Способ определения добротности монокристаллов

 

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 периоди ескими 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 определяют путем измерения максимального и промежуточного значений интенсивности и отрезка времени между ними на одном из провзаимодействовавших пучков рентгеновского излучения В случае измерения добротности непьезоэлектрических материалов достаточно плотно состыковать исследуемый образец с пьезокристаллом что дает возможность получить информацию о колебаниях исследуемого непьезоэлектрического образца. Благодаря переносу информации излучением кристалл можно помещать в любые среды, прозрачные для коротковолновых электромагнитных излучений в том числе вакууме 2 ил 6

СОЮЗ COBF ТСI, ÈÕ

СОЦИАЛИС ГИ Е Ск ИХ

РЕСПУБЛИК

Is<>s G 01 N 29/00, 23/20

ГОСУДАРСТВЕ ННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4616478/25 (22) 05.12.88 (46) 15.02.91. Бюл. N. б (71) Институт прикладных проблем физики

АН АрмССР (72) Л.А. Кочарян, Э.М. Арутюнан, О.А. Унанян и К.Т. Айрапетян (53) 621.386 (088.8) (56) Бергман Л. Ультразвук и его применение 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, s частности к способам изучения упругих характеристик твердых тел с помощью излучений ангстремного диапазона длин волн. Цель изобретения — расширение области исследуемьIx 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 I K, минимальное I><> и промежуточное Iz значения

„„SLED„„1627972 А1 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 максимально о 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 1т.

Пучок 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 возбуждают

1627 9! 2 ультразвуковые (УЗ) колебания, модулированные периодическими колебаниями низкой частоты. Вследствие этого модулирую прошедший и продифрагировавший пучки рентгеновского излучения, поскольку интенсивности прсдифрагировавшего, а следовательно, и прошедшего пучков рентгеновского излучения в некоторой области амплитуд УЗ колебаний для образцов, толщина которых удовлетворяет условию и d 1 (p — линейный коэффициент поглоще ия для длины волны монохроматического излучения, 4 — толщина образца), линейно зависят от значения амплитуды УЗ колебаний, Ультразвуковые колеб: ния в монокристалле возбуждают либо электрическим путем, если кристалл обладает пьезоэлектрическими свойствами, либо механическим vпосо ом, 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 6.

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 6. кроме выхода, подсоединенного к генератору 5, имеет выход, подсоедичен .ый к анализатору 8, через который на аналиэлтор подается начальный сигнал для синхронизации работы генератора 6 и анализатора. Модулирующий электрический сигнал истлеет 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 формуле fr а= (1) где f — резонансная частота пьезокристалл"

А1 и Az — фиксированные амплитуды напряж ния на дискриминаторах;

t — - громежуток времени между моментами срабатывания дискриминаторов, Поскопьку 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 них I) равнялось максимальному значению интенсивности, а второе I; было бы меньше первого в е рээ, то выражение для добротности упрощается

0 =,т 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 = 1макс 1мин, д также между промежуточным и минимальным 12 =-1» 1мкн значениями интенсивностей. В форглуле (2) частота определяется по формуле f = v / 2d, где ч— скорость звука в исследуемом материале, d — толщина кристалла, а время г определяют умножением числа каналов анализатора ЛК, сработавших за время уменьшения интенсивности в е раз, нэ время развертки одного канала Т: Т = ANT.

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 модулиру:ощгго сигнала Q 1,5 кГц Поскольку скорость звука в кварце v =- 5760 м/с, то частота реэонансчых кзлебаний, соответствующая толщине образца 0,7 мм, составляет f =- 4,1 МГц. Число каналов на участке уменьшения интенсивности в е раз равно 18, э время развертки каждого канала

Т =- 5х10 с. Следова ельно, время затухания г = 9х"0 с. Добротность. определенная по

-5 этим энным, составляет 0 = 1162.

Все вычисления в случае геометрии

Лэуэ можно проводить как на дифрагированном, так и на прошедшем пучке рентгеновск0го излучения, поставив детектор на пути прошедшего пучка. Преимущество рэбогы с прошедшим пучком заключается в

1627972 том, что пап раьлei ие 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 привести к неточностям в вычисле.,иях, Когда необходимо измерит - добр. iTH0cTb 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 плотн сти.

Измерения можно проводить не только на заранее монохроматизированном рентгеновсксм пуч".е, но и с использоьанием непрерывного спектра.

Кроме рентгеновского излуч"..íия,может быть применено любое излучение ангстремного диапазона длин волн гамма. инхротронное или нейтронное излучени.

Заявляемый способ позволяет преодолеть трудности, cBÿçýííûå с измерением добротности непезоэлектрических мат.риалов (кремний, германий и,г,р.). Для этого достаточно плотно состыковать (приклеи-,ü) исследуемый образец с пьезокристаллом и поместить всю систему под таким углом к падающему пучку, чтобы дифракцих происходила не B 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 добгэтность локального участка исследуемого кристалла, а не усредненнчю добротность всей колеблющейся поверхности, как это имеет место в известных способах. Перемещая исследуемый монокристалл в напр;- 1ениях, перпендикулярных направлению падающеи пучка. можно измерить добротность каждого лока",üíîãî участка исследуемого монокристалла, что может быль расценено как повышение точности, 5 В силу того, что информация переносится н." уль1развуковыми волнами, а излучением, кристалл можно помещать B любые среды, прозрачные для коротковолновых элекгромагнитных излучений, в том числе и

10 в вакуум.

Изобретение может найти применение во многих областях. Возможность определять упругие характеристики локальных областей монокристалла может быть приме15 нена в рентген(>струкгурном анализе для onре,qçëåíèÿ структурных неоднородностей как п,i:çîýëåêòðèêîâ, так и кристаллов, не обладающих пьезоэлектрическими свойствами.

Способ также дает возможность определять

20 упругие характеристики систем, имеющих малую массу, например интегральных схем, исследование которых обычными способами крайне затруднительно.

25 Формула изобретения

Способ определения добротности монокристаллов, закл очающийся в вычислении добротности по отношению двух значений измеренного параметра, характеризующего

ЗО свободно затухающие колебания монокристалла, возбужденные на собственной частоте, и отрезку времени между этими значениями, отличающийся тем, что, с целью расширения класа исследуемых

35 кристаллов и повышения точности определения, на монокристалл направляют пучок монохроматического рентгеновского излучения, ориентируют монокристалл в положение дифракции для длины волны этого

40 излучения относительно определенного семейства отражающих кристаллографических плоскостей, à B качестве параметра, характеризующего свободно затухающие колебания, используют значение интенсив45 ности дифрагироеанного пу ка рентгеновского излучения.

1627972

Ю 8

8реня(сек Ю4) 4Ъ2. 2

Составитель О. Алешко-Ожевский

Техред М.Моргентал Корректор О. Кравцова

Редактор Н. Горват

Заказ 337 Тираж 398 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент". r. Ужгород, ул. Гагарина, 101