Радиофизические методы диагностики материалов и сред (стр. 7 )

При использовании электронно-оптического преобразователя в качестве усилителя яркости преобразование изображения ионизирующего излучения в видимое осуществляется сцинтиллятором, флуороскопическим экраном или другим рентгеновским электронно-оптическим преобразователем, а изображение в видимом свете проецируется на фотокатод вторичного электронно-оптического преобразователя. Полученное на выходном экране более яркое изображение может быть подано на следующий электронно-оптический преобразователь, т. е. еще раз усилено по яркости. Системы таких электронно-оптических преобразователей называют каскадными и используют на практике до пяти каскадов усиления яркости.

Рентгеновидиконы – это специальные передающие телевизионные трубки, которые дают возможность получить электрический сигнал об интенсивности ионизирующего излучения после взаимодействия его с контролируемым объектом и получить видимое изображение этого распределения на телевизионном экране.

В целом устройство рентгеновидикона подобно устройству видиконов [22–24], работающих в диапазоне видимого света. Принципиальным отличием рентгеновидиконов, позволяющим использовать его для преобразования рентгеновского излучения в электрический сигнал, является полупроводниковая мишень, чувствительная к рентгеновскому излучению. Мишень рентгеновидикона изготавливают из аморфного селена, окиси цинка, окиси свинца, сернистой сурьмы и других соединений. Входное окно закрыто тонкой алюминиевой пластиной для защиты чувствительного слоя от воздействия других видов излучений (в первую очередь от видимого света).

4.4.3 Первичные преобразователи ионизирующего излучения в электрические сигналы

Преобразование величин, характеризующих ионизирующие излучения, в электрический сигнал могут производить следующие устройства: электронно-вакуумные приборы и рентгеновидиконы, фотоэлектронные умножители в сочетании с монокристаллическими сцинтилляторами, ионные приборы и полупроводниковые приборы. Каждый тип приборов имеет свои особенности и области наилучшего применения.

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) [22–25] используют в паре со сцинтиллирующим кристаллом для получения электрических сигналов, зависящих от интенсивности и состава излучения. Фотон или частица, вызвавшая сцинтилляцию, приводит к появлению в цепи анода фотоэлектронного умножителя импульса электрического тока, который может быть зарегистрирован. Амплитуда полученного импульса зависит от энергии кванта ионизирующего излучения, материала и размеров сцинтиллирующего монокристалла, а количество импульсов, появляющихся за единицу времени, зависит от интенсивности падающего на монокристалл излучения.

Достоинствами сцинтиллятора, объединенного с фотоэлектронным умножителем, являются высокая чувствительность, большая разрешающая способность по времени ( с) и возможность измерения энергии частиц излучения. Недостатком ФЭУ являются: большой шум в выходном сигнале и влияние нестабильности напряжения высоковольтного источника питания.

Ионные приборы [22–24] основаны на взаимодействии ионизирующего излучения с газом, в котором оно создает свободные носители зарядов. Для неразрушающего контроля используют ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера-Мюллера. Разница между этими приборами состоит в конструктивных особенностях и различных электрических режимах работы.

Ионные приборы являются эффективными, простыми и доступными преобразователями энергии ионизирующих излучений в электрический сигнал. Недостаток этих приборов – ограниченные возможности по регистрации параметров излучений, сравнительно большие габариты и хрупкость.

Полупроводниковые приборы [24]. Работа полупроводниковых приборов основана на внутреннем фотоэффекте, проявляющемся в том, что при воздействии излучения изменяется удельная электрическая проводимость полупроводникового вещества за счет изменения числа носителей зарядов (электронов или дырок), количество которых связано с интенсивностью излучения и его энергий. Для регистрации ионизирующих излучений используют полупроводниковые резисторы с одним проводящим слоем и устройства с несколькими слоями, имеющими различные типы проводимости. Полупроводниковые резисторы (датчики проникающих излучений) изготовляют на основе пленок из поликристаллических материалов – сульфида кадмия, селенида кадмия и др. – путем возгонки в вакууме и осаждения полупроводниковой пленки на металлическую подложку, которая является одним из выводов. Второй вывод наносится поверх полупроводникового слоя также напылением в вакууме. Полупроводниковые детекторы многослойной конструкции для преобразования ионизирующих излучений в электрические сигналы изготавливают из Германия или кремния. Полупроводниковые детекторы могут быть выполнены поверхностно-барьерными в виде -перехода или диффузионно-дрейфовыми в виде трехслойного кристалла -типа.

