DE2732855C2

DE2732855C2 - Ultraschallgenerator

Info

Publication number: DE2732855C2
Application number: DE2732855A
Authority: DE
Inventors: Robert Jacob von New York N.Y. Gutfeld; Robert Lee Yorktown Heights N.Y. Melcher
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-11-23
Filing date: 1977-07-21
Publication date: 1983-01-20
Also published as: CA1097791A; FR2371243B1; JPS5811639B2; US4137991A; GB1583057A; JPS5365718A; IT1118045B; DE2732855A1; FR2371243A1

Description

Die KriKKiiiii. betriff! einen Ultraschallgenerator nach dem ()herbcen ί von Anspruch 1.

Im Stande de; Tei hm« sind Einrichtungen bekannt, die elastisch« Wellen mn Hilfe einer energieabsorbierend^! Seh'hi -/engen "..ich US-Patent 35 32 181 wird ein lmpulszuj: aus einem Laser auf eine dünne absorbierende Schicht gerichtet, die vorzugsweise auf cm akustisches Übertragungsmedium (z. B. kristalliner Slab) geklebt oder darauf niedergeschlagen ist. Die Schiein kann .-'.ich zwischen zwei Kristallen in Form eines Sandwi« '<-s angeordnet sein. Einkristalle Materialien wcrtLii bevorzugt; die Verwendung einer Flüssigkeit;,/ Ho ist ebenfalls erwähn!. Die Dünnschicht

besteht vorzugsweise aus Au, Sn, Cu oder Ag, In der Patentschrift wird jedoch nirgends erwähnt, daß es zur Leistungsverbesserung wünschenswert ist, die Schicht akustisch festzuspannen.

In dem Artikel »Erzeugung von elastischen Wellen durch kurzzeitiges Erhitzen der Oberfläche« im Journal of Applied Physics, Vol. 34, Dez. 1963, Seiten 3559 bis 3567 wird auf Seite 3563 die mathematische Untersuchung des theoretischen Falls dargestellt, daß die Oberfläche ues energieabsorbierenden Materials nicht ·" ausweichen kann. Als Spezialfall wird eine Anordnung mit einer festgespannten Oberfläche untersucht, an der zwei identische, halb unendliche Körper in einer Ebene zusammentreffen, wo sie zusammengefügt sind und wo die Energieabsorption stattfindet. Dieses mathematisehe Mod· Il kann dazu verwendet werden, die Absorption von Hochfrequenzenergie an der Verbindungsstelle zwischen zwei transparenten Medien zu simulieren, die in der Nähe ihrer gemeinsamen Grenze leicht absorbieren. Dem Artikel läßt sich keine Anregung einer praktischen Lösung entnehmen, mit der eine Amplitudenverbesserung dadurch erzielt werden kann, daß die Grenzfläche der energieabsorbierenden Schicht festgespannt ist und nicht ausweichen kann.

In dem Artikel »Laser Anregung von Mikrowellenichall in Festkörpern«, Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 49. Seiten 974 bis 978 wird auf Seite 977 eine Titanschicht von 500 Ä Dicke dargestellt, die alles Licht absorbiert und die über einem Goldfilm von einem Mikrometer Dicke aufgebracht ist, der seinerseits über *o einer 1000 Ä dicken Titaniumschicht liegt, die auf einer kristallinen Verzögerungsleitung niedergeschlagen ist. Die erste Titanschicht stellt die Absorptionsschicht für Laserenergie dar; diese Schicht grenzt an die Atmosphäre und weist keine Vorrichtungen auf, mit der sie festgespannt werden kann.

Nach der US-Patentschrift 33 22 231 wird ein Laser durch ein Glasfenster als Teil einer Festspannplatte ·η eine Flüssigkeit (Wasser) geschickt, um dort seismische Impulse zu erzeugen. In diesem Fall wird keine *0 dazwischenliegende Absorptionsschicht verwendet, um die Lichtenergie in akustische Energie umzuwandeln. Außerdem wird kein stark absorbierendes Material verwendet, da Wasser für das verwendete Licht nur einen geringen Absorptionsgrad aufweist. Statt dessen *⁵ wird der durchsichtige Wassprkörper selbst zur Absorption der Energie verwendet. Das Glas und die Platte, die unter Umständen recht teuer sein können, werden da/u verwendet, die obenliegende Oberfläche der Flüssigkeit festzuspannen. Um ein großes Aus- ^M gangssignal zu erzeugen, muß konzentrierte elektromagnetische Energie verwendet werden. Sogar eine Flüssigkeit mit hohem Farbstoffanteil würde zu keiner hohen Absorption fuhren, da auch sie eine relativ große optische Absorp tionslänge besitzt und damit nur eine geringe optische Energieabsorption ermöglicht.

