Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Рентгеноакустические взаимодействия в кристаллах. Состояние проблемы 15
1.1 Введение 15
1.1.1 Изучение акустических волн и колебаний рентгенодифракционными методами 15
1.1.2. Изучение рассеяния рентгеновских лучей на искаженных ультразвуком кристаллических решетках 19
1.2. Особенности рентгеноакустических взаимодействий 23
1.3. Рентгеноакустические исследования в области высоких частот ультразвука 25
1.4. Рентгеноакустический резонанс 31
1.5. Рентгеноакустические исследования в области низких и средних частот ультразвука 34
1.6. Выводы к главе 1 45
Глава 2. Особенности экспериментальной техники для проведения рентгеноакустических экспериментов в области длинноволнового ультразвука 47
2.1. Свойства пьезоэлектрических кристаллов и возбуждение колебаний в кристаллах 47
2.1.1. Способы создания регулярных деформаций в кристаллах 47
2.1.2. Резонаторы изгибных колебаний 48
2.1.3. Резонаторы продольных колебаний 51
2.4. Экспериментальная установка для измерения характеристик пьезокристаллов электроизмерительным методом 52
2.5. Двухкристальная рентгеновская дифрактометрия 53
2.6. Экспериментальная установка для изучения рентгеноакустических взаимодействий в кристаллах 60
2.7. Калибровка рентгеновского спектрометра ТРС-1 63
2.8. Методика стробоскопической регистрации КДО 66
2.9. Выводы к главе 2 68
Глава 3. Исследование рентгеноакустических элементов электроизмерительными методами 69
3.1. Особенности возбуждения продольных колебаний по длине в стержнях тригональной сингонии 69
3.2 Влияние облучения на электромеханические свойства кристаллов лангасита (LGS) 71
3.3. Возбуждение продольных длинноволновых ультразвуковых колебаний в кристаллах-монохроматорах из кремния и германия 74
3.3. Выводы к главе 3 80
Глава 4. Изучение рентгеноакустических взаимодействий с усреднением по периоду ультразвуковых колебаний (интегральные во времени измерения) 81
4.1. Зависимость полуширины, интегральной интенсивности и формы КДО от мощности ультразвуковой волны 81
4.2. Анализ распределения амплитуды деформации по длине кристалла.83
4.3. Суперпозиция статической и динамической (ультразвуковой) деформации 85
4.4. Выводы к главе 4 87
Глава 5. Исследования рентгеноакустических взаимодействий с разрешением по времени 89
5.1. Модель дифракции рентгеновских лучей на кристаллических решетках с медленно меняющейся деформацией по ширине рентгеновского пучка 89
5.2. Сравнение экспериментальных кривых с теоретическими в случае идеального кристалла без деформации 97
5.3. Исследования рентгеноакустических взаимодействий в условиях однородной ультразвуковой деформации 98
5.3.1, Экспериментальные КДО кристалла кремния для различных фаз ультразвуковых колебаний 98
5.3.2. Экспериментальные КДО кристалла германия для различных фаз ультразвуковых колебаний 101
5.3.3. Сопоставление экспериментальных и расчетных кривых при постоянной деформации 103
5.3.4. Расчет изменения параметра кристаллической решетки под воздействием деформации создаваемой ультразвуковой волной в кристаллах кремния и германия 105
5.4. Исследования рентгеноакустических взаимодействий в условиях градиентной ультразвуковой деформации 106
5.4.1. Особенности дифракции рентгеновских лучей на градиентных кристаллах. 106
5.4.2. Экспериментальные КДО кристалла кремния в условиях градиентной ультразвуковой деформации 108
5.4.3. Экспериментальные КДО кристалла германия в условиях градиентной ультразвуковой деформации 111
5.4.4. Экспериментальное исследование суперпозиции статической и динамической ультразвуковой деформации в кристалле германия.. 113
5.4.5. Сравнение экспериментальных и расчетных кривых при градиенте деформации 114
5.5. Выводы к главе 5 115
Глава 6. Восстановление профилей ультразвуковой деформации по ширине рентгеновского пучка из стробоскопических кривых дифракционного отражения 117
6.1. Анализ экспериментальных кривых 117
6.1.1. Постоянная деформация 118
6.1.2. Постоянный градиент деформации 118
6.2. Неизвестный профиль деформации 119
6.3. Численное симулирование 123
6.4. Выводы к главе 6 124
Заключение 125
Список литературы: 129
- Изучение рассеяния рентгеновских лучей на искаженных ультразвуком кристаллических решетках
- Экспериментальная установка для изучения рентгеноакустических взаимодействий в кристаллах
- Возбуждение продольных длинноволновых ультразвуковых колебаний в кристаллах-монохроматорах из кремния и германия
- Модель дифракции рентгеновских лучей на кристаллических решетках с медленно меняющейся деформацией по ширине рентгеновского пучка
Введение к работе
Актуальность.
Исследование дифракции рентгеновских лучей на кристаллах, в которых распространяется упругая волна, составляет заметную область исследований конденсированных сред рентгенодифракционньши методами. Это объясняется следующими причинами:
Во-первых, важнейшей задачей рентгеновской оптики является изучение дифракции рентгеновского излучения на искаженных кристаллических решетках. Регулярные искажения кристаллической решетки, создаваемые упругой волной, облегчают анализ задачи при сохранении характерных особенностей дифракции рентгеновских лучей. Существенной является возможность варьирования в широчайших пределах параметров ультразвуковой волны (амплитуда колебаний, длина волны), что позволяет рассматривать промоделированный ультразвуком кристалл, как модель для изучения рассеяния рентгеновских лучей на деформированных кристаллических решетках;
Во-вторых, имеется ряд особенностей рентгеноакустического взаимодействия, таких, например, как рентгеноакустический резонанс, имеющие самостоятельный интерес с точки зрения фундаментальной физики;
В-третьих, одной из основных задач акустоэлектроники является поиск новых методов исследования распространения упругих волн в твердых телах - методов, позволяющих визуализировать распространение упругих волн и количественно оценить упругую деформацию созданную ультразвуком. Такая информация необходима для анализа и контроля разнообразных устройств пьезотехники и акустоэлектроники. Широко применяемые в настоящее время методы исследования распространения упругих волн имеют ряд существенных ограничений. Оптический дифракционный метод также позволяет получить реальное изображение акустических объектов с реальным распределением поля упругой волны в них, однако пространст-
венное разрешение такого метода не может быть лучше половины длины волны оптического излучения. Другой, электроизмерительный метод позволяет произвести сравнительный анализ входных и выходных характеристик в схеме возбуждения ультразвука, на основе которого можно сделать выводы об интенсивности, чистоте спектра и добротности ультразвуковых колебаний, но не дает практически никакой информации о распределении упругого волнового поля в кристалле. Рентгеновский дифракционный метод позволяет получить ценнейшую информацию о распространении и структуре упругих волн и колебаний (длина упругой волны, распределение амплитуды деформации ультразвуковой волны, структура колебательных мод пьезорезонаторов) с очень высоким пространственным разрешением;
И, наконец, управляемая во времени и пространстве деформация может служить для решения практических задач рентгеновской оптики. Важнейшие приложения связаны с возможностью управления параметрами рентгеновского излучения с помощью упругих деформаций, Промодулированный ультразвуковыми колебаниями кристалл можно использовать как немеханически перестраиваемый элемент рентгенооптической схемы.
Длинноволновые ультразвуковые колебания, длина волны которых сопоставима с размерами образца, способны создавать регулярную деформацию кристаллической решетки по ширине рентгеновского пучка. В зависимости от положения рентгеновского пучка на кристалле это может быть как однородная переменная во времени деформация, так и деформация, изменяющаяся по линейному или квадратичному закону (постоянный или квадратичный градиент деформации). Аналогичные деформации кристаллической решетки создаются в градиентных или изогнутых кристаллах, широко используемых в качестве элементов рентгеновской оптики. В отличие от статических деформаций, ультразвуковая деформация кристаллической решетки изменяется во времени, что позволяет выделить временные участки с различными по амплитуде и знаку деформациями. Это, в
свою очередь, может быть использовано для пространственно-временной модуляции рентгеновского излучения,
Принимая во внимание вышесказанное, тема диссертации по изучению особенности дифракции рентгеновских волн на кристаллах, промодулиро-ванных низкочастотным ультразвуком представляется весьма актуальной.
Цель работы и основные задачи.
Основной целью работы являлось изучение особенностей взаимодействия рентгеновских и упругих волн в условиях дифракции рентгеновской волны на кристаллических решетках, при возбуждении в них длинноволновых ультразвуковых колебаний, с длиной волны сопоставимой с размерами образца и многократно превышающей ширину области засветки рентгеновским пучком. Такие колебания создают квазиоднородную или неоднородную, но регулярную деформацию по ширине области засветки.
Задачи диссертации:
Разработка экспериментальных методик исследования особенностей взаимодействия рентгеновских и длинноволновых упругих волн.
Создание экспериментальной установки по исследованию дифракции рентгеновских лучей в кристаллах, промодулированных длинноволновым ультразвуком на основе трёхкристального рентгеновского спектрометра. Создание системы возбуждения и контроля ультразвуковых колебаний в кристаллах. Создание системы стробоскопической регистрации дифрагированного рентгеновского пучка, сопряженной с системой возбуждения ультразвука в образцах и позволяющей регистрировать дифрагированный пучок только при определенном значении фазы колебаний рентгеноакустического резонатора.
