2013, т. 4(18), № 4
РЕЗОНАНСНЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ ВАВІЛОВА–ЧЕРЕНКОВА В ДИСПЕРСНИХ МЕТАМАТЕРІАЛАХ
П. М. Мележик, А. Є. Поєдинчук, Н. П. Яшина, Г. Гране
Проведено дослідження випромінювання Вавілова–Черенкова, породжуваного потоком заряджених частинок, що рухаються над поверхнею (у загальному випадку періодичною) дисперсійного середовища, яка залежно від частотного діапазону може бути правобічною (звичайний діелектрик), мононегативною (коли тільки діелектрична або тільки магнітна проникність має негативні значення) або ж лівосторонньою (і діелектрична, і магнітна проникність негативні). Подані результати засновано на строгих математичних моделях і відповідних їм ефективних обчислювальних алгоритмах. У фокусі дослідження якісно нові резонансні явища, що виникають в результаті поєднання в даній електромагнітній задачі мікро- та макроперіодичних структур: мікро- (або навіть нано-) періодична структура метаматеріала й макроперіод дифракційних ґрат, порівнянний з довжиною хвиль, породжуваних пучком електронів.
ХАОС ТА ПЕРЕТВОРЕННЯ ЧАСТОТИ В СИСТЕМАХ ЗВ’ЯЗАНИХ ОСЦИЛЯТОРІВ
В. О. Буц, Д. М. Ваврів, Д. В. Тарасов
Хаотичні нестійкості та перетворення частоти, які зумовлені взаємодіями осциляторів, є важливими ефектами для багатьох застосувань. Ми проводимо огляд цих ефектів з точки зору їхнього впливу на динаміку реальних електронних систем. Показано, що взаємодія високочастотних (ВЧ) і низькочастотних (НЧ) коливань може призводити до виникнення хаотичних коливань навіть у квазілінійній межі, що становить загрозу для багатьох електронних приладів. Цей результат зумовлено аналізом руйнування послідовності імпульсів у нелінійному коливальному контурі, а також гармонічного коливання у двомодовій системі. У свою чергу, перетворення НЧ- у ВЧ-коливання, які відбуваються в багатомодових системах, можуть використовуватися для створення нових типів генераторів, що ілюструє аналіз динаміки ансамблю лінійних осциляторів з контрольованим зв’язком. Запропоновано можливу практичну реалізацію такого генератора на основі антенної решітки.
ЗАСТОСУВАННЯ ПЕРЕТВОРЕННЯ ФУР’Є ДЛЯ ПОШУКУ ЛОКАЛІЗОВАНИХ МОД ГРАДІЄНТНИХ ПЛАНАРНИХ ХВИЛЕВОДІВ
В. М. Фітьо, В. В. Ромах, Я. В. Бобицький
Планарні хвилеводи є важливими компонентами у побудові різноманітних інтегральних оптичних пристроїв. На сьогодні в науковій літературі описано ряд аналітичних методів для розрахунку планарних градієнтних хвилеводів, які, однак, охоплюють лише деякі різновиди таких структур. В даному дослідженні розроблено числовий метод для пошуку постійних поширення та відповідних їм розподілів поля мод планарних хвилеводів. Він ґрунтується на перетворенні Фур’є хвильового рівняння. Метод перевірено на багатьох прикладах. Також досліджено вплив параметрів числового процесу на значення постійних поширення. В ході проведення досліджень було забезпечено числову стабільність і високу точність розрахунку, що підтверджує ефективність запропонованого методу. Очікується, що результати дослідження можна буде використати для проектування напівпровідникових лазерів.
