Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Исследования в области взаимодействия электромагнитных волн с плазменной средой являются актуальными для сфер радиофизики и электроники. Антенны, основанные на плазме, обладают свойствами и особенностями, которые перспективны для многих отраслей радиотехники.

Плазма имеет заряженные частицы, электроны и ионы, следовательно, обладает проводимостью. Плазменные антенны могут использоваться в качестве антенн для передачи и приема радиосигналов. Плазменная антенна — это устройство, имеющее различные преимущества в области связи, основное преимуществом является то, что такая антенна может быть отключена и включена электрически. Путем изменения рабочих параметров, например, рабочего давления, частоты возбуждения, входной мощности, радиуса диэлектрической трубки, длинна плазменного столба, материала газа, одиночную плазменную антенну можно преобразовать в матричную плазменную антенну, спиральные антенны. Это демонстрирует возможность реконфигурации антенн, основанных на плазме. Изменение плотности и проводимости плазмы меняет собственную частоту плазмы, поэтому имеется возможность перенастройки одной плазменной антенны для разных частот. При использовании плазменной антенна можно электронно управлять излучением в различных направлениях [1].

1. Обзор литературы

1.1 Процесс ионизации газов

В отличии от металлов и электролитов, газы состоят из электрически нейтральных молекул и атомов и не имеют свободных зарядов (ионов и электронов), которые способны к упорядоченному движению под воздействием электрического поля. То есть, в нормальных условиях газы не могут проводить электрический ток — являются диэлектриками. Однако газ может быть и проводником в случае, если часть молекул расщепятся на электроны и положительные ионы. Такой процесс расщепления называется ионизацией газа. Также в газе могут появляться и отрицательные ионы из-за соединения части освободившихся электронов с нейтральными молекулами газа.

Молекулы и атомы газовой среды можно представить в виде устойчивых систем заряженных частиц. Следовательно, для их ионизации нужно совершить работу, направленную против сил взаимодействия вырываемого электрона и остальной частью молекулы (атома). Это явление называется работой ионизации. Величина работы ионизации зависит от энергетического состояния электрона, вырываемого из атома, и также от химической природы газа. Самая слабая связь с ядром у валентных электронов, следовательно, для вырывания такого электрона потребуется затратить меньшую работу, чем для какого-либо другого. При этом после удаления одного электрона из атома, связь оставшихся электронов с ядром усиливается. Из этого следует вывод, что для вырывания каждого последующего электрона, необходимо совершать значительно большую работу чем для предыдущего.

Работу ионизации можно характеризовать с помощью потенциала ионизации. Потенциалом ионизации называют разность потенциалов, которую электрон должен пройти в ускоряющем электрическом поле для того, чтобы его энергия увеличилась до уровня работы ионизации [2].

Газ может ионизироваться под действием различных внешних влияний. К таким возможным воздействиям можно отнести:

Количественно процесс ионизации характеризуется интенсивностью ионизации, и измеряется числом пар противоположных по знаку заряженных частиц, которые возникают в единице объема газа за единицу времени.

В следствие того, что в обычных условиях газ постоянно подвержен действию радиоактивных излучений и космических лучей, можно сделать вывод, что проводимость газа никогда не равна нулю, и в нем всегда есть свободные заряды, кроме случаев, когда приняты специальные меры по защите газа от любых ионизирующих факторов. Тем не менее интенсивность ионизации из-за космических лучей и распада рассеянных в земной коре радиоактивных элементов мала, и поэтому проводимость газа, в нормальных условиях, хоть и не нулевая, но очень близка к этому значению.

Ионизация газа под воздействием движущихся электронов и ионов называется ударной ионизацией. В случае столкновения частицы с нейтральным атомом газа она передает ему часть своей энергии. Если кинетическая энергия частицы сравнительно мала, то, исходя из экспериментов, ее соударение с атомом носит характер упругого удара. Энергия, которая передается при этом атому, недостаточна для его ионизации. Из этого следует, что бомбардировка атомов газа частицами с малой энергией, вызывает лишь нагрев газа.

Совсем иначе происходит процесс, если с атомом соударяется частица, кинетическая энергия которой достаточно велика. Тогда соударения уже носят характер неупругих и вызывают возбуждение атомов газа, то есть происходит переход атома с нормального энергетического уровня на более высокий, или же если энергия, сообщаемая атому достаточно велика, то происходит ионизация атома. Минимальная кинетическая энергия, которую должна иметь частица для осуществления ударной ионизации атома газа, не может быть меньше работы ионизации и будет тем ближе к ней, чем меньше масса частицы по сравнению с массой атома. Для электрона эта энергия меньше, чем для любого иона. Для осуществления ударной ионизации ионам нужно пройти в ускоряющем электрическом поле большую разность потенциалов, чем электронам. Работа, которую необходимо совершить для возбуждения атома, меньше, чем работы ионизации, поэтому, неупругие соударения частиц с атомами газа могут иметь место и в случае, если частица обладает меньшей энергией.

