Способ определения добротности монокристаллов

5 О 01 й 29/00, 23/20 ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ МУ СВИДЕТЕЛЬСТВ К АВТО(71) Институт прикладных проблем физики АН АрмССР(56) Бергман Л. Ультразвук и его примене ние в науке и технике, М., 1957, с, 82,Смагин А.г., Ярославский М.И. Пьеэоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы. М 1970, с, 304.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОБРОТНО СТИ МОНОКРИСТАЛЛОВ(57) Изобретение относится к исследованию упругости и пластичности материалов, в частности к способам изучения упругих характеристик твердых тел с помощью излучений ангстремного диапазона длин волн. Цель изобретения - расширение области исследуемых кристаллов, а также повышение точности, На монокристалл, в котором возбуждают ультразвуковые колебания, модулированные периИзобретение относится к исследованию характеристик упругих свойств материалов, а именно к способам изучения характеристик упругих свойств с помощью излучений ангстремного диапазона длин волн,Цель изобретения - расширение области исследуемых кристаллов и повышение точности исследований.На фиг. 1 показана блок-схема устройства, осуществляющего способ определения добротности колеблющегося монок ристалла; на фиг. 2 - максимальное макс, минимальное мин и промежуточное (г значения одическими колебаниями низкой частоты, от источника направляют пучок монохроматического рентгеновского излучения, С помощью системы ориентации ориентируют монокристалл в положение дифракции для длин волн монохроматического излучения относительно определенного семейства отражающих кристаллографических плоскостей, а добротность ог(ределяют путем измерения максимальноо и промежуточного значений интенсивности и отрезка времени между ними на одном из провэаимодействовавших пучков рентгеновского излучения. В случае измерения добротности непьезоэлектрических материалов достаточно плотно состыковать исследуемый образец с пьезокристаллом, что дает возможность получить информацию о колебаниях исследуемого непьеэоэлектрического образца. Благодаря переносу информации излучением кристалл можно помещать в любые среды, прозрачные для коротковолновых электромагнитных излучений, в том числе вакууме, 2 ил. интенсивности дифрагированного рентгеновского пучка, а также отрезок времени между достижением интенсивностью значений макс и тПучок монохроматического рентгеновского излучения от источника 1 (фиг, 1) направляют на исследуемый монокристалл 2, установленный посредством системы ориентации 3 в положение дифракции по Лауэ для длины волны монохроматического излучения относительно определенного семейства отражающих кристаллографических плоскостей. В монокристалле 2 возбуждаютультразвуковые (УЗ) колебания, модулированные периодическими колебаниями низкой частоты, Вследствие этого модулирую прошедший и продифрагировавший пучки рентгеновского излучения, поскольку интенсивности продифрагировавшего, а следовательно, и прошедшего пучков рентгеновского излучения в некоторой области амплитуд УЗ колебаний для образцов, толщина которых удовлетворяет условию и д1 (р - линейный коэффициент поглоще ия для длины волны монохроматического излучения, О - толщина образца), линейно зависят от значения амплитуды УЗ колебаний, Ультразвуковые колеб:. ния в монокристалле " возбуждают либо электрическим путем, если кристалл обладает пьезоэлектрическими свойствами, .чибо механическим спосо"пом, если монокристалл пьезоэлектрическими свойствами не обладает. В первом случае на монокристэлл 2 посредством примыкающих к его боковым поверхностям электродов 4 подают колебания резонансной частоты от генератора ультразвуковых электрических колебаний 5, модулированные периодическими колебаниями низкой частоты от генератора б. Когда исследуемый монокристалл пьезоэлектрическими свойствами не обладает, УЗ колебания в нем возбуждают, приклеивая его к кристаллу, обладающему пьеэоэлектри ескими свойствами, Модулированный рентгеновский пучок, прошедший через монокристалл, принимается детектором 7, который преобразует его в соответс-вующий электрический сигнал. С выхода детектора информация поступает на анализатор О и на подключенное к нему цифропечатающее устройство 9, Генератор низкочастотных колебаний б кроме выхода, подсоединенного к генератору 5, имеет выход, подсоедичен- .ый к анализатору 8, через который на аналиэлтор подается начальный сигнал для синхронизации работы генератора б и анализатораа. Модулирующий электрический сигнал имеет прямоугольную форму (в частности, это может быть постоянный сигнал, обрываюшийся в некоторый момент времени). Однако модулированный рентгеновский пучок не повторяет полностью этот сигнал. Более медленный спад интенсивности рентгеновского пучка при отключении сигнала обусловлен тем, что кристалл обладает некоторой добротностью, Добротность определяется по формулеА и йз - фиксированные амплитуды напряж .ния на дискриминаторах;г - промежуток времени между моментами срабатывания дискриминаторов,Поскольку интенсивность модулированного рентгеновского пучка линейно зависит от значения амплитуды напряжения на электродах пьезокристалла, то отношение амплитуд напряжения под логарифмом в формуле (1) можно заменить отношением интенсивностей в те же моменты времени. Если подобрать значения интенсивностей так, чтобы одно из них1 равнялось максимальному значению интенсивности, а второе 1; было бы меньше первого в е рээ, то выражение для добротности упрощается 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 а =л 1 г, (2)где г - время, зэ которое интенсивность уменьшается в е раз.Как видно из фиг, 3, минимальное значение интенсивности отличается от нуля, поэтому, чтобы получить истинные значения величин интенсивностей, надо брать разность между максимальным и минимальным 11 = 1 макс 1 мин, д также между промежуточ. ным и минимальным 12 =17 1 мкн значениями интенсивностей, В формуле (2) частота определяется по формуле 1 = ч ( 2 г 1, где ч - скорость звука в исследуемом материале, д - толщина кристалла, а еремя г определяют умножением числа каналов анализатора ЛК, сработавших за время уменьшения интенсивности в е раз, нэ время развертки одного канала Т: Т = ЯМТ,В работе использовалась Ки линия излучения рентгеновской трубки с молибденовым анодом с длиной волны А = 0,713 А. Исследовалась пластина пьезоэпектрического кварца Х-среза толщиной 0.7 мм. В ка естае отражающих кристаллографических плоскостей выбраны плоскости (1011), Измерения проводились при частоте моду- лиру:ощгго сигнала Й= 1,5 кГц Поскольку скорость звука в кварце ч =- 5760 м/с, то частота реэонансчых кзлебаний, соответствующая толщине образца 0,7 мм, составляет 1 = 4,1 МГц. Число каналов на участке уменьшения интенсивности в е раз равно 18, э время развертки каждого канала Т = 5 х 10 с. Следова гельно, время затухания г = 9 х"0 с. Добротность, определенная по-5этим ванным, составляет 0 = 1162.Все вычисления в случае геометрии Лэуэ можно проводить как на дифрагированном, так и на прошедшем пучке рентгеновского излучения, поставив детектор на пути прошедшего пучка. Преимущество рэбогы с прошедшим пучком заключается втом, чтоапрэьление его выхода из кристал; а не зависит от выбора семейства отражаю.цих кристаллографических плоскостей и всегда остается неизменным Однако глубина модуляции проходящего пучка меньше, чем у дифрагированного, что может приве. сти к неточностям в вычисле.,иях,Когда необходимо измерить добр )тность непрозрачных или толстых образцов, последние устанавливают в положение дифракции в геометрии Брэгга когда имеет место о. - ражение рентгеновских л,чей от поверхностных слоев образца, Это позволяет исследовать образцы любой толщины и люзой плотности.Измерения можно проводить не только на заранее монохроматизировэнном рентгеновском пуч".е, но и с использоьанием непрерывного спектра.Кроме рентгеновского излучения, может быть применено любое излучение энгстремного диапазона длин волн гамма инхротронное или нейтронное излучени.Заявляемый способ позволяет преодолеть трудности, связанные с измерением добротности непезоэлектрических лат. риалов (кремний, гергданий и др ) Для этого достаточно плотна состыковать приклеить) исследуемый образец с пьезокристэллом и поместить всю систему под таким углом к падающему пучку, чтобы дифрэкцих происходила не в пьезокристалле, а в исследуемом образце. Это дает возможность получить информацию о колебаниях исследуемого непьеэоэлектрического образца в данной системе. чем расширяется область исследуемых кристаллов.Ввиду того, что диаметр падающего рентгеновского пучка составляет десятую долю миллиметра, определяют добротность локального участка исследуемого кристалла, а не усредненнчю добротность всей колеблющейся поверхности, как это имеет место в известных способах, Перемещая исследуемый монокристалл в напр;- 1 ениях, перпендикулярных направлечиюадающео пучка, можно измерить добротность каждого локального участка исследуемого монокристалла, что может быпгь расценено какповышение точности,5 В силу того, что информация переносится н." уль 1 развуковыми волнами, а излучением, кристалл можно помещать в любыесреды, прозрачные для коротковолновыхэлекгромагнитных излучений, в том числе и10 в вакуум,Изобретение может найти применениево многих областях. Возможность определять упругие характеристики локальныхобластей монокристалла может быть приме 15 нена в рентгенострукгурном анализе для определения структурных неоднородностей какпь:зоэлектриков, так и кристаллов, не обладающих пьезоэлектрическими свойствами,Способ также дает возможность определять20 упругие характеристики систем, имеющихмалую массу, например интегральных схем,исследование которых обычными способами крайне затруднительно,25 Формула изобретенияСпособ определения добротности монокристаллов, заключающийся в вычислениидобротности по отношению двух значенийизмеренного параметра, характеризующегоЗО свободно затухающие колебания монокристалла, возбужденные на собственной частоте, и отрезку времени между этимизначенияли, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью расширения клас а исследуемых35 кристаллов и повышения точности определения, на монокристалл направляют пучокмонохроматического рентгеновского излучения, ориентируют монокристалл в положение дифракции для длины волны этого40 излучения относительно определенного семейства отражающих кристаллографических плоскостей, а в качестве параметра,характеризующего свободно затухающиеколебания, используют значение интенсив 45 ности дифрагироеанного пучка рентгеновского излучения,1627972 р Н. Горв Ре Производственно-издательский комбинат "Патент", г,од, ул, Гагарина,Заказ 337 ВНИИПИ Госу Ю5 реню(сеийф) Составитель О. Алешко-ОжевскийТехред М.Моргентал Корректор О. Кравцо Тираж 398 Подписноетвенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5