Радиофизические методы диагностики материалов и сред (стр. 25 )

Экспериментальные исследования преобразования волн в металлах в области гиперзвуковых частот дают возможность изучить различные физические явления, требующие выполнения условий и , где – время релаксации (для нормальных металлов при гелиевых температурах  с), и позволяют решить проблему возбуждения и регистрации гиперзвука в металлах, поскольку эффективность стандартных пьезопреобразователей падает с повышением частоты. Бесконтактный метод возбуждения является единственно возможным методом исследования поляризационных явлений, так как позволяет в условиях одного опыта изменять поляризацию возбуждаемого и регистрируемого звука. Отметим, что такие исследования поляризационных эффектов трансформации дают дополнительную информацию о механизмах трансформации, характеристиках электромагнитных и магнитоакустических возбуждений. Важность таких исследований объясняется практическим применением их результатов при создании различных устройств акустоэлектроники, средств бесконтактного контроля и передачи информации.

В качестве примера исследований трансформации рассмотрим вольфрам. Выбор этого металла обусловлен следующими обстоятельствами [10]. В нем обнаружены разнообразные магнитоакустические эффекты в нормальном к поверхности металла магнитном поле, связанные с большой длиной пробега электронов и сложным законом дисперсии квазичастиц.

Высокочастотная трансформация волн исследовалась методикой «работы на проход» (рис. 5.5), когда на одной стороне образца вольфрама возбуждался или регистрировался акустический сигнал, а на другой – электромагнитный. Все измерения проводились на частотах 20–400 МГц в режиме непрерывных колебаний в геометрии . Экспериментальные данные не зависели от направления трансформации при соответствующем направлении магнитного поля.

Рис. . Схема преобразователя акустических и электромагнитных волн металлами [10]: 1 – образец; 2 – пьезопреобразователь; 3 – электромагнитный контур; 4 – коаксиальные линии передачи энергии

Сигнал трансформации во всех экспериментах при на частотах  МГц уверенно регистрировался на уровне 15–20 дБ/Вт выше порога чувствительности приемного тракта. Оценки коэффициента трансформации при дают значения для  МГц, толщины образца  мм,  К.

Экспериментально обнаруженная нелокальная трансформация обусловила построение теории трансформации для пластины металла [10], а большинство экспериментальных результатов использованы при изучении механизмов трансформации в различных металлах.

5.4.4 Возбуждение, трансляция и детектирование высокочастотного гиперзвука

Использование гиперзвуковых волн с частотами выше 10 ГГц в значительной степени связано с разработкой эффективных методов возбуждения, трансляции и детектирования. Для возбуждения гиперзвука пьезокристалл помещают в электромагнитное поле, которое вызывает в нем упругие деформации, служащие источником объемных гиперзвуковых волн. В силу линейности пьезоэффекта распространение гиперзвука в таком кристалле приводит к возбуждению электромагнитного поля. Причем вследствие весьма малой длины волны гиперзвука возбуждение его, как и обратное преобразование в электромагнитное поле (детектирование), происходит вблизи граничных плоскостей пьезокристалла. Эффективность трансформации электромагнитного поля в гиперзвук и его детектирование характеризуется коэффициентом двойного преобразования , который определяется как отношение мощности электромагнитной волны, порожденной гиперзвуком, к мощности той же волны, возбудившей его в кристалле. Для коэффициента двойного преобразования можно записать выражение:

,

где – коэффициент электромеханической связи; , – волновые векторы электромагнитной и гиперзвуковой волн; – фактор, учитывающий ослабление эффекта обратного преобразования за счет отклонения от параллельности фазового фронта гиперзвуковой волны плоскости детектирования.

Так как , то условия распространения электромагнитной и гиперзвуковой волн в кристалле сильно «рассогласованы». Поэтому только весьма малая часть мощности электромагнитной волны расходуется на возбуждение гиперзвука, подавляющая ее часть фактически отражается от пьезокристалла. Вследствие этого мала и величина коэффициента двойного преобразования. На низких частотах можно увеличить путем использования при возбуждении гиперзвука объемного резонатора и обеспечить в меру его добротности многократное взаимодействие электромагнитной волны с пьезокристаллом, однако с увеличением частоты добротность резонатора падает, и такой способ оказывается неэффективным.

Одним из эффективных методов возбуждения и детектирования гиперзвука с частотами порядка  Гц является применение замедленной электромагнитной волны, распространяющейся у граничной плоскости пьезокристалла. Вследствие замедления волновой вектор электромагнитной волны увеличивается и это позволяет существенно повысить эффективность трансформации электромагнитного поля в гиперзвук. При возбуждении гиперзвука этим способом у граничной плоскости пьезокристалла располагается волноводная периодическая структура (рис. 5.6), с помощью которой формируется поле поверхностной замедленной электромагнитной волны. На поверхности пьезокристалла оно преобразуется в объемные гиперзвуковые волны, которые распространяются в направлении, составляющем небольшой угол (порядка ) по отношению к нормали. Возбужденные гиперзвуковые волны (рис. 5.6) «запоминают» структуру электромагнитного поля поверхностной замедленной волны. Поэтому для обратного преобразования гиперзвука необходимо применить точно такую же электродинамическую систему или использовать одну и ту же систему как для возбуждения, так и для детектирования гиперзвука. Таким способом в кварце при температуре жидкого гелия были возбуждены продольные и поперечные гиперзвуковые волны на частотах 40 и 75 ГГц [10].

Рис. . Схема устройства для возбуждения гиперзвука в кварце на частотах 9,4 и 75 ГГц: 1 – кварцевая призма; 2 – замедляющая спираль; 3 – рупор для возбуждения спирали; 4 – 4-миллиметровый волновод; 5 – замедляющая система типа «гребенки»

Поскольку волноводные периодические структуры, необходимые для замедления электромагнитной волны, могут быть реализованы на частотах, охватывающих практически весь миллиметровый радиодиапазон, метод замедленной волны позволяет достичь частот гиперзвука порядка  Гц, однако его применение ограничено не достаточно совершенными пьезоэлектрическими кристаллами.

Эффективно возбуждать и детектировать гиперзвуковые волны с высокими частотами можно и способом «точечного» преобразования электромагнитного поля [10]. Он основан на следующем. Поскольку величина определяется главным образом отношением , то существенное (на много порядков) увеличение можно получить, если создать электромагнитное поле с такой структурой, в которой доминирует пространственная гармоника с волновым вектором, по величине близким к волновому вектору гиперзвука. Оказалось, что это возможно, если сконцентрировать электрическое поле СВЧ в очень малом объеме на торце установленной в волноводе и электрически согласованной с ним тонкой металлической иглы. Гиперзвуковая антенна-излучатель (приемная антенна) для «точечного» преобразования представляет собой нанесенную на кристалл текстурированную пьезоэлектрическую пленку из окиси цинка с металлическим подслоем, в которой с помощью иглы концентрируется электрическое СВЧ-поле. Толщина пьезоэлектрической пленки выбирается равной половине длины волны гиперзвука, поэтому если разложить функцию распределения сконцентрированного в ней электрического поля в интеграл по плоским волнам, то волна с окажется доминирующей. Вследствие этого при «точечном» преобразовании достигается высокая эффективность. На частоте порядка 10 ГГц, .