Радиофизические методы диагностики материалов и сред (стр. 20 )

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.

5.1 Высокочастотные и резонансные свойства металлов

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: