научная статья по теме ОБНАРУЖЕНИЕ ПОДПОВЕРХНОСТНЫХ МИКРОДЕФЕКТОВ МЕТОДОМ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства

Текст научной статьи на тему «ОБНАРУЖЕНИЕ ПОДПОВЕРХНОСТНЫХ МИКРОДЕФЕКТОВ МЕТОДОМ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ»

Акустические методы

УДК 534.25+620.186.4

ОБНАРУЖЕНИЕ ПОДПОВЕРХНОСТНЫХ МИКРОДЕФЕКТОВ МЕТОДОМ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ

Ю.В. Корх, Д.В. Перов, А.Б. Ринкевич

Исследована возможность обнаружения подповерхностных дефектов в твердых телах методом сканирующей высокочастотной акустической микроскопии. Проведена оценка влияния искажения фокальной области, аберраций, возникающих при фокусировке под поверхностью твердого тела, на формирующийся выходной сигнал микроскопа с помощью математического моделирования преломления сфокусированных акустических пучков в твердом теле, а также экспериментально на лабораторном сканирующем акустическом микроскопе с частотой зондирующих акустических волн 400 МГц.

Ключевые слова: акустическая микроскопия, фокусирующий преобразователь, подповерхностные дефекты, разрешение.

ВВЕДЕНИЕ

Метод акустической микроскопии — это метод получения акустических изображений объектов с использованием сфокусированного у.з. излучения, представляющего собой волны упругой механической деформации в среде, а также прецизионной системы сканирования плоскости образца [1—3]. Выходной сигнал в каждой точке сканирования будет изменяться в соответствии с локальными неоднородностями упругих свойств материала объекта. Акустическая прозрачность большинства материалов позволяет исследовать как поверхностные, так и внутренние свойства образцов, непрозрачных для других видов излучений, в частности, света, а значит, появляется возможность выявления скрытых, развивающихся под поверхностью дефектов, микропор, микротрещин без специальной подготовки или разрушения образца. В этом заключается уникальность метода акустической микроскопии. При использовании акустических волн высоких частот (200—800 МГц) достигаются высокое разрешение и чувствительность метода — качество получаемых акустических изображений будет сравнимо с оптическими микрофотографиями.

Однако для интерпретации акустических изображений необходимо понимание природы акустического контраста, принципов формирования таких изображений, механизмов взаимодействия сфокусированных акустических волн с внутренними и поверхностными несплошностями. При фокусировке под поверхностью твердого тела происходит преломление зондирующего акустического пучка, длина акустической волны в твердом теле увеличивается по сравнению с контактной жидкостью (в частности, для металлов она в 4—5 раз больше). Преломление влияет на качество получаемых изображений, их разрешение и возможность выявления дефектов на стадии их зарождения. Необходима оценка основных факторов, влияющих на конечное разрешение метода акустической микроскопии при выявлении подповерхностных дефектов. В данной работе проведена оценка влияния искажения фокальной области, аберраций, возникающих при фокусировке под поверхностью твердого тела, на формирующийся выходной сигнал микроскопа как экспериментально на имеющемся лабораторном сканирующем высо-

Юлия Владимировна Корх, канд. техн. наук, научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН. Тел. (343) 378-36-97. E-mail: julika_sun@mail.ru

Дмитрий Владимирович Перов, канд. техн. наук, старший научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН. Тел. (343) 378-36-97. E-mail: peroff@imp.uran.ru

Анатолий Брониславович Ринкевич, доктор физ.-мат. наук, зам. директора Института физики металлов УРО РАН. Тел. (343) 378-38-95. E-mail: rin@imp.uran.ru

кочастотном акустическом микроскопе с частотой зондирующих акустических волн 400 МГц [4], так и с помощью математического моделирования преломления сфокусированных акустических пучков в твердом теле.

1. РАЗРЕШЕНИЕ МЕТОДА АКУСТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ ПРИ ФОКУСИРОВКЕ НА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Основой фокусирующей системы акустического микроскопа в режиме отражения является вогнутая акустическая линза (рефрактор), с помощью которой осуществляются излучение и прием акустической энергии [5]. Акустическая линза, представляющая собой сферическое углубление на границе раздела звукопровод — контактная жидкость (рис. 1), преобразует пучок падающих плоских волн, возбуждаемых пьезоэлектрическим преобразователем, в сходящуюся волну к некоторой точке на акустической оси системы, расположенной на определенном расстоянии от поверхности волнового фронта, называемом фокусным расстоянием К. Варьируя материал и размеры линзы, такие как диаметр апертуры В и радиус кривизны ЯЬ, фокусное расстояние К, половинный угол раскрытия (апертурный угол преобразователя) § расстояние от излучателя до вогнутой поверхности линзы Ь, а также рабочую частоту системы / и свойства контактной жидкости, в которой осуществляется фокусировка зондирующего акустического пучка, можно добиться фокусировки у.з. волн на требуемом расстоянии с фокальным пятном необходимого размера для выявления и разрешения дефектов различного масштаба. Благодаря большому отношению показателей преломления

Пьезоэлектрический преобразователь

Звукопровод

Контактная жидкость

Образец

Рис. 1. Акустическая линза с нанесенными параметрами.

материалов акустической линзы и контактной жидкости (чаще всего вода), при акустическом сканировании поверхности объекта можно добиться лучшей сходимости волновых фронтов в фокальном пятне и практически отсутствия аберраций, искажающих формирующееся акустическое изображение объекта, по сравнению с оптическими системами. Так, отношение скоростей звука для комбинации сапфир—вода в акустической системе составляет 7,5, для комбинации германий—вода — 3,7, в то время как при фокусировке светового луча из стекла в воздух отношение показателей преломления составляет 1,5 [5, 6].

Для конфокального сканирующего микроскопа, в котором одна и та же линза используется дважды — для излучения и приема волн, разрешение фокусирующей системы, то есть минимальное расстояние между двумя близ-

кими, но различными объектами, по уровню 3 дБ определяется размером фокального пятна и имеет порядок длины у.з. волны в контактной жидкости [5, 7]

0 74•F • с

5 = 074 Со. (1)

Так, для низкочастотной акустической микроскопии для рабочей частоты / = 50 МГц, скорости звука в воде с0 = 1498 м/с, фокусного расстояния линзы F = 6,9 мм, диаметра апертуры линзы О = 220 мкм получим, что диаметр фокального пятна будет равен 5 = 22,5 мкм. Таким образом, фокусируясь на поверхности объекта исследования и сканируя с шагом к ~ 0,7 • 5 ~ 15 мкм, можно получить акустическое изображение поверхности образца площадью порядка 4^4 мм2 (250^250 точек) с высоким разрешением. Для частоты 400 МГц разрешение акустического микроскопа с фокусным расстоянием F = 290 мкм составляет 5 = 2,8 мкм. Сканируя с шагом 2,5—5 мкм, можно построить акустические изображения высокого разрешения в пределах полей сканирования от 0,15x0,15 мм2 (рис. 2) до 1,5x1,5 мм2.

Коэффициент усиления фронта по давлению Кр с учетом затухания

в воде будет определяться следующим выражением [8]:

Кр = ^ = к0 • F• (1-008 еи у ехр (-а^). (2)

р0

Здесь Р/. — звуковое давление в фокусе; р0 — звуковое давление на поверхности пьезоэлектрического преобразователя; к0 = ю/с0 — волновое число; а = 22 • 10-15 • /, м-1 — коэффициент затухания в воде, зависящий от частоты.

Для частоты / = 400 МГц коэффициент усиления по давлению в фокусе с учетом затухания высокочастотного ультразвука в воде составит К = 39, коэффициент усиления по интенсивности К1 = 970. В качестве примера акустического изображения, полученного на частоте 400 МГц, на рис. 2 показано изображение поверхности стального образца со множеством микропор.

. * ч л т * 1

г-

Рис. 2. Акустическое изображение поверхности образца из жаропрочной стали с микропорами ползучести.

I. Л к 1г

50 мкм ■ч-

Принимаемый отраженный сигнал в каждой точке сканирования позволяет судить об изменении локальных физических свойств образца (упругости, плотности, анизотропии и др.) и его геометрических свойств в области, размеры которой определяются размерами фокального пятна.

2. РАЗРЕШЕНИЕ МЕТОДА АКУСТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ ПРИ ФОКУСИРОВКЕ ПОД ПОВЕРХНОСТЬЮ ТВЕРДОГО ТЕЛА

При фокусировке у.з. лучей под поверхностью твердого тела происходит преломление сходящегося волнового фронта на границе контактная жидкость—образец, что приводит к появлению особенностей на акустических изображениях, связанных с распространением акустических волн под поверхностью твердого тела. Рассмотрим сфокусированный акустический пучок как совокупность лучей, взаимодействующих с объектом, падающих и отражающихся на границах объекта в соответствии с законами геометрической акустики. Если поверхность исследуемого образца находится в фокальной плоскости акустической линзы, то выходной сигнал преобразователя формируется совокупностью отраженных лучей от поверхности образца (см. рис. 1). При смещении фокусирующей линзы ближе к образцу на расстояние Дг (рис. 3а) фокусировка под поверхностью происходит на расстоянии Дг', зависящем от соотношения скоростей звука в контактной жидкости с0 и твердом теле с. Исходя из геометрических представлений для параксиальных лучей, справедливо приближенное соотношение Дг' = Дг • с0/с{ [9], позволяющее определить область подповерхностной фокусировки. Так, при смещении линзы в акустическом микроскопе на 400 МГц на расстояние 3 мкм получим фокусировку продольных у.з. волн на глубине Аг' ~ 0,75 мкм от поверхности стального образца (скорость продольных волн с1 = 5900 м/с)

-60 -61

а -62

N

-63 -64

-65

-3 -2 -1 0 1 2 3 -15 -10 -5 0 5 10 15

г, мкм г, мкм

Рис. 3. Геометрический ход лучей зондирующего акустического пучка при смещении линзы к стальному образцу на 3 (а) и 16 мкм (б) для стального образца: черный цвет — лучи продольных волн; серый — поперечных.

(см. рис. 3а). Если исследуемый объект—оргстекло, керамика, то смещение линзы на 3 мкм к образцу приведет к фокусировке продольных волн на глубине около 1,5 мкм. При исследовании подповерхностной структуры твердого тела необходимо учитывать, что значительная часть акустического излучения будет отражаться от границы контактная жидкость—твердое тело [10]. На рис. 4 показана зависимость коэффициента прохождения у.з. волн по интенсивности Т для границы вода—ста

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком