Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Прохождение СВЧ волн через низкотемпературную плазму




Доверь свою работу кандидату наук!
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

1. Плазма – четвертое состояние вещества наряду с твердым, жидким и газообразным. В отличие от привычных нам земных условий в космическом масштабе вещество Вселенной находится в основном в плазменном состоянии.

С ростом температуры твердое вещество переходит в жидкое, а затем – в газообразное. При дальнейшем повышении температуры молекулярное состояние газа переходит в атомарное, а последующий рост температуры (энергии хаотического соударения атомов) приводит к ионизация атомов с образованием плазмы из электронов и ионов. Поскольку энергия ионизации атомов порядка 10 эв, а 1 эв соответствует температуре 11600 К, то температура плазмы, образуемой термическим нагревом, составляет примерно 105 К.

Однако плазма может быть получена не только термическим нагревом, но также за счет ионизации излучением (фотоионизация), бомбардировкой газа заряженными частицами, ионизацией в ВЧ (высокочастотном) поле. В этом случае общая температура газа может быть значительно меньше, чем в термической плазме.

Мы будем иметь дело с низкотемпературной плазмой, полученной ВЧ ионизацией газа, т.е. с плазмой при Т ≤ 105 К и тепловой энергией электронов ~ 10 эв. Рассмотрим кратко основные понятия, вводимые для описания процессов в плазме.

2. Квазинейтральность плазмы. Поскольку "выравнивающие" электрические силы, действующие на ионы и электроны, весьма велики, то обычно плазма находится в квазинейтральном состоянии. Это означает, что объемное распределение плотности ионов и электронов таково, что электрическое поле внутри плазмы в среднем равно нулю, а концентрации ионов и электронов равны ne = ni.

3. Степень ионизации – это отношение числа ионов к полному числу атомов α = ne/n0. Чем выше температура, тем больше степень ионизации.

4. Плазменная частота. Из-за дальнодействия электрических сил взаимодействие происходит не только между соседними заряженными частицами плазмы (ионами и электронами), но распространяется на большие расстояния. Поэтому плазму можно рассматривать как упругую среду, в которой легко возбуждаются различные коллективные колебания, волны и шумы. Наиболее характерны для плазмы ленгмюровские волны – продольные колебания пространственного заряда с частотой

(5)

Подставив константы, получаем значение плазменной частоты

(5')

где n [см-3] и m [г] – концентрация и масса электронов, ε0 – диэлектрическая постоянная.

5. Диэлектрическая проницаемость плазмы. Критическая плотность. В общем случае при отсутствии магнитного поля относительная диэлектрическая проницаемость плазмы зависит от концентрации электронов и частоты их столкновений и имеет комплексный характер

(6)

где – частота столкновений электронов.

Но если частота СВЧ излучения ω значительно превышает частоту столкновений (что справедливо для нашей плазмы), то соударениями можно пренебречь и формула (6) с учетом выражения (5) для ωр перейдет в формулу

(6')

Легко видеть, что при ω = ωр диэлектрическая проницаемость и, соответственно, коэффициент преломления плазмы обращаются в нуль, а при дальнейшем увеличении концентрации электронов становятся мнимыми. Это означает, что СВЧ поле перестает проникать в плазму. Концентрация электронов, начиная с которой СВЧ волна полностью отражается плазмой, т.е. выполняется условие ω = ωр, называется критической частотой ωс, а соответствующая ей концентрация электронов – критической концентрацией nc. Используя выражение для плазменной частоты ωр, получим

(6')

где λ – длина волны СВЧ излучения: (λ = 3,2 см для нашего случая).

6. Линейные волны в плазме. В плазме возможно большое число различных неустойчивостей, солитонов, нелинейных волн и шумов. Но если амплитуда возмущений и нелинейностей относительно мала, то волны можно рассматривать в линейном приближении. Такие волны называются линейными.

В плазме без магнитного поля (наш случай) возможно распространение трех типов линейных волн:

продольные ленгмюровские ωр (причина – электрическое поле, вызываемое разделением зарядов), называемые также плазменными (см формулу 5):

продольные звуковые (ионно-звуковые), распространяющиеся в плазме со скоростью звука vзв

поперечные электромагнитные (световые или радиоволны, СВЧ волны) с частотой

(7)

где k – волновое число, с – скорость света.

Поперечные эл.-магнитные волны (в частности, СВЧ волны) могут распространяться в плазме без магнитного поля только при условии, что их частота превышает плазменную: ω > ωр.

В противном случае (при ω < ωр) показатель преломления становится мнимым, и поперечные волны отражаются от плазмы.







Дата добавления: 2015-08-10; просмотров: 1319. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2022 год . (0.014 сек.) русская версия | украинская версия