научная статья по теме УПРАВЛЕНИЕ ГРАДИЕНТОМ ДЕФОРМАЦИИ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ, СОЗДАННЫМ НИЗКОЧАСТОТНЫМ УЛЬТРАЗВУКОМ Химия

Текст научной статьи на тему «УПРАВЛЕНИЕ ГРАДИЕНТОМ ДЕФОРМАЦИИ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ, СОЗДАННЫМ НИЗКОЧАСТОТНЫМ УЛЬТРАЗВУКОМ»

КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2008, том 53, № 3, с. 411-415

ДИФРАКЦИЯ И РАССЕЯНИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

УДК 548.73

УПРАВЛЕНИЕ ГРАДИЕНТОМ ДЕФОРМАЦИИ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ, СОЗДАННЫМ НИЗКОЧАСТОТНЫМ УЛЬТРАЗВУКОМ

© 2008 г. А. Е. Благов, М. В. Ковальчук, Ю. В. Писаревский, П. А. Просеков

Институт кристаллографии РАН, Москва E-mail: aopt@ns.crys.ras.ru Поступила в редакцию 22.11.2007 г.

Изучены возможности динамической регулировки ультразвукового градиента деформации кристаллической решетки монокристалла германия. Предложены два способа управления созданным низкочастотным ультразвуком градиентом деформации: с помощью изменения частоты, путем регулировки амплитуды ультразвуковых колебаний. Оба способа экспериментально реализованы.

PACS: 61.10.Nz

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время активно развиваются и исследуются методы модуляции интенсивности и пространственного распределения рентгеновского пучка с помощью ультразвука [1, 2]. Физика воздействия существенно зависит от соотношения между длиной волны ультразвука и шириной рентгеновского пучка [1]. В работе выделены две основные группы взаимодействия для разных соотношений между X и Н, где X - длина упругой волны, а Н - ширина области засветки кристалла рентгеновским пучком.

- Область высоких частот, когда Н > X. В этом случае ультразвуковая волна образует сверхрешетку с периодом, равным длине волны ультразвука. Дифракция на сверхрешетке приводит к образованию дополнительных рентгеновских дифракционных максимумов - сателлитов [2].

- Область низких частот, когда X > Н. Отличительной особенностью этой области является создание непериодической (однородной или градиентной) деформации кристаллической решетки по сечению (апертуре) рентгеновского пучка [1, 3].

В [1, 3], посвященных изучению рентгеноаку-стических взаимодействий в области длинноволнового ультразвука, были показаны возможности управления угловым положением дифрагированного рентгеновского пучка с помощью однородной ультразвуковой деформации и влияние неоднородной ультразвуковой деформации на пространственную структуру (сходимость) рентгеновского пучка. С помощью ультразвука были созданы линейно неоднородные регулярно меняющиеся деформации кристаллической решетки вдоль выделенного направления по ширине рентгеновского пучка. Условия дифракции, возникающие при этом, были близки к тем, что используются в изогнутых кристаллах и в кри-

сталлах со статическим градиентом деформации кристаллической решетки. Такие кристаллы широко применяются в рентгеновской оптике для формирования рентгеновских пучков. В частности, в [4] теоретически, а в [5, 6] экспериментально показано, что в зависимости от знака градиента кристалл может работать как изогнутая пластина (выпуклая или вогнутая). При этом рентгеновский пучок будет дефокусироваться или фокусироваться.

В случае дифракции рентгеновских лучей при возбуждении в кристалле низкочастотной ультразвуковой волны можно добиться условий аналогичного воздействия на дифрагированный пучок. В отличие от статического случая величина градиента ультразвуковой деформации меняется по гармоническому закону во времени. Периодичность во времени и гармоничность в пространстве ультразвуковой волны в кристалле позволяют оперативно в широких пределах управлять деформацией кристаллической решетки, что открывает новые возможности по управлению рентгеновскими пучками с помощью перестраиваемых ультразвуком градиентных кристаллических элементов и расширяет рамки применения градиентной рентгеновской оптики.

В этой связи можно утверждать, что создание динамически управляемого градиента деформации открывает новые возможности разработки адаптивной рентгеновской оптики.

Целью настоящей работы является исследование способов регулировки величины градиента ультразвуковой деформации при рентгеноакусти-ческих взаимодействиях. Предложены и реализованы два способа динамического управления деформацией: путем изменения частоты ультразвука, с помощью регулировки амплитуды колебаний.

Щель (2 мм)

Кристалл- Ое образец [110]

резонатор

К,,

Рис. 1. Общая схема экспериментальной установки.

МЕТОДИКИ И СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА

Экспериментальная установка, аналогичная описанной в [3], была создана на базе рентгеновского спектрометра ТРС-1, снабженного системой возбуждения и контроля ультразвука в кристаллах, и системой стробоскопической регистрации дифрагированного рентгеновского пучка (рис. 1).

Стробоскопическая система позволяла регистрировать дифрагированный пучок только в определенной фазе ультразвуковых колебаний, "замораживая" таким образом колеблющийся кристалл в любой фазе. В эксперименте измерялись серии стробоскопических кривых дифракционного отражения при различных условиях создания постоянно градиентной деформации кристаллической решетки по ширине рентгеновского пучка с помощью длинноволнового ультразвука.

