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  • 超声显微镜

    利用超声显示物体微细结构的装置。又称声学显微镜或简称声镜。超声显微镜利用物体声学特性的差异来显示物体。声学特性指的是声阻抗率和声衰减,它们与物质的弹性和粘弹性有关。声镜给出的是物体的声学像或弹性像。声镜还具有一些引人注目的特点,如被测物体不需透光;对于生物组织切片或样品无需染色,观察及时;对于大规模集成电路,毋需损坏样品表面即可直接进行内层观察。声镜与光镜和电镜相互补充,为增进对物质性质的了解提供一种新工具。

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    超声显微镜/超声显微镜 编辑

     超声显微镜利用物体声学特性的差异来显示物体。声学特性指的是声阻抗率和声衰减,它们与物质的弹性和粘弹性有关。声镜给出的是物体的声学像或弹性像。声镜还具有一些引人注目的特点,如被测物体不需透光;对于生物组织切片或样品无需染色,观察及时;对于大规模集成电路,毋需损坏样品表面即可直接进行内层观察。声镜与光镜和电镜相互补充,为增进对物质性质的了解提供一种新工具。

    正文/超声显微镜 编辑

    简史  1936年С.Я.索科洛夫提出超声显微镜的设想;60年代初,声成像技术的进步,特别是微波超声的进展为声镜的研究奠定了基础;70年代,声镜技术迅速发展,出现了布喇格衍射法、光扫描法、激光扫描法、聚焦声束扫描法、检测表面形变法、光导压电开关法和辐射压力法等。
      扫描声镜犹如扫描电镜有长足的发展,其中L.W.凯斯勒等人的激光扫描声镜(SLAM)和C.F.夸特等人的聚焦声束机械扫描声镜 (SAM)是目前声镜两个较主要的分支,后者尤被广泛重视并分透射式和反射式两类。
      工作原理  入射到物体上的声波要发生反射、折射、衍射和吸收等声学现象,经历这些现象的声波因与物体发生相互作用而含有物体的信息,利用声波的某些物理效应把含有新信息的声波显示出来就实现了声成像。至于显微分辨本领则与波长相当。物质中声速约比光速小5个数量级,当声波的频率为3×109时,在水中的波长就达0.5µm,这时声镜的分辨本领已和光镜相近,经放大肉眼便可直观。现就透射式SAM进一步说明(见图)。高频电信号激发压电换能器发射高频超声,经声透镜聚焦成一细小声束,穿过放在焦平面上的被测样品,载物片是几微米厚的聚酯树脂薄膜,声耦合媒质是水,当声波到达对面共焦的声透镜,含有样品信息的声波经压电换能器接收又变成电信号,经接收电路送到示波器,机械扫描装置使载物台作二维扫描运动,使得聚焦声束在样品上作逐点逐行地照射,当机扫与示波管的电子束运动同步,屏幕上出现一幅对应于物体的被照射部位的声像,这幅声像是由许多像元组成。由于扫描频率的限制,一幅声像需几秒才能完成。
    超声显微镜超声显微镜
      应用领域  声镜的用途大约可分为三个方面。①在生物学和医学上,可以进行活体观察;②在微电子学上,利用反射式声镜,可对大规模集成电路不同层次(包括层间细节)进行非破坏性观察;③在材料科学上,样品表面不必抛光腐蚀,声像能显示出明显的晶粒间界、合金内不同组分的区域。
      现状和展望  声镜经过几十年的演变和发展,目前SLAM型的工作频率高至500MHz,分辨本领较低但能实时显示。SAM型正在向纵深发展。在提高分辨率方面,最近美国斯坦福大学将声镜放在0.2K液氦环境下工作,由于声速小,获得了50nm(500┱)的分辨率,英国C.R.佩茨采用高压气体作声耦合媒质,在压力为30atm的氦气中,频率为45MHz,就获得7µm的分辨率。在声聚焦方面,一方面用传递函数进行声透镜理论分析,另一方面,日本的中缽宪贤发展了无透镜技术,直接采用微型球面聚焦换能器。在应用方面,声镜在计量方面得到新应用,如测量极薄层状结构的层厚,对鸡胚胎纤维细胞的观察,有助于细胞生理学的研究。
      参考书目
     W.P.Mason and R.N.Thurston,Physical Acoustics, Vol.14,Academic Press,New York,1979.
     C.F.Quate,The Acoustic Microscope,Scientific American, Vol.241,No.4,1979.
     J.S.Foster and D.Rugar,High Resolution Acous-tic Microscopy in Superfluid Helium,Applied Physics Letters,Vol.42,No.10,1983.

     

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    1超声波检测方法

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