Pinnapealne lühilaineline elektromagnetlaine üle merepinna. Pinnapealsed elektromagnetlained. Pika- ja lühilaineuuringute ajalugu

UDC 538.566.2: 621.372.8

Pinnapealsed elektromagnetlained kõrge juhtivusega elektrit juhtivate kandjate tasastel piiridel, Zennecki laine

V. V. Ševtšenko
nime saanud raadiotehnika ja elektroonika instituut. V.A. Kotelnikov RAS

annotatsioon. Vaadeldakse kõrgjuhtivate ainete lamedate piiride poolt suunatud pinna elektromagnetlainete teoreetilise mudeli omadusi: metallid, märg pinnas, meri ja üldiselt soolane vesi. Arvutatakse selliste lainete faas, "rühm" ja energiakiirused. On näidatud, et need lained kuuluvad ebaharilikku lainetüüpi, mille puhul erineb “grupi” kiirus energia kiirusest, s.o. energia ülekande kiirus lainega. Ja kuigi olenevalt keskkonna parameetritest võivad selliste lainete faasi- ja grupikiirused olla suuremad kui valguse kiirus Koos, on nende energiakiirus alati väiksem kui valguse kiirus. Vaadeldav lainetüüp on nn Zennecki laine.

Märksõnad: pinnalained; faasi-, rühma-, energialainete kiirused; Zennecki laine.

Abstraktne.Vaadeldakse pinna elektromagnetlainete teoreetilise mudeli omadusi, mis juhinduvad kõrge juhtivusega ainete tasapinnalistest piiridest: metallid, niisked pinnased, meri ja soolane vesi üldiselt. Arvutatakse nende lainete faasi"rühm" ja energiavoolu kiirused. Need lained on seotud ebatavalise tüüpi lainetega, mille “grupi” kiirus erineb energiavoolu kiirusest ehk laineenergia transpordikiirusest. Kuigi olenevalt keskmistest parameetritest võivad nende lainete faasi- ja grupikiirused olla suuremad kui valguse kiirus c, on nende energiavoolu kiirus alati väiksem kui valguse kiirus c. Nii nimetatud Zennecki laine on seotud lainete tüübiga.

Võtmesõnad: pinnalained; lainete faasi-, rühma-, energiavoolukiirused; Zennecki laine.

Sissejuhatus

Artikli pealkirjas märgitud pinnalainete ja eriti nn Zennecki laine küsimus on rakendusliku elektrodünaamika valdkonna teaduslikes aruteludes nii teoreetikute kui eksperimentalistide poolt juba pikki aastaid aeg-ajalt tõstatatud. Kuna sellised arutelud leiavad kajastamist paljudes väljaannetes (vt nt neis ja viited neis), siis siinkohal me avaldatud väidete ja kahtluste üksikasjadel pikemalt ei peatu. Pangem vaid tähele, et tavaliselt arutatakse järgmisi küsimusi. Kas Zennecki laine on üldse füüsilisest vaatenurgast võimalik: kas see ei ole vastuolus füüsikaseadustega ja kui on võimalik, siis kas seda saab ergutada füüsiliselt teostatavatest allikatest ning kas seda saab kasutada signaali edastamiseks sidesüsteemides ja radaris.

Allpool toodud teoreetiline analüüs annab autori hinnangul väga kindla vastuse vähemalt kahele esimesele neist küsimustest, s.o. ei ole vastuolus ja võite teda erutada. Ülejäänud küsimus on seotud selliste pinnalainete rakendamise ja rakendamise tehnoloogiaga.

1. Pinnalaine põhiomadused kõrge juhtivusega keskkonna tasasel piiril

Olgu statsionaarse elektromagnetvälja sõltuvus ajast kujul , kus on välja ringsagedus. Vaatleme lihtsuse huvides, nagu tavaliselt tehakse [,], elektromagnetilise pinnalaine kahemõõtmelist mudelit (tulemused on kergesti ülekantavad kolmemõõtmelisse mudelisse) tasasel piiril (joonis 1) vaba ruumi vahel. parameetrid ja efektiivse dielektrilise konstandiga elektrit juhtiv mittemagnetiline () keskkond, kus on kompleksne mõõtmeteta suhteline läbilaskvus

. (1)

Riis. 1. Elektrit juhtiva keskkonna tasane piir

, . (2)

Näiteks märjale pinnasele, merele ja lihtsalt soolasele veele () raadiolainevahemikus ning metallidele () raadiolainevahemikus, mikrolaineahjus, EHF ja kuni infrapuna optilise sagedusvahemikus

, (3)

Kus on keskkonna erijuhtivus.

Piki keskkonna tasast piiri telje suunas leviva vastava polarisatsiooniga pinnalaine välja komplekssed magnetilised ja elektrilised komponendid z(joonis 2), esitage see kujul

, (4)

, (5)

(6)

Kus A- amplituudikonstant, , Koos - valguse kiirus ja- lainepikkus vabas ruumis, ,

, (7)

Riis. 2. Lainevälja lokaliseerimine keskkonna piiri lähedal

Algne dispersioonivõrrand, mis saadakse välja sobitamisega keskkonna piiril at y = 0 võrdsuste järgi

. (10)

Ligikaudne võrrand ja selle lahendus välja nägema

, (11)

,, (12)

ja täpsustatud võrrandit ja selle lahendit , st. vastavalt (12) –

, . (13)

Nende seoste ja avaldiste (), () põhjal arvutatakse väärtused

, (14)

. (15)

Seega on laine tõepoolest pinnalaine, kuna , , ja see levib mööda piiri y = 0 telje suunas z.

Tuleb märkida, et tulemuse (15) võib saada ka seosest

, (16)

(17)

mis võimaldab analüüsida avaldistele (), () vastava lainevälja struktuuri.

Tõepoolest, suurus, mis kirjeldab lainevälja surumist keskkonna piirile, vastavalt (16) suurendab väärtust , mis aeglustab laine faasifrondi liikumiskiirust ja suurust, mis kirjeldab laine faasifrondi kalle keskkonna piirile (joonis 3, kalde füüsiline põhjus on see, et keskkond neelab osaliselt laineenergiat) vähendab väärtust, st kiirendab laine liikumist. laine faasifront mööda piiri.

Joonis 3. Lainefrondi kalle keskkonna piirini

Veelgi enam, nende suuruste väärtuste puhul, mis vastavad avaldistele (), kompenseeritakse () suurima väikese väärtusega terminid, nii et

, (18)

ja selle tulemusena jäävad reaalosasse punktis () ainult selle väikese koguse ruuduga võrdelised liikmed. Ülalmainitud laine faasifrondi levimissuuna kalle keskkonna piirile (joon. 3) on öeldu kohaselt väike nurk.

. (19)

Avaldised (),(),() võimaldavad hinnata pinnalainevälja ulatust põiki (L y) ja pikisuunaline ( Lz)suunad, mis on ligikaudu võrdsed

(20)

Siin ei võeta arvesse lainevälja väikest põiksuunalist ulatust keskkonna sees, see on võrdne vastavalt ()

. (21)

(32)

Siinkohal tuleb märkida, et lainete faasi- ja grupikiiruste väärtuste üleminekud läbi kiiruse c esinevad erinevate keskkonnaparameetrite korral. Arvestades sisestatud kiiruste ligikaudset olemust, ei ole põhjust anda meediumi mööduvate parameetrite saadud spetsiifilistele väärtustele mingit füüsilist tähendust.

4. Energia kiirus

Energia kiirus, s.o. energialainete ülekande kiirust [ , , ] saab arvutada järgmise siin toodud valemi abil:

, (33)

kus ajakeskmine on laine poolt ülekantava võimsuse pikisuunaline (piki z-telge) voog ja lineaarne energiatihedus pikkuseühiku kohta, mis liigub koos lainega mööda juhtstruktuuri, st. tasane piir (ka piki z-telge). See kinemaatiliselt määratud energiakiirus põhineb Umov-Poyntingi teoreemil. Seda saab kasutada nii energiakadudeta levivate kui ka kadudega lainete puhul. See määratlus ei hõlma keskkonna hajutavat ja neeldunud energiat, mis ei levi koos lainega. Sel juhul saavutatakse tasakaal energia vahel, mida laine kannab piki keskkonna piiri.

Vaadeldava laine jaoks on meil

, (34)

kus ja on osalised võimsusvood tasapinnast kõrgemal ja allpool y = 0, mis vastavalt (), () on võrdsed

(35)

ja vastavalt , kus m meil on

(36)

(37)

. (43)

Selle avaldise ja valemi (() põhjal saame siin vaadeldavate pinnalainete jaoks

, (44)

Kus - faas ja väikeste väärtuste korral on see ka aeglase pinnalaine energiakiirus faasifrondi liikumise suunas. Selle tulemusena saame () põhjal

. (45)

Põhimõtteliselt kasutati arvutuses tasapinnalise faasifrondiga lainete omadust, mis on rakendatav tasapinnaliste ja sarnaste lainete puhul, mis seisneb selles, et faasifrondi liikumissuuna kalle laine levimise suuna suhtes suurendab faasikiirust ( ), (), () ja vähendab laine energiakiirust (45).

Selle tulemusena on pinnalaine energiakiirus alati väiksem Koos, sealhulgas Zennecki lainele vastav juhtum, mille faasi- ja rühmakiirused on suuremad Koos.

5. Tulemuste arutelu

Arutleme kriitiliselt tuntud versioonide üle, mille põhjal näib, et võib väita, et ülalpool käsitletud pinnalainete teoreetiline mudel ei kirjelda füüsilisi pinnalaineid, mis on suunatud kõrge juhtivusega elektrit juhtiva keskkonna piiril. juhul, kui faasi- ja/või rühmakiirused on suuremad kui valguse kiirus Koos.

Nagu tuleneb teisest, mitteasümptootilisest meetodist, mis kujutab endast avatud juhtstruktuuri kogu allikavälja spektrilaienduse kujul looduslike lainetena (ristlainete arvudes diskreetse-pideva spektriga), on siin piirid meedium [ , , ] sisaldab selline paisumine algsel kujul lisaks valitud pinnalaine integraalile, olenemata sellest, kas see on aeglane või kiire. Selle laienduse võib saada kas otse ainsuse (lõpmatu intervalliga) põiki piirväärtuse probleemi teooria põhjal omaväärtuste ja omafunktsioonide [, ] kohta või teisendades näidatud integraal Fourier' laienduse pikisuunalistes lainearvudes paisumine ristlainete arvudes. Teisel juhul, kui integreerimiskontuur on lainearvude komplekstasandil deformeerunud, pühib see kontuur võrdselt välja nii aeglastele kui ka kiiretele pinnalainetele vastava integrandi poolused [ , , ]. Seega pinnalaine, nii aeglane kui kiire, sisaldub allika poolt ergastatud koguväljas, kuid nõrgeneb ja kaob asümptootikas, kus jääb alles vaid ruumilaine väli.

Järeldus

Käsitletavad lained on pinnalainete eriliik, mille pinnaline iseloom, s.o. Välja eksponentsiaalne vähenemine vaadeldava kõrge juhtivusega keskkonna piirilt ristisuunas ei tulene siin mitte selle faasikiiruse aeglusest võrreldes keskkonna piirist kõrgemate tasapinnaliste lainete kiirusega, mis osutus siin mittevajalik, vaid selles sisalduva energia osalise neeldumise tõttu laine levimise ajal. Esitatud tulemused näitavad, et selliste pinnalainete vaadeldav mudel ei ole vastuolus füüsikaliste seadustega. Seetõttu pole põhjust kahelda, et see kirjeldab füüsilisi laineid ja kui nende faasikiirus on väiksem c, ja millal - rohkem, ja nende jaoks üldiselt aktsepteeritud "rühma" kiirusel pole ilmselt selget füüsilist tähendust.

Sellistel lainetel on aga tehnilistes rakendustes kasutamise seisukohast olulisi puudusi. Esiteks surutakse need nõrgalt vastu söötme piiri, s.t. nende väli on ristsuunas piiri kohal piisavalt suure ulatusega, nii et nende tõhusaks ergutamiseks võib vaja minna liiga suure vertikaalse avaga allikat. Teiseks erineb nende faasikiirus valguse kiirusest vaid veidi Koos Seetõttu võivad kõik, isegi väikesed, ebakorrapärasused keskkonna piiri tasapinnas põhjustada lainevälja hajumist ja energiakadude märkimisväärset suurenemist mööda piiri levimisel. Eelkõige võib see tekkida siis, kui piir kaldub tasapinnast kõrvale, s.t. selle pinna kumeruse juuresolekul. Vaadeldavate pinnalainete analüüs ebakorrapärasel piiril nõuab eriuuringuid [,].

Teisest küljest, kui proovite rakendada pinnalaineid näiteks metallide piiridel tehnilistes rakendustes, tuleb arvestada, et pärismetallide pinnad on tavaliselt kaetud oksiidkiledega, mille paksus on suurusjärgus mikroni, mikroni või mitme mikroni fraktsioonid (looduslikud kiled) ja kümnete mikronite suurused (kunstlikult loodud kiled metallpindade mehaaniliseks kaitseks). Sel juhul on vaja kasutada juhtsüsteemi veidi erineva teoreetilise mudeli tulemusi: kihiline struktuur, näiteks metallsubstraat - dielektriline kile (tingimata võttes arvesse energiakadusid neis) - vaba ruum. Kile olemasolu võib oluliselt mõjutada pinnalaine rõhku selle suurenemise suunas ja sellest tulenevalt võimalust lihtsustada laine ergastamist ja selle suuremat stabiilsust struktuuri ebatasasuste suhtes.

Artikli järelsõnana märgime, et 2012. aasta septembris esitati see artikkel ajakirjale UFN, mis oli varem avaldanud Zennecki lainele pühendatud artiklite sarja ja sisuliselt tekkis sel teemal arutelu. Artiklit ei võetud aga avaldamiseks vastu, kuna UFN-i toimetus otsustas "mitte võtta kaalumiseks vastu uut tööd Zennecki lainete kohta". Selle tulemusena lõppes selleteemaliste artiklite viidatud avaldamine UFN-is tegelikult eksliku artikli avaldamisega.

Kirjandus

1.Barlow H. M., Oota J. R. // Electron. Kirjad. 1967.T.3. Nr 9.P.396.

2.Shevchenko V.V. // Raadiotehnika ja elektroonika. 1969.T.14. Nr 10.S.1768.

3., .: Golem Press, 1971).

17. Mandelstam L. I. Loengud optikast, relatiivsusteooriast ja kvantmehaanikast. M.: Nauka, 1972. Lk.420,431.

18. Zilbergleit A. S., Kopilevitš Yu. I. // Kirjad ZhTP-le. 1979.T.5.Nr.8. Lk 454.

19. Brekhovskikh L. M. Lained kihilises meedias. M.: Kirjastus. NSVL Teaduste Akadeemia, 1957.

20.Barlow H. M., Brown J. Raadiolained. Oxf.: Clarendon Press, 1962.

21. Ševtšenko V.V.//Diferentsiaalvõrrandid.1979.T.15. nr 11. KOOS .2004 (ŠevtšenkoV.V.//Diferentsiaalvõrrandid.1980.V.15. Nr 11.P.1431).

22.Ševtšenko V.V. // Izv. Ülikoolid – radiofüüsika. 1971.T.14. Nr 5. Lk 768.

• Vene Föderatsiooni Kõrgema Atesteerimiskomisjoni eriala01.04.03
• Lehtede arv 155

I osa. AEGLASED PINNA MAGNETO-PLASMA LAINED POOLJUHTIDES

I peatükk. Pinna elektromagnetlainete olemasolu teoreetilised alused

1.1. Elektromagnetvälja struktuur magnetiseeritud pooljuhi pinna lähedal

1.2. Aeglase pinnalaine teooria

II peatükk. Eksperimentaalne meetod

2.1. Nõuded katsemeetodile

2.2. Tehnika üldpõhimõtted

2.3. Eksperimentaalne seadistus

2.4. Mõõtmistehnoloogiast

2.5. Näidisvalikud

III peatükk. Reisiva laine režiim

3.1. Katse idee

3.2. Lainefrondi kuju uuring

3.3. Aeglase laine häired

3.4. Laine põhiomadused

3.5. Laine peegeldus lainejuhi tasapinna servast

3.6. Pinnalaine ergastuse efektiivsus

3.7. Laine-pinna ühendus

IV peatükk. PMV lainejuhi levik

4.1. Otsustav eksperiment

4.2. Lainejuhi režiimi moodustumine

4.3. Laine olemasolu piirkond

4.4. Aeglaste pinnalainete sumbumine

4.5. Temperatuuri mõju laine levimisele

V peatükk. Seisulaine režiim

5.1. Laine liikumise muster

5.2. Lame Fabry-Perot resonaator

5.3. Pinnalaine dispersioon

5.4. Lainevälja struktuur

5.5. Pinnalaine polarisatsioon

5.6. Helicon talad

VI peatükk. Aeglastel PMV-del põhinevad seadmed

II osa. PINNA ELEKTROMAGNETLAINED SOOLAVEEL

I peatükk. Analüütiline ülevaade

1.1. Uurimise ajalugu

1.2. Negatiivsete uurimistulemuste analüüs

1.3. Kontseptsiooni kriitika L.I. Mandelintamma

1.4. Kaasaegne vaade Zennecki lainele 1.5 Zennecki laine omadused

II peatükk. Eksperimentaalne laineotsing

2.1. Eksperimentaalne meetod

2.2. Zenneck-Sommerfeldi laine vaatlus

2.3. Seisab PEV tasasel veepinnal

2.4. Katsed rändlainetega

2.5. Pinnalaine radiaalne lahknemine

2.6. Vertikaalne välja struktuur

2.7. Emitter PEV Zenneka

III peatükk. Zenneka PEV rakendused

3.1. Laboratoorsed katsed asukoha järgi

3.2. SEW ergastusest ookeani pinnal

3.3. Hanseni looduslik eksperiment

3.4. Täismahulise eksperimendi metoodikast

3.5. Mereraadioside

3.6. PEV radar

II osa järeldused. Miks pole Zennecki lainet looduslikes tingimustes täheldatud?

