Для коефіцієнта подвійного перетворення можна записати вираз

,

де коефіцієнт електромеханічного зв'язку; , хвильові вектори електромагнітної і гіперзвукової хвиль; фактор, що враховує ослаблення ефекту зворотного перетворення за рахунок відхилення від паралельності фазового фронту гіперзвукової хвилі площині детектування.

Оскільки , то умови поширення електромагнітної і гіперзвукової хвиль у кристалі сильно «неузгоджені». Тому лише невелика частина потужності електромагнітної хвилі витрачається на збудження гіперзвуку, переважна її частина фактично відбивається від п'єзокристалу. Внаслідок цього мала і величина коефіцієнта подвійного перетворення. На низьких частотах можна збільшити шляхом використання при збудженні гіперзвуку об'ємного резонатора і забезпечити в міру його добротності багаторазову взаємодію електромагнітної хвилі з п'єзокристалом, однак зі збільшенням частоти добротність резонатора падає, і такий спосіб виявляється неефективним.

Одним із ефективних методів збудження і детектування гіперзвуку з частотами порядку Гц є застосування сповільненої електромагнітної хвилі, що поширюється у граничній площини п'єзокристалу. Внаслідок уповільнення хвильовий вектор електромагнітної хвилі збільшується і це дозволяє істотно підвищити ефективність трансформації електромагнітного поля в гіперзвук. При збудженні гіперзвуку цим способом у граничній площині п'єзокристалу розміщується хвилевідна періодична структура (рис. 5.6), за допомогою якої формується поле поверхневої сповільненої електромагнітної хвилі. На поверхні п'єзокристалу воно перетворюються в об'ємні гіперзвукові хвилі, що поширюються в напрямку, який становить невеликий кут (порядку ) по відношенню до нормалі. Збуджені гіперзвукові хвилі (рис. 5.6) «запам'ятовують» структуру електромагнітного поля поверхневої сповільненої хвилі. Тому для зворотного перетворення гіперзвуку необхідно застосувати точно таку саму електродинамічну систему або використовувати одну і ту саму систему як для збудження, так і для детектування гіперзвуку. Таким способом у кварці при температурі рідкого гелію були збуджені поздовжні й поперечні гіперзвукові хвилі на частотах 40 і 75 ГГц [10].

Рисунок 5.6 - Схема пристрою для збудження гіперзвуку в кварці на частотах 9,4 і 75 ГГц: 1 кварцова призма; 2 сповільнювальна спіраль; 3 рупор для збудження спіралі; 4 4-міліметровий хвилевід; 5 сповільнювальна система типу «гребінка»

Оскільки хвильові періодичні структури, необхідні для уповільнення електромагнітної хвилі, можуть бути реалізовані на частотах, що охоплюють практично весь міліметровий радіодіапазон, метод сповільненої хвилі дозволяє досягти частот гіперзвуку порядку Гц, однак його застосування обмежене не досить досконалими п'єзоелектричними кристалами.

Ефективно збуджувати й детектувати гіперзвукові хвилі з високими частотами можна і способом «точкового» перетворення електромагнітного поля [10]. Він базується на такому. Оскільки величина визначається головним чином відношенням , то істотне (набагато порядків) збільшення можна отримати, якщо створити електромагнітне поле з такою структурою, в якій домінує просторова гармоніка із хвильовим вектором, за величиною близькою до хвильового вектора гіперзвуку. Виявилося, що це можливо, якщо сконцентрувати електричне поле НВЧ у дуже малому об'ємі на торці встановленої в хвилеводі й електрично узгодженої з ним тонкої металевої голки. Гіперзвукова антена-випромінювач (приймальна антена) для «точкового» перетворення є нанесеною на кристал текстурованою п'єзоелектричною плівкою з окису цинку з металевим підшаром, в якому за допомогою голки концентрується електричне НВЧ-поле. Товщина п'єзоелектричної плівки обирають такою, що дорівнює половині довжини хвилі гіперзвуку, тому якщо розкласти функцію розподілу сконцентрованого в ній електричного поля в інтеграл по плоских хвилях, то хвиля з виявиться домінуючою. Внаслідок цього при «точковому» перетворенні досягається висока ефективність. На частоті близько 10 ГГц .

Хоча метод «точкового» перетворення і поступається способу сповільненої поверхневої електромагнітної хвилі за досяжними частотам гіперзвуку, проте він дозволяє досить ефективно збуджувати гіперзвук у міліметровому радіодіапазоні [10].

5.4.5 Експериментальна установка для досліджень взаємодії електронного пучка з плазмовими коливаннями в напівпровіднику

Взаємодія пучка зі зразком вивчалася на установці, схема якої подана на рис. 5.7. Стрічковий пучок електронів, що має переріз мм2, фокусувався магнітним полем. Для прискорення застосовувалося джерело імпульсної напруги зі змінною тривалістю імпульсу (від 0,2 до 100 мкс). Зразок мав форму прямокутної пластини довжиною 6 мм, товщиною мм, шириною 3,5 мм і клиноподібними зрізами для узгодження з хвилевідним трактом. Як генератори використовувалися лампи зворотної хвилі, що працювали в діапазонах 12,5 і 1,5 мм в імпульсному режимі (тривалість імпульсу генератора була дещо більшою за імпульс прискорювальної напруги).

Рисунок 5.7 - Схема установки: Г генератор; атенюатори; модулятори; Д детектор; П підсилювач; О осцилограф; 1 зразок; 2 посудина Дьюара; 3 колектор; 4 електронна гармата

На рис. 5.8 наведені залежності приросту потужності від напруги і струму в пучку для резонансної довжини хвилі мм.

Величина є різницею потужності на виході установки за наявності пучка і потужності за її відсутності. При малих це відношення пропорційне інкременту зростання. Спостерігалося монотонне збільшення зі зростанням напруги та струму пучка, що можна пояснити його кінцевими розмірами при взаємодії з квазіпотенціальними коливаннями в сильному магнітному полі.

 а б

Рисунок 5.8 - Залежності : а від струму в пучку при кВ, б від прискорювальної напруги при різних (мА): 1 90; 2 120, 3 200

5.4.6 Вимірювання властивостей плазми в міліметровому і субміліметровому діапазонах хвиль

Рисунок 5.9 - Загальна схема плазмової установки з гетеродинним інтерферометром

Металева камера 5 містить плазмовий об'єм 4 у формі тора, показаний у поперечному розрізі діаметру кола , що утворює коло тора. Хвильовий пучок 3 формується передавальною антеною 1, а після проходження крізь плазму і вікна 2, 6, прозорі для випромінювання міліметрового діапазону, приймається антеною 7. Потужність випромінювання каналізується хвилевідною системою 8, 9.

Вимірювальна частина інтерферометра містить генератор Г1 частоти , гетеродин Г2 частоти , вимірювальний канал (ВК) та опорний канал (ОК). Потужність хвилі генератора Г1 розділяється на дві частини і по ВК надходить до приймача П1, а по ОК - до гетеродинного приймача П2. Потужність хвилі гетеродина Г2 також ділиться на дві частини, що надходять до приймачів П1 і П2. Сигнал проміжної частоти (ПЧ) з виходу підсилювача проміжної частоти (ППЧ) приймача П1, що несе інформацію про фазу і про амплітуду зондувальної хвилі, надходить на фазометр (ФМ) і мілівольтметр (МВ). Сигнал ПЧ із виходу ППЧ приймача П2, що несе інформацію про фазу і про амплітуду опорної хвилі, подається на ФМ і на схему автоматичного підстроювання частоти (АПЧ) гетеродина Г2. Схема АПЧ використовується для забезпечення сталого значення ПЧ. Вимірювальні сигнали з виходу ФМ та МВ передаються в систему реєстрації та обробки.

З метою зниження загасання потужності у ВК, довжина якого може досягати 10-20 м, хвилеводи 8, 9 виконані з труб підвищеного перерізу. Завдяки цьому збільшується динамічний діапазон вимірювань. Хвилевідний шлейф (ШЛ) необхідний для зрівнювання дисперсії хвилі ОК з ВК. В результаті виключається похибка вимірювання зсуву фаз через нестабільність частоти та паразитної модуляції генератора Г1. Антени 1, 7 призначені для зменшення кута розходження зондувального пучка і зниження загасання його енергії.

Для визначення концентрації електронів гарячої плазми в експериментах із керованого термоядерного синтезу раніше застосовувались інтерферометри міліметрового діапазону радіохвиль. На сьогодні вже створені інтерферометри, що працюють на менших довжинах радіохвиль, тобто на хвилях субміліметрового діапазону.

Метод вимірювання властивостей плазми при цьому в принципі виявляється таким самими, але засоби вимірювання істотно змінюються у зв'язку з використанням квазіоптичних методів [10].

6.Апаратурні комплекси нових напрямів діагностики мікро- і нанорозмірних об'єктів

6.1 Сфокусовані пучки заряджених частинок у діагностиці матеріалів

Апаратурні комплекси, що базується на сфокусованих електронних пучках, втілені в растрових (SEM - scanning electron microscope) і трансмісійних електронних мікроскопах (TEM - transmission electron microscope), а також у комплексах електронно-пучкової літографії (EPL - electron probe lithography) [13, 15]. Процеси формування пучків тут досить добре вивчені та ґрунтуються на аксіально-симетричних зондоформувальних системах. Напрямок поліпшення параметрів комплексів пов'язаний із застосуванням різних типів мультипільних коректорів аберацій і енергетичних фільтрів. На базі цих апаратурних комплексів розвинені методи електронного зондового мікроаналізу (EPMA - electron probe microanalyzer) структури й елементного складу досліджуваних зразків: енерго-дисперсійна (EDS - energy dispersive spectrometer) і хвильова дисперсійна (WDS - wavelength dispersive spectrometer) спектроскопії, оже-електронна мікроскопія, спектроскопія енергетичних втрат електронів (EELS - electron energy loss spectroscopy), зображення Z-контрасту та ін. Поряд із дуже високою роздільною здатністю (для деяких методів роздільна здатність знаходиться на атомарному рівні) існують принципові фізичні обмеження, пов'язані з особливостями електронних пучків. Сильне розсіювання електронів пучка на атомарних електронах досліджуваних об'єктів призводить до необхідності застосування тонких зразків для збереження просторової роздільної здатності та чутливості, що викликає певні питання до репрезентативності таких зразків реальним матеріалам. У разі реєстрації характеристичного рентгенівського випромінювання індукованого електронним пучком (EDS, WDS) утворюється високий гальмівний фон, який знижує чутливість мікроаналізу.

6.1.1 Ядерний сканувальний мікрозонд

Методи локального 3D-мікроаналізу товстих зразків із застосуванням сфокусованих пучків заряджених частинок розглядаються в порівнянні з ідеальними вимогами визначення просторового розміщення атомів і їх ідентифікації як хімічного елемента. Відсутність на сьогодні таких методів призводить до необхідності розгляду існуючих методів мікроаналізу з позицій, наскільки вони наближені до ідеальних вимог. У цьому зв'язку кожен метод оцінюється трьома основними параметрами: просторовою роздільною здатністю, межею виявлення та чутливістю. Просторова роздільна здатність визначається розмірами області, з якої відбувається вихід вторинних продуктів взаємодії частинок пучка з атомами досліджуваного зразка. Межа виявлення характеризує найменший склад елемента, що можна виявити за заданою достовірною ймовірністю та пов'язаний із можливістю виділення корисного сигналу із сукупності детектованих подій. Під чутливістю методу потрібно розуміти його здатність виявити різницю між близькими концентраціями атомів елемента, що визначається. Чутливість

Рисунок 6.1 - Традиційна схема розміщення елементів і систем в ЯСМЗ

залежить від перетину процесу виходу вторинного продукту та пов'язана з кількістю частинок у зонді. Чутливість і дозвіл у більшості методів - пов'язані величини, оскільки забезпечення необхідної чутливості вимагає зростання кількості частинок або струму пучка, що, у свою чергу, пов'язано зі збільшенням розмірів зонда. Важливою властивістю кожного методу є також можливість проведення кількісного аналізу концентрації елементів у досліджуваній області зразка. У табл. 6.1 наведені найбільш часто вживані методи локального мікроаналізу в товстих зразках із застосуванням ЯСМЗ, де вказані значення дозволу та чутливості.

Таблиця 6.1 - Характеристики методів локального мікроаналізу із застосуванням ЯСМЗ

Основними методами локального кількісного мікроаналізу, які в сукупності дозволяють проводити аналіз усіх елементів із масою, є перші чотири методи, зазначені в таблиці.

Метод PIXE. Метод характеристичного рентгенівського випромінювання індукованого іонами (PIXE) пучка обумовлений іонізаційними процесами атомів зразка. Спостережуваний рентгенівський спектр складається з безперервного спектра, викликаного гальмівним випромінюванням вторинних електронів, і лінійного спектра, пов'язаного з рекомбінацією іонізованих атомів і заповненням K-, L-, M- електронних оболонок. Сам метод PIXE досить добре розвинений, і його переваги ґрунтуються, як уже згадувалося вище, на порівняно низькому рівні гальмівного фону порівняно з електронними пучками в EPMA.

Удосконалення методу PIXE для підвищення локальності аналізу базується на зменшенні розмірів сфокусованого пучка на поверхні досліджуваного зразка. Однак у цьому разі значно зменшується струм пучка, а отже й кількість подій іонізації атомів. Збереження виходу PIXE за рахунок лише збільшення густини струму, що ґрунтується на застосуванні високояскравісних джерел іонів, може мати деякі межі, обумовлені радіаційними ушкодженнями вихідного матеріалу та привнесенням дефектів, не властивих початковому зразку. Інший шлях, пов'язаний зі збільшенням тілесного кута детектора за рахунок збільшення його площі, не ефективний, оскільки в цьому разі погіршується дозвіл детектора та зростають ефекти накладення реєстрації подій, що мають малий часовий інтервал. Одним із напрямків вирішення цього завдання є розроблення матричних детекторів із відповідним контролером, що дозволяє синхронізувати набір усіх подій і поліпшити чутливість методу PIXE до кількох сотень ppm.

Методи RBS і ERDA. Методи, що базуються на реєстрації енергетичного спектра резерфордівського зворотного розсіювання (RBS) іонів і ядер віддачі (ERDA - elastic recoil detection analysis), що утворюються внаслідок ковзаючої взаємодії іонів пучка з поверхнею, найбільш поширені та дають високу точність при аналізі профілів розподілу елементів по глибині. Для загальноприйнятих напівпровідникових детекторів заряджених частинок дозвіл за глибиною ~ 10 нм, а для методів детектування, що базуються на спеціалізованих спектрометрах, дозвіл досягає ~ . При цьому зразки повинні мати поліровану поверхню. Найбільшою перешкодою, що стоїть на шляху отримання високої роздільної здатності для промислових та природних зразків, є шорсткість поверхні, що ускладнює інтерпретацію експериментальних результатів. Унаслідок своїх кінематичних особливостей метод RBS найбільш ефективний під час дослідження локального розподілу важких елементів у легкій матриці, наприклад у завданнях визначення домішок важких металів у біологічних об'єктах. Метод ERDA затребуваний при визначенні профілів концентрації водню в приповерхневих шарах досліджуваних матеріалів.

Метод NRA. Метод миттєвого випромінювання з ядерних реакцій (NRA - nuclear reaction analysis) базуюється на різноманітних ядерних взаємодіях легких іонів з енергією декількох мегавольтів з атомами зразка. Іон може подолати кулонівський бар'єр атомного ядра та наблизитися на відстань, порівнянну з радіусом ядра, тоді існує ймовірність, що відбудеться ядерна реакція, яка призведе до структурної зміни ядра. Результатом такої реакції будуть іони водню та гелію, нейтрони і -випромінювання, які можуть бути зафіксовані детектуючими пристроями. Залежність перетину ядерної реакції від енергії для різних ядер має ряд вузьких резонансів. Тому ймовірність реакції буде найбільш високою, коли іони пучка володітимуть цією енергією. У міру збільшення енергії пучка та досягнення значення резонансної величини ядерні реакції для одного й того самого сорту атомів відбуватимуться з поверхні зразка. Подальше збільшення енергії пучка буде приводити внаслідок гальмування іонів до резонансної реакції з заглиблених шарів, що дозволяє визначати профілі розподілу елементів по глибині з дозволом ~ 10 нм і чутливістю на рівні 0,1 ppm. Оскільки кулонівські сили для важких ядер значно знижують перетин реакцій, тому найбільш ефективними для діапазону енергій пучка  МеВ є взаємодії з легкими ядрами зразка . Висока вибірна здатність методу NRA є наслідком того, що енергетичні спектри та перетини ядерних реакцій різні для різних елементів і їх ізотопів.