In der Veröffentlichung »Akustischer Vielkanal-Echospeicher mn wahlweisem Zugriff«. IBM Technical Disclosure Bulletin. Vol. 18. No. 7. Dez.-rnber 1975. Seite 2362 bis 2363 wird ein Block festen Materials beschrieben, der mit Segmenten von Dünnschichten zur Energieabsorption des Lasers versehen ist, die ihrerseits mit einer durchsichtigen Schicht bedeckt sind, um thermische Relaxationszeiten zu verkürzen.

Diese aus dem Stande der Technik bekannten⁶⁵ Einrichtungen weisen nun alle einen ungenügenden Wirkungsgrad für die Energiekonversion auf.

Die vorliegende Erfindung stellt sich deshalb die Aufgabe, einen Ultraschallgenerator anzugeben, der bei Zuführung elektromagnetischer, thermischer oder Partikelstrahlenergie eine Umsetzung in Schallenergie mit großem Wirkungsgrad ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete technische Lehre gelöst; Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im wesentlichen besteht der Ultraschallgenerator aus einem Körper eines Materials, das für akustische Schwingungen ein geeignetes Medium darstellt. Mit diesem Körper ist eine energieabsorbierende Schicht in engem akustischem Kontakt verbunden, so daß akustische Schwingungen, die in der Absorptionsschicht entstehen, auf den Körper übertragen werden. In der Schicht werden diese Schwingungen durch Impulse von Energie erzeugt, die mit Hilfe eines Atomstrahls, eines Laserstrahls, elektrischer oder optischer Mittel zugeführt werden. Die Oberfläche der Absorptionsschicht, die auf der dem Körper abgewandten Seite liegt, ist durch ein Festkörpermediurr. in " rer Lage akustisch febtgespannt.

Neben dem hohen Wirkungsgrad hat dieser Ultra schallgenerator den Vorteil, daß die erzeugte akustische Energie innerhalb des Mediums, an das sie übertragen wurd.. erhalten bleibt und zum Auskoppeln an den Ausgang verfügbar ist. Außerdem lassen sich damit gebündelte akustische Wellen erzeugen, die genau lokalisiert und zum Abtasten eines Probekörpeis verwendet werden können, beispielsweise in Anordnungen zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung.

Ausf'Jhrungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. IA, B. C eine typische Generatorstruktur zur Erzeugung elastischer akustischer Wellen an einer festgespannten Grenzfläche. Die Fig. IB und IC betreffen alternative Ausführungsformen des Generators von Fig. IA;

Fig. 2 zeigt eine Darstellung der Spannung als Funktion der Zeit eines optisch registrierten Laserimpjlses bei f = 0. auf den ein piezoelektrisch gemessener Impuls zur Zeit t= 1.8 ps folgt, und zwar sowohl für die festgespannte Struktur nach Fig. 1. als auch für eine Anordnung ohne Festspannung; für den zweiten Fall ist das Signal zur Zeit /= t,9 μβ vergrößert wiedergegeben.

F i g. 3 eine Einrichtung zur Werkstoffprüfung,

Fig.4 Beispiele für Ausgangssignale einer Werkstoffprüfeinrichtung,

F i g. 5 eine Absorptionsschicht ohne feste Spannung.

F i g. 6 ein Adsorptionsmaterial, das direkt ohne Zw ischenschicht festgespannt ist.

F ι g. 7 ein festgespannter Generator, bei dem ele¹.(tische Energie in akustische Wellen umgesetzt wird.

Fig. 8 ein A'-.sführungsbeispiel, bei dem Impulse thermischer Energie in akustische Wellen mit H'lfe eines festgespr.nnten Generators umgesetzt werden,

F i g. 9 ein Generator, bei dem die Energie eines Ionenstrahls in akustische Energie umgesetzt wird,

Fig, IQ ein Generator, bei dem Röntgenenergie in akustische Wellen umgesetzt wird.