Эксперименты проводились по двухкристаль-ной бездисперсионной схеме дифракции рентгеновских лучей спектральной линии МоА^ (рентгеновской трубки БСВ-31) в геометрии Лауэ. Образец представлял собой пластину ве с размерами

18.7 х 4.6 х 0.4 мм ориентацией [111] вдоль [ 110 ]. Как в монохроматоре, так и в образце реализовы-валось симметричное отражение (220). Волновой вектор и вектор смещения упругой волны К. были коллинеарны вектору дифракции Б. Рентгеновский пучок после монохроматора формировался щелью таким образом, чтобы длина ультразвуковой волны многократно превышала ширину пучка на образце. При этом пучок позиционировался на область кристалла с практически линейным распределением ультразвуковой деформации по его ширине (с постоянным градиентом деформации на ширине пучка). Регистрировался дифрагирован-

Рис. 2. Схема составного резонатора.

ный рентгеновский пучок в фазах, соответствующих максимальной деформации кристаллической решетки.

Возбуждение колебаний в кристалле Ое. Колебания в кристалле германия возбуждались с помощью составного резонатора. Резонатор представляет собой две прямоугольные кристаллические пластины (исследуемый образец ве и пьезокристалл-резонатор 8Ю2), склеенные торцевой частью (рис. 2). Ширина пластин должна быть в несколько раз меньше их длины, а торцы плоскопараллельными. Длина исследуемого кристалла многократно превышала ширину рентгеновского пучка на образце (0.1-0.4 мм). Длина пьезокристалла-возбудителя подбирается, исходя из условия равенства собственных частот возбудителя и образца (возникновения механического резонанса в системе).

Таким образом, в резонаторе формируется стоячая продольная ультразвуковая волна, по длине каждого из кристаллов укладывается половина длины упругой волны, максимум деформации приходится на центр кристалла, а узел (минимум) деформации приходится на границу раздела, что позволяет сохранять добротность резонанса. Подробно техника изготовления резонаторов и возбуждения в них низкочастотных ультразвуковых колебаний описана в [1].

При возбуждении резонатора на собственной частоте, распределение амплитуды деформации имеет синусоидальный вид, и при условии Н < X рентгеновским пучком можно локализовать область кристалла с квазипостоянным градиентом ультразвуковой деформации (рис. 3).

Составной резонатор устанавливался в специальный кристаллодержатель, позволяющий жестко крепить кристалл при сохранении высокой добротности колебаний. Для контроля качества изготовления рентгеноакустических резонаторов измерялись их колебательные спектры.

Далее представлены электромеханические амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) резонаторов в областях частот первой (а) и третьей (б) гармоник продольных колебаний резонатора (рис. 4).

Из графиков видно, что резонаторы достаточно эффективно возбуждаются не только на основной частоте, но и на гармониках, что позволяет измерить рентгеноакустические взаимодействия на различных частотах.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Управление градиентом деформации путем изменения амплитуды колебаний. На рис. 5 проиллюстрирован механизм управления величиной градиента ультразвуковой деформации по ширине рентгеновского пучка с помощью варьирования амплитуды колебаний. Приведено распределение амплитуды деформации в кристалле при трех значениях амплитуды управляющего электромагнитного сигнала. Выделенный на рисунке участок, близкий к одному из краев образца, показывает увеличение наклона линейной части кривой (увеличение градиента деформации) при возрастании амплитуды управляющего сигнала и (и1 < и2 < и3). При проведении экспериментов по управлению градиентом деформации путем изменения амплитуды колебаний рентгеновский пучок позиционировался на область кристалла с линейным изменением деформации вдоль длины образца. Измерялись кривые дифракционного отражения в зависимости от мощности ультразвука. Измерения проводились с использованием стробоскопической методики регистрации дифрагированного пучка, и выделялась фаза максимального растяжения кристаллической решетки образца. Для позиционирования пучка на область с квазипостоянным градиентом деформации предварительно было исследовано распределение деформации, созданной ультразвуком по длине кристалла германия. Исследование распределения проводилось рентгенодифракционными методами по ширине кривой дифракционного отражения, измеренной усредненно по всему периоду колебаний [1]. В результате были определены области исследуемого кристалла, где реальное изменение амплитуды ультразвуковой деформации по длине кристалла имеет линейный характер (заштрихованная область на рис. 6).

На рис. 7 приведены кривые дифракционного отражения, измеренные при росте амплитуды переменного электрического сигнала, возбуждающего колебания в кристалле. Кривая 1 соответствует отсутствию колебаний и ультразвуковой деформации, кривая 2 измерена при мощности переменного сигнала 0.3 В, кривая 3 измерена при напряжении 0.6 В.

При больших градиентах ультразвуковой деформации кривая дифракционного отражения имеет прямоугольный вид. Такая же форма кривых дифракционного отражения отмечалась в работах по дифракции рентгеновских лучей на кристаллах со статическим градиентом параметра кристаллической решетки [5, 6].

Управление градиентом де

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.

Показать целиком