Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Денисов С., Ефимов В., Зубарев В., Кустов В. Справочник физических эффектов - файл Справочник физический эффектов.doc


Денисов С., Ефимов В., Зубарев В., Кустов В. Справочник физических эффектов
скачать (184.6 kb.)

Доступные файлы (1):

Справочник физический эффектов.doc1067kb.04.10.2003 02:54скачать

Справочник физический эффектов.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9
^ 17. ЭФФЕКТЫ НЕЛИНЕЙНОЙ ОПТИКИ.

До сих пор мы рассматривали оптические явления в предпо­ложении, что интенсивность (вт. см2) световой волны никак не влияет на физику явления. Так оно и было до тех пор, пока в оптике оперировали со световыми волнами, напряженность элект­рического поля которых была пренебрежительно мала по сравнению с внутренним электрическим полем (10 в девятой степени в/см), определяющим силы связи оптического электрона с ядром атома. Однако, с появлением лазеров, опыта со световыми пучками, ин­тенсивность которых достигает NNNNN вт.см2,(электрическое поле световой волны соизмерно с внутриатомным, показали, что су­ществует сильная зависимость характера оптических эффектов при достижении некоторых пороговых знаний интенсивности.

Оптические эффекты, характер которых зависит от интенсив­ности излучения называют нелинейными. Далее мы приведем неко­торые из них.

17.1. Вынужденное рассеяние света.

Случайные изменения плотности среды, обусловленные тепло­выми движениями молекул (тепловые акустичекие волны), рассеи­вают световую волну и модулируют ее по частоте, при этом возникают сателлиты с частотами, равными сумме и разности час­тот световой волны и тепловых акустичеких колебаний (спонтан­ное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна). Однако отношение интен­сивности сателлитов интенсивности падающего излучения составляет лишь 10 в минус шестой степени.

При увеличении интенсивности падающего излучения выше по­рогового значения происходит следующее. Под действием электри­ческого тока из-за явления электрострикации возникают импульсы избыточного давления, достигающие в поле лазерного луча дес. тыс. атмосфер. Возникает акустическая волна давления (гипарз­вук, 10 в 10-ой степени Гц), изменяющая показатель преломления по закону бегущей волны. Эти изменения показателя преломления образуют в среде как бы дифракционную решетку, на которой и происходит рассеяние световой волны. При этом интенсивность сателлитов становися сравнимой с интенсивностью падающей вол­ны, а количество их возрастает. Описанный эффект называется вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна.

При достаточно больших интенсивностях падающего излучения нелинейная среда стать может генератором звука со световой на­качкой. С помощью лазеров удается возбуждать мощные (до 10 квт) гиперзвуковые колебания во многих жидкостях и твердых те­лах.

Свой нелинейный аналог и комбинационное рассеяние (см."Поглощение и рассеяние"). При вынужденном комбинационном рассеянии мощное световое излучение возбуждает в среде коге­рентные колебания молекул, на которых и происходит его рассея­ние с образованием суммарных и разностных сателлитов. Частота наиболее мощного из них меньше частотоы падающего света на частоту молекулярных колебаний.

Так, при рассеянии красного излучения лазеров в камере со сжатым водородом, когда интенсивность достигает пороговой ве­личины около 10 в 8-ой степени вт/см2, число компонентв рассе­янном излучении настолько возрастает и их интенсивность нас­только высока, что, луч, выходящий из газа, из красного становится белым. Аналогичен опыт по ВКР в жидкостях, напри­мер, в нитробензоле. Особенность здесь в том, что рассеянные компоненты с различной длиной волны пространственно разделены и образуют на экране цветные кольца.

Вынужденное расеяние (ВКР и ВРМБ) применяется, в основ­ном, для последования структуры и свойств вещества, для изуче­ния нелинейных процессов в средах. Используется также для на­качки полупроводниковых ОКР, для управления параметрами твердотельных ОКГ. Может использоваться для создания преобра­зователей частоты мощного когерентного света в ультрафиолето­вой, видимой и особено инфракрасной областях спектра

17.2. Генерация оптических гармоник.

При рассеянии интенсивного лазерного излучения в жидкос­тях и кристаллах, помимо описанных выше боковых спектральных компонент, обнаруживаются компоненты с частотами, в точности кратными частоте падающего излучения (двухкратными, трехкрат­ными и т.д.), называемые оптическими гармониками. В некоторых кристаллах эти гармоники могут составлять до 50% рассеянного излучения. Таким образом, если направить красное излучение ру­бинового лазера (0,69 мкм) на кристалл дигидросфата калия, то на выходе можно получить невидимое ультрафиолетовое излучение (0,345 мкм).

17.3. Параметрическая генерация света.

Поместим нелинейный кристалл в оптический резонатор и направим на него мощное световое излучение накачки. Одновре­менно подадим на кристалл два слабых излучения с чатотами, сумма которых равна частоте излучения накачки. При этом в кристалле возникает генерация двух мощных когерентных световых волн, частота которых равна частотам этих двух слабых излуче­ний. В действительности же, кроме волны накачки, нет необходи­мости ни в каких дополнительных излучениях, т.к. в кристалле всегда найдутся два спонтанно излучающих фотона с соответству­ющими частотами. Существенным является то, что при повороте кристалла в резонаторе, частоты генерируемых волн могут плавно перестраиваться, в сумме оставаясь равными частоте волны на­качки. Это позволяет создавать оптические преобразователи, квантовые усилители и генераторы, плавно перекрывающие широкий диапазон излучений от видимого до далекого инфракрасного при фиксированной частоте накачки.

ФРГ патент 1 287 229: Преобразователь частоты содержит неинейный электрооптический двоякопреломляющий кристалл, через который когерентный входной световой сигнал пропускается под таким углом к оптичекой оси кристалла, что внутри кристалла возникают два колебания с другими частотами. Эти колебания согласованы между собой и в кристалле модулируются или регули­руются по фазе одновременно.