Поверхностно-барьерные детекторы сравнительно просты в изготовлении, работают при комнатной температуре и используются для регистрации и спектрометрии заряженных частиц с малой длиной пробега и нейтронов. Такие детекторы часто изготавливают на базе одного кристалла в виде пар, предназначенных для включения в дифференциальные схемы и мостовые электрические.

В целом полупроводниковые приборы являются удобными и перспективными преобразователями ионизирующих излучений в электрический сигнал, особенно когда необходимо измерять два параметра: интенсивность и энергию квантов излучения.

Фотоэлектронные умножители, ионные и полупроводниковые приборы получили наибольшее применение в практике радиационного контроля качества при реализации радиометрических методов в толщинометрии, контроле физико-химических свойств и изредка в дефектоскопии. Вместе с тем в тех случаях, когда индикаторы ионизирующих излучений по каким-либо причинам (вследствие низкой эффективности регистрации излучений с большой энергией квантов или малой чувствительности) не могут быть использованы, тогда одноточечные первичные измерительные преобразователи в сочетании со сканирующей системой и системой двумерной индикации дают возможность получить пространственные распределения интенсивности и спектрального состава ионизирующего излучения.

В этом смысле первичные измерительные преобразователи обладают универсальными свойствами, проще в изготовлении, имеют более высокие метрологические характеристики, хотя и за счет меньшей скорости получения информации (последовательный анализ).

4.4.4 Дефектоскопия и контроль внутреннего строения

Выявление внутреннего строения контролируемых объектов и наличия в них дефектов производится путем анализа прошедшего излучения и чаще всего с использованием преобразователей излучения в видимое изображение. Обобщенная схема радиационного контроля качества по прошедшему излучению приведена на рис. 4.5.

Источник излучения ИИ создает поток энергии соответствующего вида излучения. Чтобы излучение шло только в область, где располагается контролируемый объект КО, источник излучения ИИ помещен в защитный контейнер ЗК, который, кроме того, снижает загрязнение излучением окружающей среды. Для того чтобы контролируемый объект облучался только в течение определенного времени, на пути излучения установлен затвор З. Излучение источника И может содержать компоненты излучений различных видов или спектрального состава, в связи с чем на пути устанавливается фильтр Ф, пропускающий только необходимую часть излучения. Помимо того, в состав фильтра может входить коллиматор, который улучшает конфигурацию поперечного сечения выходящего потока излучения. В контакте с контролируемым объектом находятся: компенсатор КМ, эталоны чувствительности ЭЧ и маркировочные знаки МЗ.

Рис. . Обобщенная схема радиационного контроля по прошедшему излучению

Компенсатор (выравниватель) КМ обычно изготавливают из материала, близкого по составу к материалу КО, что позволяет получить одинаково четкое изображение или соизмеримые величины сигналов от тонких и толстых частей контролируемого объекта.

Эталоны чувствительности ЭЧ устанавливают в месте контролируемого объекта, где условия контроля наихудшие (обычно на краях), а появление дефектов маловероятно или не так опасно. Они необходимы для того, чтобы убедиться в достоверности результатов и оценить качество изображения.

Маркировочные знаки МЗ служат для удобства анализа, хранения данных и результатов неразрушающего контроля (нумерация снимков, указание особенностей изделия и т. д.). Они помещаются в поле зрения первичного измерительного преобразователя П или индикатора ИН в месте, не занятом изображением контролируемого объекта, или в области, где маловероятно появление дефектов или их наличие неопасно.

Индикатор ИН излучения трансформирует величины, характеризующие поле прошедшего излучения, в видимое изображение, которое изучает и оценивает оператор, или в электрические сигналы, которые анализируются в блоках вторичной обработки информации ВО.

