Принципы формирования и применения ультракоротких зондирующих импульсов в акустической микроскопии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ БИОХИМИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ИМ. Н.М. ЭМАНУЭЛЯ РАН

Лаборатория акустической микроскопии

Дин Цзиньвэнь

ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАКОРОТКИХ ЗОНДИРУЮЩИХ ИМПУЛЬСОВ. В АКУСТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ

01.04.01 - «приборы и методы экспериментальной физики» (физико-математические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук I 1 Д |"] Р

Москва-2010

004600165

Работа выполнена в лаборатории акустической микроскопии, Учреждения Российской академии наук Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН (ИБХФ РАН)

Научные руководитель: кандидат физико-математических наук

Левин Вадим Моисеевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Мансфельд Георгий Дмитриевич

доктор физико-математических наук Пожар Витольд Дмитриевич

Ведущая организация: Федеральное государственное

учреждение 'Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ)"

Защита состоится <$/года в А/часов на заседании Диссертационного совета Д 002.135.01 в Научно-технологическом центре уникального приборостроения РАН по адресу: 117342, Москва. ул.Бутлерова, 15.

С диссертационной работой можно ознакомиться в научно-технической библиотеке НТЦ уникального приборостроения РАН.

Автореферат разослан Ф"»

>> 2

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 002.135.01, кандидат физико-математических наук.

Е.АгОтливанчик

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность исследования.

Импульсная акустическая микроскопия является эффективным средством изучения микроструктуры объектов, прежде всего, оптически непрозрачных. Ультразвук легко проникает в объем многих типов материалов. На частотах от 20 МГц до 3-5 ГГц он обеспечивает микронные и субмикронные разрешения. Он чувствителен к вариациям упругих и вязких свойств - отображает механическую структуру объекта. Фокусированный ультразвук обеспечивает возможность локальных упругих измерений в многофазных и градиентных материалах, в малых образцах и включениях, в низкоразмерных образцах (пленках, волокнах и т.д.).

Взаимодействие падающего пучка с объектом концентрируются в фокальной зоне пучка. Вторичное излучение, обусловленное этим взаимодействием, регистрируется фокусирующей системой. В настоящее время для регистрации используется, преимущественно, отраженное излучение. Параметры регистрируемого сигнала определяются микроструктурой и локальными механическими свойствами объекта внутри фокальной области. Размер фокального пятна определяет латеральное разрешение метода. Регистрируемые параметры используются либо для локальных измерений, либо для построения акустических изображений. Изображения формируются растровым образом при перемещении фокального пятна зондирующего пучка по поверхности объекта; движение пятна обеспечивается механическим сканированием фокусирующей системы.

Возможности применения фокусированных пучков существенно зависят от типа зондирующих ультразвуковых сигналов. Классический вариант сканирующей акустической микроскопии (САМ) основан на применении длинных синусоидальных сигналов и зондирующих пучков с большими угловыми апертурами. Поскольку вариант не позволяет использовать наиболее привлекательные возможности ультразвуковой техники - объемную визуализацию и объемные измерения, то сегодня в

центре внимания оказалась импульсная акустическая микроскопия, реализующая эти возможности.

Импульсный вариант САМ основывается на временной селекции отраженных эхо сигналов. Сигналы, отраженные на разной глубине, приходят на приемник с различным временем задержки. Разделение эхо-сигналов по времени дает возможность формировать акустические изображения структуры объекта на определенной глубине (С-скаиы), отображать его структуру в поперечном разрезе (В-сканы) и восстанавливать ЗЭ структуру объекта при ее послойном отображении. Измерение времен задержки позволяет измерять локальные значения скоростей упругих волн в образце (продольных и поперечных одновременно) и находить величины упругих модулей с микронным и субмикронным разрешением. Развитие импульсной САМ основывается на решении принципиальных проблем, связанных с возбуждением и приемом фокусированных импульсов, с их взаимодействием с элементами структуры, с принципами отображения этих элементов на акустических изображениях и интерпретации изображений.

Качество акустических изображений и их адекватная интерпретация зависят от структуры зондирующего импульса - его форма должна быть максимально простой и детерминированной. Обычно используются короткие сигналы, генерируемые пьезоэлектрическим преобразователем при его ударном возбуждении. Форма генерируемого ультразвукового импульса определяется формой возбуждающего электрического сигнала и добротностью пьезопреобразователя.

Для структуры зондирующего сигнала существенную роль играет также способ формирования фокусированного пучка в иммерсии. Обычно, фокусирование осуществляется акустической линзой - пучок формируется за счет преломления излучения, генерируемого плоским преобразователем, на вогнутой сферической преломляющей поверхности на другом торце звукопровода. Теоретически, преломление плоского фронта на сферической полости ведет к формированию в жидкости почти идеального фокуса - сферические аберрации пренебрежимо малы из-за большой величины коэффициента преломления. Ультразвуковые

импульсы, распространяющиеся вдоль различных лучей сходящегося пучка, прибывают в область фокуса одновременно и суммируются без искажения формы первоначального импульса. Однако, на практике в акустических линзах имеются многочисленные факторы - отражение от боковых стенок звукопровода, возбуждение в его объеме поперечных волн и т.д., приводящие к появлению в зондирующем сигнале слабых дополнительных импульсов, задержанных по сравнению с основным. Наличие таких импульсов оказывается существенным при визуализации объемной структуры - они накладываются на эхо сигналы, возникающие при отражении основного сигнала от элементов объемной микроструктуры.

Анализ процессов формирования зондирующих фокусированных импульсов и экспериментальное изучение их пространственно-временной структуры являются ключевыми проблемами импульсной САМ не только при разработке импульсных микроскопов, но и для интерпретации эхограмм и акустических изображений.

Другой фундаментальной проблемой являются принципы формирования акустических изображений для стандартных геометрических элементов микроструктуры - границ раздела, конечных включений и полостей и т.д. К настоящему времени изучено только взаимодействие фокусированных импульсов с плоскими границами раздела. Важнейшей проблемой остается проблема отображения на акустических изображениях других типов форм. Большое практическое значение имеет анализ отображения конечных прямоугольных и цилиндрических включений и полостей. Подобные полости с малыми размерами поперечных сечений являются превосходными моделями вертикальных трещин и отслоений - важнейшего типа микродефсктов в твердых телах. Остаются актуальными проблемы разрешения поперечных размеров или диаметра таких полостей и включений, возможности определения положения нижней границы (дна) полостей и включений.

Перечисленные проблемы формирования зондирующего ультразвукового сигнала и принципов отображения на акустических

з

изображениях простых геометрических форм, существенные для дальнейшего развития импульсной акустической микроскопии и расширения области ее приложений, явились предметом исследования в данной работе.

Основные цели работы

1. Исследование закономерностей формирования ультракоротких ультразвуковых импульсов при ударном возбуждении пьезопреобразователя.

2. Экспериментальное изучение формирования зондирующих сигналов акустическими линзами. Выявление их тонкой структуры и механизмов образования дополнительных (паразитных) импульсов в этой структуре.

3. Экспериментальное изучение взаимодействия ультракоротких зондирующих импульсов с плоскопараллельными объектами и выявление основных закономерностей формирования эхограмм при различных положениях акустической линзы относительно объекта.

4. Изучение дифракции фокусированных ультразвуковых импульсов на краю образца. Выявление закономерностей образования краевых дифрагированных импульсов и их роли в формировании акустических изображений (В- и С- сканов).

5. Изучение формирования отраженных эхо включениями и пустотами конечных размеров. Роль краевых дифрагированных волн в формировании эхограмм и акустических изображений.

6. Принципы формирования теней на акустических изображениях предлежащими структурами.

Научная новизна результатов работы

1. Исследовано ударное возбуждение ультразвука - генерация звуковых импульсов пьезопреобразователями под воздействием уединенных электрических импульсов. Выявлены условия, при которых формируются ультракороткие (1-2 периода колебаний) зондирующие импульсы.

2. Исследованы пространственно-временные характеристики зондирующего сигнала, генерируемого акустической линзой в

иммерсионной среде. Показано, что на основной зондирующий импульс накладываются паразитные сигналы, с задержкой по времени относительно основного сигнала. Выявлены физические механизмы формирования паразитных сигналов.

3. Впервые экспериментально изучены принципы формирования эхограммы сигнала (0-скана), образование эхосигналов при взаимодействии зондирующего импульсного сигнала с плоскопараллсльным образцом конечных размеров.

4. Впервые экспериментально изучена дифракция фокусированных ультразвуковых импульсов на краю плоскости и слоя. Выявлены закономерности формирования дифрагированного импульсного сигнала и принципы его отображения на эхограммах и акустических изображениях.

5. Изучено взаимодействие фокусированных импульсов с протяженными объектами конечных размеров в объеме твердотельных образцов. Получены основные принципы интерпретации акустических изображений для таких объектов. Впервые указано на особую роль в формировании акустических изображений волн, дифрагированных на краях включений и пустот.

6. Впервые описаны особенности взаимодействия импульсов фокусированного ультразвука с шероховатой или микрозернистой поверхностью, обусловленные формированием дифрагированных краевых волн.

Практическая ценность работы

1. Выявленные закономерности формирования зондирующих ультразвуковых сигналов определяют технические требования к акустическим линзам, используемым в импульсной акустической микроскопии.

2. Развитые представления о структуре зондирующего сигнала и механизмах формирования паразитных импульсов служат основой для адекватной интерпретации эхограмм и акустических изображений.

3. Результаты, полученные при исследовании формирования акустических изображений для краев, протяженных включений и пустот

создают основу для интерпретации акустических изображений многих типов объектов, поскольку пространственная структура большинства объектов содержит такие элементы.

4. Развиты принципы неразрушающего контроля микрообъектов со сложной пространственной топологией. Разработанные методики могут использоваться для решения актуальной задачи неразрушающего микроконтроля - выявления вертикальных микротрещин, как выходящих на поверхность образца, так и скрытых в объеме материала.

5. На основе представлений о формировании дифрагированных волн микрорельефом поверхности развит акусто-микроскопический подход к оценке шероховатости и зернистости поверхностей и границ раздела.

6. Результаты работы могут служить основой разработки стандартных образцов для метрологического обеспечения ультразвуковых методов неразрушающего контроля высокого разрешения.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Эффективным способом формирования ультракоротких фокусированных ультразвуковых импульсов является ударное возбуждение низкодобротного пьезопреобразователя электрическими видеоимпульсами с крутым передним фронтом.

2. Использование ультракоротких фокусированных импульсов и временная селекция отдельных эхо-импульсов внутри регистрируемого сигнала позволяет визуализировать объемную структуру и измерять локальные упругие свойства.

3. Зондирующий фокусированный импульс проникает в образец в виде сходящихся пучков продольных и поперечных волн. Эхо-сигналы наблюдаются как последовательность импульсов, порождаемых отражением этих пучков от границ образца и внутренних элементов.

4. Структура эхо-сигнала зависит от позиции акустической линзы относительно поверхности образца и положения отражающего элемента в объеме образца. Для каждого структурного элемента существует достаточно широкий интервал позиций линзы, внутри которого наблюдается эквидистантный триплет эхо-импульсов, обусловленный

двойным прохождением "туда-обратно" продольных и поперечных волн и конверсией мод при отражении.

5. В результате дифракции падающего фокусированного импульса на краях образца или элементов внутренней структуры в эхо-сигнале возникает дополнительный дифрагированный импульс.

6. На В-сканах эхо-линия дифрагированного сигнала принимает форму параболы из-за особой зависимости времени задержки дифрагированного импульса от положения фокуса сходящегося пучка относительно края.

7. Образованием дифрагиванных импульсов и их участием в формировании акустических изображений объясняется размытие контуров на акустических изображениях при дефокусировании акустической линзы и формирование пространственных гало на В-сканах и акустических изображениях шероховатых поверхностей.

Апробация работы и публикации.

Результаты диссертации представлялись на 4-х конференциях и опубликованы в соответствующих сборниках трудов. Одна статья по результатам экспериментальных исследований структуры и упругих свойств полимеров опубликована в российском журнале «Естественные и технические науки», включенном в список, утвержденный ВАКом (No.42943). Ссылки приведены в конце автореферата.

Личный вклад соискателя.

Все результаты представленные в работе получены соискателем лично, либо в соавторстве при его непосредственном участии.

Структура и объём диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, 4-ех глав, заключения и списка литературы. Общий объём работы 128 страниц, включающих в себя 40 рисунков, 5 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 96 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются основные цели работы. Дается постановка отдельных задач в рамках поставленных целей. Излагается краткое содержание диссертации по главам.

Первая глава включает изложение основ акустической микроскопии, краткое описание этапов развития метода, его основных модификаций. Основное внимание уделяется отражательной акустической микроскопии. Обсуждаются варианты ее реализации - классический вариант с гармоническим возбуждением и импульсная акустическая микроскопия. В классическом варианте, длинные синусоидальные сигналы и широкоапертурные зондирующие пучки используются для изучения поверхности образца и тонкого приповерхностного слоя. Возбуждение на границе раздела вытекающих поверхностных акустических волн (ПАВ), принимающих участие в формировании выходного сигнала микроскопа, обуславливает особые механизмы акустического контраста и эффективные методы измерения скоростей ПАВ и поверхностной упругости. Импульсный вариант акустической микроскопии основан на использовании коротких зондирующих сигналов и временной селекции эхо сигналов, отраженных на разном расстоянии от приемно-излучающей системы (акустического объектива).

Применение импульсного варианта для визуализации объемной микроструктуры базируется на достаточно эффективном проникновении зондирующего пучка в объем образца и на значительной длине фокальной зоны пучка внутри образца. В рамках простейших представлений о структуре фокальной зоны показывается, что визуализация объемной микроструктуры методом временной селекции эхо импульсов необходимо основывается на использовании малоапертурных (длиннофокусных) зондирующих пучков. Применение пучков с небольшими угловыми апертурами 2 вт~-10-30° обеспечивает достаточно эффективное проникновение пучка в объем объекта и макроскопическую длину фокальной перетяжки ~ (100-200)А, но

сохраняет микроскопической величину латерального разрешения ~ (2-3)Л. Эффективность проникновения пучка обеспечивается отсутствием полного внутреннего отражения у внешней части конуса падающих лучей, а также умеренной величиной рефракционных аберраций при прохождении границы раздела образца с иммерсией.

Приводится принципиальная схема импульсного акустического микроскопа, дастся краткое описание функционирования устройства в целом и его отдельных блоков. Зондирующие лучки формировались с помощью акустических линз с номинальными рабочими частотами 25, 50 и 100 МГц и углами половинной апертуры вт равными 6 и 11° в воде.

Во второй главе представлены результаты экспериментального изучения формирования зондирующих сигналов акустическими линзами в иммерсионной среде. Результаты являются ключевыми для оценки конструкции и методов возбуждения акустических линз высокочастотного диапазона. Показывается, что форма зондирующего импульса определяется 2-мя группами явлений - 1) генерацией ультразвукового сигнала в теле линзы (звукопроводе) и 2) взаимодействием излученного ультразвука с границами звукопровода. Преобразователь возбуждает в звукопроводе излучение с волновым фронтом, близким к плоскому. Излучение распространяется но звукопроводу, достигает противоположного торца со сферическим углублением, преломляется на сферической поверхности и выходит в иммерсию в виде фокусированного пучка. Из-за большой величины коэффициента преломления излучение испытывает минимальные сферические аберрации - оценки показывают, что сигналы, распространяющиеся вдоль различных лучей, приходят в точку фокуса практически одновременно и суммируются, сохраняя свою форму.

Для возбуждения короткого зондирующего импульса используется низкодобротный пьезопреобразователь и возбуждающий электрический импульс в виде монополярного видеоимпульса с предельно коротким передним фронтом и пологим задним. Показано, что в диапазоне частот 25 -100 МГц эффективное возбуждение ультракороткого ультразвукового сигнала (1-2 колебания в импульсе) выполняется электрическим

импульсом с шириной переднего фронта ~ 3 не и общей длительностью ~ 40 - 70 не. Низкая добротность преобразователя обеспечивается небольшой разницей акустических импедансов преобразователя (1л№Юз) и звукопровода (плавленый кварц), а также эффективным демпфированием задней поверхности преобразователя.

Генерация зондирующих сигналов изучалась последовательно на разных этапах их формирования (Рис.1). Первоначальный сигнал,

Рис.1. Зондирующий ультразвуковой сигнал: а) сигнал, измеренный непосредственно в цепи преобразователя вычитанием возбуждающего электрического сигнала; Ь) сигнал, отраженный от мишени в фокальной плоскости; с) спектр зондирующего сигнала (/т!1%~ 27 МГц, номинальная частота пьезоэлемента/тт = 50.2 МГц).

непосредственно в цепи возбуждения преобразователя после вычитания возбуждающего электрического импульса. Реальный зондирующий сигнал в иммерсионной жидкости регистрировался как выходной сигнал акустической линзы после отражения зондирующего сигнала от абсолютного отражателя, помещенного в фокальную плоскость пучка в иммерсионной жидкости. Показано, что передняя часть зондирующего импульса совпадает с первоначальным импульсом, генерируемым преобразователем в звукопроводе. Она представляет собой последовательность одной - двух нерегулярных осцилляций. На первоначальный импульс накладывается хвост из дополнительных (паразитных) сигналов, смещенных по времени и обусловленных взаимодействием сигнала со стенками и другими элементами конструкции линзы. Спектр зондирующего импульса демонстрирует уверенное смещение средней частоты импульса в сторону меньших частот от номинального значения резонансной частоты пьезоэлемента.

Паразитные сигналы затрудняют интерпретацию эхограмм и формирование акустических изображений. Для борьбы с ними в памяти управляющего процессора запоминается сигнал, регистрируемый системой в отсутствии образца. При формировании рабочих эхограмм или акустических изображений запомненный сигнал вычитается из текущего сигнала. Процедура вычитания убирает ту часть паразитных сигналов, которая возникает за счет прямого взаимодействия первоначального сигнала с элементами конструкции звукопровода. Однако часть паразитных сигналов, обусловленная отражением хвоста зондирующего импульса от передней поверхности образца не может быть удалена вычитанием. Она накладывается на эхо сигналы, возникающие при отражении основной части зондирующего импульса от элементов объемной структуры и искажает картину формирования эхо импульсов в объеме образца. Для правильной интерпретации структуры эхограмм и их корректировки необходимо знать положение паразитных сигналов и природу их возникновения, по крайней мере, вблизи основного (переднего) импульса зондирующего сигнала.

Значительная часть 2-ой главы посвящена анализу возникновения паразитных импульсов. Показывается, что их основным источником служат переотражения первоначального ультразвукового сигнала в теле линзы. Играет роль также взаимодействие падающего излучения с краем преломляющей поверхности - дифракция на крае и формирование паразитных импульсов, обусловленных дифракционной волной от острого края.

Главы 3 и 4 посвящены анализу механизмов формирования эхо-сигналов и принципов отображения элементов объемной структуры на акустических изображениях. Анализ основывается на изучении особенностей взаимодействия фокусированных ультразвуковых импульсов с тестовыми объектами, обладающими известной геометрией, упругими свойствами и топологией объемной структуры. Исследования выполнялись методами импульсной акустической микроскопии -регистрировались эхо сигналы и наблюдались В- и С-сканы, получаемые при различных условиях формирования. Закономерности взаимодействия

фокусированных импульсов получались из структуры наблюдаемых эхограмм и акустических изображений на основе простых лучевых моделей.

В главе 3 исследуется взаимодействие фокусированного ультразвукового импульса с простейшим типом тестовых объектов -плоскопараллельной пластинкой конечных размеров. Используются фокусированные пучки с небольшими угловыми апертурами, заведомо меньшими всех критических углов на границе иммерсии и образца.

Зондирующий пучок на границе раздела образует отраженный пучок в

иммерсионной жидкости и пучки преломленных волн в образце.

Основные особенности д Ь ЬТ ¡Т

Падающая „„,. ^ . ,

взаимодеиствия в объеме \ ') / / /

волна I I I I определяются конвер- —

его передней поверх- г * *

ности. Построена луче- Рис'2" 0тРажение зондирующего ультразвукового

импульса от плоскопараллельного объекта.

вая модель распространения сходящихся пучков и формирования эхограмм в пластинках. За счет конверсии мод ультразвук проникает в объем образца в виде сходящихся пучков как продольных, так и поперечных волн (Рис.2). Структура преломленных пучков существенно искажается рефракционными аберрациями. Лучи, падающие на границу раздела под различными углами 0, после преломления образуют конуса лучей, собирающиеся в различных точках на оси падающего пучка. Фокус пучка трансформируется в объеме пластинки в каустику с вершиной в параксиальном фокусе преломленного пучка. Прошедшие пучки отражаются от дна пластинки; отражение также сопровождается конверсией мод. Отраженные лучи возвращаются к передней поверхности образца, частично отражаются от нее, частично выходят в

сиеи мод на границах образца и рефракционными аберрациями при преломлении пучка на

иммерсионную жидкость. Вышедшее излучение принимается акустической линзой. В общем случае фазы лучей, приходящих на преобразователь, несогласованны; их вклады в выходной сигнал взаимно компенсируются. Эхо сигнал от дна образца возникает при таких положениях линзы, когда лучи, падающие на пластинку вдоль конуса с углом падения в, после взаимодействия выходят обратно в иммерсию вдоль того же конуса. Такие лучи приходят на пьезопреобразователь по нормали к его поверхности с одним и тем же временем задержки. Синфазные лучи порождают импульс на эхограмме, интерпретируемый как эхо сигнал от дна пластинки.

Параксиальные лучи в падающем пучке остаются синфазными, и после преломления на передней поверхности и отражения от дна. Они проникают в образец только в виде продольных волн - для лучей, нормальных к поверхности пластины, конверсия мод отсутствует. Поэтому эхо сигнал Ь, формируемый отраженными от дна продольными волнами, должен наблюдаться на эхограммах при любом положении линзы, включая ее фокальную позицию. Максимальной величины импульс I достигает, когда параксиальный фокус

преломленных продольных волн оказывается на задней поверхности пластинки. При этом линза смещается из фокального положения (фокус

падающего пучка на передней Рис-3- Фокусирование пучка прошедших

волн на дне образца

поверхности) по направлению к

образцу на расстояние г10 = с!-(^/с), где (1 - толщина пластины, с -скорость звука в иммерсии, Сь - скорость продольного звука в пластинке (Рис.3). При дальнейшем смещении линзы импульс £ формируется за счет наклонно падающих лучей.

Эхо импульс Г, обусловленный отражением от дна поперечных волн, возникает при смещениях линзы г, меньших гто: ">2то=£/-(ст/с) . Величина гт0 соответствует положению линзы, при котором на задней

поверхности пластинки оказывается параксиальный фокус поперечных волн; однако в этом положении величина эхо импульса Т недостаточна для его наблюдения из-за малой эффективности конверсии мод. Реально вклад поперечных волн должен наблюдаться при смещениях г > гт. По мере смещения линзы величина Г-импульса растет, проходит через максимум, уменьшается и исчезает после прохождения дна образца точкой схода поперечных волн, образуемых краевыми лучами угловой апертуры падающего пучка.

Начиная со смещения линзы: г1Т0 = 0.5 ■ с1 ■ {с1/с + ст/с), в сигнале возникает импульс ЬТ, обязанный смешанному распространению мод через образец: в одном направлении - как продольная волна, в обратном -как поперечная. Он наблюдается, когда параксиальный фокус поперечных волн смещается ниже дна образца, но параксиальный фокус продольных волн остается внутри образца. При смещении г = гио ЬТ-импульс не наблюдается из-за отсутствия конверсии для параксиальных лучей; при смещениях, больших гцо, ¿Г-импульс растет по величине, достигает максимума, спадает и исчезает в положении, зависящем от угловой апертуры зондирующего пучка и толщины пластинки.

Взаимодействие фокусированных импульсов с пластинкой и формирование эхограмм изучалось экспериментально на акустических линзах с рабочими частотами/= 50 и 100 МГц и угловыми апертурами в воде 2вт = 12 и 22°. Вода (с = 1,5 км/с) использовалась как иммерсия; в качестве образцов исследовались стеклянные пластинки толщиной с! = 2,08 мм и скоростями упругих волн сь= 6,0 км/с для продольного звука и Сг= 3,6 км/с для поперечного. Изучалась структура выходного сигнала акустического микроскопа с ультракоротким зондирующим импульсом в различных положениях фокуса акустической линзы относительно пластинки.

Результаты экспериментального исследования (Рис.4.а-е) полностью подтверждают развитые представления о формировании эхо сигнала, полученные из лучевой модели. Показывается, что в фокальной позиции линзы, помимо импульса В, обусловленного отражением от передней поверхности, наблюдается небольшой импульс Ь, вызванный отражением

центральных лучей пучка от дна пластинки (Рис.4.а). По мере смещения линзы к объекту (Рис.4.Ь) величина В сигнала падает, а Ь сигнала растет, что связано с противоположным характером изменения эффективной угловой апертуры лучей, участвующих в формировании обоих сигналов. Начиная с определенных положений акустической линзы, на осциллограммах появляются ¿Г и Т эхо-импульсы (Рис.4. с-с1). Первоначально величина каждого из них мала, а форма смазана. С увеличением смещения величина этих сигналов растет, и форма приближается к теоретической. Сигналы последовательно достигают своих максимумов, сначала Т-импульс (Рис.4.с), а затем ЬТ (Рис.4.с1). После достижения максимумов импульсы быстро уменьшаются, и затем исчезают на осциллограммах. При еще больших смещениях, когда параксиальный фокус продольных волн совпадает с дном пластины, достигает максимума и величина импульса Ь (Рис.4.е).

Перемещение линзы обуславливает смещение всей системы

Рис.4. Изменение эхосигнала, отраженного от пластинки, при смещении фокуса зондирующего пучка из положения на поверхности образца (а.) в объем пластинки (Ь. - е.).

импульсов на эхограммах в сторону меньших времен задержки. Показано, что при этом временные интервалы между отдельными импульсами остаются неизменными. Этот результат служит обоснованием микроакустической техники измерения локальных упругих модулей с помощью фокусированных пучков.

При формировании изображений важнейшую роль играет отображение краев образца и резких вертикальных границ. Для выявления закономерностей формирования эхограмм и изображений

вблизи краев и границ раздела исследовалось взаимодействие фокусированных импульсов с краями плоской пластинки.

Результат взаимодействия излучения с пластинкой вблизи ее края

рассматривается как суперпозиция излучения, отраженного от верхней и

нижней границы пластинки, и _,_

расходящихся дифрагированных

импульсов от ее краев (Рис.5).

Акустическая линза регистрирует

только сигналы, распространяющиеся в

иммерсии вдоль лучей, проходящих

через фокус падающего пучка, и

приходящие по нормали к поверхности

Рис.5. Формирование дифрагиро-пьезопреобразователя. При дифракции вандаг0 эх0_импульса на краю

сходящегося пучка на краю образца образца.

этому условию удовлетворяют лучи, проходящие через фокальную точку пучка в иммерсии и край образца.

