IMAGERIE ACOUSTO-ÉLECTRONIQUE

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Submitted on 1 Jan 1990

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IMAGERIE ACOUSTO-ÉLECTRONIQUE

J. Franceschi, R. Murillo, A. Bastie, M. Ez Zejjari

To cite this version:

J. Franceschi, R. Murillo, A. Bastie, M. Ez Zejjari. IMAGERIE ACOUSTO-ÉLECTRONIQUE.

Journal de Physique Colloques, 1990, 51 (C2), pp.C2-1277-C2-1280. �10.1051/jphyscol:19902300�.

�jpa-00230642�

COLLOQUE DE PHYSIQUE

Colloque C2, supplément au n02, Tome 51, Février 1990 ler Congrès Français d'Acoustique 1990

IMAGERIE

ACOUSTO-ELECTRONIQUE

J.L. FRANCESCHI, R. MURILLO, A. BASTIE et M. EZ ZEJJARI

Centre dlElaboration des Matériaux et d'Etudes Structurales du CNRS.

Laboratoire d'optique Electronique, 29 Rue Jeanne Marvig. F-310%

Toulouse Cedex, France

Résumé

-

Une nouvelle méthode d'imagerie sur objets massifs est proposée. L'impact d'un faisceau d'électrons modulé génère des ondes élastiques dans un solide. La détection des ondes acoustiques permet d'envisager de nouvelles applications en imagerie, notamment en contrôle non destructif.

&&&

-

A new imaging system placed on a bulk specimen is proposed. A modulated electron

beam act as a thermoelastic waves source at the surface of the bulk specimen. The acoustic signal is used to develop this imagery method with applications in non destructive testing.

figure 1 Emission électrons

[

Acc616ration

1

1

Analyse fonctionnelle

[

Modulation du systgme d'IMAGERIE

I

ACQUSTU-ELECTRQNIQUE

C

Focalisation

C 1

j rl

OBJET MASSP"

I

Ectsn d'oiuervatlon

vide0

sianal icoumlque tisnsmls

du slpnsl

1

-

^PRINCIPE

Pour produire des ondes élastiques dans un solidê nous utilisons un minimicroscope à balayage trasportable travaillant in situ [l].

Les électrons accélérés avec un différence de uotentiel de 10 kilovolts sont focalisés sur un Ôbjet massif qui sert de support. L'intensité du faisceau est modulée à une fréquence comprise actuellement entre 20 et 100 KHz.

Des ondes élastiques sont ainsi créées dans l'objet. Les ondes acoustiques sont détectées sur la face arrière à l'aide d'un transducteur piézo-électrique qui fournit un signal caractéristique de la zone voisine du point d'impact des électrons. Un balayage synchronisé du faisceau d'électrons sur la surface de l'objet, et du point correspondant au signal acoustique sur l'écran vidéo d'observation, permet d'enregistrer une image de la subsurface de la zone étudiée [2].

Le point fort de cette méthode est qu'il permet en outre d'analyser simultanément l'image de la surface. On peut également, en utilisant le signal issu des électrons rétrodiffusés, associer l'analyse des images à une caractérisation chimique locale.

2

-

DISPOSITIF EXPERIMENTAL

Contrairement à la dérive naturelle des instruments de laboratoire qui deviennent de plus en plus complexes dans le domaine de la microscopie électronique à balayage, nous avons développé un appareil relativement simple, modulaire et transportable.

L'ensemble du dispositif expérimental peut être analysé sous forme de quatre sous-ensembles détaillés sur le schéma de la figure 2 :

2.1.

-

L'actionneur, c'est à dire la colonne électrooptique qui permet de focaliser et balayer sur l'objet massif un faisceau délectrons modulé.

2.2.

-

Le groupe de pompage avec pompe turbomoléculaire qui permet d'obtenir un vide de 104 à 10-5 Pa dans la colonne électrooptique, vide nécessaire pour le faisceau électronique.

2.3.

