ФИЗИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
УДК 548.73
РЕНТГЕНОАКУСТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
© 2013 г. А. Е. Благов, А. Н. Даринский, М. В. Ковальчук, Ю. В. Писаревский,
П. А. Просеков, А В. Таргонский
Институт кристаллографии РАН, 119333, Москва, Ленинский пр-т 59 E-mail.blagov@ns.crys.ras.ru Поступила в редакцию 09.04.2013 г.
В работе представлены результаты изучения акустических характеристик специальных элементов рентгеновской акустооптики, предназначенных для прецизионного управления параметрами рентгеновского пучка с разрешением по времени. Рентгеновские измерения выявили ряд особенностей колебаний рентгеноакустических элементов, не проявляющихся в стандартных электромеханических измерениях. Существование этих особенностей подтверждается численными расчетами акустических полей в элементах такого типа.
Ключевые слова: акустооптические эффекты, рентгеноакустика, составной резонатор, объемные волны в кристаллах, стоячие волны, анизотропия колебаний.
БО1: 10.7868/80320791913050031
ВВЕДЕНИЕ
Исследования особенностей дифракции рентгеновского пучка на колеблющихся кристаллах активно проводятся, начиная с 1931 г. [1] по настоящее время.
Как хорошо известно, для электромагнитных волн рентгеновского диапазона кристаллы представляют объемную дифракционную решетку и при выполнении известного условия Вульфа— Брэгга X = 2d sin 0, где X — длина волны, d — межплоскостное расстояние и 9 — угол падения рентгеновского пучка на кристалл, будет происходить дифракция рентгеновского пучка на кристаллической решетке.
Рентгеноакустические взаимодействия происходят вследствие изменений условий дифракции рентгеновских лучей при деформации кристаллической решетки упругой волной. Работы, проведенные с использованием взаимодействий рентгеновских и упругих волн в кристаллах можно разделить на три направления:
Наибольшее научное развитие и практическое применение получило исследование ультразвуковых колебаний и волн с помощью рентгеновских лучей. Экспериментальное изучение распределения амплитуд деформаций в резонаторах, особенностей распространения поверхностных и объемных волн широко и успешно проводятся с помощью рентгеновского излучения [2].
Второе направление — изучение особенностей физики рентгеноакустических взаимодействий,
анализ влияния ультразвуковых волн с различными пространственными параметрами на распространение рентгеновского поля внутри кристалла. При этом было обнаружено несколько интересных эффектов, связанных с изменением интенсивности и углового распределения отраженного кристаллом пучка. Следует отметить обнаруженное явление рентгеноакустического резонанса [3, 4], приводящего к подавлению аномального прохождения рентгеновских лучей (эффекта Бормана) при совпадении величин длины волны рентгеновского излучения и глубины экстинкции.
Третье направление исследований, к которому относится настоящая работа, аналог классической акустооптики [5] — использование особенностей рентгеноакустических взаимодействий для управления параметрами рентгеновского излучения с помощью ультразвука. Здесь долгое время основные усилия были направлены на реализацию модуляции интенсивности рентгеновского пучка [6, 7].
Сравнительно недавно в работах [8—10] было показано, что с помощью длинноволнового ультразвука можно управлять пространственными и спектральными характеристиками рентгеновского излучения (изменять направление распространения, длину волны, управлять коллимацией пучка). При этом одним из наиболее перспективных способов оказалось использование длинноволнового ультразвука в резонансном режиме, когда в кристалле возбуждается стоячая акустиче-
^раст ~ з
do
Сжатие ^жат • •<
—л/2-, 0 П/2 \
' >>
4
Рис. 1. Рентгенооптическая схема эксперимента измерения КДО c использованием рентгеноакустиче-ского анализатора, в которой исследуемый кристалл и кристалл-анализатор неподвижны. 1 — Рентгеновский источник (трубка) MoKa, 2 — колимирующая щель, 3 — рентгеноакустический Лауэ-монохроматор, 4 — исследуемый кристалл, 5 — детектор.
ская волна, длина волны которой много больше ширины рентгеновского пучка.
УПРАВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРАМИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ НИЗКОЧАСТОТНОГО УЛЬТРАЗВУКА
Схема управления параметрами рентгеновского излучения показана на рис. 1.
Источником излучения 1 в настоящей работе являлась стандартная рентгеновская трубка, в которой рентгеновское излучение генерируется при облучении пучком электронов металлической мишени (материал мишени Mo). Этот источник при достаточном разгоняющем напряжении излучает смесь тормозного (сплошного по спектру) и характеристического (квазилинейчатого) спектров излучения в широком угловом диапазоне с высокой расходимостью. Для уменьшения пространственной расходимости рентгеновский пучок ограничивается щелью 2, после чего направляется под углом Брэгга для выбранной спектральной линии на кристалл—монохроматор 3, что позволяет получить ограниченный в узком спектральном и угловом интервале пучок.
Узкая угловая область дифракции монохрома-тора позволяет получить квазимонохроматич-ный, квазипараллельный пучок, имеющий малую угловую и спектральную расходимость ~1 х 10—4. Если в качестве кристалла—монохроматора использовать рентгеноакустический элемент, то с помощью однородной ультразвуковой перестройки межплоскостного расстояния d (параметра кристаллической решетки) в области засветки рентгеновского пучка, можно управлять пространственными и спектральными параметрами рентгеновского излучения. Необходимость прецизионно поворачивать исследуемый объект 4 или источник 1 для изменения угла падения при этом отпадает. Точность и временное раз-
решение, достигаемые с помощью ультразвукового управления, существенно превосходят традиционные механические подходы, связанные с вращением образца или источника.
В процессе колебаний амплитуда деформации Ad(Ф) кристаллической решетки изменяется по гармоническому закону A d^) = d0 + A sin^ + Ф 0) (ф = roí, w — частота колебаний, t — время, Ф0 — начальная фаза колебаний, d0 — межплоскостное расстояние в отсутствие колебаний) и зависит от фазы колебаний Ф. Поэтому по такому же гармоническому закону и также в зависимости от фазы колебаний будет меняться угол дифракции при фиксированной длине волны в соответствии с формулой Вуль-фа—Брэгга sin 8 = X¡ 2(d0 + A sin^ + Ф 0)). Или же, наоборот, будет меняться длина волны X при фиксированном угле дифракции 9: X = 2sin0(d0 + + A sin^ + Ф 0)). Следовательно, направляя рентгеновский пучок на исследуемый объект и регистрируя зависимость его интенсивности от фазы колебаний 1(Ф) рентгеноакустического кристалла, а для каждой фазы угол падения будет различным, можно на основе полученного "фазового" сканирования угла падения 9(Ф) или длины волны Х(Ф) изучать рассеяние рентгеновского пучка в окрестности дифракционного пика (т.е. в условиях максимальной чувствительности рентгеновской схемы к малым изменениям кристаллической решетки). Такие измерения представляются одной из традиционных и важнейших операций по исследованию твердых тел методами рентгеновской дифрактометрии и спектроскопии. На практике обнаруженные эффекты рентгеноаку-стического взаимодействия впервые были применены для быстрого изменения углового положения коллимированного рентгеновского пучка на кристалле, на основе чего был разработан метод измерения кривых дифракционного отражения с помощью перестраиваемого ультразвукового мо-нохроматора [11].
РЕНТГЕНОАКУСТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ
Традиционными материалами, используемыми для рентгенооптических элементов, являются кристаллы кремния или германия, обладающие совершенством кристаллической структуры и высокой яркостью отражений. Однако у этих кристаллов отсутствуют пьезоэлектрические свойства, и возбуждение упругих колебаний на основе обратного пьезоэффекта в них весьма затруднено. Для возбуждения упругих волн в таких средах применяются внешние пьезоэлектрические (пьезокерамические или пьезокристалли-ческие) преобразователи. Существуют несколько типов конструкций таких элементов, нами был выбран вариант, показанный на рис. 2.
Кристаллические пластины, представляющие собой рентгенооптическую и ультразвуковую составные части будущего резонатора, вводятся в акустический контакт путем склеивания их торцевыми гранями. Получившаяся система представляет собой составную колебательную систему — составной резонатор.
На боковые поверхности пьезокристалла наносятся металлические электроды, на которые подается переменное напряжение, создающее электрическое поле. За счет обратного пьезоэф-фекта в пьезокристалле возникает объемная ультразвуковая волна, которая переходит в рентгено-оптический кристалл. В таком составном резонаторе, в случае если все параметры кристаллов подобраны правильно, на определенной частоте возникает акустический резонанс, и по длине каждого из кристаллов укладывается половина длины упругой волны.
Расчет составного резонатора, на первый взгляд, достаточно прост. Необходимым условием его функционирования, возникновения резонанса в системе, является совпадение собственных резонансных частот рентгенооптического кристалла и кристалла—пьезопреобразователя. В простейшем случае, скорости звука можно считать константами для каждого элемента в выбранном направлении и поэтому резонансная частота должна
определяться следующим образом: Д., = — = —,
р 21П 21Р
где УП и УР — скорости звука, а /П и /Р — длины пье-зокристалла и рентгенооптического кристалла соответственно. Как упоминалось ранее, для эффективного управления рентгеновским пучком требуется, чтобы ширина области засветки кристалла падающим пучком была много меньше длины ультразвуковой волны. Это дает возможность локализовать области градиентной или однородной деформации. В первом случае кристалл будет дополнительно рассеивать рентгеновский пучок. Во втором — деформация будет практически постоянной по пучку и переменной во времени. Именно с помощью такой деформации можно линейно сканировать параметры дифракции (9, X) с высоким временным разрешением, что представляется наиболее перспективным практичес
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.