In Fig. IA ist ein Laser 9 dargestellt, der einen impulsförmigen Strahl 10 mit einer Linse 11 auf einen aufgedampften Absorptionsfilm 13 aus Wolfram oder Molybdän fokussiert; dieser Film ist auf der unteren Oberfläche eines dielektrischen Plättchens (12), beispielsweise aus poliertem Glas. Quarz oder Saphir

(Al₂O₃) niedergeschlagen, das für den Laserstrahl 10 durchsichtig ist. Die Schicht 13 ,st akustisch mit einem Festkörper 15 verbunden. Bei diesem Körper kann es sich um Quarz, AI2O3 (Saphir), Keramik, Metall. Halbleiter, einen dielektrischen Stoff oder den Behälter einer Flüssigkeit handeln. Die akustische Verbindung erfolgt vorzugsweise mit einem Bindemittel 14, das ein Festkörper oder eine viskose Flüssigkeit sein kann; Beispiele hierfür sind Propylen-Glykol, Silikonöl, H.ahnfett. Epoxydharze. Wachs oder Kanadabalsam. Ein keramischer piezoelektrischer Geber-Empfänger 16. der für Druckwellen empfindlich ist, kann zur Registrierung verwendet werden. Sein Ausgangssignal kann verstärkt und auf einem Oszilloskop oder einem x-y-Schreiber in Verbindung mit dem Ausgangssignal eines Integrators dargestellt werden. In einem Experiment, das mit der obigen Ausrüstung und Laserimpulsen von fünf Nanosekunden Dauer durchgeführt wurde, betrug die eiiiiaüenur Leistung größcriordr.urigsrriäßig 350 Watt (entsprechend nur 2 χ I0-⁶ J). M

Während des Betriebs wird ein Impuls von Laserlicht 10 oder einer anderen optischen Energieform auf einen Festkörper 15 (z. B. Quarz) gegeben, der mit einer seiner Oberflächen in engem Kontakt mit einer dünnen Schicht 13 eines energieabsorbierenden Materials steht. das bei Zuführung von Energie mechanische (akustische) Schwingungen in dem Körper 15 erzeugt. Die Absorptionsschicht 13 ist akustisch gekoppelt mit einem weiteren Medium 12. das »zum Festspannen« dient, dieses Medium 12 ist akustisch mit der Absorptions-Schicht festgespannt. und zwar in dem Sinn, daß die mechanische Schwingung der Absorptionsschicht durch das Medium beschränkt wird. Dieses Medium kann beispielsweise eine klare Flüssigkeit oder ein durchsichtiger Festkörper wie Quarz, SiOj sein. Im Idealfall reflektiert das Festspannmedium 12 eine mechanische Bewegung, die durch die Absorptionsschicht 13 erzeugt wird, zurück in die Absorptionsschicht, indem es an allen Punkten ohne Zwischenraum auf die Absorptionsschicht drückt. Diese Forderung wird durch eine Flüssigkeit oder einen angeklebten Festkörper erfüllt, wenn die Klebung sorgfältig genug durchgeführt ist. Durch das »Festspannen« wird die Schicht 13 an dieser Oberfläche festgehalten: wenn sie also versucht sich auszudehnen, wird diese Ausdehnung verhindert und ^ eine größere Schwingung im Festkörper erzeug!, so daß eine wesentlich stärker elastische Welle 8 in den Festkörper 15 abgegeben wird. Der Wandler 16. der auf Schwingungen anspricht, erzeugt auf dem Oszilloskop 20 eh Ausgangssignal.

In einer andere«! Ausführungsform kann die Schicht 13 auf den Probekörper 15 aufgebracht werden und die Platte 12 entsprechend F i g. 1B mit der Schicht durch ein akustisches Bindemittel 14 verbunden werden.

Eine weitere Ausführungsform zeigt Fig. IC. in der ⁵S die Schicht 13 durch ein Plättchen 13' eines energieabsorbierenden Materials ersetzt ist, das mit einem Bindemittel 14 nach oben mit Platte 12 und nach unten mit dem Körper 15 verbunden ist.