-

Modules électroniques de commande, assurant les différentes fonctions nécessaires au fonctionnement de la colonne électrooptique et assurant également le balayage du faisceau électronique sur l'objet et l'alimentation des capteurs.Ces modules peuvent être également commandés pas un microordinateur.

2.4.

-

Microordinateur et moniteur vidéo avec dispositif numérique.d'acquisition adaptatif des images. Les images 256 x 256 x 8 bits peuvent être enregistréés pour des durées comprises entre 1 seconde et 4 minutes.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19902300

C2-1278 COLLOQUE DE PHYSIQUE

3.

-

G E N E R A T I O N ET DETECTION DU S I G N A L A C O U S T I Q U E

-C

-

--r

-

4

+

Lorsqu'un faisceau d'électrons modulé en intensité est injecté dans un solide, plusieurs phénomènes physiques entrent en jeu [3] [4]. Le processus est analogue à celui engendré par l'impact d'un faisceau laser modulé en intensité [5].

Aux fréquences relativement basses que nous utilisons actuellement, avec des objets métalliques, ce sont essentiellement les ondes thermiques créées par l'énergie du faisceau d'électrons qui générent le mécanisme de contraste des images.

3.1.

-

A b s o r p t i o n de l'énergie incidente Chauffage

filament Générateur haute tension 1 OkV

I

GBn6rateur Colonne

(E) ^1-43 Le faisceau d'électrons est absorbé par un métal dans une région d'épaisseur d, (en pm) telle que d, =

-

10 P modulation

centrage Alimentations ientllies

1

delecteurs

Balayage X Y

-

Amplification Traitement analogique

i

Microordinateur U, C,

avec E = énergie d'accélération des électrons (exprimée en keV), p = masse volumique du solide (exprimée en g/cm3).

ds est de l'ordre de 0,5 à 1 pm pour une énergie de 10 keV.

Moniteur vidQo

3.2.

-

G é n é r a t i o n d'ondes thermiques

Une fraction relativement importante (par rapport au faisceau laser) de l'énergie des électrons incidents (40 à 80%) est convertie en chaleur. La distribution de la température T dans l'échantillon obéit donc à l'équation de diffusion de la chaleur : VzT -

-

1 ⁼ aT - ,Q(r, t ) 1

D

a t

K

avec K : conductivité thermique de l'échantillon, D = K/pc : diffusivité thermique p : masse volumique, c : chaleur spécifique

7

i

;

^PC

L---..--.-.---->

1

^$CHEMA FONCTIONNE{ DE L'ELEGTRONIQUE DE COMMANDE

1 1

^wk2

Q(r, t) : puissance déposée par le faisceau incident par unité de volume

/

^Qlectro-

1 optique

Pour un solide semi-infini et en supposant que la dissipation d'énergie est uniforme, la solution est donnée par la signal surface

-

;

L Objet massif t

signal subsurface

propagation d'ondes sphériques de vecteur d'onde q = (1

+

j)/d, et d, =

2K

^{1'20ù w =} 2nN est la pulsation de

[OPCI

modulation du faisceau d'électrons. d, est appelée longueur de diffusion thermique. Les ondes thermiques sont donc fortement atténuées (facteur l/e au bout d'une distance

4)).

Aux fréquences N = o/2n que nous utilisons variant de 10 à 100 KHz. d, est de l'ordre de 10 à 20 pm pour les objets métalliques.

Images subsurface

(signal acoustique PZT)

I

1

âubsurface bronze Z A 4 1

I

Subsurface: image d u support bronze

sous 100 microns de colle

I

1

Subsurface cuivre oxydé

1

COLLOQUE DE PHYSIQUE

3.3.

-

Génération d'ondes acoustiques

Les ondes thenniques entrainent des contraintes sources d'émission acoustique. Le volume contribuant principalement à la génération du signai acoustique est caractérisé par l'épaisseur d,. Ce signal se propage sur une longueur h voisine de l'épaisseur de l'objet (plusieurs mm) et il est détecté par un capteur piézoélectrique. En basse fréquence [6][7], on obtient un signal s tel que :

s = cte.

.%. 2

^{.%avec a =} coefficient de dilatation thermique local et Q = énergie déposée par le faisceau incident.

pc Co

Pour un objet donné le signai est donc inversement proportionnel à l'épaisseur h et à la fréquence N = o / 2 ~ de modulation du faisceau.

La nécessité d'étudier des objets épais, notamment en contrôle non destructif, justifie donc l'utilisation de fréquences relativement basses.

4.

-

CONTRASTE DES IMAGES ENREGISTREES (Milieu isotrope)

Un compromis doit être choisi entre la fréquence utilisable pour une épaisseur h donnée et la résolution que l'on peut obtenir pour l'examen des défauts [2]. Lorsque les signaux enregistrés sont issus de deux régions voisines 1 et 2, les amplitudes des signaux détectés seront si = c t e i a

-.

1 ^QO

-

(i = 1 ; 2)

pi ci Co

dS , al

-

a2

-

^da

et le contraste des images :

dS =Si

⁼ a=plcl

-

a2/p2c2 et pour les métaux

- - ^{- -}

S adPlcl S al a

Les techniques utilisées permettent l'obtention d'images exploitables avec

-

dS ^2: 5. Le contraste est donc pour les S

milieux isotropes d'autant plus élevé que les défauts ou détails que l'on recherche correspondront à des zones ayant des coefficients de dilatation thermique a différents, comme le montre notamment la troisième photographie (cuivre oxydé) que nous présentons sur la planche 1. Actuellement, la résolution obtenue, de l'ordre de 10 à 20 Pm, est limitée par la fréquence relativement basse utilisée. Nous nous proposons d'augmenter fortement cette fréquence (1 à 10 MHz) et également d'utiliser des méthodes de détection non linéaires pour observer des détails pouvant aller juqu'à 0,l pm [2].

Les mécanismes de contraste seront dors différents et il faudra tenir compte en particulier des effets de diffraction des ondes acoustiques.

5.

-

CONCLUSION

La méthode que nous proposons n'en est qu'à ses débuts dans le domaine du contrôle non destructif. Elle paraît bien adaptée à un contrôle fin des échantillons massifs avec l'observation et le contrôle des microfissures, soudures, zones de délaminage, etc

...

L'évolution de cette méthode, pour l'observation d'objets massifs, implique la mise au point d'une détection du signal aussi fine que possible. Nous travaillons actuellement sur la mise au point de capteurs piézoélectriques par contact adaptés, ainsi que sur une méthode d'analyse temporelle du signal qui nous permettra d'observer des objets plus épais, avec une résolution du domaine submicronique.

REFERENCES

/l/ FRANCESCHI, J.L., LE FLOCH, H., TRINQUIER, J., JOUFFREY, B., Mécanique, Matériaux, Electricité, 418, (1986).

/2/ FRANCESCHI, J.L., MURILLO, R., TRINQUER, J., Proc. 12th WCNDT, Amsterdam, (1989).

/3/ ROSENCWAIG, A., OPSAL, J., IEEE Transactions on ultrasonics, Ferroelectrics and frequency control, vol.

UFFC -33, 5, (1986), p. 516.

/4/ BALK, L.J., Scanning acoustic microscopy. In advances in Electronic and Electron Physics, Vol. 7, Ed. PW Hawkes, Vol. 71, p. 1-73, (1988).

/5/ AUSSEL, J.D., LE BRUN, A., BABOUX, J.C., Ultrasonics, Vol. 26, p. 245-255 (1988).

/6/ IKOMA, T., MURAYAMA, M., and MORIZUKA, K., Japan. Journal of Appl. Phys. Vol. 23, Suppl. 23-1, p.

194-196, (1984).

/7/ JACKSON, W. and NABIL, M.A., J. Appl. Phys., 51(6) p. 3343-3353, (1980).