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Abtastendes Ultraschal1mikroskop
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Ultraschallmikroskope werden häufig als Abtastmikroskope ausgeführt
(im englischsprachigen Schrifttum als "snmpling acoustic microscope", SAM, bezeichnet).
Diese bestehen im wesentlichen aus je zwei einander gegenüberstehenden, fokussierenden
Ultraschallwandlern, von denen der eine als Schallsender, der andere als Schallempfänger
wirkt ( siehe R.A.Lemons und C.S.Quate, Acoustic Microscopy in: W..Mason und R.N.2hurston
(Herausg.), Physical Acoustics, Vol.XIV. Academic Press New York 1979). Im gemeinsamen
Fokus befindet sich der Bereich des Objekts, der jeweils gerade durchstrahlt wird.
Bewegt man dieses in geeigneter Weise relativ zur Sender-Empfängeranordnung, so
kann man einen bestimmten Bereich des Objekts systematisch abtasten und die empfangene
Schallintensitätsverteilung in ein sichtbares Bild des Objekts umsetzen, etwa durch
Helligkeitssteuerung eines Oszillographen. Durch eine geeignete Modifikation (phasenempfindliche
Gleichrichtung des empfangenen Signals) kann auch die vom Objekt verursachte Phasenänderung
nl seiner Abbildung ausgenutzt werden.
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Schließlich sind auch Anordnungen bekannt geworden, bei denen das
Objekt mit einer ebenen Ultraschallwelle angestrahlt wird und nur der Schallempfänger
fokussierende Eigenschaften hat oder umgekehrt (N,Chubachi und T.Sannomiya, Scanning
Acoustic Microscope Composed of Plane-Wave and Focussing Transducers, 10. Intern.
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Congr.on Acoustics, Sydney 1980, paper G - 7.4).
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Der typische Aufbau eines Ultraschallmikroskops der erstgenannten
Art ist in Abbildung 1 schematisch dargestellt. Eine dünne piezoelektrische Schicht
(1) auf einem schalleitenden Substrat (2) wird von einem elektrischen Hochfrequenzgenerator
(3) erregt und erzeugt eine zunächst ebene Ultraschallwelle im Substrat. Diese
trifft
auf eine kalottenförmige Höhlung (4) im Substratmaterialg die als akustische Sammellinäe
wirkt. Die Welle wird also beim Ubergang in die Koppelflüssigkeit (5) durch Brechung
an der Grenzt fläche in eine konvergierende Welle umgewandeltS der Brennpunkt der
Linse (4) liegt auf dem zu untersuchenden Objekt (6)ort Die Empfangsanordnung hat
hier genau den gleichen Aufbaut Eine hohe örtliche Auflösung erfordert kleine Schallwellenlangen
in der Koppelflüssigkeit -und dementsprechend hohe Schallfrequenzen0 Will man etwa
ein Auflösungsvermögen von einigen Mikrometern er reichen, so muß man mit Schallfrequenzen
von mehreren hundert Megahertz arbeiten. Die piezoelektrischen Wandler (1) müssen
da her sehr dünn sein, sollen sie in ihrer Dickengrundechwingung er regt werden.
Vielfach werden sie durch Aufdampfen von Zinkoxyd und ahnlichen Stoffen hergestellt.
Des weiteren sind außerordent lich hohe Anforderungen an die Verlustfreiheit des
Substratmaterials und an die Präzision seiner Bearbeitung zu stellen, Für das erstere
verwendet man z.B. kleine Saphirstäbchen, in welche die Linsenhöhlungen eingeschliffen
werden. Die Herstellung eines solchen Mikroskops ist somit technologisch sehr aufwendig
und mit entsprechend hohen Kosten verknüpft. Ein weiterer Nachteil ist die schlechte
akustische Anpassung des Substratmaterials an die Koppelflüssigkeit, bedingt durch
die großen Unterschiede des akustischen Wellenwiderstands beider Stoffe. Die dadurch
verursachten, hohen Reflexionsverluste können zwar wie bei optischen Linsen durch
Vergüten oder Entspiegeln, also durch Aufbringen von zusätzlichen Schichten teilweise
beseitigt werden, was aber einen erheblichen Zusatzaufwand bedingt und außerdem
die Bandbreite der Wandleranordnung einschränkt.
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All diese Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß
der Schallwandler bei der Sende- und/oder bei der Empfangsanordnung aus einem piezoelektrischen,
hochpolymeren Kunststoff besteht und sich in unmittelbarem akustischem Kontakt mit
der Koppelflüssigkeit befindet. Solche Materialien, etwa Polyvinylidenfluorid, sind
in verschiedener Form im Handel und werden z0B. zum Bau von
Mikrophonen
und Lautsprechern im Audiobereich verwendet. Sie haben den Vorteil einer leichten
Verformbarkeit und einer guten akustischen Anpassung an flüssige Koppelmaterialien,
was eine effektive Schallabstrahlung und eine große Frequenzbandbreite der Wandler
zur Folge hat.
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Ein Ultraschallmikroskop dieser Bauart ist in Abbildung 2 gezeigt.
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Beide Schallwandler bestehen hier aus dünnen piezoelektrischen Kunststoffolien,
die im Mittelteil in Ealottenform gebracht wurden (1) und in unmittelbarem Kontakt
mit der Koppelflüssigkeit (2) stehen. Das hinter der aktiven Schicht befindliche
Material (3) hat hier keinerlei akustische Funktionen und dient lediglich als Träger
für die piezoelektrische Folie, seine Auswahl ist also ziemlich unkritisch.
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Die Herstellung der Mikroskopwandler gestaltet sich recht einfach.
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Sie kann dadurch erfolgen, daß die Folie mit einer Kugel in die vorbereitete
Höhlung des Trägermaterials gedrückt und im gleichen Arbeitsgang mit diesem verklebt
wird. Eine andere Möglichkeit ist die, die Folie über eine Kugel des gewünschten
Durchmessers zu ziehen und auf ihrer Rückseite das Trägermaterial in Form einer
erstarrenden Paste aufzubringen. In jedem Fall ist der technologische Aufwand und
damit auch die Herstellungskosten für Mikroskopwandler der beschriebenen Art vergleichsweise
niedrig.
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Die gute Anpassung der Wandlerfolie an die Koppelflüssigkeit ist eine
Folge der sich nur wenig voneinander unterscheidenden akustischen Wellenwiderstände
beider Materialien. So hat Wasser einen Wellenwiderstand von etwa 1,5 106 Ns/m3,
während der eines hochpolymeren Wandlermaterials höchstens doppelt so groß sein
dürfte.
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Der auf die Intensität bezogene Reflexionsgrad der Grenzfläche liegt
dann etwa bei 10%. Demgegenüber ist der Wellenwiderstand kristalliner oder auch
keramischer Stoffe um eine Größenordnung höher als der üblicher Koppelflüssigkeiten,
der Reflexionsgrad entsprechender Grenzflächen liegt damit sicher über 5096'.
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Der mit Wandlern aus hochpolymeren Piezostoffen erreichbare gute Schallübergang
zwischen Wandler und schallführendem Medium führt
unter anderem
zu einer starken akustischen Bedampfung des Wandlers, der dadurch zu einem Breitbandwandler
wird Ein UltraschallS mikroskop der hier beschriebenen Art kann daher bei unterschiedlichsten
Frequenzen betrieben werden9 insbesondere eignet es sich auch für den Impulsbetrieb.
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Schließlich sei darauf hingeviesens daß das hier beschriebene Aufbauprinzip
auch auf solche Ultraschallmikroskope angewandt werden kann, bei denen nur einer
der beiden Schallwandlerp etwa der Empfangswandler, fokussierende Eigenschaften
hat.
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Eine weitere mögliche Ausführungsform besteht darin, daß Sende-und
Empfangsteil wie bei dem in der Ultraschall-Materialprüfung üblichen Echoimpulsverfahren
identisch sind. Ein solches Mikroskop spricht nicht auf das DransmissionsverhaltenD
sondern auf die Reflexionsfähigkeit des Objekts an, wobei auch hier sowohl aus der
Intensität als auch aus der Phase der empfangenen Schallwelle Informationen über
die Struktur des Objekts gewonnen werden können.