Акустическая микроскопия - Acoustic microscopy
Акустическая микроскопия - это микроскопия, в которой используется ультразвук очень высокой или сверхвысокой частоты . Акустические микроскопы работают неразрушающим образом и проникают в большинство твердых материалов, создавая видимые изображения внутренних элементов, включая такие дефекты, как трещины, расслоения и пустоты .
История
Идея акустической микроскопии восходит к 1936 году, когда С.Я. Соколов предложил устройство для получения увеличенных изображений конструкции с помощью звуковых волн 3 ГГц. Однако из-за технологических ограничений в то время такой инструмент не мог быть сконструирован, и только в 1959 году Данн и Фрай провели первые эксперименты по акустической микроскопии, хотя и не на очень высоких частотах.
Научная литература показывает очень небольшой прогресс в направлении создания акустического микроскопа после экспериментов Данна и Фрая примерно до 1970 г., когда возникли две группы активности, одна из которых возглавлялась К.Ф. Куэйтом (Стэнфордский университет), а другая - А. Корпелом и Л.В. Кесслером (Zenith Radio). Исследовательские лаборатории). Первые попытки разработать операционный акустический микроскоп были сосредоточены на высокочастотной адаптации методов низкочастотной ультразвуковой визуализации. В одной из первых систем использовалась брэгговская дифракционная визуализация , основанная на прямом взаимодействии между полем акустической волны и лазерным световым лучом. Другой пример был основан на вариациях ячейки Польмана. Оригинальное устройство основано на суспензии асимметричных частиц в тонком слое жидкости, которые под воздействием акустической энергии вызывают изменения визуальной отражательной способности. Каннингем и Куэйт изменили это, подвесив крошечные латексные шарики в жидкости. Акустическое давление вызывало сдвиги населения, которые можно было обнаружить визуально. Кесслер и Сойер разработали жидкокристаллическую ячейку, которая позволяла обнаруживать звук по гидродинамической ориентации жидкости. В 1973 году группа Quate начала разработку концепции, в которой использовался первый сканирующий акустический микроскоп (SAM) с конфокальной парой ультразвуковых линз 50 МГц для фокусировки и регистрации ультразвуковой энергии. В 1974 году эту концепцию реализовали Р.А. Лемонс и К.Ф. Куэйт в лаборатории СВЧ Стэнфордского университета . Достижения этого прибора, сканирующего акустического микроскопа, связаны с достижением очень высокого разрешения, новыми режимами визуализации и приложениями. SAM был коммерчески представлен Leitz Corp и Olympus Corp. В 1970 году группа компаний Korpel и Kessler начала разработку сканирующей лазерной системы обнаружения для акустической микроскопии. В 1974 году деятельность была передана другой организации под руководством Кесслера (Sonoscan Inc), где были разработаны практические аспекты инструмента. Этот инструмент, сканирующий лазерный акустический микроскоп (SLAM), был коммерчески доступен в 1975 году.
В 1980 году Роман Маев и его ученики в своей Лаборатории биофизической интроскопии Российской академии наук создали первую ПРД высокого разрешения (с частотой до 500 МГц) со сквозной передачей . Первый коммерческий ЗРК ELSAM с широким диапазоном частот от 100 МГц до сверхвысоких 1,8 ГГц был построен на предприятии Ernst Leitz GmbH (Вецлар, Германия) группой под руководством Мартина Хоппе и его консультантов Абдуллы Аталара (Стэнфордский университет, США). Роман Маев ( Российская академия наук , Россия) и Эндрю Бриггс (Оксфордский университет, Великобритания).
В то же время, в 1984 году группа Кесслера завершила разработку концептуального прибора C-SAM, который работал в режиме отражения, а также в режиме сквозной передачи (только) SLAM. Использование одного и того же преобразователя для импульсного ультразвука и приема отраженных эхосигналов означало, что акустическое изображение можно было легко ограничить интересующей глубиной. Эта конструкция была предшественницей практически всех акустических микроскопов, используемых сегодня, и была разработкой, которая сделала возможными многочисленные более поздние достижения, такие как формирование акустических изображений поперечного сечения, трехмерное акустическое изображение и другие.
С тех пор в системы акустической микроскопии было внесено множество улучшений для повышения разрешения, качества и точности изображения. Большинство из них подробно описано в книге Briggs, Andrew (1992). Продвинутый в акустической микроскопии . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-1-4615-1873-0 . , Маев, Роман (2008). Акустическая микроскопия: основы и приложения . Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40744-6 . , а также недавно в Maev, Roman (2013). Достижения в акустической микроскопии и ультразвуковой визуализации высокого разрешения: от принципов к новым приложениям . Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-41056-9 . .
Типы акустических микроскопов
За полвека с момента первых экспериментов, непосредственно приведших к созданию акустических микроскопов, было разработано по крайней мере три основных типа акустических микроскопов. Это сканирующий акустический микроскоп (SAM), конфокальный сканирующий акустический микроскоп (CSAM) и сканирующий акустический микроскоп C-режима (C-SAM).
Совсем недавно акустические микроскопы, основанные на пикосекундных ультразвуковых системах, продемонстрировали акустическое изображение в клетках с использованием субоптических длин волн, работающих с ультразвуковыми частотами до нескольких ГГц. Поскольку подавляющее большинство акустических микроскопов, используемых сегодня, являются приборами типа C-SAM, данное обсуждение будет ограничено этими приборами.
Поведение ультразвука в материалах
Ультразвук в широком смысле определяется как любой звук, имеющий частоту выше 20 кГц, что приблизительно является самой высокой частотой, которую может уловить человеческое ухо. Однако акустические микроскопы излучают ультразвук в диапазоне от 5 МГц до более 400 МГц, так что разрешение по размеру микрометра может быть достигнуто. Ультразвук, проникающий через образец, может рассеиваться, поглощаться или отражаться внутренними элементами или самим материалом. Эти действия аналогичны поведению света. Ультразвук, который отражается от внутреннего элемента или (в некоторых случаях) проходит через всю толщину образца, используется для создания акустических изображений.
Типы образцов и подготовка
Образцы не нуждаются в специальной обработке перед акустической визуализацией, но они должны выдерживать, по крайней мере, кратковременное воздействие воды или другой жидкости, поскольку воздух является очень плохим передатчиком высокочастотной акустической энергии от преобразователя. Образец можно полностью погрузить в воду или сканировать узкой струей воды. В качестве альтернативы можно использовать спирты и другие жидкости, чтобы не загрязнять образец. Образцы обычно имеют по крайней мере одну плоскую поверхность, которую можно сканировать, хотя цилиндрические и сферические образцы также можно сканировать с помощью соответствующих приспособлений. В следующих параграфах описываемый образец представляет собой заключенную в пластик интегральную схему.
Ультразвуковые частоты
Ультразвуковые частоты, подаваемые в образцы преобразователями акустических микроскопов, находятся в диапазоне от 10 МГц (редко 5 МГц) до 400 МГц и более. В этом спектре частот существует компромисс между проникновением и разрешением . Ультразвук на низких частотах, таких как 10 МГц, глубже проникает в материалы, чем ультразвук на более высоких частотах, но пространственное разрешение акустического изображения меньше. С другой стороны, ультразвук на очень высоких частотах не проникает глубоко, но дает акустические изображения с очень высоким разрешением. Частота, выбранная для изображения конкретного образца, будет зависеть от геометрии детали и используемых материалов.
Акустическое изображение заключенной в пластик ИС ниже было получено с использованием преобразователя 30 МГц, поскольку эта частота обеспечивает хороший компромисс между проникновением и разрешением изображения.
Процесс сканирования
Ультразвуковой преобразователь растровый сканирует верхнюю поверхность образца. Каждую секунду в выборку поступает несколько тысяч импульсов. Каждый импульс может рассеиваться или поглощаться при прохождении через однородные части образца. На границах раздела материалов часть импульса отражается обратно в датчик, где он принимается и регистрируется его амплитуда.
Отраженная часть импульса определяется акустическим импедансом Z каждого материала, который встречается на границе раздела. Акустический импеданс данного материала - это плотность материала, умноженная на скорость ультразвука в этом материале. Когда импульс ультразвука встречает границу раздела между двумя материалами, степень отражения ультразвука от этой границы раздела регулируется следующей формулой:
где R - доля отражения, а z 1 и z 2 - акустические импедансы двух материалов, аналогичные показателю преломления при распространении света.
Если оба материала являются типичными твердыми телами, степень отражения будет умеренной, и значительная часть импульса пройдет глубже в образец, где она может частично отражаться от более глубоких границ раздела материалов. Если одним из материалов является газ, такой как воздух - как в случае с расслоениями, трещинами и пустотами - степень отражения на границе твердое тело-газ составляет около 100%, амплитуда отраженного импульса очень высока, и практически ни один импульс не проходит глубже в образец.
Стробирование обратных эхо
Импульс ультразвука от датчика проходит наносекунды или микросекунды, чтобы достичь внутреннего интерфейса и отражается обратно в датчик. Если имеется несколько внутренних интерфейсов на разной глубине, эхо-сигналы поступают на датчик в разное время. Плоские акустические изображения не часто используют все отраженные эхосигналы со всех глубин для создания видимого акустического изображения. Вместо этого создается временное окно, которое принимает только те ответные эхо-сигналы из глубины интереса. Этот процесс известен как «стробирование» возвратных эхо-сигналов.
Наконец, заключенная в пластик ИС была перевернута и отображена с обратной стороны. Возвратные эхо-сигналы регистрировались на глубине, где задняя сторона пресс-формы соприкасается с задней стороной лопатки штампа. Маленькие черные точки на акустическом изображении выше - это небольшие пустоты (захваченные пузырьки) в компаунде формы.
Другие типы изображений
Показанные выше акустические изображения являются плоскими изображениями, названными так, потому что они делают видимой горизонтальную плоскость внутри образца. Акустические данные, полученные в ответных эхо-сигналах, также могут использоваться для создания других типов изображений, включая трехмерные изображения, изображения поперечного сечения и изображения сквозного сканирования.
Спектр приложений
Образцы, отображаемые с помощью акустических микроскопов, обычно представляют собой сборки из одного или нескольких твердых материалов, которые имеют по крайней мере одну поверхность, которая является плоской или правильно изогнутой. Интересующая глубина может включать внутреннюю связь между материалами или глубину, на которой может возникнуть дефект в однородном материале. Кроме того, образцы можно охарактеризовать без визуализации для определения, например, их акустического импеданса.
Благодаря их способности находить элементы неразрушающими методами визуализации, акустические микроскопы широко используются в производстве электронных компонентов и узлов для контроля качества, надежности и анализа отказов. Обычно интерес заключается в обнаружении и анализе внутренних дефектов, таких как расслоения, трещины и пустоты, хотя акустический микроскоп также может использоваться просто для проверки (путем определения характеристик материала или визуализации, или и того, и другого), что данная деталь или данный материал соответствует спецификациям или в некоторых случаях не является подделкой. Акустические микроскопы также используются для изображения печатных плат и других узлов.
Кроме того, существует множество приложений вне электроники. Во многих отраслях промышленности продукты, которые включают трубы, керамические материалы, композитные материалы или различные типы клеевых соединений, включая клеевые слои и различные сварные швы, могут быть визуализированы акустически.
При сборке многочисленных медицинских изделий используются акустические микроскопы для исследования внутренних связей и особенностей. Например, можно получить изображение полимерной пленки, чтобы изучить ее связь с многоканальной пластиковой пластиной, используемой в анализе крови. SAM может предоставить данные об эластичности клеток, твердых и мягких тканей, которые могут дать полезную информацию о физических силах, удерживающих структуры в определенной форме, и о механике таких структур, как цитоскелет . Эти исследования особенно ценны для изучения таких процессов, как подвижность клеток .
Другое многообещающее направление было инициировано различными группами в мире для разработки и создания портативных портативных SAM для подповерхностной трехмерной визуализации и диагностики мягких и твердых тканей, и это направление в настоящее время успешно развивается с целью внедрения этих методов в клиническую и косметологию. упражняться.
Также в течение последнего десятилетия был проявлен интерес к применению методов акустической микроскопии для неинвазивного трехмерного исследования красочных слоев нарисованных произведений искусства и других объектов культурного и культурного наследия.
Смотрите также
- Акустический интерферометр
- Сканирующая ультразвуковая голография в ближнем поле
- Ультразвуковая биомикроскопия
- Емкостный микромашинный ультразвуковой преобразователь