Исследование влияния электрических, магнитных и тепловых полей на характеристики акустических волн и путей создания измерителей параметров мощных одиночных СВЧ радиоимпульсов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

J

Калинин Вячеслав Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ, МАГНИТНЫХ И ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН И ПУТЕЙ СОЗДАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ПАРАМЕТРОВ МОЩНЫХ ОДИНОЧНЫХ СВЧ РАДИОИМПУЛЬСОВ

Специальность 01.04.03-Радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Саратов 1998

Работа выполнена в Саратовском филиале Института радиотехники и электроники-РАН,-

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор, академик РАЕН Синицын Н.И.,

-дикшр физико-математических наук,-

ведущий научный сотрудник Зайцев Б. Д.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор, чл.-корр.РАЕН, Зюрюкин Ю.А., доктор физико-математических наук, профессор, Григорьев М.А.

Ведущая организация: ГНПП «Алмаз», г.Саратов

Защита состоится « У » декабря 1998 г. в // час. на заседании диссертационного совета Д.063.74.01 в Саратовском ордена Трудового Красного Знамени государственном уяиверститете им.Н.Г.Чернышевского по адресу: 410026, Саратов, ул.Астраханская, 83

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке СГУ.

Автореферат разослан «6» ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Аникин В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время весьма актуальной является проблема измерения пространственно-временных характеристик мощных СВЧ радиоимпульсов. В первую очередь это касается одиночных и редкопсвто-ряющихся импульсов. Такие СВЧ радиоимпульсы возбуждаются различными классами специальных источников СВЧ колебаний. Причем, по-видимому,. можно утверждать, что ведущую роль среди них занимают СВЧ генераторы на [.¿лятивистских электронных пучках [1,2]. Режим мощных одиночных сигналов сложен. Это связано с тем, что параметры радиоизлучения в импульсе могут существенно меняться от импульса к импульсу. Обычно на практике такая картина и наблюдается. К тому же -генерацию мощных одиночных импульсов, когда речь идет об уровнях СВЧ мощности превышающей единицы и десятки гигаватг, сопровождает высокий уровень низкочастотных радиопомех. Кроме того, все разработанные к настоящему времени генераторы для обеспечения высокого уровня СВЧ мощности используют волноведущие системы, работающие не на основном, а на высших типах колебаний. . В результате происходит усложнение структуры электрического и магнитного полей' в области излучения, особенно в ближней ее зоне. Поэтому при изучении воздействия мощного СВЧ импульса на локальные объекты необходимо проводить дополнительные исследования этой структуры поля, гарантируя при измерениях, что сама конструкция измерительного датчика не искажает его электрических и магнитных компонент. Отмеченные обстоятельства приводят к тому, что практически все известные методы измерения параметров радиоимпульсов становятся непригодными для исследования одновременно всех рабочих параметров мощных одиночных СВЧ радиоимпульсов. ■>

Большинство из известных измерителей напряженности электрического или магнитного поля не позволяет в .-режиме генерации мощных одиночных СВЧ радиоимпульсов обеспечить необходимые измерения, поскольку выходной информационный сигнал появляется одновременно с импульсными низкочастотными радиопомехами высокого уровня. Поэтому в реальной конструкции измерителя необходимо либо повышать амплитуду исследуемого сигнала выше уровня помехи (достигающего величины в 50-100В и даже выше), либо задерживать его во времени. Бесспорно, второй путь является наиболее перспективным. И такую задержку сигнала можно обеспечить, если воспользоваться принципами акустоэлектроники. Поэтому именно такой подход и данный принцип обработки мощных СВЧ импульсных сигналов и был выбран при выполнении диссертации. При этом одновременно ставились задачу решить и вторую важную проблему, связанную с ®-ем, чтобы при измерениях разработанная и используемая аппаратура не искажала собственную структуру исследуемых электромагнитных полей.

Поиск и анализ эффектов, необходимых для выполнения поставленной задачи, показал, что весьма интересными и перспективными являются электро-

магнитострикция, а также нелинейный пьезоэлектрический и пьезомагнитный эффекты в нелинейных элекгротмагнито-акустических кристаллах [3,4].

скорость акустических волн в кристаллах, а также, что в ряде случаев оказывается особенно интересным и полезным, или являться их источником. Таким образом, с использованием акустических волн можно включать, запоминать и задерживать во времен!! информацию о внешнем воздействии.

Следует отметить, что ■ разработка указанных измерительных устройств

обладающих на практике рядом преимуществ. Это связано с тем, что, во-первых, ПАВ локализованная вблизи поверхности, не требует звукопрово-дов значительного поперечного сечения, которые могут сильно исказить пространственное распределение исследуемых полей, и, во-вторых, с помощью ПАВ можно измерять пространственное распределение вдоль любой поверхности, если радиус ее кривизны »Япав [5].

В этом плане также весьма перспективными являются акустические волны, распространяющиеся в тонких пластинах (АВТП) [6]. В последнее время интерес к таким волнам резко повысился [7,8]. Обладая всеми преимуществами ПАВ они отличаются более высоким коэффициентом электромеханической связи и возможностью распространения в контакте с жидкостями без значительного затухания. Кроме того, в отличие от ПАВ, звукопроводы для таких волн характеризуются значительно меньшими поперечными размерами. Отмеченные особенности приводят к понижению степени искажения структуры исследуемого поля, а для достижения необходимой при измерениях напряженности поля требуются меньшие значения электрического напряжения. Поэтому исследованию особенностей распространения ПАВ и акустических волн в тонких пластинах нелинейных кристаллов и изучению возможности использования этих особенностей для диагностики параметров мощных одиночных СВЧ радиоимпульсов в диссертации уделяется знач1ггельное внимание.

Цель настоящей работы состоит в: -

— теоретическом и экспериментальном исследовании влияния внешних . электрических, магнитных и тепловых полей на характеристики ПАВ и

акустических волн в тонких пластинах;

— разработке на основе ПАВ и акустических волн в тонких пластинах измерителей параметров мощных одиночных СВЧ радиоимпульсов, не вносящих в сравнении с известными устройствами заметных локальных возмущений в пространственное распределение полей исследуемого СВЧ сигнала;

— теоретическом и экспериментальном исследовании влияния проводящих и вязких жидкостей на характеристики акустических волн в тонких пластинах.

Научная-новизна работы состоит в следующем: 1. Теоретически и экспериментально исследована анизотропия характеристик поверхностных аку стических волн и волн в тонких пластинах из ниобата лития и титаната стронция во внешних статических электрических полях. Проведен детальный сравнительный анализ анизотропных свойств ПАВ и АВТП в нелинейных кристаллах.

2.. Теоретически и -кспериментально исследовано влияние температуры на скорость распространения' ПАВ и акустических волн в тонких пластинах ниобата лития. Получено хорошее соответствие теоретических и экспериментальных данных.

3. Экспериментально исследовано магнитоакустическое взаимодействие на ПАВ в пленках ЖИГ различной толщины. Предложена новая методика анализа гисгерезисных полевых зависимостей, позволившая разделить вклады отдельных магнитоакустических эффектов.

4. Разработаны принципиально новые измерители пространственно- временных характеристик одиночных СВЧ радиоимпульсов, измерители пикового значения напряженности электрического и магнитного поля одиночных СВЧ радиоимпульсов, фазовые и амплитудные измерители энергии мощных СВЧ радиоимпульсов на основе тепловых эффектов. Созданные измерители защищены авторскими свидетельствами. Выполнен детальный теоретический анализ особенностей поведения и возможностей разработанных измерителей и проведены экспериментальные исследования их рабочих характеристик.

Достоверность полученных результатов основывается на соответствии полученных теоретических выводов и экспериментальных результатов.

В диссертации на защиту выносятся следующие научные положения:

!. Влияние внешнего электрического поля на скорость акустических волн в тонких пластинах киобата лития существенно зависит от их частоты. Существуют кристаллографические срезы и направления распространения волн, для которых характер полевой зависимости скорости может быть изменен от линейной до квадратичной посредством изменения частоты акустической волны.

"27 В пленках железо- иттрпевого граната четная часть полевой гистерезисной зависимости изменения скорости волны, определяемая магнитострикцией, не зависит от направления изменения магнитного поля. Гистерезис указанных зависимостей определяется лишь нечетной его частью, связанной с нелинейным пьезомагнитным эффектом и магнитострикцией, линеаризованной внутренним магнитным полем.

3. При прохождении или возбуждении акустической ьолны в нелинейном' электро-мапшто-акустическом материале можно измерять пространственно- временные характеристики мощных кратковременных одиночных СВЧ радиоимпульсов. При этом, если за время действия импульса-акустическая волна проходит путь, много меньший, чем характерный размер, пространственной неоднородности-реализуется измеритель пространственного распределения напряженности поля. Если же волна проходит всю активную область за время,, гораздо меньшее длительности импульса-реализуется измеритель временного распределения амплитуды СВЧ поля (детектор).

4. На основе нелинейных электро-магнито-акуепгческих и тепловых эффектов можно измерять пиковое значение напряженности электрического и магнитного поля, а также энергию мощных кратковременных одиночных

СВЧ радиоимпульсов. Применение в качестве активных материалов кристалла LiNb03 и структуры ЖИГ- ГТТ позволяет достигать чувствительности 0.04 В/кВ/см и 0.01 ВО для электрического и магнитного полей соответственно.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- Разработаны принципиально новые измерители пространственно- вре-мегащх характеристик одиночных СВЧ радиоимпульсов. Конструкция и принципы их работы защищены авторскими свидетельствам^.

- Предложены, разработаны и созданы принципиально новые измерители пикового значения напряженности электрического и магнитного поля одиночных СВЧ радиоимпульсов, отличающиеся повышенной помехозащищенностью. достигаемой благодаря использованию временной задержки информационного сигнала, и возможностью проведения локальных измерений. Макеты измерителей переданы в Институт общей физики Российской академии наук и в Харьковский физико-технический институт, где они используются при

• исследовании параметров мощных СВЧ радиоимпульсов и изучении воздействия мощных СВЧ радиоимпульсов на элементы интегральных схем.

- Теоретически и экспериментально показана возможность разработки нового типа фазовых и амплитудных измерителей энергии мощных СВЧ радиоимпульсов на основе тепловых эффектов.

- Разработан и создан высоковольтный датчик на основе пгганата стронция, отличающийся повышенным входным сопротивлением и более широким частотным диапазоном по сравнению с известными.

- Предложены новые методы измерения коэрцитивной силы и считывания СВЧ радиоимпульсов в системе мнкрополосковых линий.

• Апробация работы; Материалы диссертации докладывались Всесоюзных и Международных конференциях по ахустоэлёктронгасе и физике твердого тела в Москве (1987,1988), Ленинграде (1987,1991), Новосибирске (1986), Сыктывкаре (1994). Риге (1988,1991), Ростове-на-Дону (1989), Тбилиси (1987,1988), Саратове (1983,1988), Кишиневе (1989), Киеве (1986), Болгарии (1989,1993,1994), а также на научных семинарах в ИОФ РАН (г.Москва), в Томском институте ядерной физики, в НИИТФ (г.Челябинск), на кафедре вычислительной физики ч АНИ физического факультете СГУ и в Саратовском филиале ИРЭ РАН.

Публикации: По материалам диссертации опубликовано 44 печатных работы, из которых 8 статей в центральной печати, 8 авторских свидетельств и 28 тезисов докладов. В указанных работа^ Калининым В Ю. предложены принципы действия созданных устройств, численно исследованы сформулированные совместно с соавторами теоретические модели распространения ПАВ и АВТП в электрических и магнитных полях в нелинейных кристаллах, полностью проведены излагаемые в работе эксперименты н интерпретированы полученные результаты.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 115 наименова-

с

ния. Работа изложена на 167 страницах машинописного текста, содержит 86 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации. Подняты и кратко рассмотрены поставленные в диссертации вопросы, не получившие достаточного освещения в литературе. Проведен обзор опубликованных теоретических и экспериментальных исследований, относящихся к теме диссертации. Сформулированы цели исследования, а также определены научные положения, зыносимые на защиту.

В первой главе диссертации впервые теоретически анализируется анизотропия фазовой скорости акустических волн нулевого порядка Ао, во и БН0 в элекгрострикционных и пьезоэлектрических пластинах во внешнем постоянном электрическом поле. Подобные характеристики рассчитаны также для ПАВ. Выполненные расчеты позволили провести детальный сравнительный анализ особенностей распространения АВТП и ПАВ в нелинейных кристаллах. Приведены основные уравнения описывающие акустические волны малой амплитуды-в материальной системе координат для механически свободного кристалла, находящегося во внешнем электрическом поле. Эти уравнения при стандартных граничных условиях решены численными методами для таких перспективных .материалов, как ннобат лития и тнтанат стронция.. Найдены направления распространения ПАВ и акустических волн в тонких пластинах и ориентации поля, соответствующие максимальным значениям коэффициента управления. Теоретически проанализирована анизотропия скорости акустических волн в тонких пластинах ниобата лития от температуры. Приведены основные уравнения, описан алгоритм расчета и представлены полученные результаты для основных кристаллографических срезов.

Во яторой главе диссертации экспериментально исследовано влияаие внешнего электрического и магнитного поля на скорость распространения ПАВ в ряде нелинейных материалов. Описана предложенная и опробованная в работе технология изготовления составных звукопроводов, выдерживающих изменения температуры в широком интервале. Дано описание некоторых особенностей, проведения экспериментов, используемых в экспериментах измерительных установок и методик измерения основных параметров ПАВ. Приведены результаты экспериментального исследования электроакустического взаимодействия на ПАВ в титанате стронция и керамике ЦТСЛ, в широком интервале температур, включающем точку структурного фазового перехода (105К для ЭгТЮ; и 70°С для керамики ЦТСЛ). Обнаружена гнетере-зисная зависимость для сегнетоэлектрической фазы и ег отсутствие для параэлектрической. Проведено сопоставление результатов эксперимента с выводами теории. Экспериментально исследовано влияние температуры на гаменение скорости ПАВ- в ниобате лития. При этом получено хорошее соответствие экспериментальных результатов с теоретически рассчитанной зависимостью. ••

'т

Приведенный в главе краткий обзор по экспериментальному исследованию магнитоакустических эффектов на .ПАВ в ферромагнитных материалах позволил определить основное направление работ. В главе проведено .исследование влияния внешнего магнитного поля на скорость ПАВ в пленках ^елезочггтриевоготраката-^ЖИР^азличной^голщины-на-подложке ш галлий=~ гадолиниевого граната (ГТТ). Обнаружен ярко выраженный гистерезис полевых зависимостей ДУ/У(Н), состоящих из двух ветвей, соответствующих различным направлениям изменения напряженности пол«. Для каждой ветви указанных зависимостей выделены нечетные и четные части. Оказалось, что четные части, соответствующие различным ветвям одной и той же зависимости, совпадают, а нечетные части - различаются лишь знаком. Приведено физическое объяснение экспериментальных результатов.

В третьей главе диссертации теоретически исследованы особенности рас-, пространения акустических волн в тонких пластинах ниобата лития, находящихся в контакте с проводящим слоем и вязкой жидкостью. Проведены соответствующие эксперименты с вязкой жидкостью и получено хорошее соответствие с выводами теории. Полученные результаты показывают, что найденные зависимости могут позволить определить оптимальные параметры акустических волн и пластин звукопроводов при создании ряда перспективных устройств для исследования характеристик проводящих слоев и вязких жидкостей.

В четвертой главе рассматриваются вопросы практического применения эффектов, рассмотренных в первых трех главах, при разработке измерителей параметров мощных одиночных СВЧ радиоимпульсов. Разработаны новые методы измерения пространственно-временных характеристик мощных • одиночных СВЧ радиоимпульсов. Все предложенные подходы можно разделить на две группы: методы с участием зондирующей волны и методы без зондирующей волны. Первая группа основана на изменении скорости или амплитуды зондирующей акустической волны, под действием исследуемого поля. В этом случае волна, прошедшая через активную область, которая подвергается внешнему импульсному воздействию, оказывается промодули-ровакгой по амплитуде иди по фазе. -Вторая . группа методов основана на использовании акустической волны, которая сама генерируется под действием исследуемого поля. Таким образом, в этом случае амплитуда или фаза волны на выходе из активной области несет информацию о внешнем воздействии.

При выполнении определенных соотношений между длительностью импульса, характерными размерами пространственной неоднородности и длиной активной области можно реализовать измерение пространственного или временного распределения амплитуды радиоимпульса. Если за время действия импульса акустическая волна проходит путь, много меньший, чем'характерный размер пространственной неоднородности - может быть реализован измеритель пространственного распределения напряженности поля. Если же волна проходит активную область за время, гораздо меньшее длительности импульса - реализуется измеритель временного распределения амплитуды поля (детектор). Показано, что для промежуточной ситуации путем подбора

параметров можно разработать измерители пикового значения напряженности электрического или магнитного поля, величина выходного сигнала которого однозначно связана с длительностью и амплитудой входного импульса. Сделаны оценки реальных параметров названных измерителей и проанализированы возможности использования различных нелинейных материалов и структур при разработке необходимых измерителей. Экспериментально подтверждена возможность измерения пространственного распределения импульсных СВЧ электрических полей на основе диэлектрического резонатора из ниобата лития.

Описаны характеристики. разработанных макетов измерителей пикового значения напряженности электрического и магнитного поля одиночных СВЧ радиоимпульсов, которые используются при проведении измерений на релятивистских СВЧ генераторах гигаваттного уровня СВЧ мощности и урош.я СВЧ мощности в сотни мегаватт в ИОФ РАН (г.Москва) и в Физико- техническом институте г.Харькова. Созданные измерители не имеют отечественных и мировых аналогов.

•В данном разделе описаны также новые созданные приборы, такие, как высоковольтный датчик и устройство для считывания СВЧ импульсов в системе микрополосковых линий, действие которых основано на использовании нелинейного электроакустического взаимодействия.

В заключении делаются основные выводы по полученным в диссертации результатам.

ВЫВОДЫ

1. Исследованы зависимости четной и нечетной частей коэффициента управления от направления распространения, ориентации внешнего -электрического поля и толщины пластины из. ниобата литая для волн Лэмба и БН волн. Данные зависимости исследованы также для ПАВ в ниобате лития и титанате стронция. Проведен детальный сравнительный анализ влияние внешнего постоянного электрического поля на характеристики ПАВ и АВТП.

2. Обнаружено, что влияние внешнего электрического поля на скорость акустических волн в тонких пластинах ниобата лития существенно зависит от частоты:. Существуют кристаллографические срезы и направления распространения волн для которых характер полевой зависимости скорости может быть изменен от линейной до квадратичной посредством изменения . частоты акустической волны. • "

3. Исследовано влияние металлизации на электроакустическое взаимодействие иа поверхностных акустических волнах и на акустических волнах в тонких пластинах. Показано, что влияние металлизации наиболее существенно для симметричных волн Лэмба и ЯН волн по сравнению с антисимметричными и поверхностными волнами. Данный результат обусловлен различием значений коэффициента электромеханической связи ПАВ и АВТП.

4. Теоретически исследована анизотропия характеристик акустических волн ■ в пластинах из ниобата литая от температуры кристалла. Найдены направления,

отличающиеся наибольшим значением температурного коэффициента задержки.

5. Экспериментально исследовано влияние внешнего электрического поля на скорость ПАВ в БгТЮз и керамике ЦТСЛ в широком интервале температур,

электроакустического взаимодействия при температуре ниже точки Кюри. Найдена зависимость ДУ/У от диэлектрической проницаемости вгТЮз, которая подтверждает, что электроакустическое взаимодействие обусловлено как линейной, так и нелинейной электрострикцией. Полученные результаты хорошо соответствуют теоретическим выводам.

Ь. .экспериментально исследивани влияния температуры на характеристики ПАВ в ниобате лития на частоте 50 МГц. Показано, что для указанной частоты температура существенно меняет фазовую* скорость ПАВ, в то время, как изменение затухания остается незначительным. Полученные экспериментальные результаты находятся в хорошем соответствии с теоретическими выводами. '

7. Экспериментально изучено нелинейное магнитоакустическое взаимодействие на ПАВ в пленках ЖИГ различной толщины на подложке го ГГТ. Обнаружены ярко выраженные гистерезис и насыщение функции ДУ/У(Н), причем четная ее часть не зависит от направления изменения магнитного поля. Анализ четной и нечетной частей показал, что магнитоакустическое взаимодействие обусловлено ДЕ- эффектом н магнитострикцней.

8. Теоретически проанализировано распространение акустических волн с квазипоперечной поляризацией в структуре пластина ниобата Л1Гшя-тонкий проводящий слой. Показано, что изменением поверхностной проводимости можно менять в широких пределах как скорость волны, так и ее затухание.

9. Теоретически и экспериментально исследовано распространение акустических волн с квазипоперечной поляризацией в пластнне ниобата лития, граничащей с вязкой жидкостью. Показано, что изменение вязкости жидкости приводит к значительному изменению как скорости волны, так и ее затухания. Сравнение теоретических и экспериментальных зависимостей показывает их хорошее соответствие.

10. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований в показывают перспективность разработки ряда датчиков внешних воздействий, приводящих к изменению проводимости тонких пленок или вязкости жидкости.

11. Разработан и создан измеритель высохих постоянных электрических напряжений на ПАВ в ЭгТЮз, отличающийся от описанных в литературе значительно более широким частотным диапазоном.

12. Предложена устройство для считывания СВЧ радиоимпульсов в системе микрополосковых линий.

13. Предложен и разработан новый принцип измерения пространственно-временных характеристик одиночных СВЧ радиоимпульсов, основанный на электроакустических^ эффектах и отличающийся повышенной помехозащищенностью, Проведен теоретический анализ, позволивший выявить области

параметров, соответствующие измерению либо пространственных, либо временных характеристик. Определены нелинейные электроакустические эффекты, которые можно использовать для создания соответствующих измерителей.

14. Разработан макет измерителя пространственного распределения электрического поля СВЧ радиоимпульсов на основе диэлектрического резонатора и проведен соответствующий эксперимент, подтвердивший перспективность метола.

15. Разработаны датчики электрических и магнитных полей одиночных СВЧ радиоимпульсов, отличающиеся повышенной помехозащищенностью, позволяющие проводить локальные измерения поля и практически не искажающие структуру исследуемого поля. На основе полученных рекомендаций созданы макеты датчиков электрического и магнитного полей, которые используюто. в ИОФ РАН (г.Москва) и в Харьковском Физико-техтгческом институте при Исследовании различных режимов работа СВЧ генераторов на релятивистских электронных пучках шгаваттного уровня мощности и уровня мощности в сотни мегаватт. Созданные измерители не имеют отечественных и мировых аналогов.

16. Показана возможность разработки фазового и амплитудного методов измерения энергии мощных СВЧ радиоимпульсов на основе температурных эффектов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ткач Ю.В., Файнберг Ю.В., Гадецюш Н.П. и др. Возбуждение интенсивных колебаний сильноточными релятивистскими пучками //УФЖ. 1978. Т.23. В.11. С.1902-1908.

2. Hanjo H.,Nakagava Y. Generation of intensive pulsed microwave from a hihg density virtual cathode of a reflex triode//J. Appl. Phys. 1991. V.70. N.2. P.1004- 1010. •

3. Лямов B.E. Поляризационные эффекта и анизотропия взаимодействия акустических вслн в кристаллах'/ М.: Изд-во МГУ. 19S3.223 с.

4. Зайцева М.П., Кокорин Ю.И., Сандлер Ю.М., Заглевский В.М., Сорокин-Б.П., Сысоев A.M. Нелинейные электромеханические свойства ацентричных кристаллов'/ Новосибирск: Наука. 1986.177 С.

5. Каринекий С.С. Устройства обработки сигналов на ультразвуковых поверхностных волнах. М.: Сов.радио. 1975. 174 С.

6. Викторов И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах // М.:Наука. 1981.287 С.

7. Joshi S.G., Jin Y. Propagation of ultrasonic Lamb waves in piezoelectric plates/.'J. Appl. Phys. 1991. V.70. P.4113-4120

S. Wu J., Zhu Z. Sensitivity of Lamb wave sensors in liquid sensing//' IEEE Trans. Ultras., FeiToel. and Freq. Contr. 19>6. V.43. N1. P.71- 72

Описок опубликованных и принятых к печати работ по теше диссертации:

1. Зайцев БД., Калинин В.Ю., Кузнецова И.Е. Электроакустическое взаимодействие на ПАВ в ттанате стронция// Акуст. ж. 1996. Т.42. В.З. С.383-388.

И

2. Ermolenko A.V., Fedorenko V.A., Kalinin V.Yu., Kuznetsova I.E., ZaitseVB.D. External electric field effect on SAW velocity in SrTiCy/ 6th Conf. "AcoustpeL'93" Varna, Bulgaria, 19-25 Sept., 1993, P.46

3. Зайцев Б.Д., Калинин В.Ю., Кузнецова И.Е. Электроакустическое взаимодействие на ПАВ в титанате стронция // Тез. докладов XVI ВКАЭФА'94 13-16 сеет. 1994, Сыктавк. С.117-118_

4. Зайцев Б.Д., Калинин В.Ю., Кузнецова И.Е. Нелинейное электроакустическое взаимодействие на упругих волнах в пластинах ниобата лития II Акуст.журн„ 1998. Т.44. N12

5. Гуляев Ю.В., Ермоленко А.В., Зайцев Б.Д., Калинин В.Ю., Синицын Н.И. Нелинейные электроакустические эффекты при распространении поверхностных акустических волн в титанате стронция//Акуст.ж.1989. Т.34. В.1. СЛ54-157.

6. Зайцев Б.Д., Калинин В.Ю., Синицын Н.И., Федоренко В.А. Исследование влияния поперечных электрических полей на скорость распространения поверхностных акустических волн в материалах с большой диэлектрической проницаемостью// Матер.ХП Всес.конф. по акустоэл. и квант, акуст. 15 •'. Саратов. Т. 1. С. 166.

7. Воробьев В.Ф., Ермоленко А.В., Зайцев Б.Д.,Калинин В.Ю., Синицын Н.И., Штернберг А.Р. Исследование нелинейных электроакустических эффектов на ПАВ в материалах с большой диэлектрической проницаемостью// Матер. XIV Всес.конф. п-о акустоэл. и физ.акуст.тв. тела. 19S9. Кишинев. 4.1. С.46- 48.

8. Зайцев Б.Д., Калинин В.Ю., Синицын Н.И. Исследование электроупругих и акустических свойств сегнетоэлектрических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью// Матер. XI Всес. конф. по физике сегнетоэл. 1986. Киев. Т.2. С.55.

9. Зайцев Б.Д., Калинин Ё.Ю., Синицын Н.И., Штернберг Р,А. Исследование электроупругих и акустических свойств сегнетокерамики ЦТСЛ//Матер.З Всес. конф. "Акту ал. пробл.получ. и прим. сегнето и пьезоэлектр. матер."1987.М. С-10. •

10. Zaitsev B.D., Kalinin V.Yii., Ermolenko A.V., Sinitsyn N * Inveiiigatitui of $AW nonlinear electroacoustic effects ir. materials with a high dielectric permittivity//Proceed. of the Int.Symp."Surf.waves in-solids and layered struct." 1989. Varna. Bulgaria. V.2. P.237-2-38

11. Zaitsev B.D., Kalinin V.Yu., Ermolenko A.V., Sternberg A.R. Investigation of ponlinear electroacoustic effects on SAW in PLZT ceramics // Proceed, of Int. conf. "Trans. Ferroeiectr. Cer.: Prod., Prop., and Appl." 1991. Riga. P.20- 21.

12. Зайцев Б.Д., Калинин В.Ю., Штернберг A.P., Синицын Н.И. Исследование электроупругих и акустических свойств сегнетокерамики ЦТСЛ//Матер.З межвед.семинара "Получ.и примен.прозр.сегнетокер."1988.Рига.Ч.1. С.144- 145.

13. Зайцев Б.Д., Калинг i В.Ю., Ермоленко А.В., Синицын Н.И. Электроупругие и акустические свойства сегнетокерамики системы ЦТСЛ в области фазового перехода// Тез. докл. XII Всес. конф. по физике сегнетоэлектр. 1989. Ростов-на Дону. Т.2. С.70. .

14. Ермоленко А.В., Зайцев Б.Д., Калинин В.Ю., Федоренко В.А. Распространение ПАВ в структуре пленка ЖИГ-подложка ПТ в однородном магнит-

ном поле// Матер. 16 Всеросс.конф."Акустоэлектр.и физич.акуст.тв.тела". 1994. Сыктывкар. С.117-118. '

15. Gulyaev Yu.V., Zaitsev B.D., Kalinin V.Yu., Sinitsyn N.I. Magnetic field influence on a magnetoelasticsurface wave propogation velocity in YIG films// Proceed.of Int.Symp."Surf.waves in solids and layered struct".1986.Novosibirsk. V.2. P.293- 295. '

16. A.C.N 1288638 СССР, МКИ G 01 R 33/12 Способ измерения коэрцитивной силы ферромагнитных материалов/ Б.Д. Зайцев, В.Ю. Калинин, Н.И. Синицын (СССР) N 3849247, заявлено 31.01.1986, опубл. 07.02.87. Бюл. N'5.

17. А.С. N 1206715 СССР, МКИ G 01 R 15/02. Высоковольтный датчик. / Б.Д. Зайцев, В.Ю. Калинин, Н.И. Синицын, ВЛ.Федоренко, Ю.В.Гуляев (СССР), N 3716054, заявл. 23.03.85, опубл. 23.01.86. Бюл. N.3.

18. Гуляев Ю.В., Зайцев Б.Д., Калинин В.Ю., Синицын Н.И. Датчик электрг • ческого напряжения на ПАВ в тиганате стронция // Матер. 13 Всес. Конф. по акустоэл. и квант, акуст. 1986. Киев. Т.2. С.П5-116.

19. Зайцев Б.Д., Калинин В.Ю., Синицын Н.И. Электрострикционный высоковольтный датчик с чувствительным элементом из титаната стронция//Тез. докл.З Всес.конф."Акт.пробл.получ. н прим.сегнето- и пьезоэлектр. матер." 1987. М. С. 10.

20. Гуляев Ю.В., Зайцев Б.Д., Калинин BJO., Синицын НЛ. Электроакустический датчик напряжения // Матер.12 конф.по микроэл.1987.Тбилиси.Т.4. С. 169-170.

21. Гуляев Ю.В., Воробьев В.Ф., Зайцев Б.Д., Калинин В.КХ, Синицын Н.И. Электрострикционный датчик на ПАВ//Электрокная техника. Сер. 10. Микро-элекгр. устр. 1988. В.2(68). С.50-52 .

22. Gulyaev Yu.V., Zaitsev B.D., Kalinin V.Yu., Panferov A.D:, Sinitsyn N.I., Smolyanski S.A., Fedorenko V.A. Spatialtime response diagnostics of electric, magnetic and mechanic pulse fields by surface acoustic waves// Proc. of Int. Symp."Surf. waves in solid and layered struct. 1986. Novosibirsk. V.2. P.347- 349.

23. Гуляев Ю.В., Зайцев Б.Д., Калинин В.Ю., Панферов А.Д., Синицын НЛ., Смолянский С.А. Диагностика пространственновременных импульсных воздействий /7 Матер. XIII Всес. конф. по акустоэл. и квант, акуст. 1986. Киев. Т.2. С.256--257. ' '

24. Гуляев Ю.В., Зайцев Б.Д., Калинин В.Ю., Синицын Н.И. Контроль пространственно — временных характеристик импульсных полей с помощью поверхностных магнитоупругих волн, распространяющихся • в' ферритовых материалах // Матер. XIV Всес. конф. по СВЧ ферр. техн. 1987. Ленинград.

25. Гуляев Ю.В., Зайцев Б.Д., Калинин ВДО. Применение ПАВ датчиков для контроля пространственно- временных характеристик СВЧ импульсов // Сб. "Сегнето- и пьезоэл. в ускорении i: .учно- техиич. проф." М.: 1987. С.93- 97.

26. Гуляев Ю.В., Зайцев Б.Д., Калинин В.Ю.; Панферов А.Д., Синицын Н.И., Смолянский С.А. Контроль пространственновременных характеристик внешних импульсных воздействий с помощью акустических волн// Матер. 12. конф. по микроэлеетр. 1987. Тбилиси. T.IV. С.167- 168.

27. Бородина И.А., Зайцев Б.Д., Калинин В.Ю. Пространственно- временное преобразование импульсных электрических сигналов с помощью акустических волн в диэлектрических волноводах // Матер. Всес. конф. "Проектор, радио-электр.устр. на диэл. волновод, и резонаторах". 1988. Тбилиси. С.237. —28т^:С^К-1374150ХССРгМКИ"СГ0ГК^9/0?7Тстройство для измерения импульсного электромагнитного поля в микрополсковой линии/ Б.Д. Зайцев, В.Ю. Калинин, Ю.Ф. Висюлькин, Н.И. Синицын, И.А. Бородина (СССР), заявл.

19.08.86, опубл. 15.02.88. Бюл. N 6.

29. Бородина И.А., Висюлькин Ю.Ф., Зайцев Б.Д., Калинин В.Ю., Синицын Н.И. Пространственно- временное преобразование импульсных электрических сигналов с помощью акустических волн// Матер. Всес. конф. "Современные пробл. радиоэлектроники". 1988. М. С.6.

30. А.С.Ы 1176712. СССР, МКИ О 01 Р. 33/00 Устройство для измерения распределения магнитных полей одиночных или редкоповторяющихся СВЧ радиоимпульсов/ Б.Д. Зайцев, В.Ю. Калинин, Н.И. Синицын (СССР) N 3713617, заявлено 23.03.1984.

31. Зайцев Б.Д., Калинин В.Ю. Взаимодействие импульсного электромагнитного поля с системой периодических неодыородностей на поверхности диэлектрика // Матер. II Всес. школы- семинара "Взаимод. электром. волн с полупр. и диэлектр. структ." 1988. Саратов. С.219.

32. А.С. N 1283670 СССР, МКИ в 01 Я 29/08 Измеритель пространственного распределения электрических полей одиночных и редкоповторяющихся СВЧ радиоимпульсов/ Б.Д. Зайцев, В.Ю. Калинин, Н.И. Синицын (СССР), заявл. 18.03.1985, опубл. 1-5.01.87. БюлЛ\! 2.

33. А.С.Ы 1354138 СССР, МКИ О 01 Я 29/08 Датчик пространственного распределения импульсных электромагнитных полей.' Б.Д. Зайцев, В.Ю. Калинин, Н.И. Синицын (СССР) N 4069405, заявлено 21.05.1986, опубл.

23.11.87. Бюл.'Ы 43. ■ • . .

34. Гуляев Ю.В., Зайцев Б.Д., Калинин В.Ю., Панферов А.Д., Синицын Н.И., С-молянский С.А. Контроль пространственновременных характеристик внешних импульсных воздействий с помощью акустических волн// Матер. 12. конф. по микроэлектр. 1987. Тбилиси. Т.1У. С.167- 168.

35. А.С. N 1167541 СССР,.МКИ О 01 К 29/08 Измеритель распределения электрических полей одиночных или редкоповторяющихся мощных СВЧ радиоимпульсов/ Б.Д. Зайцев, Ю.В. Гуляев, Л.И. Кац, Н.И. Синицын, В.А. Федоренко (СССР), заявл. 09.01.1984, опубл. 15.07.85. Бюл. N 26.

36. Зайцев Б.Д., Калинин В.Ю. Взаимодействие импульсного электромагнитного поля с системой периодических неоднородностей на поверхности диэлектрика// Матер. II Всес. шкпы- семинара "Взаимод. электром. волн с полупр. и диэлектр. структ." 1988. Саратов. С.219.

37. А.С. N 1191837 СССР, МКИ й 01 Я 21/00. Устройство для измерения импульсной проходящей мощности/ Б.Д. Зайцев, В.Ю. Калинин, Н.И. Синицын (СССР), заявл. 28.05.1984, опубл.15.11.85. Бюл. N42.

38. Зайцев Б.Д., Калинин В.Ю., Синицын Н.И. Измерение проходящей мощности с использованием тензоупругого эффекта// Матер.З Всес.конф."Акт. пробл.получ. и прим.сегнето- и пъезоэл. материалов" 1987. М. С.171.

39. Ермоленко А.В., Зайцев Б.Д., Калинин В.Ю., Синицын Н.И. Генерация поверхностных акустических волн в диэлектрическом резонаторе// Матер. XIV Всес. Конф. по акустоэлектр. и квант, акуст. 1989. Кишинев. С.72- 73.

40. Ермоленко А.В., Зайцев Б.Д., Калинин В.Ю., Кузнецова И.Е., Федоренко В.А. Электроакустический датчик электрического поля одиночных СВЧ радиоимпульсов//РЭ. 1995. Т.40. В. 1. С.80- 88.

41. Zaitsev B.D., Ermolenko A.V., Fedorenko V.A., Kalinin V.Yu., Kuznetsova I.E. An electroacoustic method for measuring the intensity of high-power microwave pulses // IEEE Trans.on Ultrason.,Ferroel.,and Freq. Contr. 1996. V.43. N.l. P.30-35.

42. Ермоленко A.B., Зайцев Б.Д., Калинин В.Ю. Датчик СВЧ электрического поля// Матер. XV Всес. конф. "Акустоэлектр. и физич. акуст. тв. тела. 1991. Ленинград. Т.1. С.112-114.

43. Зайцев Б.Д., Калинин В.Ю., Магда И.И., Ермоленко А.В., Прокопенко Ю.В., Гадецкий Н.П. Измеритель напряженности электрического поля одиночных сверхвысокочастотных радиоимпульсов// ПТЭ. 1993. В.З. С.133- 135.

44. Ermolenko A.V., Fedorenko V.A., Kalinin V.Yu.,Kuznetsova I.E., Zaitsev B.D. Electroacoustic sensor of microwave electric field radiopulses // Proceed, of conf. "Acoustoelectr.'94". 1994. Varna. Bulgaria. IP.

Заказ 55. Тираж 100

Объем 1 п. л. Подписано к печати 5.11.98

Типография Издат-ва СГУ

и" / < / / / / •>' /'

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ Саратовский филиал

На правах рукописи УДК 548:53+534.22; 621.317.088

КАЛИНИН Вячеслав Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ, МАГНИТНЫХ И ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН И ПУТЕЙ СОЗДАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ПАРАМЕТРОВ МОЩНЫХ ОДИНОЧНЫХ СВЧ РАДИОИМПУЛЬСОВ

Специальность 01.04.03- Радиофизика

ДИССЕРТАЦИЯ иа соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: академик РАЕН, профессор, д.ф.-м.н.

Н.И.СИНИЦЫН вед.н.с., д.ф.-м.н.

Б.Д.ЗАЙЦЕВ

САРАТОВ 1998г.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 6

1. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ПОВЕРХНОСТ- 15 НЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ, ВОЛНЫ ЛЭМБА И БН ВОЛНЫ В НЕЛИНЕЙНЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХ

1.1. Введение 15

1.2. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА 16 СВОЙСТВА ПАВ В НЕЛИНЕЙНЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ

1.2.1. Исходные уравнения 16

1.2.2. Метод расчета 18

1.2.3. Влияние внешнего электрического поля на фазовую скорость 24 ПАВ Рэлея в ниобате лития

1.2.4. Влияние внешнего электрического поля на фазовую скорость 28 ПАВ Рэлея в титанате стронция

1.3. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА СВОЙСТВА 33 АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В ПЛАСТИНАХ НИОБАТА ЛИТИЯ

1.3.1. Метод расчета 33

1.3.2. Влияние внешнего электрического поля на распространение 35 антисимметричной волны Лэмба (Ао)

1.3.3. Влияние внешнего электрического поля на распространение 42 симметричной волны Лэмба (5'о)

1.3.4. Влияние внешнего электрического поля на распространение 53 нулевых 8Н волн

1.4. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СВОЙСТВА АКУСТИЧЕ- 62 СКИХ ВОЛН В ПЛАСТИНАХ НИОБАТА ЛИТИЯ

1.4.1. Исходные уравнения 62

1.4.2. Влияние температуры на распространение волн Лэмба и ЯН 62 волн

1.5. Выводы 66

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯ- 68 НИЯ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В НЕЛИНЕЙНЫХ МАТЕРИАЛАХ

И СТРУКТУРАХ

2.1. Введение 68

2.2. Описание технологии изготовления составных звукопроводов, 69 измерительных установок и методик измерения

2.2.1. Технология изготовления составных звукопроводов 69

2.2.2. Описание установки для измерения удельного поглощения и 73 затухания в склейках

2.2.3. Описание установки для измерения скорости, полных потерь и 77 фазы ПАВ и методики измерений

2.2.4. Описание камеры для низкотемпературных высоковольтных 78 измерений на ПАВ

2.3. Экспериментальное исследование влияния внешнего электри- 81 ческого поля на скорость ПАВ в титанате стронция

2.4. Экспериментальное исследование влияния внешнего электри- 87 ческого поля на скорость ПАВ в керамике ЦТСЛ

2.5. Экспериментальное исследование влияния температуры на ха- 91 рактеристики ПАВ в ниобате лития

2.6. Экспериментальное исследование влияния внешнего магнитно- 93 го поля на характеристики ПАВ в магнитных материалах

2.6.1. Введение 93

2.6.2. Описание особенностей технологии изготовления образцов, ме- 93 тодики измерения и измерительной установки

2.6.3. Экспериментальные результаты 94

2.7. Выводы 103

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДО- 104 ВАНИЕ КВАЗИПОПЕРЕЧНЫХ СДВИГОВЫХ ВОЛН В ПЛАСТИНАХ, ГРАНИЧАЩИХ С ПРОВОДЯЩИМ СЛОЕМ И

ВЯЗКОЙ жидкостью

3.1. Введение 104

3.2. Распространение SH волн в структуре пьезоэлектрическая 105 пластина- тонкий проводящий слой

3.3. Теоретическое исследование распространения SH волн в пьезо- 108 электрической пластине, граничащей с вязкой жидкостью

3.4. Экспериментальное исследование распространения SH волн в 111 пьезоэлектрической пластине, граничащей с вязкой жидкостью

3.5. Выводы 114

4. РАЗРАБОТКА ДАТЧИКОВ И УСТРОЙСТВ ОБРАБОТКИ 115 СИГНАЛОВ

4.1. Введение 115

4.2. Измеритель высоких напряжений 115

4.3. Анализ пространственно- временных характеристик внешних 118 импульсных воздействий

4.3.1. Введение 118

4.3.2. Теоретические основы метода измерения с помощью зондиру- 119 ющей волны

4.3.2.1. Распространение упругой волны в среде, подвергнутой внешне- 119 му импульсному воздействию

4.3.2.2. Анализ возможностей реализации метода 123

4.3.3. Теоретические основы метода измерения без зондирующей 126 волны

4.3.3.1. Возбуждение акустических волн импульсными полями 128

4.3.3.2. Анализ возможности реализации метода 129

4.3.4. Экспериментальное исследование пространственного распреде- 133 ления электрического поля одиночных СВЧ радиоимпульсов

4.4. Измерение пикового значения напряженности электрического 135 и магнитного поля СВЧ радиоимпульсов

4.4.1. Принцип действия и теоретический анализ 135

4.4.2. Измеритель напряженности электрического поля одиночных 142 СВЧ радиоимпульсов

4.4.3. Измеритель напряженности магнитного поля одиночных СВЧ 144 радиоимпульсов

4.5. Пространственно- временное преобразование импульсных 146

электрических сигналов

4.6. Измерение энергии мощных одиночных СВЧ радиоимпульсов 148

4.6.1. Фазовый метод 148

4.6.2. Амплитудный метод 151

4.7. Выводы 151 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 153 ЛИТЕРАТУРА 156

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время весьма актуальной является проблема измерения пространственно-временных характеристик мощных СВЧ радиоимпульсов, возбуждаемых СВЧ генераторами на релятивистских электронных пучках [1-4]. Режим одиночных сигналов, когда параметры могут существенно меняться от импульса к импульсу, и высокий уровень низкочастотных радиопомех, приводят к тому, что многие известные методы измерений становятся непригодными. Кроме того, указанные выше генераторы для обеспечения высокого уровня СВЧ мощности используют волноведущие системы, работающие не на основном, а на высших типах колебаний. Это вызывает усложнение структуры электрического и магнитного полей в области излучения, особенно в ближней ее зоне, и необходимости исследования этой структуры при изучении воздействия мощного СВЧ импульса на локальные объекты.

Большинство из известных измерителей напряженности электрического или магнитного поля не в состоянии обеспечить необходимые измерения. К таким устройствам можно отнести все существующие датчики, реагирующие на электрическую или магнитную компоненту электромагнитного импульса (полупроводниковые элементы [5-6], индуктивные или емкостные зонды [7] и т.д.). Эти датчики, несмотря на высокую чувствительность и локальность измерения, не позволяют пронаблюдать и измерить выходной сигнал на фоне импульсных низкочастотных радиопомех, которые появляются одновременно с информационным сигналом. Необходимо либо повышать амплитуду этого сигнала выше уровня помехи (достигающего величины в 50-100В и даже выше), либо задерживать его во времени.

Как известно, единственным устройством, обеспечивающим достаточно высокий уровень выходного сигнала, является датчик на горячих носителях заряда в р- германии [6]. Однако для нормальной его работы необходим очень высокий уровень напряженности электрического поля, соответствующий мощности > 1ГВт. Но при этом также очевидно, что эффект изменения сопротивления полупроводника в СВЧ поле, лежащий в основе его работы, не может быть применен для создания невоз-

мущающих локальных измерителей напряженности полей и измерителей пространственного распределения амплитуды.

Однако можно предложить и другие методы измерения, основанные на принципе задержки информационного сигнала на время, достаточное для затухания импульсной низкочастотной радиопомехи. Обычно в мощных и сверхмощных СВЧ генераторах это время составляет несколько микросекунд. Но, как раз такую задержку можно обеспечить, если воспользоваться принципами акустоэлектроники. Поэтому именно данный принцип обработки мощных СВЧ импульсных сигналов и был выбран при выполнении диссертации. Таким образом, целью настоящей диссертационной работы являлось теоретическое и экспериментальное исследование влияния внешних воздействий на характеристики акустических волн и разработка на этой основе измерителей параметров мощных одиночных СВЧ радиоимпульсов, не вносящих к тому же, в сравнении с известными устройствами, локальных возмущений в пространственное распределение полей СВЧ сигнала.

Поиск эффектов, полезных для выполнения поставленной задачи, показал, что весьма интересными и перспективными являются электро- магнито- стрикция, а также нелинейный пьезоэлектрический и пьезомагнитный эффекты в нелинейных электро- магнито- акустических кристаллах [8,9]. Благодаря им внешние электрические и магнитные поля могут изменять скорость акустических волн или являться их источником. Таким образом, акустические волны могут включать, запоминать и задерживать во времени информацию о внешнем воздействии.

