Радіофізичні методи діагностики матеріалів і середовищ



Сторінка19/24
Дата конвертації09.03.2016
Розмір5.77 Mb.
1   ...   16   17   18   19   20   21   22   23   24

5.4 Практична реалізація резонансних явищ у мікродіагностиці твердих тіл та плазми

  • 5.4.1 Метод ЦР-спектроскопії для визначення енергетичного спектра та кінетики електронів на фермі-поверхні


    Циклотронний резонанс зазвичай виявляється залежністю поверхневого імпедансу Z від поля H при фіксованій частоті . Для металу з квадратичним законом дисперсії

    , (5. 7)


    де  функція, що повільно змінюється із Н.

    Із (5.7) бачимо, що в умовах (5.1) та (5.2) різко зменшуються дійсна та уявна частини імпедансу, що продемонстровано на рис. 5.3.

    Резонансні мінімуми імпедансу періодичні у функції зворотного поля, а їх ширина визначається частотою електронної релаксації . У лужних (ізотропних) металах відсутня анізотропія як щодо поляризації хвилі, так і відносно орієнтації вектора до осей кристала (у площині зразка). Форма ліній ЦР асиметрична.

    Рисунок 5.3 – Графіки для похідної дійсної частини поверхневого імпедансу щодо поля , від магнітного поля (  поле основного резонансу в , частота 24 ГГц, , ) [10]

    При неквадратичному законі дисперсії електронів, характерному для більшості металів, циклотронна частота залежить від , тобто неоднакова у різних електронів. У цьому разі резонанс відбувається на екстремальних частотах , оскільки для електронів із такими значеннями характерна особливість у щільності станів з даним значенням циклотронної частоти. Завдяки зменшенню числа резонансних частинок амплітуда ЦР зменшується, лінії розширюються і стають більш асиметричними порівняно з випадком . При цьому ЦР на електронах центрального перерізу та з околу опорної точки на поверхні Фермі виявляється чутливою до напрямку поляризації ВЧ-струму. Всі ці висновки повністю підтвердилися в експериментах і теорії, що дозволяє шляхом аналізу залежностей, поданих на рис. 5.3, визначати енергетичний спектр і кінетику електронів у металах.

    1. 5.4.2 Метод відсікання циклотронних резонансів у пластині для визначення діаметрів електронних орбіт та їх анізотропії


    У тонкій плоскопаралельній металевій пластинці, товщина якої значно менша за довжину вільного пробігу електронів відносно їх розсіювання в об’ємі, ЦР має низку особливостей (рис. 5.4). Якщо при зіткненні з гранями пластини електрони відбиваються дифузно, то в ЦР можуть брати участь лише ті з них, у яких діаметр орбіти менший за товщину . Діаметр залежить від магнітного поля і розміру електронної траєкторії в  просторі:

    . (5.8)


    При змінюванні величини обов'язково виникає ситуація, при якій максимальний діаметр (у загальному випадку – ) дорівнюватиме :

    , (5.9)


    тобто частина електронних траєкторій почне (або перестане) повністю поміщатися всередині пластини. При цьому значенні (поле відсічення) повинна виникнути особливість залежності імпедансу від , оскільки електронні орбіти, що відсікаються, не дають вкладу в резонанс (вони «виходять із гри»). В ізотропному металі

    . (5. 10)

    Тут визначається формулою (5.7), знаки та позначають поляризацію ВЧ-струму впоперек і вздовж постійного поля .
    Рисунок 5.4 – Проекції електронних траєкторій на площину, перпендикулярну до вектора Н, всередині плоскопаралельної металевої пластини товщини ( , нормаль до граней  )
    Із (5.10) випливає, що величина при відчуває злам, а неперервна з першими двома похідними по . За допомогою спостереження цього розмірного ефекту можна експериментально визначити екстремальні діаметри електронних орбіт та їх анізотропію.

    У полях, менших , частина орбіт відсікається гранями пластини через дифузійне розсіяння електронів. Тому при неквадратичному законі дисперсії, коли ЦР обумовлений невеликою групою електронних станів з екстремальними частотами , у полі будуть відсікатися гармоніки резонансу від електронів, чиї орбіти не поміщаються всередині зразка.



