RU2735916C1 - Scanning acoustic microscope - Google Patents

Scanning acoustic microscope Download PDF

Info

Publication number
RU2735916C1
RU2735916C1 RU2020111875A RU2020111875A RU2735916C1 RU 2735916 C1 RU2735916 C1 RU 2735916C1 RU 2020111875 A RU2020111875 A RU 2020111875A RU 2020111875 A RU2020111875 A RU 2020111875A RU 2735916 C1 RU2735916 C1 RU 2735916C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
acoustic
particle
radiation
meso
sound
Prior art date
Application number
RU2020111875A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Владиленович Минин
Олег Владиленович Минин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий"
Priority to RU2020111875A priority Critical patent/RU2735916C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2735916C1 publication Critical patent/RU2735916C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/06—Visualisation of the interior, e.g. acoustic microscopy

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: use for analysis and analysis of materials using ultrasonic vibrations. Essence of invention lies in the fact that with the tunneling acoustic microscope comprises a transmitting acoustic element, comprising an acoustic line, an acoustic lens, in the area of focusing of which there is a meso-sized particle with a characteristic size of not more than the transverse dimension of the focusing region and not less than λ/2, where λ is the wavelength of the radiation used in the medium, with the speed of sound in the particle material relative to the sound velocity in the environment in the range of about 0.5 to 0.83, receiving acoustic element, liquid cell installed between transmitting and receiving elements, as well as scanning system of analyzed object and restoration of its image on video monitoring device, wherein directly on side surface of particle, perpendicular to incident radiation, acoustic screen is installed with value of acoustic impedance differing from impedance of meso-sized particle and at distance from illuminated end face of particle in range from 0 to L, where L is the length of the particle along the direction of incident radiation, and the thickness of the acoustic shield is less than the thickness of the meso-sized particle in the direction of radiation drop.
EFFECT: high quality of the obtained image of the analyzed object owing to increasing the signal-to-background ratio of the acoustic shaping system.
3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для исследования и анализа материалов с помощью ультразвуковых колебаний, а именно к акустическим микроскопам.The invention relates to a device for the study and analysis of materials using ultrasonic vibrations, namely to acoustic microscopes.

Акустическая микроскопия - есть совокупность способов визуализации микроструктуры и формы малых объектов с помощью ультразвуковых и гиперзвуковых волн. Акустическая микроскопия основана на том, что ультразвуковые волны, прошедшие, отраженные или рассеянные отдельными участками объекта, имеют различные характеристики (амплитуду, фазу) в зависимости от локальных вязкоупругих свойств образца. Эти различия позволяют методами визуализации звуковых полей получать акустические изображения, восстанавливаемые компьютером на экране дисплея.Acoustic microscopy is a set of methods for visualizing the microstructure and shape of small objects using ultrasonic and hypersonic waves. Acoustic microscopy is based on the fact that ultrasonic waves transmitted, reflected or scattered by separate areas of the object have different characteristics (amplitude, phase) depending on the local viscoelastic properties of the sample. These differences allow visualization of sound fields to obtain acoustic images reconstructed by a computer on a display screen.

Известен способ и устройство формирования изображения объектов с субдифракционным разрешением в акустическом диапазоне длин волн по патенту РФ №2654387. Устройство содержит источник акустического излучения, формирующую систему в виде акустической линзы, в фокусе линзы расположена мезоразмерная частица с характерным размером не более поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде в диапазоне от 0,5 до 0,83, иммерсионной среды, расположенной между линзой и объектом исследования, приемником акустического излучения, устройства визуализации полученного изображения, в области фокусировки излучения формирующей системы размещают мезоразмерную частицу с характерным размером не более поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде в диапазоне от 0,5 до 0,83, формируют на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения область с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10λ и размещают объект исследования в этой области.The known method and device for forming images of objects with subdiffraction resolution in the acoustic wavelength range according to RF patent No. 2654387. The device contains a source of acoustic radiation, which forms a system in the form of an acoustic lens, in the focus of the lens there is a mesoscale particle with a characteristic size not exceeding the transverse size of the focusing area and not less than λ / 2, where λ is the wavelength of the radiation used in the medium, with the speed of sound in the material particles with respect to the speed of sound in the environment in the range from 0.5 to 0.83, the immersion medium located between the lens and the object of study, the receiver of acoustic radiation, the visualization device of the obtained image, in the focusing area of the radiation of the forming system, a meso-sized particle with a characteristic size not more than the transverse size of the focusing area and not less than λ / 2, where λ is the wavelength of the radiation used in the medium, with the speed of sound in the material of the particle relative to the speed of sound in the environment in the range from 0.5 to 0.83, is formed on its outer boundary on the opposite side of the incident radiation, the region with increased intensity of radiation with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4 and a length of no more than 10λ and place the object of study in this area.

