Введение к работе
Актуальность темы.
В последнее время проблемы электро- магнию- акустическою взаи-\топействня (ЭМАВ) в нелинейных материалах и стр; к jу pax яіияі'мся прелмеитм прнс іа. іьиого внимания исслетонателсй. Укачанное взапмо-действие может проявляться как через воздействие внешних члекіри-чегкпх пли магнитных полей на характеристики акустических ноли, распространяющихся в нелинейных кристаллах, так ті через ц ілтятое не. нніеґпніе преобразовать акусіических и электромагнитных, волн.
Оценивая состояние проблемы к моменту начала исследований в рамках настоящей диссертации лтожно отмстить, что многие закономерности 3MAR »ыли летя чьи о исследованы. Установлено, что ЭМАВ в нелинейных диэлектриках связано с такими эффектами второго порядка, как электл.ю- п магнито- стрикшгя, нелинейный пьезоэлектрический и пьезомагнитный эффекты. Были исследованы характеристики некоторых нелинейных материалов и структур, при этом многие экспериментальные результаты согласовывались с выводами теории. В теоретическом плане в рамках равновеспой термодинамики существовало тве математические мотели для анализа ЭМАВ is нелинейных люлек .ірик;і.\. Первая, упрощенная и наиболее часто применяемая, сочен, іа использование материальных уравнений, свойственных тля механически зажатого кристалла и уравнения движения лля механически < во ботного. Такая некоррок тпосі ь позволяла проводить все вычисления пользуясь тишь набором нелинейных пьезоэлектрических п члекіро-гчрикцпонных констант, игнорируя другие нелинейные эффек і ы и пірого порядіуа.
Второй подход, отличающийся безукоризненной корректностью с точки трепня равновесной термодинамики, требовал знания всех нс-тппейпых констант высшего порядка, что затрудняло проведение расчетов для многих перспективных материалов. В рамках этой модели 5ыли выведены уравнения для механически свободного кристалла, когда статическое термодинамическое напряжение отсутствует. Эт інчі-лодее естественное сое юяние. коюрое. как правило, pea. in пчлея г. экс 11 ер и \ і е 11 IT.
Злеть следует отметить, что существует распространенное мнение лпюсглелъно невозможности практической реализации механически
зажатого состояния в эксперименте, и поэтому оно никогда не анализировалось. Однако, указанный термин относится к статической харак теристпке состояния материала, обеспечивающей те или иные условие распространения акустических волн. По мнению автора, условия механически зажатого кристалла могут быть реализованы при высоко частотных и импульсных внешних воздействиях. Поэтому в настоящее работе впервые анализируется влияние механического состояния кристалла на электроакустическое взаимодействие.
В литературе не проанализированы причины несимметричности тензора Грина- Кристоффеля для механически свободного кристалла и ее влияние на характеристики объемных акустических волн (ОАВ). Детально не исследовались характеристики волн вблизи акустических осей и параметры внутренней конической рефракции при воздействии очень сильных внешних полей. Перечисленные вопросы подробно рассматриваются в настоящей диссертации.
Из проведенного обзора по электроакустическим эффектам в нелинейных диэлектриках следует, что весьма перспективными материалами наряду с детально изученными германатом и силикатом висмута являются ниобат лития и титанат стронция, для которых известны все нелинейные материальные постоянные второго порядка. Тем не менее, можно констатировать отсутствие полного исследования анизотропии электроакустического взаимодействия на объемных и поверхностных акустических волнах в указанных материалах. Существуют лишь обрывочные данные относительно отдельных направлений распространения волн и ориентации поля, которые не дают полной информации об анизотропии явления и не позволяют проводить оптимизацию параметров при разработке различных приборов. Поэтому результаты теоретического и экспериментального исследования анизотропии ЭМАВ в указанных кристаллах также включены в данную диссертационную работу. Следует отметить, что вплоть до настоящего времени даже в численных расчетах часто используют пренебрежение квадратичными по полю слагаемыми в компонентах тензора Грина-Кристоффеля без предварительной их оценки, что приводит к расхождению теоретических и экспериментальных результатов. Поэтому в настоящей работе все расчеты характеристик ЭМАВ проведены строго без каких- либо ограничений и пренебрел-сений.
Большой практический интерес представляет ЭМАВ в пьезонолу-
ровотшгковых материалах и структурах во внешних электрических и тгнптных нолях, отличающихся большой чувствительностью по срав-енчто с нелинейными диэлектриками. Однако, несмотря па і'.ц. ш< poor в этом плане, до сих пор не исследованы характерноїпец noiupx-осгных акустических волн (НАВ), распространяющихся в перепек и иных нъезоподуироводниковых структурах типа арсеніті і а. і.шя-онклїі слои с произвольной проводимостью, и влияние на них внешних тектрпчеекого ц маї шиною нолей, '-dm іюп])осі.т также рагематрива ) гея в плстоятеїї , щееор La цію иной работе.
Исследование вышеуказанных вопросов представляет не только на-дпъгй, но и практический интерес. Поэтому вторая часть чиооертащга освяшена практическому приложению рассмотренных выше эффек-ов. Наиболее удачное их применение, по мнению автора,, это разработ-а электроакустических методов измерения параметров мощных оди-очных СВЧ радиоимпульсов, генерируемых, например, СВЧ генера-орами на релятивистских э.лектронпых пучках. Подобные генераторы аботагот, как правило, в режиме одиночных импульсов, причем их па-амотры от импульса к импульсу могут существенно меняйся. Кроме иго. генерация таких сигналов сопровождается высоким уровнем inrs-очастотш.тх радиопомех, которые приводят к тому, что бо. івпшиеі но звіг'.іньї.ч мі'іо.іон измерений становятся ненршолнылш. В иас"Тояіі:е;'і аботе предложены новые принципы измерения основных параметров лпночных СВЧ ралітоимпу. (в<-ом. основанные на злекгроакусдичес кпх
ффеКТаХ. Проведенные іеорОТИЧеСКІїе И -ЖСПерПХГеНТИЛЬНЫе НСОДСЮ-
аппя позводили создаїь действующие макеты измерителей часто г-ых характеристик и напряженности электрических и магнитных ио-ей одиночных СВЧ ра.тпмпулы ов. об тачающих целым рядом преиму-ахтв но сравнению с и шестыми. В -той же чаг-тп приводится описане новых устройств обработки сигналов, таких как линии задержки с искретно регулируемым временем задержки, трансверсальные фпль-ры с электрическим управлением АЧХ. имитатор эффекта Доплера и гдр.іі'ктво для последовательного считывания СВЧ ра іпоіїмиу п.с ов
системе параллельных мпкрополосконых линий.
Целью настояпгеіі работы является: разработка фн-лічеоки.ч л аіемаі плоских молелен, моголов расчета и экспериментально! о не-
следования основных закономерностей электро - магнито - акустического взаимодействия в нелинейных кристаллах, а также разработке на его основе новых устройств обработки сигналов.
Научная новизна ипрактическаяцешшеть работы: 1.Теоретически исследовано влияние внешних электрических полей на характеристики ПАВ и ОАВ в титанате стронция и ниобате лития для различных направлений распространения волны и ориентации поля. Показано, что для титаната стронция изменение скорости всегда является квадратичной функцией напряженности электрического поля, а для ниобата лития эта функция может быть линейной, квадратичной или комбинированной. Для описания подобных зависимостей предложено ввести четные (q+) и нечетные (а~) части коэффициента управления. Исследованы зависимости а+ и а~ от направления распространения волн и ориентации внешнего поля, позволяющие оптимизировать характеристики приборов с электрически управляемыми параметрами. Показано, что для титаната стронция наибольшее изменение скорости составляет величину ~ 1.4% и для S || к и ~ 0.7% для ± к при напряженности электрического поля ~ 100 кВ/см. Для ниобата лития максимальные значения для четной и нечетной частей изменения скорости составляют 0.008% и 0.3%, соответственно при том же самом значении напряженности поля. Приведенные результаты для отдельных направлений распространения волны и ориентации поля, находятся в хорошем соответствии с известными и полученными в настоящей диссертации экспериментальными данными.
2. Исследовано влияние механического состояния кристалла на элек
троакустическое взаимодействие. Показано, что оно существенно ме
няет величину и анизотропию коэффициентов управления фазовой
скоростью, энергетические характеристики и поведение акустических
осей. Показано, что при статическом или квазистатическом характере,
внешнего воздействия кристалл можно считать механически свобод
ным, а при высокочастотном воздействии - механически зажатым.
3. Установлена причина несимметричности тензора Грина - Кри-
стоффеля для механически свободного состояния при материальном
описании, заключающаяся в статической деформации кристалла. При
переходе в промежуточную систему координат, жестко связанную со
статической деформацией или к механически зажатому состоянию,
сазанный тензор становится симметричным.
