Плазменные и газовые среды для измерения параметров и управления характеристиками пучков миллиметровых волн Гитлин Михаил Семенович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Создание широкоапертурной плазмы с помощью Cs-Xe разряда постоянного тока и ее диагностика 35

1.1. Газоразрядные трубки и экспериментальные установки для создания пространственно однородного положительного столба Cs-Xe разряда 35

1.2. Методы диагностики плазмы положительного столба Cs-Xe разряда 45

1.2.1. Измерение напряженности продольного электрического поля и концентрации электронов в положительном столбе 45

1.2.2. Эмиссионная оптическая спектроскопия ПС Cs-Хе разряда 50

1.2.3. Измерение температуры электронов в ПС Cs-Xe разряда 53

1.2.4. Методика измерения пространственного распределения интенсивности оптического излучения ПС Cs-Xe разряда .55

1.3. Экспериментальное исследование плазмы положительного столба Cs-Xe разряда 60

Глава 2. Метод визуализации и определения пространственного распределения интенсивности миллиметровых волн при помощи оптического континуума, излучаемого ПС Cs-Xe разряда 69

2.1. Методы визуализации и определения пространственного распределения интенсивности миллиметровых волн 69

2.2. Экспериментальное исследование характеристик метода визуализации пространственного распределения интенсивности ММ волн при помощи оптического континуума, излучаемого ПС Cs-Xe разряда 73

2.2.1. Исследование воздействия ММ излучения на слой плазмы ПС Cs-Xe разряда 73

2.2.2. Визуализация пространственного распределения интенсивности ЭМ излучения восьмимиллиметрового диапазона на выходе рупорных антенн и в квазиоптическом пучке .76

2.2.3. Определение чувствительности метода по энергии и мощности ЭМ излучения в восьмимиллиметровом диапазоне длин волн 83

2.2.4. Измерение временного разрешения метода визуализации миллиметровых волн 85

2.2.5. Визуализация ЭМ излучения восьмимиллиметрового диапазона с длительностью импульса порядка микросекунды 88

2.2.6. Визуализация ЭМ излучения двухмиллиметрового диапазона длин волн 95

Глава 3. Физические основы метода визуализации ММ излучения при помощи оптического континуума, излучаемого ПС Cs-Xe разряда 102

3.1. Механизм влияния электрического поля на яркость оптического континуума, излучаемого ПС Cs-Xe разряда .103

3.2. Функция распределения электронов по энергии в однородном ПС Cs – Xe разряда и влияние ее вида на оптический континуум .107

3.3. Экспериментальное исследование зависимости яркости ОК от величины электрического поля 115

3.4. Исследование причин нелокальности отклика ОК, излучаемого ПС Cs-Xe разряда среднего давления, на воздействие микроволнового излучения. Пространственное разрешение метода визуализации 120

3.4.1. Эксперименты по визуализации пространственного распределения интенсивности ММ излучения в фокальной области аксикона 120

3.4.2. Моделирование поведения в пространстве яркости ОК в условиях воздействия на плазму ММ излучения .123

3.4.3. Сравнение результатов расчетов и экспериментов .135

3.5. Динамика отклика температуры электронов на быстрое изменение интенсивности ММ излучения 140

Глава 4. Демонстрация прикладных возможностей метода визуализации ММ излучения при помощи оптического континуума, излучаемого ПС Cs-Xe разряда 142

4.1. Исследование характеристик излучения оротрона двухмиллиметрового диапазона .143

4.2. Визуализация ММ излучения на выходе гиротрона с импульсным магнитным полем 151

4.3. Визуализация теневых радиоизображений объектов, освещаемых миллиметровыми волнами 157

4.3.1. Экспериментальная установка для динамической визуализации теневых радиоизображений объектов, освещаемых ММ излучением 158

4.3.2. Визуализация радиоизображений стационарных амплитудных объектов 160

4.3.3. Визуализация радиоизображений стационарных фазовых объектов 168

4.3.4. Визуализация в реальном времени радиоизображений нестационарных объектов 176

Глава 5. Использование широкоапертурных газоразрядных и газовых сред в нелинейной микроволновой квазиоптике 179

5.1. Нелинейные среды и нелинейные квазиоптические антенно-фидерные устройства диапазона сантиметровых и миллиметровых волн .180

5.2. Нелинейная среда для миллиметровых волн на основе однородной плазмы ПС Cs-Xe разряда среднего давления 196

5.3. Обращение волнового фронта при резонансном вырожденном четырехволновом смешении миллиметровых волн в газообразном серооксиде углерода .209

Глава 6. Изучение возможности использования фотоионизационной плазмы в качестве объемной нелинейной среды для миллиметровых волн 217

6.1. Методы создания однородной объемной плазмы с помощью электронных пучков и ультрафиолетового излучения .217

6.2. Несамостоятельный КВЧ разряд в молекулярных газах среднего давления, поддерживаемый ультрафиолетовым излучением 223

6.3. Характеристики нелинейной среды для ММ волн на основе фотоионизованного молекулярного газа 237

6.4. Исследование механизма неустойчивости объемного несамостоятельного КВЧ разряда, поддерживаемого УФ излучением .244

Заключение 252

Приложение 1. Кинетика положительного столба Cs-Xe разряда среднего давления в условиях воздействия на него ММ излучения 256

П1.1. Кинетическая модель пространственно однородного ПС разряда постоянного тока в смеси Cs-Xe 256

П1.2. Кинетические и электрические характеристики ПС Cs-Xe разряда в отсутствии воздействия ММ излучения .263

П1.3. Моделирование влияния ММ излучения на кинетические и электрические параметры плазмы ПС Cs-Xe разряда 269

Приложение 2. Исследование динамики нагрева азота, а также смеси азота и кислорода в тлеющем и микроволновом разряде по вращательной структуре спектров поглощения молекул методом ВРЛС .281

Список сокращений и условных обозначений 300

Список работ, в которых опубликованы основные результаты диссертации 310

Список литературы

• Измерение напряженности продольного электрического поля и концентрации электронов в положительном столбе
• Экспериментальное исследование характеристик метода визуализации пространственного распределения интенсивности ММ волн при помощи оптического континуума, излучаемого ПС Cs-Xe разряда
• Экспериментальное исследование зависимости яркости ОК от величины электрического поля
• Визуализация теневых радиоизображений объектов, освещаемых миллиметровыми волнами

Введение к работе

Актуальность темы диссертации

Электромагнитное излучение (ЭМ) миллиметрового диапазона длин волн (крайне высокочастотный (КВЧ) диапазон) находит последние годы все более широкое применение в радиолокации, навигации, связи, научных исследованиях, медицине, в системах обеспечения безопасности, для обработки материалов, нагрева и диагностики плазмы и т.д. [1 – 9]. Достоинствами миллиметровых (ММ) волн являются их широкая полоса частот, способность проходить через многие оптически непрозрачные среды, возможность формирования узких диаграмм направленности при относительно небольших размерах антенн, возможность фокусировки пучков ММ излучения в пятно размером несколько миллиметров, а также низкий уровень естественных и индустриальных помех в этом частотном диапазоне. Для успешного освоения ММ диапазона необходимо совершенствование существующих и разработка новых методов генерации, транспортировки и приема миллиметровых волн, а также измерения и управления их характеристиками. В частности, измерение пространственного распределения интенсивности ММ излучения необходимо при разработке и создании источников и линий передачи миллиметровых волн, антенн ММ диапазона, систем радиовидения и неразрушающего контроля, при микроволновой диагностике плазмы. Для измерения пространственных характеристик миллиметровых волн обычно применяются электронные и тепловые методы [10 – 11]. Однако имеющиеся недостатки традиционных методов часто препятствуют их использованию для измерения пространственных параметров ММ излучения и радиовидения в реальном времени, поэтому актуальной является задача разработки альтернативных динамических методов визуализации и измерения пространственной структуры ММ излучения.