Достоинством устройства является возможность получения изображения объектов со сверхдифракционным разрешением.The advantage of the device is the ability to obtain images of objects with superdiffraction resolution.

Недостатком устройства является низкое качество получаемого изображения, обусловленное низким значением отношения сигнал - фон, обусловленное дифракцией и рассеянием излучения на мезоразмерной частице.The disadvantage of the device is the low quality of the resulting image, due to the low value of the signal-to-background ratio, due to diffraction and scattering of radiation on a mesoscale particle.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству и принятому за прототип является сканирующий акустический микроскоп по патенту РФ 172340, содержащий передающий акустический элемент, включающий звукопровод, сферическую акустическую линзу, приемный акустический элемент, жидкостную ячейку, установленную между передающим и приемными элементами, а также системы сканирования исследуемого объекта и восстановления его изображения на видеоконтрольном устройстве, при этом в области фокусировки акустической линзы установлена мезоразмерная частица с характерным размером не более поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0,5 до 0,83.The closest in technical essence to the proposed device and adopted as a prototype is a scanning acoustic microscope according to RF patent 172340, containing a transmitting acoustic element, including a sound conduit, a spherical acoustic lens, a receiving acoustic element, a liquid cell installed between the transmitting and receiving elements, as well as systems scanning the object under study and restoring its image on a video control device, while a meso-sized particle with a characteristic size of no more than the transverse size of the focusing area and no less than λ / 2, where λ is the wavelength of the radiation used in the medium, with the speed of sound is installed in the focusing area of the acoustic lens in the material of the particle relative to the speed of sound in the environment, lying in the range from 0.5 to 0.83.

В микроскопе акустическая волна, возбуждаемая преобразователем, фокусируется акустической линзой на мезоразмерной частице, которая фокусирует излучение с высоким пространственным разрешением. Исследуемый объект сканируется в фокальной плоскости мезоразмерной частицы. Акустический пучок, прошедший через объект, принимается акустической линзой приемного элемента, причем оптические оси и фокусы обеих линз совпадают.In a microscope, an acoustic wave excited by a transducer is focused by an acoustic lens on a mesoscale particle, which focuses radiation with high spatial resolution. The object under study is scanned in the focal plane of a mesoscale particle. The acoustic beam passing through the object is received by the acoustic lens of the receiving element, and the optical axes and foci of both lenses coincide.

Достоинством сканирующего акустического микроскопа является возможность получения изображения объектов со сверхдифракционным разрешением.The advantage of a scanning acoustic microscope is the ability to obtain images of objects with superdiffraction resolution.

Недостатком сканирующего акустического микроскопа является низкое качество получаемого изображения, обусловленное низким значением отношения сигнал - фон, обусловленное дифракцией и рассеянием излучения на мезоразмерной частице.The disadvantage of the scanning acoustic microscope is the low quality of the resulting image, due to the low value of the signal-to-background ratio, due to diffraction and scattering of radiation on a mesoscale particle.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение качества получаемого изображения исследуемого объекта за счет повышения отношения сигнал - фон акустической формирующей системы.The problem solved by the proposed invention is to improve the quality of the resulting image of the investigated object by increasing the signal-to-background ratio of the acoustic shaping system.

Технический результат, который может быть получен при выполнении заявленного изобретения - улучшение качества получаемого изображения способности акустических систем построения изображения исследуемых объектов.The technical result that can be obtained by carrying out the claimed invention is to improve the quality of the resulting image and the ability of acoustic systems for imaging the objects under study.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в акустическом микроскопе, содержащем передающий акустический элемент, включаюшйЙ звукопровод, акустическую линзу в области фокусировки которой установлена мезоразмерная частица с характерным размером не более поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне примерно от 0,5 до 0,83, приемный акустический элемент, жидкостную ячейку, установленную между передающим и приемными элементами, а также системы сканирования исследуемого объекта и восстановления его изображения на видеоконтрольном устройстве, новым является то, что, непосредственно на боковой поверхности частицы, перпендикулярно падающему излучению установлен акустический экран с величиной акустического импеданса, отличающегося от импеданса мезоразмерной частицы и на расстоянии от освещенного торца частицы, находящегося в диапазоне от 0 до L, где L длина частицы вдоль направления падения на нее излучения и толщиной акустического экрана менее толщины мезоразмерной частицы в направлении падения излучения. Кроме того, мезоразмерная частица выполнена в форме куба. Кроме того, мезоразмерная частица выполнена в форме цилиндра.The problem is solved due to the fact that in an acoustic microscope containing a transmitting acoustic element, including a sound conductor, an acoustic lens in the focusing area of which there is a meso-sized particle with a characteristic size not exceeding the transverse size of the focusing area and not less than λ / 2, where λ is the wavelength of the used radiation in the medium, with the speed of sound in the material of the particle relative to the speed of sound in the environment, lying in the range from about 0.5 to 0.83, a receiving acoustic element, a liquid cell installed between the transmitting and receiving elements, as well as scanning systems for the object under study and restoration of its image on a video monitoring device, new is that, directly on the lateral surface of the particle, perpendicular to the incident radiation, an acoustic screen is installed with an acoustic impedance value that differs from the impedance of a meso-sized particle and at a distance from the illuminated end of the particle, located axis in the range from 0 to L, where L is the length of the particle along the direction of incidence of radiation on it and the thickness of the acoustic shield is less than the thickness of a mesoscale particle in the direction of incidence of radiation. In addition, the meso-sized particle is shaped like a cube. In addition, the meso-sized particle is made in the form of a cylinder.

Известны способы преодоления дифракционного предела, например, с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett., 89, 221118 (2006)). Поперечный размер фотонной наноструи составляет 1/3…1/4 длины волны излучения, что меньше дифракционного предела классической линзы.Known methods of overcoming the diffraction limit, for example, using the effect of "photon nanojet" (for example, see A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett., 89, 221118 (2006 )). The transverse size of a photonic nanojet is 1/3 ... 1/4 of the radiation wavelength, which is less than the diffraction limit of a classical lens.

При этом формировать локальные области концентрирования электромагнитной энергии вблизи поверхности мезоразмерных диэлектрических частиц возможно с помощью частиц различной формы, например в форме сферы, куба, пирамиды, при облучении их электромагнитной волной с плоским волновым фронтом и т.д. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook].In this case, it is possible to form local areas of concentration of electromagnetic energy near the surface of meso-sized dielectric particles using particles of various shapes, for example, in the form of a sphere, cube, pyramid, when they are irradiated with an electromagnetic wave with a flat wave front, etc. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook].

Известны акустические фокусирующие устройства с эффектом сверхразрешения на основе мезоразмерных звукопроводящих частиц различной формы (J.H. Lopes, М.А.В. Andrade, J.P. Leao-Neto, J.C. Adamowski, I.V. Minin & G.T. Silva, Focusing Acoustic Beams with a Ball-Shaped Lens beyond the Diffraction Limit // Phys-Rev. Appl. 8, 024013 (2017); Минин И.В., Минин O.B. Сверхразрешение в акустических фокусирующих устройствах // Вестник СГУГИТ, Том 23, №2, 2018, с. 231-244; Минин И.В., Минин О.В. Фотонные струи в науке и технике // Вестник СГУГИТ, Т. 22, №2,2017, с. 212-234; Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные теденции развития Текст]: монография. - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; I.V. Minin and O.V. Minin, Kcoustojet: acoustic analogue of photonic jet phenomenon, arXiv:1604.08146 (2016); O.V. iMinin and I.V. Minin, Acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D Iparticle // Opt. Quant. Electron. 49, 54 (2017); J.H. Lopes, J.P. Leo-Neto, I.V. Minin, O.V.; Minin, a & G.T. Suva, A theoretical analysis of acoustic jets // ICA2016, 0943, (2016); I.V. Minin & O.V. Minin, Mesoscale acoustical cylindrical superlenses // MATEC 155, 01029 (2018); Minin I.V. Minin O.V. Brief Review of Acoustical (Sonic) Artificial Lenses. Proc. of the 13 th Int. Scientifictechnical conf. On actual problems of electronic instrument Engineering (APEIE) - 39281, Novosibirsk, Oct. 3-6, 2016, v. 1, 136-137 (2016)). Однако фокусирующие акустические устройства, формирующие области фокусировки с эффектом сверхразрешения, располагались в свободном пространстве.Known acoustic focusing devices with the super-resolution effect based on meso-sized sound-conducting particles of various shapes (JH Lopes, M.A.V. Andrade, JP Leao-Neto, JC Adamowski, IV Minin & GT Silva, Focusing Acoustic Beams with a Ball-Shaped Lens beyond the Diffraction Limit // Phys-Rev. Appl. 8, 024013 (2017); Minin I.V., Minin OB Superresolution in acoustic focusing devices // Bulletin of SGUGIT, Volume 23, No. 2, 2018, pp. 231-244; Minin I.V., Minin O.V. Photon jets in science and technology // Bulletin of SGUGIT, T. 22, No. 2.2017, pp. 212-234; Minin I.V., Minin O.V. Quasioptics: modern development trends Text]: monograph. - Novosibirsk: SGUGiT, 2015. - 163 p .; IV Minin and OV Minin, Kcoustojet: acoustic analogue of photonic jet phenomenon, arXiv: 1604.08146 (2016); OV iMinin and IV Minin, Acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D Iparticle // Opt. Quant. Electron. 49, 54 (2017); JH Lopes, JP Leo-Neto, IV Minin, OV; Minin, a & G.T. Suva, A theoretical analysis of acoustic jets // ICA2016, 0943, (2016); I.V. Minin & O.V. Minin, Mesoscale acoustical cylindrical superlenses // MATEC 155, 01029 (2018); Minin I.V. Minin O.V. Brief Review of Acoustical (Sonic) Artificial Lenses. Proc. of the 13 th Int. Scientifictechnical conf. On actual problems of electronic instrument Engineering (APEIE) - 39281, Novosibirsk, Oct. 3-6, 2016, v. 1, 136-137 (2016)). However, the focusing acoustic devices forming focusing regions with the superresolution effect were located in free space.

Известна акустическая линза по патенту РФ 167049 для формирования области фокусировки непосредственно за теневой поверхностью, содержащей преломляющую среду из акустически проводящего материала с границами раздела с окружающей средой со скоростью звука в преломляющей среде не более 2,5 раз, чем скорость звука в окружающей среде, при этом линза выполнена в виде трехмерной частицы с характерными размерами порядка длины волны акустического излучения в среде, с относительной скоростью звука в материале частицы по отношению к скорости звука в материале среды не менее 1,1 и относительным волновым сопротивлением не более 25. Линза выполнена сферической формы диаметром не менее длины волны акустического излучения в среде, цилиндрической формы диаметром не менее длины волны акустического излучения в среде, кубической формы с размером грани не менее длины волны акустического излучения в среде, конической пирамиды с размером основания не менее длины волны акустического излучения в среде.Known acoustic lens for RF patent 167049 for the formation of a focusing area directly behind the shadow surface containing a refractive medium from an acoustically conductive material with interfaces with the environment with the speed of sound in the refractive medium no more than 2.5 times than the speed of sound in the environment, when In this case, the lens is made in the form of a three-dimensional particle with characteristic dimensions of the order of the wavelength of acoustic radiation in the medium, with the relative speed of sound in the material of the particle in relation to the speed of sound in the material of the medium not less than 1.1 and the relative wave resistance not more than 25. The lens is made of spherical shape with a diameter not less than the wavelength of acoustic radiation in a medium, a cylindrical shape with a diameter not less than the wavelength of acoustic radiation in a medium, a cubic shape with a facet size not less than the wavelength of acoustic radiation in a medium, a conical pyramid with a base size not less than the wavelength of acoustic radiation in the medium.

Однако фокусирующие акустические устройства, формирующие области фокусировки с эффектом сверхразрешения, располагались в свободном пространстве и в устройстве акустического микроскопа не применимы.However, focusing acoustic devices that form focusing regions with the super-resolution effect were located in free space and are not applicable in an acoustic microscope device.

Заявляемое устройство сканирующего акустического микроскопа обладает совокупностью существенных признаков, неизвестных из уровня техники для изделий подобного назначения и неизвестен из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки на полезную модель.The claimed device of a scanning acoustic microscope has a set of essential features unknown from the prior art for products of a similar purpose and unknown from available sources of scientific, technical and patent information as of the date of filing an application for a utility model.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 схематически изображен сканирующий акустический микроскоп, работающий в режиме на прохождение.FIG. 1 is a schematic representation of a scanning acoustic microscope operating in the transmission mode.

На фиг. 2 показано устройство для формирования фотонной струи с частицей в форме куба.FIG. 2 shows a device for forming a photonic jet with a cube-shaped particle.

На фиг. 3 показано устройство для формирования фотонной струи с частицей в форме цилиндра.FIG. 3 shows a device for forming a photonic jet with a particle in the form of a cylinder.

На фиг. 4 показаны результаты моделирования фокусировки акустического излучения мезоразмерной частицы в зависимости от положения акустического экрана на ее боковой поверхности без изменения контраста показателя преломления.FIG. 4 shows the results of modeling the focusing of acoustic radiation of a meso-sized particle depending on the position of the acoustic screen on its lateral surface without changing the contrast of the refractive index.

Обозначения: генератор 1, пьезоэлектрический преобразователь 2, звукопровод 3, акустическая линза 4, мезоразмерная частица 5, формируемая область повышенной концентрации акустической энергии и с высоким пространственным разрешением 6, акустический экран 7, исследуемый объект 8, жидкостная ячейка (иммерсионная среда) 9, приемный акустический элемент 10, устройство механического сканирования 11, видеоконтрольное устройство 12, мезоразмерная частица в форме куба 13, мезоразмерная частица в форме цилиндра 14.Designations: generator 1, piezoelectric transducer 2, acoustic conduit 3, acoustic lens 4, mesoscale particle 5, formed area of increased concentration of acoustic energy and with high spatial resolution 6, acoustic shield 7, object under study 8, liquid cell (immersion medium) 9, receiving acoustic element 10, mechanical scanning device 11, video monitoring device 12, meso-sized particle in the form of a cube 13, meso-sized particle in the form of a cylinder 14.

В результате моделирования падения акустической волны на звукопроводящие куб и цилиндр расположенные в воде и размещенным на их боковой поверхности акустическим экраном показало, что положение акустического экрана оказывает влияние на пространственное расположение области фокусировки мезоразмерной частицы.As a result of modeling the incidence of an acoustic wave on a sound-conducting cube and a cylinder located in water and an acoustic screen placed on their lateral surface, it was shown that the position of the acoustic screen affects the spatial location of the focusing region of a meso-sized particle.

В результате исследований было обнаружено, что наиболее сильное влияние экрана наблюдается в случаях, когда экран расположен около основания куба, ближнего к падающей волне. С продвижением экрана в сторону дальнего основания мезоразмерной частицы по отношению к падающему излучению, влияние экрана ослабевает и оно минимально, когда экран расположен в плоскости дальнего основания куба. Ширина поперечного распределения интенсивности поля в области фокуса в случае расположения акустического экрана на дальнем основании частицы от падающего излучения совпадает со случаем частицы без экрана. Аналогичные зависимости оказались и для цилиндрической частицы.As a result of research, it was found that the strongest effect of the screen is observed in cases when the screen is located near the base of the cube, closest to the incident wave. As the screen moves towards the distal base of the meso-sized particle in relation to the incident radiation, the effect of the screen weakens and it is minimal when the screen is located in the plane of the far base of the cube. The width of the transverse distribution of the field intensity in the focal region in the case of an acoustic screen located at the far base of the particle from the incident radiation coincides with the case of a particle without a screen. Similar dependences were found for a cylindrical particle.

Кроме того, помещение мезоразмерой частицы в акустический экран повышает качество изображения исследуемого объекта, за счет уменьшения помехового излучения (фона) возникющего за счет рассеяния излучения на мезоразмерной частице и влияния боковых лепестков рассеяния линзы.In addition, placing a mesoscale particle in an acoustic screen improves the image quality of the object under study, due to a decrease in interference radiation (background) arising from the scattering of radiation on a mesoscale particle and the influence of lens scattering side lobes.

В простейшем случае попадания акустической волны на границу раздела двух сред задача была решена еще Релеем, давшим как общую формулу, так и ее выражение для частных случаев. При перпендикулярном падении на границу раздела отношение отраженной энергии к падающей определяется, согласно Релею, выражением (Е. Гидеман, Кельн Ультразвук // Успехи физических наук, Т. XVI, вып. 5, 1936, с. 586-656.):In the simplest case of an acoustic wave hitting the interface between two media, the problem was solved by Rayleigh, who gave both a general formula and its expression for particular cases. With perpendicular incidence on the interface, the ratio of the reflected energy to the incident energy is determined, according to Rayleigh, by the expression (E. Gidemann, Cologne Ultrasound // Uspekhi fizicheskikh nauk, T. XVI, issue 5, 1936, pp. 586-656.):

Figure 00000001
Figure 00000001

где ρ и с представляют плотности и скорости звука в соответствующих средах. Таким образом, отражательная способность R зависит только от различия акустических импеданса обеих сред. При большом различии акустических импеданса (например, вода - воздух) проницаемость (T=1-R) весьма мала, при малых различиях (вода - алюминий) -относительно велика.where ρ and c represent the densities and speeds of sound in the respective media. Thus, the reflectivity R depends only on the difference in acoustic impedance of both media. With a large difference in acoustic impedance (for example, water - air), the permeability (T = 1-R) is very small, with small differences (water - aluminum), it is relatively large.

Большое значение имеет случай трех пространственно разделенных сред, причем средняя среда имеет толщину, соизмеримую с длиной волны. При этом наиболее интересен случай, когда первая и третья среды одинаковы, так что вторая среда представляет разделяющую их стенку. По Релею, для случая перпендикулярного падения на стенку, имеем (Е. Гидеман, Кельн Ультразвук // Успехи физических наук, Т. XVI, вып. 5, 1936, с. 586-656.):Of great importance is the case of three spatially separated media, and the average medium has a thickness commensurate with the wavelength. In this case, the most interesting case is when the first and third media are the same, so that the second medium is a wall separating them. According to Rayleigh, for the case of perpendicular incidence on the wall, we have (E. Gidemann, Cologne Ultrasound // Uspekhi fizicheskikh nauk, T. XVI, issue 5, 1936, pp. 586-656.):

Figure 00000002
Figure 00000002

где

Figure 00000003
- толщина стенки, λт - длина волны ультразвука в материале стенки. Из этой формулы видно, что для всех толщин, составляющих целое кратное половины длины волны, проницаемость максимальна, а отражательная способность минимальна. Обратное явление имеет место для толщин, равных нечетному целому кратному четверти длины волны. Формула Релея выведена в предположении, что размеры стенки (по границе раздела) весьма велики по сравнению с длиной волны.Where
Figure 00000003
- wall thickness, λ t - ultrasound wavelength in the wall material. It can be seen from this formula that for all thicknesses that are an integer multiple of half the wavelength, the permeability is maximum, and the reflectivity is minimum. The opposite phenomenon occurs for thicknesses equal to an odd integer multiple of a quarter wavelength. Rayleigh's formula is derived under the assumption that the dimensions of the wall (along the interface) are very large in comparison with the wavelength.

Сканирующий акустический микроскоп работает следующим образом.The scanning acoustic microscope works as follows.

Сканирующий акустический микроскоп содержит в качестве передающего акустического элемента звукопровод 3 из плавленого кварца с пьезоэлектрическим преобразователем из LiNBO3 2, сферическую акустическую линзу 4, мезоразмерную частицу 5 из рексалита в форме куба 13 или цилиндра 14. Внешняя поверхность акустической линзы 4, мезоразмерная частица 5, исследуемый объект 8 и приемный акустический элемент 10 находятся в жидкостной ячейке 9. Падающее на мезоразмерную частицу 5 акустическое излучение сфокусированное линзой 4 в результате интерференции волн на частице и акустическом экране 7 расположенном непосредственно на боковой поверхности мезоразмерной частицы 5 формируют фокальную область 6 с поперечными размерами менее дифракционного предела. При изменении положения акустического экрана 7 вдоль боковой поверхности диэлектрической частицы 5 Изменяются условия интерференции волн и пространственное положение фокальной Области 6 изменяется.The scanning acoustic microscope contains, as a transmitting acoustic element, a sound conductor 3 made of fused silica with a piezoelectric transducer made of LiNBO 3 2, a spherical acoustic lens 4, a meso-sized particle 5 of rexalite in the form of a cube 13 or a cylinder 14. The outer surface of an acoustic lens 4, a meso-sized particle 5, the object under study 8 and the receiving acoustic element 10 are in the liquid cell 9. Acoustic radiation incident on the meso-sized particle 5 focused by the lens 4 as a result of the interference of waves on the particle and the acoustic screen 7 located directly on the lateral surface of the meso-sized particle 5 form a focal region 6 with transverse dimensions less diffraction limit. When the position of the acoustic screen 7 changes along the lateral surface of the dielectric particle 5, the conditions of wave interference change and the spatial position of the focal region 6 changes.