-
Исследованы вклады различных нелинейных ч.ффектоп в ?лск-юакустпческог в;ан\ю.:епс"ішн\ Показано, что для ті пана га строи-m нелинейная электроетрикпия играет более гутнеетветнгуто роль по эавнешпо <' линейной. Данный резу іьтат ян іяетс? ноеьма неожидан-ым. поскольку нелинейная электростршшия является эффектом бо-:.е высокого порядка по сравнению с липеннои. Для нпобата ли дія ^евалнрлшщее значение имеют нелинейный иьезоуффекг и линейная 7ек [рострпкпия. Роль опальных нелинейных зффекюв занпспт о! апраидсгшя распространения полны и ориентации ноля. Однако, в це-ом, максимальные вклады нелинейной упругости ц нелинейной элек-рической поляризация оказываются приблизительно гиинякмвыми в казанных выше материалах.
-
Проанализировано поведение акустических осей в нелинейных ьезоэлектрических а электрострикииопных кристаллах в механиче-їп зажатом и механически свободном состояниях во внешних электри-еских полях. Предсказано существование критического значения на-ряженности поля для электрострикционпого кристалла БгТгОз, при ереходс через которое растепленная и смешенная оси касательного
конического ттюи вырождения с ненулевыми индексами Пуапка-е мої уг слнва'і вся. обраауя осі> спорадического типа, п исчезать при альпеіпием увеличении ноля. Показана возможное!ь noisopoja н рае іенденпя акустических осей на значительные уг.'іьі. ьпло'і ь до ~ 17'' и а" соогве'1'сї'неняо. ч;о имеет важное практическое значение.
-
Исследовано в.чаяние внемгггего алектрическото но ія на параде-ры внутренней конической рефракшш, возникающем при расдросіра-сиии ОАВ вдоль акустической оси конического типа вырождения. 1тя ниобата лития и титаиата стронпня найдены зависимо< ш уг.ча онпческой рефракшлі от напряженное і и полз и азиму га. и.шн о уг ш. нределяюшего поляризацию акустической волны. Показаны возмож-ости эффективного управления акустическим лучом в пространстве : создания электрически управляемых приборов для обработки сигна-гог. с і. губішоіі амплпту moil vujyiviuin! 11 веско, иже, Де< Я'( кон ценное.!.
-
'Эксперимента, пню нее мловано влияние виедшего улектрическою юля на скорое j ь ПАВ i-i bi'TiO-j и кер.-шипе ЦТС І в широком кнтер-
іЛЛЄ гешГера'Л р. ПКЛЮЧаїОШе.М ЮЧі:у <Тр\КТуріюТЛ ф.зЗоВОГе ііерохп
да. Найденная зависимость AV/V от диэлектрической прошщаемоеп SrTiO$ подтвердила, что электроакустическое взаимодействие обусло влено как линейной, так и нелинейной электрострикцией. Полученньк результаты для температур выше точки Кюри хорошо соответствую' теоретическим выводам.
-
Экспериментально изучено нелинейное магнитоакустическое вза имодействие на ПАВ в пленках железо - иттриевого граната (ЖИГ различной толщины на подложке из галлий - гадолиниевого гранат; (ГГГ). Разработана методика анализа гистерезисных полевых записи мостей AV/V(H), основанная на выделении четной и нечетной частей Показано, что четная часть не зависит от направления изменения маг нитного поля. В целом, анализ показал, что магнитоакустическое вза имодействие обусловлено ДЕ - эффектом и магнитострикцией.
-
Предложен новый способ измерения частоты одиночных кратко временных СВЧ радиоимпульсов, основанный на преобразовании ис ходного сигнала в серию эхо - импульсов, огибающая которой одно значно связана с частотой заполнения. Показано, что в качестве пре образующего элемента можно использовать трансверсальный фильтр Проведен расчет его параметров для заданного вида АЧХ, обеспечива ющей необходимую точность измерения частоты с учетом дисперсии затухания и связи между каналами. Разработанный способ защищеі двумя авторскими свидетельствами.
10. Предложенный способ измерения несущей частоты одиночных і
редкоповторяющихся радиоимпульсов был реализован в 10-ти и 3-сл
радиодиаиазонах на основе линий задержки на ОАВ. Для первого диа
пазона достигнута точность измерения ±0.4% при рабочей температу
ре звукопровода 300 К. Для второго диапазона получены погрсшності
±0.1% ті ±0.25% при рабочих температурах 78 К и 300 К соответствен
но. Показано, что точность измерений не зависит от формы импульса
Продемонстрирована возможность анализа радиоимпульсов с: произ
вольным законом частотной модуляции.
] 1. На основе проведенных экспериментов создан измеритель частот ных характеристик одиночных СВЧ радиоимпульсов, обладающий еле дующими параметрами: диапазон частот 2.5 - 10 ГГц; диапазон вход ных мощностей 0.001 - 10 Вт; погрешность измерения частоты 1% (2.5 7.5 ГГц) и 0.25% (7.5-10 ГГц).
12. С помощью разработанной аппаратуры исследованы частотные характеристики одиночных СВЧ радиоимпульсов длительное і ыи 30 -300 не. генерируемых сверхмощными СВЧ. генераторами па ре тяти вистеких электронных пучках в ЇТОФ РАН. МРТІІ и ХФТИ АН РУ. По.;п ченные резу, платы представляю і большой практический ппгерес для разработчиков указанных генераторов. Измерители частоты переданы в ПОФ РАН и ХФТИ АТТ РУ. где они попользуются в на\ иных исследованиях.
1.1. Разработан ноны it прішціш измерения пространственно времен тых характеристик одиночных CR4 радиоіигнульсоь, основанный на электро - магнито - акустических эффектах, огличаютнийоя повытпеп той помехочишитиенпостыо. Проведен теоретический анализ, позволии-хшй выявить области параметров, соответствующие измерению либо тространственных, либо временных характеристик. Разработаны со этветствугощие макеты измерителей и проведены эксперименты, пол-гвердшплие возможность анализа пространственного распределения электрического поля СВЧ радиоимпульсов. Теоретически проанализированы характеристики электроакустического детектора. Показана возможность достижения высокой разрешающей способности и потьт-ireiinoH помехозащищенности. Указанные измерите.пі просіраноїненпо - временных характеристик загнпшены авторскими свидетельствами.
11.Разработан макет з.тек ;роак>сіического детектора с задержкой т теоретически проанализированы его характеристики. Показана воз-тожтюсть достижения высокой разрешающей сно< обікх і и и шшышен-кііі помехоз.чшищенностп. Детектор мшпщен авторским f пилотеть
ЛВоМ.
15. Разработаны измерители электрических и магнитных полей оди-ючных СВЧ радиоимпульсов, отліпаюшпоея иоььшіенно?і помехозд-шпнепност !.іг помеченными рекоменлапиямп со паны маке г ы датчиков злектрпча кем і, і магии пюго нолей, которые попользуются в Харьковском Физико -техническом институте и Ппсгппп- выл-ких :e.Miiepai\jj 'г. дфнкел; ірп исследовании раз. шчпых режимов работы СВЧ генератороц на ре-
лятивистских электронных пучках.
-
Предложен трансверсапьный фильтр па ОАВ с электрически управляемыми АЧХ, разработаны п изготовлены соответствующие макеты и экспериментально исследованы их характеристики. Подтверждена возможность эффективного управлення АЧХ и дискретной перестройкой времени задержки с помощью внешнего электрического поля. Рассматриваемый фильтр защищен авторским свидетельством.
-
Предложено устройство для сдвига спектра, позволяющее формировать сигнал, аналогичный отраженному от движущегося объекта. Па основе линии задержки на ОАВ изготовлен лабораторный макет имитатора эффекта Доплера и экспериментально показана его работоспособность. Показано, что при приложении к звукоироводу из LiNbOz импульсов пилообразной формы амплитудой 50 В спектр исследуемого сигнала сдвигается на величину ~ 100 Гц. Устройство сдвига спектра защищено патентом.
-
Разработан и создан высоковольтный датчик на SrTiOz, отличающийся повышенным входным сопротивлением п более широким частотным диапазоном по сравнению с известными. Конструкция датчика защищена авторским свидетельством.
-
Предложено новое устройство для считывания СВЧ радиоимпульсов в системе микрополосковьгх .линий, которое защищено авторским свидетельством.
В диссертации на защиту пыносятся следующие научные
положения:
1. Влияние внешнего статического электрического поля на характеристики ОАВ п ПАВ, распространяющихся в нелинейном электроакустическом кристалле, существенно зависит от его механического состояния.
Механически свободный кристалл, находящийся во внешнем электрическом поле, а материальной системе координат характеризуется несимметричным тензором Грина- Кристоффеля. При переходе в промежуточную систему координат, жестко связанную со статической деформацией, или к механически зажатому состоянию, указанный тензор становится симметричным.
Для механически свободного титаиата стронция существует критическое значение напряженности электрического поля, при достижении
которого расщепленная и смещенная оси касательного и конического сипов вырождения, сливаются, образуя ось спорадического ш па. нече-iaioumo при дальнейшем чвелнчешш поля. Для механически зажатого осіияния подобное явление не наблюдается.
-
В гитана іе стронция нелинейная олектрострпктлгя оказывает Гніте є существенное влияние на электроакустическое взаимодействие, -том линейная ->лск фопрнкния. .Чиненная 'з.текіроетрикшія пріжо шт с наведенному пьозочффекту. коэффициент электромеханической свя-ш которого значительно ослабляется большой дію. іек іричіч коіі ripo-нптаемоствю кристалла. Что каеаетея нелинейной элекхристрикдиа, to она приводит к непосредственному изменению эффективного молу-тя тчіругостп внешним ьлектрическим полем.
-
Измерение несушеі; частоты одиночною СВЧ радиоимпульса возможно с помощью преобразования исходного сигнала в серию задер-канных -зхо- импульсов, огибающая которой однозначно связана с искомой частотой. При этом может быть достигнута относительная погрешность измерения 0.1 - 0.4% в диапазоне 2.5 - 10.0 ГГц при пс-тользовашш в качестве преобразующего элемента акустической линии вдержки па объемных волнах. Разработанный метол позволяет анализировать одиночные импульсы как < поеюяптм"; жчушеп чагготоп. гак и с чагтоіпоіі молу іяписГі.
4. П> іі-лі мод\.тяшш или возбуждения акуг і пческон ьмшы в по-
ишсино.м ->лек фо - магнию - акустическом крнсіалле можно пзмо
зять пространственно временные и пиковые харль і ершлики мощных
кратковременных одиночных СВЧ радиоимпульсов. При зтом. если за
і]>е\ія riei'rc і пня іімп\льса акустическая волна ирохошт путь, мноіо
аоньшпіі. чем характерный размер пространственной неоднородности
- выходной сигнал содержит информацию о пространственном распре-
іелеппп лмп.тн і>ды СПЧ поля. Кс.ти же волна проходит всю актшяп ю
>оласть за время, меньшее длительности импульса - регистрируется
зременное распределение амплитуды СВЧ поля. Путем возбуждения
ПАВ в нелинейном кристалле можно также измерять пиковое значение
ТППрЯЖППТОС 1 1! -)ЛеКфПЧегКОГО I! МЛГППТНОГО ПОЛеЙ МОІІПІЬІХ КрДГКо-
феменных (здиночных СВЧ радиоимпульсов. Применение в качестве їктпвного материала кристал, юн, LiXhO.-, и сірукіур /Kill- ГГГ но
ши, іі'о г .юс г пчь чуне івіі J е.'п.пос пі 0.0! кГ',/( м и 0.01 В/') лля -. іекірп-
1!
чёского и магнитного полей соответственно.
5. На основе нелинейных электроакустических эффектов возможна разработка новых акустоэлектронных устройств аналоговой обработки сигналов таких, как трансперсальные фильтры с электрически перестраиваемыми частотными характеристиками, линий задержки с дискретно регулируемым временем задержки, имитатор эффекта Доплера и измеритель высоких постоянных и переменных напряжений.
Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзных, Всероссийских и Международных конференциях, а также на научных семинарах в институте общей физики РАН (Москва), в Томском институте ядерной физики, в Харьковском физико- техническом институте, в НИИ технической физики (г.Челябинск), на кафедре вычислительной физики и АНИ физического факультета СГУ, на кафедре акустики физического факультета МГУ и в Маркетском университете (США).
Публикации: По материалам диссертации опубликовано 104 печатные работы, из которых 42 статьи в российской и зарубежной печати и 14 авторских свидетельств.
Личный вклад соискателя. В работах с соавторами соискателю принадлежит ведущая роль в постановке задач, объяснении и интерпретации рассматриваемых процессов и явлений. Соискатель непосредственно участвовал в проведении экспериментов и осуществлял научное руководство исследованиями.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из преди
словия, двух частей, заключения и списка литературы, включающего
352 наименования. Каждая часть содержит введение и четыре главы.
Работа изложена на страницах машинописного текста, содержит
J2&, рисунков, /~ таблиц.
