Способ модуляции излучения и устройство для его реализации Советский патент 1980 года по МПК G21K1/06 

Изобретение относится к средствак управления коротковолновым электромагнитным излучением и медленны ш нейтронами. Оно может использоваться в области обработки и передачи инфррмации, в рентгеновской, гамма - и нейтронной спектроскопии, структурно анализе, а также в экспериментальной технике.

Известен способ модуляции рентгеневского излучения, заключс1ющийся в том, что рентгеновский пучок направляют на пьезоэлектрический монокристалл, который установлен в отражающем положении для длины волны излучения в пучке и к которому прикладыBcUOT электрическое поле по требуемому закону 1,

Такой способ не обеспечивает возможность получения высоких частот и Ьольшой глубины модуляции.

Наиболее близким техническим решением является способ модуляции рентгеновского излучения путем изменения услов1 й аномального прохождения излучения через монокристаллический материал при приложении к нему электрического поля в импульсном режиме для создания акустических колебаний 2. Устройство для реализации способа содержит монокристалл, средства ориентирования монокристалла относительно модулируемого пучка и средства приложения электрического поля к монокристаллу, -таким образом/;что. осуществляется аномальное прохождение согласно эффекту Бормана. В устройстве предусмотрены средства для

0 введения в кристалл в| еменных напряжений, нарушающих аномальное прохождение излучения. Кристалл изготовлен из пьезоэлектрика, а в качестве средства для введения напряжения исполь5зован источник электрического напряжения (импульсный). Прошедший через кристалл.модулированный пучок излучения направлен на регистрирующее устройство.

0

Найболее существенными недостатками известного способа и реализующего его устройства ярляются:

-малая частота модуляции,

5

-малая глубина ;модуляиии,

- необходимость отбора высококачественного бездислокационного монокристалла, в котором возможно аномальное прохождение излучения.

0 Перечисленные недостатки обусловле ны тем, что в известном устройстве кристалл-модулятор изготовлен из .пьезоэлектрического материала и совершает акустические колебания под действием ударного возбуждения Электрическим импульсом или переменного электрического поля. Частота модуляции ограничена частотой колебаний кристалла. При размерах кристаллае2 мм и скорость звукаVg 10 см/сек частота модуляции не превышает величину l о 10-10 Гд. Глубина мо/1УЛЯЦИИ М ограничена значением, определяемым коэффициентами поглощения излучения для аномально проходящей р.4 и поглощаемой . В условиях эффекта Борманаjigii 6 . (для Ge) и jA, u; 0,.0 .(для SI), здесь t - толщина кристалла. may. „ ,.,-(о-Ре)«дОО/о max ипш Цель изобретения заключается в . повышении предельных частоты, и глубины модуляции. Согласно изобретению,поставленная . цель достигается тем,что в способе модуляции излучения путем изменения условий прохождения или отражения излучения от монокристаллического материала при приложении к нему электри ёеко5го поля,в качестве монокристалли еского материала используют полупроводник или полуметалл с концентрацией носителей в зоне проводимости не мене , к которому прикладывают . электрическое поле, величина напряжен ности которого выбрана не меньшей, чем , где V/g - фазовая скорость распрйстранвнйя зйука в монокристалЛичееком материале в направлении при лбженного Электрического поля, а - - подвижность носителей в зоне проводимости.. в одном варианте реализации требуемую концентрацию носителей в моно крис1 аЛлической ма;териале создают nyfeM использования фоточувствительного полупроводника или полуметалла, который облучают излучением светового источника. . Устройство для осуществления способia модуляции соЛерясйт монокристалл средстёа Ориенти1рования монокристалла от.нОсительно модулируемого пучка, Средства приложения электрическо го поля к монокристаллу и отличается тем, что монокристалл выбран из груп пы, состоящей из полупроводников и полуметаллов с собственной .или примесной концентрацией носителей в зон проводимости не менее 10 см . При этом монокристалл с указанными свойг ствами выполнен .в виде тонкого сло;н нанесённого на пьезоэлектрический кристалл, а средства приложения элек трического поля ориентированы по поверхности раздела между кристаллами. .Для осуществления указанного варианта способа модуляции, в устройстве, содержащем Монокристалл, средства ориентирования монокристалла относительно модулируемого пучка, средства приложения электрического поля к моно-р кристаллу, использован фоточувствительный монокристалл полупроводника или полуметалла и в него введен источник светового излучения в области спектральной чувствительности мэнокрист.алла...; Сущность изобретения поясняют фиг.1гЗ. Способ реализуют следующим образом. В качестве кристалла модулятора рентгеновского излучения используют монокристалл полупроводника или полуметалла с концентрацией носителей в зоне проводимости не менее 10 см , к которому с помощью нанесенных на концы кристалла контактов от внешйего источника приложено постоянное, импульсное ипц перемен- ноё электрическое п0.пе. Амплитуда его выбрана такой,ЧТО дрейфа носителей в этом поле больше фазовой скорости звука. Взаимодействие носителей с акустическими фононами при этом обусловлено деформационным поте.нциалом, кулоновским взаимодействием или пьезоэлектрическим механизмом.. При этих условиях возбуждае тся генерация некогерентных акустических фононов;фурье-амплитуда упругого смещения с поляризацией c.-U (Д,,) зависит от координаты точки наблюдения, волнового вектора фонона с и времени t и определяется из кинё- - тического уравнения 1Й Ч И П1 1(9Л)1 2Q(f ,г), (1) где V - групповая скорость, м - ййКремент нарастания акустических фононов, (,)- член, определяющий спонтанную генерсщию фононов, выражаемый через корреляционные функции случайных индукций и .случайных упругих напряжений. При скорости дрейфа носителей, превышающей фазовую скорость звука, инкремент нарастания Поэтому Среднеквадратичное значение амплитуды упругого смещения ).,f,t)| будет экспоненциально нарастать во .времени и в пространстве. Интенсивность дифрагированных максимумов излучения уменьшается с увеличением среднеквадратичного смещения атомов решетки, что описывается множителем Дебая-Уоллера

-.e:ii:s-- .i i I -W . Фактор Дебая-Уоллера w мо выразить в виде (6lfja4lu(4r.Oi Ш . где в - единичный вектор поляризации фононов с индексом .поляризации-с, . fe вектор обратной решетки, для которого выполняется условие Лауэ: к-к-гтсЪ-о Съ) , где К VS к - волновые вектора падаиоще го и рассеянного излучен В выраже(нии (2) интегрирование про водится по пространству волновых векторов 61 и суммирование - по всем поляризациям. При генерации фононов инкремент нарастания достигают величин 10 с и более, т.е. изменение фактора Де бая-Уоллера может достигать величи ны , где X. см - длина пути пробегаемого в кристалле фононами в направлении электрического поля. Глубина модуляции при этом может достигать величин () - -п „ rr,. -2e- -2. ma mm Генерация фононов происходит, в частотном диапазоне с максимумом, определяемом из С0:тнои1ёния: (4)(для qe 1, здесь d - длина свободного пробега носителей). В соотношении (4);Пп (4ТЕ:ке /ет) дебаевский радиус экранирования, где п - концентрация носителей, в зоне проводимости, 8 - заряд электрона, , - диэлектрическая проницаем Т - температура решетки. Для п S 10 см при к максимум ределяется величиной; / ГУ /пгл MlttT/ т.е. много,больше частот, генери-. руемых другими механизмами. При ко центрации носителей ниже 10 см инкремент нарастания мал, ,а частот ный диапазон не представляет интер Существенно также, что .модуляцию и лучения можно осуществить при любо геометрии дифракции, а также ив случае аномального прохождения. В случае пьезоэлектрического мо кристалла взаимодействие с акустическими колебаниями решетки происх за счет пьезоэлектрического эффект (КОТОРЫЙ сильнее остальных механизмов на частртах до десятков гигагерц при нормальных температурах. Концентра ция носителей в зоне проводимости, необходимая для генерации фононов с требуемой частотой и (инкрементом нарастания, может быть достигнута при освещении фоточуйствительного монокристалла, светом .источника, который введен в конструкцию устройства. При этом концентрация носителей пропорциональна интенсивности освещения. Генерация фононов возбуждается G большим инкрементом нарастанйяТ в полупроводникахае,5| , Те ив соединениях групп AjB , A,Eq, например в Ca;5,CaSe, ZnO7ZnSb,CaA9 и т.д., т.е. там, где взаимодействие носителей с ,акустическими колебаниями проявляется особенно сильно, в силу чего в качестве монокристаллов предпочтительно использовать эти материалы-. .. . ,. , . - . Генерация фононов может быть возбуждена в системе, состоящей из пьезодиэлектрического монокристалла, который наложен на монокристаллический полупроводник или полуметалл При этом дрейф носителей происходит в полупроводнике или полуметалле под действием электрического поля, приложенного вдоль границы раздела. Для уменьшения электрических потерь и улучшения отвода тепла полупровод:ник или полуметалл выполняют в виде iТонкого слоя., На фиг.1 изображено устройство для модуляции рентгеновского и гамма излучения и медленных нейтронов, в котором применен полупроводниковый или полуметсшлический монокристалл с постоянной концентрацией носителей в зоне проводимости; на фиг.2 - устройство, в котором применен фоточувствительный материал; на фиг.З - устройство, в котором применена слоистая система. Устройство содержит коллиматор . излучения 1,полупроводниковый или полуметаллический монокристалл 2 с контактами 3 и 4,источник постоянного,переменно го или импульсного управляющего напряжения 5, приемную щель 6 и регистрирующий прибор 7. Монокристалл изготовлен изОе,3, РЬ,Тё,Bi или другого полупроводниковогр или полуметалли ческого монокристалла с концентрацией носителей в зоне проводимости не ниже см Устройство работает следующим |Обраэом. Излучение проходит через коЛлиматор 1 и падает под углом Брэгга на