Для защиты оператора и окружающей среды от ионизирующего излучения вся установка, где имеется ионизирующее излучение, защищается стенкой биологической защиты БЗ из свинца, стали, бетона, водосодержащих материалов, кирпичной кладки или другого плотного материала без щелей.

4.4.5 Методика проведения радиационного контроля

Радиационный контроль осуществляется с применением универсальной или специализированной аппаратуры, причем основным вопросом в обоих случаях является получение изображения достаточной яркости, контрастности и четкости.

При использовании универсальной аппаратуры процесс неразрушающего контроля состоит из следующих операций:

1. Выбор источника излучения и индикатора (первичного изме­рительного преобразователя) радиационного изображения с учетом размеров и свойств контролируемого объекта.

2. Выбор условий просвечивания, в том числе расположения блоков аппаратуры и времени экспозиции.

3. Размещение и подготовка контролируемого объекта для проведения контроля, установка вспомогательных приспособлений (эталоны, компенсаторы, маркировочные знаки).

4. Экспозиция, т. е. просвечивание в течение определенного времени контролируемого объекта с воздействием излучения на индикатор.

5. Обработка индикатора (фотопленки, ксеропластины или др.) для получения видимого изображения.

6. Расшифровка результатов радиационного неразрушающего контроля и их документирование.

При использовании специализированной аппаратуры радиационного контроля качества перечисленные операции выполняются частично или производятся автоматически, что существенно повышает производительность труда и снижает вероятность ошибок при проведении неразрушающего контроля материалов.

Выбор источника излучения обусловлен материалом и толщиной материала, а также используемым индикатором излучения. Для каждого материала и источника излучения существует предельная толщина просвечивания и рекомендуемый режим просвечивания. Чем больше толщина контролируемого объекта, тем более жесткое излучение (с большей энергией квантов) надо использовать. Выбор преобразователя радиационного изображения в видимое определяется в основном общими требованиями к неразрушающему контролю.

4.4.6 Рентгеновский контроль

В радиационном контроле качества наибольшее применение имеют дефектоскопия, контроль внутреннего строения материалов и изделий с помощью рентгеновского излучения – рентгеновская радиография и рентгеноскопия. Рентгеновский контроль может производиться с помощью установок, основным элементом которых является рентгеновский аппарат, или путем использования комплектной аппаратуры, примером которой являются интроскопы и рентгенотелевизионные микроскопы. 

Рентгеновские интроскопы являются комплектными установками для неразрушающего контроля различных изделий. В их состав, как правило, входят: рентгеновский аппарат, устройство для закрепления контролируемого объекта, блок индикатора или преобразователя и устройства для управления [1; 4].

Рентгенотелевизионные микроскопы являются комплектными установками для неразрушающего контроля изделий небольших размеров. Упрощенная функциональная схема рентгенотелевизионного микроскопа представлена на рис. 4.6. В нем используется эффект геометрического увеличения, а для получения достаточного резкого изображения в качестве источника излучения применяют микрофокусные рентгеновские трубки.

Рис. . Функциональная схема рентгенотелевизионного микроскопа

Режим работы рентгеновской трубки, необходимый для контроля конкретных изделий, обеспечивает блок питания трубки БПТ. С помощью механизма установки изделия МУ изделие КО закрепляется и может перемещаться с одной или несколькими степенями свободы. Рентгеновское излучение, прошедшее сквозь изделие КО, попадает на входную мишень рентгеновидикона РВ и преобразуется в последовательно считываемый электрический видеосигнал. Считыванием потенциального рельефа с мишени, образованного падающим рентгеновским излучением, поэлементно определяют блоки развертки БР и БС, которые управляют движением луча по вертикали – кадровая развертка и по горизонтали – строчная развертка. В такой же последовательности, как по мишени рентгеновидикона РВ, с помощью блока развертки БР перемещается электронный луч в осциллоскопе ОС или в видеоконтрольном устройстве, где на экране формируется видимое изображение просвечиваемой области изделия. Видеосигнал с рентгеновидикона поступает на усилитель-преобразователь УП, где он увеличивается и приводится к виду, необходимому для модуляции яркости свечения экрана кинескопа. Рентгеновидикон РВ и приемный кинескоп осциллоскопа ОС получают высокое напряжение от высоковольтного блока питания ВП, а другие блоки и устройства – от блока питания БП. На экране кинескопа оператор наблюдает увеличенное теневое изображение изделия.