Fi g. 2 zeigt die gemessenen akustischen Amplituden für den festgespannten Betrieb einer Einrichtung nach Fig. IA. wenn darauf Laserimpulse mit fünf Nanosekunden Dauer gegeben werden; diese fallen auf eine 2000 Ä dicke Molybdänschicht 13, die auf einer 0,025 cm dicken Platte 12 aus AI3O3 niedergeschlagen wurde und durch Propylenglykol mit einer Scheibe aus Schmelzquarz verbunden ist, die 5 cm Durchmesser und 0,95 cm Dicke aufweist. Um das Ausgangssignal in F i g. 2 im nicht festgespannten Zustand zu erzeugen, wird die Platte 12 umgedreht und deren Oberfläche 17 mit dem Probekörper 15 unter Verwendung von PropvlenglyKo! verbunden. Die Kurve in F i g. 2, die dem festgespannicri Zustand entspricht, zeigt Schallwellen von 20 MlI/. die durch einen Fünf-Nanosekunden-Laserimpuls (Khoclamin 6G) erzeugt werden, der auf den Molybdänfiim 13 auffällt. Die Signalspitze zur Zeit r = 0 entsprich; dem optisch registrierten Lascrimptils und stellt u.cn Zeitbezugspunkt dar. Das Signal bei /=l,8n.s isi ciie akustische Welle, die vom Wandler 16 aufgenommen wird.

Die in Fig. 2 mit »frei« bezeichnete Kurve /eis; die umgedrehte Mo-Schicht 13 und die akustischen Wollen. die an der freien, nicht festgespannteu Obr rf liier,:· der Schicht 13 erzeugt werden. Das Verhältnis R bezieht sich auf die Spitzenamplituden in Fig. 2 der Kurve für den festgespannten bzw. für den freien Fail; in diesem FaI! betrag! der Wer' vnn R ungefähr 95. entsprechend einer Zunahme von 40 db.

Bei Verwendung einer dicken Platte 12 (0,16 ein) ergeben sich Resultate, die den in Verbindung mit F 1 « ?. diskutierten ähnlich sind, da die Dicke nicht in kritischer Weise die Ergebnisse bestimmt, solange sie nur größer ist als die akustische Wellenlänge Die mechanische Resonanz des festspannenden Mediuns beeinfiufUt: deshalb die Ergebnisse nicht.

Der fc'^ende Abschnitt ist theoretischen bbeileg'.n gen gewidmet. Die hier beobachtet.; Vergrößerung der Amplitude kann aus der Lösung der eindimensionalen Spannungs-Dehnungsbeziehungcn abgeschätzt weiden. wenn in diese ein zusätzlicher Terr: aufgenommen wird. der die thermische Expansion der absorbierenden Schicht als treibende Kraft beschreibt. Die in dem oben genannten Artikel von White angegebenen G'eichungen haben die Form

C_x, - BaQ

Γ- = OV -

et^{2 μ} ^²

₂~Ba™.
dx² ?x

Π)

(2)

Hier bedeuten σ_τ, die x-Komponente des Spannungstensors, ε,, die entsprechende Dehnung, 0 die Dichte. B die Elastizitätskonstante, a den Wärmeausdehnungskoeffizienten, θ den Temperaturanstieg, u die Partikelverschiebung und ν die Geschwindigkeit der Druckwellen. White hat Gleichung 2 für den Fall einer periodr 'hen treibenden Kraft gelöst, die senkrecht auf die Oberfläche eines gleichförmigen, halbundendlichen Mediums fällt. Die Lösungen für das hier vorliegende Problem werden sowohl durch die Form der Impulse der treibenden Kraft als auch durch die Vielzahl der Grenzflächen kompliziert, die bei der verwendeten Struktur zwischen den verschiedenen Medien auftreten. Nach einer vorläufigen Schätzung sollte das Verhältnis R im Bereich der Werte abfallen, die White für den Fail der vollkommen freien und der vollkommen festgeklemmten Anordnung berechnet hat.

Für diese Grenzen erhält man nach White

R =

(2 ,τK

wobei K der thermische Diffusionskoeffizient des absorbierenden Films und / die Anregungsfrequenz

darstellen. In den hier beschriebenen Experimenten wird /durch die Empfängereigenschaften des Wandlers bestimmt, der auf 20±5MHz abgestimmt ist. nie absolute Amplitude der registrierten elastischen Welle hängt natürlich außerdem sowohl von den thermischen Parametern des absorbierenden Mediums ab. als auch von der Fourierkomponente der auftreffenden Impulsform bei der Frequenz f. Für Molybdän ergibt Gleichung 3 ^.en Wert R = 75. der mit dem experimer eil ermittelten Ergebnis von 95 (Fig. 2) in vernünftiger w Übereinstimmung steht, wenn die gemachten Vereinfachungen und der geschützte Wert von K berücksichtigt wird.

