Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии

Стартовая страница

О системе

Технические требования

Синтез

Обучающий модуль

Справка по системе

Контакты
Искать:
  Расширенный   Формализованый   По связи разделов
 А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я 
Общий каталог эффектов

Бормана эффект.
Эффект аномального пропускания потока излучения через кристалл.

Анимация

Описание

 
Аномального пропускания эффект (АПЭ) представляет из себя резкое уменьшение поглощения части потока излучения в толстом идеальном кристалле при лауэвском пропускании. АПЭ впервые наблюдался X. Борманом в 1941 для рентгеновских лучей (эффект Бормана), позднее исследован для нейтронов, электронов и гамма-лучей. Интерпретация АПЭ предложена Максом Теодором фон Лауэ (Мax von Laue) в 1949. Обычно интенсивность рентгеновских лучей при распространении в кристалле экспоненциально уменьшается с глубиной проникновения излучения в кристалл, и эта зависимость имеет следующий вид:
G(z)=G0exp[-µ0(w)z], (1)
 
где G0 - интенсивность первичного поля; z - координата вдоль направления распространения;  µ0(w)- линейный коэффициент фотоэлектрического поглощения среды; w- частота излучения.
Зависимость (1) предполагает пространственную однородность поля излучения в кристалле или нерегулярное строение (искажение) кристалла и правильно описывает ослабление интенсивности излучения при его распространении в кристалле в произвольном (не дифракционном) направлении. Она также верна и при кинематической дифракции рентгеновских лучей в тонком  кристалле. Если толщина кристалла d>> 1/µ0 , то, согласно (1), излучение полностью поглощается в нем.
При динамической дифракции в условиях лауэвского пропускания значительная часть интенсивности поля проходит через толстые (d>> 1/µ0) кристаллы, практически не ослабляясь. Это явление и называтеся эффектом аномального пропускания. При динамической дифракции в кристалле устанавливается пространственно-неоднородная структура поля с масштабом неоднородности порядка размеров элементарной ячейки кристалла. Для правильного описания ослабления интенсивности такого поля показатель экспоненты в (1) должен учитывать не только величину фотоэлектрического поглощения, но и пространственную структуру поля. Наиболее благоприятным для наблюдения эффекта аномального пропускания случаем является симметричное лауэвское пропускание s-поляризованного излучения при точном выполнении условия Брэгга-Вульфа. При этом отражающие атомные плоскости перпендикулярны входной поверхности кристаллической пластины, а вектор дифракции G параллелен ей.
Рассмотрим эффект аномального пропускания для случая, когда имеется лишь 2 луча - один проходящий и один дифракционный. Согласно динамической теории дифракции, поле в кристалле в этом случае для каждой из двух (s и р) поляризаций состоит из четырех волн, попарно принадлежащих разным листам дисперсионной поверхности, описывающей зависимость волнового вектора от частоты излучения. Если кристаллографические плоскости центросимметричного кристалла при точном выполнении условия Вульфа-Брэгга перпендикулярны поверхности кристалла, то суммарная индукция электрического поля электромагнитной волны для каждого листа дисперсионной поверхности будет равна:
 , (2)
 
где v- угол Брэгга, g - вектор обратной кристаллической решетки, k0- волновой вектор первичной волны, Δks,p - добавка к z-компоненте вектора k0 за счет преломления, x - действительная (r) и мнимая (i) части фурье-компонент рентгеновской поляризуемости. Для s-поляризации µs(1)≈2µ0, а µs(2)<<µ0. Следовательно, излучение с Ds(1) поглощается сильнее, а с Ds(2)- слабее, чем в произвольном направлении. Поэтому через кристалл толщиной d>>1/µ0 может проходить только излучение с Ds(1).
Прошедшее излучение имеет преимущественную s поляризацию, так как для р поляризации xig2v/xi(0) и АПЭ выражен слабее. АПЭ существует во всей угловой области дифракционного отражения, однако при увеличении отстройки Δv от точного угла Брэгга v он быстро ослабляется.
Пойнтинга векторы полей Ds,p(1,2), в соответствии с (1) равны:
(3)

и направлены вдоль атомных плоскостей, а их амплитуды в направлении, перпендикулярном атомным плоскостям, модулированы с периодом, равным межплоскостному расстоянию. Вследствие этого Р(1) принимает максимальные значения на атомных плоскостях, а Р(2) между ними (рисунок 1).
Картина распределения вектора Пойнтинга
Рис. 1
 
