« Министерство образования и науки Украины Сумский государственный университет ...»

где – суммарная энергия частиц или квантов, излучаемых за единицу времени.

3. Интенсивностью излучения (плотностью потока энергии) (Вт/м2) называется отношение приращения энергии ионизирующего излучения , проходящего через сферу с площадью за время , т. е.

. 66767

Интенсивность излучения изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от источника до точки наблюдения. Поэтому интенсивность излучения указывают на определенном расстоянии от источника (обычно 1 м).

Излучающая часть источников обычно намного меньше расстояния до контролируемого объекта и преобразователя, поэтому можно считать, что интенсивность от расстояния убывает обратно пропорционально его квадрату:

, 68869

где – интенсивность излучения на расстоянии .

Каждый фотон или частица может характеризоваться энергией или ее максимальным значением , которым может быть поставлена в соответствие определенная длина волны или , вычисляемая по известной формуле

, 70971

где – скорость света в вакууме; – постоянная Планка (Джс).

Энергия кванта излучения определяет его проникающую способность и, следовательно, возможность выявления дефектов в контролируемых объектах различной толщины и плотности. Источники ионизирующих излучений могут создавать одновременно кванты широкого спектрального диапазона энергий, которые по-разному взаимодействуют с веществом.

Независимо от конкретного вида ионизирующего излучения при организации радиационного неразрушающего контроля можно отметить две обобщенные схемы: по прошедшему и рассеянному (отраженному) излучениям.

Радиационный контроль по прошедшему излучению имеет наибольшее распространение и заключается в анализе излучения, прошедшего сквозь контролируемый объект. Этот метод особенно широко применяется для целей дефектоскопии и контроля внутреннего строения различных объектов при возможности двустороннего доступа к ним при значительной толщине (до 0,5 м).

Контроль по рассеянному (отраженному) излучению заключается в регистрации излучения в той же области, где расположен источник. Этот метод радиационного контроля применяется для целей толщинометрии и определения свойств материала. Он используется для диагностики слоев небольшой толщины (до нескольких миллиметров). Источник излучения и первичный измерительный преобразователь, регистрирующий вторичное (отраженное) излучение, в этом случае находятся близко друг от друга, и для снижения прямого прохождения излучения используют защитные экраны.

4.2 Техника безопасности при радиационном контроле

Ионизирующие излучения являются потенциально наиболее опасными из числа применяемых в неконтактном контроле как непосредственно для персонала, осуществляющего радиационный контроль, так и для случайно находящихся недалеко людей. Поэтому вопросам безопасной работы и охраны труда при радиационном контроле должно уделяться большое внимание.

Если планируется каждодневное или регулярное проведение контроля ионизирующими излучениями с большой энергией, то выделяются или строятся специальные помещения.

К работе с источниками и с аппаратурой, содержащей их, допускаются специально подготовленные лица, прошедшие инструктаж, повторяемый каждые 6 месяцев. Проверка знаний правил безопасности работы и личной гигиены, а также медицинский контроль, повторяются ежегодно. При использовании ионизирующих излучений обязательно ведется контроль за величиной возможного облучения персонала.

При организации работы установок и аппаратуры с источниками ионизирующих излучений следует принимать все возможные меры к снижению дозы, получаемой персоналом. Мероприятия, которые позволяют снизить дозу облучения, подобны используемым при защите от СВЧ-излучения, естественно, с учетом иных свойств ионизирующих излучений. Наиболее эффективными мерами защиты являются: экранирование источника и рабочего места, защита путем уменьшения времени работы с источником ионизирующего излучения, защита расстоянием – путем удаления работающего на безопасное расстояние. Защита экранированием должна производиться обязательно с учетом спектра излучения источника.

В зависимости от класса работ персонал обеспечивается халатами и комбинезонами, шапочками, перчатками, легкой обувью и при необходимости средствами защиты органов дыхания. При работе с особо опасными источниками излучений или в загрязненном помещении выдаются изолирующие или дополнительные защитные средства (пневмокостюмы, пневмошлемы, спецбелье, фартуки, нарукавники и др.), и весь персонал должен быть обеспечен дозиметрами.

4.3 Основные эффекты при взаимодействии ионизирующего излучения с веществом

Длина волны, характеризующая ионизирующие излучения, оказывается соизмеримой с межатомными расстояниями, поэтому эти излучения взаимодействуют с атомными ядрами и электронами оболочек атома, что отличает этот процесс от рассмотренных ранее в разделах 2 и 3 видов излучений и определяет более сложный его характер. Как уже отмечалось, взаимодействие ионизирующих излучений с веществом приводит к появлению тепловых, ионизационных, электрических, люминесцентных, фотохимических и биологических эффектов. Разные виды ионизирующих излучений имеют и общие черты результатов взаимодействия. Падающие на вещество кванты излучения могут быть рассеяны или поглощены, а также могут вызывать появление новых свободно движущихся частиц или фотонов. Процессы взаимодействия ионизирующих излучений с веществом носят случайный (вероятностный) характер, что необходимо учитывать при организации неразрушающего контроля. Очень небольшая часть квантов первичного излучения может вообще не взаимодействовать с материалом объекта, что зависит от атомного номера вещества и энергии кванта. Обобщая все физические эффекты взаимодействия ионизирующих излучений с веществом, можно отметить следующие процессы, важные для целей радиационной диагностики: фотоэлектрический эффект, образование пары электрон-позитрон, формирование потоков - и -частиц, нейтронов.

Фотоэффект заключается в том, что при облучении электроном оболочки атома с энергией большей, чем его анергия связи в атоме, фотон покидает атом со скоростью, соответствующей его избыточной энергии, переходя в зону проводимости [1; 4–7].

Рассеяние рентгеновского и -излучения происходит в двух формах: классическое (когерентное) и комптоновское (некогерентное), которые характеризуются линейным коэффициентом ослабления за счет рассеяния.

В случае падения на вещество длинноволнового излучения при  нм, когда энергия первичного фотона оказывается соизмеримой с энергией связи электрона с ядром, осуществляется когерентное рассеяние, а при  нм – некогерентное (комптоновское) [1].

Для образования пары электрон - позитрон требуется, чтобы энергия первичного кванта превышала энергию покоя электрона и позитрона. В связи с этим такое взаимодействие характерно для высокоэнергетических излучений.

Образовавшиеся позитрон и электрон двигаются с такой скоростью, чтобы их кинетическая энергия была равна разнице между энергией первичного кванта и энергией покоя пары. Коэффициент поглощения за счет образования пары электрон - позитрон растет при увеличении энергии квантов излучения.

Электрон и позитрон могут двигаться в веществе и взаимодействовать с другими атомами. При встрече электрона с позитроном они могут нейтрализовать друг друга – аннигилировать и создать два кванта, движущихся в противоположных направлениях.

Следует отметить также, что после прохождения слоя материала спектральный состав немоноэнергетического излучения изменяется, так как кванты различной энергии поглощаются по-разному.

Поток движущихся электронов (-излучение) проникает в вещество на значительно меньшее расстояние, чем рентгеновское и -излучение, и быстро поглощается веществом. Взаимодействие -излучения с веществом происходит путем упругого и неупругого рассеяния, торможения электронов в электрическом поле атомов. Упругое рассеяние имеет место, когда электроны взаимодействуют с атомами или с электронами их оболочек, и состоит в изменении направления движения электрона без изменения общей энергии столкнувшихся частиц. Отклонение электронов от начального направления движения возможно на любой угол, но с большей вероятностью электроны отклоняются на малые углы. Упругое рассеяние тем больше, чем больше атомный номер вещества. При неупругом рассеянии, происходящем, в основном, при взаимодействии -частиц с орбитальными электронами атома, часть энергии -частиц передается орбитальному электрону, который возбуждается и иногда покидает атом. В результате неупругого рассеяния появляются ионизация вещества и испускание возбужденными атомами характеристического излучения.

Поток -частиц, проходя через слой вещества, так же как поток -частиц, довольно быстро затухает. В веществе -частицы испытывают упругие и неупругие столкновения, в результате чего изменяется направление движения, уменьшается интенсивность и излучение полностью затухает. Этот вид излучения в неразрушающем контроле применяется редко.

Нейтроны не имеют электрического заряда, поэтому их взаимодействие происходит с атомными ядрами. Вероятность их встречи зависит от энергии нейтрона в гораздо большей степени, чем для других видов излучений, химического состава и структуры вещества. Поэтому данный вид не нашел широкого применения в микродиагностике материалов.

4.4 Элементная база и основная аппаратура радиационного контроля

4.4.1 Краткая характеристика источников излучения

Радиоизотопные источники излучения. Основой радиоизотопных источников являются искусственные изотопы, которые получают путем облучения нерадиоактивных веществ в нейтронных потоках ядерных реакторов или на циклотронах, а также путем разделения продуктов деления ядерного реактора. Радиоактивный изотоп является излучающей (активной) частью источника, определяющей его активность и спектр излучения.

Радиоизотопные источники имеют дискретный спектр излучения, состоящий обычно из излучения частиц и -квантов с различной энергией. Они могут создавать все виды ионизирующих излучений: -излучение, -излучение, -излучение, тормозное и нейтронное излучения.

Радиоизотопные источники дают постоянное излучение, интенсивность которых непрерывно падает, поэтому хранятся в защитных контейнерах, а вне пределов рабочего времени помещаются в специальные хранилища. При их использовании важно знать дату изготовления источника и учитывать снижение интенсивности излучения. Эту особенность учитывают при организации неразрушающего контроля и построении аппаратуры путем введения необходимого запаса по чувствительности и дополнительных регулировок. Один из основных видов таких источников схематично приведен на рис. 4.1.

Ускорители заряженных частиц (обычно электронов) непосредственно создают поток частиц, движущихся с определенной энергией, зависящей от его режима работы. С их помощью при достаточной скорости движения электронов можно получить различные виды корпускулярных излучений и -излучение путем бомбардировки специально подобранных мишеней. Так, используя мишени из дейтерия, трития, бериллия, урана или висмута, при бомбардировке их электронами можно получать нейтронное излучение, а мишени из вольфрама или молибдена создают тормозное -излучение. Тормозное излучение, полученное с помощью облучения мишени от ускорителей, имеет немоноэнергетический спектр, подобный излучению рентгеновской трубки. Размер фокусного пятна вторичного тормозного излучения ускорителей составляет доли квадратного миллиметра.

Рис.  523. Радиоизотопный источник излучения: 1 – радиоактивное вещество; 2 – защитный корпус; 3 – крышка; 4 – внутренняя оболочка ампулы; 5 – герметик

Бетатрон является мощным источником электронов, построенным на базе циклического индукционного ускорителя (рис. 4.2 – поперечный разрез).

Основной частью бетатрона является мощный электромагнит 1, имеющий осевую симметрию. Электроны в бетатроне двигаются в его магнитном поле, нарастающем во времени, под действием индуцированного вихревого ускоряющего электрического поля, силовые линии которого – коаксиальные окружности. Обмотки электромагнита 1 питаются от сети переменного тока.

В начале периода инжектор 2, выполненный в виде высоковольтной электронной пушки (катод, ускоряющий электрод и анод), впрыскивает в полости вакуумной камеры 3, 4 – поток электронов, движущийся по касательной к центральной окружности камеры. За четверть периода питающего напряжения (около 5 мс при частоте 50 Гц) электроны сделают несколько миллионов оборотов и приобретут необходимую энергию. В конце четверти периода, когда происходит ускорение, на смещающие обмотки электромагнита (не показаны на рис. 4.2) подается импульс тока, заставляющий электроны сдвинуться с орбиты, и они попадают в нужную область вне камеры на мишень 5, установленную для получения тормозного излучения. Изменяя момент подачи импульса тока в смещающих обмотках, можно регулировать энергию электронов, попадающих на мишень.

Рис.  645. Схема конструкции бетатрона: 1 – электромагнит; 2 – инжектор; 3 – вакуумная камера; 4 – вакуумный насос; 5 – мишень

Линейные ускорители отличаются тем, что ускоряемые электроны двигаются по траекториям, близким к прямым линиям. По сравнению с другими источниками тормозного излучения они дают большую интенсивность излучения.

Линейные ускорители могут использовать различные принципы ускорения: электростатический, каскадный, импульсный, индукционный и резонансный. В промышленности наибольшее применение получили линейные резонансные ускорители, построенные на использовании бегущей электромагнитной волны в диафрагмированном волноводе, созданной магнетронным СВЧ-генератором (рис. 4.3).

Рис.  767. Схема конструкции линейного ускорителя с согласующей системой: 1 – блок питания; 2 – инжектор; 3 – СВЧ-генератор; 4 – фокусирующие катушки; 5 – волноводные замедляющие структуры; 6 – подстройка фазы; 7 – вакуумный насос; 8 – согласованная нагрузка; 9 – камера излучателя; 10 – мишень; 11 – подстроечные поршни

В резонансных линейных ускорителях используют катушки, фокусирующие электроны магнитным полем и замедляющие волноводные структуры. Линейные ускорители имеют хорошие перспективы в неразрушающем контроле качества, особенно при контроле изделий из черных металлов большой толщины.

Микротрон является циклическим ускорителем с постоянным и однородным магнитным полем и постоянной частотой СВЧ ускоряющего поля, которая выбирается таким образом, чтобы электроны при движении по круговым орбитам попадали в резонатор в такие моменты, когда поле между его пластинами – ускоряющее. Периодическое ускорение электронов обеспечивается в том случае, если время обращения электрона отличается от времени обращения на предыдущей или последующей орбите на один период СВЧ-колебаний. При достижении орбиты наибольшего диаметра электроны выводятся из микротрона на мишень.

Помимо отмеченных выше устройств находят применение и другие виды ускорителей: ускорители прямого действия, в которых ускорение происходит под действием постоянного электрического поля, и ускорители более тяжелых заряженных частиц (-частиц, протонов, дейтонов), энергию которых помимо непосредственного использования можно преобразовать в другие виды ионизирующих излучений (тормозное излучение, поток нейтронов и др.).

Источники рентгеновского излучения. Наибольшее распространение в неразрушающем контроле качества имеет рентгеновская аппаратура [1; 4]. В зависимости от решаемой контрольно-измерительной задачи используют: рентгеновскую трубку, рентгеновский излучатель, моноблок или рентгеновский аппарат. Неотъемлемой частью всех вышеперечисленных устройств является рентгеновская трубка – высоковольтный электровакуумный прибор, имеющий катод, анод и фокусирующие элементы, предназначенный для генерации рентгеновских лучей. Рентгеновская трубка является основным прибором, применяемым в других функциональных устройствах.

Рентгеновская трубка изготавливается в виде замкнутого стеклянного или керамического баллона с вакуумным разряжением  мм рт. ст. На рис. 4.4 показана конструкция наиболее часто применяемой двухэлектродной рентгеновской трубки с нагреваемым катодом и неподвижным анодом.

В вакуумированной колбе 8 располагаются катод 2 и анод 7, являющиеся двумя основными электродами трубки. Катод 2 является источником потока электронов, появляющихся при его нагреве до температуры 2370–2770 К нитью накала 1 за счет термоэлектронной эмиссии. Количество вылетающих электронов определяет ток анода и зависит от температуры катода, которая задается величиной тока нити накала. Фокусирующие электроды 3 и 4 создают электрические поля специальной формы, собирающие электроны в узкий пучок. С этой же целью используют дополнительную фокусировку магнитным полем коротких катушек 5, по которым пропускают постоянный электрический ток. Анод 7 изготовлен из медного цилиндра с приваренной к его торцу мишенью 6 из вольфрама, графита или другого тугоплавкого материала и часто имеет систему 9 охлаждающих трубок для отвода теплоты жидкостью, выделяемой при попадании электронов на анод. Между анодом и катодом приложено высокое постоянное напряжение от десятков киловольт до нескольких мегавольт. За счет большого положительного потенциала на аноде электроны ускоряются до больших скоростей и при ударе о мишень 6 за счет торможения создают рентгеновское излучение, выходящее через окно 10.

Рис.  889. Схема конструкции рентгеновской трубки: 1 – нить накала; 2 – катод; 3, 4 – фокусирующие электроды; 5 – фокусирующие катушки; 6 – мишень; 7 – анод; 8 – колба; 9 – охлаждающие трубки; 10 – выходное окно

4.4.2 Индикаторы ионизирующего излучения

Для преобразования распределения интенсивности или суммарной дозы ионизирующего излучения, полученного после взаимодействия с контролируемым объектом, в видимое могут быть использованы следующие индикаторы: фотопленка, ксерорадиографическая пластина, радиолюминесцентные индикаторы, электронно-оптические преобразователи и рентгеновидиконы. Универсальным индикатором, используемым в наиболее широком спектре излучений, является фотопленка. Она имеет наибольшее применение в настоящее время в неразрушающем контроле качества. Рентгеновидиконы могут быть использованы в качестве индикаторов в сочетании с радиоэлектронными блоками обработки электрических сигналов. Вместе с тем рентгеновидиконы могут применяться как преобразователи рентгеновского излучения в электрические сигналы и служат основой для построения автоматизированных систем контроля. Рассмотрим особенности индикаторов ионизирующих излучений, которые применяются для контроля качества промышленной продукции.

Фотопленка использует фотохимический эффект взаимодействия ионизирующих излучений с веществом, широко применяется для дефектоскопии и изучения внутреннего строения контролируемых объектов. Она обладает свойством интегрировать падающее излучение, причем при правильной организации контроля легко получать дефектоскопическую чувствительность не хуже 1 % [1].

Радиолюминесцентные индикаторы [22–24] изготавливают на основе различных люминофоров в виде экранов или монокристаллов (сцинтилляторы). Эти индикаторы преобразуют падающее ионизирующее излучение в видимое свечение, что позволяет оператору производить неразрушающий контроль непосредственно в технологическом потоке или фиксировать видимое изображение с помощью фото- или видеоаппаратуры.

Сцинтилляционные монокристаллы [24] изготовляют из неорганических веществ, например NaI (Т1), К1 (Т1), СSI (Na), а также из органических веществ, например антрацен, стилбен и др., в виде пластин или дисков. При взаимодействии падающего излучения с атомами монокристалла происходят короткие (около  с) вспышки света (сцинтилляции), число которых зависит от интенсивности падающего на монокристалл ионизирующего излучения и его спектра.

Сцинтилляционные кристаллы являются основой для создания сцинтилляционных счетчиков с фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), рентгеновских электронно-оптических преобразователей (РЭОП) и других устройств для преобразования ионизирующих излучений в видимое изображение. Подбирая монокристаллы различного состава, можно преобразовывать в световое излучение (далее – в электрический сигнал) ионизирующие излучения различных видов и энергий (от 30 кэВ до 40 МэВ). Поскольку толщина кристаллов может быть сделана достаточно большой, эффективность регистрации излучения с их помощью повышается. Поэтому по сравнению с флуоресцирующими экранами и фотопленкой сцинтиллирующие кристаллы имеют более высокую эффективность преобразования излучения и повышенную разрешающую способность.

Электронно-оптические преобразователи [22–25] при радиационном контроле качества используются с двумя целями: для преобразования изображения ионизирующего излучения в видимое изображение (рентгеновский ЭОП – РЭОП) и для повышения яркости изображения в видимом свете (усилитель яркости). В первом случае электронно-оптический преобразователь имеет мишень, чувствительную к воздействию ионизирующего (чаще всего рентгеновского) излучения. Рентгеновские электронно-оптические преобразователи позволяют выявлять дефекты с размером 3–5 % толщины полуфабриката или изделия при разрешающей способности 1,5–2 линий/мм.

При использовании электронно-оптического преобразователя в качестве усилителя яркости преобразование изображения ионизирующего излучения в видимое осуществляется сцинтиллятором, флуороскопическим экраном или другим рентгеновским электронно-оптическим преобразователем, а изображение в видимом свете проецируется на фотокатод вторичного электронно-оптического преобразователя. Полученное на выходном экране более яркое изображение может быть подано на следующий электронно-оптический преобразователь, т. е. еще раз усилено по яркости. Системы таких электронно-оптических преобразователей называют каскадными и используют на практике до пяти каскадов усиления яркости.

Рентгеновидиконы – это специальные передающие телевизионные трубки, которые дают возможность получить электрический сигнал об интенсивности ионизирующего излучения после взаимодействия его с контролируемым объектом и получить видимое изображение этого распределения на телевизионном экране.

В целом устройство рентгеновидикона подобно устройству видиконов [22–24], работающих в диапазоне видимого света. Принципиальным отличием рентгеновидиконов, позволяющим использовать его для преобразования рентгеновского излучения в электрический сигнал, является полупроводниковая мишень, чувствительная к рентгеновскому излучению. Мишень рентгеновидикона изготавливают из аморфного селена, окиси цинка, окиси свинца, сернистой сурьмы и других соединений. Входное окно закрыто тонкой алюминиевой пластиной для защиты чувствительного слоя от воздействия других видов излучений (в первую очередь от видимого света).

4.4.3 Первичные преобразователи ионизирующего излучения в электрические сигналы

Преобразование величин, характеризующих ионизирующие излучения, в электрический сигнал могут производить следующие устройства: электронно-вакуумные приборы и рентгеновидиконы, фотоэлектронные умножители в сочетании с монокристаллическими сцинтилляторами, ионные приборы и полупроводниковые приборы. Каждый тип приборов имеет свои особенности и области наилучшего применения.

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) [22–25] используют в паре со сцинтиллирующим кристаллом для получения электрических сигналов, зависящих от интенсивности и состава излучения. Фотон или частица, вызвавшая сцинтилляцию, приводит к появлению в цепи анода фотоэлектронного умножителя импульса электрического тока, который может быть зарегистрирован. Амплитуда полученного импульса зависит от энергии кванта ионизирующего излучения, материала и размеров сцинтиллирующего монокристалла, а количество импульсов, появляющихся за единицу времени, зависит от интенсивности падающего на монокристалл излучения.

Достоинствами сцинтиллятора, объединенного с фотоэлектронным умножителем, являются высокая чувствительность, большая разрешающая способность по времени ( с) и возможность измерения энергии частиц излучения. Недостатком ФЭУ являются: большой шум в выходном сигнале и влияние нестабильности напряжения высоковольтного источника питания.

Ионные приборы [22–24] основаны на взаимодействии ионизирующего излучения с газом, в котором оно создает свободные носители зарядов. Для неразрушающего контроля используют ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера-Мюллера. Разница между этими приборами состоит в конструктивных особенностях и различных электрических режимах работы.

Ионные приборы являются эффективными, простыми и доступными преобразователями энергии ионизирующих излучений в электрический сигнал. Недостаток этих приборов – ограниченные возможности по регистрации параметров излучений, сравнительно большие габариты и хрупкость.