Рентгенотелевизионные микроскопы успешно применяются при неразрушающем контроле малогабаритных материалов и изделий: блоков, узлов, компонентов радиоэлектроники и микроэлектроники, малогабаритных механических узлов, деталей и т. п. Они удобны тем, что не требуют каких-либо дополнительных устройств для проведения контроля, их возможности могут расширяться путем применения систем обработки информации.

Промышленная рентгеновская томография является высокоэффективным методом неразрушающего контроля качества. Она стала возможна в связи с широким внедрением компьютеров с высоким быстродействием и объемами памяти. Вычислительная томография реализует возможность решения обратной задачи интроскопии – по объемной информации об интенсивности прошедшего сквозь контролируемый объект в различных направлениях излучения найти распределение линейного коэффициента ослабления, связанного с плотностью материала внутри объема контролируемого объекта.

Реализация рентгеновской вычислительной томографии строится на различных способах реконструкции изображения, среди которых чаще всего отдают предпочтение алгоритму обратного проецирования [4].

Рентгеновские вычислительные томографы дают возможность решать многие задачи неразрушающего контроля качества – как задачи интроскопии, так и количественной оценки параметров различных объектов. В настоящее время наибольшее применение они нашли в методах контроля объектов с небольшим затуханием излучения, в частности объектов из легких сплавов, композиционных материалов, углепластиков, резины, дерева и т. п., материалов толщиной до 20 мм и с внешними размерами до 1,5 м при разрешении по коэффициенту линейного ослабления 0,5 %.

4.4.7 Специальные методы радиационного контроля качества

Ряд задач неразрушающего контроля качества целесообразно решать, применяя нетрадиционные или редко используемые методы, основанные на реализации специфичных методик или особых линий излучений. К числу таких методов контроля, применение которых сейчас расширяется, относятся: нейтронная радиография, протонная радиография, авторадиография, метод проникающих радиоактивных газов, контроль с помощью позитронов. Контроль этими методами производится по технологии, близкой к известным в радиографии, и др. [1; 4–7].

Нейтронная радиография основана на облучении контролируемого объекта нейтронами и регистрации интенсивности прошедшего излучения. Взаимодействие нейтронов с веществом в значительно большей степени зависит от химического состава контролируемого объекта и энергии нейтрона, что определяет перспективы такого контроля. Принципиально важное значение нейтронной радиографии состоит в возможности раздель-ного контроля химических компонентов материала. Например, с использова-нием обычных методов невозможно даже обнаружить наличие легких или органических материалов настали при близких толщинах. Нейтронная радиография позволяет вести контроль деталей размером около 1 мм из органических материалов сквозь слои металлов толщиной в сантиметры. Это открывает широкие и разнообразные области применения нейтронных методов для неразрушающего контроля сложных многослойных изделий.

Методы нейтронной радиографии применяют для контроля узлов и деталей (теплоизоляторы, уплотняющие прокладки, электроизолирующие пластины и т. д.) из некоторых легких материалов, например пластмасс, материалов органического происхождения, как отдельно, так и в составе сложных изделий из тяжелых материалов. С помощью нейтронов легко обнаруживаются водородосодержащие включения в металлах и анализируется их распределение. Эффективно использование нейтронных методов при контроле многокомпонентных слоистых полуфабрикатов и изделий, а также биологических объектов. Нейтронная радиография дополняет рентгено - и гаммаграфию и делает полученные данные о контролируемом объекте более полными и достоверными.

Протонная радиография основана на использовании потока протонов (-частиц) для неразрушающего контроля и базируется на особенностях распространения и взаимодействия их с веществом. Последовательность контроля, основное оборудование и приспособления для контроля – те же, что и при рентгеновском и гаммаграфировании. Главной областью применения протонной радиографии является контроль тонких изделий или их частей, поскольку протоны поглощаются сравнительно тонкими слоями материалов. В отдельных случаях протонная радиография очень эффективна и дает более высокую (на порядок – до 0,1 %) дефектоскопическую чувствительность. Примером реализации протонной радиографии является контроль алюминиевой фольги толщиной до десятых долей миллиметра.

Контроль с помощью позитронов может быть применен для определения накопления усталостных напряжений в металлах и степени пластической деформации. Этот контроль основан на том, что в начальной стадии усталостных явлений, когда происходит образование дислокаций, в их областях образуются отрицательные заряды. Позитроны, облучающие металл, притягиваются к областям расположения дислокаций и взаимодействуют с электронами. При аннигиляции позитрона и электрона возникают -кванты. По количеству -квантов и среднему времени жизни позитронов можно определить начало усталостных нарушений в металле.

Наряду с типовыми методиками радиационного контроля ведутся разработки различных способов получения и обработки информации, повышающих его чувствительность и достоверность. К таким способам относятся: применение цветных радиограмм и цветное контрастирование изображений, получение стереоизображений, стробоскопирование и др. Все эти способы направлены на получение большего объема информации о контролируемом объекте.

РАЗДЕЛ 5 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ И АКУСТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАНСЫ В МИКРОДИАГНОСТИКЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ И ПЛАЗМЫ

,

Проблема распространения электромагнитных волн в металлах и их взаимодействия с электронами проводимости в последнее время привлекает внимание многих исследователей. Связано это прежде всего с бурным развитием микроволновой электроники, успешным освоением технологии получения сверхчистых и совершенных монокристаллов, применением сильных магнитных полей, низких температур, ультравысокого вакуума и др. Вторая причина обусловлена необычным характером ВЧ-свойств электронно-дырочной плазмы металлов. Так, было выяснено, что классические представления о скин-эффекте, при котором внешнее электромагнитное излучение практически полностью локализуется в тонком приповерхностном слое и не проникает в глубину металла, во многих случаях не соответствуют действительности. Реальная картина оказалась значительно богаче и разнообразнее. Были открыты новые резонансные явления, эффекты аномальной прозрачности металлов, проявления макроскопической квантовой когерентности во взаимодействии между электронами, электромагнитными и звуковыми волнами. В результате возникла целая область науки – изучение плазменных ВЧ-свойств металлов. Большинство из них не имеет аналогов ни в полупроводниках, ни в газовой плазме и отличается настолько, что можно говорить о специфической физике металлического плазменного состояния. Электронные резонансы и волновые процессы в металлах стали весьма эффективным, а в ряде случаев уникальным методом экспериментального исследования электронного энергетического спектра, кинетических характеристик, нелинейных свойств и явлений.

В исследованиях высокочастотных свойств полупроводников можно условно выделить следующие направления: плазменные свойства полупроводников; нелинейное распространение электромагнитных волн в полупроводниках, связанное с тепловым воздействием этих волн на электронную подсистему; резонансные явления и электромагнитные свойства ферромагнитных полупроводников и полупроводников со сверхрешетками.

Кроме электромагнитных волн, эффективным способом микродиагностики материалов являются акустические методы исследований в области ультразвуковых частот (100–1000 МГц) и гиперзвуковых частот ( Гц и выше).

Применение акустических методов исследования физических свойств твердых тел основано на способности звуковых колебаний распространяться в упругих средах на большие расстояния без значительного затухания. В металлах вследствие сильного взаимодействия электронов проводимости с акустическими фононами в характере поглощения или дисперсии скорости звука проявляются особенности фонон-электронного взаимодействия, электронного энергетического спектра, зонная структура проводников.

Для ультразвуковых исследований при гелиевых температурах в диапазоне частот 100–1000 МГц необходимы прежде всего эффективные способы возбуждения и детектирования акустических колебаний и их передачи через поверхности раздела между исследуемыми кристаллами и ультразвуковыми датчиками.

