungen werden mit Hilfe einer Fotodiode 27 gemessen, der eine dritte Linse 26 vorgeschaltet ist.a different intensity of illumination of the beam splitter 19 leads. These differently bright light phenomena are measured with the aid of a photodiode 27, which is preceded by a third lens 26.

Die von den verschiedenen Flächen des Objektes 1 und von anderen mit dem Schallsender 3 bestrahlten Flächen, beispielsweise den hier nicht gezeigten Behälterwänden ausgehenden Schallwellen überlagern einander in der Ebene des Meßspiegels 4 und drücken diesem ein Interferenzmuster auf, das Bildpunkt für Bildpunkt mit dem Strahl kohärenten Lichtes abgetastet wird. Der je nach Bildpunkt unterschiedliche Grad der Auslenkung des Meßspiegels 4 bewirkt eine Abstandsänderung zwischen diesem und dem Strahlteiler 19 und demgemäß einen verschieden hohen Grad der Interferenz mit dem vom Referenzspiegel zurückgeworfenen Lichtstrahl. Der auf dem Strahlteiler entstandene Helligkeitswert wird mit Hilfe der Fotodiode gemessen und wie weiter unten erklärt zur Herstellung eines Bildes des Objektes 1 verwendet.The surfaces irradiated by the various surfaces of the object 1 and by other surfaces with the sound transmitter 3, For example, sound waves emanating from the container walls (not shown here) are superimposed on one another in FIG Level of the measuring mirror 4 and press this on an interference pattern, the pixel by pixel with the Beam of coherent light is scanned. The degree of deflection of the measuring mirror, which varies depending on the pixel 4 causes a change in distance between this and the beam splitter 19 and accordingly a different one high degree of interference with the light beam reflected from the reference mirror. The one on the beam splitter The resulting brightness value is measured with the help of the photodiode and, as explained below, for production of an image of the object 1 is used.

Der Mittelpunkt des in der Figur 2 dargestellten Schaltbildes der Anlage ist eine Recheneinheit 29, wie sie in Gestalt sogenannter Mikroprozessoren zur Verfügung steht. Für jeden einzelnen Bildpunkt startet die Rechnereinheit 29 von einer zeitgebenden Einheit 28 gesteuert den Schallsender 3 und sendet ein vorher festgelegtes digitales Signal (das auch 0 sein kann) an einen Digital-Analog-Wandler 36. Das dort erzeugte analoge Spannungssignal wird über ein Tiefpaßfilter 37 an den Meßspiegel geleitet, der wie oben ausgeführt eine der beiden an den piezoelektrischen Kristall 21 angelegten Elektroden darstellt. Unter dem Einfluß dieser Spannung bewegt sich der Kristall und damit der Referenzspiegel in eineThe center of the circuit diagram of the system shown in FIG. 2 is a computing unit 29, as shown in FIG Form of so-called microprocessors is available. The computer unit starts for each individual pixel 29 controlled by a timing unit 28, the sound transmitter 3 and sends a predetermined one digital signal (which can also be 0) to a digital-to-analog converter 36. The analog voltage signal generated there is sent via a low-pass filter 37 to the measuring mirror which, as stated above, represents one of the two electrodes applied to the piezoelectric crystal 21. Under the influence of this voltage, the crystal and thus the reference mirror move into a

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Endlage. Ein weiteres Signal wird von der Recheneinheit 29 an ein holographisches Bilderzeugungsgerät gegeben, das seinerseits mittels der Ablenkvorrichtung den Laserstrahl auf den gewünschten Bildpunkt ablenkt. Die hierzu für die Ablenkvorrichtung 24 erforderliche Zeit ist ebenso wie die Einschwingzeit für das Tiefpaßfilter 37 bekannt. Ist der für diese beiden Vorgänge erforderliche Zeitraum verstrichen, wird von der Recheneinheit 29 ein weiteres Digitalsignal an den Wandler 36 gegeben. Der Spannungswechsel am Ausgang des Wandlers wird durch das Tiefpaßfilter 37 zu einer Ubergangsfunktion abgeflacht. Dank seiner hohen Eigenfrequenz folgt der Kristall 21 und damit der Meßspiegel 20 dieser Spannungsänderung praktisch verzögerungslos. Die dadurch infolge der Änderung der Interferenzen auf dem Strahlteiler 19 hervorgerufene Helligkeitsänderung beeinflußt das von der Fotodiode 2 7 abgegebene elektrische Signal, das nach Durchlaufen eines Vorverstärkers 40 einem Analog-Digital-Wandler 35 zugeführt wird. Die den an der Fotodiode gemessenen maximalen und minimalen Lichtwerte entsprechenden Spannungswerte und die relativen Zeiten ihres Erscheinens (z. B. die Erscheinung eines Maximalwertes vor oder nach dem folgenden Minimalwert, wodurch die Xnderungsrichtung nach + oder - 90 Phasendifferenz bestimmt ist) werden in Speichergliedern 33 bzw. 34 gespeichert. Daraufhin laufen in der Recheneinheit 29 folgende Rechnungen ab:End position. A further signal is sent from the arithmetic unit 29 to a holographic image generating device given, which in turn deflects the laser beam to the desired image point by means of the deflection device. The time required for this for the deflection device 24 is just like the settling time for the low-pass filter 37 known. If the period of time required for these two processes has passed, the processing unit 29 a further digital signal is sent to the converter 36. The voltage change at the output of the converter becomes a transition function through the low-pass filter 37 flattened. Thanks to its high natural frequency, the crystal 21 and thus the measuring mirror 20 follow this Change in voltage practically without delay. This is due to the change in the interference on the beam splitter 19 caused change in brightness influences the electrical signal emitted by the photodiode 2 7, after going through a preamplifier 40 a Analog-to-digital converter 35 is supplied. The maximum and minimum light values measured on the photodiode corresponding voltage values and the relative times of their appearance (e.g. the appearance of a maximum value before or after the following minimum value, whereby the direction of change to + or - 90 phase difference is determined) are stored in memory elements 33 and 34, respectively. Thereupon run in the arithmetic unit 29 the following invoices:

^ÜR - ^f1 ^(tmax⁺ W -Wandler 36 (1) ^Ü R - ^f 1 ^(t max ⁺ W converter 36 (1)

^ÜG - °'^{5 (ü}max ⁺ "min) * Speicher 33, 34 (2) ^Ü G - ° ' ^{5 (ü} max ⁺ "min) * memory 33, 34 (2)

U * ^ümax - ^üminU * ^ü max - ^ü min

809844/0451809844/0451

- 15 -- 15 -

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Wenn Δ < minIf Δ <min

Fehleranzeige 30Error display 30

U mittel Bilderzeugungsgerät 32 U means image forming device 32

Darin sind UInside are U

Regelspannung für Kristall 21Control voltage for crystal 21

max relativer Zeitpunkt des Eintretens des Spannungsmaximums an Eingang zum Analog-Digital-Wandlermax relative time at which the voltage maximum occurs at the input to the analog-to-digital converter

min relativer Zeitpunkt des Eintretens des Spannungsminimums am Eingang zum Analog-Digital-Wandlermin relative time at which the voltage minimum occurs at the input to the analog-to-digital converter

Wert der Ubergangsfunktion des TiefpaßfiltersValue of the transition function of the low-pass filter

dem Soll-Grauwert entsprechende Spannungvoltage corresponding to the target gray value

max Maximalspannung am Eingang des Analog-Digital-Wandlersmax maximum voltage at the input of the analog-digital converter

minmin

in Δin Δ

minmin

Minimalspannung am Eingang des Analog-Digital-WandlersMinimum voltage at the input of the analog-digital converter

vorgegebener Mindestwert des SpannungsUnterschiedes zwischen Maximal- und Minimalspannungspecified minimum value of the voltage difference between Maximum and minimum voltage

mittel Mittlerer Spannungsunterschied für alle Bildpunktemedium Mean voltage difference for all pixels

VerstärkungsfaktorGain factor

bzw. die diesen Größen entsprechenden Zahlenwerte.or the numerical values corresponding to these quantities.

8098*4/04518098 * 4/0451

- 16 -- 16 -

2719U12719U1

Die Fehleranzeige nach Gleichung (4) erfolgt in einem Anzeigegerät 30 und warnt vor einem Aufnehmen eines beispielsweise infolge Beschädigung des Meßspiegels 4 unbrauchbaren Bildpunktes. Mit einer Frequenz von ca. 50 - 1OO kHz (d. h., einer Frequenz, die gegenüber der der Ultraschallwellen von über 1 MHz verhältnismäßig gering ist) wird der jeweilige tatsächliche mittlere Grauwert mit dem nach Gleichung (2) gespeicherten verglichen und bei Abweichungen die Regelspannung U_ so verändert, daß diese Abweichung (die z. B. durch eine Änderung des Abstandes zwischen Meßspiegel 4 und Strahlteiler 19 infolge von Wärmedehnung hervorgerufen sein kann) eliminiert wird.The error display according to equation (4) takes place in a display device 30 and warns of a pickup for example as a result of damage to the measuring mirror 4 unusable image point. With a frequency of about 50-1OO kHz (i.e., a frequency relative to that of ultrasonic waves of over 1 MHz is low) the respective actual mean gray value is compared with that stored according to equation (2) and in the event of deviations, the control voltage U_ is changed in such a way that this deviation (e.g. Change in the distance between the measuring mirror 4 and the beam splitter 19 may be caused by thermal expansion can) is eliminated.

