DE3225586A1

DE3225586A1 - Ultraschall-mikroskop

Info

Publication number: DE3225586A1
Application number: DE19823225586
Authority: DE
Inventors: Noriyoshi Chubachi; Junichi Sendai Miyagi Kushibiki
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-07-08
Filing date: 1982-07-08
Publication date: 1983-01-27
Also published as: DE3225586C2; JPS589063A; JPH0136584B2; US4459852A

Description

PATENTANWÄLTE J t I t "Ii. ' . »Jt.-itfo. γκλνζ wuesthoff

WUESTHOFF-ν. PECHMANN-BEHRENS-GOETZ ^ÜR·"""·^FHEDA

DIPL.-ING. GERHARD PULS (1952-I971)

EUROPEAN PATENTATTORNEYS £ d.pl.-chbm. dr. E. Freiherr von pechmann

DR.-I NG. DIETER BEHRENS DIPL.-ING.; DIPL.-WIRTSCH.-ING. RUPERT GOETZ

1Λ-56 240 D-8000 MÜNCHEN 90

N. Chubachi und Schweigerstrasse2

O. Kushibiki, , ,

c j · r> ' x. 1 telefon: (089) 66 20 51

Sendai City, Japan ⁵

telegramm: protectpatent telex: 524070

Ultraschal1-Mikroskop

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Mikroskop mit einem Prüfkopf mit einem elektroakustischen Wandler zum Umwandeln eines elektrischen Signals in einen fokussierten Ultraschallwellenstrahl, der gegen einen Prüfling gerichtet ist, dessen akustischen Eigenschaften gemessen werden sollen, und zum Rückumwandeln von vom Prüfling zurückgestrahlter oder durchgelassener Schallenergie in ein elektrisches Signal.

Es ist schon lange bekannt, das Feingefüge von Materialien mittels Schallwellen, d.h. mit einem Ultraschallwellenstrahl, statt mit elektromagnetischen Wellen zu untersuchen oder zu prüfen. In jüngerer Zeit ist ein mechanisch abtastendes Ultraschall-Mikroskop entwickelt worden, bei dem ein kegelig fokussierter Ultraschallwellenstrahl auf einen zu untersuchenden Prüfling projiziert und ein Brennpunkt in einer Ebene des Prüflings oder in einer zur Prüflingsebene rechtwinkligen vertikalen Richtung bewegt wird. Sodann werden die Schallwellen, die hauptsächlich wegen unterschiedlicher elastischer Eigenschaften an verschiedenen Stellen des Prüflings vom Prüfling zurückgestrahlt oder durchgelassen worden sind, von einem Prüfkopf mit Schallwandler aufgefangen, der sie in ein elektrisches Signal umwandelt. Dieses elektrische Signal

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wird dann auf einem Anzeigeschirm einer Kathodenstrahlröhre zweidimensional dargestellt, um ein mikroskopisches Bild des Prüflings zu erzeugen, oder mittels eines Koordinatenschreibers aufgezeichnet. Bei Ultraschall-Mikroskopen werden je nach Ausbildung des mit einem Wandler versehenen Prüfkopfes solche, die nach dem Durchschallungsverfahren, und solche, die nach dem Reflexionsverfahren arbeiten, unterschieden.

Die Fig. la und Ib zeigen schematische Darstellungen von zwei Beispielen des bekannten, mit einem Schallwandler versehenen Prüfkopfes, nachstehend Schallwandlerkopf genannt, zum Aussenden des kegelig gebündelten Ultraschallwellenstrahls. In Fig. la ist ein Schallwandlerkopf des Schall-Linsen-Typs, in Fig. Ib ein solcher mit konkavem Wandler dargestellt, wobei in beiden Fällen die Schallwandlerköpfe zu einer Mittellinie 0 symmetrisch ausgebildet sind. Bei dem in Fig. la dargestellten Schallwandlerkopf des Schall-Linsen-Typs sendet ein Schallwandler 1 aus einem piezoelektrischen Werkstoff ebene Schallwellen in ein festes, akustisches Feldbzw. Koppelungsmedium 2 hinein. Die Schallwellen breiten sich durch das Koppelungsmedium 2 hindurch aus und werden mittels einer Schall-Linse zu einem kegeligen Schallwellenstrahl gebündelt. Die Schall-Linse setzt sich aus einer auf optische Qualität polierten halbsphärischen konkaven Fläche 3 und einer Lambdaviertel-Entspiegelungsschicht 4 zusammen. Der kegelig gebündelte Schallwellenstrahl wird durch ein flüssiges Koppelungsmedium 5 geschickt und auf einen zu untersuchenden Prüfling 6 projiziert.

Bei dem in Fig. Ib dargestellten Ultraschall-Mikroskop mit konkavem Wandler ist eine Platte 7 aus Metall, in der eine halbsphärische konkave Fläche ausgebildet ist, mit einer Lambdaviertel-Entspiegelungsschicht 4 beschichtet, wogegen auf einer konvexen Fläche von ihr ein Schallwandler 1 aus einem piezoelektrischen Werkstoff angeordnet ist. In diesem

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Falle wird ein aberrationsfreier kegelig gebündelter Schallwellenstrahl durch ein flüssiges Koppelungsmedium 5 hindurch auf einen Prüfling 6 projiziert.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines vollständigen, nach dem Reflexionsverfahren arbeitenden Ultraschall-Mikroskops mit einem Schal !wandlerkopf 10 gernäß Fig. la. Ein von einem Hochfrequenz-Irripulsgonerator 8 erzeugtes Signal wird über einen Richtkoppler 9 dem Schallwandlerkopf 10 zugeführt, der dann einen kegelig gebündelten Schallwellenstrahl durch ein -Müssiges Koppelungsmedium 11 hindurch auf einen Prüfling 13 projiziert, der auf einem mechanischen Objekttisch 12 angeordnet ist. Die Lage des Objekttisches 12 in einer Z-Achse wird so eingestellt, daß der Prüfling 13 in der Nähe eines Brennpunktes angeordnet j st (Z = 0). Der Objekttisch 12 ist dann mittels einer Abtastvorrichtung 14 in Richtung der X- und Y-. ::hser bewegbar. E? kann auch der Schallwandlerkopf 10 ent-

■ ng d<v ν X- und Y-Acnsei, bewegbar sein, bie Abtastvorrichtung 2 4 i<-:t ' ,ich t-ine Ab tasi yteuerschal tung 15 ; t'uerb-ir. V m Prüfling 13 zurückgestrahlte Schallwellen wcroen vom Scr,al 1-wandlerkopf 10 aufgefangen und in ein elektrisches Signal itng. wandel ι , d-is dann über den Richtkopp 1 τ 9 eincrr: Anzt.-ige- > -rät 16 zugeführt wird. Das Anzeigegerät IG ist durch die

■ '!^J:,_xs' "ntfii'. ^:ir. .-':■ .'al r.ung lh synchron aristeu"rb.-u' und stellt ein ii. J-. roskt-t. - ί- hc·;; Ultraschallbild des Prüf 1 ingr; 13 dar.

In Fig. 3a. ist ein Blockschaltbild eines anderen Beispiels des bekannten Ultraschall-Mikroskops dargestellt, bei dem ein Prüfling 13 auf einem mechanischen Objekttisch 17 angeordnet ist, dessen Bewegungen, in der Richtung der Z-Achse durch eine Objekttisch-Steuerschaltung 18 steuerbar sind. Wenn während einer Bewegung des Prüflings 13 in Richtung auf den Schall wandlerkopf 10 ein elektrisches Ausgangssignal aus dem Richtkoppler 9 von einem Anzeigegerät 19, das ein Aufzeichnungsgerät sein kann, angezeigt bzw. aufgezeichnet

- β< - 3. - 56 240

wird, ergibt sich die in Fig. 3b dargestellte Kurve, die gewöhnlich V(z)-Kurve genannt wird und deren Periodizität, d.h. der Abstand zwischen Zackenlücken, von der akustischen Eigenschaft des Prüflings 13 abhängig ist. Versuche haben bestätigt, daß diese periodischen Zackenlücken hervorgerufen werden durch Interferenz zwischen Schallwellen, die in der Nähe der Z-Achse vom Prüfling direkt zurückgestrahlt werden, und solchen Schallwellen, die vom Prüfling über eine Oberflächen-Leckschallwelle , welche vom Schallwellenstrahl nahe einem kritischen Winkel θ-^ angeregt wird, wieder ausgestrahlt werden. Mit anderen Worten, die Periode Δ Z der V(z)-Kurve steht in enger Beziehung zur Phasengeschwindigkeit der durchsickernden oder Oberflächen-Leckschallwelle. Durch Messen einer Periode Δz der V(z)-Kurve in Fig. 3b kann daher die Geschwindigkeit der Oberflächen-Leckschallwelle errechnet werden. Die Periode LZ und die Geschwindigkeit Vs sind näherungsweise durch die folgenden Gleichungen gegeben:

ΔΖ = V₁/ CSf(I-COSe₁)I (1)

¹CV₁ZVs) (2)

worin V-. eine Geschwindigkeit der Longitudinalwelle im flüssigen Koppelungsmedium 11 ist, Vs die Geschwindigkeit der Oberflächen-Leckschallwelle und f eine Schallfrequenz. Die vorstehenden Gleichungen lassen erkennen, daß die Geschwindigkeit V der Oberflächen-Leckschallwelle im festen Material ausgehend von dem für Δ Z gemessenen Wert nach der nachstehenden Gleichung berechnet werden kann:

V_s = V₁/ (X-(I-V₁ZSf Δ ZY] ^1/2 (3)

Ein Beispiel einer solchen Messung ist in einem Artikel von R.D. Weglein "A model for predicting acoustic material signatures", in APPLIED PHYSICS LETTERS, Bd. 34, Ausgabe Nr. 3

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vom 1. Februar 1979 beschrieben. Gernäß dieser Abhandlung wurden viele Prüflinge unter Anwendung großer Geschwindigkeitsbereiche vermessen, und es wurde durch Versuche nachgewiesen, daß die Periode Δ ζ in enger Beziehung zur Phasengeschwindigkeit der Oberflächen-Leckschallwelle steht, und somit aus den Meßergebnissen nützliche Informationen für die quantitative Analyse akustischer Eigenschaften fester Materialien gewonnen werden können.

Bei dem bekannten Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit einer Schallwelle wird sowohl beim Wandler des Schall-Linsen-Typs als auch beim Wandler mit konkaver Fläche der kegelig gebündelte Ultraschallwellenstrahl benutzt. Der Ultraschallwellenstrahl wird zweidimensional konzentriert und hat in der Mitte eine Dicke oder einen Durchmesser von etwa einer Wellenlänge. Dieser Ultraschallwellenstrahl enthält Komponenten in allen Richtungen um die Z-Achse, also um die Strahlachse, und somit werden die akustischen Eigenschaften als Mittelwert um die Strahlachse gemessen. Mit anderen Worten, auch wenn der Prüfling Anisotropien um die Z-Achse besitzt, spiegeln sich diese Anisotropien im Meßwert nicht wider. Es hat sich herausgestellt, daß sich sehr viel brauchbarere Informationen über akustische Eigenschaften von Materialien gewinnen lassen, wenn Anisotropien von Materialien als Winkelfunktion um die zum Prüfling rechtwinklige Strahlachse durch die V(z)-Kurven-Messungen ermittelt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall-Mikroskop zu schaffen, das V(z)-Kurven für die in einer bestimmten Richtung sich ausbreitende Oberflächen-Leckschallwelle zu messen vermag und durch die V(z)-Kurven-Messung akustische Anisotropien von Materialien als Winkelfunktion um eine Schallwellenstrahlachse nachzuweisen vermag.

Ein diese Aufgabe lösendes Ultraschall-Mikroskop ist mit

A. * 4 « M -

-/f -9, 56 240

seinen Ausgestaltungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Mit dem Ultraschall-Mikroskop gemäß der Erfindung, bei dem der Ultraschallwellenstrahl linear konzentriert wird, lassen sich Anisotropien von Kristallen und die Geschwindigkeit der Oberflächen-Leckschallwelle, die sich auf jeder Kristallschnittfläche in jeder Richtung ausbreitet, bequem und exakt messen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 4a einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines

Schallwandlerkopfes gemäß der Erfindung, Fig. 4b die zugehörige Ansicht von unten,

Fig. 5a und 5b grafische Darstellungen von Verteilungskurven des akustischen Feldes eines von dem Schallwandlerkopf gemäß Fig. 4a und 4b ausgesendeten linear fokussierten Ultrasehallwellenstrahls,

Fig. 6a eine Schrägansicht zur Verdeutlichung der Stellungsbeziehung zwischen dem Schallwandlerkopf und einem Prüfling,

Fig. 6b ein Blockschaltbild eines vollständigen Ultraschall-Mikroskops gemäß der Erfindung,

Fig. 6c ein Diagramm einer gemessenen V(z)-Kurve, Fig. 7 ein Diagramm einer theoretischen Kurve, die Anisotropien um eine Z-Achse eines Prüflings in Form eines 'entlang der Z-Achse geschnittenen Saphirs darstellt, Fig. 8a bis 8e Draufsichten auf verschiedene Ausführungsformen formen des Schallwandlerkopfes gemäß der Erfindung und

Fig. 9a bis 9c Schrägansichten von weiteren Ausführungsformen des Schallwandlerkopfes gemäß der Erfindung.

Der in Fig. 4a und 4b dargestellte Schallwandlerkopf gemäß

der Erfindung ist vom Schall-Linsen-Typ und hat einen elektroakustischen Wandler in Form einer Filmelektrode 20 aus einem piezoelektrischen Werkstoff, z.B. ZnO, die auf einer ebenen Fläche eines festen akustischen Feld- bzw. Koppelungsmediums 21 angeordnet ist, das z.B. eine Stange aus Saphir von 7 mm Durchmesser und 11,5 mm Länge ist. In der entgegengesetzten Fläche des Koppelungsmediums 21 ist eine zylindrische konkave Fläche 22 ausgebildet, die auf optische Qualität poliert ist und einen Radius von 1,0 mm und einen halben Öffnungswinkel von 60 Grad hat. Die Fläche 22 ist mit einer Lambdaviertel-Entspiegelungsschicht 23 beschichtet. Die Entspiegelungsschicht 23 kann durch Aufdampfen von Chalkogenidglas im Vakuum aufgebracht worden sein. Daher breiten sich im Koppelungsmediurn 21 ebene Schallwellen aus und werden von der von der Fläche 23 gebildeten zylindrischen Linse linear fokussiert. Der linear konzentrierte Ultraschallwellenstrahl wird durch ein flüssiges Koppelungsmedium 24, z.B. Wasser, hindurch auf einen Prüfling ?5 projiziert.

In Fig. 5a und 5b sind Verteilungen des akustischen Feldes in einer Bünde lungsebene des .Linear fokussierten Ultraschal 1-wel]enstrahls grafisch dargestellt. Fig. 5a zeigt die Verteilung in einer Richtung der X-Achse, die rechtwinklig zu einer Längsachse der Fläche 22 verlauft; in der Mitte beträgt die Breite etwa eine Wellenlänge. Fig. 5b zeigt die Verteil ungskurve in einer Richtung der Y-Achse, die parallel zur Längsachse.der Fläche 22 verläuft. Der Ultraschallwel.1 enstrahl 1st nicht in Richtung der Y-Achse im wesentlichen konzentriert und hat somit eine Breite, die zumindest annähernd gleich i;;t der Länge der Fläche 22. Auf diese Weise ist. der Ul traschal 1 well enstrahl entlang der X-Achse linear fokussiert, und nicht entlang der Y-Achse gebündelt. Der somit nur in einer Richtung linear konzentrierte Ultraschallwellenstrahl wird hier als linear foku:>:-ierter Ultraschallwellenstrahl bezeichnet.

- ? - ΑΛ. . ^{56 24}°

Fig. 6a verdeutlicht, wie bei einem Prüfling 25 Anisotropien um die Z-Achse ermittelt werden, die zur Achse des vom Wandler 20 ausgesendeten linear fokussierten Ultraschallwellenstrahls 26 parallel verläuft. Der Ultraschallwellenstrahl 26 wird durch das in Fig. 6a nicht dargestellte flüssige Koppelungsmedium auf den Prüfling 25 projiziert. In derselben Weise wie bei dem bekannten kegelig fokussierten Ultraschallwellenstrahl wird der Prüfling 25 in der Richtung der Z-Achse bewegt, um die weiter oben beschriebene V(z)-Kurve zu messen. Eine Beziehung zwischen einer Periode 4 Z von Zackenlücken in der V(z)-Kurve und einer Geschwindigkeit einer Oberflächen-Leckschallwelle kann gleichermaßen durch die weiter oben angegebenen Gleichungen ausgedrückt werden. Der einzige Unterschied besteht darin, daß mit dem bekannten kegelig fokussierten Ultraschallwellenstrahl der Durchschnittswert um die Z-Achse gemessen wird, wogegen mit dem linear fokussierten Ultraschallwellenstrahl 26 die Phasengeschwindigkeit der Oberflächen-Leckschallwelle in einer bestimmten Richtung gemessen werden kann.

Gemäß Fig. 6a kann die Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Richtung der X-Achse gemessen werden. Wenn der Prüfling 25 um die Z-Achse gedreht wird, während die V(z)-Kurven-Messung bei entsprechenden Drehwinkeln θ mehrmals vorgenommen wird, ist es daher möglich, die Anisotropien des Prüflings 25 um die Z-Achse als Unterschied oder Änderung der Geschwindigkeit der Oberflächen-Leckschallwelle zu messen. Mit anderen Worten, gemäß der Erfindung lassen sich die Anisotropien von Kristallen in Form des Winkels θ und der Geschwindigkeit darstellen.

Fig. 6b zeigt eine Ausführungsform des Ultraschall-Mikroskops gemäß der Erfindung unter Verwendung des Schallwandlerkopfes gemäß Fig. 4a und 4b. Der Schallwandlerkopf ist über einem mechanischen Objekttisch 51 fest angeordnet, der entlang den

- f - f\l. 56

X-, Y- und Z-Achsen verstellbar und um die Z-Achse drehbar ist. Diese Bewegungen sind mit einer Steuerschaltung 52 steuerbar. Auf dem Objekttisch 51 ist ein Prüfling 25 im Brennpunkt des linear fokussierten Ultraschallwellenstrahls 26 angeordnet, der in Abhängigkeit von einem Hochfrequenzimpuls erzeugt wird, der dem Wandler 20 aus einem Impulsgenerator 53 über einen Richtkoppler 54 zugeführt wird. Vom Prüfling 25 zurückgestrahlte Schallwellen werden dann mittels des Schallwandlerkopfes wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt, das auf einem Monitor 55 dargestellt und von einem Aufzeichnungsgerät 56, z.B. einem digitalen Wellenspeicher, aufgezeichnet wird.

Die Lage des Prüflings 25 in der Z-Achse und der Winkel θ werden von der Steuerschaltung 52 erfaßt, und das elektrische Ausgangssignal aus dem Schallwandlerkopf wird dem Monitor und dem Aufzeichnungsgerät 56 zusammen mit dem Z-Positionssignal zugeführt, um eine V(z)-Kurve gernäß Fig. 6c darzustellen und aufzuzeichnen. Diese V(z)-Kurve wurde aufgezeichnet für die Ausbreitung in der Y-Achse (Θ = 30°) einer Oberflächen-Leckschallwelle an der Grenzfläche zwischen Wasser und einem entlang der Z-Achse geschnittenen Saphir bei einer Schallfrequenz von 202 MHz. Die V(z)-Kurve zeigt eine deutliche Periodizität, *und für die Periode Δ Z der Zackenlücken wurde tZ - 107,4 μιη gemessen. Die Berechnung der Geschwindigkeit Vs der Oberflächen-Leckschallwelle in der Y-Richtung nach der weiter oben angegebenen Gleichung (3) ergibt 5 720 m/s, wogegen die Geschwindigkeit der Longitudinalwelle V₁ im Wasser von 20 ⁰C mit 1 48.3 m/s angenommen wird.

Es wird nun ein Meßbeispiel erläutert. Bei diesem Beispiel wurde ein entlang der Z-Achse geschnittener Saphir (Kristallsystem 3m) als Prüfling 25 benutzt. Das Diagramm in Fig. 7 zeigt eine theoretische Kurve, welche eine Abhängigkeit der Oberfläphen-Leckschallwelle von der Ausbreitungsrichtung (Θ)

-IC/- /1%, 56 240

aufgrund der Anisotropie der Spahirplatte um die Z-Achse' darstellt. Die in Fig. 7 gezeichnete Kurve macht deutlich, daß sich die Anisotropie in allen Richtungen durch Messen in einem Winkelbereich von θ = 0° bis Θ = 30° ermitteln läßt.

Die nachstehende Tabelle 1 zeigt gemessene und theoretische Geschwindigkeiten sowie Geschwindigkeitsdifferenzen im Bereich von 0°teä30°. Bei diesem Beispiel war das feste Koppelungsmedium 21 von einer Saphirstange gebildet, als das flüssige Koppelungsmedium 24 wurde Wasser benutzt und es wurde eine Schallwelle von 202 MHz verwendet.

Tabelle l

Ausbreitungs- Geschwindigkeit (m/s) Differenz (%) richtung Gemessener Theoretischer . _x ioo

Vc

Θ (Grad) Wert Wert

Vm Vc

0	5519	5560	-0,74
Β	5535	5568	-0,59
ΙΟ	5545	5593	-0,86
15	5599	5629	-0,53
20	5629	5668	-0,69
25	5665	5699	-0,60
30	5720	5711	+0,16

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform sendet der Schallwandlerkopf einen einzelnen linear fokussierten Ultraschallwellenstrahl aus; somit muß die Messung der V(z)-Kurve in einer großen Zahl von Richtungen θ wiederholt werden, wenn Anisotropien von Materialien näher untersucht werden sollen. Die Messung ist daher sehr umständlich und zeit- und arbeitsaufwendig. Zur Vermeidung dieses Nachteils kann der Schallwandlerkopf so ausgebildet sein, daß er mehrere linear fokussierte Ultraschallwellenstrahlen aussendet, die in ver-

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^{56 24}°

schiedenen Richtungen linear gebündelt sind.

Fig. 8a bis 8e zeigen Draufsichten auf verschiedene Ausführungsformen .des Schallwandlerkopfes gemäß der Erfindung. Die Ausführungsform gemäß Fig. 8a ist der in Fig. 4a und 4b dargestellten ähnlich und erzeugt einen einzelnen linear fokussierten Ultraschallwellenstrahl. Bei dieser Ausführungsform ist ein einzelner Wandler 20 auf einer ebenen Endfläche des festen Koppelungsmediums 21 angeordnet, in deren entgegengesetzten Fläche die entsprechende Schall-Linse mit der zylindrischen konkaven Fläche ausgebildet ist. Der Wandler 20 und die entsprechende zylindrische konkave Fläche sind so ausgebildet, daß sie sich in derselben Richtung erstrecken. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8b sind zwei Wandler 29a und 29b auf einer ebenen Endfläche eines festen Koppelungsmediums 28 angeordnet, und in der entgegengesetzten Endfläche sind zwei entsprechende zylindrische konkave Flächen ausgebildet. Weil die Wandler 29a und 29b rechtwinklig zueinander angeordnet sind, sind auch die Längsachsen der zylindrischen konkaven Flächen unter einem rechten Winkel zueinander ausgerichtet. Bei der in Fig. 8c dargestellten abgewandelten Ausführungsform des Schallwandlerkopfes gemäß Fig. 8b sind die Wandler 29a und 29b und somit die entsprechenden zylindrischen konkaven Flächen unter einem Winkel von etwa 30° zueinander angeordnet. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8d sind drei Wandler 29a, 29b und 29c so angeordnet, daß jeder eine Seite eines gleichseitigen Dreiecks bildet. Bei der in Fig. 8e dargestellten Ausführungsform sind fünf Wandler 29a bis 29e so angeordnet, daß jeder die Seite eines regelmäßigen Fünfecks bildet. Selbstverständlich sind bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 8d und 8e in der entgegengesetzten Endfläche entsprechende zylindrische konkave Flächen so ausgebildet, daß sie je eine Seite des entsprechenden gleichseitigen Dreiecks bzw. regelmäßigen Fünfecks bilden.

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Durch Verwendung der in Fig. 8b bis 8e dargestellten Schallwandlerköpfe lassen sich die V(z)«Kurven für verschiedene Richtungen mit Hilfe einer elektronischen Umschalteinrichtung ungefähr gleichzeitig erzielen, und somit lassen sich die Ausbreiturigsgeschwindigkeiten in verschiedenen Richtungen gleichzeitig messen. Sodann wird der Prüfling 25 um einen vorbestimmten Winkel gedreht und die vorstehend beschriebene Messung wiederholt. Auf diese Weise lassen sich die Anisotropien von Materialien innerhalb kürzerer Zeit messen und ermitteln als mit der zunächst beschriebenen Ausführungsform mit nur einem linear fokussierten Ultraschallwellenstrahl.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird der linear fokussierte Ultraschallwellenstrahl durch die Schall-Linse erzeugt, die jedoch durch andere Konstruktionen ersetzt werden kann. Fig. 9a zeigt eine Ausführungsform, bei der ein Schallwandler 31 aus piezoelektrischem Werkstoff auf einer zylindrischen konkaven Fläche eines Blockes 30 aus Metall oder einem anderen massiven Werkstoff direkt angeordnet ist. Bei den in Fig. 9b und 9c dargestellten Ausführungsformen sind Schallwandler 31 innen und außen auf einer zylindrischen konkaven bzw. zylindrischen konvexen Fläche eines zumindest annähernd halbzylindrischen Körpers 32 angeordnet. Auch mit einem solchen Schallwandlerkopf ist es möglich, den linear fokussierten Ultraschallwellenstrahl zu erzeugen. Ferner kann der linear fokussierte Ultraschallwellenstrahl auch mit einem Schallwandlerkopf erzeugt werden, der die Wirkung der-Phasenlage ausnutzt oder eine Platte mit Fresnelscher Zone aufweist.

Das Ultraschall-Mikroskop gemäß der Erfindung ist auch für die Prüfung von isotropen Materialien einsetzbar.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

I₁J Ultraschall-Mikroskop zum Ermitteln von akustischen Eigenschaften eines Prüflings, gekennzeichnet durch einen Schallwandlerkopf zum Aussenden eines Ultraschall wellenstrahls (26) gegen den Prüfling (25), wobei der Ultraschallwellenstrahl (26) in einer zu einer Achse von ihm rechtwinkligen Richtung linear fokussiert ist.
2. Mikroskop nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Verstellen des Schallwandlerkopfes und des Prüflings (25) in bezug aufeinander in der Richtung der Achse des Ultraschallwellenstrahls (26).
3. Mikroskop nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Drehen des Schallwandlerkopfes und des Prüflings (25) in bezug aufeinander um eine zur Achse des Ultraschallwellenstrahls (26) parallele Achse.
4. Mikroskop nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Drehachse mit der Achse des Ultraschal lwellenstrahls zusammenfallt.
5. Mikroskop nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Verstell- und Drehantriebseinrichtungen einen mechanischen Objekttisch (51) aufweisen, der in der Achse des Ultraschallwellenstrahls (26) verstellbar und um diese Achse drehbar ist, wogegen der Schallwandlerkopf fest angeordnet ist.

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6. Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der Schallwandlerkopf ein festes akustisches Koppelungsmedium (21), das eine ebene Endfläche und wenigstens eine, in der entgegengesetzten Endfläche ausgebildete zylindrische konkave Fläche (22) aufweist, und wenigstens einen elektroakustischen Wandler (21) hat, der auf der ebenen Endfläche des Koppelungsmediums (21) angeordnet ist.
7. Mikroskop nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der Schallwandlerkopf so ausgebildet ist, daß der Ultraschallwellenstrahl (26) bei Betrachtung in der genannten einen Richtung auf halber Länge zumindest annähernd eine Schallwellenlänge breit ist.
8. Mikroskop nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die entgegengesetzte Endfläche des festen Koppelungsmediums (21), in welcher die zylindrische konkave Fläche (22) ausgebildet ist, mit einer Entspiegelungsschicht (23) beschichtet ist.
9. Mikroskop nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch ge kennzeichnet , daß das feste Koppelungsmedium (21) von einer entlang der Z-Achse geschnittenen Stange aus Saphir gebildet ist.
10. Mikroskop nach Anspruch 9, dadurch g e k e η η zeich'net , daß der elektroakustische Wandler (20) von einem Film aus ZnO gebildet ist.
11. Mikroskop nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η zeichnet , daß auf der ebenen Endfläche des festen Koppelungsmediums (28) mehrere Schallwandler (29a bis 29e) so angeordnet sind, daß sie miteinander einen Winkel ungleich null Grad bilden, und in der entgegengesetzten Endfläche des

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Koppelungsmediums (28) eine der Zahl der Schallwandler (29a bis 29e) gleiche Anzahl zylindrischer konkaver Flächen so ausgebildet ist, daß jede von ihnen in Deckungsstellung mit dem entsprechenden Schallwandler (29a bis 29e) ist.
12. Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der Schallwandlerkopf einen Schallwandler (31) aufweist, der auf einer zylindrischen konkaven Fläche eines Substrates angeordnet ist.
13. Mikroskop nach Anspruch 12, dadurch g e k e η η zeichnet , daß das Substrat von einem halbzylindrischen Körper (32) gebildet ist.
14. Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der Schallwandlerkopf einen Schallwandler (31) aufweist, der auf einer zylindrischen.konvexen Fläche eines Substrates aus einem Schallkoppelungsmaterial angeordnet ist.
15. Mikroskop nach Anspruch 14, dadurch g e k e η η zeichnet , daß das Substrat von einem halbzylindrischen Körper (32) gebildet ist.