Разработка методик стробоскопической регистрации дифрагированного рентгеновского пучка в момент определенной фазы колебаний кристалла.
Разработка и исследование специальных рентгеноакустических резона-
торов, состоящих из пластины исследуемого кристалла (монокристаллического кремния или германия) и пластины пьезопреобразователя (кристалла лангасита, кварца или ниобата лития определенной ориентации) и обеспечивающих возбуждение высокодобротных продольных колебаний растяжения-сжатия по длине исследуемого кристалла.
Проведение экспериментальных исследований и разработка методик, позволяющих исследовать распределение амплитуды ультразвуковой деформации по длине исследуемого кристалла с разрешением равным ширине рентгеновского пучка, в частности, для локализации участков с требуемым распределением амплитуды деформации при позиционировании пучка в экспериментах.
Проведение времяразрешающих исследований по изучению особенностей Лауэ-дифракции рентгеновских лучей на участке кристалла, где распределение ультразвуковой деформации в пределах ширины области засветки кристалла рентгеновским пучком носит однородный или градиентный характер.
Расчет профилей деформации по ширине области засветки образца рентгеновским пучком для различных фаз колебаний и пространственного положения пучка.
Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов:
Впервые предложена классификация рентгеноакустических взаимодействий в зависимости от соотношения между длиной ультразвуковой волны и шириной рентгеновского пучка. Отмечены особенности взаимодействия для каждой из трех выделенных областей,
Исследованы особенности длинноволновых колебаний рентгеноопти-ческих элементов.
Изучено влияние облучения на электромеханические характеристики лангасита. В результате проводимых экспериментов была установлена
стабильность электромеханических характеристик лангасита под воздействием жестких излучений.
Разработана методика, позволяющая с помощью рентгенодифракци-онных методов оперативно исследовать распределение амплитуды деформации, созданной продольной ультразвуковой волной по длине кристалла, с пространственным разрешением, не превышающим ширину пучка. Достоинством разработанной методики является оперативность получения данных при невысоких интенсивностях рентгеновских пучков. Что, в частности, позволило выявить участки кристалла, где деформация имеет однородный либо градиентный характер.
Впервые экспериментально показана возможность как однородной, так и градиентной периодической во времени модуляции параметра кристаллической решетки длинноволновым ультразвуком, что, в свою очередь, дает возможность электронного управления угловым положением и пространственной структурой рентгеновского пучка.
По данным стробоскопически измеренных кривых дифракционного отражения (КДО) на основе модели дифракции рентгеновских лучей на регулярно искаженных кристаллических решетках разработана методика расчета профиля деформации внутри области засветки кристалла рентгеновским пучком.
Обнаружен и исследован эффект суперпозиции статической деформации, образовавшейся в кристалле в результате склейки и динамической ультразвуковой деформации.
Практическая ценность работы:
1. Разработанная методика по изучению распределения ультразвуковой деформации позволяет на источниках с небольшой интенсивностью оперативно визуализировать распределение интенсивности деформационного поля, созданного длинноволновым ультразвуком в кристал-
лах, и количественно анализировать амплитуду деформации на различных участках кристалла. Такая информация важна как для физической акустики, так и для определения параметров и контроля качества разнообразных устройств пьезотехники и акустоэлектроники.
Экспериментально реализованные угловые смещения брэгговского пика и изменения формы КДО могут быть использованы для разработки схем отклонения рентгеновского пучка, изменения его структуры и управления длиной волны. В таких рентгенооптических схемах для управления угловым положением и длиной волны рентгеновского пучка может быть использована область кристалла с однородным распределением ультразвуковой деформации, а для управления пространственными характеристиками рентгеновских пучков может быть использована область кристалла, где распределение деформации имеет градиентный характер.
По максимальному угловому смещению брэгговского пика кривых дифракционного отражения, измеренных в фазе максимального растяжения и максимального сжатия кристалла, при прохождении рентгеновского пучка сквозь область кристалла с однородной деформацией можно рассчитать фактическую деформацию кристаллической решетки с точностью до сотых ангстрема.
Разработанная методика определения распределения деформации внутри области засветки кристалла рентгеновским пучком может быть использована для получения профиля деформации с высоким разрешением.
Данные о стабильности электромеханических свойств лангасита при облучении могут быть полезны для пьезодатчиков, работающих в условиях облучения.
Основные положения, выносимые на защиту:
Классификация рентгеноакустических взаимодействий в кристаллах в зависимости от соотношения между длиной ультразвуковой волны и размером рентгеновского пучка на образце,
Подробное описание взаимодействия рентгеновского излучения с длинноволновым ультразвуком.