Danach tritt die Vorrichtung in den zweiten Betriebszustand ein, in dem die vom Schallsender 3 ausgesandten Ultraschallwellen nach Durchdringung des Objektes 1 bzw. nach Reflektion an demselben auf den Meßspiegel 4 auftreffen. Die dadurch über eine Änderung der Interferenzen auf dem Strahlteiler 19 hervorgerufenen Schwankungen im Ausgangssignal der Fotodiode 27 überlagern sich der vorhin erwähnten Korrekturfrequenz und gelangen dank ihrer hohen Frequenz über ein Hochpaßfilter 41 an das Bilderzeugungsgerät 32. Dort wird das phasen- und amplitudenrichtige Signal für jeden Bildpunkt gespeichert und nach Beendigung des Abtastvorganges aus der Gesamtheit der Bildpunkte in bekannter Weise das holographische Bild hergestellt, das schließlich in einem Sichtgerät zur Darstellung gebracht wird. Die Entstehungszeit des Bildes kann bei entsprechendem apparativem Aufwand verringert werden, indem zwei oder mehr parallele Erfassungskanäle vorgesehen werden.Thereafter, the device enters the second operating state in which the emitted by the sound transmitter 3 Ultrasonic waves impinge on the measuring mirror 4 after penetrating the object 1 or after being reflected on the same. The fluctuations in the caused by a change in the interference on the beam splitter 19 Output signals of the photodiode 27 are superimposed on the previously mentioned correction frequency and arrive thanks their high frequency via a high-pass filter 41 to the image generation device 32. There the phase and The correct amplitude signal is stored for each pixel and after completion of the scanning process from the entirety of the pixels produced the holographic image in a known manner, which is finally in a viewing device is brought to the display. The time when the picture was created can vary with the appropriate equipment can be reduced by providing two or more parallel detection channels.

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7;7;

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Claims

24.369.6 We / Fe 22.04.1977 INTERATOM Internationale Atomreaktorbau GmbH 5060 Bergisch Gladbach 1 ultrasonic viewing device protection claims

1. Apparatus for generating holographic images

of objects that are located by means of sound waves with a measuring mirror exposed to the sound waves, which is illuminated with coherent light, characterized by

that the measuring mirror (4) on the sound source (3) facing side of a translucent body (5) is applied, which the fluid (2), in which the object to be located is immersed, from a second, separates translucent fluid (28) into which the light source (1 8) is immersed.

2. Device according to claim 1 with a pulsating sound source and intermittently recorded, light beam reflected by the measuring mirror, characterized in that

that when the sound waves from the back of the body (5) hit one Pulse on the measuring mirror (4) the recording of the light beam is interrupted.

809844/0451 - 2 -809844/0451 - 2 -

3. A method of operating the device according to claim or 2 with a beam splitter, one on one piezoelectric crystal applied reference mirror and one illuminated by the beam splitter Photodiode, the distance between the reference mirror and the beam splitter depending on the voltage applied to the crystal changes, characterized in that

that in the course of the recording of a single image point they successively following operating states goes through:

a) a first state in which the voltage is changed in such a way that the distance changes at least half a wavelength of light changes, the value of the voltage corresponding to a position of the reference mirror (20), in which the reflected from the measuring (4) and reference mirror, on the beam splitter 19 interfering light waves have a phase difference of 90 and the direction of change of the phase difference is defined, measured and is saved,

b) a second state in which the voltage is returned to the stored value and with a Koji correction frequency that is significantly below the ultrasonic frequency used is changed so that in the periods between the impact of the sound impulses the output voltage of the photodiode 27 is kept at a constant value.

809844/0451 - 3 -809844/0451 - 3 -

4. The method according to claim 3 with amplification of the signals emitted by the photodiode during the second operating state,
characterized,

that the gain is inversely proportional to the size of the measured in the course of the first operating state and stored variation in the intensity of the light rays incident on the photodiode (27).

809844/0451 - ₄ -809844/0451 - ₄ -