Полупроводниковые приборы [24]. Работа полупроводниковых приборов основана на внутреннем фотоэффекте, проявляющемся в том, что при воздействии излучения изменяется удельная электрическая проводимость полупроводникового вещества за счет изменения числа носителей зарядов (электронов или дырок), количество которых связано с интенсивностью излучения и его энергий. Для регистрации ионизирующих излучений используют полупроводниковые резисторы с одним проводящим слоем и устройства с несколькими слоями, имеющими различные типы проводимости. Полупроводниковые резисторы (датчики проникающих излучений) изготовляют на основе пленок из поликристаллических материалов – сульфида кадмия, селенида кадмия и др. – путем возгонки в вакууме и осаждения полупроводниковой пленки на металлическую подложку, которая является одним из выводов. Второй вывод наносится поверх полупроводникового слоя также напылением в вакууме. Полупроводниковые детекторы многослойной конструкции для преобразования ионизирующих излучений в электрические сигналы изготавливают из германия или кремния. Полупроводниковые детекторы могут быть выполнены поверхностно-барьерными в виде -перехода или диффузионно-дрейфовыми в виде трехслойного кристалла -типа.

Поверхностно-барьерные детекторы сравнительно просты в изготовлении, работают при комнатной температуре и используются для регистрации и спектрометрии заряженных частиц с малой длиной пробега и нейтронов. Такие детекторы часто изготавливают на базе одного кристалла в виде пар, предназначенных для включения в дифференциальные схемы и мостовые электрические.

В целом полупроводниковые приборы являются удобными и перспективными преобразователями ионизирующих излучений в электрический сигнал, особенно когда необходимо измерять два параметра: интенсивность и энергию квантов излучения.

Фотоэлектронные умножители, ионные и полупроводниковые приборы получили наибольшее применение в практике радиационного контроля качества при реализации радиометрических методов в толщинометрии, контроле физико-химических свойств и изредка в дефектоскопии. Вместе с тем в тех случаях, когда индикаторы ионизирующих излучений по каким-либо причинам (вследствие низкой эффективности регистрации излучений с большой энергией квантов или малой чувствительности) не могут быть использованы, тогда одноточечные первичные измерительные преобразователи в сочетании со сканирующей системой и системой двумерной индикации дают возможность получить пространственные распределения интенсивности и спектрального состава ионизирующего излучения.

В этом смысле первичные измерительные преобразователи обладают универсальными свойствами, проще в изготовлении, имеют более высокие метрологические характеристики, хотя и за счет меньшей скорости получения информации (последовательный анализ).

4.4.4 Дефектоскопия и контроль внутреннего строения

Выявление внутреннего строения контролируемых объектов и наличия в них дефектов производится путем анализа прошедшего излучения и чаще всего с использованием преобразователей излучения в видимое изображение. Обобщенная схема радиационного контроля качества по прошедшему излучению приведена на рис. 4.5.

Источник излучения ИИ создает поток энергии соответствующего вида излучения. Чтобы излучение шло только в область, где располагается контролируемый объект КО, источник излучения ИИ помещен в защитный контейнер ЗК, который, кроме того, снижает загрязнение излучением окружающей среды. Для того чтобы контролируемый объект облучался только в течение определенного времени, на пути излучения установлен затвор З. Излучение источника И может содержать компоненты излучений различных видов или спектрального состава, в связи с чем на пути устанавливается фильтр Ф, пропускающий только необходимую часть излучения. Помимо того, в состав фильтра может входить коллиматор, который улучшает конфигурацию поперечного сечения выходящего потока излучения. В контакте с контролируемым объектом находятся: компенсатор КМ, эталоны чувствительности ЭЧ и маркировочные знаки МЗ.

Рис.  91011. Обобщенная схема радиационного контроля по прошедшему излучению

Компенсатор (выравниватель) КМ обычно изготавливают из материала, близкого по составу к материалу КО, что позволяет получить одинаково четкое изображение или соизмеримые величины сигналов от тонких и толстых частей контролируемого объекта.

Эталоны чувствительности ЭЧ устанавливают в месте контролируемого объекта, где условия контроля наихудшие (обычно на краях), а появление дефектов маловероятно или не так опасно. Они необходимы для того, чтобы убедиться в достоверности результатов и оценить качество изображения.

Маркировочные знаки МЗ служат для удобства анализа, хранения данных и результатов неразрушающего контроля (нумерация снимков, указание особенностей изделия и т. д.). Они помещаются в поле зрения первичного измерительного преобразователя П или индикатора ИН в месте, не занятом изображением контролируемого объекта, или в области, где маловероятно появление дефектов или их наличие неопасно.

Индикатор ИН излучения трансформирует величины, характеризующие поле прошедшего излучения, в видимое изображение, которое изучает и оценивает оператор, или в электрические сигналы, которые анализируются в блоках вторичной обработки информации ВО.

Для защиты оператора и окружающей среды от ионизирующего излучения вся установка, где имеется ионизирующее излучение, защищается стенкой биологической защиты БЗ из свинца, стали, бетона, водосодержащих материалов, кирпичной кладки или другого плотного материала без щелей.

4.4.5 Методика проведения радиационного контроля

Радиационный контроль осуществляется с применением универсальной или специализированной аппаратуры, причем основным вопросом в обоих случаях является получение изображения достаточной яркости, контрастности и четкости.

При использовании универсальной аппаратуры процесс неразрушающего контроля состоит из следующих операций:

1. Выбор источника излучения и индикатора (первичного изме­рительного преобразователя) радиационного изображения с учетом размеров и свойств контролируемого объекта.

2. Выбор условий просвечивания, в том числе расположения блоков аппаратуры и времени экспозиции.

3. Размещение и подготовка контролируемого объекта для проведения контроля, установка вспомогательных приспособлений (эталоны, компенсаторы, маркировочные знаки).

4. Экспозиция, т. е. просвечивание в течение определенного времени контролируемого объекта с воздействием излучения на индикатор.

5. Обработка индикатора (фотопленки, ксеропластины или др.) для получения видимого изображения.

6. Расшифровка результатов радиационного неразрушающего контроля и их документирование.

При использовании специализированной аппаратуры радиационного контроля качества перечисленные операции выполняются частично или производятся автоматически, что существенно повышает производительность труда и снижает вероятность ошибок при проведении неразрушающего контроля материалов.

Выбор источника излучения обусловлен материалом и толщиной материала, а также используемым индикатором излучения. Для каждого материала и источника излучения существует предельная толщина просвечивания и рекомендуемый режим просвечивания. Чем больше толщина контролируемого объекта, тем более жесткое излучение (с большей энергией квантов) надо использовать. Выбор преобразователя радиационного изображения в видимое определяется в основном общими требованиями к неразрушающему контролю.

4.4.6 Рентгеновский контроль

В радиационном контроле качества наибольшее применение имеют дефектоскопия, контроль внутреннего строения материалов и изделий с помощью рентгеновского излучения – рентгеновская радиография и рентгеноскопия. Рентгеновский контроль может производиться с помощью установок, основным элементом которых является рентгеновский аппарат, или путем использования комплектной аппаратуры, примером которой являются интроскопы и рентгенотелевизионные микроскопы. 

Рентгеновские интроскопы являются комплектными установками для неразрушающего контроля различных изделий. В их состав, как правило, входят: рентгеновский аппарат, устройство для закрепления контролируемого объекта, блок индикатора или преобразователя и устройства для управления [1; 4].

Рентгенотелевизионные микроскопы являются комплектными установками для неразрушающего контроля изделий небольших размеров. Упрощенная функциональная схема рентгенотелевизионного микроскопа представлена на рис. 4.6. В нем используется эффект геометрического увеличения, а для получения достаточного резкого изображения в качестве источника излучения применяют микрофокусные рентгеновские трубки.