Сигнал, отраженный от передней грани пластинки, наблюдался, когда ось пучка пронизывает контур пластинки; сигнал исчезал, когда ось оказывалась вне контура. Это резкое изменение осциллограммы выходного сигнала наблюдается как в фокальном положении акустической линзы, так и при дефокусировании. Экспериментально показано, что дифрагированное излучение рождает дополнительный эхо импульс, располагающийся вблизи референтного II сигнала, обусловленного отражением от передней поверхности пластинки. Когда фокус зондирующего пучка располагается на поверхности пластины, дифрагированный сигнал отсутствует; он наблюдается при смещении фокуса вверх или вниз от поверхности. При любой величине дефокусирования дифрагированный импульс сливается с референтным, когда фокус находится над краем пластинки или под ним.

При латеральном смещении фокуса в обе стороны относительно края образца дифрагированный импульс отрывается от импульса II (Рис.6). Взаимное положение референтного и дифрагированного импульсов зависит от направления дефокусировки. Дифрагированный импульс

опережает по времени II сигнал, когда фокус смещается вглубь объекта. И наоборот, дифрагированный импульс приходит с запаздыванием относительно сигнала II при смещении фокуса вверх от поверхности пластинки. Временной интервал между отраженным и дифрагированным импульсами зависит от смещения х фокуса относительно края корневым образом:

Рис.6. Формирование параболических эхо-линий дифрагированного импульса на В-сканах (фокус пучка смещен в объем образца). I, III - эхо-сигнал излучения, дифрагированного на краю образца; 11 - эхо-сигнал от поверхности образца.

у! 21 + х2 - Ы . . г0 = +---, х < - tg 0т , тце г - величина сдвига линзы

с

из ее фокальной позиции.

На В-сканах сигнал, дифрагированный на переднем крае пластинки, отображается в виде симметричного отрезка параболы с вершиной на краю линии отраженного сигнала В. Ветви параболы направлены вверх, в сторону меньших времен задержки, при смещении фокуса вглубь образца, и наоборот, вниз, в сторону большего времени задержки, когда фокус смещается вверх от поверхности. Ширина параболы тем больше, чем больше угловая апертура зондирующего пучка и чем больше сдвиг г линзы из фокальной позиции.

В работе показано, что участие дифрагированного импульса в формировании С-сканов является неустранимым. Именно вклад дифрагированной волны от краев и границ раздела является причиной размытия контура образца и границ на акустических изображениях при смещении акустической линзы из фокального положения (Рис.7). Дифрагированный импульс отсутствует в фокальной позиции - в этом случае внешняя граница образца передается контрастным контуром. По

мере смещения линзы на В-сканах наблюдается формирование парабол, обусловленных приемом дифрагированного краевого импульса, а С-сканы демонстрируют размывание контура - на них видно образование ореола по периметру границы. Неоднородность ореола, обусловленная геометрией самого контура и зернистой структурой материала, подтверждает, что размытие обусловлено участием дифрагированного импульса в формировании изображения края.

Рис.7. Размытие контура образца на С-сканах за счет краевого дифрагированного импульса при дефокусиро-ваиии акустической линзы:

a) фокус зондирующего пучка ниже поверхности образца;

b) фокус на поверхности (фокальная позиция линзы);

c) фокус выше поверхности.

Сигнал, отраженный от дна пластинки, регистрируется линзой внутри области, размеры которой меньше размеров реального контура пластинки - боковая стенка препятствует прохождению лучей, когда линза располагается вблизи края. В результате, на С-, и на В-сканах отображаются размеры дна, меньшие реальных. Эхограммы включают три отраженных от дна импульса Ь, ЬТ и Т, последовательно приходящих на преобразователь; для визуализации обычно используется ¿-сигнал. Помимо излучения, отраженного от дна, вблизи краев регистрируются также импульсы излучения, дифрагированного на краях дна образца. На краях дифрагируют все типы волн проникшего в образец излучения. В результате дифракции каждой моды образуются различные типы волн. Кроме того, имеются дифрагированные импульсы, обусловленные распространением части угловой апертуры падающего пучка в иммерсионной жидкости. Скорости перечисленных волн, как правило, меньше скорости продольных волн в образце. Соответственно, импульсы, и отраженных, и дифрагированных волн располагаются па эхограммах за £ сигналом от дна образца, и не используются при

формировании акустических изображений. Однако такие импульсы становятся существенными при интерпретации акустических изображений объемной структуры объектов со сложной внутренней топологией. Анализу особенностей взаимодействия фокусированного ультразвука с такими объектами и принципов формирования акустических изображений для них посвящается 4-ая глава диссертации.

В 4-ой главе диссертации исследуется взаимодействие фокусированных импульсов со элементами структуры твердотельных объектов, анализируются механизмы отображения этих элементов на В и С-сканах, развиваются принципы интерпретации акустических изображений объектов со сложной поверхностной и объемной топологией.

Основную роль в формировании В- и С-сканов играют эффекты отражения на границах раздела. На В-сканах наличие и геометрия границ в объеме материала отображается в виде линий - разверток эхо импульсов, отраженных на соответствующих границах. С-сканы отображают латеральное распределение неоднородностей в визуализируемом слое. Оно возникает как полутоновое отображение распределения эффективности отражения - локальной величины эхо импульса в различных точках поверхности слоя. На С-сканах передаются как резкие границы фаз, так и градиентное распределение упругих и вязких свойств в плоскости отображаемого слоя. Не все границы отображаются на акустических изображениях - на наклонных границах отраженный пучок поворачивается относительно падающего, и отраженные лучи могут не попадать в апертуру акустической линзы. Отображаются только те участки границ, которые ориентированы почти нормально относительно оси падающего пучка.

Существенную роль в формировании акустических изображений играют также теневые эффекты и дифракционные явления. Теневые эффекты связаны с формированием зон полной или частичной непрозрачности для структур, прикрываемых предлежащими элементами или дефектами. Чаще всего именно теневые эффекты являются

наблюдаемым проявлением взаимного влияния различных элементов структуры на результирующее поле регистрируемого излучения. Дифракционные явления возникают вследствие регистрации акустической линзой дифрагированного излучения, образующегося при взаимодействии падающего фокусированного пучка с резкими границами раздела, краями отверстий и полостей, с остриями и т.п., причем не только на поверхности, но и в объеме образца.

Первая группа результатов, получена при изучении формирования акустических изображе-ний плоской поверхности с выраженной микронеоднородной структурой. Неоднородность может обуславливаться как микрорельефом (шероховатостью), так и зернистостью поверхности. Особенности

взаимодействия фокусированных ультразвуковых импульсов с неидеальной поверхностью

изучались на слоях минеральной

краски на металлической Рис. 8. Акустические изображения слоя

_ мине-ральной краски: а) С-скан в

подложке (Рис.8) и на образцах фокальной п03ищщ линзы; Ь) в_скан

силиконовой резины, микроско- пои де<Ьокусиоовании линзы.

пически деструктированной за счет выхода газовых пузырьков.

Показано, что в фокальном положении линзы С-сканы передают

структуру поверхности, отображая латеральное распределение

включений по поверхности. На В-сканах

отображается микрорельеф - над линией,

передающей интегральную форму

поверхности в поперечном сечении

образца, располагаются сигналы от

микровыступов. При дефокусировании

Рис.9. Дифракционное гало на В- микронеоднородности - вершины и скане шероховатой поверхности. ребра микровыступов и края

микрополостей; выступают как источники дифрагированных волн, регистрируемых акустической линзой. Дифрагированное на

статистических поверхностных микронеоднородностях излучение отображается на В-сканах в виде многочисленных парабол с вершинами на неоднородностях рельефа. Параболы накладываются друг на друга, образуя на В-сканах широкое гало выше линии основного сигнала (Рис.9). На дефокусированных С-сканах отображаются размытые края и размытая поверхностная микроструктура. Когда электронные ворота, используемые для задания отображаемого слоя, целиком сдвигаются внутрь гало, на С-сканах отображается распределение микронеодно-родностей по поверхности объекта. Такая визуализация распределения микронеодно-родностей продемонстрирована на примере

силиконового образца с микроскопически рис.ю. С-скаи в области

деструктированной поверхностью (Рис.10). гшю на УРовне выше

отраженного сигнала.

Во второй части 4-ой главы исследуется формирование акустических изображений внутренней структуры объектов. Обсуждаются особенности взаимодействия фокусированного импульса с элементами внутренней структуры, обусловленные конверсией мод и сильными рефракционными аберрациями в прошедших в образец пучках. Указывается, что за счет расщепления падающего пучка на сходящиеся пучки продольных и поперечных волн для каждого элемента внутренней структуры возможно формирование нескольких эхо сигналов I, ЬТ, Т и т.д. Эффективность их образования зависит от положения мишени в объеме образца и величины смещения линзы но направлению к его поверхности. Указывается, что наличие эхо сигнала Ь, обусловленного взаимодействием с мишенью параксиальных лучей в пучке продольных волн, делает возможным наблюдение структуры объекта в широком диапазоне положений акустической линзы относительно поверхности объекта. Уровень сигнала 1 увеличивается по мере смещения линзы по направлению к образцу; он достигает максимальной величины, когда параксиальный фокус пучка продольных волн оказывается на данном элементе структуры. При дальнейшем

смещении линзы величина сигнала Ь меняется слабо из-за больших рефракционных аберраций зондирующего пучка - с положением мишени последовательно совпадают точки схождения конусов наклонных лучей в пучке со всё увеличивающимся углом наклона.

Анализируется участие поперечных волн в формировании изображений. Поскольку в пучке поперечных волн параксиальные лучи отсутствуют, то ¿Г и Г эхо-сигналы от элементов внутренней структуры возникают только при заметных смещениях линзы из фокального положения по направлению к образцу. Сигналы ЬТ и Т формируются за счет периферической части угловой апертуры падающего пучка. Сигнал Т образуется, когда с отражающим элементом структуры совмещается точка схождения для одного из конусов наклонных лучей в пучке поперечных волн. Формирование сигнала ЬТ возможно только для тех положений линзы, при которых параксиальный фокус продольных волн находится выше отражателя, а фокальная область поперечных волн располагается ниже его.

Экспериментально закономерности формирования изображений внутренней структуры исследовались на пластинках изотропного лирографита, в которых была сформирована система микроканалов различного диаметра (от 0.3 до Змм) и различной глубины (от 0.5 до Змм). Акустические изображения - В- и С-сканы; формировались через однородную, ненарушенную поверхность образца; использовались С-сканы, отображавшие дно каналов и дно образца. В экспериментах применялись короткие зондирующие фокусированные импульсы (/' = 50 МГц), создаваемые акустическими линзами с угловыми апертурами 2вт « 12 и 22°. Изучалось изменение В- и С- сканов по мере смещения акустической линзы из фокальной позиции по направлению к поверхности образца.

Показано, что участие ЬТ и Т импульсов в формировании акустических изображений зависит от угловой апертуры зондирующего пучка. Для малоапертурных пучков (вт~6°) конверсия мод оказывается малоэффективной - ЬТ и Г импульсы на эхограммах отсутствуют. В- и С-сканы формируются только пучком продольных волн в образце (Ь-

импульсом) (Рис.11). Наилучшее качество и четкость на С-сканах достигается, когда параксиальный фокус пучка в образце совпадает с позицией отображаемых элементов. Смещение фокуса от этого уровня вызывает размывание краев изображений за счет волн, дифрагированных на краях каналов.

Рис. 11. Акустические изображения дна каналов в различных положениях фокуса пучка продольных волн относительно дна: а) существенно выше дна; Ь) несколько выше дна; с) фокус пучка совпадает с положением большинства каналов; (3) существенно ниже дна. Акустическая линза малой угловой апептупы: в... ~ 6°.

Пучок большей апертуры ($„«11 °) достаточно эффективно возбуждает в пирографите пучки как продольных, так и поперечных волн. Позиции их фокальных областей меняются в зависимости от положения линзы относительно поверхности образца. При небольших смещениях линзы В- и С-сканы формируются только продольными волнами. По мере перемещения линзы уровень /-.-сигнала увеличивается, изображения дна каналов становятся более четкими. Четкость становится оптимальной, когда выполняется обычное условие фокусирования - фокальная зона пучка продольных волн накладывается на позицию отражателя. Одновременно при смещении линзы изменяется и положение фокальной области поперечных волн. Когда она смещается ниже отражателя, возникают отраженные и дифрагированные ЬТ и Т импульсы. На В-сканах наблюдаются характерные тройные (£, ЬТ и Т) наборы сигналов (Рис.12). В полном соответствии с теоретическими представлениями, наборы сигналов эквидистантны. Однако расстояния между сигналами в разных наборах различаются в зависимости от позиции отражателя - чем

ближе отражатель к передней поверхности, тем больше расстояние между сигналами, входящими в одну и ту же группу. Наблюдаемая зависимость связана с участием в формировании ЬТ и Г импульсов поперечных волн, направленных под разными углами к оси пучка и затрачивающих различное время на прохождение пути между отражателем и приемником

Рис.12. Системы тройных эхо-импульсов iL.LT и 7), отраженных от дна каналов разной глубины на В-скане для пластинки из изотропного пироуглерода с системой вертикальных

Утроение сигнала, отраженного от одного и того же элемента, приводит к появлению артефактов на С-сканах для объектов со сложной топологией. В интервал времен задержки, используемый для формирования С-скана, могут попадать импульсы, возникающие из-за взаимодействия различных типов волн с разными элементами структуры. ТТ и Т импульсы будут источником появления на акустическом изображении элементов, расположенных, в действительности, выше этого слоя. Подобные артефакты существенно осложняет интерпретацию акустических изображений; одним из способов корректировки является совместное использование В и С-сканов.

Другой проблемой при ультразвуковой визуализации объемной структуры являются теневые эффекты. Влияние предлежащих структур зависит от особенностей внутренней структуры образца и свойств материалов, из которых структура состоит. В работе анализируется частный, но практически важный, случай теневых эффектов в системе узких вертикальных каналов с различной глубиной их проникновения в объем образца. Исследовалось формирование теней при двух ориентациях поверхности с входными отверстиями каналов; для каждой

в зависимости от позиции отражателя.

из них тени от каналов наблюдались на изображении задней поверхности образца.

Когда поверхность с отверстиями обращена к акустическому объективу, показано, что зондирующего пучка в иммерсии располагается на передней поверхности

образца) на задней поверхности образца

наблюдается достаточно высокое качество

изображения теней - резкость границ тени сравнима с качеством отображения контуров отверстий на С-скане передней поверхности (Рис.13). Высокое качество передачи тени определяется особенностями формирования изображения задней поверхности- в этой позиции оно формируется параксиальными лучами, падающими почти нормально к поверхности образца. Прохождение фокусом границы входного отверстия соответствует резкому изменению уровня сигнала, проникающего в образец вдоль нормали. По мере смещения линзы к образцу качество изображения тени на задней поверхности ухудшается - вклад наклонных лучей приводит к размыванию краев тени и падению контраста. Уровень контраста тени для каналов различной длины оказывается различным за счет вырезания боковой поверх-ностью канала различной доли угловой апертуры пучка -наибольшая контрастность соответствует максимальной глубине канала.

Когда каналы оказываются на задней стороне образца, размытие границ тени и невысокий кон траст теней наблюдается в любой позиции линзы относительно поверхности образца. Показано, что резкость

в фокальной позиции линзы (фокус

Рис.!3. Формирование теней от входных отверстий каналов на В- и С-сканах при фокусировании зондирующего пучка на передней поверхности объекта.

a) изображение передней поверхности;

b) тени от отверстий на изображении дна образца; с) формирование тени на В-скане.

границы и контраст изображения улучшаются при перемещении фокуса продольных волн в область дна канала. Качество изображения теней улучшается также при использовании зондирующих пучков с большей угловой апертурой.

В заключении диссертации обобщаются итоги диссертационного исследования, намечаются области применения полученных данных.

Основные результаты

1. Показано, что ударное возбуждение широкополосных пьезопреобразователей электрическими видеоимпульсами с крутым передним фронтом позволяет получать ультракороткие зондирующие импульсы, состоящие из 1-2 осцилляций. Исследован спектр таких импульсов, доказана его широкополостность, выявлен заметный сдвиг его максимума в область низких частот по сравнению с резонансной частотой излучающего пьезоэлемента.

2. Изучены пространственно-временные характеристики зондирующего сигнала в иммерсионной среде. Показано, что форма возбуждаемого импульса не меняется при прохождении преломляющей поверхности, но в сигнале возникает хвост из паразитных импульсов, обусловленных отражением от боковой поверхности звукопровода, рассеянием на кромке преломляющей поверхности и т.п. Показано, что запоминание паразитных сигналов и вычитание их из текущего принимаемого сигнала позволяет исключить основную часть паразитных сигналов из участия в формировании акустических изображений.

3. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено эффективное проникновение в объем твердотельных образцов фокусированных ультразвуковых пучков с небольшими угловыми апертурами. Критерием проникновения является условие того, что угловая апертура пучка заведомо меньше критических углов на границе иммерсионной жидкости и твердотельного образца.

4. Показано, что зондирующий пучок проникает в объем образца в виде сходящихся пучков продольных (¿) и поперечных (7) волн. Их взаимодействие с отдельными элементами внутренней структуры и дном

I

образца порождает серии эхо-импульсов, в состав которых, помимо импульсов Ь и Т, сохраняющих поляризацию падающего излучения после его взаимодействия с мишенью, входит эхо-импульс ЬТ, возникающий за счет конверсии мод при отражении или дифракции.

5. Экспериментально и в рамках лучевой модели исследованы механизмы возникновения отдельных эхо-импульсов в зависимости от положения линзы относительно поверхности объекта. Показано, что импульс Ь, формируемый взаимодействием продольных волн с элементами внутренней структуры и дном, наблюдается в широком диапазоне положений линзы за счет отражения параксиальных лучей от мишени. Его величина становится максимальной, когда пучок продольных волн фокусируется на отражателе. Эхо-импульсы ЬТ и Т, формируемые с участием поперечных волн, наблюдаются в ограниченных интервалах положений линзы при определенном расположении фокальных областей для Ь и Т волн относительно мишени. Показано, что имеется значительный интервал положений линзы, при которых принимается весь набор эхо импульсов {Ь, ЬТ и Т), формируемых данным элементом внутренней структуры. Показана эквидистантность Ь, ЬТ и Т импульсов, формирующихся на одном и том же элементе внутренней структуры.

6. Изучено формирование эхо сигнала от однородной пластинки. Показано, что внутри широкого интервала ее упругих свойств и толщин времена задержки между импульсами, отраженными от передней поверхности (импульс В) и от дна (импульсы Ь, ЬТ и Т) образца, не зависят от положения линзы относительно поверхности образца. Неизменность задержек служит обоснованием техники измерения локальных значений скоростей упругих волн с помощью фокусированных ультразвуковых импульсов.