Методика, получения распределения деформации, создаваемой ультразвуковой волной в кристаллах, посредством интегрального во времени измерения КДО в условиях возбуждения ультразвуковой волны в кристаллах.
Экспериментальная реализация квазиоднородной в пределах ширины рентгеновского пучка и переменной во времени деформации, с помощью которой можно управлять угловым положением рентгеновского пучка.
Экспериментальная реализация переменной во времени деформации, распределение которой в пределах ширины рентгеновского пучка имеет градиентный характер, описываемый линейным законом. С помощью такой деформации можно управлять пространственными характеристиками рентгеновского пучка,
Обнаружение эффекта суперпозиции статической и динамической деформации.
Методика определения распределения деформации внутри области засветки кристалла рентгеновским пучком
Влияние облучения на электромеханические характеристики кристаллов лангасита.
Апробация работы. Результаты работы докладывались
на молодёжном конкурсе научных работ ИКРАН в 2005 году (работа удостоена 1-й премии);
на 2-й Всероссийской молодежной научной школе «Микро- и нано-
технологии и их применение», 2005, ИПТМ РАН, Черноголовка (работа удостоена 1-го места). На международных и национальных конференциях:
IV Национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов. 17-22 ноября 2003 г. Москва.
V Национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования наноматериалов и наносистем. 2005 г. Москва.
2004 IEEE International Frequency Control Symposium and Exposition, Montreal, Canada.
23rd European Crystallographic Meeting. August 6 to 11, 2006, Leaven, Belgium.
Основные результаты работы отражены в следующих публикациях:
М.В. Ковальчук, A.E. Благов, В.В. Лидер, Ю.В. Писаревский. Рентге-ноакустические взаимодействия в кристаллах с использованием длинноволнового ультразвука. // Тезисы IV национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов. ИКРАН, Москва, 2003. С. 440.
А.Е. Благов, М.В.Ковальчук, В.Г. Кон, В.В. Лидер, Ю.В. Писаревский. Исследование возможностей управления рентгеновским пучком с помощью кристалла, подвергнутого длинноволновым ультразвуковым колебаниям. // Тезисы V национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования наноматериалов и наносистем. ИКРАН, Москва, 2005. С. 431.
А.Е. Благов, М.В.Ковальчук, В.Г. Кон, В.В. Лидер, Ю.В. Писаревский. Исследование возможностей управления рентгеновским пучком с помощью кристалла, подвергнутого длинноволновым ультразвуковым
колебаниям. II ЖЭТФ, 128, вып. 5(11), 2005, с. 893-903.
А.Е. Благов, М. В. Ковальчук, В. Г. Кон, Ю. В. Писаревский. Динамическое изменение параметра решетки кристалла с помощью ультразвука в рентгенодифракционных экспериментах. // Кристаллография, 51, вып. 5,2006, с. 1-6.
A.E. Blagov, G.D. Mansfeld, B.V. Mill, Y.V. Pisarevsky, V.A. Skuratov and Y.L. Vorochovsky. Influence of Electron and y-Irradiation on Piezoelectric and Elastic Properties of Langasite Crystals. II Proc 2004 IEEE International Frequency Control Symposium and Exposition, P2FC-F-2.
A.E. Благов, M.B. Ковальчук, В.Г. Кон, В.В. Лидер, Ю.В.Писаревский Исследование возможностей управления рентгеновским пучком с помощью кристалла, подвергнутого длинноволновым ультразвуковым колебаниям. // Тезисы II Всероссийской молодежной научной школы «Микро-, нанотехнологии и их применение», ИПТМ РАН, Черноголовка, 2005 г. стр. 21.
A.E. Blagov, «Possibilities of Controlling an X-ray Beam with a Crystal Subjected To Ultrasonic Vibrations» Proc ECM23, Leaven, Belgium, 2006.
Изучение рассеяния рентгеновских лучей на искаженных ультразвуком кристаллических решетках
Высокая чувствительность рентгеновских лучей к искажениям кристаллической решетки является основой для эффективного решения, как задач физической акустики, так и задач, связанных с рассеянием рентгеновских волн на искаженных ультразвуком кристаллических решетках.
С точки зрения физической акустики дифракция рентгеновских лучей является одним из наиболее эффективных способов исследования распространения объёмных и поверхностных акустических волн в кристаллах. К таким исследованиям относятся изучение и визуализация картины упругого волнового поля, изучение распространения стоячих и бегущих волн, измерение амплитуды ультразвуковых колебаний, наблюдение и изучение структуры связанных мод колебаний, а также качественный и количественный анализ волновых процессов.