Рис.  101213. Функциональная схема рентгенотелевизионного микроскопа

Режим работы рентгеновской трубки, необходимый для контроля конкретных изделий, обеспечивает блок питания трубки БПТ. С помощью механизма установки изделия МУ изделие КО закрепляется и может перемещаться с одной или несколькими степенями свободы. Рентгеновское излучение, прошедшее сквозь изделие КО, попадает на входную мишень рентгеновидикона РВ и преобразуется в последовательно считываемый электрический видеосигнал. Считыванием потенциального рельефа с мишени, образованного падающим рентгеновским излучением, поэлементно определяют блоки развертки БР и БС, которые управляют движением луча по вертикали – кадровая развертка и по горизонтали – строчная развертка. В такой же последовательности, как по мишени рентгеновидикона РВ, с помощью блока развертки БР перемещается электронный луч в осциллоскопе ОС или в видеоконтрольном устройстве, где на экране формируется видимое изображение просвечиваемой области изделия. Видеосигнал с рентгеновидикона поступает на усилитель-преобразователь УП, где он увеличивается и приводится к виду, необходимому для модуляции яркости свечения экрана кинескопа. Рентгеновидикон РВ и приемный кинескоп осциллоскопа ОС получают высокое напряжение от высоковольтного блока питания ВП, а другие блоки и устройства – от блока питания БП. На экране кинескопа оператор наблюдает увеличенное теневое изображение изделия.

Рентгенотелевизионные микроскопы успешно применяются при неразрушающем контроле малогабаритных материалов и изделий: блоков, узлов, компонентов радиоэлектроники и микроэлектроники, малогабаритных механических узлов, деталей и т. п. Они удобны тем, что не требуют каких-либо дополнительных устройств для проведения контроля, их возможности могут расширяться путем применения систем обработки информации.

Промышленная рентгеновская томография является высокоэффективным методом неразрушающего контроля качества. Она стала возможна в связи с широким внедрением компьютеров с высоким быстродействием и объемами памяти. Вычислительная томография реализует возможность решения обратной задачи интроскопии – по объемной информации об интенсивности прошедшего сквозь контролируемый объект в различных направлениях излучения найти распределение линейного коэффициента ослабления, связанного с плотностью материала внутри объема контролируемого объекта.

Реализация рентгеновской вычислительной томографии строится на различных способах реконструкции изображения, среди которых чаще всего отдают предпочтение алгоритму обратного проецирования [4].

Рентгеновские вычислительные томографы дают возможность решать многие задачи неразрушающего контроля качества – как задачи интроскопии, так и количественной оценки параметров различных объектов. В настоящее время наибольшее применение они нашли в методах контроля объектов с небольшим затуханием излучения, в частности объектов из легких сплавов, композиционных материалов, углепластиков, резины, дерева и т. п., материалов толщиной до 20 мм и с внешними размерами до 1,5 м при разрешении по коэффициенту линейного ослабления 0,5 %.

4.4.7 Специальные методы радиационного контроля качества

Ряд задач неразрушающего контроля качества целесообразно решать, применяя нетрадиционные или редко используемые методы, основанные на реализации специфичных методик или особых линий излучений. К числу таких методов контроля, применение которых сейчас расширяется, относятся: нейтронная радиография, протонная радиография, авторадиография, метод проникающих радиоактивных газов, контроль с помощью позитронов. Контроль этими методами производится по технологии, близкой к известным в радиографии, и др. [1; 4–7].

Нейтронная радиография основана на облучении контролируемого объекта нейтронами и регистрации интенсивности прошедшего излучения. Взаимодействие нейтронов с веществом в значительно большей степени зависит от химического состава контролируемого объекта и энергии нейтрона, что определяет перспективы такого контроля. Принципиально важное значение нейтронной радиографии состоит в возможности раздель-ного контроля химических компонентов материала. Например, с использова-нием обычных методов невозможно даже обнаружить наличие легких или органических материалов настали при близких толщинах. Нейтронная радиография позволяет вести контроль деталей размером около 1 мм из органических материалов сквозь слои металлов толщиной в сантиметры. Это открывает широкие и разнообразные области применения нейтронных методов для неразрушающего контроля сложных многослойных изделий.

Методы нейтронной радиографии применяют для контроля узлов и деталей (теплоизоляторы, уплотняющие прокладки, электроизолирующие пластины и т. д.) из некоторых легких материалов, например пластмасс, материалов органического происхождения, как отдельно, так и в составе сложных изделий из тяжелых материалов. С помощью нейтронов легко обнаруживаются водородосодержащие включения в металлах и анализируется их распределение. Эффективно использование нейтронных методов при контроле многокомпонентных слоистых полуфабрикатов и изделий, а также биологических объектов. Нейтронная радиография дополняет рентгено- и гаммаграфию и делает полученные данные о контролируемом объекте более полными и достоверными.

Протонная радиография основана на использовании потока протонов (-частиц) для неразрушающего контроля и базируется на особенностях распространения и взаимодействия их с веществом. Последовательность контроля, основное оборудование и приспособления для контроля – те же, что и при рентгеновском и гаммаграфировании. Главной областью применения протонной радиографии является контроль тонких изделий или их частей, поскольку протоны поглощаются сравнительно тонкими слоями материалов. В отдельных случаях протонная радиография очень эффективна и дает более высокую (на порядок – до 0,1 %) дефектоскопическую чувствительность. Примером реализации протонной радиографии является контроль алюминиевой фольги толщиной до десятых долей миллиметра.

Контроль с помощью позитронов может быть применен для определения накопления усталостных напряжений в металлах и степени пластической деформации. Этот контроль основан на том, что в начальной стадии усталостных явлений, когда происходит образование дислокаций, в их областях образуются отрицательные заряды. Позитроны, облучающие металл, притягиваются к областям расположения дислокаций и взаимодействуют с электронами. При аннигиляции позитрона и электрона возникают -кванты. По количеству -квантов и среднему времени жизни позитронов можно определить начало усталостных нарушений в металле.

Наряду с типовыми методиками радиационного контроля ведутся разработки различных способов получения и обработки информации, повышающих его чувствительность и достоверность. К таким способам относятся: применение цветных радиограмм и цветное контрастирование изображений, получение стереоизображений, стробоскопирование и др. Все эти способы направлены на получение большего объема информации о контролируемом объекте.

РАЗДЕЛ 5 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ И АКУСТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАНСЫ В МИКРОДИАГНОСТИКЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ И ПЛАЗМЫ72551

Проблема распространения электромагнитных волн в металлах и их взаимодействия с электронами проводимости в последнее время привлекает внимание многих исследователей. Связано это прежде всего с бурным развитием микроволновой электроники, успешным освоением технологии получения сверхчистых и совершенных монокристаллов, применением сильных магнитных полей, низких температур, ультравысокого вакуума и др. Вторая причина обусловлена необычным характером ВЧ-свойств электронно-дырочной плазмы металлов. Так, было выяснено, что классические представления о скин-эффекте, при котором внешнее электромагнитное излучение практически полностью локализуется в тонком приповерхностном слое и не проникает в глубину металла, во многих случаях не соответствуют действительности. Реальная картина оказалась значительно богаче и разнообразнее. Были открыты новые резонансные явления, эффекты аномальной прозрачности металлов, проявления макроскопической квантовой когерентности во взаимодействии между электронами, электромагнитными и звуковыми волнами. В результате возникла целая область науки – изучение плазменных ВЧ-свойств металлов. Большинство из них не имеет аналогов ни в полупроводниках, ни в газовой плазме и отличается настолько, что можно говорить о специфической физике металлического плазменного состояния. Электронные резонансы и волновые процессы в металлах стали весьма эффективным, а в ряде случаев уникальным методом экспериментального исследования электронного энергетического спектра, кинетических характеристик, нелинейных свойств и явлений.