Гиперзвук, обладая весьма малой длиной волны, является очень тонким инструментом, и его использование дает возможность успешно сочетать большую разрешающую способность, свойственную оптическим методам, с высокой чувствительностью, которую обеспечивают современные средства обработки электромагнитных сигналов СВЧ [10]. Однако возможности гиперзвуковых волн реализованы еще далеко не полностью. Это связано, прежде всего с тем, что к настоящему времени освоены гиперзвуковые волны относительно низких частот (до 10 ГГц), для которых разработаны эффективные методы возбуждения, трансляции и детектирования. Использование более высокочастотных гиперзвуковых волн ( Гц и выше), которые относятся к миллиметровому и субмиллиметровому радиодиапазонам, представляет значительный интерес как с точки зрения физических исследований твердого тела, так и для решения ряда практически важных задач радиоэлектроники СВЧ. Так, применение гиперзвука с частотами миллиметрового диапазона в спектроскопии акустического парамагнитного резонанса (АПР) позволяет исследовать возбужденные состояния парамагнитных центров в различных диэлектрических и полупроводниковых кристаллах. Это особенно важно при решении актуальной проблемы создания полупроводниковых материалов с наперед заданными электрофизическими свойствами. Изучение методами гиперзвуковой АПР-спектроскопии энергетического спектра и электрон - фононного взаимодействия примесных центров в полупроводниках поможет решить ряд важных вопросов, связанных с механизмами компенсации глубоких доноров и акцепторов, влиянием их на электрические и оптические свойства полупроводниковых материалов.

Классическое представление о свойствах металлов в области СВЧ заключалось в том, что они малочувствительны к внешним полям и изменению температуры.

Считалось, что при низких температурах изменяется лишь характер скин-эффекта – вместо обычного (классического) он превращается в аномальный. В условиях аномального скин-эффекта механизм поглощения радиоволн становится бесстолкновительным (т. е. не зависит от длинны свободного пробега электронов), несколько модифицируется частотная зависимость поверхностного импеданса, но главное – быстрое затухание электромагнитного поля остается неизменным, как и при нормальном скин - эффекте. Имелись, на первый взгляд, и довольно убедительные физические соображения в пользу невозможности каких-либо резонансных явлений при аномальном скин-эффекте.

В прошлом столетии был предсказан циклотронный резонанс (ЦР) в металлах и сформулированы условия экспериментального наблюдения нового физического явления. Оно заключается в резонансном поглощении ВЧ-поля электронами проводимости и происходит всякий раз, когда частота радиоволны равна или кратна частоте циклотронного вращения электронов в магнитном поле.

В дальнейшем была создана полная теория ЦР [10], которая оказалась настолько исчерпывающей, что до сих пор сохраняет свое значение для объяснения многочисленных экспериментальных данных. К настоящему времени ЦР из объекта изучения превратился в удобный и весьма результативный метод экспериментального исследования эффективных масс, длин свободного пробега, анизотропии скоростей и ферми-поверхностей электронов в металлах.

5.1.1 Физический механизм циклотронного резонанса

Природу и особенности ЦР можно достаточно просто пояснить, рассматривая процесс поглощения электромагнитного поля электронами проводимости при наличии внешнего, постоянного и однородного, магнитного поля (ось ) (рис. 5.1).

Рис. . Схема движения электронов в металле в условиях ЦР

Если радиоволна будет распространяться перпендикулярно полю , то это означает, что поле должно быть параллельно поверхности образца, тогда условие резонанса превращается в следующий вид:

.

Смысл условия состоит в том, что все электроны, испытывающие коллективное вращение с частотой , оказываются в резонансе с внешней радиоволной.

Механизм ускорения электронов при ЦР можно наглядно описать следующим образом (рис. 5.1). В параллельной поверхности металла поля все электроны периодически (с частотой ) возвращаются в скин-слой , где происходит их ускорение электромагнитной волной. Если время движения электронов внутри скин-слоя намного меньше периода волны , то поле радиоволны действует на электроны как квазистатическое. Благодаря этому при ЦР ускорение электрона происходит на каждом витке траектории в течение всего времени свободного пробега . Если резонансное условие нарушено, то на различных витках орбиты электрон будет то ускоряться, то замедляться, и в среднем за время (при ) взаимодействие с волной будет неэффективным. Таким образом, механизм ЦP в металлах аналогичен принципу ускорения частиц в циклотроне с одним ускоряющим промежутком. Роль последнего в металле играет скин-слой , а в качестве дуантов (пространства свободного движения) выступает область металла вне скин-слоя. Вследствие именно такой картины резонанс необходимо называть «циклотронным», а не «диамагнитным».

Нетрудно установить и критерии для наблюдения ЦР. Очевидно, что должны выполняться условия

, .

Первое из них означает, что электрон должен иметь «возможность» многократно (раз) возвратиться в скин-слой за время свободного пробега. Второе неравенство выражает требование, чтобы небольшой наклон поля на угол не приводил к уходу электронов в глубину металла за счет дрейфового движения вдоль вектора (– длина пробега).

Необходимо отметить принципиальное отличие ЦР в металлах от известного диамагнитного резонанса в полупроводниках и в газоразрядной плазме (часто также называемого циклотронным). Диамагнитный резонанс происходит в однородном поле радиоволны и поэтому: а) имеет место только на основной гармонике , а не на кратных частотах ; б) максимален при поляризации электрического поля волны перпендикулярно вектору , в то время как при ЦР в металлах такая зависимость от поляризации отсутствует; в) характеризуется резким возрастанием электромагнитного поглощения в резонансе , тогда как для ЦР в металлах имеет место резонансное уменьшение поглощения. Последнее связано с тем, что резкое увеличение электронного тока при ЦР в металле приводит к его резонансной экранировке от внешней радиоволны, увеличению коэффициента отражения и соответствующему уменьшению поглощенной в образце электромагнитной энергии. Все эти различия обусловлены эффектами сильной пространственной неоднородности ВЧ-поля в металлах.

5.1.2 Общие положения циклотронного резонанса в металлах

1. Установлено, что чем идеальнее проводник, тем легче превратить его в диэлектрик, т. е. сделать прозрачным для электромагнитных волн. Тем самым был поставлен фундаментальный вопрос о возможности распространения радиоволн в металлах.

2. Было установлено, что проблема аномальной прозрачности проводящих твердых тел должна рассматриваться в двух аспектах – коллективном и одночастичном. Первый из них представляет собой совокупность собственных, слабо затухающих волн в вырожденной электронной плазме металла. Существование проникающих электромагнитных волн обусловлено различными коллективными движениями электронной системы во внешних полях. Одночастичный аспект проблемы связан с траекторным типом аномального проникновения (АП) радиоволн в металлы и осуществляется путем баллистического переноса ВЧ-поля из скин-слоя в глубину образца отдельными, относительно малочисленными группами электронов проводимости.

3. Для существования баллистических эффектов АП необходимо выполнение неравенств

,

где – характерный размер электронных траекторий в магнитном поле . Смысл этих условий становится ясным, если учесть, что взаимодействие электрона с волной наиболее интенсивно на тех участках траектории, где он движется параллельно поверхности металла («эффективные точки»). Поскольку в поле изменяется направление скорости , на траектории имеется бесконечное число таких эффективных точек, причем очевидно, что часть из них расположена заведомо вне скин-слоя . Именно это является причиной АП радиоволн в металл. При движении внутри скин-слоя электрон получает приращение скорости и дает ток . В следующей эффективной точке, находящейся в глубине металла, электрон опять движется параллельно поверхности образца и воспроизводит ток . Это и есть АП баллистического типа. Условие необходимо для самого существования эффективных точек, а неравенство представляет собой требование отсутствия столкновений электронов между соседними эффективными точками.

5.2.1 Особенности распространения электромагнитной волны в плазме полупроводника

Распространение сильной электромагнитной волны в плазме полупроводника обусловливает ряд новых явлений, связанных с нелинейностями различного рода. Одно из наиболее интересных явлений – так называемое самовоздействие. Суть его заключается в том, что диэлектрическая проницаемость полупроводника начинает зависеть от электрического поля. Однако диэлектрическая проницаемость, в свою очередь, определяет характер распространения электромагнитной волны. Волна, таким образом, как бы воздействует сама на себя, изменяя условия распространения. Наиболее эффективно тепловое самовоздействие, которое и будет рассмотрено ниже.