Способ управления потоком коротковолнового электромагнитного излучения или медленных нейтронов Советский патент 1992 года по МПК G21K1/06 

Изобретение относится к способам управления потоками коротковолнового электромагнитного излучения или медленных нейтронов и может быть использовано для передачи, обработки информации в рентгеновской, гамма, нейтронной спектроскопии,структурноманализе, экспериментальной технике. f

Известен способ модуляции рентгеновского излучения, заключающийся в том, что рентгеновский пучок направляют на Пьезоэлектрический монокристалл, установленный в отражающее положение для длины волны излучения в пучке и прикладывают к монокристаллу электрическое поле по требуемому закону (патент США № 3832562, кл. 250-503).

Такой способ не дает возможность получить высокие частоты и большие глубины модуляции.

Известен способ модуляции коротковолнового излучения или медленных нейтронов, в котором с целью повышения предельной частоты и глубины модуляции излучениепропускаютчерезмонокристаллический полупроводниковый материал (Ge, SI, Bl, CdSe, ZnSb, GaAs и др. с концентрацией носителей в зоне проводимости не менее 1010 см 3, к которому прикладывают электрическое поле с амплитудой не менее чем v //, где v - фазовая скорость распространения звука, а ц - подвижность носителей в монокристалле полупроводника. Амплитуду электрического поля выбирают такой, чтобы скорость дрейфа носителей в поле была больше фазовой скорости звука в материале. При этих условиях за счет элект- ронно-фононного взаимодействия в материале возбуждается генерация акустических фононов, возрастает среднеквадратичное значение амплитуды колебаний решетки, что описывается увеличением фактора Дебая-Уоллера, и резко ослабляется структурная дифракция электромагнитVJ VI 00

VI о

ных волн коротковолнового диапазона или медленных нейтронов.

Способ дает амплитудную модуляцию потоков коротковолнового излучения, может быть положен в основу устройств типа модуляторов или вентилей, но не дефлекторов сигналов, так как не дает частотную модуляцию излучения, не позволяет изменять угловые положения максимумов дифрагированного на кристалле излучения.

Известен способ модуляции коротковолнового излучения (прототип), позволяющий проводить двумерное сканирование дифрагированными от кристалла пучками, составляющий основу конструкции дефлекторов и сканеров коротковолнового диапазона. Способ отличается от известного по авт.св. № 728166 тем, что в качестве промо- дулированного пучка используют сателлит дифракционного максимума, а монокристалл дополнительно облучают световым излучением с перестраиваемой длиной волны, диапазон перестройки которой охватывает ширину запрещенной зоны монокристалла. Коротковолновое излучение, падающее на монокристалл под углом Брэгга, дает дифракцию двух типов: без взаимодействия с фононом-структурный дифракционный максимум и при взаимодействии с фононом-сателлит структурного дифракционного максимума. Положением сателлита управляют путем изменения концентраций носителей в зоне проводимости и генерациейфононов заданных частот в результате электронно-фонон- ного взаимодействия. Для двумерного сканирования используют второй монокристалл, расположенный под углом Брэгга относительно структурного максимума дифракции первого монокристалла. Средства управления положением сателлита обоих монокристаллов могут быть разделены или объединены. Модуляторы могут быть синхронизированы. Сканирование коротковолнового диапазона с его одновременной модуляцией позволяет увеличить емкость каналов передачи, записи, обработки информации, улучшить разрешающую способность и точность измерений в рентгеновской телевизионной технике и микроскопии.

Недостатки прототипа - относительно малая величина сателлита по сравнению со структурным дифракционным максимумом и неэффективное использование при управлении полного потока коротковолнового излучения, сравнительно небольшой угол отклонения потока (при изменении концентрации 1010-1018 при температуре 300° К угол отклонения сателлита относительно

структурного максимума меняется от нескольких секунд до нескольких градусов), сложность конструкции.

Цель изобретения - повышение эффективности и расширение возможностей управления.

Сущность изобретения состоит в воздействии на управляющий потоком коротко- волнового излучения или медленных

0 нейтронов элемент физического структурного фактора, вызывающего в веществе элемента структурный фазовый переход. При структурном фазовом переходе в материале происходит полное преобразование меж5 плоскостных расстояний, изменение дифракционных углов Брэгга. Глубина модуляции коротковолнового излучения может достигать 100%. Изменение дифракционных углов Брэгга составляет диапазон от

0 градусов до десятков градусов, что расширяет диапазон управления дифракционными углами по сравнению с прототипом. Структурная перестройка материала сопровождается изменением других свойств ма5 териала, например, оптических, электрических, что позволяет одновременно проводить управление в различных диапазонах электромагнитного излучения или использовать некоторые из этих диапазо0 нов для контроля за управлением потоком коротковолнового излучения или медленных нейтронов. Для изобретения характерно разнообразие управляющих физических факторов, приводящих к фазовым перехо5 дам в управляемом элементе. Например, большая группа физических факторов оказывает термическое воздействие на материал и вызывает фазовые переходы. В материалах с магнитным порядком магнит0 ная структура зависит от нескольких факторов, например, температуры и магнитного поля. Это позволяет расширить возможности управления потоком коротковолнового излучения или медленных нейтронов за счет

5 воздействия на управляемый элемент несколькими физическими факторами.

