Способ модуляции излучения и устройство для его реализации

Способ модуляции излучения и устройство для его реализации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ («> 728 16 6 (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 050578 (21) 2607542/18-25 (51) М. К„.2 с присоединением заявки ¹

G 21 К 1/06

Государственный комитет

СССР но делам изобретений н открытнй (23) Приоритет

Опубликовано 150480. Бюллетень N„14

Дата опубликования описания 1804.80. (53) УДК548.7З

l(088.8) (72) Авторы изобретения

М. В. Балаханов и В. И. Пуст овойт (71) Заявитель (54) СПОСОБ МОДУЛЯЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Изобретение относится к средстваь управления коротковолновым (электромагнитным излучением и медленными нейтронами. Оно может использоваться в области обработки и передачи .информации, в рентгеновской, гамма — и нейтронной спектроскопии, структурном анализе, а также в экспериментальной технике, Известен способ:лодуляции рентге-новского излучения, заключающийся в том, что рентгеновский пучок направляют на пьезоэлектрический монокристалл, который установлен в отражающем положении для длины волны Излучения в пучке и к которому прикладывают электрическое поле по требуемому закону (1), Такой способ не обеспечивает возможность .получения высоких частот и большой глубины модуляции.

Наиболее близким техническим решением является способ модуляции рентгеновского излучения путем изменения услов и аномального прохождения излучения через монокристаллический материал при приложении к нему электрического поля в импульсном режиме для создания акустических ко30 лебаний (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 введения B кристалл вфеменных напряжений, нарушающих аномальное прохожде ние излучения. Кристалл изготовлен из пьезоэлектрика, а в качестве средства для введения напряжения использован источник электрического напряжения (импульсный). Прошедший через кристалл модулированный пучок излучения направлен на регистрирующее устройство.

Наиболее существенными недостатками известного способа и реализующего его устройства,являются: — малая частота модуляции, — малая глубина модуляции,. — необходимость отбора высококачественного бездислокационного монокристалла, в котором возможно аномальное прохождение излучения.

728166

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 кристалла6.2 мм и скорость звуками =10 см/сек, 1О

4 частота модуляции не превышает величину 4=2%/ 10 10 Рц, Глубина модуляции М ограничена значением, определяемым коэффициентами поглощения излучения для аномально проходящей р и поглощаемой волн у.

В условиях эффекта Борманауф+> 6 ,} .<% 0,4 О (для Ge) и },(< м 0,03,ро ,(для В1), здесь t — толщина кристалла.

Цель изобретения заключается в повышении предельных частоты и глу- 5 бины модуляции.

Согласно изобретению, поставленная, цель достигается тем,что в способе модуляции излучения путем изменения условий прохожденйя или отражения из- що лучения от монокристаллического материала при приложении к нему электри ческого поля,в качестве монокристалли"-"ческого материала используют полупроводник или полуметалл с концентрацией носителей в зоне проводимости не менее

10 см, к которому прикладывают электрическое поле, величина напряженности которого выбрана не меньшей, чем «iz/р, где э — фаэовая скорость распространения звука в монокристаллическом материале в направлении приложенного электрического поля, а .Р- - подвижность носителей в зоне проводимости,.

В одном варианте реализации тре- 45 буемую концентрацию носителей в моно-! кристаллическом материале создают " йутем использования фоточувствительного полупроводника или полуметалла, который облучают излучением светового источника.

Устройство для осуществления способа модуляции содержит монокристалл, средства ориентирования монокристалла относительно модулируемого пучка, средства приложения электрического поля к монокристаллу и отличается тем, что монокристалл выбран из группы, состоящей из полупроводников и полуметаллов с собственной .или примесной концентрацией носителей в зоне d0 проводимости не менее 10 0 см. при этом монокристалл с укаэанными свой.-. ствами выполнен,в виде тонкого слоя, нанесенного на пьезоэлектрический кристалл, а средства приложения элек- 65 трического поля ориентированы по поверхности раздела между кристаллами, Для осуществления укаэанного варианта способа модуляции, в устройстве, содержащем монокристалл, средства ориентировании монокристалла относительно модулируемого пучка, средства приложения электрического поля к моно-„ кристаллу, использован фоточувстви.;тельный монокристалл полупроводника или полуметалла и в него введен источник светового излучения в области спектральной чувствительности мэнокристалла.

Сущность изобретения поясняют фиг. 1-,3.

Способ реализуют следующим образомм.

В к аче ст ве кри ст алла модул ятор а .рентгеновского излучения используют монокристалл полупрозодника или полуметалла с Концентрацией носителей в зоне проводимости не менее

10 о з к КоТороМу с ом щ нанесенных на койцы кристалла контактов от внешнего источника приложено постоянное, импульсное или переменное электрическое поле. Амплитуда его выбрана такой, что скорость дрейфа носителей в этом поле больше фазовой скорости звука. Взаимодействие носителей с акустическими фононами при этом обусловлено деформационным потенциалом, кулоновским взаимодействием или пьезоэлектрическим механизмом,.