    1. 5.4.3 Взаємне перетворення електромагнітних і звукових хвиль у нормальному металі


    Оскільки електронна система в провідниках незамкнена відносно ґратки та електромагнітних полів, то можливий резонансний режим зв'язування колективних електромагнітних мод електронно-діркової плазми провідника (або напівпровідника) з акустичними коливаннями ґратки. Незамкненість системи носіїв заряду призводить до електромагнітної генерації акустичної хвилі. У цьому режимі в металі поширюється акустична хвиля, збуджена зовнішнім електромагнітним полем. Можливий і зворотний процес  коли акустичне збудження електромагнітної хвилі дозволяє створити в об’ємі металу електромагнітні поля значної інтенсивності, існування яких на значних відстанях від поверхні металу обумовлене перетворенням (трансформацією) акустичної хвилі в електромагнітну.

    Експериментальні та теоретичні дослідження взаємного перетворення хвиль у нелокальній межі (сильної просторової дисперсії), та , де  хвильовий вектор електромагнітної або акустичної хвилі;  глибина скін-шару;  довжина вільного пробігу носіїв заряду, становлять особливий інтерес, оскільки в цих умовах одночасно можуть виявитися різні електромагнітні та магнітоакустичні ефекти. Вивчення різних ефектів у режимі перетворення дає широку інформацію як про енергетичні характеристики квазічастинок, так і про спектр, і про дисипативні властивості колективних електромагнітних мод плазми в металі.

    Експериментальні дослідження перетворення хвиль у металах в області гіперзвукових частот дають можливість вивчити різні фізичні явища, що потребують виконання умов і , де  час релаксації (для нормальних металів при гелієвих температурах с), і дозволяють вирішити проблему збудження і реєстрації гіперзвуку в металах, оскільки ефективність стандартних п’єзоперетворювачів падає з підвищенням частоти. Безконтактний метод збудження є єдино можливим методом дослідження поляризаційних явищ, оскільки дозволяє в умовах одного дослідження змінювати поляризацію збуджуваного і реєстрованого звуків. Відзначимо, що такі дослідження поляризаційних ефектів трансформації дають додаткову інформацію про механізми трансформації, характеристики електромагнітних і магнітоакустичних збуджень. Важливість таких досліджень пояснюється практичним застосуванням їх результатів під час створення різних пристроїв акустоелектроніки, засобів безконтактного контролю та передавання інформації.

    Як приклад досліджень трансформації розглянемо вольфрам. Вибір цього металу обумовлений такими обставинами [10]. У ньому виявлені різноманітні магнітоакустичні ефекти в нормальному до поверхні металу магнітному полі, пов'язані з великою довжиною пробігу електронів та складним законом дисперсії квазічастинок.

    Високочастотна трансформація хвиль досліджувалася методикою «роботи на прохід» (рис. 5.5), коли на одному боці зразка вольфраму збуджувався або реєструвався акустичний сигнал, а на іншому – електромагнітний. Усі вимірювання проводилися на частотах 20–400 МГц у режимі безперервних коливань в геометрії . Експериментальні дані не залежали від напрямку трансформації при відповідному напрямку магнітного поля.

    Сигнал трансформації в усіх експериментах при на частотах МГц упевнено реєструвався на рівні 15 – 20 дБ/Вт вище межі чутливості приймального тракту. Оцінки коефіцієнта трансформації при дають значення для МГц, товщини зразка мм, К.

    Експериментально виявлена нелокальна трансформація зумовила побудову теорії трансформації для пластини металу [10], а більшість експериментальних результатів використані під час вивчення механізмів трансформації в різних металах.