PEAMISED TULEMUSED

Soovitatav lõputööde loetelu

• Elektromagnetlainete nähtused suletud ja mittetasakaalulises tahkis-elektronplasmas 1998, füüsika- ja matemaatikateaduste doktor Popov, Vjatšeslav Valentinovitš

• Elektromagnetlainete polarisatsiooni resonantstransformatsiooni mõjud kahemõõtmelise elektronmagnetoaktiivse plasmaga struktuurides 2001, füüsika- ja matemaatikateaduste kandidaat Teperik, Tatjana Valerievna

• Elektromagnetlainete levik ja emissioon avatud struktuuris kahemõõtmelise elektronplasma ja perioodilise metallvõrega 1998, füüsika- ja matemaatikateaduste kandidaat Polištšuk, Olga Vitalievna

• Laineprotsessid ja elektromagnetkiirguse juhtimine sageduse ja ruumilise dispersiooniga juhtstruktuurides 2010, füüsika- ja matemaatikateaduste doktor Sannikov, Dmitri Germanovitš

• Akustilised ja spin-lained magnetilistes pooljuhtides, ülijuhtides ja kihtstruktuurides 2009, füüsika- ja matemaatikateaduste doktor Polzikova, Natalja Ivanovna

Lõputöö tutvustus (osa referaadist) teemal “Uut tüüpi pinnaelektromagnetlained juhtivas keskkonnas”

1873. aastal sõnastas James Clerk Maxwell oma nime kandvad võrrandid ja ennustas valguse kiirusel levivate elektromagnetlainete olemasolu. Heinrich Hertzi klassikalised katsed vaatlesid elektromagnetlaineid vabas ruumis. Nende katsete tulemused saavutasid kiiresti ülemaailmse kuulsuse ja tunnustuse. Kahe erinevate dielektriliste omadustega meediumi vahelisel liidesel tekkivate pinnaelektromagnetlainete uuringute ajalugu pole olnud nii lihtne, tõeliselt dramaatiline.

Pinna elektromagnetiliste lainete (SEW) mõiste tõi teadusesse Arnold Sommerfeld, kui ta 1899. aastal kaalus pika sirge juhtme aksiaalvoolu probleemi ja sai lahendusi Maxwelli võrranditele, mille amplituud vahemaa kasvades kiiresti väheneb. traadi pinnalt. Neid lahendusi tõlgendas ta SEW-dena, võib-olla analoogiliselt Rayleighi pinnaakustiliste lainetega. Pinnapealseid elektromagnetlaineid vaatles esmakordselt eksperimentaalselt R. Wood 1902. aastal õhukeses metallfooliumis elektronide hajumise ajal. Nähtust ei mõistetud tol ajal ja see jäi kuni 1960. aastateni tuntuks kui "Wood's anomalies". Saksa teoreetikud Kohn ja Uller tegid A. Sommerfeldi järgi kindlaks, et tasasel liidesel dielektriku ja hea juhi vahel on kehalaine levikule suunav mõju ja SEW on võimalik madalate kadudega tasasel liidesel.

1901. aastal toimus ajalooline sündmus: Guglielmo Marconi tegi raadioülekande üle Atlandi ookeani sagedusega 30 kHz. See hämmastav avastus tõi kaasa spekulatsioonid raadiolainete levimise mehhanismi üle. Tol ajal Maa ionosfääri olemasolu veel ei kahtlustatud, mistõttu ei räägitud kaugraadioside võimalusest raadiokiire peegeldumise tõttu ionosfäärist. Selle asemel pakuti välja, et tema katsed tekitasid uut tüüpi raadiolainete – pinnalaine (SW).

Võib-olla sel põhjusel hakkas Sommerfeldi kraadiõppur Jacek Zenneck 1907. aastal seda küsimust selgitama. Ta tõi välja Kohni ja Ulleri uurimistöö seose raadiolainete levimise küsimusega üle maapinna. Oma tulemuste väljatöötamisel näitas J. Zenneck, et mitte ainult väikeste, vaid ka suurte kadudega keskkonnas lubavad Maxwelli võrrandid vastavate piirtingimustega lahendust, mida võib nimetada pinnalaineks, mis on suunatud kahe vahelise tasapinnalise liidese kaudu. meedia:

Hertz P-vektor) 6 s.o. on kombinatsioon kahest tasapinnalisest lainest, millest üks paikneb õhus, teine ​​aga keskkonnas. Kui keskkonnal on lõplik juhtivus, siis a ja P on komplekssed. Dispersiooniseos PV-de puhul, mis levivad piki dielektriliste konstantidega 8 ja e0 kandjate vahelist liidest, on kujul k k,

2 &0 O kus k ja co on laine vektor ja sagedus; kaas - ?

CO C c - valguse kiirus vaakumis. Laine on “seotud” pinnaga, selle faasikiirus on veidi suurem kui dielektriku valguse kiirus ja sõltub aluspinna omadustest. Zenneck uskus, et sellest suurel kaugusel asuv tõelise emitteri väli näeb välja nagu tema leitud laine. Tema tööst aga järeldub vaid see, et ülaltoodud vormi lahendused ühilduvad elektrodünaamika võrranditega, PV olemasolu võimalikkusega, kuid väli ei ole kuidagi seotud antenniga, s.t. Kiirgusprobleemi põhipunkti pole selgunud.

Esimese range teooria kahe homogeense keskkonna (maa ja õhu) tasasel liidesel asuva dipooli kiirgavate elektromagnetlainete levimise kohta esitas A. Sommerfeld 1909. aasta klassikalises töös. Märkimisväärne samm edasi oli see, et ta ei pidanud maad ideaalseks juhiks ja atmosfääri absoluutseks isolaatoriks ning omistas mõlemale poolele teatud lõpliku dielektrilise konstandi ja juhtivuse.

Sommerfeld näitas, et dipooli kiirgavat elektromagnetvälja saab esitada pinna- ja ruumlaine summana. Ta uskus, et SW domineerib suurtel vahemaadel ja seega lõi ta seose pinnalaine ja kiirgusallika vahel. Teisisõnu pidas ta tõestatuks, et pikkadel vahemaadel on punktallikast pärit väli Zennecki PV. PV Tsenneki kontseptsioon, mida toetas Sommerfeldi autoriteet, oli pikka aega peaaegu üldtunnustatud. Seda rakendati paljude raadiolainete levimisel täheldatud anomaalsete nähtuste tõlgendamisel, näiteks nn. "ranniku murdumine", kui üle mere liikuv laine peegeldub kaldalt.

Kuid alates 1919. aastast vaidlustati see järeldus Weyli, Van der Poli, V. A. Focki jt teoreetilistes töödes ja leiti, et see on ekslik. A. Sommerfeld ise, tõdedes arvutustes esinenud ebatäpsusi, ei pidanud pinnalaine mõistet ekslikuks. Teoreetikute vahelise vaidluse sai lahendada ainult katsega. Sellise eksperimendi viis esmakordselt läbi 1933. aastal Feldman, kes uuris raadiolainete levikut Maa pinna lähedal (maa kiir) ega tuvastanud SW-d. Seejärel üritas Barrow 1937. aastal tuvastada Zennecki pinnalainet põnevate raadiolainete abil Sennecki järve pinnal New Yorgi osariigis ja see ka ebaõnnestus. Meie riigis viidi akadeemikute L. I. Mandelstami ja N. D. Papaleksi eestvedamisel läbi rida laiaulatuslikke katseid. Aastatel 1934–1941 uuriti tavaliste raadioantennide kiirgusvälja, raadiolainete levikut mööda maapinda (üle maa ja mere), kuid mingil juhul ei täheldatud pinna elektromagnetilist Zennecki lainet. . Sellest ajast alates on Venemaa radiofüüsikas kindlalt kinnitatud arvamus, et seda lainet ei ole võimalik tõeliste emitteritega ergutada ja et Zennecki pinnalaine kontseptsioon ei vasta füüsilisele reaalsusele.

Tekkinud on paradoksaalne olukord: pinna elektromagnetlaine olemasolu tuleneb Maxwelli võrranditest, kuid seda ei täheldata eksperimentaalselt. Seega seati elektrodünaamika võrrandite kehtivus kahtluse alla. Soov paradoksi lahendada sundis autorit ülesandeks teha iseseisvaid uuringuid laboritingimustes. Saadud tulemus kinnitab Sommerfeldi ja Zennecki õigsust ning kõrvaldab vastuolu.

Kirjeldatud sündmuste tulemusena langes huvi pinna elektromagnetlainete vastu tugevalt ja 40-50ndatel neid praktiliselt ei uuritud. Huvi SEW vastu tekkis 60ndatel seoses kiirguse vastastikmõju uurimisega ainega, peamiselt tahkete ainete ja plasmaga. Ilmselt olid Stern ja Ferrell esimesed, kes näitasid, et metallfooliumis kiirete elektronide mitteelastsel hajumisel madala energiatarbega piirkonnas täheldatud piike (Woodsi anomaalia) saab seletada pinnaplasmonite ergastamisega metalli ja metalli vahelisel liidesel. seda kattev oksiidkile. Powelli katsed kinnitasid teooria ennustusi. Pinnaplasmoni kirjeldab SEW dispersioonikõvera ülemine osa, mis asub plasma sageduse lähedal. (kõver 4 joonisel 2)

Viimastel aastatel on pinna elektromagnetlaineid teoreetiliselt uuritud ja katseliselt vaadeldud erinevates laborites üle maailma. Samal ajal tehti kaks olulist järeldust. Esiteks anti pinnalaine selge definitsioon: see on laine, mis laguneb eksponentsiaalselt, kui see eemaldub pinnast, mida mööda see levib. Lainevälja jaotus on parim tõend selle pinna olemusest. Teiseks on näidatud, et pinnalainet võib pidada antud pinnale iseloomulikuks vibratsioonitüübiks. PV ergastus on iseseisev probleem ja seda ei tohiks segi ajada laine olemasolu tingimustega. Kuna SEW faasikiirus erineb mõnevõrra valguse kiirusest õhus, saab seda kehalaine abil ergastada ainult siis, kui on täidetud sünkronismi tingimus – faasikiiruste ligikaudne võrdsus või täpsemalt, faaside komponentide võrdsus. lainevektorid levimissuunas. Sellest järeldub, et mitte iga emitter ei suuda pinnalainet ergutada. Kaasaegsete teoreetiliste kontseptsioonide järgi on võimalikud kaks juhtumit (Joonis 1 tööst)

Fano ja Zennecki SEV-de olemasolu piirkonnad

Tsennek 8 p o

1) e-kompleksne kogus,0. Siis liidesel on nö Fano lained faasikiirusega V< с (прямая 5 на рис2), наблюдающиеся в газоразрядной плазме (поверхностные плазмоны), в полупроводниках и металлах. В настоящее время они активно исследуются и применяются в спектроскопии поверхности .

2) z-komplekssuurus, c" > -8o, c" > 0, . Tasasel liidesel (sirge 6 joonisel 2) ilmub pindmine Zennecki laine faasikiirusega V > c. Seda lainet polnud enne meie tööd täheldatud. Liides (joon. 1 kõver 1) Fano ja Zennecki olemasolu piirkondade vahel määratakse võrrandiga s

0 e0 kus 8 = 8" + 18"

Kui Zennecki laine läheb üle tasapinnalt kõverale, mille kõverusraadius on väiksem kui lainepikkus, muundub Zennecki laine Sommerfeldi laineks. Viimast kirjeldab teine, keerulisem dispersioonivõrrand, mis sisaldab silindrilisi Besseli ja Hankeli funktsioone. Rühm teadlasi suutis laboritingimustes ergutada Zenneck-Sommerfeld SEW laine mikrolainealas, tõestada selle pealiskaudsust ja mõõta selle põhiomadusi.

Uus etapp SEW uurimisel gaasi- ja tahkisplasmades on seotud välise magnetvälja mõju arvestamisega juhtivale keskkonnale. Magnetväljas muutub juhtiv keskkond gürotroopseks, ilmneb uus karakteristik – kandjate tsüklotroni pöörlemissagedus, mis toob kaasa teadaolevate SEM-ide omaduste muutumise (joonis 2). Pinnaplasmon (kõver 4 joonisel 2) muundatakse näiteks veidi väiksema (mitu %) faasikiirusega magnetoplasmoniks. Siiski arvati, et magnetvälja mõju ei olnud kuigi oluline.

Autor tegi eksperimentaalselt kindlaks (koos V. I. Baibakoviga), et konstantses magnetväljas muutuvad juhtiva keskkonna pinna elektrodünaamilised omadused dramaatiliselt. See toob kaasa põhimõtteliselt uue pinna elektromagnetlainete klassi tekkimise (kõver 1 joonisel 2). Need eksisteerivad ainult magnetiseeritud plasma pinnal, neil on ainulaadsed omadused ja nad levivad faasikiirustega, mis on palju väiksemad kui valguse kiirus vaakumis, mille jaoks nimetasime neid aeglasteks pinnamagnetoplasma laineteks (SMW). Mõnikord nimetatakse neid kirjanduses pinnahelikonideks või Baibakov-Datsko laineteks

Pinna elektromagnetiliste ergastuste spekter 1-aeglane PMV; 2-valgus dielektrikus; 3-Langmuiri lained – mahulised plasmonid; 4-pinna plasmonid plasmas (polariidid dielektrikutes, magnonid magnetites); 5-fanoolaine; 6-Zennecki laine;

Doktoritöö koosneb kahest osast, millest esimene on pühendatud aeglastele pinnamagnetoplasmalainetele pooljuhtides, teine ​​osa on pühendatud pinna elektromagnetlainetele soolases vees. Avastasime tahkestes ainetes aeglased PMV-d 1971. aastal. Nende ajal

Pärast kümmet aastat kestnud uurimistööd töötati välja tehnika ergastamiseks, segaväljast eraldamiseks, pinna elektromagnetlainete põhiomaduste tuvastamiseks ja mõõtmiseks laboritingimustes. See võimaldas järgnevatel aastatel eksperimentaalselt tõestada pinna elektromagnetilise Sommerfeld-Zennecki laine olemasolu.

Aeglane PMV 1p8b-s

Aeglaste PMV-de teooria pooljuhtplasmades konstrueeriti pärast nende eksperimentaalset avastamist. Aeglaste pinnamagnetoplasma lainete olemasolu ja omadused tulenevad Maxwelli võrrandite lahendustest, mis on kirjutatud piiratud juhtiva keskkonna jaoks sobivate piirtingimustega ja mida kirjeldatakse neljandat järku dispersioonivõrrandiga. Nähtuse teooria koostas rühm Harkovi teoreetikuid V. M. Yakovenko juhtimisel. Selle peamised sätted on järgmised.

Konstantses magnetväljas on pooljuhtide elektromagnetilised omadused anisotroopsed. Kui magnetvälja vektor H on suunatud piki Ob-telge, siis keskkonna dielektrilist konstanti kirjeldab gürotroopne tensor 0

XX xy 0 xy yy

0 0 kus diagonaalist väljas olevad komponendid vastavad kõrgsageduslikule Halli voolule.

Konstantses magnetväljas olevas pooljuhis on kaks erineva levimiskarakteristikuga mahulist elektromagnetlainet (tavaline-anti-helicon ja erakorraline-helikoon, mida iseloomustab ringpolarisatsiooni vastupidine suund). Sagedustel, mis on palju madalamad kui kandjate V, aga ka plasma Jp ja tsüklotron coc (koos «Shp, coc, V) põrkesagedusega, tingimusel V «coc on erakorralised lained veidi nõrgenenud ja pooljuht osutub nende jaoks läbipaistev keskkond, millel on suur efektiivne murdumisnäitaja. Kuid ükski neist lainetest ei saa olla pinnapealne, kuna need ei vasta pooljuhi pinnal olevatele piirtingimustele, mis seisnevad laine magnetvälja tugevusvektori komponentide pidevuses liidesel. Need tingimused on täidetud tavaliste ja erakorraliste lainete superpositsiooni jaoks, mis moodustavad pinna magnetoplasma lained liidesel

11 kahte tüüpi: kiired (y ~ c), mis välise magnetvälja puudumisel muunduvad teadaolevateks pinnaelektromagnetlaineteks (pinnaplasmonid) ja aeglased (y ~ c) PMV-d, mida ilma magnetväljata ei eksisteeri.

Laske pooljuhil hõivata poolruumi<0 и граничит с вакуумом. Тогда, при условиях у « С0С; С22| » |8ху| » |£хх|:

8 XX £ 22 xy aeglaste lainete dispersioon ja olemasolu piirkond määratakse seostega

2 2 S SOZ [£уу (1 + БШ 2 в) + 218ух БШ tolli

Pärast lihtsustamist (2) võtab kuju с = к2Нпс 2 ме

Ya0.ush@< О где 3 = а затухание:

A co (ku ~ k*) exhu co y L, 2 yy

5) nurk magnetvälja H 0 ja kahemõõtmelise lainevektori k vahel keskkonna eraldustasandil, X2~ lainevektori komponent keskkonnas, kaassagedus, c-valguse kiirus vaakumis, peamiste laengukandjate n-kontsentratsioon pooljuhis, e-elektronilaeng .

Seos (2a) näitab, et aeglastel PMV-del on ruuthajumise seadus, seos (3) näitab, et laine levimine mööda magnetvälja on võimatu, s.t. lained on kaldu ja eksisteerivad ainult kahes kitsas sektoris. Seos (4) tähendab, et lained on suuna suhtes mittevastastikused (ühesuunalised)

12 pidev magnetväli. Aeglased pinna magnetoplasma lained võivad esineda järgmistes meediumites:

1) suhteliselt väikese kandekontsentratsiooniga ühekomponendilises pooljuhis, kui eelpingevool on juhtivusest suurem;

2) tihedas (nihkevool on väike) ühekomponendilises kandjate anisotroopse massiga tahkisplasmas; sarnast asja täheldatakse näiteks mitme oru pooljuhtide puhul;

3) tihedas ühekomponendilises magnetiseeritud elektronide ja magnetiseerimata aukudega plasmas.

Joonisel 3 on näidatud aeglaste PMV-de olemasolu piirkonna diagramm konkreetses pooljuhis, indiumantimoniidis. X

Joonis 3. Aeglaste pinnalainete olemasolu teoreetiline piirkond indiumantimoniidis (pooljuhi pinna pealtvaade). e1 = 45°-60°, e2 = 135°-150°. Lokkis nool näitab magnetvälja suunda

Eksperimentaalselt avastasime aeglased PMV-d ja uurisime neid indiumantimoniidis, mis on suure kandja liikuvusega pooljuht (kuni l

77000 cm /V.sec at T=ZOOK), peamiselt toatemperatuuril, sagedusalas 10 MHz - 2 GHz ja magnetväljades kuni 30 kOe. Autori välja töötatud eksperimentaalne meetod võimaldas ergutada ja vastu võtta aeglasi laineid ning uurida nende omadusi erinevates levimisrežiimides:

Seisulaine (lame Fabry-Perot resonaator);

lainejuht;

Rändav tasapinnaline laine vabal pinnal.

Eksperiment aja jooksul kulges selles järjestuses. Kõik need režiimid võimaldasid määrata need laine omadused, mida ei olnud võimalik saada muude meetoditega, reprodutseerides

13 uskus ja täiendas teisi. Eksperimentaalsed tõendid pinna elektromagnetlainete uue klassi olemasolu kohta taanduvad järgmistele kindlaks tehtud faktidele.

Olemise piirkond.

Joonisel 8 on diagramm ühest katsest, kus vaadeldi mööda vaba pinda liikuvaid laineid. Mööda pooljuhi pinda läbiva RF-signaali võimsuse sõltuvust magnetvälja orientatsioonist on kujutatud joonisel 20. On näha, et magnetiseeritud pooljuhi pinnal on kaks valitud suunda, milles täheldatakse suurimat signaaliülekannet. Need suunad langevad kokku aeglaste PMV-de teoreetilise olemasolu piirkonna sektoritega.

Laine aeglus.

Registreeriti piki pinda kindlas valitud suunas, magnetvälja suhtes teatud nurga all liikuva laine tüüp (joonis 18). Selle pikkuse X võrdlus sama sagedusega elektromagnetlaine pikkusega vaakumis X0 näitab, et 103 I s.o. X « X0 ja laine on aeglane.

Dispersioon

Mõõtes lainepikkuse sõltuvust sagedusest ja magnetvälja tugevusest, tehti kindlaks, et selle dispersioon on ruutkeskne ja ühtib teoreetilisega, mis on määratud seosega (2); dispersioonikõver on näidatud joonisel 43. Dispersioon sõltub magnetvälja suurusest, s.o. laine on magnetoplasma.

Vastastikkuse puudumine

Paljude katsetega on kindlaks tehtud, et aeglastel lainetel on ühesuunaline levik, mida kinnitavad eelkõige joonised 17, 20. Ühesuunalist levimist täheldati ka nende lainejuhi levimise viisis (joonis 31). Lainejuhirežiimid tekivad siis, kui pooljuhi pind on piiratud magnetvälja suhtes normaalsete paralleelsete servadega. Sel juhul levib laine üle välja.

Pinnaühendus

Laine levimise suunad ei ole üheselt määratud mitte ainult välise magnetvälja orientatsiooniga, vaid ka normaalse orientatsiooniga pooljuhi pinnale. See "pinna külge kinnitumise" efekt ilmneb selgelt, kui laine ergastatakse indiumi antimoniidplaadi tasanditel, mis on magnetiseeritud selle tasapinnaga paralleelselt. Eksperimentaalselt salvestatud diagramm lainete levimise suundade kohta plaadi tasapindadel on näidatud joonisel 28. Ülemisel ja alumisel tasapinnal ergastuvad lained, mis on ergastatud vastavalt normaalide orientatsioonile nendele tasanditele, kulgevad üksteise suhtes vastassuundades.

Lainevälja riststruktuur

Väljajaotus on näidatud joonisel 44. Näha on, et pinnalaine väli väheneb mõlemal pool pooljuhtpinda, kuid selle maksimum ei ole pinnal, vaid nihkub sügavale keskkonda. Selline amplituudijaotus on pinnalainete puhul ebatavaline ja seda ei täheldata teiste seda tüüpi lainete puhul (kiired pinnaelektromagnetlained, gravitatsiooni-kapillaarlained vedeliku pinnal, pinnaakustilised lained). Lainevälja maksimumi nihkumine pooljuhi pinna alla on tingitud elektromagnetlainete levimise iseärasustest gürotroopses keskkonnas ja seda seletatakse kahe pooljuhi põhimassis esineva osalaine (tavalise ja erakorralise) interferentsiga. ) ja neil on erinev välja sumbumise kiirus sügavale pooljuhti ning need on selle pinnal antifaasis.

Sumbumine

Sisemise indiumantimoniidi puhul toatemperatuuril ja 18 kOe magnetväljas on sumbumine 2,7 dB ehk 1,35-kordne amplituud lainepikkuse kohta. Samadel tingimustel on lainepikkus magnetvälja suunas ~7 mm (levisuunas X-5 mm), seega on sumbumine pikkuseühiku kohta ligikaudu 0,4 dB/mm ehk kahekordne amplituud kaugusel 10 mm. Aeglase PMV puhul on sumbumine lainepikkuse kohta konstantne ega sõltu sagedusest.

Polarisatsioon

Maksimaalset signaali edastamist piki proovi pinda (joonis 46) täheldatakse siis, kui paigaldatakse radiaator, mis ergastab TE-lainet (välja H-komponent on pinna suhtes normaalne), mis vastab PMV teooriale. Rangelt võttes on laine elliptiliselt polariseeritud.

Saadud tulemuste teaduslik ja praktiline tähtsus seisneb selles, et optilise sagedusvahemiku teadaolevate pinnaelektromagnetiliste võnkumiste spekter (plasmonid, polaritonid, magnonid) täieneb kahe uue haruga: aeglase pinna magnetoplasma laine ja kiire Sommerfeld- Kõrgsagedus- ja mikrolainevahemikus avastatud Zennecki laine, mis avab pinnaelektrodünaamika uurimise uue kõrgsagedusliku suuna.

Aeglastel PMV-del põhinevad uued meetodid juhtivate kandjate (metallid, pooljuhid, plasma) pinna uurimisel, pooljuhtide parameetrite määramise meetodid, tahkisplasma diagnostika, aga ka uut tüüpi magnetvälja andurid, raadiotehnika seadmed. erinevatel eesmärkidel saab luua aktiivseid tahkis-mikrolaineseadmeid ja magnetoplasma TWT-sid. , tasapinnaliste optiliste infotöötlussüsteemide juhitavad elemendid.

Uurimistöö olulisus ulatub tahkisefüüsikast kaugemale. Maa ionosfääris on soodsad tingimused aeglaste magnetoplasmalainete levimiseks. Kui need avastatakse eksperimentaalselt, on PMV-sid võimalik kasutada Maa ionosfääri uurimiseks ja aktiivseks mõjutamiseks, samuti täiendavate raadiosidekanalite loomiseks.

Prioriteet

Iga uus füüsikaline nähtus peab olema läbi arutatud ja teadusringkondades tunnustatud, seetõttu on asjakohane anda teavet selle prioriteedi ja tunnustamise kohta Venemaal ja välismaal.

Aeglaste PMV-de olemasolu on teoreetiliselt põhjendatud S. I. Khankina ja V. M. Yakovenko artiklis “Pinna elektromagnetlainete ergastamisest pooljuhtides”, mille ajakirja “Solid State Physics” toimetajad said 19. juulil. 1966. aastal. . Aeglaste lainete eksperimentaalset tuvastamist kirjeldasid V. I. Baibakov ja V. N. Datsko prioriteetses artiklis “Surface waves in ln8b”, mis saabus ajakirja “JETP Letters” toimetusse 17. jaanuaril 1972. aastal.

Pärast põhitööde avaldamist ilmusid artiklid, mis puudutasid uue nähtuse prioriteetsust ja olulisust. Näiteks Fly ja Queeni artikkel märkis, et "Baibakov ja Datsko esitasid katsetulemused, mis näitasid, et HnSb toatemperatuuril elektron-augu plasmas on uus madalsageduslik pinnalaine"; A. B. Davõdov ja V. A. Zahharov osutavad S. I. Khankina ja V. M. Yakovenko prioriteedile teoreetilises ning V. I. Baibakova ja V. N. Datsko uut tüüpi pinnalainete eksperimentaalses uurimises. E. A. Kaneri ja V. M. Yakovenko artiklis ajakirjas "Advances in Physical Sciences" märgitakse, et pinnahelikoonilaine ennustas.

Baibakov ja Datsko avastasid hiljuti eksperimentaalselt indiumantimoniidis tööga seotud 16.

Avastatud nähtuse usaldusväärsuse küsimust käsitleti teaduskirjanduses laialdaselt; arutelus tõestati autentsus. Sõltumatu eksperimentaalne kinnitus oli G. Ruybise ja R. Tolutise töö.

Pinnapealsed elektromagnetlained soolasel veel

Iga reaalne elektromagnetvälja allikas, mis asub kahe meediumi liidesel, ergastab nii pinna- kui ka mahulaineid; nende eraldamine osutub keeruliseks eksperimentaalseks ülesandeks. Meie katsetes täheldati SEW-sid laboritingimustes erineva soolsusega (peamiselt 35%o) veepinnal sagedusvahemikus 0,7-6,0 GHz. Seisvate ja liikuvate pinnalainete põnevaks ja uurimiseks kasutati varem välja töötatud meetodeid.

Seisulaine režiimis vaadeldi Sommerfeld-Zennecki lainet (tasapinnalise Zennecki PV silindriline modifikatsioon) esmalt soolase vee sambal, mis asetati kahe metalllehe vahele, mis esindavad lamedat Fabry-Perot resonaatorit. Mõõdeti välja hajuvust ja põikjaotust, mis näitab selgelt selle pinna olemust. Pinna elektromagnetlainet uuriti ka tasasel veepinnal kahe tasapinnalise paralleelse plaadi resonaatoris, mis olid vette kastetud selle mõõtmete resonantsi tingimustes. Samal ajal eraldati PV mahuväljadest ja mõõdeti selle amplituudi struktuuri.

Rändlaine režiimis oli spetsiaalselt konstrueeritud emitteri abil võimalik mahtkiirgust pinnalt maha rebida ja suunata see horisondi suhtes suure nurga all ülespoole, vabastades seeläbi PV mahuvälja segunemisest. Sellise veepinna kohal asuva allika kiirguses tuvastatakse piki pinda leviva laine olemasolu, mille amplituud väheneb kaugusega p emitterist, mis vastab ergastatud PV divergentsile. aksiaalselt sümmeetriline allikas. Välja vertikaalse struktuuri mõõtmised selles laines näitasid, et väli väheneb pinnast kauguse kasvades eksponentsiaalselt ning lokalisatsiooni kõrguse mõõdetud sõltuvused sagedusest ja vee soolsusest osutusid teoreetiliste arvutustega hästi kokkusobivaks.

Ainsa meile teadaoleva eksperimendi (Hansen, USA, 1974) tulemuste analüüs, mis käsitles spetsiaalsete antennidega ergastatud elektromagnetvälja levimist dekameetri vahemikus (5-30 MHz) üle ookeani pinna piki teepikkust. läbiti 237 km. Erinevalt Hansenist, kes leidis elektromagnetvälja levimises seletamatu anomaalia, jõudsime järeldusele, et tema katses ergastati mahu- ja pinnalainete segu ning tee ise valis vähem summutatud laineid. Oleme näidanud, et sagedustel, mis jäävad alla teatud soolsusest sõltuva kriitilise sageduse (Hanseni puhul 15 MHz), sumbub Zenneck PV palju vähem kui maakiir. Järelikult toimus sagedusel üle 15 MHz elektromagnetvälja levik maanduskiire kujul ja sagedusel alla 15 MHz Zennecki PV kujul, mis seletab anomaaliat. Hanseni tööst saadud suhtelised SW sumbumise andmed on hästi kooskõlas meie enda laborimõõtmiste tulemustega.

Zennecki laine laboris jälgimine ja tuvastamine on esimene samm selle nähtuse uurimisel. Järgmine samm on selle uurimine looduslikes tingimustes. Oleme vaaginud SW üle ookeanipinna levimise erinevaid aspekte (Maa kumerus, lainete mõju) uute kaugraadiosidekanalite ja Zennecki pinnalaineradari loomise võimaluse seisukohalt.

Lõputöö materjal on esitatud järgmises järjestuses.

I osa. Aeglased PMV-d pooljuhtides

I peatükis vaadeldakse normaalsete elektromagnetlainete spektrit magnetiseeritud pooljuhi pinnal ja visandatakse aeglase pinnamagnetoplasma laine teooria.

II peatükis kirjeldatakse katsetehnikat, katse seadistust ja proovide parameetreid.

III peatükis uuriti mööda vaba pinda liikuvaid laineid, leiti nende olemasolu piirkond, laine kuju, levimise mittevastasus ja pikkuse sõltuvus selle levimissuuna ja laine orientatsiooni vahelisest nurgast. rajati magnetväli, eraldati pinnalaine ja maa-alune helikon.

IV peatükk on pühendatud pinnalainetele piiratud struktuurides (lainejuhi levimisrežiim). Määrati kindlaks laine magnetväljas esinemise piirkond, mõõdeti temperatuuri sumbumist ja mõju levimisomadustele ning demonstreeriti laine levimise väljendunud mittevastavust ja ühesuunalisust magnetvälja suhtes.

V peatükis esitatakse Fabry-Perot pinnaresonaatoris seisval lainerežiimil tehtud uuringu tulemused. Vaadeldakse laine liikumise mustrit, määratakse selle struktuur, dispersioon ja kiirus. Kirjeldatakse aeglaste PMF-ide uurimisel avastatud mahulainevälja ebatavalise kontsentratsiooni mõju, pooljuhi mahus helikoonkiirte teket.

VI peatükis pakutakse välja 12 raadiotehnika seadet, mida saaks luua aeglaste pinnamagnetoplasma lainete baasil.

II osa Pinna elektromagnetlained soolasel veel

I peatükis analüüsitakse tööd magnetväljata elektromagnetiliste pinnalainetega: on toodud A. Sommerfeldi teooria põhimõtteliselt olulised punktid; kriitiliselt vaadatakse läbi L.I.Mandelyptamma teoreetiline kontseptsioon; esitatakse kaasaegne vaade pinna elektromagnetlainetele; Kirjeldatakse Zennecki laine põhiomadusi.

Sarnased väitekirjad erialal "Radiofüüsika", 04/01/03 kood VAK

• Elektromagnetilised ergastused anisotroopse ribastruktuuriga juhtides 1984, füüsika- ja matemaatikateaduste kandidaat Savinsky, Sergei Stepanovitš

• Korrastatud mikro- ja nanostruktuuride moodustumise seaduspärasused kondenseerunud aines pinnapolaritoni režiimide laserergastuse korral 1999, füüsika- ja matemaatikateaduste doktor Solovjov, Oleg Viktorovitš

Lõputöö kokkuvõte teemal “Radiofüüsika”, Datsko, Vladimir Nikolajevitš

PEAMISED TULEMUSED

1 On tõestatud, et aeglased pinnaelektromagnetlained eksisteerivad magnetväljas plasmataolise keskkonna ja dielektriku vahelises liideses.

2 Pinna elektromagnetiliste võnkumiste spektrit täiendab madalsageduslik haru: aeglased magnetoplasmalained avastati ja uuriti indiumantimoniidis temperatuuril 200-400 K, HF ja mikrolaine vahemikus ning magnetväljades kuni 30 kOe. Olemise domeen on loodud; dispersioon; faasikiirus ja sumbumine, põikvälja struktuur; polarisatsioon.

3 On kindlaks tehtud, et magnetiseeritud pooljuhis muundub pinna lähedal asuv mahthelikon pseudopinnalaineks.

4 Välja on töötatud eksperimentaalne meetod pinnaaeglase magnetoplasma ja kiirete elektromagnetlainete uurimiseks juhtivate ainete pinnal.

5 Avastati "elektromagnetilise punktsiooni" nähtus: indiumi antimoniidi plaadil, mis on asetatud selle tasapinnaga normaalsesse magnetvälja, levib mikrolaine elektromagnetväli ebahomogeense ergastusega kogu ruumala ulatuses laine kujul, millel on anomaalselt kontsentreeritud väli. , erineb tuntud helikonist.

Välja on pakutud 7 12 aeglaste pinnamagnetoplasma lainetel põhinevat seadet ning saadud on kaks autoritunnistust.

Pange tähele, et ülaltoodud teaduslikud tekstid on postitatud ainult informatiivsel eesmärgil ja need saadi algse väitekirja tekstituvastuse (OCR) abil. Seetõttu võivad need sisaldada ebatäiuslike tuvastamisalgoritmidega seotud vigu. Meie poolt edastatavate lõputööde ja kokkuvõtete PDF-failides selliseid vigu pole.

HF levimine ionosfääri lainega toimub järjestikuse peegelduse kaudu ionosfääri F-kihilt (mõnikord ka E-kihilt) ja Maa pinnalt. Sel juhul läbivad lained ionosfääri alumist piirkonda - kihid E ja D, milles nad läbivad neeldumise (joon. 5, a). Kõrgsageduslikul raadioside pidamiseks peavad olema täidetud kaks tingimust: lained peavad peegelduma ionosfäärilt ja elektromagnetvälja tugevus antud kohas peab olema vastuvõtuks piisav, st laine neeldumine ionosfääri kihtides ei tohiks olla piisav. olla liiga suur. Need kaks tingimust piiravad kasutatavate töösageduste vahemikku.

Laine peegeldamiseks on vajalik, et töösagedus ei oleks liiga kõrge ja ionosfäärikihi elektrontihedus oleks piisav selle laine peegeldamiseks vastavalt punktile (3-44). Sellest tingimusest valitakse maksimaalne rakendatav sagedus (MUF), mis on töövahemiku ülempiir.

Teine tingimus piirab töövahemikku altpoolt: mida madalam on töösagedus (lühilainevahemikus), seda tugevam on laine neeldumine ionosfääris (vt joonis 5). Madalaim rakendatav sagedus (LOF) määratakse tingimusel, et antud saatja võimsuse korral peab elektromagnetvälja tugevus olema vastuvõtuks piisav.

Ionosfääri elektrontihedus muutub päeva ja aasta jooksul. See tähendab, et muutuvad ka töövahemiku piirid, mis toob kaasa vajaduse muuta töölainepikkust päeva jooksul:

Päeval töötavad nad 10-25 m lainetel ja öösel 35-100 m lainetel.

Vajadus valida õige lainepikkus sideseanssideks erinevatel aegadel raskendab jaama ülesehitust ja operaatori tööd.

KB vaikuse tsoon on saatejaamast teatud kaugusel paiknev rõngakujuline ala, mille sees on võimatu raadiolaineid vastu võtta. Vaikuse tsooni tekkimine on seletatav asjaoluga, et maapinna laine nõrgeneb ega jõua sellesse piirkonda (punkt 6 joonisel 3-39, a) ning ionosfäärile väikese nurga all langevate ionosfääri lainete puhul peegeldustingimused ei ole täidetud (3-44). Vaikse tsooni (SB) piirid laienevad lainepikkuse lühenemisel ja elektrontiheduse vähenemisel.

KB-riba tuhmumine on sügavam kui CB-ribas. Peamine tuhmumise põhjus on ionosfäärist ühe või kahe peegelduse kaudu levivate kiirte interferents (joon. 3-39, o). Lisaks põhjustab pleekimist raadiolainete hajumine ionosfääri ebakorrapärasustele ja hajuslainete interferents (joonis 3-39,6), samuti magnetiliselt lõhenenud tavaliste ja erakorraliste komponentide häired. laine (joon. 3-39, c). Mõõtmiste töötlemine lühikeste ajavahemike järel (kuni 5 minutit) näitas, et amplituudijaotuse funktsioonid on lähedased Rayleighi jaotusele (3-54). Suurte vaatlusajavahemike jooksul on jaotus lognormaalsele lähemal, standardhälbega 6±1,25 dB. Mõlemal juhul ületas signaali väljatugevuse tasemete erinevus 10% ja 90% ajast on 16±3,2 dB.

Tuhmumissagedus (§ 3-6) jääb vahemikku 6-16 tuhmumist minutis. 3000 km pikkustel liinidel on tuhmumismäär 2–6 korda väiksem kui 6000 km pikkusel liinil. Korrelatsiooni ajavahemik on vahemikus ?o = 4,5 - 1,5 s. Ruumilise korrelatsiooni skaala oleneb raadiosideliini pikkusest, töösagedusest, ionosfääri ebahomogeensuste iseloomust ning jääb vahemikku rо==210-560 m (10 - 25?). Tuhmumise vastu võitlemiseks kasutatakse vastuvõttu vahekaugusega antennidega. Eraldussuund on soovitatav valida tee suunaga risti, eralduskaugus võetakse korrelatsiooniskaala suurusjärgus 10?. Eraldatud antennidelt vastuvõetud signaalid lisatakse pärast tuvastamist. Polarisatsiooni mitmekesisus on efektiivne - vastuvõtt kahe antenniga, millel on vastastikku risti polarisatsioon. Vastuvõtuantennid koos
kitsas kiirgusmuster, mis on keskendunud ainult ühe kiirte vastuvõtmisele.

Soodsates levimistingimustes võib KB teha ühe või mitu korda ümber maakera. Seejärel saab lisaks põhisignaalile vastu võtta ka teise signaali, mille viivitus on umbes 0,1 s ja mida nimetatakse raadiokajaks. Raadiokajal on meridionaalsetele joontele segav mõju.

Pinnapealsed elektromagnetlained

Pinnalained on lained, mis levivad piki kahe keskkonna vahelist liidest ja tungivad nendesse meediumitesse lainepikkusest väiksemal kaugusel. Pinnalainetes on kogu energia koondunud liidese kitsasse lähedusse ja pinna olek mõjutab oluliselt nende levikut. Seetõttu on pinnalained teabeallikaks pinna seisundi kohta. Veelgi enam, keha- ja pinnalainete vastastikmõju võib põhjustada erinevaid pinnaefekte, nagu harmooniliste teke, polarisatsioonitasandi pöörlemine peegeldumisel jne. Pinnalainete omadusi ideaalsete pindade jaoks uuriti teoreetiliselt üsna kaua aega tagasi, kahekümnenda sajandi alguses. Kuid nad õppisid eksperimentaalselt puhtaid pindu saama alles kahekümnenda sajandi lõpus.

1901. aastal leidis Sommerfeld erilahendused Maxwelli võrranditele – eksponentsiaalselt lagunevatele lainetele, mis levisid mööda kahe meediumi liidest. Toona ei pööratud tema tööle tähelepanu, arvati, et tegemist on täiesti eksootiliste esemetega. 1902. aastal avastas Wood metallide difraktsioonvõre omadusi uurides valguse levimises kõrvalekaldeid difraktsiooniseadustest teatud sagedustel. Neid kõrvalekaldeid nimetati Woodi anomaaliateks. 1941. aastal selgitas Fano neid anomaaliaid – energia muutub pinnalaineteks. 1969. aastal pakkus Otto välja prisma abil erutavate pinnalainete skeemi metallkiles. 1971. aastal pakkus Kretschmann välja sama asja teise geomeetria. 1988. aastal pakkusid Saksa teadlased Knohl ja Rothenhäusler välja pinnalainetel põhineva mikroskoobi disaini ja rakendasid selle.

Natuke teooriat. Maxwelli võrrandid keskkonnas

Materjali võrrandid

Tavaliselt otsime lahendust levivate tasapinnaliste harmooniliste lainete näol.

Asendades seda tüüpi lahendusi materjali võrrandites, leiame, et  ja  sõltuvad sagedusest - ajaline dispersioon ja lainevektor - ruumiline dispersioon. Suhet sageduse ja lainevektori vahel  ja  kaudu nimetatakse dispersiooniseosteks.

Selles aruandes eeldame, et  ei sõltu sagedusest ja = 1. Optilises sagedusalas on see tingimus üsna hästi täidetud. Kuna  sõltub sagedusest, võib see võtta erinevaid väärtusi, sealhulgas negatiivseid.

Vaatleme probleemi tasapinnalise monokromaatilise laine langemise kohta keskkonnast, mille väärtus on  1, mingi aine  2 ideaalsele pinnale.

P
Sel juhul on täidetud järgmised piirtingimused:

JA
Nendest piirtingimustest saadakse tavalist lahendivormi asendades tuntud Fresneli valemid, Snelli seadus jne. Selliseid lahendusi ei ole aga alati olemas. Vaatleme juhtumit, kui keskkonna dielektriline konstant on negatiivne. See juhtum realiseerub metallides teatud sagedusvahemikus. Siis lahendusi levivate lainete kujul ei eksisteeri. Otsime lahendusi pinnalainete näol.

Asendades selle esituse võrrandite ja piirtingimustega *, leiame, et on olemas TM-tüüpi (ristimagnetilised) lained. Need on osaliselt pikisuunalised lained, elektrivälja vektoril võib olla pikisuunaline komponent.

D
Nende lainete puhul saab ka piirtingimustest saada dispersiooniseoseid.

Kus
- lainevektor vaakumis. Sagedussõltuvus esineb kaudselt ka funktsioonides  1 () ja  2 ().

Mis on metallide negatiivne dielektriline konstant? Metallide optilised põhiomadused on määratud elektronide omadustega. Metallides olevad elektronid on vabad ja võivad liikuda elektrivälja mõjul. Pealegi liiguvad nad nii, et nende tekitatav väli on välisele elektriväljale vastupidises suunas. Siit pärineb negatiivne märk. Seetõttu varjavad metallis olevad elektronid osaliselt välisvälja ja see tungib metalli sügavusele, mis on oluliselt väiksem kui lainepikkus. Kui aga välisvälja sagedus on nii kõrge, et elektronidel pole aega reageerida, siis muutub metall läbipaistvaks. Iseloomulikku sagedust, mille juures see toimub, nimetatakse plasma sagedus .

Siin on lihtne valem - Drude'i valem, mis näitab metalli dielektrilise konstandi sõltuvust sagedusest.

kus  p on plasma sagedus,  on kokkupõrke sagedus.

Samuti on lihtne seletada, miks on pinnalainete polarisatsioon just TM, kus elektriväli on pinnaga paralleelne. Elektronid ei saa metallist lihtsalt lahkuda, selleks tuleb teha tööd (tööfunktsioon). Seega, kui elektriväli on pinnaga risti, ei too see kaasa pinnalainete ergastumist – elektronid kaotavad energiat potentsiaalse barjääri – pinnal. Pealegi on väli muutuv ja see kas annab elektronidele energiat või võtab selle ära, nii et elektron ei lahku pinnalt. Kui väli on pinnaga paralleelne, siis see ergastab elektronide võnkumisi samas suunas, kus puudub potentsiaalbarjäär.

JA Seega on pinnalainete dispersioonikõver metallis. Joonisel on see sinine kõver. Punane joon on vaakumi dispersioonikõver.

Mis tahes lainete ergutamise peamine tingimus on faaside sobitamise tingimus. Faasi sobivus on langeva laine ja pinnalaine faasikiiruste võrdsus. Dispersioonikõverate põhjal on selge, et metallplaadis on võimatu ergastada pinnalaineid vaakumist langeva lainega. Pinnalainete ergastamiseks on kaks võimalust – a) häiritud täielik sisepeegeldus ja b) pinnale resonantsstruktuuride loomine.

A) Häiritud täielikku sisemist peegeldust tuntakse ka optilise tunneliefektina. Dielektrilisel piiril tekivad kogu sisepeegelduse nurgast suurema langemisnurga all pinnalained, mis seejärel muudetakse mahulisteks peegeldunud laineteks. Kuid kui faaside sobitamise tingimused metalliga piiril on täidetud, saab need lained muundada metallplaadi pinnalaineteks. See nähtus on pinnalainete prismaatilise ergastuse aluseks.

B
) Resonantsstruktuuride all peame silmas perioodilisi struktuure, mille periood on suurusjärgus pinnalainete lainepikkuse suurusjärgus. Sellistes perioodilistes struktuurides muutub faasi sobitamise tingimus - , kus on pöördvõre vektor. Pinnalainete ergastamine toob kaasa Woodi anomaaliad – difraktsioonivõre difraktsioonivalguse intensiivsuse muutumise, mis on vastuolus difraktsiooni standardseadusega.

P pinnaplasmonid ergastuvad teatud valguse langemisnurkade all ja piirilt peegelduva valguse intensiivsus sõltub väga palju langemisnurgast. See on niinimetatud plasmonresonants. Kui pinna omadused muutuvad, muutub ka langemisnurk, mille juures seda resonantsi vaadeldakse, seetõttu saate teatud langemisnurgale häälestades jälgida valguse intensiivsuse muutust. Sellel efektil põhineb mikroskoobi toime pinnaplasmonidele.

1 - laser

2 - polarisaator

3 - koordinaatide tabel

4 - metallkilega prisma

5 - teleskoop

6 - fotodetektor

Laser fokusseeritakse hõbedase kile pinnale, millel vaatlusobjekt asub. Koordinaadistaadiumi abil valitakse langemisnurk nii, et see vastaks puhta metalli plasmonresonantsile. Kui kile omadused muutuvad, muutub valguse intensiivsus fotodetektoris ja selle muutuse järgi saab hinnata kile paksuse muutust.

-
dielektriliste muutuste tuvastamine. läbilaskvus fikseeritud kilepaksuse juures

Paksuse muutuste tuvastamine fikseeritud kettaga. läbilaskvus

Määramatuse seost siin aga ei rikuta: aga teises koordinaadis, filmitasandil, on eraldusvõime üsna madal - laser fokusseeritakse umbes 2 mikroni suurusesse kohta.

JA
Pinnalainete teine ​​rakendusala on kasutusvõimalus kõrge eraldusvõimega optilises litograafias.

Fotoresist, millele kantakse üle originaali kujutis. Pildi suurus on umbes 10 nm

Perforeeritud metallkile. Pinnalainete efektiivne ergastamine, mis edastavad teavet originaali struktuuri kohta

Originaal on kõrge eraldusvõimega pilt, mis on toodetud elektronkiire litograafia abil.

valgus

Elektronkiire litograafia on kõrge eraldusvõimega, kuid nõuab järjestikust pildistamist (rida-realt, nagu teleris), mis on tööstuslike rakenduste jaoks väga aeganõudev. Kui see koopiate tegemise võimalus realiseerub tööstuslikus mastaabis, vähendab see oluliselt integreeritud mikrostruktuuride valmistamise kulusid.

Bibliograafia:

1. S.I. Valjanski. Pinna plasmonmikroskoop, Sorose haridusajakiri, nr 8, 1999

2. M.N. Libenson Optilise ulatuse elektromagnetilised pinnalained, Sorose haridusajakiri, nr 10, 1996

3. Rothenhäusler B., Knoll W. Pinnaplasmonmikroskoopia, loodus. 1988. Nr 6165. Lk. 615-617.

4. Sündinud, hunt " Optika põhitõed", peatükk "Metallide optika"

5. F. J. Garcia-Vidal, L. Martin-Moreno Valguse edastamine ja fokuseerimine ühemõõtmelistes perioodiliselt nanostruktuuriga metallides, Phys. Rev. B 66, 155412 (2002)

6. N.A. Gippius, S. G. Tihhodejev, A. Christ, J. Kuhl, H. Giessen . Plasmon-lainejuhi polaritonid metall-dielektrilistes fotoonkristalli kihtides, Physics of Solid State, 2005, köide 47, number. 1