Следует отметить, что разработка указанных измерительных устройств наиболее эффективна на поверхностных акустических волнах (ПАВ), обладающих на практике рядом преимуществ. Это связано с тем, что, во-первых, ПАВ локализованная вблизи поверхности, не требует звукопроводов значительного поперечного сечения, которые могут сильно исказить пространственное распределение полей, и, во-вторых, с помощью ПАВ можно измерять пространственное распределение вдоль любой поверхности, если радиус ее кривизны Апав [10,11]. В этом плане также

весьма перспективными являются акустические волны, распространяющиеся в тонких пластинах [12]. В последнее время интерес к таким волнам резко повысился [13-15]. Обладая всеми преимуществами ПАВ они отличаются более высоким коэффициентом электромеханической связи, возможностью распространения в контакте с жидкостями без значительного затухания. Кроме того, в отличие от ПАВ зву-копроводы для таких волн характеризуются значительно меньшими поперечными размерами. Это приводит к понижению степени искажения структуры исследуемого поля, и для создания высокой напряженности поля требуются меньшие значения электрического напряжения.

Поэтому в первом разделе диссертации впервые теоретически анализируется анизотропия влияния внешнего электрического поля на фазовую скорость акустических волн нулевого порядка Ао, и Б Но в электрострикционных и пьезоэлектрических пластинах. Рассчитаны также подобные характеристики для ПАВ, что позволило сделать детальный сравнительный анализ. Приведены основные уравнения описывающие акустические волны малой амплитуды в материальной системе координат для механически свободного кристалла, находящегося во внешнем электрическом поле. Эти уравнения совместно со стандартными граничными условиями решались численными методами для таких перспективных материалов, как ниобат лития и титанат стронция. Показано, что в электрострикционном кристалле изменение скорости всегда пропорционально квадрату напряженности поля. В кристалле, обладающем как электрострикционными, так и пьезоэлектрическими свойствами, зависимость АУ/У(Е) имеет более сложный характер. Однако разделение ее на нечетную и четную части приводит, соответственно, к линейной и квадратичной зависимостям. Найдены направления распространения ПАВ и волн в пластинах и ориентации поля, соответствующие максимальным значениям коэффициента управления.

Известно также, что мощные электромагнитные импульсы при поглощении могут приводить к нагреву кристалла и, к соответствующему изменению фазовой скорости акустических волн вследствие эффекта термоупругости [16]. При этом можно уста-

новить однозначное соответствие между энергией импульса и температурой образца. К настоящему времени анизотропия термоупругого эффекта на ПАВ исследована довольно подробно для кварца [17,18] , ниобата и танталата лития [18- 20]. Что касается акустических волн в пластинах, то подобные исследования отсутствуют. Поэтому в первом разделе диссертации также теоретически анализируется анизотропия влияния температуры на скорость акустических волн в пластинах ниобата лития. Приведены основные уравнения, описан алгоритм расчета и полученные результаты для основных кристаллографических срезов.

Второй раздел диссертации посвящен экспериментальному исследованию влияния внешнего электрического и магнитного поля на скорость ПАВ в ряде нелинейных материалов. Описана предложенная и опробованная в настоящей работе технология изготовления составных звукопроводов, выдерживающих изменения температуры в широком интервале. Описаны также некоторые особенности проведения экспериментов, измерительные установки и методики измерения основных параметров ПАВ. Приведены результаты экспериментального исследования электроакустического взаимодействия на ПАВ в титанате стронция и керамике ЦТСЛ, в широком интервале температур, включающем точку структурного фазового перехода (105 К для вгТЮз и 70 С для керамики ЦТСЛ). Обнаружена гистерезисная зависимость для сегнетоэлектрической фазы и ее отсутствие для параэлектрической. Проведено сопоставление результатов эксперимента с выводами теории.

Экспериментально исследовалось влияние тепмературы на изменение скорости ПАВ в ниобате лития, получено хорошее соответствие с теоретической зависимостью.

В этом же разделе экспериментально исследованы магнитоакустические эффекты на ПАВ в ферромагнитных материалах. Дан краткий обзор состояния проблемы, определивший основное направление работы: исследование влияния внешнего магнитного поля на скорость ПАВ в пленках железо- иттриевого граната (ЖИГ) различной толщины на подложке из галлий- гадолиниевого граната (ГГГ). Обна-

ружен ярко выраженный гистерезис полевых зависимостей ДУ/У(Н), состоящих из двух ветвей, соответствующих различным направлениям изменения напряженности поля. Для каждой ветви указанных зависимостей были выделены нечетные и четные части. Оказалось, что четные части, соответствующие различным ветвям одной и той же зависимости, совпадают, а нечетные части - различаются лишь знаком. Приведено физическое объяснение экспериментальных результатов.

Известно также, что мощные электромагнитные импульсы при поглощении могут существенно менять проводимость тонких пленок (например, полупроводниковых) и вязкость жидкостей вследствие изменения температуры. Эти эффекты могут служить основой для разработки амплитудных и фазовых методов измерения энергии мощных СВЧ радиоимпульсов. Поэтому в третьем разделе диссертации теоретически исследовались акустические волны в пластинах ниобата лития, находящихся в контакте с проводящим слоем и вязкой жидкостью. Были проведены соответствующие эксперименты с вязкой жидкостью и получено хорошее соответствие с выводами теории.

И наконец, четвертый раздел диссертации посвящен вопросам практического применения эффектов, рассмотренных в первых трех разделах. Были разработаны новые методы измерения пространственно- временных характеристик мощных одиночных СВЧ радиоимпульсов. Их можно разделить на две группы: методы с участием зондирующей волны и методы без зондирующей волны. Первая группа основана на изменении скорости или амплитуды зондирующей акустической волны под действием исследуемого поля. Волна, прошедшая активную область, подвергнутую внешнему импульсному воздействию, оказывается промодулированной по амплитуде или по фазе. Вторая группа методов основана на генерации акустической волны под действием исследуемого поля. Таким образом, амплитуда или фаза волны на выходе активной области несет информацию о внешнем воздействии.

При выполнении определенных соотношений между длительностью импульса и характерными размерами пространственной неоднородности и длиной активной

области можно реализовать измерение пространственного или временного распределения амплитуды радиоимпульса. Если за время действия импульса акустическая волна проходит путь, много меньший, чем характерный размер пространственной неоднородности - получается измеритель пространственного распределения напряженности поля. Если же волна проходит активную область за время, гораздо меньшее длительности импульса- реализуется измеритель временного распределения амплитуды поля (детектор). Показано, что для промежуточной ситуации путем подбора параметров можно разработать измерители пикового значения напряженности электрического или магнитного поля, величина выходного сигнала которого однозначно связана с длительностью и амплитудой входного импульса. Сделаны оценки реальных параметров перечисленных измерителей и проанализированы возможности применения различных нелинейных материалов и структур. Экспериментально подтверждена возможность измерения пространственного распределения импульсных СВЧ электрических полей на основе диэлектрического резонатора из ниобата лития.

Были разработаны макеты измерителей пикового значения напряженности электрического и магнитного поля одиночных СВЧ радиоимпульсов, которые использовались при проведении измерений на релятивистском СВЧ генераторе в Физико-техническом институте г. Харькова.

И наконец, в этом же разделе описаны новые приборы, основанные на нелинейном электроакустическом взаимодействии, такие к