На фиг.1 дана температурная зависимость интенсивности рефлекса К (2л: /а) (1/2, 1/2, 3/2) для сверхрешетки в ЗгТЮз

0 при дифракции нейтронов.

Фиг.2 демонстрирует изменение дифракции рентгеновского излучения на пленках WOa в результате фазового перехода при фотохромном процессе в пленках трех5 окиси вольфрама.

На фиг.З приведены штрих-диаграммы дестинизита, иллюстрирующие изменение дифракции рентгеновского излучения на образце дестинизита в результате происходя- щих в дестинизите фазовых переходов.

На фиг.4 даны ЯГР спектры пропускания дестинезита при температурах 20° С, 200° С, 600° С, демонстрирующие изменение пропускания дестинизитом гамма излучения в результате фазовых переходов.

П р и м е р 1. Образец титаната стронция ЗгТЮз помещают в держатель низкотемпературной приставки, расположенной в канале нейтронного спектрометра, и регистрируют нейтронограммы титаната стронция в диапазоне температур 77° К до 200° К. Фазовый переход в титанате стронция происходит при температуре близкой к 106° К и связан с неустойчивостью кристалла относительно некоторых мягких мод в высокотемпературной фазе. На фиг.1 приведена температурная зависимость брэг- говского рефлекса сверхрешетки ЗгТЮз К (л2 /а) (1/2. 1/2, 3/2). .демонстрирующая возможность амплитудной модуляции способа с глубиной близкой к 100%. Более сложные виды модуляции нейтронного излучения; например, управление сателлитами дифракционных максимумов, дает температурная зависимость мягкой моды Г 2/5 (1 /2, 1 /2, 1 /2) в высокотемпературной фазе, квадрат частоты которой уменьшается линейно до нуля при уменьшении температуры управляемого элемента до температуры фазового перехода и расщепляется на две частоты ниже температуры фазового перехода.

В отличие от перехода смещения в титанате стронция, характеризующегося плавным изменением параметра порядка с температурой вблизи температуры фазового перехода, фазовые переходы типа порядок-беспорядок, например, в / латуни CuZn (содержание цинка 47-50 ат.%, температура перехода 470° С) дают более резкое изменение порядка при нагревании. При резком охлаждении таких материалов возможны процессы закалки, а температурные зависимости рефлексов в процессе охлаждения-нагрева имеют гистерезисный характер, что позволяет реализовать для коротковолнового электромагнитного диапазона или медленных нейтронов управляемые температурой переключатели и запоминающие устройства.

П р и м е р 2. Полученные термическим испарением в вакууме порошка трехокиси вольфрама, подвергнутые термообработке на воздухе (400-450° С, 1-2 часа), исходную и фотоокрашенную пленки ЛЮз толщиной 0,8-3,5 мкм закрепляли в держателе гониометра рентгеновского дифрактометра и регистрировали их дифрактограммы. Фотоокрашивание пленок проводили ультрафиолетом от ртутной лампы в геометрической кювете, предварительно откачанной и заполненной парами метанола. Для исследования структурной дифракции использовано рентгеновское излучение СиКа с 5 никелевым фильтром.

Исходная необлученная ультрафиолетом пленка трехокиси вольфрама имеет триклинную структуру. Для исследованных пленок характерна текстура, наиболее силь0 но выраженная в плоскости 001. Фотохро- мизм облученной пленки связан с отщеплением от молекулы метанола атомарного водорода, который на поверхности пленки ионизируется. При этом локализа5 ция электрона происходит на вольфрамовом узле, а протон локализуется в каналах между кислородными октаэдрами, что приводит к образованию водород-вольфрамовых бронз со структурой, соответствующей

0 тетрагональной сингонии. Водород-вольфрамовые бронзы устойчивы под действием ультрафиолетового облучения, а в его отсутствие разлагаются на трехокись вольфрама и водород.

5На фиг.2 показаны структурные изменения при фотохромном процессе в пленках ЛЮз с текстурой 001 (а - неокрашенная пленка, триклинная структура, б - смесь фаз водород-вольфрамовых бронз тетрагональ0 ных структур H(.23)WO(3) и Н(.зз)Л/0(з), время облучения 5 часов, в-тетрагональная структура водород-вольфрамовой бронзы H(.33)WO{3). время облучения 16 часов).

Фазовый переход является обратимым.

5 Возврат пленки в исходное состояние происходит примерно через десять минут после прекращения ультрафиолетового облучения.

Фазовый переход в пленке под действи0 ем ультрафиолетового облучения приводит к появлению окраски синего цвета в ближней инфракрасной и видимой красной области спектра возникает широкая асимметричная полоса поглощения. Это

5 свойбтво можно использовать для контроля за управлением потоком коротковолнового излучения.

ПримерЗ. Образец природного минерала дестинизита закрепляют в держате0 ле высокотемпературной приставки, которую устанавливают за гониометр рентгеновского дифрактометра. Дифрактограммы дестинизита регистрируют при различных температурах в диапазоне

5 20-850° С.

Дестинизит - микрокристаллическое, почковидноигольчатое вещество бледно-зеленоватого оттенка. Химическая формула

дестинизита - Fe2(POMSOMOH)-5H20. Для дестинизита характерна целая серия необратимых фазовых переходов по температуре в диапазоне 90-850° С, приводящих к изменению структуры материалов.

На фиг.З даны штрих-диаграммы диф- рактограмм, демонстрирующие структурные изменения, происходящие в дестинизите с ростом температуры (Диаграммы А, Б, В, Г - соответствуют температурам 20° С. 100° С, 200° С, 600° С). Фазовый переход вблизи 100° С связан с упрощением структуры минерала и ее частичной амор- физацией, переход вблизи 500° С напротив соответствует переходу от частично амор- физированной структуры к новой кристаллической структуре.

Фазовые переходы в дестинизите необратимы, что связано с потерей ряда элементов при нагревании. Конечная температурная фаза соответствует веществу с химической формулой РезРО, структуры начального и промежуточное состояния в настоящее время не расшифрованы.

При фазовых переходах в дестинизите изменение углового положения структурного дифракционного максимума составляет от нескольких минут до десятка градусов при последовательном переходе от диаграммы А к диаграмме Г (рефлекс 25°15 , 26°40 , 27°20 , 26°20 или рефлекс 58°, 51° 30, 50°15 , 62°). С изменением температуры происходит заметное изменение интенсивности рефлекса даже при незначительном изменении углового положения структурного дифракционного максимума. Особенно это характерно для перехода к частично аморфизированной фазе, когда многие рефлексы предшествующей фазы в новой фазе отсутствуют.

Оптические и электрические свойства дестинизита изменяются при фазовых переходах. При температуре 20° С дестинизит имеет грязно зеленоватый оттенок, при температуре 200° С окраска дестинизита изменяется на светло - желтую, а при температуре 900 С становится красновато-коричневой. В этом диапазоне температур наблюдаем также заметную разницу в И К спектрах дестинизита в области 900-1200 . При фазовых переходах происходит изменение характера электропроводности дестинизита с диэлектрического на полупроводниковый. Электропроводность дестинизита изменяется на четыре порядка от до

10 при изменении температуры от 20° С до 700° С. Эти свойства дестинизита могут быть использованы для контроля за

управлением потоком коротковолнового электромагнитного излучения.

П р и м е р 4. Образец дестинизита помещали в держатель температурной приставки, которую устанавливали в канал мес- сбауэровского спектрометра и регистрировали пропускание дестинизитом гамма квантов от скорости радиоизотопного источника Со60, размещенного на вибра0 торе спектрометра.

На фиг.4 даны ЯГР спектры дестинизита (кривые г, д, е), полученные соответственно при температурах 20° С, 200° С и 600° С. При температуре 20° С ЯГР спектр дестинизита

5 имеет вид узкого дублета, при температуре 200° С ЯГР спектр частично аморфизированной фазы дестинизита состоит из нескольких размытых дублетов, занимающих широкую область по оси скоростей и сме0 щенных от положения первоначального дублета. При температуре 600° С количество спектральных дублетов по сравнению с температурой 200° С не изменяется, но увеличиваются их интенсивности, уменьшают5 ся ширины, изменяются положения полос поглощения по оси скоростей.

Данный пример демонстрирует возможность управления пропусканием гамма квантов с энергией вблизи 14,4 Кэв на осно0 ве фазовых переходов по температуре в дестинизите. Поскольку для -мессбауэровской спектроскопии не принципиально, что размещать на вибраторе радиоизотопный источник или образец дестинизита, то данный

5 пример иллюстрирует возможность использования нескольких управляющих пропусканием гамма квантов факторов температуры и скорости образца. Формула изобретения

0 1. Способ управления потоком коротковолнового электромагнитного излучения или медленных нейтронов, заключающийся в направлении потока на управляющий кристаллический элемент и физическом воздей5 ствии на управляющий элемент для изменения условий его взаимодействия с управляемым потоком, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности и расширения возможно0 стей управления путем физического воздействия вызывают структурный фазовый переход в веществе управляющего элемента.

2.Способ по п.1,отличающийся 5 тем, что предварительно производят пред- переходное упорядочение вещества управляющего элемента.

3.Способ попп.1 и2, отличагащий- с я тем, что дополнительно контролируют изменение оптических и/или электрических

характеристик вещества управляющего элемента в процессе физического воздействия.

4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что управляющий элемент выполнен из дестинизита.

5. Способ по п А отличающийся тем, что в процессе физического воздействия контролируют изменение спектра отраженного дестинизитом света в видимой и /или инфракрасной области и /или изменение электропроводности.

Сущность изобретения: на управляющий потоком коротковолнового электромагнитного излучения или медленных нейтронов элемент воздействуют физическим фактором, вызывающим в веществе элемента структурный фазовый переход. 4 з.п. ф-лы, 4 ил. Ё

ЮО 30

25

Фиг. 2

- / х-2

20

15

2

в град.

Фи&З