Ein Anwendungsbeispiel für den beschriebenen Ultraschallgenerator liegt auf dem Gebiet der Material prüfung. TI ermoelastisch erzeugte Schallwellen können beispielsweise dazu verwendet werden. Fehler in einer Struktur festzustellen, mit derein Schichtstoff (Laminat) simuliert werden soll. Entsprechend Fig. 3 enthält der Prüfaufbau einen 1 cm langen Aluminiumzylinder 18 mit 2ü polierten Enden, der 1,6 cm Durchmesser besitzt. Mit dessen oberer Fläche ist ein 100 μίτΐ dicker Objektträger für Mikroskopierarbeiten verbunden, um eine Schichtstruktur zu simulieren. In die obere Fläche des Aluminiums sind außerdem mehrere Löcher 20 mit 0,04 cm Durchmesser eingebohrt die ;ille die gleiche Tiefe aufweisen und voneinander im Abstand von 0,08 cm angeordnet sind, um damit Fehler der Schichtstruktur zu simulieren. Elastische Wellen werden mit Hilfe eines 250 μΐη dicken AI₂O) Substrats 12 und einer Molybdänschicht 13 entsprechend Fig. IA erzeugt, wobei die Molbdänschicht 13 mit dem Deckglas 19 akustisch verbunden ist.

Das Experiment wird mit einem optischen Mikroskop ausgeführt, wobei der gepulste Rhodaminlaser durch die Linse 11 auf einen Fleck von 0,03 cm fokussiert wird. Die optische Abtastung erfolgt durch manuelle Verschiebung des Mikroskopschlittens 60, der in Fig. 3 angedeutet ist und mit dem der Zylinder 18 transversal bewegt werden kann. Auf diese Weise lassen sich «o elastische Wellen an beliebigen Stellen der oberen Flächen der Probe erzeugen, die an der unteren Fläche mit einem bekannten Wandler 16 (aktiver Durchmesser ungefähr 3 mm) gemessen werden. Die Meßwerte sind in F i g. 4 durch die Kurven a-d für Bereiche dargestellt. bei denen die optische Absorption direkt über, bzw. zwischen den Fehlstellen erfolgt. Die Kurven a und c ergeben sich, wenn die Abtastung benachbarte Löcher durchfährt. Die Kurven b und c betreffen den Fall, daß die Abtastung zwischen den Löchern stattfindet. Es fällt hier beispielsweise auf, daß der Maximalausschlag von der Grundlinie in den Kurven a und c positiv ist, in den Kurven b und d jedoch negativ. Die Fehlstellen an der Grenze des Laminats zeigen sich in den durchgelassenen akustischen Impulsen sehr deutlich, ohne daß eine zusätzliche Signalverarbeitung notwendig wäre. Eine Prüfung auf Fehler mit optisch erzeugten elastischen Wellen kann also auf diese relativ einfache Weise erfolgen. Die Möglichkeit punktweise abzutasten, macht die hier beschriebene Einrichtung besonders attraktiv zur Untersuchung von Meßproben, da ein einzelner Empfänger auf der Rückseite ausreicht, um die akustischen Wellen zu registrieren, die an beliebigen Punkten der vorderen Fläche erzeugt werden. Weiterhin läßt sich durch einfaches Verändern der Größe des Brennflecks auf dem absorbierenden Medium der Durchmesser der Schallquelle verändern. Dies kann man beispielsweise durch vertikales Verschieben der Linse 11 in F i g. 3 mit dort nur angedeuteten bekannten mechanischen Mitteln erreichen. Auf diese Weise kann der akustische Strahl ohne weiteres von einer ebenen Welle (Xld< I) in eine Kugelwelle (λ/α> 1) umgewandelt werden, entsprechend den Bedürfnissen des Anwendungsfalles: mit λ wurde hier die akustische Wellenlänge und mit c/der Durchmesser der Schallwelle bezeichnet. Wenn λ/cinder Größenordnung von I liegt, können damit sehr eng begrenzte Strahlen erzeugt werden. Zum Abtasten kann entweder das Substrat unter dem Strahl vorbeigeführt werden (entsprechend dem oben dargestellten Fall) oder aber mit Hilfe der bekannten optischen Ablcnketnrichtiingen der Strahl über das Substrat.

Als weiteres Beispiel wurde eine nicht festgespannte Absorptionsschicht 13 aus Wolfram auf einer Platte 12 verwendet, die mit dem Material 15 verbunden ist. Die akustischen Wellen wurden wiederum mit Hilfe von 5 Nanosekunden-Impulsen eines Rhodamin-6G-Lasers erzeugt, der auf ein Quarzsubstrat 15 (F i g. 5) fällt. Die entstehende Schallwelle wird mit einem Empfänger gemessen, der bei 20 M Hz zentriert ist.

In einem weiteren Aufbau nach Fig. IA wird ein Quarzzylinder 15 mechanisch mit einer Wolframschicht 13 verbunden, wobei als akustisches Bindemittel Propylenglykol 14 Verwendung findet. Das Verhältnis der gemessenen Spannungen beträgt I : 240 entsprechend einer Leistungsverbesserung für den Fall mit Festspannung von 48 db.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wurden Aluminiumschichten 13 auf Polyesterplatten 12 niedergeschlagen, wobei die Platte als freie Oberfläche in F ι g. IA wirkt. (Der Polyester ist z. B. aus Äthylenglykol und Terephthalsäure gebildet.) Die Aluminiumschicht 13 ist mit einem Quarzkörper 15 verbunden; es ergeben sich Signale, die 200ma! größer sind verglichen mit der Anordnung nach Fig.5, wo das Aluminium als freie Oberfläche wirkt und der Polyester durch Propylenglykol mit dem Quarz verbunden ist.

Die Materialien, die bei der optischen Anregung zum Festspannen verwendet werden, umfassen durchsichtige oder halbdurchsichtige Schichten oder Platten, z. 3. aus S1O2, Perylen oder SiO, die als Deckschicht über der energieabsorbierenden C berfläche angeordnet sind. Die Materialien, mit denen ein Festspannen im Fall der elektrischen Anregung ei folgt, können sowohl die oben genannten sein, als auch undurchsichtige Materialien mit geringer elektrischer Leitfähigkeit, halbleitende Platten oder Deckschichten, wie beispielsweise Germanium, Keramik usw.

In F i g. 6 ist ein System dargestellt, in dem ein Probekörper 28 aus einem Material mit hoher Energieabsorption besteht. Handelt es sich bei der Quelle 29 um einen Laser im sichtbaren Bereich, besteht der Probekörper 28 typisch aus Aluminium, Molybdän, Wolfram, Silicium oder Germanium. Der Probekörper 28 ist direkt mit der Platte 12 durch das Bindemittel 14 verbunden. Die Energie wird an der stark absorbierenden Oberfläche des Körpers 28 absorbiert

Die Frequenz der elastischen Wellen, die in einer der hier besprochenen Einrichtungen erzeugt werden, sind im wesentlichen durch die Fourierzerlegung des Lichtimpulses und die genauen optischen und thermischen Parameter aller Medien bestimmt aus denen die Struktur aufgebaut ist Bei optischer Anregung sind die optischen Eigenschaften der Materialien maßgebend, mit denen das Festspannen und das Absorbieren erfolgt; von allen beteiligten Stoffen sind maßgebend die

thermischen und elastischen Eigenschaften. Bei elektrischer Anregung der Schallwellen spielen die optischen Materialeigenschaften keine Rolle.

In Fig. 7 ist ein Ultraschallgeber dargestellt, der mit elektrischer statt optischer Energie angeregt wird. Mit einem Körper 15 ist der übliche piezoelektrische Wandler 16 angeschlossen. Ein aus e-nem Material wie Schmelzquarz hestehender Block 30 ruht auf einer Schicht eines Bindemittels 14, das den Block 30 mit Block 15 akustisch verbindet. Eine Dünnschicht 31 eines Materials mit elektrischem Widerstand ist auf Block 30 aufgebracht. Elektrische Zuführungen 34 und die Schicht 31 sind über Kontaktstellen 32 und 33 miteinander verbunden. Ein Block 112 zum Festspannen ist über ein akustisches Bindemittel 114 mit der Schicht 31 verbunden. Fließt ein kräftiger Stromimpuls durch die Schicht 31, entsteht infolge der erzeugten thermischen Energie durch thermoelastische Ausdehnung eine akustische Welle, analog dem Fall der optischen Anregung. Die Schicht 31 kann beispielsweise aus 2000 A dickem Molybdän bestehen; mit einer Spannung von ungefähr 100 Volt lassen sich dann in einem 50 Ohm-Kreis ungefähr 200 Watt erzeugen.

In Fig.8 ist ein Ultraschallgenerator angegeben, bei dem thermische Energie in Schallwellen umgesetzt wird. Ein Impulsgenerator liefert einen elektrischen Strom für einen dünnen Leiterstreifen 50, der beispielsweise 2000 Α dick ist und aus Molybdän besteht. Eine Platte 212 besteht vorzugsweise aus einkristallinem AI2O3 mit 0,05 cm Dicke und dient zum Festspannen eines weiteren dünnen Streifens 131 aus 2000 A dickem Molybdän auf ihrer unteren Fläche, der durch Wärmewellen erhitzt werden kann, die durch die Platte 212 vom Streifen 50 zum Streifen 131 wandern. Der Streifen 131 ist akustisch durch die Platte 212 mit Hilfe des Bindemittels 14 an dem Material 15 festgeklemmt. Der Streifen 131 sendet daher akustische Wellen in das Material 15. Dieses System sollte bei tiefen Temperaturen in der Größenordnung von flüssigem Helium betrieben werden, wo das Strömen thermischer elastischer Wellen den beschriebenen Aufheizeffekt bewirkt.

F i g. 9 zeigt eine Quelle 109 für einen impuisfönnigen Strahl von Heliumionen in einer Vakuumkammer 90. Der Strahl von Heliumionen 110 gelangt durch eine Festspannpalatte 312 aus Kohlenstoff, um durch eine Absorbierschicht 231 aus Gold absorbiert zu werden. Die Schicht 231 wird vorzugsweise auf der unteren Fläche der Platte 312 niedergeschlagen. Der Probekörper 15 entspricht den früher beschriebenen Körpern und ist mit einem piezoelektrischen Wandler 16 verbunden. Das Bindemittel 14 wird in üblicher Weise angewandt.

In Fig. 10 ist eine impulsförmige Röntgenquelle 20° dargestellt, die einen Röntgenstrahl 210 durch eine Schicht 412 schickt, die zum Festspannen dient und

^u vorzugsweise aus Feryien iiiii 10 bis 100 urn i^ickc «ι;;* einer Eisenschicht 331 niedergeschlagen wird, die ihrerseits ungefähr 200 A dick ist. Die Schient 331 wird auf einer Glasplatte 330 niedergeschlagen, die durch das Bindemittel 14 mit dem Probenkörper 15 verbunden ist.

Weiterhin ist ein Wandler 16 vorgesehen. Die Röntgenwelle 209 erzeugt impulsförmige Röntgen strahlen aus einem Material, dessen Atomnummer 7. höher ist als die der Absorptionsschicht 331. Beispielsweise können, die Röntgenstrahlen KA-L\n\cn des Kupfers sein, wenn die Absorptionsschich; 33i aus Eisen besteht.

Schließlich kann noch erwähnt werden, daß in Fig. IA usw.die Energie auch durch den Probenkörper 15 geschickt werden kann (und nicht durch das Festspannmedium 12), wenn der Körper 15 für die betreffende Energieart durchsichtig ist.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschallgenerator mit einer Schicht zur Anregung elastischer Wellen und einem mit dieser Schicht akustisch gekoppelten Ausbreitungsmedium für die Wellen, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Ausbreitungsmedium (15) abgewandt liegende, an sich freie Oberfläche der Anregungsschicht (13, F i g. 1) akustisch festgespannt ist.

2. Ultraschallgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Festspannung der Oberfläche der Anregungsschicht (13, Fig. 1) durch eine Festkörperplatte (12) erfolgt

3. Ultraschallgenerator nach Anspruch t oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen Anregungsschicht (13) und Ausbreitungsmedium (15) und/oder Festspannungsplatte (12) durch ein akustisches Kopplungsmedium (14). wie beispielsweise Prop^lenglykol, Silikonöl, Hahnfett. Epoxydharz. Wachs oder Kanadabaisarn erfolgt.

4. Ultraschallgenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsschicht (13) direkt auf die Festspannplatte (12) niedergeschlagen wird. .'5

5. Ultraschallgenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß in der Anregungsschicht (13) elastische Wellen aufgrund thermoelastischer Vorgänge erzeugt werden,

6. Ultrasc' ^!!generator nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsschicht (13) aus einem optisch absorbierendei· Material besteht, und die thermoelastischen Vorgänge durch punkiförmi ges Bestrahlen mit Lichtimpulsv .1 ausgelöst werden.

7. Ultraschallgenerator nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Festspannungsplattc (12) aus optisch durchsichtigem Material besteht.

8. Ultraschallgenerator nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß die Festspannplatte aus Quarz (SiOj). Perylen oder SiO besteht.

9. Ultraschallgenerator nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsschicht (H) .ms Wolfram besteht.

10. Ultraschallgenerator nach Anspruch fv da 4, durch gekennzeichnet, daß die Absorptionsschicht aus Aluminium besieht, das auf einer P< >ive>' .-platte niedergeschlagen wurde, die gleichzeitig ais lest spannplatte dient.

11 Ultraschallgenerator mit optischer Anregung y, thermoelastischer Wellen, dadurch gekennzeichnet. daß als Aushrciiungsmedium (28) fii *l,i\iisc :,r Wellen ein optisch stark absorbierend; Stoff verwendet wird, dessen Oberfläche ui.rch . i,c durchsichtige Platte (12) akustisch fc-.igespam.i ist si (F 1 g. 6).

12. Ultrascri.'llgener.ilof nach Anspruch ">. i!.idurch gekennzeichnet, daii 'lic iVrrnoeldst sehe Erzeugung elastischer Wellet; .. der Vvegiin :sschicht (13) ι lurch in dieser fiielknd v, ,>;niii,pui<.e „o erfolgt (F ig. 7).

13. Ultraschallgenerator nach Anspruch 12. dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsschicht mit elektrischen Kontakten (32, 13, F1 g. 7) 7.11111 Anschluß an eine Impiilsspanniingsquclle (40) „■; versehen ist.

14. Ultraschallgenerator nach Anspruch 0. <l.t durch gekennzeichnet, daß die therm«cirr-;!iseni.

Erzeugung elastischer Wellen in der Anregungsschicht durch Wärmeimpulse erfolgt

15. Ultraschallgenerator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeimpulse durch Stromimpulse auf der Oberfläche der Festspannplatte (212) erzeugt werden und durch diese zur Anregung-schicht (131) laufen (F i g. 8).

16. Ultraschallgenerator nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet daß die Anordnung bei tiefen Temperaturen, z. B. Heliumtemperatur betrieben wird.

17. Ultraschallgenerator nach Anspruch 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet daß die Festspannplatte aus durchsichtigem oder nichtdurchsichtigem Material besteht.

18. Ultraschallgenerator nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet daß als Festspannplatte Stoffe mit hohem elektrischem Widerstand oder Halbleiter verwendet werden.

19. Ultraschallgenerator nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Festspannplatte aus keramischen Stoffen bestehL

20. Ultraschallgenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 18. dadurch gekennzeichnet, daß als Energieträger zur thermoelastischen Anregung von Schallwellen Partikelstrahlen (F i g. 9) dienen.

21. Ultraschallgenerator nach Anspruch 11 bis 17. dadurch gekennzeichnet, daß zur thermoelastischen Anregung von Schallwellen Röntgenstrahlen verwendet werden (Fi g. 10).

22. Ultraschallgenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21. dadurch gekennzeichnet daß das Ausbreiiungsmedium ein zu untersuchendes Werkstück (19. F 1 g. 3) ist und punktweise durch Verschiebung der Anregungszone in der Anregungsschicht (13) mit akustischen Wellen abgetastet wird, die von einem Wandler (16) registriert werden.

23 Ultraschallgenerator m"h Anspruch 22. dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung der Anregungszone durch Ablenkung des einfallenden Kpcrgifstrahls(IO) erfolgt.

2Λ I Itraschallgenerator nach Anspruch 22. dadurch gekennzeichnet, daß durch Ändern der Große der Anrcgungs/one ebene oder kugelförmige elastische Wellen in das Werkstück (19) gelangen.

2^r) Ultt.isonallgenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 24. dadurch gekennzeichnet, daß >ler zum Nachweis der elastischen Wellen verwendete Detektor auf ein enges Frequenzband abgestimmt ist.