Кольцевой акустоэлектронный генератор

СООЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 19) (11 1)З " 1/08, Н 01 1. 29/66 ОБРЕТЕН ПИСАНИ МУ СВИДЕТЕЛ яе 1962 С Ч 2(2- агсвЫ Ч,1 /Ч облас быть и ически ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГННТ СССР(71) Институт физики АН БССР(5 Й)(57) КОЛЬЦЕВОЙ АКУСТОЭЛЕКТРОННЦЙГЕНЕРАТОР, содержащий резонатор с отражающими гранями, звукопровод, пьезполупроводник с электродами, о т л иа ю щ и й с я тем, что, с целью Изобретение относится к т.и акустоэлектроники и может спользовано для генерации акуст х и электрических колебаний.Известен также акустоэлектронный генератор, представляющий собой плос" копараллельную пьезополупроводниковую пластинку с нанесенным на ее торцы электродами, подключенными к источнику дрейфового поля, нормаль к плоскости которой совпадает с пьезоактивным направлением в кристалле.В пластинке вдоль нормали создается с помощью источника дрейф свободных носителей заряда. Этот дрейф и вызывает генерацию УЗ-волн, Условием самовозбуждения такого генератора яв" увелицения мощности и уменьшения коэффициента шума, звукопровод выполнен в виде плоскопараллельной пластины и расположен между резонатором и пьезополупроводником, при этом резонатор, звукопровод и пьезополупроводник выполнены из материалов, скорости у ультразвуковых волн которых Ч, Ч, Ч соответственно определены следую-3щим соотношением а резонатор выполнен из диэлектрического материала, угол между отражающи"ми гранями которого определен следую"щим соотношением: ляется превышение усиления над потерями за один проход УЗ-волны в прямом и обратном направлениях в пьезополупро- фЪ водниковой пластинке4 РНедостатками этого устройства являются низкая эффективность, обусловленная необходимостью пробега УЗ-волн в 1 процессе генерации в направлении, про", тивоположном дрейфу зарядов, а также высокий коэффициент шума вследствие того, что пьезополупроводник одновременно является звукопроводом и акус" тицеским резонатором.Наиболее близким по технической сущности к устройству согласно изобретению является кольцевой акустоэлектронный генератор, содержащий резонатор С отражающими граня и, звукопрсвод, пьезополупроводник с электродами, Принцип действия этого устройствасос,тоит в следующем: при наложенииэлект рического поля вдоль четырех извосьми граней многоугольника возникаютультразвуковые волны, распростра няющиеся по периметру восьмиу ольника ивзаимодействующие с дрейфующими электронами. Внешнее магнитное поле вызывает дополнительный дрейф электронов сположительной проекцией скорости напьезоактивное направление,Недостатки этого устройства следую 15щие.Низкая мощность генерируемого сигнала обусловленная генерацией лишьвесьма узких УЗ-пучков с шириной порядка 1 мм, вследствие невозможностигенерации однородных акустичесикх пуч=ков в плоскости распространения Последнее объясняется тем, что азимутальная соответствующая дрейфового тока.с которой в конечном счете и связанпроцесс генерации, не остается постоянной в плоскости восьмиугольника именяется обратно пропорционально расстоянию между электродами,Большой коэффициент шума, являющий 3 Ося следствием того, цто резонатор иусипивающая среда совмещены друг с другом, и возникает режим акустицескойтурбулентности. Поэтому в данном уст ройстве невозможно полуцить большиемощности генерируемого сигнала . 1 )Большое энергопотребление вследствие необходимости применения внешнихмагнитных полей высокой напряженности(порядка 1 кЭ), Магнитные поля такойвеличины создают с помощью внешних 4 Осоленоидов, потребляющих большое когичество энергии и значительно усложняющих устройство.Целью настоящего изобретения является увеличение мощности и уменьшение коэФфициента шума.Поставленная цель достигается тем,что в известном кольцевом акустоэлект=ронном генераторе содержащем резонатор с отражающими гранями,звукопровод, 50пьезополупроводник с электродами, звукопровод выполнен в виде плоскопараллельной пластины и расположен междурезонатором и пьезополупроводником;при этом резонатор, звукопровод и пьезополупроводник выполнены из материалов, скорости ультразвуковых воли которых Ч 1, Ч Ч; соответственно определены следующим соотношением: а резонатор выполнен из диэлектричес"кого материала, угол между отражающимигранями которого определен следующимсоотношением:ъ /2 - аксз 1 п Ч /Чз,На цертеже изображена схема генератора. Иа схеме показаны резонатор 1 с отражающими поверхностями 2,3, звуко- провод 4, пьезополупроводник 5 с электродами б,/, истоцник постоянного полл 8, элемент вывода генерируемого сигнала 9. Пунктирными линиями показан ход генерируемой волны, Отражающие поверхности 2 и 3 акустического резонатора расположены под угломЛЧ 1--- зксв 1 п2 ЧПредложенное устройство работаетследующим образом. При подключении источника постоянного напряжения к электродам б и 7 в пьезополупроводнике 5устанавливается дрейф носителей зарядапараллельно границе раздела пьезополупроводника 5 и звукопровода 4 со скоростью, превышающей скорость ультразвука в пьезополупроводнике 5,Процесс самовозбуждения генератораультразвука начинается с усиления тепловых акустических шумов, В резонатоое 1 и звукогроводе 4 всегда присутствуют акустические шумы, обусловленныетепловыми колебаниями атомов кристаллической решетки, Эти шумы представгяют собой набор упругих плоских волнсо случайными фазами и амплитудами,распространяющихся во всех направлениях внутри резонатора и звукопровода.