Голямина И.П. - Ультразвук (маленькая энциклопедия) (1040516), страница 134
Текст из файла (страница 134)
Т. о., при гк лс наблюдается усиление УЗ-вой волны. Процесс У. у. дрейфом зчектронов в полупроводнике напоминает работу лампы бегущей волны. Действительная картина У. у. значительно слож- и,да 'с м >6 >2 6 Г>, В>ла -6 ->2 ->6 -24 Рве. 2. Тесретячесяая зависимость яезффвциеята усилеявя сдяигоаей уяьтразяуяоэой волны в Сдя от ярейфояего поля.
нее и в большой степени зависит от с<>отношения частоты звука ю в проме>кутков времени т между столкновениями алектронов, т.к. образование сгустков объемного заряда возможно, если время т значительно меныве периода волны Т = 2п>ы, т. е. ют.(1. При распространении по кристаллу УЗ-вая волна отдает электронам проводимости мощность в единице объема, равную: та = 2аэя1, где пэл— коэфф. электронного нагло>цения УЗ, 1 — интенсивность звука.
При атом в кристалле возникает акустоэлект- рич. ток 1, = — йпяяр1(с, где р— подвижность электронов (см. А куск>а- электрический эффект). Если к кристаллу приложено внешнее постоянное электрич. поле Е, в направлении распространения УЗ, то из-за работы акустоэлоктрич. тока против сил постоянного электрич. поля потери акустич. мощности в единице объема из- менятся и общая мощность потерь составит: Й' =.
2ае1 = )Ря + уяейе. Позфф. общего поглощения УЗ при этом будет равен: Т. о., при иа.лс коэфф. поглощения УЗ с<Ус О, т. е. поглощение сменяется усилейвем. Согласно теории У. у., в пьезопроводниках в линейном при- ближении коэфф.
поглощения К* <О, с<= —,— 'Х 3 >а ' —,— '; ~ —,— ';.«.ь~'11 где >à — коэфф. алектромеханич. свя- зи, т †.= о>с — т.п. максяслловская релаксациопяая частота, е — дизлек- трич. проницаемость, и — проводи- мость кристалла, юп = <211> — диффу- зионная частота, П вЂ” коэфф. диффу- зии, т = 1 — ик(с. При у < 1 коэфф. и отрицателен, т. е. волна усиливается (рис.
2). При значительном увеличе- ния яа по сравнению с с сгусток эле- ктронов выходит из синхронизма с волной и коэфф. усиления <х умень- шается. Оптимальное значение Еа, соот- ветству>ощее максимуму п, опреде- ляется выражением: При атом максимальный коэфф, уси- ления (в дБ:си) равен: 6,66К* в Злу ! .>. Вмлу>ми С ростом частоты УЗ коэфф. усиления растет и достигает максимума при ча- стоте ююя„—— ')>>тамп.
Т. к. частота юс определяется величиной и, то, ме- няя проводимость кристалла, можно добиться оптимальных условии У. у. Б пьезополупроводниках (С<)8, С<(Зе) У. у. набл>одается иа частотах 15— 5>00 МГЕ и сос>валяет 20 — 80 дБ1см. Помимо пьезополупроводниковых кристаллов, для У. у. можно приме- вить и обычные полупроводниковые кристаллы (напр., германий, кремний), в к-рых имеет место потенциал-дефор- мационное взаимодействие волны с но- сителями заряда (см. Зэаимадгпстлиа ультраааука с электронами крала<>и- УСИЛКПИК УЛЬТРАЗВУКА 357 ,масти).
Т. к. потенциал-деформационнос взаимодействие растет с частотой, применение обычных полупроводников в качестве усилителей эффективно на частотах порядка ! ГГц и выше. Экспериментально У. у. в герл|ании наблюдалось на частоте )О ГГц при темп-ре жидкого гелия, при этом электронное усиление составляло 20 дВ!см. Практич. применение аффект У. у.
может найти при создании усилителен УЗ для компенсации потерь в УЗ-вых лидиях задержки и для усиления колебаний СВЧ. Исследования эффекта У. у. в полупроводниках (особенно в сильном магнитном иоле) позволяет оценить и намерить ряд характерных параметров и констант твердого тела. Усилителя ультразвука. В простейшем усилителе УЗ (рис. 3) радиочастотный импульс от генератора 1 поступает на преобразователь 2 (обычно кварцевую пластинку определен- Рис.
3. Блок-схема устзкозкк па усвлекяю ультраззука дрейфам носителей: 1 -- генератор радкачастаткых кмдукьсаз; 3 — преобразователю: х — звукопрокадм; х — крвстзл.п Пбх; х — г<нератор «мпульсаз дрейфавага поля; з — прв- емвкк-усклатедь, т — осветитель. ного среза), к-рый излучает УЗ-кой импульс в авукопровод 3 из диэлектрика (напр., плавленого кварца илп сапфира). Далее УЗ-вой импульс попадает в активный кристалл 4, в ка- ~естве к-рого обычно применяется пьезополупроводииковый кристалл С08, обладающий хорошими пьезозлектрич.
свойствами и фотопроводимостью (т. е, проводимость его сильно зависит от освещенности. и поэтому ею легко управлять в широких пределах).. Через второй ввукоировод импульс попадает нз выходной пре- образоватсль 2, после чего — на электронный усилитель Ы, компенсирующий потери в УЗ-вой линии аадержки 3 — 4 — 3, и на осциллограф. Постоянное напряжение подается на металлич. алектроды, нанесенные на торцы кристалла. Для предотвращения разрушения кристалла иа-за перегрева постоянным током применяется импульсный режим работы усилителя, т. е.
дренфовое напряжение подается в виде импульсов, длительность к-рых выбирается равной или несколько большей времени распространения УЗ-ваго импульса в кристалле. Импульс дрейфового напряжения задерживаетсн относительно момента подачи радиоимпульса на входной преобразователь 2 на время распространения УЗ в первом звукопроаоде 3, чтобы дрейф электронов в активном кристаяле совпал с моментом прохождения по нему УЗ-ваго импульса. Однако импульсный режим работы ограничивает возможные применения усилителей. Дрейфовав напряжение У„необходииое для получения усиления, определяется из условия: Уе = г(/р, где ! — длина активного кристалла в направлении распространения звука, а знак импульса выбирается таким, чтобы носители ааряда под действиелт поля двигались в направлении распространения авука.
Подбором интенсивности и спектрального состава света от осветителя 7 создается оптимальная проводимость кристалла. В нек-рых случаях усиление ультразвука бывает настолько значительным, что позволяет скохшенсировать все потери в линии задержки и получить дополнительный рост выходного сигнала, Прн экспериментальном исследовании усилителей УЗ раалнчают электродный коэфф.
усиления, определяемый по превышению выходного сигнала при дрейфе над тем же сигналом в отсутствии дрейфа, и «чистыйа ноэфф. усиления — превышение выходного сигнала над сигналом на входном преобразователе, В последнем случае усиление определяется как разность электронного усиления и всех потерь в акустич.
системе: потерь на преобразование электрич. сигнала в акуствческип и обратно в преобразователях, наглец[ение звука в звукопроводах и в активном кристалле, потерь 358 УСИЛЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА моа (тепловых фоионов), а также само- возбуждением усилители из-аа внутренней обратной связи, связанной с многократныии отражениями УЗ-зои волны от границ кристалла. Кроме того, реальные кристаллы обычно имеют примосиые знергетич. уровни— «лову!нки», к-рые снижают подвижность электронов и вносят значительный вклад в общие шумы усилителя. Коафф. шума усилителя УЗ зависит также от потерь в преобразователях. Для усилителей объемных волн коэфф. шума составляет 10 — !5 дБ на частотах десятки — сотни МГц.
Кристаллы для усилителей ультразвука. К материалам для усилителей УЗ предъявляются следующие требования: малое поглощение звуковой волны и сильное взаимодействие ее с алектронами проводимости, хорошие пьезоалектрич. свойстна и высокая подвижность носителей тока и т. п. Основные свойства наиболее часто применяемых для этих целей кристаллов даны в табл. 1.
Кристалл дая усилителя УЗ должен обладать сильным пьезоэффектои, т. е. большим ковфф. алектромсханич. связи К для данного типа волны; однако при сильном пьезоэффекте быстрее начинают проявляться нелинейные аффекты, ограничивающие дииамич. диапазон усилителя УЗ. Одним нз лучших материалов с точки зрения пьсаоэлектрич. свойств ивляется ХпО, однако этот кристалл трудно вырастить с необходимгеми полупроводниковыми свойствами, обеспечивающими оптимальную проводимость, Для получения оптимального усиления на частоте в акустич. контактах. Обычно козфф. усиления измеряется в дБ или в ДБГсм. От частоты УЗ коэфф.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