Дифракция рентгеновских лучей широко используется для различных прикладных задач, связанных с изготовлением элементов и устройств акустоэлектроники. В частности проводится изучение колебательных мод пьезорезонаторов, изучение влияния дефектов и крепления пьезоэлементов на характер акустических колебаний
В современных средствах связи и различных телекоммуникационных системах (мобильные телефоны, навигационные системы, телевидение, беспроводной Интернет и т.д.) особенно широко применяются акустоэлектронные компоненты, принципы работы которых, основаны на возбуждении поверхностных акустических волн (ПАВ). Для элементов на ПАВ рентгеновские методы исследования распространения акустических волн являются одними из самых эффективных, т.к. дифракция рентгеновских лучей происходит в приповерхностной области, где как раз и сосредоточена поверхностная акустическая волна.
Одним из основных методов исследования распространения объемных и поверхностных акустических волн в кристаллах является метод высокоразрешающей рентгеновской топографии. Метод основан на высокой чувствительности рентгеновского излучения к искажениям кристаллической решетки акустической волной и является одним из уникальных методом количественного и качественного анализа распространения упругих волн в кристаллах. Данный метод позволяет в широком частотном диапазоне (от нескольких десятков кГц до нескольких ГГц) с высоким пространственным разрешением измерять характеристики акустических волн, визуализировать рассеяние потока колебательной энергии и исследовать взаимодействие акустических волн с дефектами кристаллической структуры.
В работе [1] исследованы колебательные моды и проведен анализ дифракционного контраста сфотографированных с помощью рентгеновской топографии картин колебаний кварцевых резонаторов, применяемых в промышленности. Такой анализ оказывается полезным при оптимизации работ резонансных устройств с целью достижения высоких колебательных характеристик. На рис.1 приведен пример рентгеновской топограммы кварцевого резонатора. При токе 80 мкА/мм2 наблюдается сложная мода колебаний, обусловленная суперпозицией различных мод колебаний и определяемая как состояние ангармонических колебаний, когда в кристалле присутствуют негармонические составляющие высших порядков сдвиговых колебаний по толщине. В работе показано, что ангармонические колебания могут возникать в связи с выбором не оптимального соотношения диаметра резонатора к толщине или неоптимальной толщины напыленного электрода.
В работе [2] исследовалось влияние ультразвуковых колебаний на рентгенотопографический контраст дефектов и полей упругих деформаций, создаваемых ультразвуком в циркулярных кварцевых резонаторах АТ-среза. Авторами показано, что дислокации и распределения полей упругих деформаций в кристалле могут претерпевать искажения при изменении от амплитуды ультразвука. Наблюдалось расщепление дислокаций, изменение контраста дислокаций по длине или обращение контраста дислокаций из черного в белый. На основе расчета проекционных изображений дислокаций определен характер деформаций в объёме кристалла и рассчитана амплитуда колебаний путем сравнения экспериментальных топограмм с изображениями дислокаций.
Возможности рентгеновской топографии для изучения колебаний в кристаллических элементах продемонстрированы в [3], где исследовались колебания резонаторов из кристаллов лангасита и фосфата галлия. Из рис. 2 хорошо видна анизотропия распределения амплитуды колебаний в прямоугольной пластине и изменение этого распределения при переходе от одного обертона к другому. Также видно, что появление паразитных резо-нансов на амплитудно-частотной характеристике можно объяснить появлением высокочастотных субгармоник, которые зафиксированы на рентгено-топографическом снимке.
Экспериментальная установка для изучения рентгеноакустических взаимодействий в кристаллах
Изучение рассеяния рентгеновских лучей на искаженных ультразвуковыми волнами или колебаниями кристаллических решетках является одной из актуальных задач рентгеновской оптики. С этой точки зрения дифракционные явления, характерные для искаженного кристалла, в случае периодического деформационного поля, создаваемого ультразвуковой волной, реализуются в наиболее отчетливой форме, что позволяет провести их анализ. Ультразвуковые колебания позволяют изучать поведение рентгеновского волнового поля внутри кристалла. Важные приложения связаны с возможностью управления пространственно-временной структурой рентгеновских волн с помощью акустического воздействия на кристаллическую решетку, являющуюся также дифракционной решеткой для рентгеновской волны.
Так, в работах [7] в геометрии Лауэ с помощью ультразвука, распространяющегося по нормали к поверхности кристалла был обнаружен, а в работах [8], [9] экспериментально и теоретически исследован эффект резонансного подавления аномального прохождения рентгеновских лучей (эффект Бормана) при длине волны ультразвука, стремящейся к длине экстинкции.
Эффект осцилляции интенсивности дифрагированного рентгеновского пучка в зависимости от амплитуды ультразвука был исследован в работах [10],[11]. Авторами было экспериментально и теоретически показано, что интегральная интенсивность рентгеновского рефлекса осциллирует в зависимости от амплитуды возбуждаемого в кристалле ультразвука с длиной волны меньше экстинкционной длины. Такие колебания интенсивности обусловлены эффектом экстинкционных биений на сателлитах основного отражения, или, другими словами, возникновением дополнительных щелей на дисперсионной поверхности в кристалле с периодическим полем смещений. Наблюдение эффекта так же позволило абсолютным методом, с высокой чувствительностью и локализацией проводить измерение амплитуды ультразвука.
В работах [12],[13],[14] изучены особенности формирования дифракционного контраста в секционной топографии в условиях возбуждения в кристалле поперечной ультразвуковой волны. Проанализированы особенности формирования распределения интенсивности волновых полей в объёме и на выходной поверхности кристалла в зависимости от амплитуды и длины волны акустических колебаний. Исследован предсказанный И.Р. Энтиным эффект фокусировки дифракционного волнового поля в узкой области центра палатки Бормана при длине волны ультразвука равной длине экстинкции. На рис. 4а представлено распределение дифрагированной волны внутри палатки Бормана в условиях рентгеноакустического резонанса (Я, = т). Видно, что возбуждение акустических колебаний приводит к значительному усилению интенсивности в узкой области в центре палатки Бормана, которое можно трактовать, как фокусировку дифрагированного рентгеновского пучка в условиях рентгеноакустического резонанса. При не соблюдении условия равенства длины ультразвука и экстинкции восстанавливается картина маятниковых осцилляции рис. 46. Характер изменения интенсивности отчетливо свидетельствует о том, что основное изменение в интенсивности дифрагированного пучка происходит в центре палатки Бормана. При увеличении амплитуды ультразвука интенсивность имеет осциллирующий характер. Это происходит за счет изменения длины экстинкции при различных мощностях ультразвука.
В работе [15] экспериментально подтвержден эффект переброски рентгеновского пучка из направления прохождения в направлении отражения, предсказанный в теоретической работе [16], при этом, длина волны ультразвука, в два раза превышала толщину кристалла. Следует отметить работу [17], в которой было проведено исследование влияния статических деформаций на рассеяние рентгеновских волн в условиях возбуждения ультразвука. В работе получена «аномальная» зависимость интегральной интенсивности дифрагированных рентгеновских пучков от амплитуды ультразвуковой волны. На основе полученных экспериментальных данных проведена калибровка ультразвукового поля в кристалле кремния.
Уширение кривых дифракционного отражения в зависимости от амплитуды ультразвука было зафиксировано в работе [18]. В эксперименте ультразвук возбуждался по нормали к поверхности кристалла, измерения проводились с использованием стробоскопической техники. Авторами отмечено, что контролируемое уширение кривой дифракционного отражение открывает возможности управления интенсивностью дифрагированного рентгеновского пучка.
В работах ,[19]-[27] исследовалась дифракция рентгеновских лучей в геометрии Брэгга при возбуждении в кристаллах ПАВ. При этом в области засветки кристалла пучком укладывалось большое число длин упругих волн. В этих условиях в кристалле образуется сверхрешетка, приводящая к возникновению дополнительных максимумов отражения рентгеновского пучка (сателлитов) и уменьшению отражения в основной максимум. В результате проведенных исследований был разработан рентгеноакустиче-ский прерыватель - электронный аналог механического прерывателя пучка, и с помощью которого была успешно осуществлена передача информации (компьютерный файл) в рентгеновском диапазоне длин волн. В настоящее время научным коллективом отдела рентгеновской оптики ИПТМ РАН ведутся работы по созданию на основе ПАВ фокусирующего рентгеноаку-стического дефлектора. В этом устройстве с помощью ПАВ формируется топология зонной пластинки Френеля. Структура зон подбирается таким образом, чтобы дифрагированное на ПАВ излучение оказалось сфокусированным в заданном порядке дифракции. Изменяя затем длину волны ПАВ, можно осуществлять сканирование сфокусированным рентгеновским излучением в некотором угловом диапазоне.
Возбуждение продольных длинноволновых ультразвуковых колебаний в кристаллах-монохроматорах из кремния и германия
Высокочастотный ультразвук, длина волны которого меньше ширины области засветки кристалла рентгеновским пучком, образует дополнительную дифракционную решетку для рентгеновской электромагнитной волны. Эта сверхрешетка является достаточно тонкой при условии Л1УЛ2 1. С точки зрения теории дифракции это случай дифракции Рамана-Ната, когда наряду с основными рентгеновскими пучками появляются дополнительные пучки, дифрагированные на сверхрешетке и распространяющиеся под углами Э Хп/Л, где п - порядок дифракции. Эти дифрагировавшие на сверхрешетке рентгеновские волны в рентгеноакустике называются сателлитами [28]. Как следует из теории дифракции, зависимость интенсивности дифрагированного на сверхрешетке луча от мощности упругой волны определяется функцией Бесселя соответствующего порядка.