Для измерения характеристик и управления микроволновым излучением может быть использована газоразрядная плазма [12 – 14]. Перспективность использования для этих целей газоразрядной плазмы определяется относительной простотой методов ее создания, а также рядом других положительных качеств. Достоинствами плазменных микроволновых приборов являются широкая полоса рабочих частот, более высокая, чем у полупроводников, радиационная и лучевая стойкость, способность быстро восстанавливаться после микроволнового пробоя, лучшее, чем у тепловых методов измерений, быстродействие и чувствительность. Привлекательным является то, что в отличие от антенных решеток газоразрядная плазма – это сплошная среда, которую можно сделать как прозрачной, так и непрозрачной для ММ излучения. Кроме того, в настоящее время накоплен большой опыт по разработке и применению плазменных устройств и технологий в разных областях науки и техники [15], а также проведены многочисленные

экспериментальные и теоретические исследования взаимодействия микроволнового излучения с плазмой, изучены свойства различных типов газовых разрядов в пучках электромагнитного излучения миллиметрового и сантиметрового диапазонов [16 – 20]. Однако, чтобы разработать новые методики использования газоразрядной плазмы для измерения характеристик ММ излучения и управления ими, требуется найти пути решения еще целого ряда задач физики газоразрядной плазмы и микроволн.

Несомненный интерес представляет изучение взаимодействия и самовоздействия миллиметровых волн в нелинейных средах, поскольку в ММ диапазоне эти явления исследованы значительно меньше, чем в оптическом диапазоне. Газоразрядная плазма является очень перспективной средой с точки зрения использования в квазиоптических нелинейных элементах ММ диапазона. Для этих же целей могут быть использованы газовые среды, в состав которых входят газы, состоящие из дипольных молекул. Применение в антенно-фидерных трактах нелинейных квазиоптических элементов на основе плазменных и газовых сред открывает новые возможности для быстрого управления параметрами пучков ММ волн. Такие нелинейные квазиоптические элементы могут быть использованы в антеннах с динамической диаграммой направленности, антенных системах с динамическим изменением поляризации излучения, в ограничителях мощности ММ излучения, в обращающих волновой фронт (ОВФ) зеркалах и т.д.

Вышеизложенное показывает, что разработка новых методов измерения и управления характеристиками пучков ММ волн, а также поиск и создание сред, которые могут быть использованы для этих целей, является актуальной задачей. Она имеет большое фундаментальное и прикладное значение. Данная диссертация посвящена созданию широкоапертурных сред¹ на основе газоразрядной плазмы и газов, исследованию влияния на их параметры ЭМ излучения миллиметрового диапазона длин волн, а также изучению возможностей использования таких сред для быстрого измерения параметров и управления характеристиками ММ волн.

Цели и задачи диссертационной работы

Ниже перечислены цели и задачи диссертационной работы.

1. Разработка методов создания широкоапертурных плазменных и газовых сред, которые могут быть использованы для измерения параметров и управления характеристиками миллиметровых волн.

2. Создание нового быстродействующего метода визуализации и измерения пространственного распределения интенсивности ММ волн.

¹ Под широкоапертурными средами в данной работе подразумеваются среды, характерные размеры апертуры которых значительно больше, чем рабочая длина волны ММ излучения.

3. Изучение физических основ метода визуализации ММ излучения при помощи оптического континуума (ОК), излучаемого положительным столбом (ПС) разряда постоянного тока в смеси Cs-Xe (Cs-Xe разряд). Исследование характеристик данного метода. Изучение перспектив его использования для измерения параметров источников и линий передачи ММ излучения, а также в быстродействующих системах радиовидения.

4. Исследование взаимодействия ММ излучения с газоразрядной плазмой, поддерживаемой сторонними источниками ионизации, а также с газами с резонансным поглощением молекул. Изучение возможностей использования таких газоразрядных и газовых сред в нелинейной микроволновой квазиоптике. Демонстрация работоспособности нелинейных квазиоптических устройств ММ диапазона.

Научная новизна диссертационной работы

1. Разработаны оригинальные конструкции и изготовлены газоразрядные приборы, которые позволили с помощью Cs-Xe разряда постоянного тока создавать при давлении газа десятки торр стационарный пространственно однородный слой плазмы с размерами апертуры более 10 см.

2. Предложен и реализован метод визуализации пространственного распределения интенсивности ММ волн, основанный на использовании оптического континуума, который излучается плоским положительным столбом Cs-Xe разряда при давлении газа десятки торр. Временное разрешение и чувствительность по энергии данного метода являются рекордными для методов визуализации ММ волн, использующих сплошные среды. Показано, что пространственное разрешение данного метода составляет примерно пять штрихов на сантиметр.

3. Впервые исследовано влияние ММ излучения на яркость оптического континуума, излучаемого газоразрядной плазмой. Показано, что наблюдаемый в экспериментах рост яркости континуума в видимом диапазоне при воздействии ММ излучения на положительный столб Cs-Xe разряда связан с возрастанием яркости электронно-ксенонового (e-Xe) тормозного континуума (ТК) в результате увеличения числа электронов с энергией более 2 эВ.

4. Впервые создана система активного радиовидения ММ диапазона, позволяющая получать двумерные изображения объектов с частотой десятки кадров в секунду.

5. Предложено использовать в качестве нелинейной среды для миллиметровых и сантиметровых волн неравновесную газоразрядную плазму. Механизм нелинейности такой среды обусловлен зависимостью высокочастотной проводимости неравновесной газоразрядной плазмы от эффективной температуры электронов T_e , которая зависит от интен-

сивности падающего микроволнового излучения. Впервые измерены величины кубичного коэффициента преломления и быстродействия неравновесной газоразрядной плазмы, создаваемой разрядом постоянного тока и ультрафиолетовым (УФ) излучением.

6. Экспериментально продемонстрировано ограничение и стабилизация мощности ММ излучения при прохождении его через слой плазмы положительного столба Cs-Xe разряда.

7. Впервые реализовано обращение волнового фронта миллиметрового излучения методами нелинейной квазиоптики.

Научная и практическая значимость результатов

Исследования, описанные в данной диссертации, направлены на создание и изучение физических основ новых методов измерения параметров и управления характеристиками пучков миллиметровых волн. Научная и практическая значимость диссертации заключается в следующем:

Описанный в диссертации метод визуализации пространственной структуры миллиметровых волн, который использует оптический континуум, излучаемый слоем плазмы положительного столба Cs-Xe разряда, может применяться при разработке и создании источников, линий передачи и антенн ММ диапазона. Проведенное экспериментальное и теоретическое изучение основных характеристик данного метода позволило найти области его использования, в которых он либо не имеет конкурентов, либо имеет важные преимущества по сравнению со стандартными методами измерений характеристик ММ волн. Данная методика измерений хорошо работает в диапазоне энергий, в котором из-за недостаточной чувствительности не могут быть использованы тепловые методы визуализации. Этот метод был успешно использован в ИПФ РАН для исследования выходных характеристик импульсных оротро-нов ММ диапазона и гиротронов с импульсным магнитным полем.

Данный метод визуализации ММ волн может быть использован также для радиовидения в реальном времени. В диссертации было продемонстрировано, что он может применяться для регистрации динамических процессов, а также для оперативного обнаружения скрытых объектов, помещенных в почтовые конверты и бандероли. Он может быть также использован для неразрушающего контроля, например, для определения качества изготовления и однородности диэлектрических поглощающих и радиопрозрачных материалов.

Результаты исследования плазмы разряда при среднем давлении газа, полученные в процессе выполнения диссертационной работы, могут быть использованы при разработке других плазменных методов измерения и управления параметрами ММ излучения.

Предложенный и изученный в диссертации новый класс нелинейных сред для микроволнового излучения - среды на основе неравновесной газоразрядной плазмы - является одним из наиболее перспективных для применения в нелинейных квазиоптических устройствах длинноволновой части ММ диапазона.

Результаты исследований нелинейных свойств плазменных и газовых сред, а также экспериментов, которые продемонстрировали работоспособность квазиоптического самоограничителя и стабилизатора мощности, ОВФ зеркала ММ диапазона, могут быть использованы при разработке нелинейных микроволновых элементов для антенно-фидерных устройств, применяемых в радиолокации, связи, для радиоэлектронного противодействия, передачи энергии с помощью ММ волн.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. С помощью разряда постоянного тока в смеси паров цезия и ксенона при давлении газа десятки торр создан стационарный плоский однородный слой плазмы с размерами апертуры более 10 см, толщиной несколько сантиметров и концентрацией электронов более 10¹² см^-3.

2. Метод, основанный на использовании оптического континуума, который излучается плоским положительным столбом Cs-Xe разряда при давлении ксенона около 45 Торр, позволяет с микросекундным временным разрешением проводить визуализацию и измерение пространственного распределения интенсивности ММ излучения. Данный метод визуализации является широкополосным и может быть успешно использован для измерения пространственного распределения интенсивности ЭМ излучения во всем миллиметровом диапазоне. Он обладает высокой энергетической чувствительностью, которая в восьмимиллиметровом и двухмиллиметровом диапазонах не хуже, чем 10 мкДж/см² и 200 мкДж/см² соответственно.

3. Рост яркости континуума, излучаемого в видимом диапазоне однородным положительным столбом Cs-Xe разряда среднего давления, при воздействии на плазму микроволнового излучения или при увеличении напряженности квазипотенциального электрического поля связан с возрастанием яркости e-Xe тормозного континуума в результате увеличения числа электронов с энергией более 2 эВ.

4. Пространственное разрешение метода визуализации ММ излучения, который основан на использовании оптического континуума, излучаемого положительным столбом Cs-Xe разряда среднего давления, ограничено в первую очередь влиянием электронной теплопроводности. Для данного метода визуализации функция размытия линии экспоненциально уменьшается с расстоянием от бесконечно узкого пучка, и при давлении ксенона 45 Торр ее ширина равна примерно 2 мм. Основной причиной возникновения аксиальной асимметрии изображений аксиально-симметричных пучков

ММ излучения является пространственная неоднородность нагрева электронов квазипотенциальным электрическим полем, которая возникает из-за вариации проводимости плазмы под действием микроволнового пучка.

5. Метод визуализации ММ волн, использующий оптический континуум, излучаемый положительным столбом Cs-Xe разряда среднего давления, позволяет осуществлять в реальном времени контроль режима работы источников ММ излучения, а также качества настройки волноводных трактов и квазиоптических линий передачи. В ряде случаев он позволяет идентифицировать рабочую моду импульсных источников миллиметрового излучения средней мощности, а также зарегистрировать наличие примеси паразитных мод.

6. С помощью метода активного радиовидения ММ диапазона, который использует плоский положительный столб Cs-Xe разряда в качестве двумерного визуализатора ММ волн, получены теневые изображения объектов с частотой следования кадров более 10 Гц. Такой метод радиовидения может успешно применяться для неразрушающего контроля, оперативного обнаружения скрытых в радиопрозрачных упаковках предметов, а также для регистрации в реальном времени динамических процессов, недоступных для визуального наблюдения.

7. Механизм вырожденного четырехволнового смешения (ВЧВС) миллиметровых волн в газообразном серооксиде углерода (OCS) связан с насыщением резонансного поглощения электромагнитного излучения при переходе между вращательными уровнями молекул OCS. При оптимальном давлении OCS, температуре газа 200 К и эффективной длине области взаимодействия волн 60 см коэффициент отражения в пучок с обращенным волновым фронтом при ВЧВС излучения с частотой около 182 ГГц достигает величины примерно 0,5%.

8. Неравновесная плазма положительного столба Cs-Xe разряда среднего давления является эффективной нелинейной средой для ММ волн. Нелинейность высокочастотной поляризации такой плазменной среды обусловлена зависимостью концентрации электронов и их высокочастотной подвижности от эффективной температуры электронов T_e , которая зависит от

интенсивности падающего микроволнового излучения. Плазма положительного столба Cs-Xe разряда в восьмимиллиметровом диапазоне имеет большой кубичный коэффициент преломления, который при давлении ксенона 30 Торр и начальной концентрации электронов N_e0 = 410¹² см^-3 равен n₂ = –0,07 см²/Вт. Быстродействие такой нелинейной среды порядка 1 мс.

9. Механизм нелинейности плазмы несамостоятельного газового разря
да в азоте и его смесях с кислородом, который поддерживается внешним
ультрафиолетовым излучением, обусловлен изменением скорости объем
ных потерь электронов в плазме при их нагреве ММ излучением, в частно
сти, изменением частот электрон-ионной рекомбинации и прилипания
электронов к нейтральным молекулам. Время отклика такой нелинейной

плазменной среды определяется временем рекомбинации электронов и ионов, и при начальной концентрации электронов в фотоионизационной плазме N_e0 = 210¹¹ см"³ оно примерно равно 10 мкс.

10. Концентрация метастабильных молекул N₂(A³2;;) в несамостоятельном микроволновом разряде в азоте, поддерживаемом сторонним ультрафиолетовым излучением, не превышает 10¹⁴ см"³, поэтому ступенчатая

ионизация молекул N₂^³s;) не является причиной его ионизационной неустойчивости.

Публикации и апробация результатов

Диссертация выполнена в Институте прикладной физики РАН. Результаты исследований по теме диссертации отражены в 63 публикациях [1А -63А], которые включают 21 статью в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах (из них 10 статей опубликовано в зарубежных научных журналах, включенных в международные системы цитирования; 10 статей издано в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов); 3 препринта, 25 работ, опубликованных в трудах всесоюзных, всероссийских и международных конференций, 14 тезисов докладов на конференциях.

Основные результаты работы докладывались на научных семинарах ИПФ РАН, а также на международных и всероссийских конференциях:

18, 19 и 20-й Международных конференциях по явлениям в ионизованных газах (Свонси, 1987; Белград, 1989; Пиза, 1991),

8 и 9-й Европейских конференциях по атомной и молекулярной физике в ионизованных газах (Грайсвальд, 1986; Лиссабон, 1988),

18 и 27-й Международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам (Колчестер, 1993; Сан Диего, 2002),

совместной 31-й Международной конференции по инфракрасным и миллиметровым волнам и 14-й Международной конференции по тера-герцовой электронике (Шанхай, 2006),

33-й Международной конференции по инфракрасным, миллиметровым и терагерцовым волнам (Пасадена, 2008),

3, 6 и 8-м Международных совещаниях Микроволновые разряды: основы и приложения (Фонтево, 1997; Звенигород, 2006 и 2012),

1, 2, 3, 4, 5 и 6-м Международных совещаниях Мощные микроволны в плазме (Суздаль, 1990; Нижний Новгород, 1993, 1996, 1999, 2002, 2005),

7-м Международном совещании Мощные микроволны: источники и приложения (Нижний Новгород, 2008),

35, 37, 38, и 39-й Международных конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2008, 2010, 2011, 2012),

всероссийских семинарах по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазона (Нижний Новгород 2005, 2007 и 2009), и др.

Личный вклад автора

Все опубликованные по теме диссертации работы были сделаны в соавторстве с коллегами или студентами Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского, которые выполняли под руководством соискателя курсовые и дипломные работы либо работы на соискание степени бакалавра или магистра физики. В большинстве опубликованных по теме диссертации работ вклад автора был определяющим. Соискателем была предложена и разработана методика создания стационарного пространственно однородного плазменного слоя с помощью разряда постоянного тока в смеси паров цезия с ксеноном. Был предложен и реализован метод визуализации и определения пространственного распределения интенсивности ММ волн, основанный на использовании оптического континуума, который излучается положительным столбом Cs-Xe разряда при среднем давлении газа. Соискателем были спланированы и проведены эксперименты, которые позволили определить основные характеристики этого метода визуализации ММ волн. Были проведены расчеты и эксперименты, которые показали, что рост яркости континуума в видимом диапазоне при воздействии на него микроволнового излучения связан с возрастанием яркости е-Хе тормозного континуума в результате увеличения числа энергичных электронов. Автором была построена аналитическая модель, которая описывает поведение в пространстве яркости ОК, излучаемого слоем плазмы ПС Cs-Xe разряда. При непосредственном участии автора были проведены эксперименты, сравнение с которыми продемонстрировало правильность разработанной модели. Совместно со специалистами по вакуумной СВЧ электронике соискателем было продемонстрировано, что метод визуализации ММ волн при помощи оптического континуума, излучаемого положительным столбом Cs-Xe разряда, может успешно использоваться для измерения параметров излучения на выходе импульсных генераторов ММ излучения. Автором было предложено использовать в качестве нелинейной среды для микроволн неравновесную газоразрядную плазму, и было экспериментально продемонстрировано, что такие среды могут успешно применяться в нелинейных квазиоптических устройствах длинноволновой части ММ диапазона. При непосредственном участии автора было проведено исследование влияния метастабильных молекул азота на устойчивость объемной формы несамостоятельного микроволнового разряда, поддерживаемого сторонним УФ излучением. Для этого им была разработана высокочувствительная методика измерения концентрации молекул азота в метастабильном

электронном состоянии A³!,^. Автором была высказана идея использования резонансного насыщающегося поглощения газов, состоящих из дипольных молекул, в качестве механизма нелинейного взаимодействия пучков ММ волн. С использованием такой нелинейной среды им впервые в диапазоне ММ волн были проведены успешные эксперименты по обращению волнового фронта квазиоптического пучка.

В работах [1А - 10А, 14А, 15А, 17А - 19А] автором был внесен основной вклад в подготовку и проведение экспериментов, обработку и интерпретацию их результатов, а его вклад в постановку задач и подготовку публикаций был равным вкладам других соавторов. В работах [20А, 23А -24А] автором внесен определяющий вклад в постановку задачи и интерпретацию результатов экспериментов, а также подготовку публикаций. В работах [21 А, 25А - 28А] автором внесен основной вклад в постановку задач, в подготовку и проведение экспериментов, обработку и интерпретацию их результатов, подготовку публикаций. Автор являлся руководителем и одновременно основным исполнителем работ [29А - ЗЗА, 35А - 43А, 45А - 57А, 58А, 59А, 61 А]. В этих работах он внес основной вклад в постановку задач, планирование, подготовку и проведение экспериментов, обработку, анализ и интерпретации полученных результатов, построение теоретических моделей, объясняющих или предсказывающих результаты экспериментов, подготовку текста публикаций. В работах [11А - 13А, 16А, 22А, 34А, 44А, 60А, 62А, 63А] вклад автора на всех этапах работы был равным вкладу других соавторов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, двух приложений, списка сокращений и условных обозначений, списка авторских публикаций и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 342 страницы, включая 2 таблицы, 207 рисунков, а также списки работ автора, в которых опубликованы основные результаты диссертации (63 наименования), и цитируемой литературы (373 наименования).

Измерение напряженности продольного электрического поля и концентрации электронов в положительном столбе

Показано, что связь вариации концентрации электронов с вариацией их температуры под действием ММ излучения можно считать почти локальной. Поведение температуры электронов было описано уравнением баланса энергии электронов. Найдена связь между пространственными распределениями температуры электронов и интенсивности ММ излучения. В частности, было промоделировано поведение в пространстве температуры электронов при воздействии на слой плазмы одномерных и аксиально-симметричных пучков ММ излучения. Анализ и сопоставление результатов расчетов и экспериментов позволил выяснить основные причины возникновения искажений изображений пространственного распределения ММ излучения. Было показано, что нелокальность отклика оптического континуума и пространственное разрешение данного метода визуализации определяются в первую очередь влиянием электронной теплопроводности. Была рассчитана функция размытия линии для данного метода и найдено, что в условиях экспериментов по визуализации ММ излучения ее ширина равна примерно 2 мм. Были определены факторы, которые ответственны за нарушения аксиальной симметрии изображений аксиально-симметричных пучков ММ излучения. В конце п. 3.4 было проведено сравнение результатов расчетов поведения температуры электронов в пространстве и экспериментов по визуализации ММ излучения на выходе рупорных антенн и в фокусе аксикона. Это сравнение продемонстрировало хорошее согласие расчетов и экспериментов.

Параграф 3.5 посвящен моделированию динамики отклика температуры электронов на быстрое изменение интенсивности ММ излучения. С помощью уравнения баланса энергии электронов была рассчитана вариация температуры электронов в однородном ПС Cs - Xe разряда под действием импульса ММ излучения. Расчеты показали, что зависимость вариации температуры электронов от времени описывается экспоненциальной функцией, которая совпадает с измеренной зависимостью от времени интенсивности оптического континуума. Показано, что быстродействие данного метода визуализации определяется временем изменения температуры электронов под действием ММ излучения, и в наших экспериментальных условиях оно равно примерно 0,8 мкс.

Четвертая глава диссертации посвящена демонстрации прикладных возможностей метода визуализации ММ излучения при помощи оптического континуума, излучаемого ПС Cs-Xe разряда [43А - 47А, 49А – 57А, 61А]. В п. 4.1 описаны результаты исследований характеристик выходного излучения перестраиваемого по частоте импульсного оротрона двухмиллиметрового диапазона. Вывод излучения из резонатора оротрона осуществлялся через сверхразмерный волновод четырехмиллиметрового диапазона. При разработке оротрона предполагалось, что в этом сверхразмерном волноводе будет преимущественно возбуждать мода ТЕ10 прямоугольного волновода. Проверка этого предположения и определение пространственной структуры излучения на выходе оротрона при настройке его на разные частоты являются весьма важными задачами. Сравнение результатов экспериментов и расчетов показало, что на частотах 130 и 140 ГГц пространственное распределение интенсивности ОК приблизительно соответствует распределению интенсивности КВЧ излучения в моде ТЕ10, причем мощность этой моды составляла не менее 90% от выходной мощности оротрона. При настройке оротрона на частоту 150 ГГц наблюдалось неодномодовое излучение, о чем, в частности, свидетельствовала сильная зеркальная асимметрия распределения интенсивности ММ излучения. Достаточно хорошее согласие результатов эксперимента и расчетов удается достичь, если предположить, что на выходе оротрона, кроме основной моды ТЕ10 , имеется еще мода ТЕП, причем ее мощность составляет около 40% от мощности рабочей моды ТЕ10. С помощью данного метода визуализации также были проведены относительные измерения зависимости мощности, генерируемой оротроном, от частоты. В п. 4.2 описаны эксперименты по визуализации с помощью оптического континуума, излучаемого слоем плазмы ПС Cs-Xe разряда, пространственной структуры излучения на выходе гиротрона с импульсным магнитным полем. Рабочая частота гиротрона была 110 ГГц, его максимальная мощность достигала 10 кВт. По расчетам рабочей модой гиротрона должна являться вращающаяся мода круглого волновода ТЕ32 В первой серии экспериментов по визуализации ММ излучения в гиротроне был установлен резонатор, длина которого была в полтора раза больше оптимальной. В этом случае на выходе гиротрона наблюдалась стоячая по азимуту структура, которая возникла из-за того, что имелась примесь моды ТЕ32 с противоположным по отношению к электронному пучку направлением вращения. Мощность примеси моды с противоположным направлением вращения была равна примерно 0,5% от мощности основной моды. Во второй серии экспериментов в гиротроне был установлен резонатор с оптимальной длиной. В этом случае картина свечения ОК соответствует практически чисто вращающейся моде ТЕ32 . Примесь моды ТЕ32 с противоположным направлением вращения была меньше, чем 0,1%. Было также продемонстрировано, что с помощью данного метода визуализации возможно осуществлять оперативный контроль настройки волноводного тракта и режима работы источника ММ излучения. Миллиметровые волны могут эффективно применяться для обнаружения спрятанных предметов, опасных веществ, для интроскопической диагностики диэлектрических и композиционных материалов, для исследования качества поверхностей под диэлектрическими покрытиями и т.д. В этой связи п. 4.3 посвящен применению метода визуализации ММ излучения при помощи оптического континуума, излучаемого газоразрядной плазмой, для радиовидения и неразрушающего контроля. Данная методика была применена для визуализации теневых радиоизображений объектов, освещаемых миллиметровыми волнами. Использование плоского ПС Cs-Xe разряда в качестве двумерного быстродействующего сенсора для ММ волн позволяет достичь числа точек разрешения порядка тысячи. В данных экспериментах ММ излучение генерировалось магнетроном с частотой 35,4 ГГц и с максимальной мощностью 20 Вт. Частота повторения миллисекундных импульсов ММ излучения была 12,5 Гц. Тестовый объект располагался вплотную к окну газоразрядной трубки и облучался квазигауссовым пучком ММ излучения шириной 7 см. Для изучения влияния дифракции ММ излучения на качество радиоизображений тонких плоских объектов были проведены эксперименты по визуализации картины дифракции пучка ММ излучения, который падал на край плоского непрозрачного для ММ волн экрана, а также на щель, вырезанную в таком экране. В рамках скалярной теории дифракции были проведены расчеты пространственного распределения интенсивности прошедшего за экран ММ излучения. Сравнение результатов расчетов и экспериментов позволило сделать вывод, что наблюдаемое в экспериментах размытие резких границ на радиоизображениях связано в первую очередь с влиянием дифракции. Раздел 4.3.2 посвящен визуализация радиоизображений стационарных амплитудных объектов, т.е. объектов, которые были сделаны из металла или сильно поглощающих ММ излучение диэлектрических материалов. Было изучено влияние поляризации ММ излучения на качество изображения щелевых объектов и показано, что поляризация излучения слабо влияет на качество изображения. Была исследована зависимость качества изображения от расстояния между исследуемым объектом и плазменным слоем. Была проведена серия экспериментов по визуализации различных амплитудных объектов, в частности, объектов в форме букв, вырезанных из алюминиевой фольги или вырезанных в виде щелей в фольге, металлического кольца и гайки. П. 4.3.3 посвящен визуализация радиоизображений стационарных фазовых объектов, т.е. объектов, которые были сделаны из диэлектрических материалов, слабо поглощающих СВЧ излучение. Вначале был проведен эксперимент по визуализации радиоизображения простого объекта - прямоугольного параллелепипеда из тефлона.

Экспериментальное исследование характеристик метода визуализации пространственного распределения интенсивности ММ волн при помощи оптического континуума, излучаемого ПС Cs-Xe разряда

Напряженность продольного электрического поля в плазме положительного столба Cs-Xe разряда определялась по разности потенциалов между одиночными зондами. Соединение зондов через очень большое сопротивление вольтметра (30 МОм) позволяет считать их почти изолированными, при этом каждый из зондов находится под плавающим потенциалом [159]. Измеряя с помощью вольтметра разность плавающих потенциалов между зондами АсрР, можно определить напряженность продольного квазипотенциального электрического поля Е в плазме. В однородной плазме по модулю напряженность продольного электрического поля равна \Е\ = A(pP/DP, где DP - расстояние между зондами.

В экспериментах по воздействию КВЧ излучения на плазму сигналы с зондов подавались на дифференциальные входы осциллографа, внутреннее сопротивление между которыми ( 1 МОм), было достаточно большим для измерения приращения разности потенциалов между зондами под действием КВЧ излучения 8(А(рр\. Если область локализации КВЧ излучения Іщу была меньше, чем расстояние между зондами DP Іщ , то приращение напряженности продольного электрического поля АЕ в однородной плазме было равно AE = S(AcpP)/lMV.

Измерения распределения в пространстве относительной величины концентрации электронов проводились с помощью одиночного подвижного зонда. Для этого нами использовались электрические зонды цилиндрической формы, изготовленные из вольфрамовой проволоки радиусом 0,16 мм и длиной 4 мм. Основными параметрами, определяющими зондовый ток при заданном потенциале, являются радиус зонда, размер возмущенной зондом зоны и длины свободных пробегов заряженных частиц [ 162 - 164]. При отрицательном потенциале зонда ионы, прежде чем попасть на зонд, испытывают много столкновений в слое объемного заряда. Ток на зонд, совпадающий с ионным током Ji, пропорционален концентрации электронов в степени 3/4, однако он также зависит от состава и температуры ионной компоненты плазмы, поэтому концентрацию электронов сложно связать с зондовым током при работе на ионной ветви вольтамперной характеристики (ВАХ). При работе на электронной ветви ВАХ зонда (при положительном потенциале зонда) для типичных параметров плазмы ПС Cs-Xe разряда электроны при движении на зонд практически не испытывают столкновений в области пространственного заряда. Длина свободного пробега электронов 1е—т\е/ле(тЛ/е в условиях, характерных для наших экспериментов (температура электронов Те = 0,4 - 0,6 эВ, концентрация электронов Ne см" ), равна примерно 0,1 мм, здесь m и е- масса и заряд электрона, ve и /ие(тЛ тепловая скорость и низкочастотная подвижность электронов соответственно. Длина свободного пробега электронов сравнима с радиусом зонда, поэтому зонд существенно искажает пространственное распределение электронов. Однако длина энергетической —1/? релаксации электронов lE =le(2mlМХе} «2 мм, где МХе - масса атома ксенона, существенно превышает радиус зонда, вследствие чего, ВАХ зонда сохраняет информацию об энергетическом распределении электронов [162]. Теория электронного тока на зонд Je в таких условиях разработана в работе [165]. В этой работе показано, что Je le-Ne.

Пренебрегая небольшой неоднородностью плотности газа и учитывая, что длина свободного пробега электронов в ПС Cs-Xe разряда слабо зависит от их температуры, можно считать, что 1е практически постоянна во всем объеме плазмы. Поэтому электронный ток на зонд Jе прямо пропорционален концентрации электронов, причем коэффициент пропорциональности почти не зависит от положения зонда в объеме плазмы. Благодаря этому можно измерять относительное распределение концентрации электронов в поперечном сечении трубки при помощи подвижного зонда .

Схема измерений пространственного распределения концентрации электронов с помощью одиночного подвижного зонда, который во время измерения свободно падал поперек ПС, приведена на рис. 1.15. Электрический зонд с помощью остеклованного прямого проводника прикреплялся к стальному цилиндру радиусом 7 мм и длиной 14 мм. Цилиндр свободно перемещался внутри стеклянного отростка диаметром 10 мм, припаянного к газоразрядной трубке. Мягкая пружина, соединяющая цилиндр с неподвижным выводным контактом, не препятствовала свободному движению зонда. Подъем зонда вверх и его удержание в верхнем положении осуществлялись при помощи электромагнита постоянного тока. Перед началом измерения зонд при помощи электромагнита поднимался в крайнее верхнее положение. После выключения электромагнита зонд свободно падал вниз в течение примерно 0,1 секунды. Время выключения электромагнита было равно примерно 1 мкс, что намного меньше времени падения зонда. Пренебрегая трением зонда о стекло, можно связать время tP, прошедшее с 5 Зондовый метод измерения абсолютного значения концентрации электронов при давлении газа P 5 Тор, в силу сложности количественного описания зондовых характеристик не обладает достаточной точностью. момента выключения электромагнита, с расстоянием, пройденным зондом hP (см. рис. 1.15), по закону hp—gGtP/2, где gG - ускорение свободного падения. Для питания зонда использовалась батарея электрических аккумуляторов. При помощи переменных резисторов Rx и R2 (см. рис. 1.15) на зонде задавалось напряжение смещения, соответствующее электронной ветви ВАХ зонда. Конденсатор С использовался для поддержания напряжения смещения на заданном уровне. Время разряда конденсатора i?jC при включенном питании зонда значительно превышало характерное время измерения. Ток на зонд определялся при помощи измерительного сопротивления і?И, величина которого была много меньше сопротивления Rx. Для того, чтобы установить напряжение смещения на уровне, соответствующем электронной ветви ВАХ, использовался осциллограф. Падение напряжения на сопротивлении і?И, которое пропорционально зондовому току, подавалось на вертикальные отклоняющие пластины осциллографа, а напряжение на зонде - на горизонтальные отклоняющие пластины. Таким образом, первый луч отображал зависимость зондового тока от напряжения смещения зонда, т.е. его ВАХ. Постоянство напряжения смещения на зонде во время его движения контролировалось при помощи второго луча осциллографа. Поскольку зондовый ток пропорционален концентрации электронов, на основании полученной осциллограммы можно определить относительное распределение концентрации электронов в поперечном сечении трубки.

Экспериментальное исследование зависимости яркости ОК от величины электрического поля

Поскольку яркость оптического континуума быстро уменьшается с уменьшением длительности КВЧ импульса (см. рис. 2.25), было важно оценить возможности использования данного метода для визуализации пространственного распределения интенсивности КВЧ импульсов субмикросекундной длительности. На рис. 2.28 приведено усредненное по 10 реализациям пространственное распределение изменения энергетической экспозиции ОК под действием ММ излучения с длительностью импульса 0,2 мкс и интенсивностью в центре пучка около 5 кВт/см2. Эта величина интенсивности примерно в полтора раза меньше пробойного значения для КВЧ импульса длительностью 0,2 мкс. Проведенные измерения показали, что даже при усреднении по 10 реализациям отношение сигнал/шум в центре пучка близко к 1. Таким образом, при использованной нами системе регистрации оптических изображений наименьшая длительность КВЧ импульса, при которой данный метод может быть применен для визуализации разовых КВЧ импульсов или импульсов с невысокой частотой повторения, не превышает 0,2 мкс. Чтобы улучшить отношение сигнал/шум при регистрации короткоимпульсного ММ излучения нужно использовать более чувствительную телекамеру, чем та, что применялась в наших экспериментах. Другой путь увеличения отношение сигнал/шум за счет увеличения интенсивности ОК путем увеличения интенсивности ММ излучения обладает довольно ограниченными возможностями из-за возникновения искажений изображения, вызванных микроволновым пробоем плазменного слоя. Таким образом, нами была продемонстрирована возможность визуализации с помощью данного метода пространственного распределения интенсивности КВЧ излучения средней мощности при микросекундной и субмикросекундной длительности импульса. Насколько нам известно, в настоящее время не существует других методов, которые позволяют проводить количественные измерения пространственного распределения интенсивности ММ излучения такой длительности за один или несколько импульсов.

Визуализация ЭМ излучения двухмиллиметрового диапазона длин волн Данный метод визуализации является широкополосным и может быть использован для измерения пространственного распределения интенсивности электромагнитного излучения во всем миллиметровом, а также субмиллиметровом диапазоне. С уменьшением длины волны эффективность воздействия КВЧ излучения на плазму уменьшается из-за того, что падает коэффициент поглощения электромагнитного излучения, и плазма становится более прозрачной для него (см. п. 3.4.2). При давлении ксенона десятки торр для излучения миллиметрового диапазона отношение средней частоты упругих столкновений электронов с атомами ксенона vm к круговой частоте КВЧ поля со много меньше единицы vmlco« 1 (см. п. 3.2 и 3.4.2). В этом случае параметром подобия, определяющим эффективность взаимодействия КВЧ излучения с плазмой, служит величина Ещ /со, где Ем - модуль

амплитуды электрического поля в КВЧ волне. Если перейти от амплитуды электрического поля к интенсивности КВЧ излучения W, таким параметром подобия является величина WJсо {EJ YJCO) . От этого параметра, в частности, зависит величина нагрева электронов под действием миллиметрового излучения. Поэтому при переходе от длинноволновой части ММ диапазона к коротковолновой части порог микроволнового пробоя слоя плазмы должен значительно возрастать, а чувствительность метода падать. Например, при переходе от восьмимиллиметрового диапазона к двухмиллиметровому порог КВЧ пробоя слоя плазмы

Вт/см , энергетическая чувствительность данного метода визуализации должна уменьшаться до уровня сотен мкДж/см .

Для доказательства широкополосности данного метода представляло значительный интерес экспериментально продемонстрировать возможность визуализации с его помощью излучения коротковолновой части ММ диапазона. В данном разделе диссертации описаны модельные эксперименты по измерению пространственного распределения интенсивности излучения двухмиллиметрового диапазона длин волн на выходе конического гофрированного рупора [61А]. Схема этого эксперимента приведена на рис. 2.29. Фотография экспериментальной установки (вид сверху) приведена на рис. 2.30. Параметры плазменного слоя были такими же, как в экспериментах, описанных в п. 2.2.2. В качестве источника ММ излучения использовался импульсный оротрон (5) [37, 205]. Вывод ММ излучения из резонатора оротрона осуществлялся через прямоугольный волновод четырехмиллиметрового диапазона (6). Конический гофрированный рупор [206] (7) запитывался от выходного волновода оротрона через переход на прямоугольный волновод двухмиллиметрового диапазона. Выходной диаметр гофрированного рупора равнялся 16 мм, его длина - 90 мм. Выход рупорной антенны располагался вплотную к окну газоразрядной трубки. Поляризация поля Е в КВЧ волне была вертикальная (т.е. вектор Е направлен вдоль координаты у). Частота излучения оротрона в этих экспериментах была 130, 140 и 150 ГГц. Максимальная мощность излучения оротрона на частоте 130 ГГц была около 0,3 Вт, 140 ГГц - около 0,6 Вт, 150 ГГц - около 0,2 Вт [37]. Длительность импульса ММ излучения была 3 мс, частота следования импульсов - 10 Гц. Время экспозиции телекамеры (2) было равно 2 мс. Задержка начала экспозиции телекамеры по отношению к началу импульса ММ излучения составляла АгЭ = 10 мкс. Конический гофрированный рупор был рассчитан и изготовлен так, что при его запитке излучением с частотой 140 ГГц на его выходе формировался высококачественный аксиально-симметричный гауссов пучок [206]. Зависимостью интенсивности ММ излучения от координаты г на расстоянии Az от рупора описывается соотношением:

Визуализация теневых радиоизображений объектов, освещаемых миллиметровыми волнами

Нелинейная микроволновая квазиоптика изучает взаимодействие и самовоздействие СМ и ММ волн в средах, комплексная диэлектрическая проницаемость которых зависит от напряженности электрического поля микроволнового излучения. Пятая и шестая главы диссертации посвящены исследованию нелинейных сред для электромагнитного излучения миллиметрового диапазона, а также нелинейных квазиоптических устройств на их основе [20А - 33А, 35А – 37А]. Взаимодействие и самовоздействие электромагнитных волн достаточно хорошо изучено в оптическом и близких к нему диапазонах [140 - 144]. В диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн эти явления исследованы значительно меньше, особенно экспериментально. Вместе с тем, интерес к исследованиям в области нелинейной микроволновой квазиоптики обусловлен широкими возможностями использования нелинейных микроволновых квазиоптических элементов в антенно-фидерных устройствах, применяемых в радиолокации, связи, для радиоэлектронного противодействия, передачи энергии с помощью микроволн. В связи с этим, в пятой главе диссертации изучены экспериментальные и прикладные аспекты нелинейной квазиоптики ММ диапазона. В первом параграфе этой главы рассмотрены возможные конструкции антенно-фидерных устройств, в которых могут быть использованы нелинейные микроволновые квазиоптические элементы. Кроме того, в нем дается обзор работ по созданию и изучению нелинейных сред для микроволнового излучения, а также экспериментальному исследованию взаимодействия и самовоздействия микроволновых пучков в этих нелинейных средах. Отметим, что за рамками этого обзора остались достаточно многочисленные теоретические исследования в рассматриваемой области, а также важная часть нелинейной микроволновой физики, которая посвящена изучению процессов генерации гармоник и выпрямления микроволнового излучения [257]. Во втором параграфе пятой главы исследуется возможность использования положительного столба Cs-Xe разряда в качестве нелинейной среды для ММ волн. В третьем параграфе описываются эксперименты, в которых было реализовано обращение волнового фронта миллиметрового излучения при резонансном вырожденном четырехволновом смешении в газе дипольных молекул.

Нелинейные среды и нелинейные квазиоптические антенно-фидерные устройства диапазона сантиметровых и миллиметровых волн

Использование в антенно-фидерных трактах нелинейных квазиоптических элементов на основе сред, показатель преломления или коэффициент поглощения которых зависит от интенсивности микроволнового излучения, создает новые возможности для управления параметрами микроволнового излучения и формирования пучков СМ и ММ волн. Нелинейные квазиоптические элементы могут быть использованы в антеннах с динамической диаграммой направленности, в ограничителях мощности, микроволновых переключателях и ответвителях, в отклоняющих системах и устройствах сканирования микроволнового пучка в пространстве, в обращающих волновой фронт (ОВФ) зеркалах и т.д. Ниже рассмотрены возможные конструкции ряда таких антенно-фидерных устройств [34А, 36А].

Использование нелинейной линзы, оптическая сила которой зависит от интенсивности ММ излучения, позволяет создать радар с быстро изменяемой шириной, и, возможно, формой диаграммы направленности антенны. Принципиальная схема такой антенны приведена на рис. 5.1. Плоский слой нелинейной среды (2), показатель преломления которой зависит от интенсивности ММ излучения, располагается на пути микроволнового пучка между облучателем (1) и зеркалом (3). Среда действует на микроволновый пучок как

Принципиальная схема микроволновой антенны, у которой ширина диаграммы направленности зависит от интенсивности микроволнового излучения: 1 - излучатель, 2 -слой нелинейной среды, 3 - зеркало тонкая нелинейная аберрационная линза [260]. Принцип действия такой антенны иллюстрирует ход лучей, изображенный на рис. 5.1 для случая, когда показатель преломления среды увеличивается с ростом интенсивности ММ излучения. При низкой интенсивности излучения нелинейная среда слабо воздействует на микроволновый пучок, и ширина диаграммы направленности определяется размером антенны, как это условно показано на рис. 5.1 сплошными линиями. При достаточно высокой интенсивности излучения в нелинейной среде происходит, в зависимости от типа нелинейности, самофокусировка (как изображено на рис. 5.1 штриховыми линиями) или самодефокусировка микроволнового пучка. Таким образом, при изменении мощности или, в случае инерционной нелинейной среды, энергии микроволнового излучения изменяется кривизна волнового фронта и радиус пучка, падающего на зеркало (3), что приводит к изменению ширины диаграммы направленности антенны. У такой нелинейной антенны, так же как и у фазированной антенной решетки, можно быстро (например, за время импульса) изменять диаграмму направленности. Однако она значительно проще и дешевле, чем ФАР [1, 2, 258, 259]. Нелинейная антенна с быстро изменяемой диаграммой направленности может быть использована в непрерывных радарах с фазовой или частотной модуляцией излучения для сканирования пространства. Динамическое изменение ширины диаграммы направленности радара дает возможность уменьшить негативное влияние рассеяния микроволнового излучения поверхностью Земли при обнаружении целей. Для управления диаграммой направленности пучка невысокой интенсивности можно использовать нелинейную линзу, создаваемую в слое среды при воздействии другого более мощного пучка ММ излучения. Для удобства управления антенной и обработки сигнала у этих пучков должны быть различными частота или поляризация излучения.

В микроволновом диапазоне, так же как и в оптике [260 – 262], нелинейная среда может быть использована в квазиоптических устройствах, предназначенных для самоограничения и стабилизации мощности проходящего излучения. Нелинейные ограничители мощности могут быть использованы, в частности, для ослабления флуктуаций мощности излучения, генерируемого источниками ММ волн. В самой простой схеме (см. рис. 5.2(а)) микроволнового квазиоптического самоограничителя мощности предполагается, что пучок ММ излучения проходит через фокусирующую линзу (1), нелинейную среду (2) и диафрагму (3). Условно ход лучей за нелинейной средой при низкой и высокой

Качественный вид зависимости мощности ММ излучения PMW, прошедшего через самоограничитель, от величины мощности падающего излучения PMW0 квазиоптического устройства. КВЧ пучок с помощью диэлектрической линзы (1) фокусируется на слой нелинейной среды (2), за которой расположена вторая, конфокальная линза (3), коллимирующая прошедший пучок, далее расположена диафрагма (4). При низкой интенсивности ММ излучения нелинейная среда слабо воздействует на микроволновый пучок, и ММ излучение полностью проходит через диафрагму, как это показано на рис. 5.2(б) тонкими линиями. При высокой интенсивности микроволнового излучения слой нелинейной среды действует как дополнительная линза, которая увеличивает ширину КВЧ пучка в области расположения диафрагмы. На рис. 5.2(б) ход лучей за нелинейной средой при высокой мощности падающего излучения показан толстыми линиями. Поскольку в этом случае через диафрагму проходит только центральная часть КВЧ пучка, происходит уменьшение относительной величины мощности на выходе этого элемента и ее ограничение. Для ограничения мощности можно использовать также плоскослоистую среду (см. рис. 5.4), в которой слои нелинейной среды (показаны темно-серым цветом) чередуются с линейными слоями (показаны светло-серым цветом). Уменьшение мощности прошедшего излучения PT в таких устройствах происходит в результате обратного брегговского рассеяния

Похожие диссертации на Плазменные и газовые среды для измерения параметров и управления характеристиками пучков миллиметровых волн

Инициация и динамика СВЧ разряда высокого давления в пучке электромагнитных волнЕремеев, Анатолий Георгиевич

Экспериментальное исследование газового разряда в квазиоптических пучках электромагнитных волнЗорин Владимир Гурьевич

Разряд в газах среднего и высокого давления в квазиоптическом пучке электромагнитных волн СВЧ диапазонаЕсаков, Игорь Иванович

Нелинейная динамика волн, возбуждаемых плотным пучком электронов в ограниченной плазме Панин Владимир Алексеевич

Неравновесное излучение и ионизация в газо-кластерных средах за ударными волнамиДракон Александр Всеславович

Возбуждение нелинейные свойства поверхностных волн на границе плазмоподобной среды с металломДенисенко, Игорь Борисович

Компромиссные решения многофакторных задач повышения эффективности взаимодействия электромагнитных волн с электронными пучками и диссипативными диэлектрическими средамиЯвчуновский, Виктор Яковлевич

Мощные ультразвуковые пучки: диагностика источников, самовоздействие ударных волн и воздействие на среду при литотрипсииСапожников, Олег Анатольевич

Цифровое управление неопределенным объектом по измерениям частотных параметровАлександров, Вадим Альбертович

Характеристика лазеров на красителях с накачкой импульсным лазерным излучением и резонансным фазово-поляризационным управлением параметрамиТепляшин, Леонид Леонидович