В исследованиях высокочастотных свойств полупроводников можно условно выделить следующие направления: плазменные свойства полупроводников; нелинейное распространение электромагнитных волн в полупроводниках, связанное с тепловым воздействием этих волн на электронную подсистему; резонансные явления и электромагнитные свойства ферромагнитных полупроводников и полупроводников со сверхрешетками.

Кроме электромагнитных волн, эффективным способом микродиагностики материалов являются акустические методы исследований в области ультразвуковых частот (100–1000 МГц) и гиперзвуковых частот ( Гц и выше).

Применение акустических методов исследования физических свойств твердых тел основано на способности звуковых колебаний распространяться в упругих средах на большие расстояния без значительного затухания. В металлах вследствие сильного взаимодействия электронов проводимости с акустическими фононами в характере поглощения или дисперсии скорости звука проявляются особенности фонон-электронного взаимодействия, электронного энергетического спектра, зонная структура проводников.

Для ультразвуковых исследований при гелиевых температурах в диапазоне частот 100–1000 МГц необходимы прежде всего эффективные способы возбуждения и детектирования акустических колебаний и их передачи через поверхности раздела между исследуемыми кристаллами и ультразвуковыми датчиками.

Гиперзвук, обладая весьма малой длиной волны, является очень тонким инструментом, и его использование дает возможность успешно сочетать большую разрешающую способность, свойственную оптическим методам, с высокой чувствительностью, которую обеспечивают современные средства обработки электромагнитных сигналов СВЧ [10]. Однако возможности гиперзвуковых волн реализованы еще далеко не полностью. Это связано, прежде всего с тем, что к настоящему времени освоены гиперзвуковые волны относительно низких частот (до 10 ГГц), для которых разработаны эффективные методы возбуждения, трансляции и детектирования. Использование более высокочастотных гиперзвуковых волн ( Гц и выше), которые относятся к миллиметровому и субмиллиметровому радиодиапазонам, представляет значительный интерес как с точки зрения физических исследований твердого тела, так и для решения ряда практически важных задач радиоэлектроники СВЧ. Так, применение гиперзвука с частотами миллиметрового диапазона в спектроскопии акустического парамагнитного резонанса (АПР) позволяет исследовать возбужденные состояния парамагнитных центров в различных диэлектрических и полупроводниковых кристаллах. Это особенно важно при решении актуальной проблемы создания полупроводниковых материалов с наперед заданными электрофизическими свойствами. Изучение методами гиперзвуковой АПР-спектроскопии энергетического спектра и электрон- фононного взаимодействия примесных центров в полупроводниках поможет решить ряд важных вопросов, связанных с механизмами компенсации глубоких доноров и акцепторов, влиянием их на электрические и оптические свойства полупроводниковых материалов.

5.1 Высокочастотные и резонансные свойства металлов

Классическое представление о свойствах металлов в области СВЧ заключалось в том, что они малочувствительны к внешним полям и изменению температуры.

Считалось, что при низких температурах изменяется лишь характер скин-эффекта – вместо обычного (классического) он превращается в аномальный. В условиях аномального скин-эффекта механизм поглощения радиоволн становится бесстолкновительным (т. е. не зависит от длинны свободного пробега электронов), несколько модифицируется частотная зависимость поверхностного импеданса, но главное – быстрое затухание электромагнитного поля остается неизменным, как и при нормальном скин- эффекте. Имелись, на первый взгляд, и довольно убедительные физические соображения в пользу невозможности каких-либо резонансных явлений при аномальном скин-эффекте.

В прошлом столетии был предсказан циклотронный резонанс (ЦР) в металлах и сформулированы условия экспериментального наблюдения нового физического явления. Оно заключается в резонансном поглощении ВЧ-поля электронами проводимости и происходит всякий раз, когда частота радиоволны равна или кратна частоте циклотронного вращения электронов в магнитном поле.

В дальнейшем была создана полная теория ЦР [10], которая оказалась настолько исчерпывающей, что до сих пор сохраняет свое значение для объяснения многочисленных экспериментальных данных. К настоящему времени ЦР из объекта изучения превратился в удобный и весьма результативный метод экспериментального исследования эффективных масс, длин свободного пробега, анизотропии скоростей и ферми-поверхностей электронов в металлах.

5.1.1 Физический механизм циклотронного резонанса

Природу и особенности ЦР можно достаточно просто пояснить, рассматривая процесс поглощения электромагнитного поля электронами проводимости при наличии внешнего, постоянного и однородного, магнитного поля (ось ) (рис. 5.1).

Рис.  623. Схема движения электронов в металле в условиях ЦР

Если радиоволна будет распространяться перпендикулярно полю , то это означает, что поле должно быть параллельно поверхности образца, тогда условие резонанса превращается в следующий вид:

. 73 674

Смысл условия (5.1) состоит в том, что все электроны, испытывающие коллективное вращение с частотой , оказываются в резонансе с внешней радиоволной.

Механизм ускорения электронов при ЦР можно наглядно описать следующим образом (рис. 5.1). В параллельной поверхности металла поля все электроны периодически (с частотой ) возвращаются в скин-слой , где происходит их ускорение электромагнитной волной. Если время движения электронов внутри скин-слоя намного меньше периода волны , то поле радиоволны действует на электроны как квазистатическое. Благодаря этому при ЦР ускорение электрона происходит на каждом витке траектории в течение всего времени свободного пробега . Если резонансное условие (5.1) нарушено, то на различных витках орбиты электрон будет то ускоряться, то замедляться, и в среднем за время (при ) взаимодействие с волной будет неэффективным. Таким образом, механизм ЦP в металлах аналогичен принципу ускорения частиц в циклотроне с одним ускоряющим промежутком. Роль последнего в металле играет скин-слой , а в качестве дуантов (пространства свободного движения) выступает область металла вне скин-слоя. Вследствие именно такой картины резонанс (5.1) необходимо называть «циклотронным», а не «диамагнитным».

Нетрудно установить и критерии для наблюдения ЦР. Очевидно, что должны выполняться условия

, . 75 776

Первое из них означает, что электрон должен иметь «возможность» многократно (раз) возвратиться в скин-слой за время свободного пробега. Второе неравенство выражает требование, чтобы небольшой наклон поля на угол не приводил к уходу электронов в глубину металла за счет дрейфового движения вдоль вектора (– длина пробега).

Необходимо отметить принципиальное отличие ЦР в металлах от известного диамагнитного резонанса в полупроводниках и в газоразрядной плазме (часто также называемого циклотронным). Диамагнитный резонанс происходит в однородном поле радиоволны и поэтому: а) имеет место только на основной гармонике , а не на кратных частотах (5.1); б) максимален при поляризации электрического поля волны перпендикулярно вектору , в то время как при ЦР в металлах такая зависимость от поляризации отсутствует; в) характеризуется резким возрастанием электромагнитного поглощения в резонансе , тогда как для ЦР в металлах имеет место резонансное уменьшение поглощения. Последнее связано с тем, что резкое увеличение электронного тока при ЦР в металле приводит к его резонансной экранировке от внешней радиоволны, увеличению коэффициента отражения и соответствующему уменьшению поглощенной в образце электромагнитной энергии. Все эти различия обусловлены эффектами сильной пространственной неоднородности ВЧ-поля в металлах.

5.1.2 Общие положения циклотронного резонанса в металлах

1. Установлено, что чем идеальнее проводник, тем легче превратить его в диэлектрик, т. е. сделать прозрачным для электромагнитных волн. Тем самым был поставлен фундаментальный вопрос о возможности распространения радиоволн в металлах.

2. Было установлено, что проблема аномальной прозрачности проводящих твердых тел должна рассматриваться в двух аспектах – коллективном и одночастичном. Первый из них представляет собой совокупность собственных, слабо затухающих волн в вырожденной электронной плазме металла. Существование проникающих электромагнитных волн обусловлено различными коллективными движениями электронной системы во внешних полях. Одночастичный аспект проблемы связан с траекторным типом аномального проникновения (АП) радиоволн в металлы и осуществляется путем баллистического переноса ВЧ-поля из скин-слоя в глубину образца отдельными, относительно малочисленными группами электронов проводимости.

3. Для существования баллистических эффектов АП необходимо выполнение неравенств

, 77878

где – характерный размер электронных траекторий в магнитном поле . Смысл этих условий становится ясным, если учесть, что взаимодействие электрона с волной наиболее интенсивно на тех участках траектории, где он движется параллельно поверхности металла («эффективные точки»). Поскольку в поле изменяется направление скорости , на траектории имеется бесконечное число таких эффективных точек, причем очевидно, что часть из них расположена заведомо вне скин-слоя . Именно это является причиной АП радиоволн в металл. При движении внутри скин-слоя электрон получает приращение скорости и дает ток . В следующей эффективной точке, находящейся в глубине металла, электрон опять движется параллельно поверхности образца и воспроизводит ток . Это и есть АП баллистического типа. Условие необходимо для самого существования эффективных точек, а неравенство представляет собой требование отсутствия столкновений электронов между соседними эффективными точками.

5.2 Высокочастотные резонансные свойства полупроводников

5.2.1 Особенности распространения электромагнитной волны в плазме полупроводника

Распространение сильной электромагнитной волны в плазме полупроводника обусловливает ряд новых явлений, связанных с нелинейностями различного рода. Одно из наиболее интересных явлений – так называемое самовоздействие. Суть его заключается в том, что диэлектрическая проницаемость полупроводника начинает зависеть от электрического поля. Однако диэлектрическая проницаемость, в свою очередь, определяет характер распространения электромагнитной волны. Волна, таким образом, как бы воздействует сама на себя, изменяя условия распространения. Наиболее эффективно тепловое самовоздействие, которое и будет рассмотрено ниже.

Газ носителей тока (для определенности будем считать их электронами) в полупроводнике получает энергию от электрического поля и отдает ее как решетке при столкновении с фононами, так и в окружающую среду вследствие теплопроводности. В результате при определенных условиях может установиться стационарное состояние, при котором средняя энергия электронного газа в полупроводнике будет превышать энергию решетки и зависеть от амплитуды электромагнитной волны.

От энергии электронов зависит частота их соударений с фононами и примесями. Концентрация электронов также определяется их энергией через процессы ударной ионизации и рекомбинации. Диэлектрическая проницаемость плазмы является функцией концентрации и частоты соударений и, следовательно, электромагнитного поля. Так возникает тепловое самовоздействие.

Тепловое самовоздействие возникает уже при относительно малых электромагнитных полях. Это связано с квазиупругостью столкновений электронов с фононами. Эффективную массу акустического фонона можно определить как (– температура решетки, – скорость звука). Простая оценка показывает, что эффективная масса электрона вплоть до самых низких температур намного меньше эффективной массы фонона. Аналогичное утверждение верно и для оптических фононов при температуре решетки выше дебаевской.

Как известно, при столкновении частицы массой и энергией с неподвижной частицей массой неподвижной частице передается доля энергии . Так как в нашем случае , то часть энергии, переданная при столкновении электроном фонону, мала. С другой стороны, обмен импульсами между легкой и тяжелой частицами весьма интенсивен. Таким образом, время , за которое электрон теряет полученный от внешнего поля импульс, намного меньше времени , за которое электрон теряет приобретенную от поля энергию. Как показывает расчет, . Из сказанного следует, что энергия электронного газа в электромагнитном поле растет существенно быстрее, чем импульс, что приводит к сильному разогреву электронного газа в относительно слабом электрическом поле [10].

Проведенный в [10] теоретический анализ показал, что в разных интервалах полей работают различные механизмы рассеяния. В частности может случиться так, что зависимость температуры от амплитуды электрического поля будет описываться -образной гистерезисной кривой. Состояние электронного газа, соответствующего интервалу полей, на котором температура уменьшается с ростом поля, является неустойчивым. Наличие гистерезиса приводит к разрыву диэлектрической проницаемости плазмы. Данный эффект может быть использован в диагностике плазмы полупроводников.

Одними из наиболее интересных высокочастотных свойств полупроводников являются их резонансные свойства, которые проявляются в циклотрон-фононном резонансе (ЦФР) [10]. Электроны проводимости под влиянием однородного магнитного поля испытывают циклотронное вращение с частотой . Осциллирующий характер их движения хорошо проявляется лишь при малой частоте соударений . В этом случае движение электронов становится почти гармоническим и наблюдаются резонансы, непосредственно связанные с циклотронным вращением. В настоящее время изучены два резонанса такого типа: циклотронный и магнитофононный, возникающий при магнитных полях, когда частота оптических фононов кратна . Природа этих явлений аналогична, и можно сказать, что выполнение резонансного условия в обоих случаях обеспечивает интенсивный переброс электронов между различными уровнями Ландау.

5.2.2 Плазменные неустойчивости в полупроводниках при воздействии электромагнитных полей

К настоящему времени в физике твердых тел сформировался подход к изучению электромагнитных явлений, основанный на идее коллективного взаимодействия заряженных частиц. Тем самым было положено начало новому направлению, которое получило название «плазма твердого тела» (ПТТ). В настоящее время оно охватывает весьма широкий круг физических явлений в системе относительно подвижных положительно и отрицательно заряженных частиц, связанных друг с другом силами кулоновского происхождения. Именно эти силы определяют важнейшие свойства плазмы как четвертого состояния вещества – экранирование, квазинейтральность, коллективные явления и т. д.

На идее коллективного взаимодействия частиц основаны материальные уравнения, связывающие токи и переменные поля, т. е. вычисление выражений для тензора диэлектрической проницаемости плазмы , где – частота, – волновой вектор электромагнитного поля. Таким образом, плазменные эффекты в значительной степени определяют электродинамику проводящих твердых тел.

Анализируя материальные уравнения и уравнения поля, можно получить различного рода элементарные электромагнитные возбуждения (колебания или волны), которые относятся к числу фундаментальных понятий, а их исследованию посвящено много работ.

Интерес к плазменным эффектам в твердых телах объясняется специфическими особенностями поведения электронов проводимости в поле кристаллической решетки, что позволяет изучать их спектр, кинетические свойства и взаимодействия. Эти сведения важны при изготовлении полупроводниковых и других твердотельных материалов, обладающих наперед заданными свойствами.

Для радиофизиков ПТТ важна как материальный объект, в котором при различных внешних условиях возникают и развиваются неустойчивости электромагнитных колебаний. Естественно, эти состояния плазмы в полупроводниках могут использоваться (и уже используются) для генерирования, усиления и преобразования электромагнитных колебаний в широком интервале длин волн – от радиочастотного до оптического. Поэтому изучение неустойчивостей составляет значительную часть исследований в физике плазмы.

Многочисленные плазменные неустойчивости можно разделить на две группы: кинетические и гидродинамические. Первые возникают при большой длине свободного пробега электронов (значительно превосходящей длину волны) и обусловлены резонансным взаимодействием медленных волн с отдельными группами частиц, скорости которых близки к фазовой скорости волны. Гидродинамические неустойчивости связаны с упорядоченным движением макроскопических объемов плазмы. Развиваются они, как правило, в интервале частот, меньших частоты столкновения электронов. Для исследования таких неустойчивостей применяют уравнения гидродинамики.

Характерной особенностью электронно-дырочной плазмы полупроводников является относительно большое значение частоты столкновений носителей тока с рассеивателями. Минимальное значение обычно составляет , поэтому вплоть до инфракрасных частот в полупроводниках применимо гидродинамическое приближение. Другими словами, в ПТТ чаще всего приходится иметь дело с неустойчивостями гидродинамического типа [10].

5.3 Ультразвуковые и гиперзвуковые волны в микродиагностике материалов

5.3.1 Особенности распространения ультразвука в металлах

Рассмотренные в предыдущих разделах электронные резонансы, баллистические и коллективные эффекты аномальной прозрачности металлов находят своеобразное отражение в магнитоакустических явлениях, возникающих при распространении ультразвука и гиперзвука. Связь между этими явлениями обусловлена тем, что в основе и магнитоакустических, и электромагнитных резонансов лежат одни и те же элементарные акты взаимодействия электронов с волной. Специфика и отличия связаны с тем, что волновой вектор звука имеет определенное значение, в то время как при скин-эффекте на данной частоте возбуждается широкий пакет волн с различными .

Взаимодействие электронов со звуком (фононами) характеризуется одночастичным гамильтонианом, вид которого нетрудно установить с помощью довольно простых физических соображений. Для этого нужно учесть три обстоятельства: адиабатичность, т. е. большую разницу масс электронов и ионов; наличие электрического заряда у электронов проводимости; неизменность электронной концентрации в деформированном кристалле. В результате анализа неравновесности электронов в поле звуковой волны [10] можно показать, что во внешнем магнитном поле возникает дополнительное, так называемое индукционное взаимодействие электронов со звуком, которое обусловлено силой Лоренца, действующей со стороны электронов на решетку кристалла. Его величина по отношению к деформационному взаимодействию характеризуется безразмерным параметром ( – циклотронный радиус электронов), и оно может быть существенным лишь в сильных полях, когда . При этом можно выделить две основные разновидности резонансов: акустический и магнитоакустический.

1 Акустический циклотронный резонанс (АЦР) – качественно аналогичен ЦР в электромагнитном поле. Характерные особенности АЦР и его отличия от электромагнитного резонанса связаны с малостью декремента затухания звуковых колебаний. Легко понять физический механизм АЦР. Если волновой вектор и магнитное поле взаимно ортогональны, то среднее за период циклотронного вращения смещение скорости электронов вдоль вектора равно нулю. Электрон наиболее эффективно взаимодействует со звуковым полем, когда он в подходящий момент () попадает в плоскость постоянной фазы волны. Роль «скин-слоя» (зазора в циклотроне) в этом случае играет набегающий фронт звукового поля. Так как за период прецессии в магнитном поле электрон попадает в эквивалентные плоскости постоянной фазы бегущей звуковой волны, то имеет место резонанс. АЦР наиболее резко выражен, когда циклотронные частоты одинаковы для всех электронов, т. е. при квадратичном законе дисперсии. При неквадратичном спектре, как обычно, «резонируют» электроны с экстремальными частотами . Выражение для относительного коэффициента поглощения можно представить в виде [10]:

, 79980

здесь – коэффициент поглощения при .

Резонанс происходит в области таких магнитных полей, где величина и можно не учитывать индукционное взаимодействие. АЦР проявляется в виде резкой резонансной модуляции геометрических осцилляций поглощения. Геометрический резонанс связан с осцилляциями матричного элемента деформационного взаимодействия. При неквадратичном законе дисперсии максимумы АЦР понижаются, а их форма становится более сложной и асимметричной.

2 Магнитоакустический резонанс – резонансная зависимость поглощения ультразвука от магнитного поля в металлах. Он возникает при наличии дрейфового движения электронов в направлении волнового вектора (даже при низких частотах, , наблюдаются острые максимумы сильного поглощения, разделенные широкими и размытыми минимумами слабого затухания). Этот резонанс, названный магнитоакустическим, имеет место при

, 811082

где – проекция смещения электронов за циклотронный период на вектор ; – длина звуковой волны.

Магнитоакустический резонанс связан не с временной, а с пространственной периодичностью звукового поля в металле. Он наблюдается не только в случае неперпендикулярных векторов и , но и при поперечном (относительно магнитного поля) распространении ультразвука. Для данного резонанса форма кривой поглощения имеет следующий вид:

. 831184

В частности на рис. 5.2 приведена типичная зависимость поглощения ультразвука в олове.

Физический механизм магнитоакустических резонансов связан с возбуждением в металле пространственно-периодического поля. Движение электронов в магнитном поле также является периодическим во времени и пространстве. Если длина волны звука кратна характерному смещению орбиты электрона, возникают условия для резкого изменения поглощения и дисперсии скорости звука. Когда звук распространяется в направлении, перпендикулярном магнитному полю, то среднее смещение электрона вдоль

Рис.  745. Типическая зависимость поглощения ультразвука в олове от магнитного поля Н при частоте ультразвука 220 МГц

волнового вектора звука за период прецессии равно нулю. При этом в квазистатической области частот, когда переменное поле звуковой волны можно считать статическим в течение времени свободного пробега, наблюдаются осцилляции при равенстве диаметра циклотронной траектории целому числу длин волн звука. Этот эффект получил название геометрического резонанса, или пиппардовских осцилляций. С помощью этого эффекта можно измерять экстремальные импульсы поверхности Ферми (ПФ) в направлении, перпендикулярном волновому вектору звука и вектору магнитного поля. 

Следует отметить, что первые исследования в области АЦР и магнитоакустического резонанса были посвящены изучению поглощения звука в сверхпроводниках. Явление сверхпроводимости, открытое Камерлинг-Онессом в 1911 г., долгое время представляло собой загадку, не находящую полного истолкования. Впервые микроскопическая теория сверхпроводимости была построена в работах Бардина, Купера, Шриффера и Боголюбова только в конце 50-х годов прошлого столетия. Согласно этой теории в электронном энергетическом спектре сверхпроводника вблизи уровня Ферми возникает щель. Эта щель приводит к образованию электронных пар с противоположно направленными спинами и импульсами, причем сама щель, возникающая при , является функцией температуры и достигает своего максимального значения при 0 К. Микроскопическая теория сверхпроводимости обусловила экспериментальные исследования как для проверки выводов, вытекающих из теории, так и для измерений конкретных параметров реальных сверхпроводников, в частности энергетической щели. Для ее измерения применялись методы теплоемкости, теплопроводности, критического магнитного поля, метод смещения под влиянием примесей, туннельный эффект и др. Сведения о величине щели могут быть получены при ультразвуковых измерениях температурной зависимости поглощения ультразвука сверхпроводником. Первые акустические эксперименты по измерению величины щели в сверхпроводящем олове в ИРЭ НАН Украины были поставлены под руководством А. А. Галкина. Было установлено, что в реальном сверхпроводнике величина щели зависит от ориентации кристалла, т. е. щель по своей природе является анизотропной величиной. Анизотропия щели в олове достигает 50 %. Таким образом, впервые было установлено, что в реальных сверхпроводниках существует анизотропия энергетической щели.

К настоящему времени магнитоакустический резонанс и АЦР обнаружены во многих металлах (олово, серебро, медь, золото, индий, кадмий, цинк, свинец, таллий, магний и др.). С их помощью были измерены параметры ферми-поверхностей, эффективные массы, длины свободного пробега, деформационный потенциал и анизотропия этих характеристик. Тем самым был введен в экспериментальную практику метод резонансной ультразвуковой спектроскопии для изучения энергетического спектра и кинетических параметров электронов проводимости в металлах.

Среди магнитоакустических исследований металлов можно выделить следующие:

1) изучение особенности расположения акустических волн в условиях сильной пространственной неоднородности, когда характерный размер траектории электрона в магнитном поле намного больше длины волны звука;

2) исследование поглощения и дисперсии звуковых колебаний в локальном пределе, когда размер циклотронной траектории меньше длины волны звука;

3) акустические явления в квантующих магнитных полях;

4) взаимное преобразование звуковых и электромагнитных волн нормальными металлами в магнитном поле.