Способ определения добротности монокристаллов Советский патент 1991 года по МПК G01N29/00 G01N23/20 

Изобретение 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 монокристалла; на фиг. 2 - максимальное макс, минимальное (мин и промежуточное Ir значения

интенсивности дифрагированного рентгеновского пучка, а также отрезок времени между достижением интенсивностью значений макс И It .

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

ультразвуковые (УЗ) колебания, модулиро ванные 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, тол- ,на которых удовлетворяет условию a d ;S 1 (// - линейный коэффициент погло- для длины волны монохроматического излучения, d - толщина образца), линейно зависят от значения амплитуды УЗ колебаний, Ультразвуковые колебания в монокристалле 2 зозбуждают либо электрическим путем, если кристалл обладает пьезоэлектрическими свойствами, либо механическим способом, если монокристалл пьезоэлектрическими свойствами не обла- дает. В первом случае на монокристалл 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 пьезоэлект- ри11ескими свойствами. Модулированный рентгеновский пучок, прошедший через монокристалл, принимается детектором 7, который преобразует его в соответствующий электрический сигнал. С выхода детектора информация поступает на анализатор 0 и на подключенное к нему цифпопечатающее устройство 9. Генератор низкочастотных колебаний 6 кроме выхода, подсоединенного к генератору 5, имеет выход, подсоединен- - ый к анализатору 8, через который на ана- лизятор подается начальный сигнал для синхронизации работы генератора 6 и анализатора. Модулирующий электрический сигнал имеет прямоугольную форму (в частности, это может быть постоянный сигнал, обрывающийся 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

Q

u lnAi/A2 (

где f- резонансная частотл пьезокристалл

Ai и А - фиксированные амплитуды напряжения на дискриминаторах;

t - промежуток 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 И равнялось максимальному значению интенсивности, а второе 2 было бы меньше первого в е раз, то выражение для добротности упрощается

Q л f г ,(2)

где т - время, за 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 И макс - мин . а также между промежуточным и минимальным 1мин значениями интенсивностей. В формуле (2) частота определяется по формуле f v / 2d, где v - скорость звука в исследуемом материале, d - толщина кристалла, а время г определяют умножением числа каналов анализатора AN , сработавших за время уменьшения интенсивности в е раз. на время развертки одного канала Т : г ANT .

В работе использовалась Ки линия излучения рентгеновской трубки с молибденовым анодом с длиной волны А 0,713 Д. Исследовалась пластина пьезоэлектрического кварц э Х-среза толщиной 0 7 мм. В качестве отражающих кристаллографических плоскостей выбраны плоскости (1011). Измерения проводились при частоте модулируют/го сигнала Q 1,5 кГц Поскольку скорость звука в кварце v 5760 м/с, то частота резонансных колебаний, соответствующая толщине образца 0,7 мм, составляет f 4,1 МГц. Число каналов на участке уменьшения интенсивности в е раз равно 18, а время развертки каждого канала Т - 5x10 6с. Следовательно, время затухания т - 9.105 с. Добротность, определенная по этим панным, составляет Q 1162.

lice вычисления в случае геометрии Лауэ можно проводить как на дифрагированном, так и на прошедшем пучке рентгеновского излучения, поставив детектор на пути прошедшего пучка. Преимущество работы с прошедшим пучком заключается в

TOM, что направление его выхода из кристал- ,,а не зависит от выбора семейства отража- ю цих кристаллографических плоскостей и всегда остается неизменным Однако глубина модуляции проходящего пучка меньше, чем у дифрагированного, что может привести к неточностям в вычислениях.

Когда необходимо измерить добротность непрозрачных или толстых образцов, последние устанавливают в положение дифракции в геометрии Брэгга когд-т имеет место от- ражение рентгеновских л,чей от поверхностных слоев образца. Это позволяет исследовать образцы любой толщины и лю- эой плотности.

Измерения можно проводить не только на заранее монохроматизировчнном рентгеновском . но и с использованием непрерывного спектра.

Кроме рентгеновского излучения,может быть применено любое излучение знгстрем- ного диапазона длин волн гамма инхро- тронное или нейтронное итл/чекиг

Заявляемый способ позволяет преодолеть трудности, связанные с измерением добротности непоезоэлекгричрских материалов (кремний, германий и др ) Для этого достаточно плотна состыковать (приклеить) исследуемый образец с пьезокристоллом и поместить всю систему под таким углом к падающему пучку, чтобы дифракция происходила не в пьсзокристалле, а в исследуемом образце. Это дает возможность получить информацию о колебаниях исследуемого непьезоэлектрического образца в данной системе чем расширяется область исспедуемых кристаллов.

Ввиду того, что диаметр падающего рентгеновского пучка составляет десятую долю миллиметра, определяют добсотность локального участка исследуемого кристалла, а не усредненную добротность всей колеблющейся поверхности, как это имеет место в известных способах. Перемещая исследуемый монокристалл в напр тениях, перпендикулярных направлению падающего пучка можно измерить добротность каждого локального участка исследуемого монокристалла, что может быть расценено как пбвышение точности.

В силу того что информация переносится не ультразвуковыми волнами, а излучением кристалл можно помещать в любые среды, прозрачные для коротковолновых электромагнитных излучений, в том числе и

в вакуум

Изобретение может найти применение во многих областях Возможность определять упругие характеристики локальных областей монокристалла может быть примепена в ро.-шечострукгурном анализе для оп- редзчения структурных неоднородностей как пы.зоэлектриков так и кристаллов, не обладающих пьезоэлектрическими свойствами. Способ также дает возможность определять

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

Формула изобретения

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

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

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

излучения относительно определенного семейства отражающих кристаллографических плоскостей, а в качестве параметра, характеризующего свободно затухающие колебания, используют значение интенсивности дифрагированного пучка рентгеновского излучения.

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 провзаи- модействовавших 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