ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 10, с. 46-50
УДК 536.21.33:621.375.826
НЕЛИНЕЙНЫЙ ВОЛНОВОЙ ПРОЦЕСС СОЛИТОННОЙ ПРИРОДЫ КАК СРЕДСТВО ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД
© 2004 г. Е. М. Кудрявцев, С. Д. Зотов
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия Поступила в редакцию 29.11.2003 г.
Представлены результаты экспериментов, доказывающие, что лазерный импульс вызывает в монокристалле синтетического опала медленные упругие уединенные волны, приводящие к положительным локальным вариациям температуры. Аналогичные волны того же знака вариации температуры возбуждаются в плавленом кварце. Структура монокристалла опала проявилась в том, что скорость указанных волн отличается для трех взаимноперпендикулярных направлений на величину до 50%.
ВВЕДЕНИЕ
В нашей работе [1] уже обсуждалась возможность изучения структуры и свойств конденсированных тел по особенностям распространения в них солитоноподобных возбуждений, представляющих собой медленные упругие уединенные волны. Были приведены сведения о вполне доступных способах возбуждения, регистрации в самых различных конденсированных средах таких солитоноподобных волн изменения отражения и проводимости (ВИОП). Они представляют собой разновидность явлений переноса энергии. Одиночный импульс возбуждает в среде целую последовательность (более 30) уединенных долгоживу-щих нелинейных волн - импульсов сжатия (или разрежения) с дискретными (падающими каждый раз вдвое) скоростями, величина которых (и соответственно "жесткость" импульса, например, при зондировании среды) меняется на девять порядков (от км/с до мкм/с).
Механизм ВИОП, который бы объяснял все обнаруженные свойства этих волн, еще не установлен. Однако можно думать, что знак амплитуды импульсов является одной из характеристик материала, в котором распространяется последовательность волн.
В [2] уже сообщалось о том, что в синтетическом опале удалось возбудить серию компонентов вышеописанной ВИОП (впервые). Этот материал является единственным натуральным фотонным кристаллом, и перспективы использования его для нанотехнологии расцениваются очень высоко [3]. В настоящей работе показано, что для монокристаллического синтетического опала, в основе своей состоящего из молекул БЮ2, а также для плавленого кварца, прохождение ВИОП вызывает локальные вариации температуры поло-
жительного знака. Структура монокристалла опала проявилась в том, что скорость фиксированной компоненты ВИОП отличается для трех взаимно перпендикулярных направлений на величину до 50%.
ЭКСПЕРИМЕНТ
О возбуждении в образце искомых компонент ВИОП мы судили по обратимым импульсным изменениям измеряемого параметра исследуемого материала. Как и в работе [1], распространение таких возбуждений мы регистрировали, а затем рассчитывали их скорости. Скорость ВИОП - наиболее легко определяемая характеристика такой волны. В [1] применялся метод регистрации вариаций оптического отражения. Этот метод требует дополнительных данных, если нужно найти другую важную характеристику ВИОП в данной среде и самой среды - знак вариации термодинамических параметров (температуры, давления, плотности) материала при прохождении ВИОП.
В настоящей работе мы применяли метод регистрации ВИОП с помощью датчиков тепла -транзисторных датчиков, которые можно размещать на разных поверхностях образца и на разных расстояниях от места облучения - эпицентра. Этот метод позволяет однозначно выявить знак вариации температуры среды в волне, поскольку на той же записи при определенных условиях можно зарегистрировать и обычный, диффузионный нагрев.
Принципиальная схема экспериментальной установки проста. Применялся СО2-лазер непрерывного действия с длиной волны излучения 10.6 мкм и мощностью 4-7 Вт. Для облучения образцов фотозатвор формировал импульс излучения с передним фронтом около 5-8 мс и длитель-
Рис. 1. Усредненные по нескольким опытам кривые Т(г) для синтетического опала: а - для датчиков А и С; б - для датчика В. Штриховой линией показан лазерный импульс.
ностью 50-300 мс. Излучение фокусировалось ИК-линзой / = 600 мм на поверхность образца. Расположение эпицентра воздействия по отношению к тепловым датчикам на исследовавшихся образцах опала и кварца показано на врезках к рис. 16, 26. Монокристаллический (по сведениям изготовителя) образец синтетического опала имел толщину 3 мм и форму, близкую к кругу диаметром 45 мм. Направление главных осей монокристалла пока не установлено. Образец плавленого кварца (французского производства) имел форму круглого диска с диаметром 35 мм, толщиной тоже 3 мм.
В качестве тепловых датчиков применялись отечественные миниатюрные (0.5 х 0.5 мм) транзисторные устройства с временем разрешения около 20 мс. Они приклеивались к образцам тонким слоем лака.
На рис. 1а, б представлены для образца синтетического опала усредненные по записям для нескольких опытов кривые Т(г) изменения со временем г температуры Т в районе датчиков. Штриховыми вертикальными линиями показано положение лазерного импульса на шкале времени. Рис. 1а - записи с датчиков А и С (расположенных на передней поверхности образца, в 0.62 см и 1.2 см от эпицентра воздействия О по взаимнопер-пендикулярным направлениям ОА и ОС). Рис. 16 -запись с датчика В, расположенного на тыльной стороне образца как раз напротив эпицентра воздействия, то есть на расстоянии 0.3 см, соответствующем толщине образца в этом месте.
Поскольку применялись тепловые датчики, то основная и обычно регистрируемая, хорошо известная деталь на всех достаточно длинных записях Т(г) (как на рис. 16) - плавный широкий максимум при гтах, соответствующий приходу тепла к участку образца, на котором расположен данный датчик. Его хорошо видно на рис. 16, где гтах = 5.2 с.
Так как расстояния от эпицентра до датчиков разные, то и времена наступления максимумов
нагрева разные на всех записях. На рис. 1а развертка слишком короткая, чтобы увидеть обсуждаемый максимум тепла в районе датчика С, но приближение максимума в районе датчика А на этой развертке заметно.
С точки зрения обсуждаемой в настоящей работе проблемы исследования ВИОП важно, что приводимые здесь записи наглядно и убедительно демонстрируют наличие еще одной важной особенности экспериментальных зависимостей Т(г). На эту особенность до нас никто не обращал внимания [6]. Очевидно, что гораздо раньше, чем диффузионное тепло, к датчику приходят упругие уединенные волны - компоненты ВИОП, которые в рассматриваемых опытах также вызывают небольшой нагрев материала (но для других материалов могут вызывать локальное охлаждение). Эти волны хорошо видны на рис. 1а и рис. 2а. Чувствительность системы регистрации и уровень шумов (менее ±0.01 К) таковы, что сигналы на уровне 0.02 К уже различимы, достоверны и их причину можно обсуждать. На записи А рис. 1а сигнал А1 достигает 0.26 К, то есть в 13 раз больше предельно различимого. Хуже видны компоненты ВИОП на рис. 16 и совсем не видны на рис. 26, причиной этого является недостаточная толщина образцов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Переходя к результатам исследования, часть которых представлена на рис. 1а, б и рис. 2а, б, можно констатировать следующее.
Случай синтетического опала. Время гтах в направлении ОВ (поперек образца) составляет 5.2 с. Эта величина достаточно хорошо согласуется с результатом теплотехнического расчета, в котором используются измеренные в [4, 5] коэффициент теплопроводности и теплоемкость опала. Измерения в работах [4, 5] были проведены как раз для образца синтетического опала, близкого по
Рис. 2. Усредненные по нескольким опытам кривые Г(?) для плавленого кварца: а - для датчиков А и С, б - для датчика В. Штриховой линией показан лазерный импульс.
свойствам к нашему образцу, поскольку оба образца были изготовлены по одной технологии в одной лаборатории. Кроме того, измерения теплопроводности были выполнены в [4] для представленного на рис. 16 случая измерения распространения тепла в направлении (111). Записи на рис 1а, б показывают приход к тепловым датчикам уединенных волн, обратимо повышающих температуру образца. Скорость их меняется в пределах 0.5-3.8 см/с.
В соответствии с результатами предыдущих исследований ВИОП в различных конденсированных средах [6], можно утверждать, что наблюдаемые нами уединенные волны и есть компоненты ВИОП. Полученные результаты для скоростей ВИОП в монокристалле опала относятся к трем направлениям распространения. По сведениям изготовителя, монокристалл выращен в направлении (111), то есть в направлении поперек кристалла (у нас - направление ОВ). Как уже отмечалось, направление других осей кристалла для исследовавшегося образца пока не установлено.
На лицевой поверхности в направлении ОА
полученная скорость (по положению пика А1)
есть иА = 2.30 см/с = 0.72 .
Экспериментальные данные о скорости (в см/с) одной из компонент ВИОП для монокристалла синтетического опала и плавленого кварца
Направление на образце Скорость компоненты ВИОП, см/с
Синтетический опал, 1 = 17 Плавленый кварц, 1 = 18
ОА 1.15 (1.22) 1.67; 1.83
ОВ 1.43 (1.52) -
ОС 0.94 (1.00) 1.98
На лицевой поверхности в направлении ОС получено значение (пик С1) иС = 3.75 см/с = 0.58 и 151с.
На тыльной поверхности (то есть в направлении ОВ) получено значение (пик В1) иВ = 1.43 см/с = = 0.89 и 171с.
Измеренные значения скоростей компонент ВИОП можно привести к одинаковому значению номера компоненты ВИОП, I = 17. Для этого достаточно полученное значение иг- поделить или помножить на некоторое количество двоек в соответствии с выражением иг- = v//(2)г, где V; - продольная скорость звука [6]. Данные, полученные после такой операции приведения, сведены в таблицу. Из таблицы видно, что приведенные скорости компоненты и17 заметно различаются для разных направлений в кристалле опала. Как следует из данных, приведенных в таблице для аналогичных измерений в случае плавленого кварца, и как показывают оценки, случайная ошибка измерений в наших опытах составляет около 10%. В то же время, если принять за единицу значение
наименьшей скорости иС, то з
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.