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ВИЗНАЧЕННЯ МАТЕРІАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ КІРАЛЬНИХ СЕРЕДОВИЩ У МІЛІМЕТРОВОМУ ДІАПАЗОНІ ДОВЖИН ХВИЛЬ
С. Ю. Полевой
Кіральні структури можуть успішно використовуватися для моделювання процесів взаємодії електромагнітних хвиль з різними композитними середовищами (від ізотропних до біанізотропних). Такі структури можуть бути дуже перспективними при створенні компактних НВЧ-пристроїв. Однак у міліметровому діапазоні довжин хвиль, який сьогодні є одним з найбільш важливих з прикладної точки зору, обсяг експериментальних досліджень кіральних структур виявляється явно недостатнім. У роботі наведено методики експериментального визначення ефективних матеріальних параметрів кіральних середовищ у міліметровому діапазоні. Основну увагу приділено експериментальному дослідженню поляризаційних властивостей кіральних середовищ. Виміряно частотні залежності кута повороту площини поляризації електромагнітної хвилі, яка пройшла через досліджувану об’ємну кіральну структуру, що складається з масиву двовимірних кіральних структур. Розраховано частотні залежності параметра кіральності для декількох значень її товщини. Показано можливість управління кутом повороту площини поляризації електромагнітної хвилі, що пройшла крізь структуру, і параметром кіральності за рахунок зміни товщини структури. Експериментально визначена частотна залежність дійсної частини параметра кіральності за двома методиками та проведено порівняння результатів. Одержано якісний збіг результатів двох методик в області частот, відповідних максимуму модуля параметра кіральності. Результати досліджень можуть знайти застосування при розробці різних телекомунікаційних пристроїв: фільтрів, поляризаторів, спрямованих відгалужувачів.
МІЖМОДОВЕ РОЗСІЯННЯ ЯК ДЖЕРЕЛО КВАНТОВОГО ХАОСУ В МІКРОХВИЛЬОВОМУ РЕЗОНАТОРІ З СИНГУЛЯРНИМ ЗБУРЕННЯМ
Є. М. Ганапольський, Ю. В. Тарасов
Теоретично й експериментально вивчено частотний спектр циліндрового мікрохвильового резонатора зі вставленим в нього тонким металевим стрижнем, що грає роль сингулярного збурення. Виділено два типи розсіяння (внутрішньо та міжмодове) і показано, що вони відіграють принципово різну роль у формуванні хаотичних властивостей спектру. Статистичний аналіз, виконаний на основі оцінки норми оператора перемішування мод, продемонстрував, що міжмодове розсіяння, викликане сингулярностью, призводить до суттєвої кореляції резонансних частот. Результати проведених вимірювань узгоджуються з висновками теорії. У спектрі резонатора з несиметрично вставленим у нього металевим стрижнем виявлено основні ознаки квантового хаосу, а саме вігнеровський розподіл міжчастотних інтервалів, кореляцію спектральних ліній і характерну криву спектральної жорсткості. Зіставлення теорії й експерименту дозволило вперше однозначно встановити, що саме міжмодове розсіяння є джерелом квантового хаосу в спектрі хвилевих більярдних систем, що піддаються сингулярному збуренню.
ФОКУСУВАННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ПОЛЯ ТОЧКОВОГО ЕЛЕКТРИЧНОГО ДИПОЛЯ МЕЖЕЮ ПОДІЛУ ЗВИЧАЙНОГО ТА ЛІВОГО СЕРЕДОВИЩ
В. К. Іванов, О. О. Сілін, О. М. Стадник
Проблема фокусування хвильових полів різної фізичної природи й частотних діапазонів є актуальною як для наукових експериментів, так і для практичних застосувань у промисловості, медицині та техніці. Проте унікальні можливості для розробки пристроїв фокусування електромагнітних полів, пов’язані з появою метаматеріалів (лівих середовищ), не можуть бути повністю реалізовані в рамках використовуваного в більшості робіт геометрооптичного підходу, основною перевагою якого є наочність. Оскільки такий підхід не дозволяє дати кількісні оцінки впливу втрат, положення, орієнтації та типу джерела на структуру випромінюваного поля, то виникає потреба в послідовному електродинамічному розв’язанні модельних задач. У роботі з перших принципів строго розв’язано та чисельно промодельовано задачу про випромінювання елементарного електричного диполя, розташованого горизонтально над плоскою межею поділу пасивних звичайного та лівого середовищ. Показано, що електромагнітне поле диполя, проникаючи в півпростір з метаматеріала, фокусується в ньому, тобто просторовий розподіл поля має явно виражений максимум зі складною інтерференційної структурою. Досліджено залежність фокусування від положення й орієнтації диполя, а також величини втрат у мета-матеріалі. Наведено якісні міркування про те, що здатність фокусувати має саме межа поділу звичайного та лівого середовищ, а не кожне з них окремо.
НАПІВСФЕРИЧНИЙ ТА АСФЕРИЧНИЙ ДІЕЛЕКТРИЧНІ РЕЗОНАТОРИ З ХВИЛЯМИ ШЕПОЧУЧОЇ ГАЛЕРЕЇ З ПРОВІДНИМИ ТОРЦЕВИМИ СТІНКАМИ: РАДІАЦІЙНІ ВТРАТИ ТА ВТРАТИ У ПРОВІДНИКУ
О. А. Баранник, М. Т. Черпак, М. С. Харченко, С. А. Вітусевич
Метод вимірювань, що ґрунтується на використанні діелектричних резонаторів з хвилями шепочучої галереї (ШГ), для визначення поверхневого мікрохвильового імпедансу плівок високотемпературних надпровідників, є досить точним. Однак чутливість його обмежується радіаційними втратами в цих відкритих електродинамічних системах і залежить від ефективності взаємодії мікрохвильових полів і плівки (коефіцієнт As). Метою роботи є дослідження радіаційних втрат і втрат, зумовлених провідністю в резонаторах різної форми обертання з хвилями ШГ. У роботі досліджуються електромагнітні властивості ряду резонаторів з хвилями ШГ з торцевими провідними стінками. Втрати вивчаються в Kа-діапазоні для двох видів діелектричного матеріалу, а саме ізотропного (тефлон) і анізотропного (монокристалічний сапфір). Для тефлонового напівсферичного резонатора використовується аналітичний підхід, і його результати порівнюються з результатами експериментальних вимірювань. Результати для інших форм досліджуються експериментально. Експерименти показують, що асферичний сапфіровий резонатор має найбільший коефіцієнт As, проте радіаційна добротність вища для гібридного сапфірового резонатора (асферичний+циліндричний диск). Таким чином, гібридний резонатор з As на 25 % вищим, ніж As напівсферичного резонатора з приблизно тими ж радіаційними втратами, є кращим вибором для вимірювань властивостей (над) провідників в мікрохвильовому діапазоні.
ЗМІШАНИЙ СТАН У СКЛАДЕНОМУ КІЛЬЦЕВОМУ БІЛЬЯРДІ
Ю. Л. Болотін, І. Ю. Вакульчик, К. О. Лукін, В. О. Черкаський
Кільцевій більярд – одна з найбільш популярних моделей для вивчення фундаментальних властивостей квантового і хвильового хаосу в сучасній квантовій механіці й мікро-хвильовій електродинаміці. У роботі розглянуто модель, що придатна як у першій, так і в другій області: складений більярд, що є компаундом двох кільцевих більярдів (хаотичного і регулярного), з’єднаних вузькою перемичкою (вузьким хвилеводом). За допомогою чисельних методів досліджено розподіл рівнів енергій частинки (резонансних частот) і відповідні просторові розподіли хвильової функції (електричної компоненти поля). Продемонстровано хаотизацію рухів у регулярному більярді при слабкому впливі майже ізольованого хаотичного кільцевого більярду. Показано існування змішаних регулярно-хаотичних станів у досліджуваних більярдах і зазначено їх можливе застосування в генераторах хаосу.
ОРБІКТРОН-ГЕНЕРАТОР: МОДЕЛЬ І РЕЗУЛЬТАТИ РОЗРАХУНКУ В ДІАПАЗОНІ 180 ГГц
В. Д. Єрьомка, О. О. Кураєв, А. К. Сініцин
Джерела субміліметрового діапазону потрібні при розв’язанні багатьох технічних задач: при скануванні багажу, фотографуванні пухлин, у радіолокації, у системах зв’язку між великими швидкодіючими ЕОМ. Вони повинні забезпечувати генерування вихідної потужності 1…50 Вт при використанні екологічно безпечних низьковольтних електронних потоків. Серед джерел електромагнітного випромінювання міліметрового діапазону перспективним для генерування субміліметрових хвиль є модифікація оротрона, у якому для уповільнення хвиль замість плоскої відбивальної дифракційної структури використовується здвоєна плоска гребінка. Таку модифікацію генератора назвали орбіктроном. Важливими факторами, що приводять до зниження його ефективності при підвищенні робочої частоти, є ефект розшарування стрічкового електронного потоку, обмеження амплітуди високочастотного поля в прямокутному каналі взаємодії електронів та електромагнітних хвиль внаслідок необхідності використання відкритого резонатора із гранично великою навантаженою добротністю. Виявлено ефект резонансу в здвоєній гребінці орбіктрона, при якому амплітуда поля в зоні взаємодії електронів і хвиль у прямокутному каналі в декілька разів перевершує амплітуду поля в об’ємі між робочими поверхнями дзеркал відкритого резонатора. Цей ефект принципово змінює оцінку необхідної величини добротності резонансної системи орбіктрона та дозволяє вирішити проблему обмеження амплітуди. Використання простору взаємодії у вигляді каналу для стрічкового електронного потоку, створеного робочими поверхнями здвоєної гребінки, які сходяться клином, дозволяє вирішити проблему розшарування стрічкових електронних потоків. З використанням розробленої математичної моделі проведено оптимізаційний пошук перспективних варіантів конструкції орбіктрона-генератора в діапазоні 180 ГГц із напругою електронного потоку 3,5 кВ і робочим струмом 0,1 А. Знайдено варіанти генератора з ККД 10…12 % при добротностях, які не перевищують 1 000. Показано, що використання клинотронного ефекту в орбіктроні-генераторі (клиноорбіктрон) його ККД підвищується до 14 %, а добротність резонатора зменшується в три рази. Отримані результати вказують на перспективність орбіктрона та його модифікації клиноорбіктрона як джерел електромагнітного випромінювання терагерцового інтервалу частот.
РОЗРОБКА КОМПАКТНИХ ДЖЕРЕЛ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ СЕРЕДНЬОЇ ПОТУЖНОСТІ МІЛІМЕТРОВОГО ТА СУБМІЛІМЕТРОВОГО ДІАПАЗОНІВ
О. М. Кулешов
Компактні джерела електромагнітного випромінювання короткохвильової частини міліметрового та субміліметрового діапазонів знайшли широке застосування у спектральному аналізі речовин. Найбільш потужними у вказаних діапазонах є вакуумні електронні прилади, і проблеми подальшого підвищення потужності та частоти коливань, що генеруються, також як і перебудова частоти коливань у широких межах, не втрачають своєї актуальності. У роботі подано результати досліджень, що спрямовані на розробку компактних клинотронів субміліметрового діапазону, а також описано результати розрахунків з підвищення вихідної потужності клинотронів завдяки взаємодії з гібридними об’ємно-поверхневими модами неоднорідних систем, що сповільнюють хвилі. У другій частині роботи подано результати досліджень низько-вольтних режимів роботи мазерів на циклотронному резонансі. Також наведено результати досліджень з формування стрічкових гвинтових електронних пучків для планарних мазерів на циклотронному резонансі, у яких можлива плавна перебудова частоти коливань, що генеруються, змінюючи відстані між дзеркалами резонатора подібно до генераторів дифракційного випромінювання.
РОЗРОБКА Й ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ПОТУЖНИХ ІМПУЛЬСНИХ ГІРОТРОНОВ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДІАПАЗОНУ
М. Глявін, О. Лучинін, М. Морозкін
Терагерцове (ТГц) випромінювання привертає надзвичайну увагу для ініціації локалізованого газового розряду, дистанційного виявлення джерел іонізуючого випромінювання, діагностики плазми методами колективного томпсонівського розсіяння, створення спектроскопічних комплексів високого розрізнення, нових медичних технологій та ін. Для вирішення зазначених задач необхідні потужні та відносно компактні джерела ТГц-випромінювання. У статті описані потужні гіротрони, які створені в ІПФ РАН на базі імпульсних соленоїдів з інтенсивністю поля до 50 Тл, що дозволили реалізувати генерацію потужного мікрохвильового випромінювання на основному циклотронному резонансі, коли відносно просто вирішується проблема селекції робочого типу коливань. При тривалостях імпульсу 40 мкс на частоті 0,67 ТГц отримано потужність до 200 кВт, 5 кВт – на частоті 1 ТГц і 0,5 кВт – на частоті 1,3 ТГц. Незважаючи на складність створення магнітних полів високої інтенсивності, виконані роботи демонструють можливість створення в найближчому майбутньому широкодоступних джерел потужного імпульсного ТГц-випромінювання.
ЕПР-СПЕКРОМЕТР МІЛІМЕТРОВОГО ДІАПАЗОНУ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ЗРАЗКІВ З ВИСОКОЮ ПРОВІДНІСТЮ
Б. Е. Бекіров, І. В. Іванченко, О. О. Луханін, Н. О. Попенко
Безщілинні напівмагнітні напівпровідники з резонансним донорним рівнем та змішанною валентністю являються цікавими як з фундаментальної, так і прикладної точки зору. Висока рухливість в них зонних електронів дозволяє використовувати майже увесь арсенал сучасних методів і засобів вивчення фізичних властивостей твердих тіл. Ефективним методом дослідження магніторезонансних властивостей даного класу напівпровідників є метод електронного парамагнітного резонансу. Однак внаслідок високої провідності цих напівпровідників зростають потреби щодо чутливості відповідних спектрометрів, яка значною мірою визначається електродинамічними властивостями резонансної комірки, що в них використовується. Проблема ще більш зростає при проведенні досліджень у короткохвильовій частині міліметрового діапазону довжин хвиль, де глибина скін-шару дорівнює одиницям мікрон. Проведено модифікацію функціональних вузлів спектрометра електронного парамагнітного резонансу з метою розширення робочого інтервалу температур та запропоновано оригінальну резонансу комірку у вигляді дводзеркального відкритого резонатора для реєстрації спектрів поглинання різних сполук у короткохвильовій частині міліметрового діапазону довжин хвиль в інтервалі Т = 1,7…300 К. Наведено спектри ЕПР безщілинного напівмагнітного напівпровідника HgSe:Fe на частоті 123 ГГц, що ілюструють переваги використання запропонованого резонатора у складі спектрометра при вивченні високочастотних магніторезонансних властивостей сполук з високою провідністю.
КОНТРОЛЬ І СТАБІЛІЗАЦІЯ ТЕМПЕРАТУРИ (0,8¸300 К) У КРІОДІЕЛЕКТРОМЕТРІ ГІГАГЕРЦОВОГО ДІАПАЗОНУ ЧАСТОТ
Р. В. Головащенко, В. М. Деркач, М. К. Заєць, В. Г. Корж, О. С. Плевако, С. І. Тарапов
При розробці та створенні низькотемпературних радіоспектрометрів для вимірювання діелектричних параметрів матеріалів у міліметровому діапазоні довжин хвиль і широкому діапазоні температур виникає завдання точної стабілізації температури та її точного вимірювання. Термометри для вимірювань низьких і наднизьких температур, як правило, засновані на температурній залежності окремих фізичних властивостей відповідних речовин. Найбільш зручними для схем вимірювання та стабілізації температури в цьому діапазоні температур є електричні термометри опору. У даній роботі описано розроблений регулятор-стабілізатор температури – прецизійний автоматизований блок вимірювання і стабілізації температури дискового діелектричного резонатора, розрахований на роботу в діапазоні температур 0,8 ¸ 300 К для використання у кріодіелектрометрі гігагерцового діапазону частот. Використано чотирьохдротову схему з живленням термодатчиків змінним струмом. Як датчики використано термометри опору з різним знаком температурним коефіцієнтом опору. Забезпечено точність вимірювання опору не гірше 0,05 % і точність стабілізації температури близько ±0,01 К. Наведено результати тестування розробленого пристрою та результати вимірювання діелектричних параметрів матеріалів з низькими втратами в низькотемпературних експериментах з його використанням.