Из всей совокупности тепловых упругихволн, попадающих из резонатора в пьезополупроводник, усиливаются толькоте, которые падают на границу разделамежду резонатором и звукопроводом подуглом, близким к углу полного внут-цреннего отражения (ПВО),Выполнение условия Ч 4 ( Ч ( Ч,где Ч 1, Чд., Чз - скорости ультразвуковых волн соответственно в резонаторе,звукопроводе и пьезополупроводнике,необходимо для реализации полноговнутреннего отраж-ния УЗ-волн на границе между пьезополупроводником и звукопроводом, Работа гг =.,дгагаемого акустоэлектронного генератора основана наявлении усиления ультразвука при ПВО от пьезополупроводника со сверхзвуковым дрейфом носителей заряда. При углах, близких к углу ПВО, падающая ультразвуковая волна синхронно возбуждает сдвиговую пьезоактивную поверхностную волну, Последняя усиливается сверхзвуковым дрейфом электронов и подносит энергию к границе раздела, т,е. происходит перекачка энергии из поверхностной волны в отраженную, Звукопровод 4 служит для усиления этого эффекта, обеспечивая многократное полное отражение от поверхности пьезополупроводника. Волны, образованные в результате такого многократного отражения, интерферируют между собой. Поэтому результирующий коэффициент усиления будет зависеть от толщины Ь звукопровода 4 и частоты ультразвуковой волны. Иожно показать, что при заданной толщине Ь коэффициент усиления будет максимальным для всех частот, задаваемых выражением:(2 И) пЯ = ------4 Ь Ч -Ч где И = 1,2 Очевидно, что именно на этих частотах происходит генерация УЗ-волн в предлагаемом устройстве. Таким образом, звукопровод 4 "вырезает" из широкого спектра собственных частот резонатора 1 ряд узких линий. Именно вследствие интерференционного характера усиления УЗ-волн в предлагаемом устройстве за счет наличия звукопровода, а также благодаря функциональному разделению резонатора и усиливающей среды (пьезополупроводника) и генерации УЗ-волн лишь в узком телесном угле вблизи предельного угла ПВО, в предлагаемом устройстве генерация акустического шума практически исключена.Усиленный после многократного отражения от звукопровода 4 ультразвуковой поток частично отражается от полупро" зрачной грани 3, распространяется параллельно границе раздела 4 и 5 и затем после отражения от грани 2 снова испытывает усиление при многократном отражении в звукопроводе 4. Таким образом, в резонаторе 1 осуществляется генерация в режиме бегущей волны, который обеспечивается тем, что угол между отражающими гранями резонатора Ъ Ч агсз 1 п 2 Чу1160906 6Условием генерации является превышениеусиления над потерями за один проходУЗ-волны в акустическом резонаторе,5Рассмотрим генератор, в которомпьезополупроводник 5 выполнен изкристалла СаАв, звукопровод - изкристалла СЛБ и резонатор 1 " из кристалла Ьд 10, Оси 4-го и 6-го порядковкристаллов ортогональны плоскости распространения ультразвука, причем ось110 кристалла СаАв параллельна границе раздела 4-5,Скорость сдвиговой пьезоантивной.15УЗ-волны в направлении 11 0равна3,32 105 си/с. Толщина пластинки изЬ 110 равна 430 мкм, Электрод 6 подсоединен к отрицательному, а 7 - к положительному полюсу источника питания.Угол 1 между отражающими гранями резонатора составляет 7 ф 6. При подвижности носителей заряда в СаЛз, равной3 см4 .10и напряженности поляВ.с.В25 Ъ Впроисходит генерация сдвиго"смвой ультразвуковой волны на частоте30 ИГц. Выход генерируемого сигналаосуществляется элементом 9, выполненным из плавленого кварца, находящего"ся в акустическом контакте с резонатором,По сравнению с базовым объектом,за который принят прототип, предлагаемый генератор имеет в 10 раз болеевысокую мощность генерируемого сигна"ла, так как позволяет генерировать широкие акустические пучки10 мм иболее при одинаковой плотности мощности генерируемого сигнала. Если в про 40 тотипе ширина генерируемого пучка составляет не более 1 мм, то в предлагаемом устройстве она ограничена лишьразмерами резонатора. 8 устройствепрактически отсутствуют шумы, обус"4 ловленные электронами проводимости,так как резонатор отделен от пьезополупроводника с дрейфом носителей заряда, и генерация происходит в узкомтелесном угле вблизи угла полного50 внутреннего отражения. Шумы подавляются также интерференционным характером усиления УЗ-волн за счет наличиязвукопровода. Отсутствие источникапостоянного магнитного поля высокой55 напряженности значительно упрощаетустройство и снижает его энергопотреб"ление. Кроме того, выходная мощностьпредлагаемого кольцевого генератораоднородно распределена по ширине ге"Корректор С, Век Техред А Кравчук Юрко Заказ 2307 Тираж ПВНИИПИ Государственного комитета по изобретекияи113035, Иосква, Ж"35, Раущская иа одписноеи открцтияи при ГКНТ СССР 6 д 4/5 ибкиат патент", г. Ужгород, ут . Гагарина 7 1160906 8нерируеиого пучка, так как звукопро" , ких дефлекторах и фильтрах, линиях вод создает одинаковый по ширине пуч. задержки, а также в акустоэлектронка набег фазы. В(устические пучки с ных устройствах обработки сигнальной однородныи по сечению распределением информации.мощности необходимы в акустооптицес