РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛН В ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ МАГНИТОАКТИВНОЙ ПЛАЗМЕ

Введение

С распространением электромагнитных волн в плазме, т.е. в частично или полностью ионизированном газе, приходится встречаться в целом ряде случаев. На сегодняшний момент ученых привлекает внимание задача о распространении электромагнитных волн в плазме, созданной как в лабораторных условиях, так и природных. Плазма, с которой приходится сталкиваться в природных условиях или в лабораторных приборах, характеризуется параметрами, отличающимися в различных случаях на много порядков. В последнее время актуальным вопросом является взаимодействие электромагнитных волн с неоднородной полупроводниковой плазмой, находящейся под влиянием внешнего постоянного магнитного поля.

Основные характерные особенности плазмы

Плазма является существенно неоднородной, в этом случае волны распространяются в среде с изменяющимися в пространстве электрофизическими параметрами [5, c 60]. Разумеется, с неоднородностью среды приходится сталкиваться и в других случаях. При этом обычно встречаются резкие границы раздела и значительно реже лишь сравнительно небольшие плавные изменения свойств среды. В случае же плазмы, наоборот, редко приходится сталкиваться с резкими границами, и типичным является наличие плавных, но весьма больших изменений свойств среды. Изменения эти часто настолько велики, что диэлектрическая проницаемость и меняет знак. Следующей характерной особенностью плазмы как раз и можно считать то обстоятельство, что ее использование позволяет без особого труда реализовать среду со слабым поглощением. С этим связаны возможность существования очень слабо затухающих плазменных волн. Плазма сильно изменяет свои свойства под действием постоянного магнитного поля. В результате даже весьма слабые, по обычным представлениям, магнитные поля существенно меняют характер распространение волн в земной ионосфере и других случаях.

 

Плазма является существенно неоднородной, в этом случае волны распространяются в среде с изменяющимися в пространстве электрофизическими параметрами [5, c 113]. Разумеется, с неоднородностью среды приходится сталкиваться и в других случаях. При этом обычно встречаются резкие границы раздела и значительно реже лишь сравнительно небольшие плавные изменения свойств среды. В случае же плазмы, наоборот, редко приходится сталкиваться с резкими границами, и типичным является наличие плавных, но весьма больших изменений свойств среды. Изменения эти часто настолько велики, что диэлектрическая проницаемость и меняет знак. Следующей характерной особенностью плазмы как раз и можно считать то обстоятельство, что ее использование позволяет без особого труда реализовать среду со слабым поглощением. С этим связаны возможность существования очень слабо затухающих плазменных волн. Плазма сильно изменяет свои свойства под действием постоянного магнитного поля. В результате даже весьма слабые, по обычным представлениям, магнитные поля существенно меняют характер распространение волн в земной ионосфере и других случаях.

 

Определение плазмы и ее физические характеристики

         Магнитоактивная плазма — плазма, помещенная во внешнее магнитное поле. Поскольку плазма представляет собой ионизированный газ, состоящий из заряженных частиц, наличие магнитного поля оказывает значительное влияние на все процессы, происходящие в плазме [4, c 62]. Плазма твердых тел (полупроводниковая плазма) — совокупность подвижных носителей заряда (электронов проводимости в металлах или электронов и дырок в полупроводниках), коллективный характер движения которых обусловлен кулоновским взаимодействием между ними, в отличие от газовой плазмы, которую рассматривают как отдельное агрегатное состояние. Плазменные колебания являются продольными волнами, в которых самосогласованное электрическое поле ориентировано вдоль направления распространения возмущения. Для описания плазменных колебаний электронов вводят квазичастицу, называемую плазмоном. Свойства плазмы существенно изменяются вдали от термодинамического равновесия, например, при разогреве носителей постоянным электрическим полем или при оптической накачке. При плотности тока, превышающей критическое значение, стационарное состояние плазмы твердых тел перестает быть устойчивой, т. е. некоторые электрические флуктуации не затухают, а нарастают со временем. Результатом неустойчивости является либо разрушение образца, либо образование пространственно-временных электронных структур. Может происходить расслоение плазмы твердых тел с образованием доменов сильного и слабого полей, движущихся между контактами, или «шнурование» тока при ее сжатии в некоторой части поперечного сечения образца. В биполярной плазме полупроводников, когда концентрацию электрон-дырочных пар можно изменять оптической накачкой или их инжекцией из контактов, возможен режим инверсного заполнения электронных состояний зоны проводимости по отношению к валентной зоне [2, c 263]. Стимулированное электромагнитное излучение такой плазмы описывают как неравновесный фазовый переход. Ряд других эффектов в неравновесной плазмы твердых тел используют при создании оптоэлектронных приборов высокочастотного, инфракрасного и видимого спектральных диапазонов. Основная проблема распространения волн в магнитоактивной плазме достаточно сложная, благодаря тензорному характеру диэлектрической проницаемости подобной плазмы. При распространении волны под произвольным углом к направлению магнитного поля имеет продольные и поперечные компоненты поля. При поперечном распространение, волна распространяется под прямым углом к направлению постоянного магнитного поля, общее тензорное уравнение раскладывается на два дисперсионных соотношения. Одно из них соответствует обыкновенной волне, вектор электрического поля которой параллелен направлению магнитного поля. Другое уравнение описывает необыкновенную волну, которая имеет продольную и поперечную компоненты вектора электрического поля. Частным случаем необыкновенной волны является гибридная волна. Поперечная компонента электрического поля этой волны стремится к нулю.

Рассеивание и трансформация волн в магнитоактивной плазме

Рассеяние и трансформация волн в плазме, включая случаи малых амплитуд, являются индуцированными процессами [1, c 140]. Это приводит к тому, что при вычислении величин, подобных длинам рассеяния в теории взаимодействия частиц, необходимо учитывать обратную связь между падающей и рассеянной волной. Подобная связь приводит к возникновению распадной параметрической неустойчивости волн, лежащей в основе вынужденного комбинационного рассеяния волн. Именно данный параметр, при вынужденной комбинации рассеяния, экспоненциально нарастает амплитуда рассеянной и падающей волны. Рассмотрение плазмы, как комбинации большого числа мод-осцилляторов, приводит к тому, что указанные условия резонанса волн можно трактовать как условия параметрического резонанса в среде с распределенными параметрами. Рассеяние волн — возмущения волновых полей, вызываемые неоднородностями среды и помещенными в эту среду рассеивающими объектами [3, c 196]. Различают три основных вида рассеяния. Рассеяние волн на одиночных объектах в однородной среде. Это могут быть одиночные частицы (электроны, атомы, молекулы) в вакууме. Другой тип подобных объектов - макроскопические тела, отличающиеся от окружающей среды показателем преломления и импедансом, плазменные сгустки, газовые пузырьки в жидкости и тому подобные. Однако, в подобных случаях, рассеяние волн отличается от дифракции волн исключительно терминологически. В прикладном аспекте, главенствующую роль играет рассеяние волн в равновесной и неравновесной плазме, где вместе с электромагнитными волнами могут распространяться и другие типы волн. Это приводит к сложной картине рассеяния, трансформации волны одного типа в другие, изменению углового и частотного спектров, и тому подобное.

 

Заключение

Изучение распространения электромагнитных волн в магнитоактивной полупроводниковой плазме является одной из актуальных электродинамических задач, имеющих достаточно широкое применение в области радиосвязи. Неоднородность и нелинейность плазмы сильно изменяют процессы распространения в ней радиоволн. В будущем неоднородные магнитоактивные плазменные полупроводниковые структуры найдут широкое применение для проектирования более усовершенствованных устройств связи, такие как фильтры, поляризаторы и т.д.

 

Список литературы:

  1. В.В. Никольский, Т.И. Никольская. Электродинамика и распространение радиоволн: учеб. пособие для вузов / М.: Либроком, 2015 – 544 с.
  2. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме / М.: Ленанд, 2015 – 688 с.
  3. Гинзбург В.Л., Рухадзе А.А. Волны в магнитоактивной плазме / М.: URSS, 2014 – 262 с.
  4. Кузелев М., Рухадзе А. Методы теории волн в средах с дисперсией / М.: Litres, 2018 - 271 c.
  5. Рожанский В.А. Теория плазмы / М.: Лань, 2012 - 320 с.