монокристалл 2. К монокристаллу 2 с помощью контактов 3 и 4 от источника управляющего напряжения 5 подается управляющее напряжение. Это напряжение вызывает в кристалле дрейф носителей. Если поле такое, что скорость дрейфа носителей выше фазовой скорости звука, то возбуждается генерация йекогерентных акустических фононов. Интенсивность излучения, диф рагйрующего на к{)ИСтал.лГе/ зависит от движения кристаллической решетки, т.е. интенсивности некогерентных акустических фононов и определяется величиной и формой напряжения, приложенного к монокристаллу 2 от источника 5. Дифрагированный пучок модулированного излучения проходит« через приемную щель б и регистрируется прибором 7.

Для использования в качестве матеиала монокристалла 2 полупроводниов или полуметаллов, обладающих ьезоэлектрическими свойствами увеичивается взаимодействие потока осителей с колебаниями решетки, что риводит к увеличению инкремента нарастания.. Такими материа;1ами явяются Те, CdS, CdSe, ZnO, GaAs,

ZnSb GaP и другие из соединений

групп АЙ,ВЧЗ и .

, При использований (роточувствительных образцов имеется вбзможность управлять частотой максимальной интенсивности генерации. Для этого предусмотрен источник света 8, который освещает кристалл 2 (фиг.2). Увеличение интенсивности света выэывЖе Шо порционапьное увеличение концентрации носителей и изменение чййтоты генерируемых фононов пропорционально концентрации в степени 1/2,

Для уменьшения электрических потерьи улучшения отвода тепла устройство выполнено следующим образом (фиг.З).

Слой полупроводника или полуметалла 2 наложен на пьезодиэлектрический монокристалл 2. Поле приложено с помощью контактов 3 и 4 вдоль границы раздела. Дрейф носителей происходит; в слое 2, они взаимодействуют с акустическими фонона1 ш через пьезопотенциал, обусловленный Ьаличием пьезодиэлектрика, Пьезбдиэлектриком. могут .служить монокристаллы SiOj, LiNbOj, Bi;J5 GeOjQ И др,

Примером выполнения модулятора 2 может служить об15азец фоточувствитёльй51Ч5 пьезополупроводникового монокристалла сульфида кадмия длиной 4 мм, шириной 1,5 мм, толщиной 30 мкм, на концы которого нанесены оййЧеские индиево-галлиевые контакты 3 и 4. Ось симметрии кристалла С лежит вдоль длинной стороны. Вдоль этого же направления прикладывается

электрическое поле от источника 5. Дифракция излучения происходит на плоскости (1010), которая выходит на поверхность кристалла, или на плоскости (0002). Источник света 8 расе положен над кр исталлом и освещает его. Концентрация носителей в образце составляет величину 10 -10 см , при частоте генерации фононов от 1о до 10 Гц (в зависимости от фоточувстQ вительности образца и интенсивности

света). Подвижность носителей 220250 см ), Поле, приложенное к образцу, должно быть больше 82ОВ/см при дифракции на плоскости (ЮТО) и больше 2кВ/см при дифракции на плоскости (0002).

При использовании образца из GaAs с концентрацией носителей

п i 1,4 10 см при значении электрического поля Е«1ЗОВ/СМ вдоль направления Oil максимум интенсивности генерации при К - на частоте Гц. Дифракция излучения производится на плоскости (400).

Использование полупроводникового 5 или полуметаллического монокристалла для материала модулятора и возбуждение в нём генерации акустических фононов электрическим полем, приложенным к кристаллу увеличивает частоту и

fj глубину модуляции по сравнению с известными устройствами и дает возможность использовать для модуляции различные режимы дифракции - на отражение, на просвет, аномальную дифракцию.

Испытания предложенного устройства показали, что параметры модуляции излучения выше, чем у известных устройств.

Использование устройства в рентгеновской, гамма и нейтронной спектроскопии позволит повысить временную разрешающую способность и точность измерений.

Использование предлагаемого устройства для управления излучением в канал х передачи, где носителем является электромагнитная волна рентгеновского и гамма-диапазона, позволит получить волее емкие каналы передачи

Q и обработки информации, а также решить проблему связи в непрозрачной для более низких частот среде, например/ связь в межпланетной и околоземной плазме.

Формула изобретения

отражения излучения от монокристаллического материала при приложении к нему электрического поля, о т л ич а ю щ и и с я тем, что, с целью повьпаения предельных частоты и глубины модуляции, в качестве моно