    Рисунок 5.5 – Схема перетворювача акустичних та електромагнітних хвиль металами [10]: 1  зразок; 2 – п’єзоперетворювач; 3  електромагнітний контур; 4  коаксіальні лінії передавання енергії



    1. 5.4.4 Збудження, трансляція і детектування високочастотного гіперзвуку


    Використання гіперзвукових хвиль із частотами вище 10 ГГц значною мірою пов'язане з розробленням ефективних методів збудження, трансляції та детектування. Для збудження гіперзвуку п'єзокристал поміщають в електромагнітне поле, яке викликає в ньому пружні деформації, що служать джерелом об'ємних гіперзвукових хвиль. Унаслідок лінійності п'єзоефекту поширення гіперзвуку в такому кристалі приводить до збудження електромагнітного поля. Причому внаслідок дуже малої довжини хвилі гіперзвуку збудження його, як і зворотне перетворення в електромагнітне поле (детектування), відбувається поблизу граничних площин п'єзокристалу. Ефективність трансформації електромагнітного поля в гіперзвук і його детектування характеризується коефіцієнтом подвійного перетворення , який визначається як відношення потужності електромагнітної хвилі, породженої гіперзвуком, до потужності тієї самої хвилі, яка порушила його в кристалі. Для коефіцієнта подвійного перетворення можна записати вираз

    , (5.11)


    де  коефіцієнт електромеханічного зв'язку; ,  хвильові вектори електромагнітної і гіперзвукової хвиль;  фактор, що враховує ослаблення ефекту зворотного перетворення за рахунок відхилення від паралельності фазового фронту гіперзвукової хвилі площині детектування.

    Оскільки , то умови поширення електромагнітної і гіперзвукової хвиль у кристалі сильно «неузгоджені». Тому лише невелика частина потужності електромагнітної хвилі витрачається на збудження гіперзвуку, переважна її частина фактично відбивається від п’єзокристалу. Внаслідок цього мала і величина коефіцієнта подвійного перетворення. На низьких частотах можна збільшити шляхом використання при збудженні гіперзвуку об'ємного резонатора і забезпечити в міру його добротності багаторазову взаємодію електромагнітної хвилі з п’єзокристалом, однак зі збільшенням частоти добротність резонатора падає, і такий спосіб виявляється неефективним.

    Одним із ефективних методів збудження і детектування гіперзвуку з частотами порядку Гц є застосування сповільненої електромагнітної хвилі, що поширюється у граничній площини п’єзокристалу. Внаслідок уповільнення хвильовий вектор електромагнітної хвилі збільшується і це дозволяє істотно підвищити ефективність трансформації електромагнітного поля в гіперзвук. При збудженні гіперзвуку цим способом у граничній площині п’єзокристалу розміщується хвилевідна періодична структура (рис. 5.6), за допомогою якої формується поле поверхневої сповільненої електромагнітної хвилі. На поверхні п’єзокристалу воно перетворюються в об'ємні гіперзвукові хвилі, що поширюються в напрямку, який становить невеликий кут (порядку ) по відношенню до нормалі. Збуджені гіперзвукові хвилі (рис. 5.6) «запам'ятовують» структуру електромагнітного поля поверхневої сповільненої хвилі. Тому для зворотного перетворення гіперзвуку необхідно застосувати точно таку саму електродинамічну систему або використовувати одну і ту саму систему як для збудження, так і для детектування гіперзвуку. Таким способом у кварці при температурі рідкого гелію були збуджені поздовжні й поперечні гіперзвукові хвилі на частотах 40 і 75 ГГц [10].

    Рисунок 5.6 – Схема пристрою для збудження гіперзвуку в кварці на частотах 9,4 і 75 ГГц: 1  кварцова призма; 2  сповільнювальна спіраль; 3  рупор для збудження спіралі; 4  4-міліметровий хвилевід; 5  сповільнювальна система типу «гребінка»

    Оскільки хвильові періодичні структури, необхідні для уповільнення електромагнітної хвилі, можуть бути реалізовані на частотах, що охоплюють практично весь міліметровий радіодіапазон, метод сповільненої хвилі дозволяє досягти частот гіперзвуку порядку Гц, однак його застосування обмежене не досить досконалими п'єзоелектричними кристалами.

    Ефективно збуджувати й детектувати гіперзвукові хвилі з високими частотами можна і способом «точкового» перетворення електромагнітного поля [10]. Він базується на такому. Оскільки величина визначається головним чином відношенням , то істотне (набагато порядків) збільшення можна отримати, якщо створити електромагнітне поле з такою структурою, в якій домінує просторова гармоніка із хвильовим вектором, за величиною близькою до хвильового вектора гіперзвуку. Виявилося, що це можливо, якщо сконцентрувати електричне поле НВЧ у дуже малому об’ємі на торці встановленої в хвилеводі й електрично узгодженої з ним тонкої металевої голки. Гіперзвукова антена-випромінювач (приймальна антена) для «точкового» перетворення є нанесеною на кристал текстурованою п'єзоелектричною плівкою з окису цинку з металевим підшаром, в якому за допомогою голки концентрується електричне НВЧ-поле. Товщина п'єзоелектричної плівки обирають такою, що дорівнює половині довжини хвилі гіперзвуку, тому якщо розкласти функцію розподілу сконцентрованого в ній електричного поля в інтеграл по плоских хвилях, то хвиля з виявиться домінуючою. Внаслідок цього при «точковому» перетворенні досягається висока ефективність. На частоті близько 10 ГГц .

    Хоча метод «точкового» перетворення і поступається способу сповільненої поверхневої електромагнітної хвилі за досяжними частотам гіперзвуку, проте він дозволяє досить ефективно збуджувати гіперзвук у міліметровому радіодіапазоні [10].

    1. 5.4.5 Експериментальна установка для досліджень взаємодії електронного пучка з плазмовими коливаннями в напівпровіднику


    Взаємодія пучка з плазмовими коливаннями експериментально досліджувалася в германії та антимоніді індію [10].

    Взаємодія пучка зі зразком вивчалася на установці, схема якої подана на рис. 5.7. Стрічковий пучок електронів, що має переріз мм2, фокусувався магнітним полем. Для прискорення застосовувалося джерело імпульсної напруги зі змінною тривалістю імпульсу (від 0,2 до 100 мкс). Зразок мав форму прямокутної пластини довжиною 6 мм, товщиною мм, шириною 3,5 мм і клиноподібними зрізами для узгодження з хвилевідним трактом. Як генератори використовувалися лампи зворотної хвилі, що працювали в діапазонах 12,5 і 1,5 мм в імпульсному режимі (тривалість імпульсу генератора була дещо більшою за імпульс прискорювальної напруги).


    Рисунок 5.7 – Схема установки: Г  генератор;  атенюатори;  модулятори; Д  детектор; П  підсилювач; О  осцилограф; 1  зразок; 2  посудина Дьюара; 3  колектор; 4  електронна гармата


    На рис. 5.8 наведені залежності приросту потужності від напруги і струму в пучку для резонансної довжини хвилі мм.

    Величина є різницею потужності на виході установки за наявності пучка і потужності за її відсутності. При малих це відношення пропорційне інкременту зростання. Спостерігалося монотонне збільшення зі зростанням напруги та струму пучка, що можна пояснити його кінцевими розмірами при взаємодії з квазіпотенціальними коливаннями в сильному магнітному полі.


    відн. од.

    відн. од.

    а б

    Рисунок 5.8 – Залежності : а  від струму в пучку при кВ, б  від прискорювальної напруги при різних (мА): 1  90; 2  120, 3  200


    1. 5.4.6 Вимірювання властивостей плазми в міліметровому і субміліметровому діапазонах хвиль


    В установках для дослідження керованого термоядерного синтезу, таких як Токамак, за допомогою електричного розряду утворюється газова плазма, що протягом деякого часу утримується магнітним полем. Важливими характеристиками такої нестаціонарної плазми є залежності від часу концентрації електронів і частоти зіткнень електронів з важкими частинками. Їх можна визначити радіофізичним методом за допомогою інтерферометра міліметрового діапазону хвиль.

    Принцип вимірювань з використанням явища інтерференції базується на дослідженні характеристик зондувальної хвилі, що пройшла крізь шар плазми, і в порівнянні з проходженням цієї хвилі у вільному просторі. Зміна характеристик зондувальної хвилі функціонально пов'язана з властивостями плазми. Метод вимірювання полягає у визначенні за допомогою інтерферометра зсуву фаз та ослаблення зондувальної хвилі, що проходить крізь шар плазми протягом її утворення та розпаду, і в обчисленні за цими параметрами середніх концентрацій електронів і частоти зіткнень електронів як функції часу.

    До вимірювальних інтерферометрів, призначених для діагностики плазми, виставляється ряд вимог щодо діапазону вимірювання, швидкодії, точності, стійкості до вібрацій, стабільності в часі тощо. Ці вимоги задовольняють хвильові гетеродинні інтерферометри [9, 10]. Вони характеризуються високою чутливістю, широким діапазоном вимірювання, малими похибками, високою стабільністю в часі. Принцип дії гетеродинного інтерферометра полягає у перенесенні вимірювання зсуву фаз та ослаблення із надвисокої частоти на більш низьку проміжну частоту. Спрощена схема плазмової установки наведена на рис. 5.9.
    ВК

    ФВ

    П2



    Г2

    ПА

    ВМ



    ФМ

    1

    2



    3

    4

    5



    6

    7

    8



    П

    1

    Г1



    ОК

    ШЛ

    ИК



    9

    l
    Рисунок 5.9 – Загальна схема плазмової установки з гетеродинним інтерферометром

    Металева камера 5 містить плазмовий об'єм 4 у формі тора, показаний у поперечному розрізі діаметру кола , що утворює коло тора. Хвильовий пучок 3 формується передавальною антеною 1, а після проходження крізь плазму і вікна 2, 6, прозорі для випромінювання міліметрового діапазону, приймається антеною 7. Потужність випромінювання каналізується хвилевідною системою 8, 9.

    Вимірювальна частина інтерферометра містить генератор Г1 частоти , гетеродин Г2 частоти , вимірювальний канал (ВК) та опорний канал (ОК). Потужність хвилі генератора Г1 розділяється на дві частини і по ВК надходить до приймача П1, а по ОК – до гетеродинного приймача П2. Потужність хвилі гетеродина Г2 також ділиться на дві частини, що надходять до приймачів П1 і П2. Сигнал проміжної частоти (ПЧ) з виходу підсилювача проміжної частоти (ППЧ) приймача П1, що несе інформацію про фазу і про амплітуду зондувальної хвилі, надходить на фазометр (ФМ) і мілівольтметр (МВ). Сигнал ПЧ із виходу ППЧ приймача П2, що несе інформацію про фазу і про амплітуду опорної хвилі, подається на ФМ і на схему автоматичного підстроювання частоти (АПЧ) гетеродина Г2. Схема АПЧ використовується для забезпечення сталого значення ПЧ. Вимірювальні сигнали з виходу ФМ та МВ передаються в систему реєстрації та обробки.

    З метою зниження загасання потужності у ВК, довжина якого може досягати 10–20 м, хвилеводи 8, 9 виконані з труб підвищеного перерізу. Завдяки цьому збільшується динамічний діапазон вимірювань. Хвилевідний шлейф (ШЛ) необхідний для зрівнювання дисперсії хвилі ОК з ВК. В результаті виключається похибка вимірювання зсуву фаз через нестабільність частоти та паразитної модуляції генератора Г1. Антени 1, 7 призначені для зменшення кута розходження зондувального пучка і зниження загасання його енергії.

    Для визначення концентрації електронів гарячої плазми в експериментах із керованого термоядерного синтезу раніше застосовувались інтерферометри міліметрового діапазону радіохвиль. На сьогодні вже створені інтерферометри, що працюють на менших довжинах радіохвиль, тобто на хвилях субміліметрового діапазону. Метод вимірювання властивостей плазми при цьому в принципі виявляється таким самими, але засоби вимірювання істотно змінюються у зв'язку з використанням квазіоптичних методів [10].



  • 1   ...   16   17   18   19   20   21   22   23   24


    База даних захищена авторським правом ©refs.in.ua 2016
    звернутися до адміністрації

        Головна сторінка