3.1 РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ.

3.2.1. Типичная регистрограмма опытов с одной термопарой и её интерпретация (выявление следов компонента МУУВ со скоростью ~3 см/сек).

На рис. 2a) тонкой сплошной линией представлена 12-секундная часть типичной несглаженной регистрограммы для одного конкретного опыта, имеющей полную длительность записи 250 сек [9]. Локальные вариации температуры тыльной поверхности образца измерялись с помощью термопары (схема на рис. 1). Жирной кривой представлен результат сглаживания по 15 точкам методом быстрого фурье-преобразования. Пунктирная кривая передаёт форму возбуждающего ИК-импульса СО2 -лазера. О величине и характере шумовых колебаний даёт представление приведенный значительный отрезок "нулевой линии". Учёт шумовых колебаний, которые записывались до и после этой серии из 3-х опытов, показал, что его влиянием на величину полученных результатов о скоростях уединённых волн можно пренебречь (этот вывод подтверждается также анализом результатов второй серии опытов, см. ниже).

Всего в этой серии было проведено 6 опытов по регистрации шумов в разное время проведения измерений и 3 рабочих эксперимента, каждый не менее, чем через 30 минут после предыдущего. Это связано с тем, что в исследованиях [13] на примере плексигласа нами было обнаружено накопление солитоно-подобных возбуждений - компонентов МУУВ - в образце, с которым проводили серию быстро следующих друг за другом опытов. Образующееся при этом "насыщение" образца долгоживущими возбуждениями приводит к снижению различимости следов воздействия отдельных компонентов МУУВ на детектор из-за снижения контраста.

1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111

3 4 5 6 7 8 9

„„„ Si образец

032ммп-- — — - S16

с!=0.9мм

тттттттп

10

ттттттп

11

12

3 14 15

Время, сек

линза

1 2 3 4 5 6 7 8

Время, сек

Рис. 2a)b)

Как видно из рис. 2a), в течение действия возбуждающего импульса на тыльной стороне образца происходил быстрый рост температуры на величину около 5 градусов. С окончанием действия возбуждающего импульса температура быстро упала до значений меньше одного градуса и при этом на её дальнейшее плавное снижение оказался наложенным какой-то процесс, повторявшийся, по меньшей мере, 4 раза. По нашему утверждению, этим процессом является суммарное воздействие одного или нескольких компонентов МУУВ. (Всю волновую структуру возбуждаемой МУУВ увидеть в условиях одного эксперимента чрезвычайно сложно из-за переналожения результатов воздействия большого числа отдельных компонентов МУУВ).

Рассмотрим отдельный компонент МУУВ, движущийся с некоторой скоростью Ui , из всей их последовательности. Возбуждаемая в центре образца волна распространяется в образце толщиной d, отражается от тыльной стороны, возвращается к лицевой стороне и этот процесс повторяется многократно.

Одновременно с периодическим возвращением от лицевой - к тыльной стороне и размещённой там термопаре и примерно с той же скоростью (с учётом анизотропии) указанный компонент распространяется в виде кольца от центра диска и, в том числе, вдоль того радиуса R образца, на котором размещены датчики. Он достигнет края диска в R/d раз медленнее, чем противоположной стороны образца (случай движения волн между плоскими поверхностями образца имеет место в экспериментах ИОФРАН [11], которые обсуждаются во второй статье).

Можно думать, что анизотропия монокристаллического образца кремния не скажется на методе измерения, если детекторы располагать на одной линии, проходящей по диаметру диска. Другое дело, что для точного сравнения с величиной продольной скорости звука необходимо знать направление в кристалле, с которым совпадает данная линия с размещёнными на ней датчиками.