Нелинейный кристалл расположен внутри оптического резона­тора и подвергается не только электрооптической модуляции, но и регулировке по температуре с целью подстройки частоты.

17.4. Эффект насыщения.

Так называют эффект уменьшения интенсивности спектральной линии поглощения (или вынужденного излучения) при увеличении мощности падающего на вещество внешнего электромагнитного из­лучения. Причиной эффекта насыщения является выравнивание на­селенности двух уровней энергии, между которыми под действием излучения происходят вынужденные квантовые переходы "вверх" (поглощение) и "вниз" (вынужденное излучение). В случае погло­щения при этом уменьшается доля мощности излучения, поглощен­ного веществом. Абсолютная величина поглощаемой мощности при этом, однако не падает, а увеличивается, стремясь к некоторому пределу. В случае активного вещества с инверсией населенностей эффект эффект насыщения приводит к уменьшению мощности вынуж­денного излучения, что ставит предел величине усиления в кван­товых усилителях.

Однако эффекту нашли широкое применение в лазерной техни­ке, где он используется для модуляции добротности оптических резонаторов с помощью просветляющихся под действием мощного излучения светофильтров. Кроме того, эффект насыщения исполь­зуется для создания инверсии населенностей в трехуровневых квантовых системах.

17.5. Многофотонное поглощение.

Если эффект насыщения делает среду, непрозрачную для сла­бого светового поля, прозрачной для сильного, то для оптически прозрачных сред может иметь место обратная ситуация. Здесь ин­тенсивное излучение может поглощаться гораздо сильнее чем сла­бое. Некая аналогия фотохромному эффекту, однако механизм со­вершенно иной. Он состоит в том, что при больших плотностях излучения и элементарном акте взаимодействия света с веществом могут одновременно поглощаться два или несколько фотонов, сум­ма энергий которых равна энергии перехода.

Эффект многофотонного поглощения используется, в основ­ном, в так называемой многофотонной спектроскопии, дающей до­полнительную информацию о строении вещества, недоступную для обычной спектроскопии.

17.5.1. Многофотонный фотоэффект.

Эффект состоит в том, что при высокой интенсивности све­тового поля ионизация атомов может производить под воздействи­ем излучения, для которого энергия кванта меньше энергии иони­зации. Это обьясняется тем, что происходит одновременное поглощение нескольких фотонов, сумма энергий которых больше энергии ионизации атомов. Здесь просматривается некая анология с антистоксовской люминесценцией (см."Люминесценция"). Следует отметить, что, например, для двухфотонного фотоэффекта величи­на тока в фотоэлементе пропорциональна квадрату мощности ла­зерного излучения.

17.6. Эффект самофокусировки.

Известно, что первоначально параллельный пучок света по мере рапространения в среде (включая и вакуум) расплывается за счет дифракционных явлений. Это справедливо при малых интен­сивностях света, пока еще среда остается линейной. с увеличе­нием мощности светового пучка его расходимость начинает умень­шаться. При некоторой критической мощности пучок может распространяться, вообще не испытывая расходимости (режим са­моканализации), а при мощности, превышающей критическую, пучок скачком сжимается к оси и сходится в точку наа некотором расс­тоянии от места входа в среду ставшую теперь нелинейной. Про­исходит пройесс самофокусировки. Это расстояние, называемое эффективной длиной самофокусировки, обратно пропорционально квадратному корню из интенсивности пучка. Оно также зависит от его диаметра и оптических свойств среды. Открытие эффекта са­мофокусировки пренадлежит Г.А.Аскорьяну (открытие - 67).

Физические причины этого эффекта заключаются в изменении показателя преломления среды в сильном световом поле. В это изменение вносит свой вклад также эффекты, как электрострик­ция, высокочастотный эффект Керра и изменение преломления сре­ды за счет ее нагрева в световом пучке. Вследствии этих эффек­тов, среда в зоне пучка становится оптически неоднородной; показатель преломления среды определяется теперь распределени­ем интенсивности световой волны. Это приводит к явлению нели­нейной рефракции, т.е. переферийные лучи пучка отклоняются к его оси, в зону с большей оптической плотностью. Таким образом нелинейная рефракция начинает конкурировать с дифракционной расходимостью. При взаимной компенсации этих процессов и нас­тупает самоканализация, переходящая в самофокусировку при при­вышении критической мощности пучка. Процесс самофокусировки выделяется среди прочих нелинейных эффектов тем, что он обла­дает "лавинным" характером. Действительно, даже малое увеличе­ние интенсивности в некотором участке светового пучка приводит к концентрации лучей в этой области, а следовательно и к до­полнительному возрастанию интенсивности, что усиливает нели­нейную рефракцию и т.д.

Отметим, что критические мощности самофокусировки относи­тельно не велики (для ниробензола - 25 квт, для некоторых сор­тов оптического стекла - 1 вт), что создает реальные предпо­сылки использования описанного эффекта для передачи энергии на значительные расстояния.

Интересно, что при самофокусировке излучение импульсных лазеров в органических жидкостях пучок после "охлопывания" распространяется не ввиде одного пучка, а распадается на мно­жество короткоживущих (10 в минус 10-ой степени сек.) узких (мкм) областей очень сильного светового поля (около 10 в 7-ой степени в/см) - световых нитей. Это явление обьясняют тем, что при самофокусировке лазерных импульсов нелинейная среда рабо­тает как линза с изменяющимися во времени фокусными расстояни­ями, и быстрое движение фокусов (скорости порядка 10 в 6-ой степени м/сек.) в сочетании с аберрациями "нелинейной линзы" может создать длинные и тонкие световые каналы.

В нелинейной оптике уже обнаружено множество интересней­ших эффектов. Кроме описанных выше, к ним относятся такие эф­фекты как оптическое детектирование, гетеродинирование света, пробой газов мощным излучением с образованием т.н. "лазерной искры", светогидравлический удар, нелинейное отражение света и другие. Некоторые из эффектов уже нашли применение не только в научных исследованиях, но и в промышленности. Так например, светогидравлический удар (см."Гидравлические удары") применя­ется при штамповке, упрочнения материалов, для ударной сварки и т.д., что наиболее себя оправдывает в производстве микроэ­лектроники, в условиях особо чистых поверхностей.

17.7. Светогидравлический удар (открытие - 65)

Эффект заключается в том, что при пропускании мощного ла­зерного излучения через жидкость в ней возникают акустические волны с высоким давлением, достигающим миллиона атмосфер, соп­ровождающиеся вспышкой белого света и выбросом жмдкости на значительные расстояния, при этом тела, помещенные вблизи уда­ра, подвергались сильным деформациям и разрушению. Точной тео­рии эффекта еще нет, однако уже ясно, что это целый комплекс явлений. Здесь и самофокусировка, увеличивающая интенсивность световой волны в малом обьеме, и первоначальное ее поглощение, связанное с ВРМБ (см. 17.1) и усиленное поглощение света обра­зующейся плазмой, что приводит к возникновению ударной волны и затем к авитации в жидкости. Предварительная фокусировка ла­зерного пучка и введение в жидкость поглощающих добавок значи­тельно усиливают проявления эффекта.

17.8. Нелинейная оптика.

Нелинейная оптика - новая и постоянно развивающаяся нау­ка. Многообразие ее эффектов далеко не исчерпано известными ныне. Так, совсем недавно были предсказания теоретически гис­теризисные скачки отражения и преломления на границе нелиней­ной среды - целый класс новых эффектов нелинейной оптики. (Данных об эксперементальном подтверждении их существования пока нет.)

Суть эффектов заключается в следующем. Если под небольшим углом скольжения на границу раздела двух сред с близкими зна­чениями диэлектрической проницаемости, одна из которых нели­нейна, падает пучок мощного светового излучения, то при изме­нении интенсивности излучения (угол падения фиксирования), когда она достигает определенного значения, может произойти скачок от прохождения к полному внутреннему отражению, при об­ратном изменении интенсивности скачок от ПВО к прохождению произойдет уже при другом ее значении. Такие же скачки могут наблюдаться и при изменении угла падения, когда фиксировано значение интенсивности.

Если существование этих эффектов подтвердится, то они мо­гут быть широко использованы для исследования нелинейных свойств веществаи в лазерной технике. Так, например, гистери­зисная оптическая ячейка может служить идеальным затвором в лазере при генерации гигантских импульсов, т.к. в режиме ПВО практически не поглощает энергии; с помощью гистерезисных эф­фектов можно будет с большой точностью измерять интенсивность излучения, фиксируя скачки и т.д.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Квантовая электроника, Маленькая энциклопедия, изд. Советс­кая энциклопедия, М., 1966.

2. Н.Бломберген, Нелинейная оптика, пер. с англ., М., 1966

3. М.Шуберт, В.Вильгельми, Введение в нелинейную оптику пер. с нем. "Мир", М., 1973.

4. Ф.Цернике, Дж.Мидвинтер, Прикладная нелинейная оптика, пер. с англ., "Мир", М., 1976

5. Ю.П.Конюшая, Открытия и начно-техническая революция, "Мос­ковский рабочий", М., 1974

6. Г.А.Аскарьян, ЖЭТФ, 42, 1567, 1962

7. А.Ю.Каплан, Письма в ЖЭТФ, 9, 58, 1969

8. А.К.Каплан, Письма в ЖЭТФ, том 24, вып. 3, 1976

^ 18. ЯВЛЕНИЯ МИКРОМИРА.

18.1. Радиоактивность.

Под радиоактивностью обычно понимают самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одного вещества в изотопы другого; при этом происходит испускание элементарных частиц и жесткого электромагнитного излучения. Различают естественную и искуственную радиоактивность. Процессы, происходящие при естественной радиоактивности позволяют судить о структуре и свойствах радиоактивных веществ.В настоящее время все большее значение получают процессы,связанные с искуственной радиоак­тивностью.Практически все вещества имеют радиоактивные изото­пы, поэтому, не изменяя химического строения вещества можно его пометить, сделав часть ядер радиоактивными. Это позволяет с большей точностью следить за перемещением этого вещества или изучать его внутреннюю структуру.

А.с. 234 740: Способ определения концентрации пылевых частиц с осаждением этих частиц в осадительном устройстве, отличающийся тем, что с целью расширения диапазонав измере­ния, в исследуемый газ добавляют радиоактивный газ, например, радон, а после осаждения частиц определяют их радиоактивность по величчине которой судят о концентрации пылевых частиц в газе.

А.с. 242 324: Способ ускоренного определения годности защитно-моющих и лекарственных веществ наружного применения, при котором на кожу наносят слой исследуемого вещества, отли­чающийся тем, что с целью определения времени проникновения вещества сквозь кожу и времени выполнения им барьерных функ­ций, в исследуемое вещество предварительно вводят радиоизото­пы, например, йода, фояфора или серы, и проводят радиометри­ческие измерения исследуемого обьекта.

18.2. Рентгеновское и гамма излучения.

Рентгеновское излучение, открыто в 1895 году физиком Рентгеном, имеет ту же электромагнитную природу, что гамма излучение испускаемые ядрами атомов радиоактивных элементов, поэтому оба вида изучения подчиняются одинаковым закономер­ностям при взаимодействии с веществом. Принципиальная разница между двумя этими видами излучения заключения в механизме их возникновения. Рентгеновское излучение - внеядерного проис­хождения, гамма излучение - продукт распада ядер.

18.2.1. Рентгеновское излучение возникает либо при тор­можении заряженных частиц (электронов) высокой энергии в ве­ществе (сплошной спектр) (см. 18.4.3. "Тормозное излучение"), либо при высоко-энергетических переходах внутри атома (линей­чатый спектр). Недавно установлено, что рентгеновское излуче­ние может также возникать в результате явления адгезолюминес­ценции, которыая наблюдается при очень быстром отрыве от гладкой поверхности липкой ленты. Такой быстрый отрыв может происходить, например, при быстром качени по металлической поверхности цилиндра, покрытого липкой лентой. В этом случае пленка и металлическая поверхность образуют как бы обкладки микроскопического конденсатора, напряженность поля в котором может достигать сотни тысяч электрон вольт. Электроны, разог­нанные в миниконденсаторе, тормозятся, затем в веществе, ис­пуская при этом рентгеновское излучение.

18.2.2. Рентгеновские лучи применяют для просвещения различных веществ с целью выявления скрытых эффектов. При де­формации неподвижного микрокристалла, на рентгенограммах наб­людается размытие в определенных направлениях интерференцион­ных пятен (явление астеризма). Появление астеризма обьясняется тем, что монокристалл в процессе деформации раз­бивается на отдельные участки (фрагменты) размером 1-0,1 мкм. С увеличением деформации монокристалла интерференционные пят­на удлиняются. По направлению и степени растяжения пятна мож­но судить о колличестве размере и форме фрагмента и исследо­вать характер протекания деформации.

Из других областей применения рентгеновских лучей можно назвать:

- рентгеновскую дефектоскопию; занимающеся просвечивани­ем твердых тел с целью установления размера и места нахожде­ния эффекта внутри материала;

- рентгеновскую спектроскопию рентгено-спектральный ана­лиз. Основная цель - исследование электронного строения веществ

по их рентгеновским спектрам. Области применения - исследова­ния химического строения веществ, технологические процессы горнорудной и металлургической промышленности

- рентгеновскую микроскопию широко прменяющихся для исс­ледования обьектов непрозрачных для видимого света и электро­нов (биология,медицина,минералогия,химия, металлургия).

А.с. 427 698: Способ измерения моментов инерции неодно­родных, несвободных тел, заключающийся в поступательном пере­мещении исследуемого тела относительно пространственной оси, отличающийся тем, что с целью устранения влияния напряжения мускулатуры исследуемого, поперек оси перемещения исследуемо­го передвигают источник гамма излучения с детектором, регист­рирующим интенсивность прошедшего через равные участки тела гамма излучения.

18.3. Взаимодействие рентгеновского и гамма излучения с веществом происходят посредством трех основных процессов: фо­тоэлектрического поглощения (фотоэффекта), рассеяния и эффек­та образования пар.

18.3.1. Фотоэффект. (см. так же 14.1.1.)

При фотоэффекте рентгеновский или гамма-квант передает всю энергию электрону атома. При этом, если электрон получает энергию, большую, чем энергияч связи его в атоме, то он выле­тает из атома. Этот электрон называется фотоэлектроном. При потере атомами фотоэлектронов освободившиеся места в элект­ронных оболочках в дальнейшем заполняются электронами с внеш­них оболочек. Переход электронов на более близкую к ядру обо­лочку сопровождается испусканием кванта характреристического излучения, которое можно зарегистрировать, например, фотоэм­мульсией.

США патент 3 580 745: Способ и устройство для маркировки банок в контейнере путем облучения чувствительной эммульсией. Перед упаковкой с траспортировочной картонный контейнер, то­рец каждой банки покрывают чувствительной к облучению эммуль­сией. Банки, упакованные в контейнер облучают рентгеновскими или гамма- лучами. При этом, покрытие эммульсией торцы банок облучаются через экран с прорезями, имеющими форму маркиро­вочных обозначений (например цены). Таким образом, маркировка упакованных в картонный контейнер банок осуществляется без вскрытия этого контейнера и последующей индивидуальной марки­ровки каждой банки.

При малых энергиях квантов (Е 0,5 Мэв) фотоэлектроны вы­летают преимущественно в направлениях, перпендикулярных нап­равлению распространения излучения. Чем выше энергия квантов, тем ближе к их первоначальному направлению движение выбрасы­ваемых фотоэлектронов. Процесс образования фотоэлектронов приводит к ионизации облучаемого вещества, что находит боль­шее применение для интенсификации различных технологических процессов.

А.с. 241 010: Способ получения политокарбонилфторида по­лимиризацией тиокарбонилфторида, отличающийся тем, что с целью упрощния процесса и получения более чистого полимера, полимиризацию осуществляют под действием гамма излучения Со

60.

А.с. 375 295: Способ получения алтилгалогенидов германия взаимодействия четырехгалоидного германия с триалкалгерманием при нагревании, отличающийся тем, что с целью увелечения вы­хода и чистоты целевого продукта, процесс ведут при гамма об­лучении.

18.3.2. Рассеяние рентгеновского и гамма излучения.

Различают два основных процесса рассеяния: комптновское или кекогерентное (камптон эффект) и корентное рассеяние.

При камптон-эффекте происходит упругое соударение пер­вичного кванта со свободным электроном вещества. камптоновс­кое рассеяние представляет собой взаимодействие кванта с электроном, при котором, в отличии от фотоэффекта, квант пе­редает электрону не всю энергию, а только ее часть, отклоня­ясь при этом от своего первоначального направления в некото­рый угол а электрон, получивший некоторое количество энергии, начинает двигаться под углом к напрвлению движения рентге­новского или гамма-кванта. В результате камптон-эффекта появ­ляется рассеянный квант

большей длиной волны, изменившей первоначальное направление, и электрон отдачи (камптоновский электрон), получивший часть энергии кванта. Камптоновские электроны характеризуются неп­рерывным спектром от ничтожномалых значений до максимальной величины (если они выбрасываются в направлении движения кван­та).