7. Экспериментально показано, что вблизи края образца или элемента его структуры в эхо-сигнале возникает импульс, обусловленный дифракцией падающего излучения на внешнем или внутреннем крае. Положение и величина импульса дифрагированного излучения зависят от положения края относительно фокальной плоскости и оси падающего пучка. Показано, что эхо-линии дифрагированного импульса на В-сканах

отображается в виде парабол, ветви которых направлены вверх или вниз в зависимости от положения уровня края относительно фокальной плоскости падающего пучка. На С-сканах эхо импульсы дифрагированного излучения являются причиной размытия границ изображений при дефокусировании линзы.

8. Экспериментально показано, что при взаимодействии фокусированных ультразвуковых импульсов с шероховатыми и мелкозернистыми поверхностями многочисленные импульсы дифрагированного излучения от элементов поверхностного рельефа и границ зерен образуют на В-сканах протяженное гало над линией, отображающей реальную поверхность образца. На С-сканах, сформированных внутри гало, распределение темных и ярких областей позволяет получать информацию о распределении статистических шероховатостей (или зерен) по поверхности образца.

9. Существенную роль в формировании акустических изображений играют теневые эффекты, возникающие из-за влияния предлежащих элементов структуры на сходящиеся пучки. Показано, что теневые эффекты могут, как вносить артефакты в формирование акустических изображений (например, смешивать на одном акустическом изображении структурные элементы из выбранного слоя и предлежащих слоев), так и служить инструментом для теневых методов формирования акустических изображений. В последнем случае, найдены условия для эффективной реализации такой методики.

Основные материалы диссертации опубликованы в работах:

1.Дин Цзиньвэнь. Панета В., Левин В.М., Горшенёв В.Н., Петронюк Ю.С., Измерение упругих свойств низкомолекулярного кремнийорганического каучука методами импульсной акустической микроскопии. "Естественные и технические науки", 2009, No2,292-297.

2. Ping Jinwen. Levin V. M., Petronyuk Y.S., Evaluating the effect of lenses' aperture and its potential for Non-Destructive Test/Evaluation in bulk

materials, Proc. 9th International Conference of Young Scientists "Biochemical physics. IBCP RAS-Universities", 2009, p.p. 272-274.

3. Ding Jinwen. Langewisch G., Levin V.M., Petronyuk Y.S., Impulse Acoustic Microscopy as a method of high-resolution NDT - Evaluation with standard test specimens, Proc. 8th International Conference of Young Scientists "Biochemical physics. IBCP RAS-Universities", 2008, p.p. 248-255.

4. Ding Jinwen, Levin V. M., Acoustic objectives -Principles of operation and application in acoustic microscopy, Proc. 7th International Conference of Young Scientists "Biochemical physics. IBCP RAS-Universities", 2007, p.p. 295-301.

5. Ding Jinwen, Zakutailov K.V., Controlling electronic block for the signal part of the data acquisition board of the impulse acoustic microscope with operation frequency range of 10-200 MHz - construction and software design, Proc. 5th International Conference of Young Scientists "Biochemical physics. IBCP RAS-Universities", 2005, p.p. 38-39.

Подписано в печать 18.03.2010 г. Печать на ризографе. Тираж 100 экз. Заказ № 6705. Объем 1,3 п.л. Отпечатано в типографии ООО "Алфавит 2000", ИНН: 7718532212, г. Москва, ул. Маросейка, д. 6/8, стр. 1, т. 623-08-10, www.alfavit2000.ru

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ БИОХИМИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ИМ. Н.М. ЭМАНУЭЛЯ РАН

Дин Цзиньвэнь

ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАКОРОТКИХ ЗОНДИРУЮЩИХ ИМПУЛЬСОВ В АКУСТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ

(01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук

В.М.Левин

Москва-2010

N.M. EMANUEL'S INSTITUTE OF BIOCHEMICAL PHYSICS, RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES

Ding Jinwen

PRINCIPLES OF FORMATION AND UTILIZATION OF ULTRASHORT PROBE PULSES IN IMPULSE ACOUSTIC MICROSCOPY

(01.04.01 - devices and methods of experimental physics)

Dissertation for Ph.D. degree in physics and mathematics

Scientific supervisor: Levin V. M.

Ph.D. in physics and mathematics

Moscow-2010

r

TO ALL DEVOTED RELATIVE OF MINE! AND ESPECIALLY IT IS FOR MY DEAR SON - DING HAN!

CONTENT

INTRODUCTION 3

Chapterl. IMPULSE ACOUSTIC MICROSCOPY - FUNDAMENTALS AND BASIC PRINCIPLES OF APPLICATION 11

§1.1. High-resolution acoustic vision systems 11

§ 1.2. Principles of focused beam formation 13

§ 1.3. Interaction of convergent ultrasonic beams with the liquid-solid interface 19

§ 1.4. Survey of present-day acoustic microscopy 25

§ 1.5. Experimental installation and exploited methods 29

Chapter 2: EXPERIMENTAL ANALYSIS ON THE FORMATION OF ULTRASHORT PULSES BY ACOUSTIC LENS 33

§ 2.1. Electrical excitation along the thickness extensional mode of transducer 33

§2.2. Experimental investigation on the transducer response to the shock excitation 35

2.2.1. Shock excitation of short probe generator and the transducer response 35

2.2.2. Evaluating piezoelectric transducer resonance response of acoustic lens 38

2.2.3. Experimental evaluation and improvement for the quality of ultrashort pulse with the backing matching 41

§ 2.3. Frequency evaluation of ultrashort probe (acoustic interaction between the plane disk-shaped transducer and spherical cavity) of acoustic lens 42

§2.4. Experimental investigation of acoustic signal formation and acoustic interaction inside waveguide 43

2.4.1. Experimental investigation of acoustic echo signal formation from acoustic interaction between transducer and spherical cavity of acoustic lens waveguide 44

2.4.2. Evaluation of the echo signal formation from acoustic interaction between transducer and side wall of waveguide cylindrical rod 47

2.4.3. Conclusion of fixed parasitical echo along the t axis for impulse acoustic microscope 52

Chapter 3: PRINCIPLE AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF INTERACTIONS BETWEEN ACOUSTIC LENS AND PLANE OBJECT BY ULTRASHORT PULSE 54

§ 3.1. Acoustic interactions of ultrashort focused beam with the front surface of

plane object in immersion 54

3.1.1. Experimental investigation of ultrashort pulse interaction with the front surface of

plane object 55

3.1.2. Experimental evaluation about the paraxial focused beam of ultrashort pulse 58

3.1.3. Evaluation about the effect of geometric focus 59 § 3.2. Acoustic interaction with the bottom of parallel plane object by ultrashort pulse 62

3.2.1. Investigation of wave interaction model with plane object 62

3.2.2. Formation investigation of the longitudinal wave reflection from the bottom of

parallel plane object 65

3.2.3. Formation of transverse wave reflection from the bottom of parallel plane object 69

3.2.4. Evaluation about longitudinal - transverse wave reflection from the bottom of

parallel plane object 70

3.2.5. Discussion of ultrashort pulse interact with the bottom of parallel plane object 71

§3.3. Edge diffraction investigation by ultrashort focused beam of acoustic lens - signal formation the acoustic interaction with object edge (corner) of plane object 73

3.3.1. Construction of edge diffraction model 73

3.3.2. Experimental investigation of edge diffraction - signal formation of ultrashort pulse interaction with the edge of object at various vertical positions in immersion 76

3.3.3. Conclusion of edge diffraction signal formation by ultrashort focused pulse 80

Chapter 4: PRINCIPLES AND APPLICATIONS FOR EVALUATION OF NDT (NDE) BY THE FOCUSED SHORT-PULSE 82

§4.1. Fundamental techniques to employ ultrashort focused pulse beam to do NDT/E evaluation for bulk materials 82

4.1.1. Fundamental techniques 82

4.1.2. Ultrashort focused beam potential of acoustic lens for bulk materials NDT/E investigation 83

§ 4.2. Experimental investigation about edge diffraction by ultrashort focused beams effect on acoustic imaging 86

4.2.1. Edge diffraction response to B-Scan imaging with various lateral position of focused beam 86

4.2.2. Edge diffraction in B-Scan imaging with various vertical distance between acoustic lens and object 87

4.2.3. Investigate edge diffraction effect on C-Scan imaging formation with a thin specimen 88

4.2.4. Edge diffraction effect on acoustic imaging of bulk specimen 90

4.2.5. Proposal a new technique for surface investigation using edge diffraction phenomena with focused ultrasound beam 92

§ 4.3. Experimental study internal microstructure by ultrashort focused beam in field of NDT/E 95

4.3.1. The task of investigating bulk material with focused short-pulse NDT/E 96

4.3.2. Evaluation about the obstacle (defects) in bulk material 99

4.3.3. Acoustic interaction by ultrashort focused beam with various focal depth in the bulk and the potential of paraxial acoustic rays on acoustic imaging 107

4.3.4. Experimental investigation about edge diffraction and its influence on internal

obstacles imaging for NDT/E evaluation 110

4.3.5. Influence by the L, T and LT wave on B-Scan imaging 111

4.3.6. Investigation about the shadow influence on acoustic imaging 111 CONCLUSION 120 REFERENCES 122

INTRODUCTION

The presented work is devoted to problems of application of ultrasonic focused probe pulses in the impulse acoustic microscopy.

Impulse acoustic microscopy today is an effective means for studying the microstructure of objects, especially optically nontransparent ones. Ultrasound can easily penetrate into the bulk of many types of materials. At frequencies from 20 MHz to 3.5 GHz, it provides micron and submicron resolution. It is sensitive to variations of the elastic and viscous properties - it makes it possible to visualize the mechanical structure of an object. Focused ultrasound provides a possibility of local elastic measurements in multiphase and gradient materials, in small samples and inclusions, in low-dimensional samples (films, fibers, etc.).

The idea of acoustic microscopy [1-3] is based on locality of focused ultrasound interaction with a medium - the interaction is concentrated in the focal area of the beam. Parameters of a signal recorded after the interactions are mainly determined by microstructure and local mechanical properties within the focal region. Recorded parameters are used either for local measurements or acoustic imaging. Sizes of the focal spot determine lateral resolution of the method.

Possibilities of ultrasonic visualization are determined by a type of the probing ultrasonic signal. The classical version of the scanning acoustic microscopy (SAM) that is based on using long sinusoidal signals and large angular apertures [3-5] successfully applies for studying structure and mechanical properties of the specimen surface and nearest subsurface layer. But applications of harmonic probe signal do not allow use of the most attractive opportunities of ultrasound technology - 3-D visualization and bulk measurements. So, now the focus of attention is aimed at the impulse acoustic microscopy realizing these potentialities.

The impulse version of SAM [6-11] is based on temporal selection of reflected echo signals [1, 6-7, 9, 12]. Signals reflected at diverse depth come to the receiver with different time delays. Time separation of echo signals gives an opportunity to form acoustic images of the object structure at a certain depth (C-scans) [6-8, 13-15], to display their structure in the cross-section (B-scans) [6-7, 16] and restore the 3D structure of the object through layer-by-layer imaging [14-21]. Measuring time delays between echo signals allows to measure local values of elastic wave velocities as for bulk modes (longitudinal and transverse ones) [13-14, 19-26] so for surface acoustic waves [11, 27-36] and to determine local values of elastic moduli with micron and submicron resolution [14, 17, 19-20, 23]. Development of the impulse SAM based on progress in excitation and reception of focused pulses, in studying their interaction with the elements of structure, in understanding principles of displaying structural elements in acoustic images and in developing principles of acoustical image interpretation. A part of the problems is a topic of this work.

To produce high-quality images, to provide their adequate interpretation, to propose efficient methods of local measurements the structure of probe pulses should be chosen simple and deterministic. One of the simplest and productive ways is using short pulses. Traditionally such a type of ultrasonic radiation is excited by shock excitation of piezoelectric transducers by means of electrical video signals with steep leading edge [37-39]. One of problems of the impulse acoustic microscopy is finding appropriate shape and parameters of the exciting electrical impulses and optimum construction of the piezoelectrical transducer and its parameters to generate pulses involving ~ R1.5 period of oscillations [37, 39-42]. This shape is among the most acceptable versions of the probe ultrasonic impulses for imaging and measuring.

Focusing ultrasonic radiation is carried out by acoustic lenses [1, 3, 5, 43]. The initial ultrasonic beam is generated by a flat transducer into the solid waveguide - the body of the acoustic lens [3, 5]. The bounded plane beam is refracted at the concave spherical cavity located at the other end of the lens waveguide. The refraction produces a convergent probe beam in an immersion fluid. Theoretically, the refraction of a plane front at a spherical cavity leads to formation of the almost perfect focus in an immersion liquid [44]. Spherical aberrations are negligible because of the large value of the refractive index defined by ratio of longitudinal sonic velocity in a lens material and sonic velocity of immersion fluid. It means ultrasonic pulses propagating along different rays of the convergent beam arrive at the focus area with the same time delay, and summarized without distortion of the initial pulse shape. So, the head part of the probe pulse in an immersion is close to its shape in the lens bulk. However, in practice, there are numerous factors - reflection from the side walls of the acoustic waveguide, excitation of transverse waves in its bulk, etc.; leading to the appearance of additional weak impulses detained regard to the head probe signal [45-46]. Presence of such spurious impulses in the probe signal structure is essential in visualization of three-dimensional structures - echo pulses resulted from their reflection from the specimen front surface are superimposed on the echoes arising from reflection of the main pulse from elements of the specimen bulk microstructure. The probe signal structure, probe signal quality, revealing their origins of parasitic pulses, developing methods of spurious signal control are the key problems of the impulse SAM. They are important while designing pulse microscopes, but also for signal pattern explanation and for interpretation of acoustic images.

Another fundamental problem of the acoustic microscopy is principles of acoustic image formation. Imaging is based on interaction of focused impulses generated by the acoustic lens in the immersion fluid with the specimen face, penetration of the incident radiation into the specimen body, its interaction with internal microstructure elements or with the specimen rare surface, returning the reflected radiation into the immersion as a diverging beam and reception of this beam by the same focusing ultrasonic system. There are strong limitations on ability of acoustic focusing

systems to receive coming radiation - from the total ensemble of incident rays the focusing system receives only signal that propagate along rays arrived at the piezoelectrical transducer approximately normally to its surface.

The radiation reflected from an object (divergent beam in the immersion) involves as ultrasound reflected at the specimen face, so waves originated from the specimen bulk. Moreover, only a part of the total radiation is able to penetrate inside the specimen and participate in internal microstructure imaging [47-49]. Spatial structure of the coming probe beam is distorted by refraction aberrations at the immersion fluid - object interface. Picture of the probe beam interaction with elements of internal microstructure critically depends on a type of the ultrasonic probe pulses and positional relationship of the focusing system and an object.

The most problem connected with the convergent beam interaction with the object face, imaging of surface structures and measuring mechanical characteristics of the surface zone — surface elasticity and surface viscosity; has been solved in the conventional acoustic microscopy. There is a huge amount of publications on this topic [3, 50-52].

But the conventional technique and these publications cover a modest part of high-resolution ultrasonic imaging problems only. Bulk imaging remains the main attraction of ultrasonic techniques. But, despite of evident prospects of the technique [6-11, 13-26], a wide field of diverse research and practical applications, availability of commercially-produced impulse acoustic microscopes, fundamentals of high-resolution ultrasonic bulk visualization are faintly explored now. There is a problem of optimal characteristics of a probe beam - occurrence of critical angles opposes penetration of high-aperture acoustic beams inside solid specimens; low-aperture beams provide insufficient resolution within the specimen bulk. For the most of solid materials, even an ideally focused beam undergoes remarkable refraction aberrations while beam passing through the immersion fluid -solid object interface. Aberrations strongly destroy the focal area of the transmitted beam and essentially change interaction of incident convergent beams with internal obstacles within the specimen bulk. Because of mode conversion while beam penetrating into a specimen this interaction becomes multiple-mode - reflected beams are generated by both longitudinal and transverse waves. So the interaction of an incident focused beam with internal microstructure inside a solid object is a subject of special investigations. The next problem is related to forming the acoustic microscope output signal by this reflected radiation - structure of this real field is far from the ideal divergent beam from the point source.

But it is impossible to give description of the incident focused beam interaction with arbitrarily shaped obstacles inside a solid object under investigation. Studying of this interaction and microscope output signal formation for definite types of these obstacles gives us an idea and general mechanisms of bulk ultrasonic imaging inside solids. Such types of obstacles to be studied might

include plane interfaces, especially back side of plane plates, rectangular, cylindrical and spherical inclusions and cavities. Rectangular and cylindrical cavities of small cross-section sizes are excellent models of vertical cracks and delaminations - an important type of micro-defects in solids.

The main objectives of the work are 1) investigation of ultrashort ultrasonic pulse generation by shock excitation of piezotransducers; 2) experimental study of probing pulse formation by acoustic lenses and revealing mechanisms of spurious peak formation; 3) experimental study of interaction of ultrashort focused probe pulses with plane parallel objects and finding the basic principles of echo signal pattern formation at diverse positions of the acoustic lens with respect to the object face; 4) investigation of focused ultrasonic pulse diffraction and participation of diffracted pulses in formation of acoustic images (B-and C-scans); 5) study of echo signal formation by bulk inclusions and cavities; 6) investigation of shadow formation in acoustic images.

The dissertation consists of the Introduction, 4 chapters, the Conclusion and List of References.

The Chapter 1 contains a short review of acoustic high-resolution imaging methods, including scanning acoustic microscopy (SAM). Among possible ways of realization only application of focused beams and raster principle of image formation has been found to be effective for ultrasonic imaging with micron resolution. Methods of focused ultrasound generation are discussed; it is pointed at the preferential application of acoustic lenses for ultrasonic focusing in acoustic microscopy. Possible resolution of ultrasonic focusing systems and penetration length of probe focusing beams are discussed starting from data on the focal zone structure. The main interest of the work is focused at imaging of bulk microstructure in solid specimens. It is given a brief review of ultrasonic phenomena at a liquid-solid interface including critical angle effects, excitation of skimming and leaky surface waves. Efficiency of convergent beam penetration into the bulk of solid specimens and features of this penetration are under discussion.

It is given a brief description of stages of SAM development and its major modifications; focus is at the reflection acoustic microscopy. Diverse variants of SAM are discussed - conventional version with harmonic probe signals and impulse acoustic microscopy. It is underline the special role of leaky and skimming wave excitation by the wide-aperture probe beam in surface imaging and in measuring surface wave velocity and surface elasticity. The impulse version of acoustic microscopy is aimed at bulk visualization of solids and measuring local values of bulk sound velocities and elastic modules. Application of low aperture probe beams provides effective penetration of them into the solid specimen bulk It makes it possible to use low-aperture focusing systems for ultrasonic bulk imaging. It is given description of time-resolved technique based on time selection of echo pulses reflected at different depth. The chapter includes description of impulse acoustic microscope IHHAM-2 and its performance data. Short description of operation regimes, available investigation methods and their accuracy are given.

The Chapter 2 presents the results of experimental study of probe signals formation by acoustic lenses in immersion medium. The results are keys for assessing lens construction and methods of excitation for high-frequency acoustic lenses. Shape of probe pulses results from features of ultrasonic signal generation in the lens body and from effects accompanying signal propagation in the lens waveguide body. The ultrasonic signal is generated by shock excitation of a low-Q piezotransducer. The excitation is implemented by solitary electrical video pulses with the steep leading edge and flat rear. The low value of Q and special shape of the exciting electrical impulse result in excitation of ultrashort ultrasonic signals (1-1.5 oscillations in the pulse). Probe ultrasonic signals have been studied at different stages of their formation. The initial signal generated by the transducer has been recorded directly in the drive circuit of the piezotransducer after subtraction of the exciting electric pulse. The real probe signal in the immersion fluid has been detected as the output signal of the acoustic lens after reflection of the probe signal from an absolute reflector placed in the beam focal plane. It has been shown the head part of this echo pulse coincides with the primary pulse, generated by the piezotransducer. The spectrum of the initial pulse demonstrates the confident shift of the average frequency of the probe pulse from the nominal value of the resonance frequency of the piezoelectric transducer toward lower frequencies. The tail of the probe signal in immersion is formed by spurious pulses delayed comparing with the head pulse. The spurious signals stem from interaction of the initial pulse with walls and other structural elements of the lens waveguide.

The lens transducer records a combination of useful echo pulses formed by reflection of the initial signal (head of the probe signal in immersion) at structural elements of a specimen and a number of parasitic pulses. Spurious signals hamper interpretation of echo signal patterns and acoustic images. A considerable part of the 2nd chapter is devoted to the analysis of spurious pulse sources and searching methods to fight against them. It has been shown that subtraction of the output signal saved without the specimen provides removing a significant part of spurious signals from the acoustic microscope output signal.

Chapters 3 and 4 are devoted to analysis of echo signal formation and principles of displaying elements of 3D microstructure. The analysis is based on studying peculiarities of focused ultrasonic pulse interaction with test objects with known geometry, known elastic properties and known topology of 3D structure. Investigations have been carried out by applying impulse acoustic microscopy methods. Recorded echo signal patterns, B-and C-scans obtained at different conditions were employed to establish principles of convergent beam interaction with typical elements of bulk microstructure in solid specimens.

In chapter 3 interaction of a focused ultrasound pulse with the simplest type of test objects, a plane-parallel plate of finite dimensions, has been studied. It has been analyzed spatial structure of

the probe radiation inside the specimen. It is shown the incident radiation penetrates into a specimen as converging beams of refracted longitudinal and transverse waves. Structure of the refracted beams is distorted by refractive aberrations. The refracted beams consist of ray cones that converge at various points of the beam axis. Transmitted radiation is reflected from the plate bottom: reflection is accompanied by mode conversion. The reflected beams pass the front surface and enter into immersion liquid as three divergent sonic pulses with different time delay. The echo signal from an obstacle is received by the lens transducer only if all reflected rays or their significant part arrive at the transducer along the normal to its surface. These in-phase rays generate a pulse that can be interpreted as an echo pulse from the obstacle.

It is shown this condition is executed for a lens position at which one of the ray convergence points coincides with the reflected obstacle. Paraxial rays stay to be in-phase after refraction at the specimen face and reflection from the bottom within a wide range of lens positions. They penetrate into the specimen as longitudinal waves only - for rays normal to the plate surface, mode conversion is missing. So, the echo signal L formed by reflection of longitudinal waves from the bottom is observed at any position of the lens, including its focal position (incident beam focus is at the front surface). Maximum value of the pulse L reaches, when the paraxial focus of the refracted longitudinal waves is situated at the back surface of the plate. According to the developed ray model the echo signal pattern includes ever the impulse produced by specular reflection of the incident beam at the plate face and the pulse caused by the round-trip of longitudinal waves in the plate. Impulses T and LT resulting from the round-trip of transverse waves and mixed mode propagation are observed in the echo signal pattern for fixed intervals of lens positions. Amplitudes of the observed pulses vary with a value of the distance between the lens and plate surface. Results of experimental studies entirely support this conception of echo signal formation. Experimental results show the total set of echo pulses L, T and LT reflected from the specimen underside is observed in the echo signal pattern within the whole range of lens positions at which the signal pattern contains the both echo pulses T and LT. The result justifies the microacoustical technique of measuring local values of sonic velocities and elastic moduli with focused beams.

It has been revealed important role of edge diffracted waves in formation of acoustic images nearby a specimen edge. A plate edge irradiated by a convergent beam becomes a source of a secondary divergent radiation, a part of which is received by the acoustic lens. Contribution of the diffracted radiation depends on a lens position over the specimen face. It has been found the diffracted wave contribution is essential under lens defocusing. Diffracted wave contribution is seen in B-scans as a symmetrical segment of the parabola with its vertex at the plate edge. The branches of the parabola are directed upward or downward dependent on direction of defocusing - to the specimen surface or from it. It has been shown that contribution of the radiation diffracted from

edges and interfaces is the main cause of blurring the contour and boundaries in acoustic images while lens defocusing.

Chapter 4 gives results of studying interaction of focused impulses with elements of bulk microstructure and mechanisms of bulk imaging in solid specimens. Principles of bulk visualization are developed basing on experimental investigations for objects with complicated surface and bulk topology and theoretical studies in the frame of ray models. Reflected radiation from phase interfaces, including borders of cracks and voids, produces the most details in acoustic images. Radiation reflected from interface regions, which are normal to the probe beam axis, can be received by an acoustic lens only. Respectively, only these interface areas participate in image formation; inclined zones of interfaces are not displayed in images. Essential features of bulk visualization are caused by splitting the incident focused beam into convergent beams of different elastic modes. This splitting results in formation of several echo signal (L, LT, T, etc) for each element of internal structure. All of these echoes can be presented in the echo signal patterns and participate in formation of acoustic images. Amplitudes of recorded echo signals depend on the acoustic lens position relatively to the specimen face. It has been shown that the echo pulse of longitudinal wave (L) is presented at every lens position for all internal elements through the paraxial longitudinal rays contribution. Its presence makes it possible to observe bulk microstructure of a solid object within a wide range of acoustic lens positions. Level of the ¿-signal becomes maximal when the paraxial focus of the longitudinal wave beam is located at the bulk structure element to be imaged. Echo signals LT and T formed with participation of transverse waves take part in echo pattern formation and in acoustic imaging only at appreciable ranges of lens positions. At these positions an equidistant triplet of echo pulses (.L, LT and T) is observed. Tripling of echo-signals results in occurrence of artifacts in C-scans. Echo-pulses of longitudinal and transverse waves arriving at the receiving transducer within the same range of delay times produce an image that includes elements lying at different depth inside the specimen bulk. The artifacts essentially complicate interpretation of acoustic images. It has been proposed to use B- and C-scans jointly to correct image interpretation. Studying details of bulk imaging has been performed on test specimens of isotropic pyrographite with a system of artificial microchannels of various diameter and depth.

Interaction of the probe beam with structures situated one under another results in shadow effects - overlaying the inverse image (shadow) of the upper structure on the regular image of the lower one, occurrence of zones of total or partial invisibility for underlying structures, etc. Shadow effects can be a source of artifacts as well as an effective instrument for acoustic imaging (shadow methods).

It has been shown that diffracted edge waves caused by diffraction of an incident focused beam at sharp edges of interfaces, orifices and cavities, at spikes and so on play an important part in image formation. Participation of diffracted waves has been studied in acoustic image formation in the case of surfaces with expressed microstructure (thin layer of mineral paint on a metal substrate and silicone rubber specimen with microscopically destructed surface). It is shown the stochastic microrelief becomes sources of numerous diffracted waves. Under defocusing the lens these waves are seen in B-scans as a number of parabolas with their vertexes at microledge top positions; parabolas are imposed to each other and form a wide halo. With electronic gate position inside the halo the correspondent C-scan displays density of surface microheterogeneity distribution over the specimen face. It is proposed this technique can be employed for integral estimation of local surface roughness and granularity.

Chaptcrl. IMPULSE ACOUSTIC MICROSCOPY - FUNDAMENTALS AND BASIC PRINCIPLES OF APPLICATION

§1.1. High-resolution acoustic vision systems

Attraction of ultrasonic vision systems is based on ability of ultrasonic radiation to penetrate into the bulk of dive