Особенности генерации и распространения гиперзвуковых волн

Гиперзвук соответствует высокочастотной части спектра упругих волн и по физической природе не отличается от ультразвука. Однако благодаря более высоким частотам по сравнению с ультразвуком значительно более существенными становятся взаимодействия гиперзвука с электронами проводимости, тепловыми фононами и другими квазичастицами в среде. Более того, сам гиперзвук часто представляют как поток квазичастиц фононов.

По спектральному диапазону акустические колебания гиперзвуковой частоты соответствуют частотам электромагнитных колебаний СВЧ-диапазона, то есть длины волны гиперзвука одного порядка с длиной свободного пробега молекул в воздухе. Однако упругие волны могут распространяться в среде до тех пор, пока их длины заметно больше длины свободного пробега частиц в газах или больше межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. Поэтому в газах (в частности, в воздухе) при нормальном атмосферном давлении гиперзвук распространяться не может. В жидких средах затухание гиперзвука очень велико. Сравнительно хорошо гиперзвук распространяется в кристаллических объектах, причем при низких температурах. Это связано с тем, что гиперзвук сам может быть теплового происхождения, поэтому тепловые колебания атомов и ионов, составляющих кристаллическую решетку, можно рассматривать как тепловой шум совокупность продольных и поперечных волн, распространяющихся по всем направлениям. Эти волны при частотах Гц, называемых гиперзвуком теплового происхождения, или тепловыми фонами.

Кроме естественной природы гиперзвука (кристаллические фононы) существуют и технические методы генерации гиперзвука, основанные, как и в случае ультразвука, на использовании явлений магнитострикции и пьезоэлектричества.

Близость частот гиперзвука к световому излучению приводит к изменению показателя преломления электромагнитной волны под действием упругой волны, а также к возникновению упругой волны под действием электромагнитной волны в твердом теле, которое можно представить как фотонное взаимодействие. Примером такого взаимодействия является дифракция света на гиперзвуке в кристаллах.

Свойства гиперзвука позволяют использовать его для исследования структурных изменений в различных кристаллах, а также для создания устройств акустоэлектроники и акустооптики.

Долгое время гиперзвуковые волны не удавалось получать искусственным путём (в этом одна из причин выделения этой области спектра упругих волн, названной «гиперзвуком»), поэтому изучали гиперзвук в основном теплового происхождения. Твёрдое кристаллическое тело можно представить как некоторую объёмную пространственную решётку, в узлах которой расположены атомы или ионы. Тепловое движение представляет собой непрерывные и беспорядочные колебания этих атомов около положения равновесия. Такие колебания можно рассматривать как совокупность продольных и поперечных плоских упругих волн самых различных частот — от самых низких собственных частот упругих колебаний данного тела до частот Гц (далее спектр упругих волн обрывается), распространяющихся по всевозможным направлениям. Эти волны называют также дебаевскими волнами, или тепловыми фононами.

Фонон представляет собой элементарное возбуждение решётки кристалла или квазичастицу с энергией ћω и импульсом ћω/c, где ω — частота, с — скорость звука в кристалле и ћ. — постоянная Планка. Фонону соответствует плоская упругая волна подобно тому, как фотону соответствует плоская электромагнитная волна определённой частоты. Тепловые фононы имеют широкий спектр частот, тогда как искусственно получаемый гиперзвук может иметь только какую-нибудь одну определенную частоту. Поэтому искусственно генерируемый гиперзвук можно представлять как поток когерентных фононов. В жидкостях тепловое движение имеет характер, близкий к характеру теплового движения в твёрдых телах, поэтому в жидкостях, как и в твёрдых телах, тепловое движение непрерывно генерирует некогерентные гиперзвуковые волны.

До того как стало возможным получать гиперзвук искусственным путём, изучение гиперзвуковых волн и их распространения в жидкостях и твёрдых телах проводилось главным образом оптическим методом. Наличие гиперзвука теплового происхождения в оптически прозрачной среде приводит к рассеянию света с образованием нескольких спектральных линий, смещенных на частоту гиперзвука (рассеяние Мандельштама — Бриллюэна). Исследования гиперзвука в ряде жидкостей привели к открытию в них зависимости скорости распространения волны и аномального поглощения от частоты гиперзвука.

Изучение затухания гиперзвука в металлах на электронах проводимости позволяет исследовать важные характеристики металлов (времена релаксации, поверхность Ферми, энергетическую щель в сверхпроводниках и др.).

