2013, т. 4(18), № 4
РЕЗОНАНСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ВАВИЛОВА–ЧЕРЕНКОВА В ДИСПЕРСНЫХ МЕТАМАТЕРИАЛАХ
П. Н. Мележик, А. Е. Поединчук, Н. П. Яшина, Г. Гране
Проведено исследование излучения Вавилова–Черенкова, порождаемого потоком заряженных частиц, движущихся над поверхностью (в общем случае периодической) дисперсионной среды, которая в зависимости от частотного диапазона может быть правосторонней (обычный диэлектрик), мононегативной (когда только диэлектрическая или только магнитная проницаемость имеет отрицательные значения) или же левосторонней (и диэлектрическая, и магнитная проницаемость отрицательны). Представленные результаты основаны на строгих математических моделях и соответствующих им эффективных вычислительных алгоритмах. В фокусе исследования качественно новые резонансные явления, возникающие в результате сочетания в данной электромагнитной задаче микро- и макропериодических структур: микро- (или даже нано-) периодическая структура метаматериала и макропериод дифракционной решетки, сравнимый с длиной волн, порождаемых пучком электронов.
ХАОС И ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЧАСТОТЫ В СИСТЕМАХ СВЯЗАННЫХ ОСЦИЛЛЯТОРОВ
В. А. Буц, Д. М. Ваврив, Д. В. Тарасов
Хаотические неустойчивости и преобразования частоты, обусловленные взаимодействиями осцилляторов, являются важными эффектами для многих приложений. Мы проводим обзор этих эффектов с точки зрения их влияния на динамику реальных электронных систем. Показано, что взаимодействие высокочастотных (ВЧ) и низкочастотных (НЧ) колебаний может приводить к возникновению хаотических колебаний даже в квазилинейном пределе, что представляет угрозу для многих электронных приборов. Этот результат обусловлен анализом разрушения последовательности импульсов в нелинейном колебательном контуре, а также гармонического колебания в двухмодовой системе. В свою очередь, преобразования НЧ- в ВЧ-колебания, которые происходят в многомодовых системах, могут использоваться для создания новых типов генераторов, что иллюстрирует анализ динамики ансамбля линейных осцилляторов с контролируемой связью. Предложена возможная практическая реализация такого генератора на основе антенной решетки.
ПРИМЕНЕНИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФУРЬЕ ДЛЯ ПОИСКА ЛОКАЛИЗОВАННЫХ МОД ГРАДИЕНТНЫХ ПЛАНАРНЫХ ВОЛНОВОДОВ
В. М. Фитьо, В. В. Ромах, Я. В. Бобицкий
Планарные волноводы являются важными компонентами в построении различных интегральных оптических устройств. На сегодня в научной литературе описано ряд аналитических методов для расчета планарных градиентных волноводов, которые, однако, охватывают лишь некоторые разновидности таких структур. В данном исследовании разработан численный метод для поиска постоянных распространения и соответствующих им распределений поля мод планарных волноводов. Он основан на преобразовании Фурье волнового уравнения. Метод проверен на многих примерах. Также исследовано влияние параметров численного процесса на значения постоянных распространения. В ходе проведения исследований было обеспечено численную стабильность и высокую точность расчета, подтверждающего эффективность предложенного метода. Ожидается, что результаты исследования можно будет использовать для проектирования полупроводниковых лазеров.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАТЕРИАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ КИРАЛЬНЫХ СРЕД В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН
С. Ю. Полевой
Киральные структуры могут успешно использоваться для моделирования процессов взаимодействия электромагнитных волн с различными композитными средами (от изотропных до бианизотропных). Такие структуры могут быть весьма перспективны при создании компактных СВЧ-устройств. Однако в миллиметровом диапазоне длин волн, который сегодня является одним из самых важных с прикладной точки зрения, объем экспериментальных исследований киральных структур оказывается явно недостаточным. В работе приведены методики экспериментального определения эффективных материальных параметров киральных сред в миллиметровом диапазоне. Основное внимание уделено экспериментальному исследованию поляризационных свойств киральных сред. Измерены частотные зависимости угла поворота плоскости поляризации электромагнитной волны, прошедшей через исследуемую объемную киральную структуру, состоящую из массива двумерных киральных структур. Рассчитаны частотные зависимости параметра киральности для нескольких значений ее толщины. Показана возможность управления углом поворота плоскости поляризации прошедшей электромагнитной волны и параметром киральности за счет изменения толщины структуры. Экспериментально определена частотная зависимость действительной части параметра киральности по двум методикам и проведено сравнение результатов. Получено качественное совпадение результатов двух методик в области частот, соответствующих максимуму модуля параметра киральности. Результаты исследований могут найти применение при разработке различных телекоммуникационных устройств: фильтров, поляризаторов, направленных ответвителей.
МЕЖМОДОВОЕ РАССЕЯНИЕ КАК ИСТОЧНИК КВАНТОВОГО ХАОСА В МИКРОВОЛНОВОМ РЕЗОНАТОРЕ С СИНГУЛЯРНЫМ ВОЗМУЩЕНИЕМ
Е. М. Ганапольский, Ю. В. Тарасов
Теоретически и экспериментально изучен частотный спектр цилиндрического микроволнового резонатора со вставленным в него тонким металлическим стержнем, играющим роль сингулярного возмущения. Выделено два типа рассеяния (внутри и межмодовое) и показано, что они играют принципиально разную роль в формировании хаотических свойств спектра. Статистический анализ, выполненный на основе оценки нормы оператора перемешивания мод, продемонстрировал, что межмодовое рассеяние, вызванное сингулярностью, приводит к существенной корреляции резонансных частот. Результаты проведенных измерений согласуются с выводами теории. В спектре резонатора с несимметрично вставленным в него металлическим стержнем обнаружены основные признаки квантового хаоса, а именно вигнеровское распределение межчастотных интервалов, корреляция спектральных линий и характерная кривая спектральной жесткости. Сопоставление теории и эксперимента позволило впервые однозначно установить, что именно межмодовое рассеяние является источником квантового хаоса в спектре волновых бильярдных систем, подвергаемых сингулярному возмущению.
ФОКУСИРОВКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ТОЧЕЧНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДИПОЛЯ ГРАНИЦЕЙ РАЗДЕЛА ОБЫЧНОЙ И ЛЕВОЙ СРЕД
В. К. Иванов, А. О. Силин, А. М. Стадник
Проблема фокусировки волновых полей различной физической природы и частотных диапазонов является актуальной как для научных экспериментов, так и для практических приложений в промышленности, медицине и технике, однако уникальные возможности для разработки устройств фокусировки электромагнитных полей, связанные с появлением метаматериалов (левых сред), не могут быть полностью реализованы в рамках используемого в большинстве работ геометрооптического подхода, основным достоинством которого является наглядность. Поскольку такой подход не позволяет дать количественные оценки влияния потерь, положения, ориентации и типа источника на структуру излучаемого поля, то возникает потребность в последовательном электродинамическом решении модельных задач. В работе из первых принципов строго решена и численно промоделирована задача об излучении элементарного электрического диполя, расположенного горизонтально над плоской границей раздела пассивных обычной и левой сред. Показано, что электромагнитное поле диполя, проникая в полупространство из метаматериала, фокусируется в нем, т. е. пространственное распределение поля имеет явно выраженный максимум со сложной интерференционной структурой. Исследована зависимость фокусировки от положения и ориентации диполя, а также величины потерь в метаматериале. Выдвинута гипотеза (приведены качественные соображения) о том, что фокусирующей способностью обладает именно граница раздела обычной и левой сред, а не каждая из них по отдельности.
ПОЛУСФЕРИЧЕСКИЙ И АСФЕРИЧЕСКИЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ С ВОЛНАМИ ШЕПЧУЩЕЙ ГАЛЕРЕИ С ПРОВОДЯЩИМИ ТОРЦЕВЫМИ СТЕНКАМИ: РАДИАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ И ПОТЕРИ В ПРОВОДНИКЕ
А. А. Баранник, Н. Т. Черпак, М. С. Харченко, С. А. Витусевич
Метод измерений, основанный на использовании диэлектрических резонаторов с волнами шепчущей галереи (ШГ), для нахождения поверхностного микроволнового импеданса пленок высокотемпературных сверхпроводников, является достаточно точным. Однако чувствительность его ограничивается радиационными потерями в этих открытых электродинамических системах и зависит от эффективности взаимодействия микроволновых полей и пленки (коэффициент As). Целью работы является исследование радиационных потерь и потерь, обусловленных проводимостью в резонаторах различной формы вращения с волнами ШГ. В работе изучаются электромагнитные свойства ряда резонаторов с волнами ШГ с торцевыми проводящими стенками. Потери изучаются в Kа-диапазоне для двух видов диэлектрического материала, а именно изотропного (тефлон) и анизотропного (монокристаллический сапфир). Для тефлонового полусферического резонатора используется аналитический подход, и его результаты сравниваются с результатами экспериментальных измерений. Результаты для других форм исследуются экспериментально. Эксперименты показывают, что асферический сапфировый резонатор имеет наибольший коэффициент As, однако радиационная добротность выше для гибридного сапфирового резонатора (асферический+цилиндрический диск). Таким образом, гибридный резонатор с As на 25 % более высоким, чем As полусферического резонатора с примерно теми же радиационными потерями, является лучшим выбором для измерений свойств (сверх) проводников в микроволновом диапазоне.
СМЕШАННОЕ СОСТОЯНИЕ В СОСТАВНОМ КОЛЬЦЕВОМ БИЛЬЯРДЕ
Ю. Л. Болотин, И. Ю. Вакульчик, К. А. Лукин, В. А. Черкасский
Кольцевой бильярд – одна из наиболее популярных моделей для изучения фундаментальных свойств квантового и волнового хаоса в современной квантовой механике и микроволновой электродинамике. В работе рассмотрена модель, пригодная как в первой, так и во второй области: составной бильярд, состоящий из двух кольцевых бильярдов (хаотического и регулярного), соединенных узкой перемычкой (узким волноводом). С помощью численных методов исследованы распределения уровней энергии частицы (резонансных частот) и соответствующие пространственные распределения квадрата волновой функции (квадрата электрической компоненты поля). Продемонстрирована хаотизация движений в регулярном бильярде при слабом влиянии почти изолированного хаотического кольцевого бильярда. Показано существование смешанных регулярно-хаотических состояний в исследуемых бильярдах и указано их возможное применение в генераторах хаоса.
ОРБИКТРОН-ГЕНЕРАТОР: МОДЕЛЬ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА В ДИАПАЗОНЕ 180 ГГц
В. Д. Еремка, А. А. Кураев, А. К. Синицын
Источники субмиллиметрового диапазона востребованы при решении многих технических задач: при сканировании багажа, фотографировании опухолей, радиолокации, в системах связи между большими быстродействующими ЭВМ. Они должны обеспечивать генерирование выходной мощности 1…50 Вт при использовании экологически безопасных низковольтных электронных потоков. Среди источников электромагнитного излучения миллиметрового диапазона перспективным для генерирования субммиллиметровых волн является модификация оротрона, в которой для замедления волн вместо плоской отражательной дифракционной структуры применена сдвоенная плоская гребенка. Такую модификацию генератора назвали орбиктроном. Важными факторами, которые приводят к снижению его эффективности при повышении рабочей частоты, являются эффект расслоения ленточного электронного потока, ограничение амплитуды высокочастотного поля в прямоугольном канале взаимодействия электронов и электромагнитных волн вследствие необходимости использования открытого резонатора с предельно большой нагруженной добротностью. Выявлен эффект резонанса в сдвоенной гребенке орбиктрона, при котором амплитуда высокочастотного поля в зоне взаимодействия электронов и волн в прямоугольном канале в несколько раз превосходит амплитуду поля в объеме между рабочими поверхностями зеркал открытого резонатора. Этот эффект принципиально изменяет оценку необходимой величины добротности резонансной системы орбиктрона и позволяет решить проблему ограничения амплитуды. Использование пространства взаимодействия в виде канала для ленточного электронного потока, образованного рабочими поверхностями сдвоенной гребенки, которые сходятся клином, обеспечивает решение проблемы расслоения ленточных электронных потоков. С использованием разработанной математической модели проведен оптимизационный поиск перспективных вариантов конструкции орбиктрона-генератора в диапазоне 180 ГГц, с рабочим напряжением электронного потока 3,5 кВ и рабочим током 0,1 А. Найдены варианты генератора с КПД 10…12 % при добротностях, которые не превышают 1 000. Показано, что за счет применения клинотронного эффекта в орбиктроне-генераторе (клиноорбиктрон) его КПД возрастает до 14 %, а добротность резонатора уменьшается в три раза. Полученные результаты указывают на перспективность орбиктрона и его модификации клиноорбиктрона как источников электромагнитного излучения терагерцeвого интервала частот.
РАЗРАБОТКА КОМПАКТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ МИЛЛИМЕТРОВОГО И СУБМИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНОВ
А. Н. Кулешов
Компактные источники электромагнитного излучения коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов нашли широкое применение при спектральном анализе веществ. Наиболее мощными в указанных диапазонах являются вакуумные электронные приборы, и проблемы дальнейшего повышения генерируемой мощности вместе с повышением частоты генерируемых колебаний, также как и перестройки частоты колебаний в широких пределах, не теряют своей актуальности. В работе представлены результаты исследований, направленные на разработку компактных клинотронов субмиллиметрового диапазона, а также описаны результаты расчетов по увеличению выходной мощности клинотронов путем взаимодействия с гибридными объемно-поверхностными модами неоднородных замедляющих систем. Во второй части работы представлены результаты исследований низковольтных режимов работы мазеров на циклотронном резонансе. Также приведены результаты исследований по формированию ленточных винтовых электронных пучков для планарных мазеров на циклотронном резонансе, в которых возможна плавная перестройка частоты генерируемого колебания путем изменения расстояния между зеркалами резонатора подобно генераторам дифракционного излучения.
М. Глявин, А. Лучинин, М. Морозкин
Терагерцевое (ТГц) излучение представляется крайне привлекательным для инициации локализованного газового разряда, дистанционного обнаружения источников ионизирующего излучения, диагностики плазмы методами коллективного томпсоновского рассеяния, создания спектроскопических комплексов высокого разрешения, новых медицинских технологий и др. Для решения указанных задач необходимы мощные и относительно компактные источники ТГц-излучения. В статье описаны созданные в ИПФ РАН мощные гиротроны на базе импульсных соленоидов с интенсивностью поля до 50 Тл, позволившие реализовать генерацию мощного микроволнового излучения на основном циклотронном резонансе, когда относительно просто решается проблема селекции рабочего типа колебаний. При длительностях импульса 40 мкс частоте 0,67 ТГц получена мощность до 200 кВт, 5 кВт – на частоте 1 ТГц и 0,5 кВт – на частоте 1,3 ТГц. Несмотря на сложность создания магнитных полей высокой интенсивности, выполненные работы демонстрируют возможность создания в ближайшем будущем широкодоступных источников мощного импульсного ТГц-излучения.
ЭПР-СПЕКТРОМЕТР МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗЦОВ С ВЫСОКОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ
Б. Э. Бeкиров, И. В. Иванченко, А. А. Луханин, Н. А. Попенко
Бесщелевые полумагнитные полупроводники с резонансным донорным уровнем и смешанной валентностью представляют фундаментальный и прикладной интерес. Высокая подвижность в них зонных электронов позволяет использовать практически весь арсенал современных методов и средств изучения физических свойств твердых тел. Эффективным методом исследования магниторезонансных свойств данного класса полупроводников является метод электронного парамагнитного резонанса. Однако из-за высокой проводимости этих полупроводников повышаются требования к чувствительности соответствующих спектрометров, которая в значительной степени определяется электродинамическими свойствами используемой в нем резонансной ячейки. Проблема усугубляется при проведении исследований в коротковолновой области миллиметрового диапазона длин волн, где глубина скин-слоя составляет единицы микрон. В данном исследовании проведена модификация функциональных узлов спектрометра электронного парамагнитного резонанса с целью расширения рабочего интервала температур и предложена оригинальная резонансная ячейка в виде двухзеркального открытого резонатора для регистрации спектров поглощения различных веществ в коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн в интервале температур Т = 1,7…300 К. Приведены спектры поглощения бесщелевого полумагнитного полупроводника HgSe:Fe на частоте 123 ГГц, иллюстрирующие преимущества использования предложенного резонатора в составе спектрометра при изучении высокочастотных магниторезонансных свойств веществ с высокой проводимостью.
КОНТРОЛЬ И СТАБИЛИЗАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ (0,8¸300 К) В КРИОДИЭЛЕКТРОМЕТРЕ ГИГАГЕРЦЕВОГО ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ
Р. В. Головащенко, В. Н. Деркач, Н. К. Заец, В. Г. Корж, А. С. Плевако, С. И. Тарапов
При разработке и создании низкотемпературных радиоспектрометров для измерения диэлектрических параметров материалов в миллиметровом диапазоне длин волн и широком диапазоне температур возникает задача точной стабилизации температуры и ее точного измерения. Термометры для измерений низких и сверхнизких температур, как правило, основаны на температурной зависимости отдельных физических свойств соответствующих веществ. Наиболее удобными для схем измерения и стабилизации температуры в этом диапазоне температур являются электрические термометры сопротивления. В настоящей работе описан разработанный регулятор-стабилизатор температуры – прецизионный автоматизированный блок измерения и стабилизации температуры дискового диэлектрического резонатора, рассчитанный на работу в диапазоне температур 0,8¸300 К для использования в криодиэлектрометре гигагерцевого диапазона частот. Применена четырехпроводная схема с питанием термодатчиков переменным током. В качестве термодатчиков использованы термометры сопротивления с разным знаком температурного коэффициента сопротивления. Обеспечена точность измерения сопротивления не хуже 0,05 % и точность стабилизации температуры около ±0,01 К. Приведены результаты тестирования разработанного устройства и результаты измерения диэлектрических параметров материалов с низкими потерями в низкотемпературных экспериментах с его использованием.