Введение к работе
Актуальность работы На основе приведенного краткого обзора можно выделить группу проблем, сформировавшуюся к началу настоящей работы и заслуживающую изучения в области электромагнитных и упругих волн в металлах. В настоящее время недостаточно изучена проблема неустойчивости тока в образцах металла, помещенного в сильное
магнитное поле. Неустойчивости импульсного тока не рассматривались ни теоретически, ни экспериментально. В [6] рассматривается экспериментальная ситуация тонкой пластины, где внешнее магнитное поле подавляет развитие неустойчивости тока. Вместе с тем известно, что сильное продольное току магнитное поле вызывает токово-конвективную винтовую неустойчивость тока в плазме полупроводника. Поэтому достаточно оправдан поиск экспериментальных условий, где могут появиться неустойчивости импульсного тока в металле в магнитном поле.
Захваченные электроны в металле, созданные сильным током во внешнем магнитном поле, движутся параллельно поверхности металла. Часть этих электронов, расположенная в скин-слое высокочастотной волны, формирует динамическую проводимость металла в условиях аномального скин-эффекта. Поэтому есть все оснонания полагать, что неустойчивости импульсного тока будут чрезвычайно сильно влиять на величину высокочастотной проводимости, искажать структуру вихревых токов, созданных волной. В конечном итоге, неустойчивости тока скажутся на параметрах (амплитуде и фазе) прошедшей электромагнитной волны.
В отличие от известных работ [3,11], где эксперименты проводились с колебательными системами, больший интерес представляют бегущие волны в передающих линиях. В них, помимо изменений амплитуды и. фазы, возможно еще искажение пространственного распределения поля за счет образования автоволн.
Поскольку взаимодействие сильного тока и волны составляет нелинейный процесс, представлялось целесообразным провести поиск нелинейных явлений, происходящих с преобразованием частоты, например, генерации гармоник волны. Кроме того, интересен поиск условий генерации электромагнитных СВЧ и ультразвуковых колебаний образцом металла.
В [11] показано, что электромагнитные колебания могут создавать динамический хаос в системе, нелинейность которой вызвана полем сильной волны в металле. Режим динамического хаоса предполагает образование низкоразмерного квазиаттрактора. Заранее неочевидна возможность существования хаоса в линии с бегущей волной -распределенной системе, обладающей, в принципе, бесконечным числом степеней свободы. Разумна постановка экспериментальных и теоретических работ по выявлению режима динамического хаоса в длинной линии с нелинейностью, созданной металлическим проводником под действием импульсов тока! Должен быть выяснен сценарий перехода системы к хаосу. Помимо этого, можно предполагать возможность существования нелинейных автоволн и явлений самоорганизации колебаний.
Для упругих волн в чистых металлах серьезной представляется проблема определения направления потока энергии волн в магнитно поляризованной среде. Можно ожидать, что отклонение вектора потока энергии в магнитном поле наиболее существенно в условиях эффекта внутренней конической рефракции, когда фазовая скорость направлена вдоль акустической оси, а групповая скорость отклоняется. Гиротропия модулей, наведенная магнитной поляризацией, может вызвать отклонение потока энергии. Величина этого эффекта (влияния магнитного поля на коническую' рефракцию) и необходимые условия его наблюдения в металлах к началу настоящей работы практически не изучались.
Возможность измерения времени релаксации электронов проводимости, используя изменение поляризации упругих волн, вызывает необходимость тщательного исследования амплитуды и формы линии резонансных магнитоакустических явлений. В монокристаллах особочистых металлов на частотах около сотни мегагерц возможно достижение условия промежуточной временной дисперсии. В этих условиях форма линии претерпевает изменения по сравнению с более низкими частотами.
К началу этой работы имелись лишь отрывочные сведения о влиянии рассеяния электронов проводимости на дислокациях на коэффициент поглощения упругих волн. Ввиду анизотропии этого вида рассеяния отдельные участки поверхности Ферми металла могут иметь повышенную чувствительность к этому малоугловому рассеянию. В частности, такую повышенную чувствительность можно предполагать у электронов, находящихся на так называемых "горячих пятнах", участках, где листы ПФ наиболее близко подходят друг к кругу. Наложением магнитного поля можно добиться, что орбиты электронов, эффективно взаимодействующие с ультразвуком, будут проходить через эти горячие пятна. Тогда можно ожидать изменения коэффициента поглощения ультразвука.
Для наиболее полного изучения взаимодействия сильного импульсного тока в металлах с электромагнитными волнами целесообразно в качестве объектов исследования выбрать несколько металлов, в том числе компенсированный. Свойства токовых состояний различаются в компенсированных и некомпенсированных металлах. Неустойчивости электромагнитных волн, в принципе, могут проявляться по-разному в металлах с одним и двумя типами носителей (электронами и дырками). Поэтому в качестве объектов исследования выбраны алюминий, вольфрам, медь. Монокристаллы этих металлов могут быть получены достаточно больших размеров и высокой чистоты. Чистота металла необходима для обеспечения условия аномальности скин-эффекта.
Измерения высокочастотных упругих волн выполнены для вольфрама и молибдена, металлов, имеющих сходную электронную структуру и поверхность Ферми. Однако, если вольфрам близок к упругой изотропии, то молибден анизотропен. Поэтому оказывается возможным наблюдать магнитоакустические явления в двух металлах с подобной ПФ, но с разными собственными упругими волнами. Изменять плотность дислокаций в образце металла можно с помощью пластической деформации. Ультразвуковые измерения на деформированных образцах разумно провести для металла, поверхность Ферми которого детально изучена и содержит листы, достаточно близко подходящие друг к другу, разделенные узкой щелью в k-простракстве. В то же время монокристаллы должны иметь возможно более высокую чистоту материала, чтобы обеспечить условие сильной пространственной дисперсии. Этим требованиям удовлетворяет вольфрам.
Содержанием работы является:
-
экспериментальное изучение взаимодействия импульсов тока с высокочастотными электромагнитными волнами в вольфраме, алюминии и меди;
-
экспериментальное исследование неустойчивости импульсного тока в вольфраме в продольном магнитном поле;
3) установление условий наблюдения неустойчивости
электромагнитных волн в отрезке передающей линии под действием
периодической последовательности импульсов тока;
4) выявление возможности существования динамического хаоса в
параметрах электромагнитной волны в линии с проводником из чистого
металла и пути перехода к нему;
5) изучение свойств волн переключения и автоволн
электромагнитной природы, образующихся в металле в результате
действия импульсного тока;
6) выявление возможности самоорганизации в осцилляциях
амплитуды электромагнитных волн в распределенной системе,
нелинейность которой вызвана влиянием собственного магнитного поля
импульсного тока;
7) экспериментальное и теоретическое изучение
магнитоакустических явлений в условиях промежуточной временной
дисперсии;
8) разработка экспериментальных методов измерения времени
релаксации электронов с использованием магнитоакустических явлений;
9) теоретическое и экспериментальное изучение направления потока
энергии упругих волн в магнитно поляризованном металле и исследование
эффекта внутренней конической рефракции;
10) расчет влияния магнитной поляризации на собственные упругие
волны трансверсально изотропной среды;
11) разработка метода расчета устройств . возбуждения
неоднородных гиперзвуковых волн.
Научная новизну. Большинство результатов, полученных в работе, приводится впервые. На защиту выносятся следующие результаты.
1. Обнаружены и исследованы нестационарные явления и
неустойчивость амплитуды и фазы высокочастотных электромагнитных
волн в чистом металле под действием импульсов тока.
2. Экспериментально обнаружены явления генерации гармоні.к
высокочастотной волной малой амплитуды и генерации СВЧ колебаний
образцом металла под действием импульсов тока в магнитном поле.
3. Установлено существование волн переключения амплитуды
высокочастотных волн в линии с проводником из чистого металла.
4. В параметрах электромагнитной волны доказано существование
низкоразмерного квазиаттрактора, образующегося под воздействием
токовых импульсов.
5. Экспериментально обнаружена неустойчивость сильного
импульсного тока в продольном току магнитном поле. В результате
развития неустойчивости ' появляются компоненты тока,
перпендикулярные его первоначальному направлению и замкнутые в
проводнике.
6. Обнаружены признаки самоорганизации колебаний амплитуды
электромагнитной волны в линии с проводником из чистого металла при
импульсном воздействии тока.
7. Установлено, что влияние дислокаций на коэффициент
поглощения ультразвуковых волн велико, если эффективно
взаимодействующие с ультразвуком орбиты электронов проходят через
горячие пятна поверхности Ферми.
8. Построена теория эффекта внутренней конической рефракции
ультразвука в магнитно поляризованном кубическом кристалле.
9. Обнаружена резонансная зависимость от напряженности
магнитного поля искривления волнового фронта поперечных упругих волн.
10. Изучена частотная зависимость амплитуды и форма линии при
промежуточной ^временной дисперсии магнитоакустических эффектов:
эллиптичности поперечного ультразвука и дисперсии скорости
собственной волны линейной поляризации.
11. Разработана методика измерения времени релаксации
электронов по эллиптичности ультразвука.
Достоверность полученных в работе экспериментальных результатов обеспечивается".
а) использованием высокоточных быстродействующих приборов и установок, проходящих метрологический контроль;
б)' проведением подробных измерений на высококачественных образцах;
в) использованием взаимно дополняющих методик измерения;
г) неоднократным повторением экспериментов.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заіоіючения. В первой главе изложена экспериментальная методика высокочастотных электромагнитных и ультразвуковых измерений, а также требования к образцам. Основное содержание диссертации находится во второй - пятой главах. Краткие выводы сформулированы в конце глав после описания экспериментальных и теоретических результатов; основпые выводы содержатся в заключении.