Взаимодействие между искусственными, или когерентными, фононами и электронами становится существенным в области ультразвуковых и, особенно, в области гиперзвуковых частот в полупроводниках, обладающих пьезоэлектрическими свойствами (например, кристалл сернистого кадмия, в котором взаимодействие между фононами и электронами проводимости очень сильно). Если к кристаллу приложить постоянное электрическое поле, величина которого такова, что скорость электронов будет несколько больше скорости упругой волны, то электроны будут обгонять упругую волну, отдавая ей энергию и усиливая её, т. е. будет происходить усиление упругих волн. Взаимодействие между когерентными фононами и электронами приводит также к акустоэлектрическому эффекту — явлению, которое состоит в том, что фононы, отдавая свой импульс электронам, создают в кристалле постоянную ЭДС и постоянный электрический ток. В случае, когда электроны отдают энергию упругой волне, ЭДС также возникает, но имеет противоположный знак.

Рассматривая взаимодействие гиперзвука с электронами, следует принимать во внимание тот факт, что электрон, кроме массы и заряда, обладает ещё собственным механическим моментом (спином) и связанным с ним магнитным моментом, а также орбитальным магнитным моментом. Между орбитальным магнитным моментом и спином имеет место спин-орбитальное взаимодействие: если меняется наклон орбиты, несколько меняется и направление спина. Прохождение гиперзвука соответствующей частоты и поляризации может вызвать изменение магнитного состояния атомов. Так, при частотах гиперзвука порядка Гц в кристаллах парамагнетиков взаимодействие гиперзвука со спин-орбитальной системой выражается, например, в явлении акустического парамагнитного резонанса (АПР), аналогичного электронному парамагнитному резонансу (ЭПР) и состоящего в избирательного поглощении гиперзвука, обусловленном переходом атомов с одного магнитного уровня на другой. При помощи АПР оказывается возможным изучать переходы между такими уровнями атомов в парамагнетиках, которые являются запрещенными для ЭПР.

Используя взаимодействие когерентных фононов со спин-орбитальной системой, можно в парамагнитных кристаллах при низких температурах усиливать и генерировать гиперзвуковые волны на принципе, сходном с тем, на котором работают квантовые генераторы.

В магнитоупорядоченных кристаллах (ферромагнетики, ферриты, антиферромагнетики) распространение гиперзвуковой волны вызывает появление спиновой волны (изменения магнитного момента, передающиеся в виде волны) и, наоборот, спиновая волна вызывает появление гиперзвуковой волны. Таким образом, один тип волн порождает другой, поэтому в общем случае в таких кристаллах распространяются не чисто спиновые и упругие волны, а связанные магнитно-упругие волны.

Взаимодействие гиперзвука со светом проявляется, как упоминалось выше, в рассеянии света на гиперзвуке теплового происхождения, эффективность этого взаимодействия очень мала. Но при использовании мощного источника света (например, мощного рубинового лазера), можно получить заметное усиление падающим светом упругой волны. В результате можно генерировать интенсивную гиперзвуковую волну в кристалле мощностью несколько десятков кВт. В свою очередь, усиленная упругая волна будет в большей степени рассеивать падающий свет. Так что при определенных условиях интенсивность рассеянного света может быть одного порядка с падающим; это явление называется вынужденным рассеянием Мандельштама — Бриллюэна.

Таким образом, свойства гиперзвука позволяют использовать его как инструмент исследования состояния вещества. Особенно велико его значение для изучения физики твёрдого тела. В области технических применений, развитие которых только начинается, уже сейчас существенно его использование для так называемых акустических линий задержки в области СВЧ колебаний (ультразвуковые линии задержки).

 

Контрольные вопросы к главе 2

1. Перечислите способы генерации механических колебаний.
2. Объясните физическую природу тензо-, масс- и термочувствительности электромеханических измерительных преобразователей.
3.  Объясните принцип работы вибрационного плотномера.
4. Объясните принцип работы плотномера, основанного на использовании эффекта Кориолиса.
5. Объясните механизм чувствительности пьезорезонансных датчиков влажности.
6. Объясните природу акустоэлектрического эффекта.
7. Какие существуют особенности генерации и распространения упругих колебаний гиперзвуковой частоты?

 

⇐ Предыдущая12131415161718192021Следующая ⇒

Поделиться: