Радиофизические методы диагностики материалов и сред (стр. 26 )

Хотя метод «точечного» преобразования и уступает способу замедленной поверхностной электромагнитной волны по достижимым частотам гиперзвука, тем не менее он позволяет весьма эффективно возбуждать гиперзвук в миллиметровом радиодиапазоне [10].

5.4.5 Экспериментальная установка для исследований взаимодействия электронного пучка с плазменными колебаниями в полупроводнике

Взаимодействие пучка с плазменными колебаниями экспериментально исследовалось в германии и антимониде индия [10].

Взаимодействие пучка с образцом изучалось на установке рис. 5.7. Ленточный пучок электронов сечения  мм2 фокусировался магнитным полем. Для ускорения применялся источник импульсного напряжения с переменной длительностью импульса (от 0,2 до 100 мкс). Образец имел форму прямоугольной пластины длиной 6 мм, толщиной  мм, шириной 3,5 мм и клинообразными срезами для согласования с волноводным трактом. В качестве генераторов служили лампы обратной волны, работавшие в диапазонах 12,5 и 1,5 мм в импульсном режиме (длительность импульса генератора была несколько больше импульса ускоряющего напряжения).

Рис. . Схема установки: Г – генератор;  – аттенюаторы;  – модуляторы; Д – детектор; У – усилитель; О – осциллограф; 1 – образец; 2 – сосуд дюара; 3 – коллектор; 4 – электронная пушка

На рис. 5.8 приведены зависимости приращения мощности от напряжения и тока в пучке для резонансной длины волны  мм.

Величина представляет собой разность мощности на выходе установки при наличии пучка и мощности в его отсутствие. При малых это отношение пропорционально инкременту нарастания. Наблюдалось монотонное увеличение с ростом напряжения и тока пучка, что можно объяснить его конечными размерами при взаимодействии с квазипотенциальными колебаниями в сильном магнитном поле.

а б

Рис. . Зависимости : а – от тока в пучке при  кВ, б – от ускоряющего напряжения при различных (мА): 1 – 90; 2 – 120; 3 – 200

5.4.6 Измерение свойств плазмы в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн

В установках для исследования управляемого термоядерного синтеза, таких как Токамак, с помощью электрического разряда образуется газовая плазма, которая в течение некоторого времени удерживается магнитным полем. Важными характеристиками такой нестационарной плазмы являются зависимости от времени концентрации электронов и частоты столкновений электронов с тяжелыми частицами. Их можно определить радиофизическим методом с помощью интерферометра миллиметрового диапазона волн.

Принцип измерений с использованием явления интерференции основан на исследовании характеристик зондирующей волны, прошедшей сквозь слой плазмы, и сравнении с прохождением этой волны в свободном пространстве. Изменение характеристик зондирующей волны функционально связано со свойствами плазмы. Метод измерения состоит в определении с помощью интерферометра сдвига фаз и ослабления зондирующей волны, проходящей сквозь слой плазмы в течение ее образования и распада, и в вычислении по этим параметрам средних концентраций электронов и частоты столкновений электронов в функции времени.

К измерительным интерферометрам, предназначенным для диагностики плазмы, предъявляется ряд требований в отношении диапазона измерений, быстродействия, точности устойчивости к вибрациям, стабильности во времени и др. Этим требованиям удовлетворяют волноводные гетеродинные интерферометры [9; 10]. Они характеризуются высокой чувствительностью, широким диапазоном измерения, малыми погрешностями, высокой стабильностью во времени. Принцип действия гетеродинного интерферометра состоит в переносе измерения сдвига фаз и ослабления со сверхвысокой частоты на более низкую промежуточную частоту (ПЧ). Упрощенная схема плазменной установки приведена на рис. 5.9.

Рис. . Общая схема плазменной установки с гетеродинным интерферометром

Металлическая камера 5 содержит плазменный объем 4 в форме тора, показанный в поперечном разрезе по диаметру образующей окружности тора. Волновой пучок 3 формируется передающей антенной 1, а после прохождения сквозь плазму и окна 2, 6, прозрачные для излучения мм-диапазона, принимается антенной 7. Мощность излучения канализируется волноводной системой 8, 9.

Измерительная часть интерферометра содержит генератор Г1 частоты , гетеродин Г2 частоты , измерительный канал (ИК) и опорный канал (ОК). Мощность волны генератора Г1 разделяется на две части и по ИК поступает в приемник П1, а по ОК – в гетеродинный приемник П2. Мощность волны гетеродина Г2 также делится на две части, которые поступают в приемники П1 и П2. Сигнал ПР с выхода усилителя промежуточной частоты (УПЧ) приемника П1, несущий информацию о сдвиге фаз и об амплитуде зондирующей волны, поступает на фазометр (ФМ) и милливольтметр (МВ). Сигнал ПЧ с выхода УПЧ приемника П2, несущий информацию о фазе и об амплитуде опорной волны, подается на ФМ и схему автоматической подстройки частоты (АПЧ) гетеродина Г2. Схема АПЧ применена для обеспечения постоянства значения ПЧ. Измерительные сигналы с выхода ФМ и МВ передаются в систему регистрации и обработки.

С целью снижения затухания мощности в ИК, длина которого может достигать 10 – 20 м, волноводы 8, 9 выполнены из труб повышенного сечения. Благодаря этому увеличивается динамический диапазон измерений. Волноводный шлейф (ШЛ) введен для уравнивания дисперсии волны ОК с ИК. В результате исключается погрешность измерения сдвига фаз из-за нестабильности частоты и паразитной модуляции генератора Г1. Антенны 1, 7 предназначены для уменьшения угла расходимости зондирующего пучка и снижения затухания его энергии.

Для определения концентрации электронов горячей плазмы в экспериментах по управляемому термоядерному синтезу ранее применялись интерферометры мм-диапазона радиоволн. В настоящее время созданы интерферометры, которые работают на меньших длинах радиоволн, т. е. на волнах субмм-диапазона. Метод измерения свойств плазмы при этом в принципе оказывается прежним, но средства измерения существенно изменяются в связи с использованием квазиоптических методов [10].

РАЗДЕЛ 6 АППАРАТУРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ НОВЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ПО ДИАГНОСТИКЕ МИКРО - И НАНОРАЗМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ

,

Проведение исследований различных свойств материалов и объектов, структурированных в микро - и наноразмерных масштабах и их диагностика являются одним из приоритетных направлений современной науки и технологий. В связи с этим стоит задача создания новых видов аппаратурных комплексов (АК) и методов, которые могли бы обеспечить проведение как анализа микроструктуры и элементного состава новых наноматериалов и нанообъектов. Среди широкого многообразия физических принципов, на основе которых разрабатываются новые АК, в последнее время особое внимание уделяется сфокусированным пучкам заряженных частиц и микроволновой СВЧ-диагностике. В первом случае это связано с тем, что нижний предел размеров сфокусированного пучка в настоящее время лежит в нанометровом и субнанометровом диапазонах [11]. Поэтому за счет детектирования продуктов взаимодействия частиц пучка с веществом можно получать информацию о микроструктуре и элементном составе исследуемых объектов. Аналогичную информацию можно получить с помощью ближнеполевой СВЧ-диагностики с достижением пространственного разрешения порядка 100 нм, путем применения более простых в техническом исполнении АК [16].

6.1 Сфокусированные пучки заряженных частиц в диагностике материалов

Аппаратурные комплексы, основанные на сфокусированных электронных пучках, воплощены в растровых (SEM – scanning electron microscope) и трансмиссионных электронных микроскопах (TEM – transmission electron microscope), а также в комплексах электронно-пучковой литографии (EPL – electron probe lithography) [13; 15]. Процессы формирования пучков здесь достаточно хорошо изучены и основываются на аксиально-симметричных зондоформирующих системах. Направление улучшения параметров комплексов связано с применением различных типов мультипольных корректоров аберраций и энергетических фильтров. На базе этих аппаратурных комплексов развиты методы электронного зондового микроанализа (EPMA – electron probe microanalyzer) структуры и элементного состава исследуемых образцов: энерго-дисперсионная (EDS – energy dispersive spectrometer) и волновая дисперсионная (WDS – wavelength dispersive spectrometer) спектроскопии, оже-электронная микроскопия, спектроскопия энергетических потерь электронов (EELS – electron energy loss spectroscopy), изображение Z-контраста и др. Наряду с очень высоким разрешением (для некоторых методов разрешение находится на атомарном уровне) существуют принципиальные физические ограничения, связанные с особенностями электронных пучков. Сильное рассеяние электронов пучка на атомарных электронах исследуемых объектов приводит к необходимости применения тонких образцов для сохранения пространственного разрешения и чувствительности, что вызывает определенные вопросы к репрезентативности таких образцов реальным материалам. В случае регистрации характеристического рентгеновского излучения индуцированного электронным пучком (EDS, WDS) образуется высокий тормозной фон, который снижает чувствительность микроанализа.