Метод IBIC. Метод реєстрації заряду, індукованого іонним пучком (IBIC - ion beam induced charge), найбільший розвиток отримав у 1990-х роках для дослідження пристроїв мікроелектроніки, розподілу дислокацій, напівпровідникових детекторів випромінювання, сонячних елементів і т. д. У цьому методі повною мірою використовуються особливості проходження легких іонів, прискорених до енергій декількох мегавольтів, у напівпровідникових матеріалах та ізоляторах. Мале відхилення іонів від прямолінійної траєкторії забезпечує високу просторову роздільну здатність методу порівняно з електронними пучками. Суть методу базується на здатності створення електрон-діркових e-h-пар у напівпровідниковому матеріалі під час проходження іона, викликаного передачею його енергії. Можливість вимірювання кількості утворених e-h-пар пов'язана з низкою внутрішніх і зовнішніх умов, таких як рекомбінація на точкових і розподілених дефектах, концентрації домішок, дифузійної довжини неосновних носіїв, напруженості електричного поля та ін. У методі IBIC застосовуються сфокусовані пучки легких іонів з енергією кількох мегавольтів із дуже малими струмами в межах 0,1-1 фА і проводиться вимірювання індивідуальних імпульсів зарядів. Аналіз при таких низьких струмах пучка можливий, оскільки кожен іон генерує досить велику кількість e-h-пар у напівпровідниковому матеріалі або ізоляторі, щоб загальний заряд міг володіти величиною сигналу вищою, ніж рівень шуму вимірювального приладу.

На рис. 6.2 показані основні типи компонувань вимірювальних схем у методі IBIC. Із рисунка бачимо, що носії зарядів, утворені всередині збідненої зони контактів приладу, повільно дифундують від місця своєї генерації, багато з них рекомбінують на точкових дефектах, наслідком чого є обмеження кількості зарядів, що дійшли до контактів приладу. Часовий інтервал, за який реєструється імпульс, змінюється від пікосекунд до мікросекунд. У нормальному режимі вимірювань імпульс, створюваний зарядами, проходить попереднє посилення та посилюється до рівня кількох вольтів. Надалі відцифрований сигнал, маркований положенням пучка, накопичується системою збору даних (СЗД) у пам'яті комп'ютера. Внаслідок обробки даних інформація про мікроструктуру зразка подається у вигляді контрастного зображення концентрації електронів та дірок. Крім реєстрації сумарного накопиченого заряду у фіксованому положенні пучка, можливе також вимірювання часу еволюції індукованого заряду за рахунок зміни імпульсу на контактах (метод TRIBIC - time resolve IBIC). Це дозволяє визначити рухливість зарядів у досліджуваному зразку.

Метод IBIL. Метод люмінесценції, індукований іонним пучком (IBIL - ion beam induced luminescence) з енергією кількох мегавольтів, у поєднанні з такими методами, як PIXE, RBS, NRA, дає можливість отримувати інформацію про хімічну природу різних матеріалів. Найбільш загальним фізичним принципом є передача енергії від іонів пучка валентним електронам атомарних утворень досліджуваного зразка, що приводить їх у збуджений стан. Зворотний перехід у нормальний стан супроводжується випромінюванням в інфрачервоному / видимому / ультрафіолетовому діапазонах. Для генерації люмінесценції в ЯСМЗ застосовуються пучки зі струмом ~ 100 пкА, що пов'язано з низькою ефективністю детектувальних пристроїв, тому просторовий дозвіл методу IBIL знаходиться на рівні 0,3 мкм. Галузі застосування методу IBIL досить різноманітні, зокрема він застосовується в біології для вивчення клітин, дослідженнях артефактів історичної спадщини, дослідженнях напівпровідникових матеріалів та ін.

а б

Рисунок 6.2 - Основні типи компонувань вимірювальних схем у методі IBIC: а - напівпровідниковий прилад; б - напівпровідникова пластина

Методи SEE. Методи, що базуються на застосуванні поодиноких іонів, мають узагальнену назву - ефекти поодиноких подій (SEE - single event effect). Хоча події можуть викликатися не лише іонами, а й іншими типами поодиноких впливів на досліджуваний об'єкт, такими як імпульсне електромагнітне випромінювання, або частинками, що не мають заряду. Далі будуть розглянуті лише поодинокі іони. Найбільший інтерес, пов'язаний із SEE, був викликаний у зв'язку із розвитком застосування космічних апаратів як цивільного, так і військового призначення. Серед космічного випромінювання найбільш небезпечними є високоенергетичні частинки, здатні проникати на достатню глибину в пристрої мікроелектроніки. Такого роду вплив призводить до цілого ряду ефектів, які можуть викликати збої роботи пристрою або призвести до повного його виходу з ладу. Фізичні аспекти походження ефектів збоїв ґрунтуються на принципах проходження заряджених частинок у напівпровідникових приладах. Як було показано вище, втрата енергії іона супроводжується утворенням e-h пар, що призводять до відхилень у роботі пристрою, а утворення дефектів у мікроструктурі може зовсім вивести його з ладу. Тому під час розроблення пристроїв мікроелектроніки необхідно враховувати їх радіаційну стійкість, що й викликає певний інтерес до експериментального моделювання цих процесів. У зв'язку з мініатюризацією мікрочипів і переходом у нанометричну область масштабів виникає потреба прицільного потрапляння поодиноких іонів з енергією, що досягає десятки МеВ/нуклон, у задану область тестованого зразка. Тому ЯСМЗ є найбільш прийнятним АК для реалізації таких досліджень. Однак тут потрібно зазначити, що просторовий дозвіл у режимі малих струмів, яке на цей час знаходиться на рівні ~ 50 нм, вимірюється на напіввисоті повного розподілу струму пучка на мішені й при цьому наявне досить велике гало. Цей факт ускладнює безпосереднє застосування ЯСМЗ, тому в ряді лабораторій були проведені модернізації установок мікрозонда для цілей дослідження SEE на поодиноких іонах.

6.2 Ближньопольова НВЧ-діагностика матеріалів і середовищ

Ближньопольова НВЧ-діагностика - неруйнівний прямий метод дослідження, що дозволяє отримувати інформацію про поверхневі та приповерхневі властивості різних середовищ. Вона базується на реєстрації частині НВЧ-впливу, локалізованої в ближньому полі зонда. Це дозволяє різко підняти роздільну здатність і подолати дифракційну межу для даних частот.

Локалізація НВЧ-сигналу в ближньому полі проводиться за допомогою установок, конструкція та принцип роботи яких розглянуті нижче. Основними факторами, що визначають роздільну здатність і точність вимірювань (відношення сигнал/шум), є: конструкція установки, властивості досліджуваного матеріалу, розмір вимірювального зонда, а також відстань від зонда до поверхні зразка. Аналіз отриманих даних проводиться за допомогою досить складного апарату математичної фізики, методів чисельного аналізу, а також використання експериментальних досліджень методів діагностики матеріалів у НВЧ-діапазоні [9].

Ближньопольова НВЧ-діагностика активно застосовується для вивчення поверхні діелектричних і напівпровідникових плівок q отримання карт розподілу діелектричної проникності, виявлення дрібних дефектів і неоднорідностей, аналізу нелінійних характеристик. Така діагностика широко застосовується в галузі біології та медицини. У додатку до завдання дослідження біологічних об'єктів НВЧ-хвилі вигідно відрізняються від хвиль оптичного та інфрачервоного діапазонів, порівняно високу проникну здатність (від кількох міліметрів до дециметрів). Тому стає можливим вивчення не лише поверхневих, а й глибинних шарів (із відповідною втратою просторової роздільної здатності по поверхні). Ця особливість застосовується для візуалізації структури біологічних об'єктів, аналізу та візуалізації пухлин.

Перспективними є НВЧ-дослідження в галузі напівпровідникової мікро- та наноелектроніки, оскільки вони дозволяють отримувати багатопараметричну інформацію про поверхні та приповерхневі поверхні. Одним із застосувань НВЧ-діагностики є мікрохвильова мікроскопія в нанотехнологіях, яка на сьогодні використовується, наприклад, для аналізу технології отримання високотемпературних надпровідників, візуалізація поверхневого розподілу провідності, локальних вимірювань нелінійного НВЧ-відгуку і т. д. Як приклад на рис. 6.3 наведені типові схеми радіовимірювальних перетворювачів (РХП) мікрохвильових мікроскопів.

Основою таких мікрозондів є коаксіальні лінії передач, які можуть бути виконані як в об'ємному, так і в мікросмуговому варіанті, що визначається параметрами та властивостями досліджуваного об'єкта.

а б в

Рисунок 6.3 - Різновиди вимірювальних перетворювачів: а - коаксіальний; б - із підвищеною добротністю; в - мікросмуговий

Основними перевагами розглянутої мікрохвильової мікроскопії ближнього поля є: багатофункціональність, можливість додаткового впливу на зразок (постійним електричним полем, магнітним полем, додатковим НВЧ-полем, механічним і силовим полями тощо) і, найголовніше, можливість детального дослідження властивостей поверхневих шарів у НВЧ- діапазоні.

У праці [31] були розвинені фізичні основи мікрохвильової сканувальної мікроскопії (МСМС) напівпровідників і розроблена загальна концепція підвищення просторової роздільної здатності (на рівні 100 нм) та чутливості (багатопараметрової) МСМС. Ця концепція полягала: у максимальній просторовій локалізації енергії зондувального НВЧ-поля в нормальній до об'єкта електричній складовій резонаторного коаксіального мікрозонда; у формуванні сигналів сканування із широким застосуванням модуляційних принципів і додаткової їх інформаційної обробки сучасними засобами проектування РХП для МСМС із поділом областей накопичення НВЧ-поля і випромінюванням у мікрозонд. На рис. 6.4 наведена загальна схема мікрохвильового сканування мікроструктур, що дозволила отримати просторовий дозвіл 1 мкм. Показано, що внаслідок реконструкції (модернізації) цієї схеми роздільна здатність може бути підвищена на порядок (тобто просторова роздільна здатність мікрохвильових мікроскопів може дорівнювати 100 нм), а можливо й більше.

Рисунок 6.4 - Загальна схема мікрохвильового сканування мікроструктур

На підставі аналізу праць [16, 31] і поданих вище результатів можна виділити такі області застосування мікрохвильової мікроскопії:

- технологія високотемпературних надпровідників;

- візуалізація поверхневого розподілу;

- біологія і медицина: візуалізація структури біологічних об'єктів, дослідження та візуалізація пухлин.

До перспективних областей застосування цього напрямку потрібно віднести:

- напівпровідникова мікро- та наноелектроніка;

- багатопараметричні дослідження поверхні та приповерхневих поверхонь, нанокластерів;

- топологія розподілу електрофізичних параметрів матеріалів;

- можливість нетеплової локальної модифікації поверхні та приповерхневих шарів.

6.2.2 Типові схеми мікрохвильових мікроскопів

Сканувальні мікрохвильові мікроскопи використовуються для дослідження матеріалів на мікрохвильових частотах і для вимірювання змін опору. Найбільш типові схеми таких пристроїв наведені на рис. 6.5 і 6.6.

Рисунок 6.5 - Схема мікрохвильового мікроскопа з ІП на основі відрізка коаксіальної лінії

Мікрохвильовий сигнал від джерела входить у лінійний резонатор із коаксіальною лінією передачі, обмеженої з одного боку розв'язувальною ємністю, а з іншого - відкритим коаксіальним зондом. За рахунок багаторазового відбиття в коаксіальному резонаторі (із добротністю ~102-103) вдається значно зменшити шум і підвищити точність вимірювань, але при цьому виникає необхідність перебудови параметрів резонатора при вимірюванні на різних частотах.

Рисунок 6.6 - Схема мікрохвильового мікроскопа з ІП на основі коаксіального резонатора

Для того щоб контролювати відстань між зразком і зондом, встановлюється залежність відбитого сигналу від відстані до зразка. Прив'язка системи до зразка переважно ємнісна. Якщо зразок металевий, то він становить одну обкладку конденсатора, а інша формується центральним провідником коаксіального зонда. При зменшенні відстані між зондом і зразком ємність зростає, що призводить до падіння резонансної частоти коаксіального резонатора. В одному граничному випадку, коли зонд перебуває далеко від зразка, лінія передачі з відкритим кінцем має кінцевий імпеданс. У цьому разі подана система - це напівхвильовий резонатор із резонансною частотою . В іншому граничному випадку, коли зразок знаходиться в контакті із зондом, ланцюг замикається. Така схема має назву «контакт Корбіно». У даному випадку система є чвертьхвильовим резонатором і резонансна частота зменшується на

де L - довжина коаксіального резонатора; - відносна діелектрична стала коаксіального кабелю. Для типових відстаней між зондом і зразком зміщення частоти досягає значень між 0 та .

Просторова роздільна здатність мікроскопа не залежить від частоти вимірювання, і система може працювати в широкому інтервалі частот. Це означає, що карту поверхневого розподілу властивостей матеріалу можна отримувати точно на тій частоті, на якій буде використовуватися матеріал. Наприклад, розглянемо мікроскоп із довжиною коаксіального резонатора L = 2 м. У цьому разі частота основної (фундаментальної) моди становить приблизно 50 МГц, і можна отримати овертони, кратні 50 МГц, доступні для отримання зображення. Верхня межа частоти мікроскопа задається відповідно з робочою шириною смуги електроніки. На практиці мікрохвильове джерело має верхню межу частоти 50 ГГц. Однак мікрохвильова спрямована котушка (сполучна муфта), детектор і коаксіальний кабель теж можуть обмежувати ширину частотної смуги мікроскопа. Однак можна сконструювати мікроскоп, який має майже безперервне зображення за трьома десятками частот від 50 МГц до 50 ГГц.

Для аналізу надпровідних керамічних зразків необхідні кількісні безпосередні та руйнівні методи дослідження характеристик тонких плівок. При цьому метод повинен забезпечувати високу просторову роздільну здатність і бути високошвидкісним. Бажано також, щоб установка для аналізу мала просту конструкцію, складалася з комерційно доступних компонентів і забезпечувала безпосередню інтерпретацію зображення. Всім переліченим вище вимогам відповідає МСМС.

Неруйнівний спосіб отримання зображень мікрохвильового поверхневого опору був продемонстрований із використанням різних систем резонансних зондів. Найкращі результати із зображення дисипації у зразку отримані при вимірах добротності Q. Для визначення взаємозв'язку між Q мікроскопа та поверхневим опором зразка була використана алюмінієва плівка змінної товщини на скляній підкладці. Перетин тонкої плівки клиноподібний, тому можна зіставити зміну поверхневого опору з параметрами сканування. Використовуючи зонд із центральним провідником діаметром 500 мкм і вибираючи резонанс мікроскопа та частоту 7,5 ГГц, автори роботи отримали дані про зміщення частоти і Q, що дозволило побудувати топографію розподілу поверхневого опору тонкої плівки на сапфіровій підкладці [16].

7.Радіофізичні методи діагностики в медицині

7.1 Загальні питання діагностики біологічних об'єктів

Останнім десятиліттям спостерігається значний інтерес до безконтактної діагностики біологічних об'єктів із використанням мікрохвильових систем. Такі системи, зокрема, можуть бути використані для виявлення злоякісних клітин раку. Деякі із запропонованих схем та методик уже досягли достатньої зрілості, для апробації в клінічних умовах [37-39]. Головним мотивом застосування цих методів є: підвищена продуктивність і широка доступність пристроїв із досить низькою вартістю; швидке збільшення обчислювальних потужностей для розрахунку складних електромагнітних завдань; удосконалення моделей людського тіла; збільшення кількості зареєстрованих електромагнітних властивостей тканин людини тощо.

Незважаючи на описані вище переваги, НВЧ-діагностика та візуалізація полів мають потенціал до розвитку, оскільки є низка питань щодо поліпшення чутливості та специфічності матеріалу, який може бути досліджений таким методом. Зокрема, тканини молочної залози є гетерогенними, внаслідок чого відбувається розподіл комплексу поля на весь організм. Зусилля мають бути спрямовані на усунення радіоперешкод, викликаних антропологічними особливостями досліджуваного тіла, наприклад для грудей - шкіра грудей, соски, грудна стінка і т. д. Так звана нормальна тканина (малі перешкоди викликані особливостями будови досліджуваного об'єкта) на надвисоких частотах, і пухлини дуже малі в разі раннього виявлення. Втрати не дозволяють зробити компроміс між просторовим дозволом і глибиною проникнення випромінювання. Застосування випромінювання на більш високих частотах дозволяє отримати кращий дозвіл і використовувати невеликі елементи антен, що, у свою чергу, призводить до зниження проникнення електромагнітного поля всередину біологічної тканини. Крім того, висока роздільна здатність збільшує розмір відповідного електромагнітного завдання, що призводить до збільшення обчислювального часу, необхідного для відновлення зображення. Індивідуальні анатомічні особливості об'єкта також певною мірою додають складності в процес створення образу об'єкта.

На додаток до труднощів, згаданих вище, кожен метод візуалізації також стикається з конкретними проблемами, пов'язаними з конфігурацією системи для дослідження та візуалізації, оскільки різні методи базуються на різних фізичних ефектах. Способи НВЧ-візуалізації при діагностиці біологічних об'єктів можна умовно розділити на дві основні категорії: активні та пасивні способи (рис. 7.1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 7.1 - НВЧ системи візуалізації при діагностиці біологічних об'єктів

Реалізація активних систем здійснюється за допомогою датчиків при зондуванні біологічного об'єкта власною енергією, що виробляється. У пасивних системах ця енергія генерується об'єктом. Активну мікрохвильову обробку зображень, у свою чергу, можна розділити на мікрохвильову томографію та надширокосмугові радіолокаційні методи, такі як мікрохвильова мікроскопія, а також комбіновані методи, що будуть описані нижче.

7.2 Основні способи діагностики біологічних об'єктів

Мікрохвильова радіотермометрія - пасивне мікрохвильове формування зображень, що базується на вимірюванні електромагнітного поля, безпосередньо випроміненого нагрітими тілами згідно із законом Планка:

,

де - спектральна густина електромагнітного випромінювання; - магнітна проникність; - питома провідність; - частота; - температура абсолютно чорного тіла; Джс; ДжК; .

Згідно із цим рівнянням розподіл випромінювання залежить від частоти, а також від температури. Тому радіометри часто називають термографією. Температура є ключовим параметром, який використовують для того, щоб передбачити наявність злоякісної пухлини [37].

Існує кілька факторів, що сприяють підвищенню температури за наявності пухлини: злоякісні клітини більш метаболічно активні та виробляють більше тепла, вони мають знижену здатність до терморегуляції, а також встановлено, що локалізоване збільшення об'єму крові може бути пов'язане з раннім ростом пухлини. Останній фактор особливо важливий, оскільки він дозволяє виявити рак грудей за допомогою НВЧ-томографії на ранніх стадіях. Теплова потужність шуму, що вимірюється радіометром, обумовлена локальним розподілом температури в грудях, з урахуванням її реконструкції на основі даних, зібраних із різних позицій антени радіометра (рис. 7.2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 7.2 - Приклад НВЧ-системи візуалізації полів при діагностиці біологічних об'єктів

Відповідно до (7.1) пік електромагнітного випромінювання спостерігається в інфрачервоному діапазоні, але високе ослаблення в тканині об'єкта на цих частотах обмежує застосування інфрачервоної термографії для вимірювання температури шкіри. У мікрохвильовому діапазоні частот інтенсивність випромінювання приблизно в десять мільйонів разів менша, але втрати в тканинах значно нижчі. Крім того, потужність, яку випромінює в цій смузі частот, прямо пропорційна температурі яскравості за абсолютною шкалою:

,

де - пропускна здатність системи.

Пасивні методи мають ряд переваг. Серед них те, що пацієнт і медичний персонал не зазнають впливу електромагнітного випромінювання, а також цей метод може бути використаний для виявлення раку грудей у чоловіків, що не може бути зроблено за допомогою мамографії.

Основним завданням цього методу є визначення мінімального рівня потужності випромінювання пухлин, що викликає технічні проблеми. Вирішенням цієї проблеми може бути використання систем охолодження для зниження температури НВЧ-детектора [].

Друге питання стосується оцінки просторового розподілу температури всередині тіла. Одна частота радіотермометрії забезпечує вимірювання середньої температури певній галузі. Тому дуже важко провести різницю між охолодженою мішенню, що розташована близько до шкіри, і гарячою мішенню, що розташована глибоко в грудях. Виміряна температура яскравості в цих двох випадках може бути такою самою, хоча цілі абсолютно різні. Ця проблема може бути вирішена за допомогою мікрохвильової радіотермометрії на різних частотах []. Метод базується на дисперсійних властивостях тканини (інтенсивність теплового випромінювання зростає на більш високих частотах, а глибина проникнення в біологічні тканини зменшується). Аналіз виміряних радіометричних даних на декількох частотах дозволяє оцінити глибину та розмір джерела тепла.

7.2.2 Мікрохвильова томографія

Частотно-часові системи. Частотно-часові системи ґрунтуються на методах зворотного розсіювання, в яких НВЧ-передавач опромінює об'єкт, а розсіяні поля (прийняті НВЧ-приймачами) у декількох точках знаходяться з вимірів, шляхом вирахування падаючого поля (рис. 7.3). Використовуючи цю інформацію, отримуємо відновлену картину про досліджуваний об'єкт.

Рисунок 7.3 - Система мікрохвильових приймачів для вимірювання падаючого та розсіяного полів

Такий метод описується хвильовим рівнянням

де - напруженість електричного поля; - просторова координата; - невідомий розподіл комплексної діелектричної проникності; - джерело густини струму; ; м0 = 4р·10-7 Гн/м; - уявна одиниця; припускаючи, що фактор часу .

Зворотне завдання полягає у визначенні положення та діелектричної проникності розсіювача (наприклад, розподіл комплексної діелектричної проникності ) із виміряного розсіяного поля.

Розв'язання цієї задачі, як правило, здійснюється за допомогою процедури оптимізації шляхом скорочення різниці між розрахунковими і виміряними даними з використанням рівняння (7.3).

Загальна потужність випромінювання для таких систем набагато нижча, ніж від передавача звичайного стільникового телефону. Звичайно, роздільна здатність НВЧ-томографії не може конкурувати з роздільною здатністю, що досягається комп'ютерною томографією через велику різницю в довжині хвилі. Проте високий діелектричний контраст на надвисоких частотах робить ці прилади дуже чутливими до наявності випромінювання з ділянки злоякісної тканини.

Спроби вирішити двонапівперіодне 3D-зворотне завдання розсіювання для отримання більш точного результату призводять до високого обсягу обчислювальної вартості, які є тепер головною проблемою для таких систем. Однак ця проблема може бути вирішена вже найближчим десятиліттям з урахуванням темпів розвитку комп'ютерних технологій.

На практиці, вимірювання поля проводяться з використанням двох (передавальної та приймальної) антен у бістатичній конфігурації при механічному скануванні [31] або масиву антен при електронному скануванні [29, 30]. У першому випадку, отримавши дані про розсіяння сигналу для зазначеного місця розташування антени, результати зберігаються в процесорі, а антена переміщується в нове положення. Процедура вимірювання повторюється для багатьох місць розміщення антени. Механічні системи сканування бістатичної конфігурації, як правило, мають тривалий час збору даних (до кількох годин), що вимагає високої точності позиціонування антен і стабільності частоти системи. Оптимальний час збору даних для системи візуалізації дорівнює або менший, ніж цикл дихання пацієнта. Щоб гарантувати стабільність об'єкта до зображення застосовують електронне сканування антенних решіток, як це показано на рис. 7.4. У такій конфігурації кожна антена працює в режимі передачі або прийому для того, щоб максимізувати кількість даних вимірювань. Наведена конфігурація забезпечує зниження часу вимірів порівняно з механічним скануванням і мінімальний дискомфорт для пацієнта.

Високочутлива приймальна система необхідна для ретельного вимірювання розсіяної компоненти поля. Висока чутливість може бути досягнута за допомогою використання супергетеродинного приймача з ретельною фільтрацією сигналу. Динамічний діапазон систем відображення на сьогодні становить більше ніж 120 дБ [29].

У багатьох НВЧ-томографах сполучна речовина між антенами та тілом вводиться для того, щоб уникнути сильних відбиттів від повітря/скінів інтерфейсу. Тому орієнтація пацієнта для цих систем (рис. 7.3) відрізняється від мікрохвильової радіометрії (рис. 7.2). Електричні властивості середовища обрані близькими до властивостей тіла для підвищення зв'язку. Однак на практиці електричні властивості середовища залежать від температури, і будь-які температурні дрейфи та непередбачувані місцеві температурні градієнти впливають на точність вимірювань системи.

Фотографія реального прототипу системи НВЧ 3D-візуалізації, що використовується в частотній області вимірювань у поєднанні з багатоканальним приймачем і електронним скануванням, показана на рис. 7.4 [36].

Рисунок 7.4 - Фотографія прототипу системи НВЧ 3D-візуалізації (вигляд зверху)

Мікрохвильова система візуалізації містить 32 канали для вимірювання. Кожен канал може працювати як у режимі передачі, так і прийому. Живлення системи здійснюється від одного джерела випромінювання. Антени занурені у бак сполучної рідини, що імітує електричні параметри молочної залози. Щоб опромінити область зображення використовують 32 антени, розміщені в циліндричній установці радіусом 8 см, як показано на рис. 7.4. Антени орієнтовані горизонтально та розміщені в 4 ряди, 8 антен у кожному ряді. Система антенних решіток розроблена, вважаючи, що під час діагностики пацієнт лежить.

Альтернативним способом вимірювання розсіяного поля є модельована техніка розсіювання [-]. Система складається із двох великих рупорних антен, як показано на рис. 7.5. Передавальна антена висвітлює область дослідження. Вимірювання розсіяного поля забезпечується масивом дослідження системи візуалізації, розміщеним перед колекторною діафрагмою. Масив дослідження - дипольний масив із розміром кроку, що дорівнює половині довжини хвилі в середовищі (який зазвичай базується на водних розчинах) [45]. Модуляція діодів призводить до сигналу на виході колекторної діафрагми. Виміряний сигнал пропорційний полю в положенні обраного диполя. Масив сканування швидко обробляється послідовним шляхом. Цей спосіб вимірювання розподілу електромагнітного поля забезпечує високу швидкість збору даних.