Рисунок 1 - Картина распределения вектора Пойнтинга для полей D(1) и D(2) в совершенном кристалле, атомные плоскости которого перпендикулярны поверхности, при точном выполнении условий Брэгга-Вульфа. k0 волновой вектор падающей плоской волны. Потоки энергии направлены вдоль атомных плоскостей и модулированы в направлении оси х так, что для поля D(1) максимумы интенсивности приходятся на атомные плоскости (и поэтому они сильно поглощаются его атомами), а для поля D(2) между ними (коэффициент поглощения аномально мал).
Поскольку потоки энергии направлены вдоль атомных плоскостей, то разделение поля на прошедшую и дифракционную волны происходит при выходе его из кристалла. Пунктиром покачано влияние несовершенства структуры кристалла и тепловых колебаний, которые ведут к аффективному увеличению толщины (заштрихованные области) атомной плоскости и, следовательно, сглаживанию эффекта аномального прохождения которых сосредоточена вблизи атомных ядер, поле D(1) распространяется в области повышенной электронной плотности, взаимодействует со средой и поглощается более интенсивно, а поле D(2) распространяется в области пониженной электронной плотности и взаимодействует со средой менее интенсивно, чем в произвольном, но дифракционном направлении. Этим и обусловлены аномально низкое поглощение в дифракционном направлении и появление резких максимумов на рентгенограмме. Тепловые колебания атомов в кристалле эффективно увеличивают размеры атомов, так что µs,p2 возрастает. Например, при температуре T=300К:
(4)
где еМДебая Валлера фактор. АПЭ, зависит также от структуры кристалла. Любые отклонения от идеальных условии (атомные плоскости не перпендикулярны кристаллографии, плоскостям, наличие отстройки от точного угла v, дефектов) уменьшают АПЭ. При многолучевой дифракции могут существовать области, где АПЭ проявляется ещё сильнее.
AПЭ используется для исследования совершенства строения кристаллов и получения слаборасходящихся пучков монохроматического поляризованного рентгеновского излучения. АПЭ имеет место и для других излучений.
 

 

 

Ключевые слова

 

Разделы наук

 

Применение эффекта

Рентгеновская топография (РТ), совокупность рентгеновских дифракционных методов изучения различных дефектов строения в почти совершенных кристаллах. К таким дефектам относятся: блоки и границы структурных элементов, дефекты упаковки, дислокации, скопления атомов примесей, деформации. Осуществляя дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах различными методами "на просвет" и "на отражение" в специальных рентгеновских камерах, получают рентгенограмму - дифракционное изображение кристалла, называемое в структурном анализе топограммой. Физическую основу методов РТ составляет дифракционный контраст в изображении различных областей кристалла в пределах одного дифракционного пятна. Этот контраст формируется вследствие различий интенсивностей или направлений лучей от разных точек кристалла в соответствии с совершенством или ориентацией кристаллической решётки кристалла в этих точках. Эффект, вызываемый изменением хода лучей, позволяет оценивать размеры и дезориентации элементов субструктуры (фрагментов, блоков) в кристаллах, а различие в интенсивностях пучков используется для выявления дефектов упаковки, дислокаций, сегрегаций примесей и напряжений. РТ отличают от др. рентгеновских методов исследования кристаллов высокая разрешающая способность и чувствительность, а также возможность исследования объёмного расположения дефектов в сравнительно крупных по размеру почти совершенных кристаллах (до десятков см).

 

Реализации эффекта

Топографирование кристалла в широком параллельном пучке монохроматического ренгеновского излучения. Дифракция  ренгеновских лучей  на кристаллах различными методами "на просвет" и "на отражение" в ренгеновских камерах.


Топографирование кристалла "на просвет" по методу Фудживара. Расходящийся из «точечного» источника пучок рентгеновских лучей с непрерывным спектром при прохождении через «тонкий» (толщиной t ³ 1/m, где m — коэффициент поглощения рентгеновских лучей) кристалл создаёт его изображение.

Литература

Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. кол.: Д.М. Алексеев, А.М. Балдин, А.М. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов и др.– М.: Большая Российская энциклопедия. Т.I –. 1998. Стр. 89.

Иверонова В. И., Ревкевич Г. П., Теория рассеяния рентгеновских лучей, М., 1972

Умайский Я. С., Рентгенография металлов, М., 1967;

Лютцау В. Г., Фишман Ю. М., Метод дифракционной топографии на основе сканирования в широком пучке рентгеновских лучей, "Кристаллография", 1969, т. 14, в. 5, с. 835

Формализованное описание Показать

Стартовая страница  О системе  Технические требования  Синтез  Обучающий модуль  Справка по системе  Контакты 
Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина