Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Дослідження в області взаємодії електромагнітних хвиль з плазмовою є актуальними для сфер радіофізики і електроніки. Антени, засновані на плазмі, мають властивості і особливості, які перспективні для багатьох галузей радіотехніки.

Плазма має заряджені частинки, електрони і іони, отже, має провідність. Плазмові антени можуть використовуватися в якості антен для передачі і прийому радіосигналів. Плазмова антена — це пристрій, що має різні переваги в галузі зв’язку, основною перевагою є те, що така антена може бути відключена і включена електрично. Шляхом зміни робочих параметрів, наприклад, робочого тиску, частоти збудження, вхідної потужності, радіуса діелектричної трубки, довжини плазмового стовпа, матеріалу газу, одиночну плазмову антену можна перетворити в матричну плазмову антену, спіральні антени. Це демонструє можливість реконфігурації антен, заснованих на плазмі. Зміна щільності і провідності плазми змінює власну частоту плазми, тому є можливість перенастроювання однієї плазмової антени для різних частот. При використанні плазмової антена можна електронно керувати випромінюванням в різних напрямках [1].

1. Огляд литератури

1.1 Процес іонізації газів

На відміну від металів і електролітів, гази складаються з електрично нейтральних молекул і атомів і не мають вільних зарядів (іонів і електронів), які здатні до впорядкованого руху під впливом електричного поля. Тобто, в нормальних умовах гази не можуть проводити електричний струм — є діелектриками. Однак газ може бути і провідником в разі, якщо частина молекул розщепиться на електрони і позитивні іони. Такий процес розщеплення називається іонізацією газу. Також в газі можуть з’являтися і негативні іони через з’єднання частини звільнившихся електронів з нейтральними молекулами газу.

Молекули і атоми газового середовища можна представити у вигляді стійких систем заряджених частинок. Отже, для їх іонізації потрібно зробити роботу, спрямовану проти сил взаємодії вириваємого електрона й іншою частиною молекули (атома). Це явище називається роботою іонізації. Величина роботи іонізації залежить від енергетичного стану електрона, що виривається з атома, і також від хімічної природи газу. Найслабший зв’язок з ядром у валентних електронів, отже, для виривання такого електрона потрібно затратити меншу роботу, ніж для будь-якого іншого. При цьому після видалення одного електрона з атома, зв’язок електронів, що залишилися з ядром посилюється. З цього випливає висновок, що для виривання кожного наступного електрона, необхідно здійснювати значно більшу роботу ніж для попереднього.

Роботу іонізації можна характеризувати за допомогою потенціалу іонізації. Потенціалом іонізації називають різницю потенціалів, яку електрон повинен пройти в прискорюючему електричному полі для того, щоб його енергія збільшилася до рівня роботи іонізації [2].

Газ може іонізуватися під дією різних зовнішніх впливів. До таких можливих впливів можна віднести:

Кількісно процес іонізації характеризується інтенсивністю іонізації, і вимірюється числом пар протилежних за знаком заряджених частинок, які виникають в одиниці об’єму газу за одиницю часу.

В наслідок того, що в звичайних умовах газ постійно піддається дії радіоактивних випромінювань і космічних променів, можна зробити висновок, що провідність газу ніколи не дорівнює нулю, і в ньому завжди є вільні заряди, крім випадків, коли прийняті спеціальні заходи щодо захисту газу від будь-яких іонізуючих факторів. Проте інтенсивність іонізації через космічні промені і розпаду розсіяних в земній корі радіоактивних елементів мала, і тому провідність газу, в нормальних умовах, хоч і не нульова, але дуже близька до цього значення.

Іонізація газу під впливом рухомих електронів та іонів називається ударною іонізацією. У разі зіткнення частинки з нейтральним атомом газу вона передає йому частину своєї енергії. Якщо кінетична енергія частинки порівняно мала, то, виходячи з експериментів, її зіткнення з атомом носить характер пружного удару. Енергія, яка передається при цьому атому, недостатня для його іонізації. З цього випливає, що бомбардування атомів газу частинками з малою енергією, викликає лише нагрівання газу.

Зовсім інакше відбувається процес, якщо з атомом зтикається частка, кінетична енергія якої досить велика. Тоді зіткнення вже носять характер непружних і викликають збудження атомів газу, тобто відбувається перехід атома з нормального енергетичного рівня на більш високий, або ж якщо енергія, що повідомляється атому досить велика, то відбувається іонізація атома. Мінімальна кінетична енергія, яку повинна мати частинка для здійснення ударної іонізації атома газу, не може бути менше роботи іонізації і буде тим ближче до неї, чим менше маса частинки в порівнянні з масою атома. Для електрона ця енергія менше, ніж для будь-якого іона. Для здійснення ударної іонізації іонів потрібно пройти у прискорюючему електричному полі більшу різницю потенціалів, ніж електронам. Робота, яку необхідно зробити для збудження атома, менше, ніж робота іонізації, тому, не пружні зіткнення часток з атомами газу можуть мати місце і в разі, якщо частка має меншу енергію.

Для процесів зіткнення електронів та іонів з молекулами, які складаються з двох і більшого числа атомів, потрібно враховувати, що збудження подібних молекул може складатися в збільшенні не тільки енергії її електронів, а й енергії коливань ядер атомів і енергії обертального руху молекули. В обсязі газу разом з іонізацією відбувається процес рекомбінації іонів в нейтральні частинки [3].

1.2. Особливості плазми

У природі плазми існує багато особливостей, й усі з них важко перелічити, однак можна виділити деякі особливо значущі для поширення електромагнітних хвиль.

До першої особливості можна віднести те, що значення параметрів плазми відрізняється величезним розмаїттям, і з цим же пов’язана друга особливість, часто плазма володіє суттевою неоднорідністю. Для плазми типовим є плавні, проте значні зміни параметрів середовища. Подібні зміни деколи бувають настільки великі, що параметр діелектричної проникності змінює знак [4].

Ще однією особливістю плазми є те, що, використовуючи плазму, можна без особливих зусиль домогтися діелектричної проникності речовини рівною нулю або близьке до цього значення, а також забезпечити слабке поглинання.

Четверта особливість полягає в сильній частотній дисперсії плазми (залежність проникності від частоти).

П’ята особливість полягає в тому, що параметри плазми сильно змінюються під впливом постійного магнітного поля. Таким чином навіть слабкі магнітні поля істотно змінюють характер поширення електромагнітних хвиль в плазмі.

Шостою особливістю є те, що електромагнітні властивості плазми проявляють нелінійність в порівняно легко досяжних полях. Це призводить до явищ нелінійної взаємодії хвиль, які поширюються в плазмі, на відміну від інших речовин, де домогтися нелінійності параметрів можна лише в дуже сильних полях [5].

1.3. Взаємодія плазми з електромагнітними хвилями. Частота плазми

Плазма, з точки зору електромагнітних властивостей, неоднорідна, нелінійна і дисперсійна середа. Магнітна і діелектрична проникність і провідність в плазмі можуть варіюватися в залежності від частоти та інших параметрів, що робить плазму особливим середовищем. В результаті, для будь-якої частоти падаючої хвилі і будь-якої щільності іонізації, існує один конкретний відгук. Слід розрізняти поняття частоти плазми і робочої частоти плазмової антени. Частота плазми — це міра кількості іонізації в плазмі, а робоча частота плазмової антени така ж, як і робоча частота металевої антени [1].

Іони й електрони плазми коливаються з певною частотою, яка і називається частотою плазми. Ця частота залежить від маси іонів й електронів, і від щільності плазми. Чим вище щільність плазми, тим вище її частота. Коли електромагнітна хвиля падає на обсяг плазми, плазма реагує відповідно до співвідношення частоти хвилі і частоти плазми. Якщо частота електромагнітної хвилі вище частоти плазми, хвиля безперешкодно проходить через плазму, в іншому випадку плазма відбиває хвилю як провідний матеріал.

2. Дослідження моделі плазми

Дослідження проходження радіохвиль через плазму, проводилося за допомогою комп’ютерного електродинамічного моделювання у прогрмі CST Studio Suite. Принципи роботи в програмі описані в [6, 7]. У програмі моделювання була змодельована область плазми на основі водню, з концентрацією вільних зарядів 2,472 · 1017 м-3. Власна частота плазми при цьому дорівнює приблизно 4,467 ГГц [8]. Також були проведені досліди проходження радіохвиль з плазмою при різній частоті зіткнення електронів в ній [9]. Плазма мала частоту зіткнення електронів в своєму обсязі рівну 2 · 105 зіткнень в секунду, 2 · 1010 зіткнень в секунду і 2 · 1020 зіткнень в секунду. На рисунку 1 представлена програмна модель плазми, з електричним полем, що розповсюджується від джерела радіохвиль.

Рисунок 1 — Модель плазми (власна частота плазми: 2 ГГц) з електричним полем падаючої хвилі
(анімація: 9 кадрів, 7 циклів повторення, 149 КБ)

2.1 Дослідження проходження радіохвиль різної частоти через плазму

Дослідження проводилося отриманням діаграми спрямованості падаючої хвилі на область плазми. Спочатку були змодельовані дві падаючі хвилі з частотою 1 і 4 ГГц, які менше власної частоти плазми (рисунок 2).

Рисунок 2 — Діаграма спрямованості при падаючій хвилі частотою: а) 1 ГГц; б) 4 ГГц

Як видно з отриманих результатів хвилі з частотами меншими, ніж частота плазми відбиваються від неї, тобто плазма в цьому випадку має властивості подібними металу. Потім був змодельований випадок, коли частота падаючої хвилі приблизно дорівнює частоті плазми. Результат моделювання представлений діаграмою спрямованості зображеній на рисунку 3.

Рисунок 3 — Діаграма спрямованості при падаючій хвилі частотою 4,5 ГГц

З рисунка 3 видно, що частково хвиля здатна пройти через обсяг плазми, однак значна частина енергії все ще відбивається від нього.

Далі було змодельовано проходження радіохвиль з частотою, що перевищує частоту плазми. На рисунку 4 представлені діаграми спрямованості з частотами 5 і 10 ГГц.

Рисунок 4 — Діаграма спрямованості при падаючій хвилі частотою: а) 5 ГГц; б) 10 ГГц

З отриманих діаграм видно, що при частоті радіохвилі, що перевищує частоту плазми, плазма вже практично не надає відбиваючої дії. При частоті, що мало перевищує частоту плазми спостерігається незначне відбиття частини енергії падаючої хвилі, а при частоті, що помітно перевищує частоту плазми відбиття вже практично відсутнє.

2.2 Дослідження проходження радіохвиль через плазму з різною частотою зіткнення електронів

Спочатку був проведений експеримент з плазмою власна частота якої вище частоти радіохвилі, що проходить через неї. Частота сигналу дорівнює 2 ГГц. На рисунку 5 представлені діаграми спрямованості, сформовані в результаті розрахунку програмою проходження радіохвилі через плазму.

Рисунок 5 — Діаграма спрямованості для радіохвилі частотою 2 ГГц при частоті зіткнень електронів: а) 2 · 105 зіткн./с; б) 2 · 1010 зіткн./с; в) 2 · 1020 зіткн./с.

З рисунка 5 видно, що при частоті падаючої хвилі меншою власної частоти плазми, енергія сигналу зазнає відбиття, значне поглинання енергії і розсіювання в плазмі. При меншій частоті зіткнень електронів, енергія хвилі в значній мірі поглинається і частково відбивається від шару плазми. При збільшенні, спостерігається збільшення ступеня поглинання енергії і розсіювання її в плазмі. При найбільшій частоті зіткнень електронів хвиля навіть частково проходить через обсяг плазми.

На наступному етапі досліджень частота радіосигналу була підвищена до 4,5 ГГц, що приблизно збігається з частотою плазми. На рисунку 6 представлені діаграми спрямованості для даного випадку.

Рисунок 6 — Діаграма спрямованості для радіохвилі частотою 4,5 ГГц при частоті зіткнень електронів: а) 2 · 105 зіткн./с; б) 2 · 1010 зіткн./с; в) 2 · 1020 зіткн./с.

Судячи по діаграмах на рисунку 6 в разі, коли частота падаючої радіохвилі збігається з частотою плазми, сигнал зазнає менші загасання, ніж коли частота хвилі менше частоти плазми. При цьому, при меншій частоті зіткнень електронів в плазмі енергія хвилі поглинається, частково відбивається, і деяка частина енергії може подолати плазмовий шар. При збільшенні частоти зіткнень електронів, хвиля значною мірою розсіюється в обсязі плазми. При подальшому збільшенні частоти зіткнення електронів, як і в випадку з проходженням хвилі меншої частоти, хвиля проходить через обсяг плазми, однак, відчуває в даному випадку менше поглинання і розсіювання.

Останнім етапом даного дослідження є вивчення проходження хвилі з частотою більшою, ніж частота плазми. На рисунку 7 представлені отримані в програмному продукті діаграми спрямованості, для хвилі частотою 10 ГГц.

Рисунок 7 — Діаграма спрямованості радіохвилі частотою 10 ГГц при частоті зіткнень електронів: а) 2 · 105 зіткн./с; б) 2 · 1010 зіткн./с; в) 2 · 1020 зіткн./с.

Судячи з рисунка 7 при частоті хвилі, що перевищує частоту плазми, сигнал вільно проходить через плазму практично не зазнаючи поглинання, але при менших частотах зіткнення електронів в плазмовому шарі спостерігається незначне розсіювання енергії хвилі. Тобто плазма в цьому випадку виступає в якості діелектрика, не перешкоджаючи поширенню електромагнітних хвиль.

Висновки

Таким чином видно, що плазма змінює свої властивості для радіохвиль різної частоти, відбиває хвилі з частотою меншою, ніж її власна, і пропускає хвилі, що перевищують її власну частоту. І змінюючи щільність плазми, змінюючи її частоту, можна керувати проходженням хвиль різних частот, або знаючи параметри плазми, обчислити частоти необхідні для подолання плазмового шару.

Підвищення частоти зіткнень електронів в плазмі при однаковій частоті коливань зарядів в ній знижує здатність плазми до відбиття електромагнітних хвиль. При цьому посилюються процеси поглинання і розсіювання енергії в просторі. У разі якщо частота падаючої на шар плазми хвилі близька до власної частоти плазми, збільшення частоти зіткнень електронів призводить до більшого розсіюванню і проходженню сигналу через обсяг плазми. При цьому, чим менше частота хвилі в порівнянні з частотою плазми, тим більше рівень поглинання енергії, а збільшення частоти зіткнень електронів призводить до ще більшого збільшення поглинання і підсилює розсіювання енергії в плазмі. Якщо ж частота сигналу вище частоти плазми, то зміна параметра частоти зіткнення електронів вже не має значного впливу на електромагнітні хвилі, що проходять через плазму.

Список джерел

  1. Prince Kumar, Rajneesh Kumar, Simulation of Plasma Antenna Parameters, International Journal of Engineering Technology, Management and Applied Sciences, Vol. 4, Issue 5, ISSN 2349-4476, May 2016.
  2. Физические величины: Справочник / А. П. Бабичев, Н. А. Бабушкина, А. М. Братковский [и др.].; Под. ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.
  3. Курс физики (в трех томах). Т. II. Электричество и магнетизм: учеб. пособие для втузов / А. А. Детлаф [и др.]. — 4-е изд., перераб. — М.: Высш. школа, 1977. — 375 с.
  4. Голант, В. Е. Основы физики плазмы / В. Е. Голант, А. П. Жилинский, И. Е. Сахаров. — М.: Атомиздат, 1977. — 384 с.
  5. Гинзбург, В. Л. Распространение электромагнитных волн в плазме / В. Л. Гинзбург. — М.: Наука, 1967. — 684 с.
  6. Курушин, А. А., Пластиков, А. Н. Проектирование СВЧ устройств в среде CST Microwave Studio. — М.: Издательство МЭИ, 2011, 155 с.
  7. Курушин, А. А. Школа проектирования СВЧ устройств в CST STUDIO SUITE. — М.: One-Book, 2014. — 433 с.
  8. Энговатов Д. С., Паслён В. В. Особенности распространения электромагнитных волн в плазме, XXI Міжнародна молодіжна науково-практична конференція Людина і Космос: Збірник тез — Дніпро: 2019, ISSN 2221-4550.
  9. Энговатов Д. С., Паслён В. В., Исследование зависимости распространения радиоволн через плазму с различной частотой столкновения электронов, Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых: сборник научных трудов ХIХ международной научно-технической конференции аспирантов и студентов в г. Донецке 21–23 мая 2019 г. — Донецк: ДОННТУ, 2019.