При этих условиях возбуждается генерация некогерентных акустических фононов:фурье-амплитуда упругого смещения с поляризацией С .-U (g p g) зависит от координаты У точки наблюдения, волнового вектора фонона с и времени 1 и определяется иэ кине- тического уравнения где V — групповая скорость, — ийкремент нарастания акустических фононов, Q ($>)- член, определяющий спонтанную генерацию фононов, выражаемый через корреляционные функции случайных индукций и случайных упругих напряжений. При скорости дрейфа носителей, превышающей фазовую скорость звука, инкремент нарастания 2 (О.

Поэтому среднеквадратичное значение амплитуды упругого смещения )U (,ã,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

728166

К-K-2мЪ-0 (.Ъ) 35

Фактор Дебая-Уоллера М можно выразить в виде

W= 2Х X (Ь1) JQ « 1ц («» « ) (g) -ь где —, единичный вектор поляризации фононов с индексом .поляризации-d, - вектор обратной решетки, для которого выполняется условие Лауэг ф ° 15 где К и К вЂ” волновые вектора падающего и рассеянного излучения.

В выражении (2) интегрирование производится по пространству волновых векторов д и суммирование— по всем поляризациям.

При генерации фононов инкременты нарастания достигают величин 10 см и более, т. е. изменение фактора Дебая-Уоллера может достигать величины Q.«00", где х (см) — длина пути, 2$ пробегаемого в кристалле фононами в направлении электрического поля.

Глубина модуляции при этом может достигать величий (Х=1см) гпаъ мМ

Генерация фононов происходит. в частотном диапазоне с максимумом, определяемом из со тношения: С г --1

D (4) (для (p < 1, здесь С вЂ” длина свободного пробега носителей) . В .соотношении (4)!Г,= (41EvK Ыт) дебаевский радиус экранирования, где п — концентрация носителей в зоне проводимости, — заряд электрона, С вЂ” диэлектрическая проницаемость т — температура решетки. Для

101 см при ТЗОО К максимум определяется величиной:

«5.«0 r„(5) а, «/2» «О:

s р.т) т.е. много больше частот, генери-. руемых другими механизмами, При концентрации носителей ниже 10 см . инкремент нарастания мал,,а частотный диапазон не представляет интерес, Существенно также, что модуляцию излучения можно осуществить при любой— геометрии дифракции, а также и в случае аномального прохождения. 60

В случае пьезоэлектрического монокристалла взаимодействие с акустическими колебаниями решетки происходит

1 за счет пьезоэлектрического эффекта, который сильнее остальных механиз- 65 мов на частотах до десятков гигагерц при нормальных температурах.

Концентрация носителей в зоне проводимости, необходимая для генерации фонойов с требуемой частотой и (инкрементом нарастания, может быть достигнута при освещении фоточувст вительного монокристалла, светом источника, который введен в конструкцию устройства. При этом концентра ция носителей пропорциональна ин,тенсивности освещения.

Генерация фононов возбуждается с большим инкрементом нарастания« в полупроводниках Qe,S«, те и в соединениях групп А В„-,, AQB ir A В например в СО%, Саае, ZnO, znSb Ca As и т.д., т.е. там, где взаимодействие носителей c àêóñòè÷åñêèìè колебаниями проявляется особенно сильно, в силу чего в качестве монокристаллов предпочтительно использовать эти материалы °

Генерация фононов может быть 1возбуждена в системе, состоящей из пьеэодиэлектрического 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 полупроводник или полуметалл выполняют в виде тонкого слоя., На фиг.1 изображено устройство для модуляции рентгеновского .и гамма излучения и медленных нейтронов, в котором применен полупровс днико вый или полуметаллический мойокристалл с постоянной концентрацией носителей в зоне проводимости; на фиг.2 — устройство, в котором применен фоточувствительный материал; на фиг.3 — устройство, в котором применена слоистая система.

Устройство соцержит коллиматор излучения 1,полупроводниковый или полуметаллический монокристалл 2 с контактами 3 и 4,источник постоянного,переменного или импульсного управляющего напряжения 5, приемную щель 6 и регистрирующий прибор 7.

Ионокристалл изготовлен из Ge,S«, РЬ,те,В« или другого полупроводникового или полуметаллического монс кристалла с концентрацией носителей в зоне проводимости не ниже

10«0 З

Устройство работает сЛедующим образом..

Излучение проходит через коллиматор 1 и падает !под углом Брэгга на

7281бб монокристалл 2, К монокристаллу 2 с пойощью 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 выае фазовой скорости звука, то возбуждается генера"цйя йекогерентных акустических фононов. Интенсивность излучения, дифрагирующего на кристалле, 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 6 и регистрируется прибором 7.Для использования в качестве материала монокристалла 2 полупроводников или полуметаллов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами увеличивается взаимодействие потока носителей с колебаниями решетки, что приводит к увеличению инкремента нарастания, Такими материалами являются Те, CdS, CdSe, ZnO, GaAs, ZnSb, GaP и другие из соединений

Групп АВВА АЬВя и Ивм.