С началом развития акустоэлектроники в 70-х годах прошлого века появились работы по взаимодействию с высокочастотным ультразвуком. В первых работах для возбуждения коротковолнового ультразвука использовался акустоэлектрический эффект генерации фононов носителями тока, ускоренными электрическим полем. Применяя данный метод, авторы получали интенсивное квазимонохроматичное поле деформаций с четким направлением распространения и поляризацией. На частотах ниже 5 ГГц характеристики фононов изучались методом мандельштам-бриллюэновского рассеяния света. Но перейти к частотам выше 5ГГц не представлялось возможным для оптических методов, поскольку длина волны фононов оказывается меньше световой. Частотный диапазон 5-ЮОГГц может быть сравнительно легко исследован рентгеновскими методами.
В работах [29] спектр фононов был исследован с помощью однокристальной рентгеновской методики. На частотах 10 ГГц авторы наблюдали уменьшение интенсивности упругого пика и возникновение диффузного фона - на кривых дифракционного отражения по Брэггу появлялись широкие крылья, связанные с рассеянием на фононах. Интенсивность упругого пика была на два порядка выше интенсивности пиков неупругого рассеяния, а угловое положение неупругих пиков находилось на расстоянии в 3 угловых минуты, что соответствовало частоте фононов 50 ГГц.
При частоте фононов 1 ГГц наблюдались рост интегральной интенсивности и уширение профиля кривой дифракционного отражения. В этом случае разрешения однокристальной методики недостаточно для разделения упругого и неупругого рассеяния. В работах [30]-[33] в кристаллах GaAs и CdS наблюдалось рассеяние рентгеновских лучей на фононах с частотой ЗГТц. При этом было достигнуто более чем трёхкратное увеличение интегральной интенсивности дифрагированного рентгеновского пучка.
Использование двухкристальной методики позволило разрешить упругое и неупругое рассеяние на сравнительно низких частотах 1 ГГц. В работах [34], [35], [36], [37] были проведены эксперименты на достаточно совершенных кристаллах InSb при температуре жидкого азота в поперечном магнитном поле с напряженностью 1 кгс. Наличие магнитного поля позволило авторам не только повысить коэффициент акустоэлектрического усиления в сравнительно слабом электромагнитном поле, но и уменьшить рассеянную в образце мощность, за счет повышения сопротивления. Источником излучения служил импульсный рентгеновский генератор, который производил импульсы с частотой 120 импульсов в секунду. Ускоряющее электрическое поле включалось в течение каждого второго рентгеновского импульса. С помощью многоканального анализатора велась параллельная запись кривых дифракционного отражения для возбужденного и невозбужденного состояния кристалла. Это позволило исключить эффекты дрейфа. Пример кривых дифракционного отражения, полученных в брэгговской геометрии в работе [34] представлен на рис. 7. Частоты фононов, определенные по угловому положению сателлитов первого порядка, хорошо согласовались с расчётными значениями частоты фононов. Следует отметить, что с увеличением частоты колебаний фононов появляются сателлиты второго порядка.
Рентгеноакустические взаимодействия в области высокочастотного ультразвука можно наблюдать, как при распространении объемных волн в кристаллах, так и при дифракции рентгеновских лучей на поверхностных акустических волнах (ПАВ),
Исследование высокочастотных ПАВ рентгенодифракционными методами осуществляется в Брэгговской геометрии. Если дифрагированный пучок регистрируется на фотопластинке, то деформации кристаллической решетки характеризуются плотностью почернения рентгеновской топо-граммы кристалла, однако связь между плотностью почернения и деформацией носит достаточно сложный характер. Установлено, что с увеличением амплитуды колебаний возрастает и интенсивность почернения топограмм. При возбуждении ПАВ в кристалле возникающая деформация представляет собой результат интерференции основной и побочной моды, их гармоник и отраженной от границы кристалла ПАВ. И интенсивность дифрагированного пучка несет информацию о сложном деформационном состоянии кристаллической решетки. Рентгеновские топограммы, полученные при дифракции рентгеновских лучей на кристаллах, в которых возбуждена ПАВ, можно фотометрировать по вертикальной и горизонтальной координате, и изучать, таким образом, смещения и распределения амплитуды деформации, обусловленные распространением ПАВ в кристалле.
Первые работы [38],[39] по исследованию дифракции на ПАВ проводились на рентгеновском дифрактометре по двухкристальной схеме. ПАВ возбуждалась на кристалле ниобата лития. Рентгеновский пучок регистрировался сцинтилляционным детектором рентгеновских квантов с наносе-кундным временем отклика. Перед детектором была установлена многощелевая маска с периодом щелей, совпадающим с длиной поверхностной акустической волны. В результате период модуляции интенсивности дифрагированного рентгеновского излучения, зарегистрированного детектором, соответствовал периоду акустической волны.
Модель дифракции рентгеновских лучей на кристаллических решетках с медленно меняющейся деформацией по ширине рентгеновского пучка
Интенсивность рентгеновского сателлита зависит от мощности ультразвуковой волны, а его пространственное положение (угол дифракции на сверхрешетке) - от частоты этой волны. При дифракции рентгеновского излучения на многослойном зеркале, модулированном ПАВ, удается перенаправить в первый дифракционный порядок свыше 50% излучения. На этом принципе в работах [40],[41] по управлению интенсивностью рентгеновского пучка с помощью высокочастотного ультразвука авторами была предложена и реализована оригинальная схема акустоэлектронного преры вателя, которая является, по сути, электронным аналогом механического прерывателя - чоппера и позволяющая прерывать дифрагированный рентгеновский пучок с наносекундной точностью. С помощью аналогичной методики в работе [42] реализована передача информации в рентгеновском диапазоне длин волн с помощью поверхностных акустических волн. Высокая частота ультразвуковой волны позволяет осуществлять модуляцию рентгеновской волны с высокой частотой. В цитируемой работе поверхностная акустическая волна модулировалась видеоимпульсом. Таким образом, сателлит появлялся только в течение распространения импульса упругой волны через область засветки кристалла рентгеновским пучком. Следовательно, рентгеновский сигнал от сателлита приобретает импульсный характер, который и был зарегистрирован экспериментально. Авторы предлагают передавать кодово-импульсную информацию (которую они называют бинарной), используя рентгеновский луч как несущую волну. Авторы оценивают достигнутую скорость передачи информации 10 кбайт/с и связывают эту скорость с интенсивностью источника (использовалась 12 кВт трубка с вращающимся анодом). При использовании более интенсивных источников авторы полагают возможность увеличения скорости до 10 Мбайт/с. Следует отметить, что в данном случае будет существовать ограничение, связанное с тем, что интегральная мощность волны в одном сателлите при дифракции Рамана-Ната не может превышать 30% от мощности падающего луча. Правда, авторам удалось достичь увеличения пиковой интенсивности до 50 % за счет применения многослойных зеркал.
Следует отметить, что при реализации условия A,L/A2 1 (где L - глубина проникновения рентгеновского луча) сверхрешетка становится достаточно толстой для рентгеновской волны (это с точки зрения теории дифракции - случай дифракции Брэгга) и появляется только один дифракционный пик, отстоящий от основного на угол 9=Х/А. При этом возможна практически полная перекачка (при достаточной мощности упругой волны) дифрагированного брэгговского пучка в сателлит. Такая перекачка возможна и для падающего рентгеновского луча. Этот случай пока не реализован экспериментально.
Особняком стоит узкая область частот упругих волн, соответствующая условию равенства длины волны звука глубине экстинкции т: Л«т. При этом условии в определенной геометрии происходит подавление аномального прохождения рентгеновского излучения - это так называемый рентгеноакустическнй резонанс.
Акустическая волна с произвольными параметрами вызывает деформацию кристаллической решетки того же порядка, что и деформация иной природы, ее чувствительность к подобным искажениям сильно зависит от величины цТ (ц - коэффициент линейного поглощения рентгеновского излучения, Т - толщина образца). Обнаруживаемые деформации порядка угловой ширины брэгговского рефлекса. Но при определенной геометрии наблюдается эффект подавления аномального прохождения, имеющий резонансный характер. Наиболее ярко резонанс проявляется, если волновой вектор ультразвуковой волны параллелен следу отражающей плоскости в плоскости рассеяния, Ks=Ksz,
Первые эксперименты проводились авторами [43], [44], [45] на отражениях (220) и (440) совершенного монокристалла Si толщиной 7,85 мм. С помощью кварцевого преобразователя Y-среза с основной частотой -10 МГц, который склеивался с образцом легкоплавким органическим соединителем, возбуждались поперечные ультразвуковые колебания (рис. 9). Ультразвук возбуждался таким образом, чтобы вектор поляризации акустической волны был параллелен вектору дифракции (220) ё31 Щю), а волновой вектор перпендикулярен входной поверхности кристалла.