Тот факт, что на сглаженной кривой рис. 2а) в обсуждаемой области наблюдается только 4 экстремума, можно объяснить, кроме влияния шумов, результатом наложения следов нескольких компонентов МУУВ, которые маскируют данный компонент (проявляющийся при сглаживании по 15 точкам) на других участках записи. Предлагавшееся в [9,10] объяснение ослабления следов компонентов за счёт «аберрации», накапливающейся ошибки при фокусировке волны в центре диска, по-видимому, неверно, так как в ряде недавних опытов были прослежены более 27 проходов волны из центра диска и обратно, см. раздел 3.2.3.

На рис. 2b) представлена предлагаемая нами (x-t)- диаграмма исследуемого волнового процесса - движения некоторого компонента МУУВ между центром образца-диска (где x=R=0 мм) и его боковой цилиндрической поверхностью (x=R~16 мм). При этом рассмотрении мы пренебрегаем небольшим отличием пути волны к боковой поверхности от центра лицевой, -по сравнению с путём от центра тыльной поверхности образца. Это различие приводит к некоторому размыванию следа волны, который регистрируется термопарой.

Предлагаемая (x-t)- диаграмма построена в предположении, что приход волны к месту расположения датчика приводит к локальному и временному понижению температуры образца. (Другое возможное предположение, что приход волны приводит к повышению температуры образца, как мы увидим

ниже, не соответствует этой (x-t)- диаграмме, построенной по экспериментальной кривой).

Положения минимумов кривой на рис. 2а), отмеченные затушёванными кружками, перенесены вертикальными линиями на горизонтальную линию х = 0, соответствующую центру диска на рис. 2b). Траектория одного и того же компонента МУУВ между экспериментальными точками изображена двумя линиями. Они отображают движение по вертикальному диаметру образца. Сплошная линия соответствует движению нижней части кольца (в виде которого по образцу распространяется исследуемый компонент МУУВ) вниз по радиусу от центра, пунктирная - движению другой, верхней части кольца -вверх от центра. Как видно на рис. 2b), траектории неплохо соответствуют постоянной скорости волны между экспериментальными точками (то есть между моментами фокусировки кольца в центре диска). Это означает также, что, практически, отсутствуют потери в скорости волны при отражении от боковой цилиндрической поверхности образца.

Если теперь экстраполировать обе траектории к моменту подачи лазерного импульса, то видно, что обе они при t = 0 сходятся в центре диска при x = 0. Тем самым подтверждается сделанное нами выше предположение, что приход волны МУУВ вызывает понижение температуры на поверхности образца кремния. Амплитуду изменения температуры в волне, судя по кривой Рис. 2a), можно оценить как величину -AT- 0,1 К.

Можно отметить также, что (x-t)- диаграмма, приведенная на рис. 2b), соответствует тому факту, известному и из других наших исследований МУУВ, что зарождение МУУВ происходит в момент времени, соответствующий переднему фронту возбуждающего импульса.

Измеренное значение скорости составляет Ui = 2,74 см/сек.

3.2.2. Типичная регистрограмма опытов с двумя термопарами и её интерпретация (подтверждение следов компонента МУУВ со скоростью ~3 см/сек).

Рассмотренная выше схема измерений с одной термопарой в центре образца в форме диска [9.10] и наша интерпретация записей, полученных с её помощью, которая приводит к выводу о регистрации в этих опытах новых нелинейных упругих волн, вызывали определённое недоверие при обсуждении на конференциях, где докладывалась работа. Действительно, если отвлечься от большого накопленного нами опыта работы по исследованию МУУВ, предлагаемый сценарий с генерацией волн в центре диска после лазерного облучения, «разбеганием» и фокусировкой уединённых упругих волн при отражении от окружности диска был основан (в случае данной регистрограммы) только на факте появления нескольких повторяющихся и регулярных вариаций температуры в центре диска.

С целью проверки полученных результатов и повышения надёжности их интерпретации нами были предприняты дополнительные опыты с двумя термопарами. Они проводились с использованием того же самого образца, в основном, по той же схеме (термопара в центре диска), но с добавлением одновременных измерений с помощью второй термопары, находящейся на одном из радиусов вблизи края диска. Это позволяет проследить за движением волны от центра к наружному краю диска и обратно. В результате