Сигнал с генератора 1 возбуждает пьезопреобразователь 2 на необходимой частоте. В фокальной плоскости акустической линзы 4 установлена мезоразмерная частица 5. Формируемая ею область повышенной концентрации акустической энергии и с высоким пространственным разрешением 6 сканируется исследуемый объект 8 с помощью сканирующего устройства 11. Приемный элемент 10, может быть выполнен, например, из пьезополупроводникового материала, например, CdS, Принятый сигнал, синхронизированный со сканирующим устройством 11, подается на видеоконтрольное устройство 12.The signal from the generator 1 excites the piezoelectric transducer 2 at the required frequency. In the focal plane of the acoustic lens 4, a meso-sized particle 5 is installed. The region of increased concentration of acoustic energy formed by it and with a high spatial resolution 6 is scanned by the object under study 8 using the scanning device 11. The receiving element 10 can be made, for example, of a piezo-semiconductor material, for example, CdS, The received signal, synchronized with the scanning device 11, is fed to the video monitoring device 12.

Размещение непосредственно на боковой поверхности частицы 5. перпендикулярно падающему излучению акустическогой экран 7 с величиной акустического импеданса отличающегося от импеданса мезоразмерной частицы 5 и на расстоянии от освещенного торца частицы находящегося в диапазоне от 0 до L. где L длина частицы вдоль направления падения на нее излучения и толщиной акустического экрана менее толщины мезоразмерной частицы в направлении падения излучения обеспечивает формирование области фокусировки мезоразмерной частицей равной при размещении частицы в свободном пространстве.Placement directly on the lateral surface of the particle 5. perpendicular to the incident radiation, an acoustic screen 7 with an acoustic impedance different from the impedance of a mesoscale particle 5 and at a distance from the illuminated end of the particle in the range from 0 to L. where L is the length of the particle along the direction of incidence of radiation on it and the thickness of the acoustic screen is less than the thickness of the mesoscale particle in the direction of incidence of the radiation provides the formation of the focusing area by the mesoscale particle equal when the particle is placed in free space.

Достигаемый в такой конструкции устройства сканирующего акустического микроскопа полезный эффект выражается в возможности изменения пространственного положения формируемой области фокусировки с эффектом сверхразрешения без изменения относительного контраста показателя преломления материала мезоразмерной частицы.A useful effect achieved in such a design of a scanning acoustic microscope device is expressed in the possibility of changing the spatial position of the formed focusing region with the superresolution effect without changing the relative contrast of the refractive index of the meso-sized particle material.

Claims (3)

1. Сканирующий акустический микроскоп, содержащий передающий акустический элемент, включающий звукопровод, акустическую линзу, в области фокусировки которой установлена мезоразмерная частица с характерным размером не более поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде в диапазоне примерно от 0,5 до 0,83, приемный акустический элемент, жидкостную ячейку, установленную между передающим и приемными элементами, а также системы сканирования исследуемого объекта и восстановления его изображения на видеоконтрольном устройстве, отличающийся тем, что непосредственно на боковой поверхности частицы, перпендикулярно падающему излучению, установлен акустический экран с величиной акустического импеданса, отличающегося от импеданса мезоразмерной частицы и на расстоянии от освещенного торца частицы находящегося в диапазоне от 0 до L, где L длина частицы вдоль направления падения на нее излучения, и толщиной акустического экрана менее толщины мезоразмерной частицы в направлении падения излучения.1. A scanning acoustic microscope containing a transmitting acoustic element, including a sound conductor, an acoustic lens, in the focusing area of which a mesoscale particle is installed with a characteristic size not exceeding the transverse size of the focusing area and not less than λ / 2, where λ is the wavelength of the radiation used in the medium, with the speed of sound in the material of the particle relative to the speed of sound in the environment in the range from about 0.5 to 0.83, a receiving acoustic element, a liquid cell installed between the transmitting and receiving elements, as well as a system for scanning the object under study and restoring its image on the video control device, characterized in that directly on the lateral surface of the particle, perpendicular to the incident radiation, an acoustic screen is installed with an acoustic impedance that differs from the impedance of a mesoscale particle and at a distance from the illuminated end of the particle in the range from 0 to L, where L is the particle length in along the direction of incidence of radiation on it, and the thickness of the acoustic screen is less than the thickness of a mesoscale particle in the direction of incidence of radiation. 2. Сканирующий акустический микроскоп по п. 1, отличающийся тем, что мезоразмерная частица выполнена в форме куба.2. Scanning acoustic microscope according to claim 1, characterized in that the mesoscale particle is made in the form of a cube. 3. Сканирующий акустический микроскоп по п. 1, отличающийся тем, что мезоразмерная частица выполнена в форме цилиндра.3. Scanning acoustic microscope according to claim 1, characterized in that the mesoscale particle is made in the form of a cylinder.
RU2020111875A 2019-11-28 2019-11-28 Scanning acoustic microscope RU2735916C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020111875A RU2735916C1 (en) 2019-11-28 2019-11-28 Scanning acoustic microscope

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020111875A RU2735916C1 (en) 2019-11-28 2019-11-28 Scanning acoustic microscope

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2735916C1 true RU2735916C1 (en) 2020-11-10

Family

ID=73398542

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020111875A RU2735916C1 (en) 2019-11-28 2019-11-28 Scanning acoustic microscope

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2735916C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3927557A (en) * 1974-05-30 1975-12-23 Gen Electric Acoustic imaging apparatus with liquid-filled acoustic corrector lens
SU832449A1 (en) * 1979-07-26 1981-05-23 Институт Радиотехники И Электроникиан Cccp Scanning acoustic microscope
US4989454A (en) * 1988-06-20 1991-02-05 Olympus Optical Co., Ltd. Scanning apparatus for a scanning microscope
SU1803853A1 (en) * 1990-04-06 1993-03-23 Fryazinskij Tsnii Tsiklon Method of control of focused ultrasonic field pattern
RU167049U1 (en) * 2016-05-16 2016-12-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) ACOUSTIC LENS FOR FORMING A FOCUS AREA DIRECTLY FOR THE SHADOW SURFACE
RU172340U1 (en) * 2017-04-13 2017-07-04 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) Scanning Acoustic Microscope

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3927557A (en) * 1974-05-30 1975-12-23 Gen Electric Acoustic imaging apparatus with liquid-filled acoustic corrector lens
SU832449A1 (en) * 1979-07-26 1981-05-23 Институт Радиотехники И Электроникиан Cccp Scanning acoustic microscope
US4989454A (en) * 1988-06-20 1991-02-05 Olympus Optical Co., Ltd. Scanning apparatus for a scanning microscope
SU1803853A1 (en) * 1990-04-06 1993-03-23 Fryazinskij Tsnii Tsiklon Method of control of focused ultrasonic field pattern
RU167049U1 (en) * 2016-05-16 2016-12-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) ACOUSTIC LENS FOR FORMING A FOCUS AREA DIRECTLY FOR THE SHADOW SURFACE
RU172340U1 (en) * 2017-04-13 2017-07-04 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) Scanning Acoustic Microscope

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Salandrino et al. Far-field subdiffraction optical microscopy using metamaterial crystals: Theory and simulations
RU167049U1 (en) ACOUSTIC LENS FOR FORMING A FOCUS AREA DIRECTLY FOR THE SHADOW SURFACE
Amireddy et al. Holey-structured metamaterial lens for subwavelength resolution in ultrasonic characterization of metallic components
Minin et al. Acoustojet: acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D particle
Page Focusing of ultrasonic waves by negative refraction in phononic crystals
CA1248620A (en) Scanning acoustic microscope
Minin et al. Mesoscale acoustical cylindrical superlens
Ma et al. Advances in the hyperlens
CN107913056A (en) A kind of method for realizing any ultrasonic field
Thippeswamy et al. Concentric shell gradient index metamaterials for focusing ultrasound in bulk media
Zeng et al. Experimental realization of ultrasonic retroreflection tweezing via metagratings
JPS5944582B2 (en) scanning acoustic microscope
RU172340U1 (en) Scanning Acoustic Microscope
JPS5816672B2 (en) Onpaketsuzohou Oyobi Onpaketsuzoouchi
Jin et al. Simultaneous negative reflection and refraction and reverse-incident right-angle collimation of sound in a solid-fluid phononic crystal
RU2735916C1 (en) Scanning acoustic microscope
RU175684U1 (en) Acoustic sensor
RU2747917C1 (en) Acoustic microscope
Hladky-Hennion et al. Focusing capability of a phononic crystal based on a hollow metallic structure
RU2756411C2 (en) Scanning acoustic microscope
Minin et al. A Method to Improve the Resolution of the Acoustic Microscopy
Franco et al. Subwavelength twin ultrasound focused (STUF) beam generated by shear-to-longitudinal mode conversion in a triangular prism
Khuri-Yakub et al. Near-field scanning acoustic microscope
Wickramasinghe Acoustic microscopy: present and future
RU202522U1 (en) Acoustic diode (options)