При йсйользовании фоточувствительных образцов имеется возможность управлять частотой максимальной интенсивности генерации. Для этого предусмотрен источник света 8, который освещет кристалл 2 (фиг.2) . увеличение интенсивности света выэывает йфопорциональное увеличение концентрации носителей и изменение частотЫ генерируемых фононов пропорционально концентрации в степени 1/2.

Для уменьшения .электрических потерь и улучшения отвода тепла устройство выполнено следующим образом (фиг. 3) .

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 фононами через пьезопотенциал, обусловленный наличием пьеэодиэлектрика. Пьезодиэлектриком. могут служить монокрйсталлы ЫО

11ыьоз, В14, аео и др.

Примером выполнения модулятора 2 может служить образец фоточувствительного пьеэополупроводникового монокристалла сульфида кадмия длиной

4 юе, шириной 1,5 мм, толщиной

30 мкм, на концы которого нанесены

-ойические индиево-галлиевые контакты

3 и 4. Ось симметрии кристалла С4 лежит вдоль длинной стороны. Вдоль этого же направления прикладывается

40

55

Формула изобретения

d0

5

30 электрическое поле от источника 5.

Дифракция излучения происходит на плоскости (1010), которая выходит на поверхность кристалла, или на плоскости (0002). Источник света 8 расположен над кристаллом и освещает его.

Концентрация носителей в образце составляет величину 10ю — 10 4 см з, при частоте генерации фононов от 10 до 10 з Гц (в зависимости от фоточувствительности образца. и интенсивности света), Подвижность носителей 220250 см с" В ). Поле, приложенное к образцу, должно быть больше 820В/см при дифракции на плоскости (1010) и больше 2кВ/см при дифракции на плоскости (0002).

При использовании образца из

GaAs с концентрацией носителей

> = 1,4 10 см з при значении электрического поля Е150В/см вдоль направления (011) максимум интенсивности генерации при Т20 К вЂ” на частоте

10 Гц. Дифракция излучения производится на плоскости (400).

Использование полупроводникового . или полуметаллического монокристалла для материала модулятора и возбуждение в нем генерации акустических фононов электрическим полем, приложенным к кристаллу увеличивает частоту и 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 йэлучения 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 каналах передачи, где носителем является электромагнитная волна рентгеновского и гамма-диапазона, позволит получить более емкие каналы передачи и обработки информации, а также решить проблему связи в непрозрачной для более низких частот среде, например, связь в межпланетной и околоземной плазме.

1 ° Способ модуляции излучения путем изменения условий прохождения или отражения излучения от монокристаллического материала при приложении к нему электрического поля, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью йовышения предельных частоты и глубины модуляции, в качестве моно10

Фие,2

Составитель K- Кононов

Техред М. Петко Корректор И.МУска

Редактор Л. Емельянова

Заказ 1146/49 Тираж 505 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.,д.4/5

Филиал ППП Патент, r.Óæãoðîä, ул. Проектная, 4 кристаллического материала используют полупроводник или полуметалл." с концентрацией носителей в зоне проводимости не менее 10 см, к которому прикладывают электрическое поле, величина напряженности кото- 5 рого выбрана не меньшей, чем /1» где Чэ - фазовая скорость распространения звука в монокристаллическом материале в направлении приложенного электрического поля, а

}» — подвижность носителей в зоне проводимости.

2. Способ модуляции излучения по п.1, о тлич а ющий с ÿ 15 тем, что требуемую концентрацию носителей в монокристаллическом материале создают путем использования фоточувствительного полупроводника или полуметалла, который облучают иэлу- 20 . чением светового источника.

3. Устройство для реализации спосо,ба модуляции излучения по п.1, содержащее монокристалл, средства ориентирования монокристалла относительно y$ модулируемого пучка, средства приложения электрического поля к монокристаллу, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что монокристалл выбран иэ группы, состоящей из полупроводников и полуметаллов с собственной или примесной концентрацией носителей в зоне проводимости не менее 10"О см

4, Устройство по п.3, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что молокристалл с укаэанными свойствами выполнен в виде тонкого слоя, нанесенного на пьезоэлектрический кристалл, а средства приложения электрического поля ориентированы по поверхности раздела между кристаллами.

5. Устройство для реализации способа модуляции излучения по п.2, содержащее монокристалл, средства ориентирования монокристалла относительно модулируемого пучка, средства. приложения электрического поля к монокристаллу, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что в нем использован. фоточувствительный монокристалл полупроводника или полуметалла и введен источник светового излучения в области спектральной чувствительности монокристалла, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США Р 3832562, 250-503, опублик, 1975.

2 ° Патент CMA Р 3991309, 250-272, опублик ° 1976 (прототип).