18.3.3. В случае, если энергия кванта сравнима с энерги­ей связи электрона в атоме, происходит когерентное рассеяние квантов. При этом, когда электромагнитная волна встречается с электроном, последний начинает колебаться с частотой этой волны и излучает: энергию ввиде рассеянной волны. Энергия кванта при этом не изменяется. Движение электронов в атоме взаимосвязано, поэтому излучение, рассеянное одним электро­ном, будет интерферировать с излучением, рассеяным другими электронами этого же атома. Рассеянные гамма кванты несут ин­формацию о структуре облучаемого вещества, поэтому рассеянное излучение можно использовать для различных измериельных це­лей.

А.с. 120 675: Способ определния угла смачивания и по­верхностного или межфазового натяжения непрозрачных систем при высоких температурах фотографирование контура, которое осуществляется в пучках мягких гамма лучей полученных от ра­диоактивных изотопов, например иридин, 192, тулия 170 или ев­ропия 154 или 156.

18.3.4. Эффект образования пар.

При взаимодействии с атомами ядра

кванты рентгеновского и гамма излучения достаточно высокой

энергии (не менее 1,02 Мэв) вызывают одновременное появление

электронов и позитронов. Процесс образования электронно-по­зитронных пар происходит в поле атомного ядра или поле элект­рона. Позитрон существует лишь очень короткий промежуток вре­мени; вслед за образованием пары наблюдается явление аннигиляции - исчезновение позитрона и какого либо электрона среды, сопровождаемое излучением двух квантов с энергией 0,51 Мэв.

18.4. Взаимодействие электронов с веществом.

Различают следующие виды взаимодествия: упругое и неуп­ругое рассение электронов на атомных ядрах и электроных обо­лочек и торможение электронов в кулоновком поле атомных ядер.

18.4.1. Упругое рассеяние имеет место при таких столкно­вениях, при которых происходят лишь изменения направления движения сталкивающихся частиц, тогда как их общая энергия остается неизменной. Основную роль в россеянии электронов иг­рает упругое рассеяние на атомных ядрах, хотя электроны рас­сеиваются и на электронах атомных оболочек. Вследствии малой массы электронов они отклоняются на углы от 0 градусов до 180 градусов, причем на малые углы электроны отклоняются с боль­шей вероятностью. При отклонении на ьольшие углы электроны несут информацию о строении вещества рассеивателя, что может быть использовано в различных измерительных приборах.

США патент 3 560 742: Портативное устройство для измере­ния обратно рассеянного фета-излучения предназначено для эф­фективных измерений толщины покрытия обрабатываемой детали. Устройство содержит зажим для монтажа постоянного зондирующе­го элемента. Этот зажим является составной частью устройств, регулирующих положение зондирующего элемента относительно об­рабатываемой детали с тем, чтобы они контактировали друг с другом. В другом варианте выполнения изобретения, устройство содержит укосину, которая фиксирована относительно обрабаты­вающей детали. Зажим у укосина предназначен для удержания зондирующего элемента в плотном контакте с поверхностью обра­батываемой детали, т.е. в положении измерения толщины покры­тия нанесенного на поверхность обрабатываемой детали.

18.4.2. Неупругое рассеяние элктронов происходит в ос­новном в результате их сталкивания с орбитальными электрона­ми. При столкновении электронов с электронами атомных оболо­чек часть энергии электронов передается связанному электрону атома. В зависимости от количества переданной энергии проис­ходит возбуждение или ионизация атомов вещества. В этом и другом случае воздействующий электрон теряет свою энергию. Большая часть вторичных электронов обладает незначительно ки­нетической энергией. Процесс возбуждения сопровождается ис­пусканием характеристического излучения. Процесс неупругого рассеяния, посколько он сопровождается ионизацией может ис­пользоваться для интенсификации различных технологических процессов:

Патент СНГ 454 752: Способ приготовления пульпы из дре­весной цепи путем облучения древесной щепы с последующей вар­кой, отличающийся тем, что с целью повышения выхода пульпы и улучшения ее качества, облучение щепы производят электронами дозой не менее 1,0 Мрад.

Патент США 3 820 015: Устройство для измерения концент­рации кислорода в выхлопных газах двигателей внутреннего сго­рания, содержит источник бетта-электронов, обладающих низким уровнем энергии для ионизации молекул кислорода. Указанный источник расположен во вторичном контуре выхлопной трубы. В этот контур выхлопной газ подается с определенной скоростью при помощи насоса постоянной производительности. На выходе источника бетта-электронов в ниспадающей части потока газов установлена коллекторная пластина. При этом между источником бетта-электронов и коллекторной пластинкой поддерживается оп­ределенная разность потенциалов, под действием которой иони­зированные молекулы кислорода отделяются от молекул других газов и ударяются о коллекторную пластину. Концентрация кис­лорода выхлопных газов определяется путем измерения заряда, накапливающегося на коллекторной пластинке.

18.4.3. Тормозное излучение.

Помимо потерь на ионизацию и возбуждение атомов вещест­ва, электроны могут терять свою энергию на образование тор­мозного излучения. Проходя вблизи атомного ядра, под действи­ем его электрического поля электроны испытывают торможение. Поэтому в соответствии с законом сохранения энергии они будут испускать электромагнитное (тормозное) излучение. В тормозное излучение может преобразоваться любая часть кинетической энергии электрона вплоть до ее максимального значения. Поэто­му энергетический спектр тормозного излучения непрерывный. Примером тормозного излучения является рентгеновское излуче­ние возникающее при торможении электронов на аноде рентге­новской трубки. Это используется в рентгеновских аппаратах.

18.4.4. Совместные действия облучания электронами и све­том.

Особенность эффекта состоит в том, что вещество не пог­лощает свет до облучения электронами, но в процессе облучения или после него свет поглощается короткоживущими частицами: радикалами, возбужденными молекулами, возбуждение или диссо­циация которых приводит к химическим превращениям. Например, вещества: твердые растворы бензола и нафталина в метилцинкло­гекоане и этаноле.

18.5. Взаимодествие нейтронов с веществом.

Нейтрон представляет собой электрически нейтральную час­тицу с массой покоя, равной преблизительно массе покоя прото­на, вместе с которым они образуют ядра всех элементов. Пос­колько нейтрон электрически нейтрален, он может вызывать различные ядернве реакции, в частности цепные реакции деления тяжелых ядер (теория, урана, плутония) осуществляемые в ядер­ных реакторах. По кинетической энергии нейтроны делятся на быстрые, промежуточные и тепловые. в зависимости от этой энергии нейтроны по разному взаимодействуют с веществом Теп­ловые нейтроны взаимодействуют пратически со всеми ядрами элементов, а в тяжелых вызывают реакцию деления. Промежуточ­ные также поглощаются ядрами, но при некоторых значениях энергии нейтроны хуже поглощаются ядрами, а гораздо лучше не­упруго рассеиваются (замедляются), теряя при этом кинетичес­кую энергию. Особенно интенсивно быстрые нейтроны рассеивают­ся на водосодержащих веществах (замедлителях), что используется для замедления быстрых нейтронов до тепловых энергий в тепловых реакторах.

Патент США 3 794 843: Контрольно измерительный прибор для определения весового содержания влаги в насыпном материа­ле, содержит источник излучения, облучающий влажный насыпной материал быстрыми нейтронами и гамма-лучами; прошедшее излу­чение регистрируют двумя детекторами, причем первый регистри­рует гамма-излучение, а второй тепловые нейтроны, возникающие при замедлении быстрых нейтронов на ядрах водорода, содержа­щихся во влаге насыпного материала; оба сигнала от детектора поступают на электрическую схему, с целью получения сигнала, скоррелированного с весовым процентным содержанием влаги в материале.

Патент США 3 558 888: Сопособ нейтронного каротажа сква­жин для измерения количества нефти в зоне скважин, пробурен­ной в земной породе, с использованием радиоактиного излуче­ния, согласно которому измеряется поперечное сечение захвата тепловых нейтронов в буровом растворе; Величина этого сечения определяется содержанием воды в этой геологической формации, а количество нефти, содержащееся в зоне скважин измеряется как функция макроскопического поперечного захвата тепловых нейтронов в породе.

Патент США 3 562 523: Способ определениясодержания оста­точных масел в формации после подачи воды или заводнения ней­теносоного пласта состоит в измерении рапада тепловых нейтро­нов сначала при наличии воды, содержащейся в данной формации, а затем после замены этой воды водой, которая имеет сущест­венно отличающееся сечение захвата и которая берется из зоны, содержащей по крайней мере, в радиусе действия регистрирующе­го инструмента.

18.5.1. При очень интенсивном облучении быстрыми нейтро­нами различных веществ наблюдается так называемые явления нейтронного раскупания - увеличение обьема вещества, что мо­жет быть использовано, например, для правки массивных метал­личеких деталей (А.с.395147) или в устройствах для измерения деформации ядерного горючего (заявка Великобритании 1359759) (см. 2,3).

18.6. Взаимодействие альфа-частиц с веществом.

Альфа-частицы (ядра гелия 4) состоят из двух протонов и двух нейтронов. Посколько альфа-частицы заряжены, то их очнь просто ускорять и облучать этим потоком различные вещества, которые при этом сильно ионизируются. Ионизированные атомы через какой-то промежуток времени захватывают свободные электроны и превращаются в нейтральные, излучая при этом ха­рактеристическое излучение, по которому можно судить о соста­ве исследуемого вещества.

А.с. 223 948: Способ раздельного определения аллюминия и кремния по облучению пробы протоком альфа-частиц и одновре­менной регистрации возбужденного в ней суммарного характерис­тического излучения аллюминия и кремния, отличающийся тем, что с целью увеличения чувствительной и разрешающей способ­ности, сразу после прекращения облучения пробы измеряют наве­денную активность пробы и по соотношению измеряемых величин суммарного характеристического излучения аллюминия и кремния и наведенной активности судят о концентрации алююминия и кремния в пробе.

18.6.1. Эффект увеличения коррзийной стойкости металлов.

Если металлическую пластину облучать в течении несколь­ких минут альфа-частицами, то в силу короткого пробега части­цу в веществе основная масса частиц останется в тонком по­верхностном слое отдав при этом ему всю кинетическую энергию. Эксперементально установлено, что если после такого облучения пластину выдержать в атмосфере паров концентрированной соля­ной и серной кислот, то поверхность металла сохраняет перво­начальную структуру и блеск. Этот эффект можно обьяснить так же, как и в случае сверхнизкого трения (см. раздел 1.3.1.) перестройкой структуры поверхностного слоя и удалением паров воды.

18.7. Радиотермолюминесценция.

Если какое-либо твердое вещество при низкой температуре подвергнуть воздействию электронов рентгеновских или гам­ма-лучей, то при нагреве, даже самом незначительном, вещество начинает светиться. Причем, при плавном нагревании твердых органических веществ температура, при которой наблюдается на­ибольшее термолюминесцеция, совпадает с температурой струк­турных переходов (плавления, размягчения и т.д.). Это явление (открытие - 168) позволило создать новый эффективный метод исследования вещества.

А.с. 381 983: Способ исследования структурных переходов в органических веществах, основанный на регистрации радиотер­молюминесценции образца, отличающийся тем, что с целью упро­щения процесса облучают поверхностный слой образца пучком электронов с энергией 5-30 Кэв.

В общих чертах метод радиотермолюминесценции или сокра­щенно РТД, заключается в следующем: образец исследуемого ор­ганического вещества облучают при низкой температуре (77-100 градусов К) в полной темноте. Пригодны любые источники иони­зирующего излучения: нейтронные, гамма, бетта-источники, ус­корители заряженных частиц рентгеновские установки. Мощность дозы не играет существеной роли. Важно только, чтобы полная так называемая экспозиционная доза достигала 0,1-2 Мрад. Та­кие дозы, как правило не изменяют температуры структурного перехода. Затем образец плавно нагревают 10-20 градусов С в минуту. Свечение образца регистрируют с одновременной регист­рацией температуры. Получают зависимость интенсивности РТЛ от температуры - кривую высвечивания. Пики, изломы кривой, их высота и ширина несут информацию об исследуемом веществе и прежде всего, позволяют оценить температуру структурных пере­ходов. Абсолютная точность определения достигает около 1 гра­дуса (см. 15.6.)

18.8. Эффект Мессбауэра.

Суть эффекта состоит в упругом испускании или поглощении гамма-квантов атомными ядрами связанными в твердом теле. При­чина "упругости" процесса (при упругом процессе внутреняя энергия тела не изменяется, т.е. атом остается в том же сос­тоянии), в том, что если атом поглотитель (или излучатель входит в состав кристаллической решетки, то перестает выпол­няться однозначное соответствие между импульсом гамма-кванта и энергии отдачи атома. При Мессбауэровском процессе отдача атома вообще не имеет место (не происходит возбуждение фоно­на), и импульс гамма-кванта воспринимается всей решеткой, т.е. всем криссталлом. Благодаря этому ширина Мессбауэровских линий поглощение и испускания очень мала (весьма острая резо­нансная кривая); соответственно сдвиг линий очень чувствите­лен к параметрам, как самого излучения, так и твердого тела. В настоящее время на основе этого эффекта проведена масса очень тонких физических экспериментов, весьма важных, в част­ности, для физики и химии твердого тела. Малая ширина линий поглощения и следовательно, почти фантастическая точность из­мерений с помощью эффекта Мессбаэура позволило разработать ряд методов для технического экспресс анализа веществ, содер­жащих Мессбауэровские ядра.

А.с. 297 912: Способ фазового анализа руд, содержащих Мессбауэровские элементы спектр которых частично перекрывают­ся, основанные на резонансном гамма-поглощении, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности измерений при анали­зе, последовательно определяют величину эффекта Мессбауэра на исследуемой руде с разными источниками, число которых равно числу соединений в ряде и мессбауэроские спектры коороых сов­падают со спктрами соединений в руде, сопоставляют с резуль­татами колибровки и по совокупности величин эффекта мессбауэ­ра определяют содержание исследуемых соединений в руде.

А.с. 446 007: Способ фазового анализа вещества, включаю­щий измерение эффекта Мессбауэра по линии спектра, соответс­твующей исследуемой фазе и последующее определение содержания фазы с помощью градуировочной зависимости, отличающийся тем, что с целью повышения точности и чувствительности анализа, измеряют эффект Мессбауэра на исследуемой линии в присутствии фильтра полного резонансового поглощения со спектром, не пе­рекрывающимся с линией определяемой фазы, и эффект Мессбауэра на линии спектра упомянутого фильтра в присутствии исследуе­мого образца и по отношению измереных эффектов определяют со­держание исследуемой фазы.

Применение эффекта Мессбауэра для контроля железной руды при ее магнином обогащении и использованием в качестве источ­ника гамма-излучения кобальта-57 позволяет быстро и надежно определять содержание железа в рудном порошке, что способс­твует повышению качества железного концентрата.

18.9. Электронный парамагнитный резонанс (открытие-85).

"Установлено неизвестное ранее явление квантовых перехо­дов между электронными энергетическими линиями парамагнитных тел под влиянием переменного магнитного поля резонансной час­тоты (явление электронного парамагнитного резонанса - ЭПР)"

Суть явления: постоянно в магнитном поле электронные уровни энергии парамагнитных атомов расцепляются на несколько подуровней; энергетическая разность подуровней определяется величиной поля и свойствами вещества; соответствующие кванто­вые переходы между этими подуровнями иницируются в переменном (высокочастотном) магнитном поле.

Открытие ЭПР послужило толчком для развития резонансных методов изучения вещества, в частности акустического парамаг­нитного резонанса ферро и атиферромагнитного резонанса маг­нитного резонанса.

При явлении акустического парамагнитного резонанса пере­ходы между подуровнями иницируются наложением высокочастотных звуковых колебаний; в результате возникает резонансное погло­щение звука.

При ферромагнитном резонансе происходит избирательное поглощение энергии электромагнитного поля: Эта энергия расхо­дуется на возбуждение коллективных колебаний магнитоупорядо­ченной структуре ферромагнетика (или антиферромагнетика) (см.

8.7.).

Применение метода ЭПР дало ценные данные о строении сте­кол, кристаллов растворов; в химии этот метод позволил уста­новить строение большого числа соединений изучить цепные ре­акции и выяснить роль свободных радикалов (молекул), обладающих свободной валентностью в протекании химических ре­акций. Тщательное изучение радикалов привело к решению ряда вопросов молекулярной и клеточной биологии.

Метод ЭПР - очень мощный, он практически не заменим при изучении радиационных изменений в структурах, в том числе и в биологических. Чувствительность метода очень высока и состав­ляет 10 в 10-ой и 10 в 11-ой парамагнитных молекул. На приме­нении ЭПР основан поиск и проверка новых веществ для кванто­вых генераторов; явление ЭПР используется для генерации сверхмощных субмиллиметровых волн.

А.с. 292 101: Способ текущего контроля условной вязкости гудронов и жидких битумов, отличающийся тем, что с целью неп­рерывности определения пропускают контролируемую струю по трубопроводу через резонатор спектрометра ЭПР и регистрируют условную вязкость по амплитуде линии спектра парамагнитного поглощения.

А.с. 510 203: Способ определения поля у огурцов путем исследования семян, отличающийся тем, что с целью повышения производительности труда в селекционном процессе, измеряют активный сигнал электронного парамагниного резонанса и опре­деляют характер люминесценции семян по величине сигнала и ин­тенсивности свечения судят о степени выраженности и принад­лежности к полу: при величине активного сигнала электронного парамагнитного резонанса 0,66-0,68 относительных единиц и слабым свечением растения будут преимущественно мужского ти­па, а при сигнале 0,48-0,56 относительных единиц и интенсив­ном свечении - женского типа.

А.с. 516 643: Способ оценки стабильности пластичных сма­зок путем сравнения свойств исходной и проработавшей в узле трения смазки, отличающийся тем, что с целью сокращения вре­мени проведения испытаний микроколичеств смазки, в исходную и проработавшую смазки вводят стабильный радикал, снимают спектр ЭПР, определяют частоты вращательной диффузии радикала и по их отношению оценивают стабильность смазки.

18.10. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР).

Парамагнетизм вещества может быть обусловлен не только строением электронных оболочек атомов, но и магнетизмом ядер. Магнетизм ядер, также, как и магнетизм оболочек, может выз­вать резонансное поглощение энергии в твердрдом, жидком или газообразном состоянии. Резонансные частоты метода ЯМР лежат в области 1-100 МГц, чувствительность метода составляет от 10 в 17-ой степени до 10 в 21-ой степени ядер. На применении ЯМР основан принцип работы приборов для стабилизации и точнейших измерений магнитных полей, а также для анализа смесей по их изотопному составу. Сильный сигнал ЯМР наблюдается в присутс­твии ядер изотопа углерод-13, что предопредилило применение ЯМР и его разновидности - ядерного квадрупольного резонанса - в химии углеродов, особенно природных (нефть).

А.с. 178 511: Способ измерения расхода жидкостей, осно­ванный на явлении ЯМР, отличающийся тем, что с целью измере­ния расхода жидкости, обладающих сильным сигналом магнитного резонанса используют свободную процессию ядер в магнитном по­ле земли.

А.с. 344 275: Способ измерения расхода жидкости по А.с. 179511, отличающийся тем, что с целью упрощения устройства измеряют скорость затухания сигнала ЯМР при движении жидкости в неоднородном магнитном поле и по ней судят о расходе.

А.с. 550 669: Способ измерения проницаемости пористых материалов, основанный на явлении ограниченной самодиффузии молекул жидкости, включающий ядерно-магнитные резонансные из­мерения с импульсным градиентом магнитного поля, причем ин­тервал времени между импульсами градиента устанавливают боль­ше, чем время, необходимое для диффузии молекул на расстояние, равное размеру пор в образце, измеряют сигнал эха образца, отличающийся тем, что с целью получения достоверного значения проницаемости увеличивают интервал времени между им­пульсами градиента при фиксированной их амплитуде, повторяют измерение амплитуды сигнала эха и по зависимости амплитуды эха от интервала между импульсами градиента судят о проницае­мости.

18.11. Эффект Оверхаузера-Абрагама.

В том случае, если в атоме имеет место и ядерный, и электронный парамагнетизм, то их взаимодействие приводит к изменению интенсивности сигнала ЯМР. При возрастании насыще­ния электронного парамагнитного резонанса и образце с пара­магнитными ядрами наблюдается значительное увеличение интен­сивности ЯМР (Оверхаузер 1953). Этот эффект был использован для разработки метода динамической поляризации ядер; вещество с поляризованными ядрами очень чувствительно как к величине магнитного поля, так и ее изменению. Это свойство и лежит в основе практически: применений эффекта.

Патент США в 3 559 045: Магнитный градиометр, служащий для измерения разницы между магнитными полями в двух зонах, содержит два ядерных фильтра - по одному в каждой зоне. Каж­дый из ядерных фильтров является фильтром такого типа, в ко­тором исползуется эффект Обрхаузера-Абрагама, и выдает выход­ной сигнал, который усиливается иподводится к одному из входов операционного усилителя. Выходной сигнал усилителя расщепляется и подводится к входной катушке двух фильтров. Фазометр измеряет разность фаз входных сигналов операционного усилителя, который может быть суммирующего или дифференциаль­ного типа, что определяется фильтром ядерного фильтра (с пе­рекрещивающимися или параллельными катушками). Разность фаз находится в прямой зависимости от разности между полями.

Л И Т Е Р А Т У Р А

18.6. А.Хирный и др., Эффект увеличения коррозионной стойкос­ти металлов, облученных ионами гелия. Доклады АН СССР, Т.214, НР-1, 1974.

18.7. Л.Мельников. Свет из ловушки. "Химия и жизнь",нр-1,1976

18.8. В.И.Гольданский. Эффект Мессбауэра и его применение в химии, изд. АН СССР, 1964

А.с. 181752, 247424, 297912, 346693.

18.9. Парамагнитное поглощение звука, УФН, 1961, Т.75, нр-3

Дж.Пейк. Парамагнитный резонанс. М., "Мир", 1965

18.10. И.В.Александров, Теория ядерного магнитного резонанса.

М., 1964

А.Абрагам. Ядерный магнетизм. М., ИЛ, 1963

А.Каррингтон и др. Магнитный резонанс и его применение в хи­мии. М., "Мир", 1970

18.11. Г.Хуцишвили. УФН., 1960, т.71.

1   2   3   4   5   6   7   8   9



Скачать файл (184.6 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации