Акустическая микроскопия.

Акустические волны по своей природе совершенно отличны от электромагнитных волн. В однородном материале скорость акустической волны с_а определяется постоянной среды K и его плотностью r:

. (3)

В упругих телах константа K представляет собой модуль Юнга Y или модуль сдвига S для продольных и поперечных волн соответственно. В случае звуковых волн в газе константа K равна модулю объёмного сжатия B. Скорости этих волн в твёрдых телах составляют 1 600 - 5 000 м/с, в жидкостях 900 – 1 600 м/с, а в газах вроде воздуха – около 340 м/с. Отметим, что скорость акустической волны зависит от температуры окружающей среды.

Пространственное разрешение микроскопа зависит от длины волны. Поскольку скорость акустической волны намного ниже скорости света, частота при одинаковой длине волны также намного ниже, чем у света. Как следствие, сканирующие акустические микроскопы (САМ) работают на частотах 1-2 ГГц, что обеспечивает разрешение, типичное для обычного оптического микроскопа, в то время как ультразвук частотой 2-10 МГц даёт миллиметровое разрешение. К сожалению, поглощение акустической волны пропорционально квадрату частоты, и при увеличении частоты глубина проникновения резко уменьшается. Поэтому приходится выбирать между разрешением и глубиной проникновения. В воздухе акустические волны ослабляются сильнее, чем в жидкостях, и поэтому между акустическим источником и образцом, а также между образцом и приёмником обычно помещают воду.

В газах и жидкостях распространяются лишь продольные волны, а в твёрдых телах также и поперечные сдвиговые волны. Когда акустическая волна падает на границу раздела жидкости и твёрдого тела, часть волны отражается в жидкость, другая часть идёт на возбуждение поперечных и продольных волн в материале (рис. 44), а небольшая доля энергии идёт на возбуждение поверхностной акустической волны.

Низкочастотные акустические волны генерируются небольшими громкоговорителями (музыка в акустическом диапазоне имеет частоту 100 – 20 000 Гц). Волны более высокой частоты возбуждаются пьезоэлектрическими преобразователями малой массы, вследствие чего резонансная частота оказывается высокой. Большинство акустических систем использует ультразвуковые импульсы. Короткий импульс электрического напряжения воздействует на преобразователь, который генерирует акустическую волну.

В 1936 г. Соколов в патенте СССР №49 впервые описал возможность создания акустического микроскопа. Его идеи были развиты в 1959 г. Донном и Фраем в Иллинойском университете. Разработка импульсных акустических систем привела к появлению современных акустических микроскопов, строящих изображение сканированием сфокусированным акустическим лучом.

На рис. 45 изображён типичный источник акустических волн, совмещённый с линзой объектива. Из-за поглощения высокочастотных акустических волн в воздухе пьезоэлектрический преобразователь из окиси цинка ZnO плотно прикреплён к верхней поверхности плавленого кварца или сапфира. Преобразователь генерирует плоские волны, которые распространяются вниз в направлении вогнутой нижней поверхности кристалла сапфира. Линза фокусирует акустические волны на образец через жидкость (обычно это вода).

В акустическом микроскопе изображение создаётся сканированием точечного излучателя сигнала в плоскости XY. Особенности структуры, которые влияют на распространение акустических волн, определяют жёсткость образца. Приходится использовать либо высокочастотную акустическую волну с целью улучшения разрешения, как это делается в сканирующей акустической микроскопии, либо добиваться большей глубины проникновения при меньших частотах. Заметим, что при частоте 1 ГГц разрешение равно нескольким микронам, но глубина проникновения невелика, в то время как при частоте в несколько МГц длина волны имеет порядок миллиметров, но глубина проникновения достигает нескольких сантиметров.

С целью проверки теоретических моделей, связывающих микроструктуру и макросвойства материала, можно изучать корреляцию результатов, полученных на ультразвуковой установке, с особенностями структуры, определённой при помощи, например, конфокального оптического микроскопа. Схема водоиммерсионной ультразвуковой установки, основанной на измерении времени распространения сигнала, приведена на рис. 46. Здесь осциллограф выполняет функцию таймера, принимает импульсы и формирует массив цифровых данных для передачи на компьютер. Передатчиком и приёмником служат иммерсионные преобразователи, работающие на частоте 5 МГц. Используется водяной термостат. Четыре шаговых электродвигателя управляются компьютером. Один из шаговых двигателей перемещает излучатель относительно принимающего преобразователя. Это необходимо для определения скорости ультразвука в воде до помещения в термостат образца. Второй шаговый двигатель перемещает образец, находящийся между излучателем и приёмником, в горизонтальном направлении, перпендикулярно направлению распространения ультразвука. Это обеспечивает горизонтальное линейное сканирование образца пучком. Третий шаговый двигатель способен поворачивать образец на 360° шагами по 0,9° для изменения угла падения ультразвука. Четвёртый шаговый двигатель может поднимать или опускать образец, обеспечивая его автоматизированное сканирование в неподвижном ультразвуковом пучке и позволяя строить двумерные карты времени распространения импульса и амплитуды принятого сигнала. Запоминающий осциллограф измеряет время задержки между излучением возбуждающего импульса и приходом акустического импульса. Измеряют время распространения сигнала в воде, а затем в воде с помещённым в неё образцом. Время измеряют с точностью выше одной наносекунды.