Для процессов соударения электронов и ионов с молекулами, которые состоят из двух и более числа атомов, нужно учитывать, что возбуждение подобных молекул может состоять в увеличении не только энергии ее электронов, но и энергии колебаний ядер атомов и энергии вращательного движения молекулы. В объеме газа вместе с ионизацией происходит процесс рекомбинации ионов в нейтральные частицы [3].

1.2. Особенности плазмы

В природе плазмы существует много особенностей, и все их сложно перечислить, однако можно выделить некоторые особенно значимые для распространения электромагнитных волн.

К первой особенности можно отнести то, что значения параметров плазмы отличается огромным разнообразием, и с этим же связана вторая особенность, зачастую плазма обладает существенной неоднородностью. Для плазмы типичным является плавные, однако значительные изменения параметров среды. Подобные изменения порой бывают столь велики, что параметр диэлектрической проницаемости меняет знак [4].

Еще одной особенностью плазмы является то, что, используя плазму, можно без особых усилий добиться диэлектрической проницаемости вещества равной нулю или близкое к этому значение, а также обеспечить слабое поглощение.

Четвертая особенность заключается в сильной частотной дисперсии плазмы (зависимость проницаемости от частоты).

Пятая особенность состоит в том, что параметры плазмы сильно меняются под воздействием постоянного магнитного поля. Таким образом даже слабые магнитные поля существенно меняют характер распространения электромагнитных волн в плазме.

Шестой особенностью является то, что электромагнитные свойства плазмы проявляют нелинейность в сравнительно легко достижимых полях. Это приводит к явлениям нелинейного взаимодействия волн, которые распространяются в плазме, в отличие от других веществ, где добиться нелинейности параметров можно лишь в очень сильных полях [5].

1.3. Взаимодействие плазмы с падающими электромагнитными волнами. Частота плазмы

Плазма с точки зрения электромагнитных свойств неоднородная, нелинейная и дисперсионная среда. Магнитная и диэлектрическая проницаемость и проводимость в плазме могут варьироваться в зависимости от частоты и других параметров, что делает плазму особой средой. В результате для любой частоты падающей волны и любой плотности ионизации, существует один конкретный отклик. Следует различать понятие частоты плазмы и рабочей частоты плазменной антенны. Частота плазмы — это мера количества ионизации в плазме, а рабочая частота плазменной антенны такая же, как и рабочая частота металлической антенны [1].

Ионы и электроны плазмы колеблются с определенной частотой, которая и называется частотой плазмы. Эта частота зависит от массы ионов и электронов, и от плотности плазмы. Чем выше плотность плазмы, тем выше ее частота. Когда электромагнитная волна падает на объем плазмы, плазма реагирует в соответствии с соотношением частоты волны и частоты плазмы. Если частота электромагнитной волны выше частоты плазмы, волна беспрепятственно проходит через плазму, в ином случае плазма отражает волну как проводящий материал.

2. Исследование модели плазмы

Исследование прохождения радиоволн через плазму, проводилось при помощи компьютерного электродинамического моделирования в программе CST Studio Suite. Принципы работы в программе описаны в [6, 7]. В программе моделирования была смоделирована область плазмы на основе водорода, с концентрацией свободных зарядов 2,472·1017 м-3. Собственная частота плазмы при этом равна приблизительно 4,467 ГГц [8]. Также были проведены опыты прохождения радиоволн с плазмой при различной частоте столкновения электронов в ней [9]. Плазма имела частоту столкновения электронов в своем объеме равную 2 · 105 столкновений в секунду, 2 · 1010 столкновений в секунду и 2 · 1020 столкновений в секунду. На рисунке 1 представлена программная модель плазмы, с распространяющимся от источника радиоволн электрическим полем.

Рисунок 1 — Модель плазмы (собственная частота плазмы: 2 ГГц) с электрическим полем падающей волны
(анимация: 9 кадров, 7 циклов повторения, 149 КБ)

2.1 Исследование прохождения радиоволн различной частоты через плазму

Исследование проводилось получением диаграммы направленности падающей волны на область плазмы. Сначала были смоделированы две падающие волны с частотой 1 и 4 ГГц, которые меньше собственной частоты плазмы (рисунок 2).

Рисунок 2 — Диаграмма направленности при падающей волне частотой: а) 1 ГГц; б) 4 ГГц

Как видно из полученных результатов волны с частотами меньшими, чем частота плазмы отражаются от нее, то есть плазма в этом случае обладает свойствами подобными металлу. Затем был смоделирован случай, когда частота падающей волны приблизительно равна частоте плазмы. Результат моделирования представлен диаграммой направленности изображенной на рисунке 3.

Рисунок 3 — Диаграмма направленности при падающей волне частотой 4,5 ГГц

Из рисунка 3 видно, что частично волна способна пройти через объем плазмы, однако значительная часть энергии все еще отражается от него.

Далее было смоделировано прохождение радиоволн с частотой превышающей частоту плазмы. На рисунке 4 представлены диаграммы направленности с частотами 5 и 10 ГГц.

Рисунок 4 — Диаграмма направленности при падающей волне частотой: а) 5 ГГц; б) 10 ГГц

Из полученных диаграмм видно, что при частоте радиоволны превышающей частоту плазмы, плазма уже практически не оказывает отражающего действия. При частоте мало превышающей частоту плазмы наблюдается незначительное отражение части энергии падающей волны, а при частоте, заметно превышающей частоту плазмы отражение уже практически отсутствует.

2.2 Исследование прохождения радиоволн через плазму с различной частотой столкновения электронов

Сначала был проведен опыт с плазмой собственная частота которой выше частоты радиоволны, проходящей через нее. Частота сигнала равна 2 ГГц. На рисунке 5 представлены диаграммы направленности, сформированные в результате расчета программой прохождения радиоволны через плазму.

Рисунок 5 — Диаграмма направленности для радиоволны частотой 2 ГГц при частоте столкновений электронов: а) 2 · 105 столк./с; б) 2 · 1010 столк./с; в) 2 · 1020 столк./с.

Из рисунка 5 видно, что при частоте падающей волны меньшей собственной частоты плазмы, энергия сигнала испытывает отражение, значительное поглощение энергии и рассеивание в плазме. При меньшей частоте столкновений электронов, энергия волны в значительной степени поглощается и частично отражается от слоя плазмы. При увеличении наблюдается увеличение степени поглощения энергии и рассеивания ее в плазме. При наибольшей частоте столкновений электронов волна даже частично проходит через объем плазмы.

На следующем этапе исследований частота радиосигнала была повышена до 4,5 ГГц приблизительно совпадающей с частотой плазмы. На рисунке 6 представлены диаграммы направленности для данного случая.

Рисунок 6 — Диаграмма направленности для радиоволны частотой 4,5 ГГц при частоте столкновений электронов: а) 2 · 105 столк./с; б) 2 · 1010 столк./с; в) 2 · 1020 столк./с.

Судя по диаграммам на рисунке 6 в случае, когда частота падающей радиоволны совпадает с частотой плазмы, сигнал испытывает меньшие затухания, чем когда частота волны меньше частоты плазмы. При этом, при меньшей частоте столкновений электронов в плазме энергия волны поглощается, частично отражается, и некоторая часть энергии может преодолеть плазменный слой. При увеличении частоты столкновений электронов, волна в значительной мере рассеивается в объеме плазмы. При дальнейшем увеличении частоты столкновения электронов, как и в случае с прохождением волны меньшей частоты, волна проходит через объем плазмы, однако, испытывает в данном случае меньше поглощения и рассеивания.

Последним этапом данного исследования является изучение прохождения волны с частотой большей, чем частота плазмы. На рисунке 7 представлены полученные в программном продукте диаграммы направленности, для волны частотой 10 ГГц.

Рисунок 7 — Диаграмма направленности радиоволны частотой 10 ГГц при частоте столкновений электронов: а) 2 · 105 столк./с; б) 2 · 1010 столк./с; в) 2 · 1020 столк./с.

Судя по рисунку 7 при частоте волны превышающей частоту плазмы, сигнал свободно проходит через плазму практически не испытывая поглощения, но при меньших частотах столкновения электронов в плазменном слое наблюдается незначительное рассеивание энергии волны. То есть плазма в этом случае выступает в качестве диэлектрика, не препятствуя распространению электромагнитных волн.

Выводы

Таким образом видно, что плазма меняет свои свойства для радиоволн различной частоты, отражает волны с частотой меньшей, чем ее собственная, и пропускает волны, превышающие ее собственную частоту. И меняя плотность плазмы, меняя ее частоту, можно управлять прохождение волн различных частот, или зная параметры плазмы, вычислить частоты необходимые для преодоления плазменного слоя.

Повышение частоты столкновений электронов в плазме при одинаковой частоте колебаний зарядов в ней снижает способность плазмы к отражению электромагнитных волн. При этом усиливаются процессы поглощения и рассеивания энергии в пространстве. В случае если частота падающей на слой плазмы волны близка к собственной частоте плазмы, увеличение частоты столкновений электронов приводит к большему рассеиванию и прохождению сигнала через объем плазмы. При этом, чем меньше частота волны по сравнению с частотой плазмы, тем больше уровень поглощения энергии, а увеличение частоты столкновений электронов приводит к еще большему увеличению поглощения и усиливает рассеивание энергии в плазме. Если же частота сигнала выше частоты плазмы, то изменение параметра частоты столкновения электронов уже не имеет значительного влияния на проходящие через плазму электромагнитные волны.

Список источников

  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.