Взаимодействие электронных потоков с электромагнитными полями СВЧ диапазона в неоднородных средах

Вопросы взаимодействия электронных потоков с электромагнитными полями сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона в неоднородных средах в настоящее время являются предметом многочисленных исследований. Интерес к ним связан с большими возможностями этого вида взаимодействия для генерирования, уоиления и преобразования электромагнитных волн. Возможности эти обусловлены особенностями электромагнитных свойств как электронных потоков, так и неоднородных сред.

Действительно, электронные потоки легко управляются электрическими и магнитными полями, их поступательная энергия может преобразоваться в электромагнитное излучение и т. д. Неоднородные среды в большинстве олучаев имеют специфические электродинамические свойства, определяющие возможность возникновения в них под влиянием внешних воздействий электромагнитных волн различного вида.

Совместное исследование и использование свойств электронных потоков и неоднородных сред в диапазоне СВЧ позволило достичь суще ственных успехов в научных и прикладных областях радиофизики, включая все более глубокое освоение миллиметрового и субмиллиметрового (мм и субмм) диапазонов длин волн.

Развитие исследований в диапазонах мм и субмм длин волн создает новые возможности для развития радиолокации, радионавигации, телевидения, радиоастрономии, космической связи, спектроскопии и т. д. Однако генерирование, усиление и преобразование волн этих диапазонов остается одной из наиболее сложных проблем современной радиофизики. Как показал опыт последних лет, для успешного решения этой проблемы необходимо использование новых методов, что требует развития физических исследований по многим направлениям.

Одним из элементарных процессов генерации излучения может быть раосенние поля движущегося заряда на неоднородности среды. Такое излучение было предоказано и иоследовано В. Л. Гинзбургом и И.М.Франком[l] для олучая пересечения зарядом границы вакуумсреда и получило название переходного.

Теории переходного излучения зарядов посвящено большое чиоло работ, основные результаты которых отражены в обзорах/2,3/, монографии^у. В них показано, что переходное излучение представляет ообой явление весьма общего и, можно оказать. универсального характера. В широком смысле переходное излучение понимают как излучение, возникающее при равномерном и прямолинейном движении заряда в неоднородных и нестационарных средах или вблизи таких сред.

Интерес к этому кругу явлений овязан с тем, что излучение типа переходного встречается весьма часто, например, при изучении черенковского излучения в ограниченных средах, в задачах о прохождении пучков частиц через неоднородную плазму, что имеет место в оолнечной короне, уокорителях, очетчиках для определения скорости релятивистских частиц и др.

Названные примеры проявления переходного излучения являются далеко неисчерпываюшими. Это подтверждается тем, что в последние годы появляются работы, посвященные излучению и потерям энергии частиц в криоталлах при каналировании, переходным эффектам в жидких кристаллах, в инвертированных средах и другим задачам.

Практическое использование эффекта переходного излучения в пространственно-неоднородной среде разработано в основном для целей детектирования релятивиотоких заряженных частиц[ъ], интенсивность излучения которых возрастает пропорционально энергии чаотиц, а спектр излучения протягивается в рентгеновскую облаоть длин волн. Существует ряд предложений по использованию переходного излучения оптического диапазона для определения оптических свойств вещества^/" В-ъ] .

Широкий опектр переходного излучения, возможность возбуждения различных волн, простота устройству которых осуществляется преобразование энергии. заряженной частицы в энергию электромагнитных колебаний являются привлекательными свойствами для использования их в диапазоне СВЧ. Здесь особый интерео представляет когерентное переходное излучение электронных потоков.

В различных вариантах классической вакуумной электроники СВЧ проводились экспериментальные исследования переходного излучения электромагнитных волн при падении электронного пучка на границу раздела вакуум-металл. Они были направлены как на использование такого излучения для создания новых источников электромагнитных колебаний ^Ъ-Il], так и на исследование динамических овойств потоков заряженных частиц ^9,12,13]. Важнейшей задачей возникающей при развитии этих направлений, является повышение интенсивности переходного излучения электронных потоков.

Качественно новые возможности открывают исследования пучковых неустойчивостей в неоднородных средах, обладающих собственными колебаниями (плазма и плазмоподобные среды).

Пучковая неустойчивость в газоразрядной плазме была предсказана Пироом [ы], Ахиезером и Файнбергом^Гб/ и к настоящему времени изучена достаточно хорошо. В то же время пучковая неустойчивость в твердых телах иоследована значительно меньше. Одной из первых работ в этом направлении был обзор Лопухина и Be денова /1б/. В нем обоуждался принцип действия резистивного у оилите ля, о снованного на сдвиге фаз между электронным током в потоке и переменным полем волны, распространяющейся в плазме твердого тела. Очевидно, что такое возмущение является более эффективным^ ели в твердом теле возбуждены собственные колебания — электромагнитные волны ^Tl], экситоны¹⁸, 1^/, спиновые волны[zо/, поверхностные плаз-мови²¹−23J и др.

Большой интерес представляют поверхностные электромагнитные волны на границе раздела полупроводников с другими средами. Диапазонные свойства этих волн в изотропных полупроводниковых структурах определяются значениями плазменных частот, которые могут охватить мм и даже инфракрасный диапазоны длин волн ^/24J .

Важный свойством поверхностных электромагнитных волн является наличие электромагнитного поля над поверхностью полупроводника. Это приводит к уменьшению их затухания по сравнению с объемными волнами, принципиально облегчает их возбуждение внешними полями, заряженными частицами .

Переходное излучение зарядом поверхностных электромагнитных волн (трехмерных плазмонов) на границе раздела вакуум-полупровод-шв рассматривалось в работах/к^?/. Для нерелятивистсиой частицы энергии излучения поверхностной и объемных волн сравнимы по величине.

В ограниченных полупроводниках (тонких пластинах, планках, слоистых структурах и т. д.) могут создаваться специфические условия для возбуждения и распространения как объемных, так и поверхностных волн.

Малые поперечные размеры ограниченных полупроводников делают их практически прозрачными для быстрых заряженных частиц и создают условия для проявления размерных квантовых эффектов. В связи с углублением наших знаний о природе этих эффектов и быстрым развитием технологии возникает возможность создания перспективных приборов, работа которых непосредственно связана со специфи.

48 еж ими процессами, которые происходят в тонких поверхностных пленках полупроводников^2sJ .

С этой точки зрения перспективными являются двумерные электронные системы, К ним относятся: инверсионные слои на поверхности полу прово дников, полуме та ллические или полупроводниковые пленки, напыление на диэлектрик, границы гетеропереходов слоистых полупроводниковых структур и т. д. В процеосе исследования размерных квантовых эффектов в этих оистемах была поотроена модель принципиально нового объекта — двумерного электронного газа, т, е. газа заряженных частиц, которйе перемещаются только в двух заданных направлениях, а движение в третьемзапрещено.

В таком газе было предсказано существование электромагнитных возбуждений — двумерных плазмонов²⁹−31^, обнаруженных в настояшее время экспериментально ^32−3б/ .Их частота лежит в области субмм и инфракраоного диапазонов длин волн и может перестраиваться изменением поверхностной плотности заряда, что легко ооуществляется внешним электрическим полем, Ош имеют беещелевой спектр, относительно низкую фазовую скорость. С точки зрения генерации мм и субмм волн интерес представляют неустойчивости двумерных плазменных волн f^lj.

Исследования двумерных плазмонов развернулись в 70-х годах и интенсивно ведутся в настоящее время/зв/.Следует.однако, отметить, что несмотря на большое количество теоретических работ, экспериментальные исследования в этой области не получили широкого развития. Поэтому задачи, связанные с исследованиями новых опособов возбуждения двумерных плазмонов, создания их неустойчивоотей, являются актуальными.

В данной диссертационной работе исоледовано возбуждение и усиление двумерных плазмонов на оонове эффекта переходного излучения и электронно-волнового подхода к процессам, протекающим в потоке*.

Электронно-волновой подход рассматривает электронный поток как движущуюся среду. характерной чертой которой является существование коллективного (плазменного) взаимодействия частиц в ней и связанных с ним волн пространственного заряда (ВИЗ)^/l7t3S)J .

Если в направлении движения потока заряженных частиц меняют-, ся электромагнитные свойства среды, то из-за несохранения импульса пучковых волн оказывается возможным их преобразование в собственные колебания среды jTvtJ. Такой подход попользовался в работах^40,41J, где изучена пучковая неустойчивость трехмерных поверхностных плазмонов на границе вакуум-полупроводник.

Представление о преобразовании ВИЗ электронного потока в электромагнитное излучение на границе раздела вакуум-металл подтверждается экспериментальными исследованиями •Это ооздает возможности как для изучения характеристик переходного излучения, так и для иооледования свойств ВПЗ электронного потока по этим характеристикам.

Представляет интерес дальнейшее развитие этих экспериментальных исследований, связанное с применением ограниченных металлических неоднородностей. Согласно работе^/" djинтенсивность излучения такого рода объектами может быть больше, чем в случав неограниченных плоскостей. Как отмечалось выше, это имеет большое значение для практического применения эффекта переходного излучения в электронике СВЧ. В частности, использование ограниченных металлических неоднородностей может расширить возможности исследования овойотв ВПЗ в реальных электронных пучках.

Волновые явления в электронных пучках, используемых на практике для взаимодействия с электромагнитными полями СВЧ диапазона, обладают особенностями, которые не учитываются идеализированной моделью потока как однородной плазмоподобной среды. Эти особенности обусловлены, в частности, собственными неоднородностями пучков, образующимися при их формировании, удержании от раоплывания и транспортировке. В таких пучках изменяются как свойства ВИЗ, так и условия их взаимодействия с электромагнитными волнами в неоднородных средах/39,42−44у. С другой стороны, некоторые особенности волновых явлений в неоднородных электронных пучках открывают новые возможности их применения³⁹, 4bj. Поэтому исследования свойотв неоднородных пучков представляет физичеокий интерес для развития электронно-волнового подхода и имеют практическое значение для улучшения характеристик существующих и создания новых приборов СВЧ.

Цель данной работы оостоит в теоретическом исследовании переходного излучения заряда, пересекающего двумерный электронный газ, и взаимодействия ВПЗ электронного потока с плазменными водь нами в двумерной электронной системе. Она также заключается в экспериментальном исследовании преобразования ВПЗ в другие виды колебаний на различного рода металлических неоднородностях (ограниченные плаотины, нить) и на неоднородностях самих потоков.

Структура работы. Диссертация состоит из четырех главвыводов к каждой главе и заключения.

Первая глава посвящена исследованию переходного излучения электромагнитных волн зарядом, пересекающим двумерный электронный газ. Решению конкретной задачи предшествует рассмотрение физики перехрдного излучения заряда в различных условиях, рассматриваются электродинамические свойства двумерной электронной системы (газа). Определяется зависимость спектральной плотности переходного излучения зарядом объемных и поверхноотных (двумерных плаэмонов) волн от скорооти заряда концентрации электронов в двумерном слое. Обсуждается возможность исследования овойств двумерного электронного газа по опектральным характеристикам переходного излучения.

Во второй главе исследуетоя неустойчивость плазменных волн в двумерных электронных системах, пересекаемых электронными потоками. Рассматривается механизм образования ВПЗ в потоке и их преобразование в собственные колебания среды. Определяются инкременты нарастания (затухания) двумерных плазмонов для различных вариантов возбуждения ВПЗ в электронном потоке относительно слоя. Вычис-ляется инкремент нарастания пучковой неустойчивости при пересечении электронным потоком двух слоев, находящихся на определенном расстоянии друг от друга. Выясняется влияние конечной толщины двумерной электронной оистемы на свойства пучковой неустойчивости. Определяются инкременты нарастания симметричной и антисимметричной моды колебаний пространственного заряда в системе.

В третьей главе экспериментально исследуется электромагнитное излучение при трансформации ВПЗ электронных пучков на металлических ограниченных неоднородностях. Изучается влияние конечных размеров неоднородностей на характеристики переходного излучения с целью повышения сопротивления излучения.

Иоследуются поляризация излучения, зависимость интенсивности излучения от тока, ускоряющего напряжения пучка. Особое внимание уделяется изучению зависимости излучения от характера неоднородности, ее Форш, размеров, меота падения ограниченного электронного пучка на нее. Анализируются возможности исследования овойств ВПЗ электронных пучков по характеристикам его переходного излучения. Расширение этих возможностей связывается с применением неоднородностей, размеры которых меньше сечения пучка. Указанным методом измеряетоя коэффициент редукции плазменной чаототы электронного пучка. Даются рекомендации по практическому применению этого метода.

Четвертая глава посвящена особенностям волновых явлений в электронных пучках, используемых для взаимодействия с электромагнитными полями в неоднородных оредах. Проводится анализ условий образования неоднородностей в электронных пучках при их формированииудержании от раоплывания и транспортировке и влияния этих неоднородностей на свойства ВПЗ пучков. Экспериментально исследуются характеристики взаимодействия электронного пучка с полями периодической системы в зависимости от величины индукции фокусирующего магнитного поля. Предлагается модель дифракционных потерь энергии пульсирующего электронного пучка. Исследуется влияние ионно-плазменных колебаний на интенсивность взаимодействия электронного пучка о полем периодической системы.

Основные положения и выводы, выносимые на защиту:

1. Предложен способ возбуждения двумерных плазмонов зарядом, пересекающим двумерный электронный газ. Показано, что спектральная плотность энергии излучения двумерных плазмонов зависит от величины и скорости заряда концентрации электронов в газе. диэлектрических проницаемостей ограничивающих газ сред.

2. Развита теория взаимодействия волн пространственного заряда электронных потоков с плазменными волнами в двумерных электронных системах. Установлено, что при прохождении электронного потока через двумерную электронную сиотему инкременты нараотания двумерных плазмонов зависят от направления распространения энергии волн пространственного заряда потока, окорости и концентрации электронов потока, параметров двумерной электронной оистемы (концентрации электронов. толщины плазменного слоя, количества двумерных электронных слоев, расстояния между ними, диэлектрических проницаемостей прилегающих сред).

3. Разработана методика исследования когерентного переходного излучения возникающего при трансформации волн пространственного заряда электронного пучка на границе раздела сред вакуум-металл. Экспериментально показано, что интенсивность излучения существенно повышается при использовании ограниченных неоднородностей.

4. На основе анализа и экспериментального исследования особенностей волновых явлений в электронных пучках. используемых для взаимодействия с электромагнитными полями в неоднородных средах, показано, что неоднородности пучков приводят к преобразованию волн пространственного заряда пучка, изменению характеристик выходного СВЧ сигнала;

Диссертация содержит ПО стр. текста, 28 стр. рисунков, список литературы из 104 наименований на II стр.

Работа выполнялась в овязи о исследованиями, проводимыми по комплексным научным программам института радиофизики и электроники АН Украинской ССР «Фундаментальные исследования в области миллиметровых и субмиллиметровых волн и использования их результатов в народном хозяйстве» и «Фундаментальные и прикладные исследования высокочастотных овойств твердых те л», утвержденные Президиумом АН Украинской ССР. Ее результаты являются составной частью научно-исследовательских работ выполняемых в институте, и вошли в соответствующие научно-твхничеокив отчеты.

Результаты диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах отделений электроники и физики твердого тела, конференциях молодых ученых и специалистов инотитута радиофизики и электроники АН Украинской ССР (1980;1984 гг.), на Всесоюзном научном семинаре «Электронные процессы в двумерных системах» (Новоси бирок, 1982 г.), на X Всесоюзной научной конференции «Электроника СВЧ «(Минск, 1983 г.), на ХШХ Всесоюзной научной сессии НТО РЭС им. А. С. Попова, посвященной Дню радио (Москва, 1984 г.).

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в работахГъ2,53,56−58, 63,64,99,Ю0,1037 .

Выводы.

В четвертой главе исследованы особенности волновых явлений в электронных пучках, используемых для взаимодействия с полями поверхноотных волн в неоднородных средах.

Проведен анализ свойств волн пространственного заряда в неоднородных электронных пучках. Из него видно, что неоднородности самих пучков, которые возникают при формировании, удержании от расшивания и транспортировке пучков, могут существенно влиять на его волновые свойства. Среди этих неоднородностей выделены основные: неоднородное распределение потенциала вдоль и по сечению пучка неоднородность ионно-электронной среды в области пучка, пульоации его границ.

Экспериментально иоследовано влияние неоднородного распределения потенциала пространства дрейфа, включающего пространство взаимодействия, электронно-оптическую систему и приколлекторную область, на амплитуду выходного СВЧ сигнала при длительном взаимодействии электронного пучка с полем поверхностной волны. Это влияние определяется дрейфом положительных ионов вдоль пучка и бомбардировкой ими катода.

Исследованы ионно-плазмеиные колебания в пучке и обусловленная ими низкочастотная модуляция СВЧ сигнала при длительном взаимо.

— 134 действии пучка и волны. Показано, что их нарастание определяется двухпотоковым механизмом взаимодейотвия ионов и медленных вторичных электронов.

Доказана двоякая роль потенциала коллектора в процессах изменения плотности ионов в пространстве взаимодействия. Потенциал коллектораI) управляет дрейфом ионов в продольном направлении, 2) меняет их концентрацию посредством медленных вторичных электронов.

Показано, что при этом изменяются спектральные составляющие СВЧ сигнала, обусловленные ионно-плазмеиными колебаниями.

Обнаружено ослабление интенсивности взаимодействия пульсирующего электронного пучка о СВЧ полем поверхностной волны периодаческой системы при совпадении рабочей частоты о циклотронной частотой { или ее гармоникой) фокусирующего магнитного поля. Это ослабление объяснено дифракционными потерями пульсирующего электронного пучка на собственных неоднородностях.

Рассмотрены условия для возбуждения открытого резонатора пульсирующим электронным пучком.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе теоретически последовало переходное излучение заряда, пересекающего двумерный электронный газ, и взаимодействие волн пространственного заряда электронного потока с плазменными волнами в двумерных электронных системах. Экспериментально исследовано преобразование волн пространственного заряда электронного потока в другие виды колебаний на различного рода металлических неодно-родностях (ограниченных пластинах, нити), неоднородностях в самих потоках.

Сформулируем основные результаты работы,.

1, Рассмотрено переходное излучение электромагнитных волн зарядом, пересекающим двумерный электронный газ. Получены аналитические выражения для спектральной плотности энергии излучения объемных и поверхностных (двумерных плазмонов) волн. Эти плотности энергии зависят от величины заряда, его скорости. концентрации электронов в двумерном электронном газе, диэлектрических проницаемостей ограничивающих этот газ сред.

Характеристики переходного излучения заряда можно йспользовать для определения свойств двумерного электронного газа.

2. Исследовано взаимодействие волн пространственного заряда электронного потока с плазменными волнами в двумерных электронных системах.

2.1. Установлено, что двумерные плазменные волны можно усиливать потоком электронов, пересекающим двумерный электронный газ. Получены инкременты нарастания (затухания) двумерных плазмонов. Они зависят от направления распространения энергии волн пространственного заряда потока относительно поверхности двумерного электронного газа, концентрации электронов в этом газе, скорости и концентрации электронов в потоке.

— 136.

2.2. Показано, что при пересечении электронным потоком двух одинаковых двумерных плазменных слоев усиливаются две нормальные моды колебаний такой системы. Их инкременты нарастания зависят от расстояния между слоями и в оптимальном случав для каждой моды становятся в 2 раза больше, чем в случав одного слоя.

2.3. Выяснено влияние конечной толщины двумерного электронного слоя на характеристики плазменных волн в нем. В этом случае взаимодействие электронного потока возможно как о симметричной, так и антисимметричной модами колебаний пространственного заряда слоя. Показано, что для типичных параметров двумерного электронного слоя инкремент нарастания симметричной моды значительно больше, чем для случая антисимметричной.

3. Экспериментально развито представление о преобразовании волн пространственного заряда пучка на границе раздела сред в электромагнитное излучение.

3.1. Показано, что при падении модулированного электронного пучка на металлические неоднородности (пластину, ограниченную плоскооть, нить) характеристики когерентной части излучения в диапазоне СВЧ качественно соответствуют существующим теоретическим представлениям о переходном излучении.

3.2. Установлено, что использование ограниченных металлических неоднородностей как трансформаторов ВПЗ в электромагнитное излучение позволяет на порядок и более повысить сопротивление излучения по оравнению со случаем^неограниченной плоскооти. При этом сопротивление излучения существенно зависит от характера неоднородности: ее формы, размеров, места падения на нее ограниченного электронного пучка.

3.3. Показана возможность использования переходного излучения ограниченных металлических неоднородностей для анализа динамичеоких характеристик пучков, используемых в приборах СВЧ, а также для исследования их взаимодействия с электромагнитными полями в различных неоднородных средах,.

3.4* Экспериментально измерена редукция плазменной частоты электронного пучка, обусловленная влиянием наведенных зарядов на окружающих пучок проводящих элементах. Установлено, что действие наведенных зарядов на динамичеокие процессы в пучке определяют не только относительные поперечные размеры канала дрейфа и пучка, но и симметричность расположения пучка в канале дрейфа относительно проводящих элементов. Это можно использовать при точной юстировке электронного пучка в приборах СВЧ,.

4. Экспериментально развит электронно-волновой подход к процессам, протекающим в неоднородных электронных пучках, используемых для взаимодействия с полями поверхностных волн.

4.1. Обнаружено ослабление взаимодействия пульсирующего электронного пучка с полем периодической системы при совпадении рабочей частоты с циклотронной частотой электронного пучка. Показано, что оно может быть связано с дифракционными потерями энергии пульсирующего электронного пучка на периодических неоднородностях самого пучка.

4.2. Рассмотрены условия для возбуждения открытого резонатора пульсирующим электронным пучком, что может быть использовано для создания новых приборов СВЧ^.

4.3. Доказана двоякая роль потенциала коллектора в процессах изменения плотности ионов в пространстве взаимодействия электронного пучка о полями периодичеокой системы. 0н-1) управляет дрейфом ионов в продольном направлении, 2) меняет их концентрацию посредством медленных вторичных электронов.

4.4. Исследованы особенности низкочастотной модуляции СВЧ сигнала, обусловленной ионно-плазменными колебаниями в пучке при взаимодействии электронного пучка с полями периодической системы.

— 138.

Нарастание ионно-плазменных колебаний объясняется двухпотоковым механизмом взаимодействия ионов и медленных вторичных электронов,.

В заключение выражаю искреннюю благодарность руководителю работы доктору физико-математических наук, профессору В. М. Яковенко за предложенную тему и руководство работой — кандидату физикоматематических наук, старшему научному сотруднику А. Я. Кириченко за руководство экспериментальной частью работы — кандидату физико-математических наук, старшему научному сотруднику Н. Н. Белецкому за плодотворные дискуссии и сотрудничество в процессе выполнения данной работы, а также другим сотрудникам ИРЭ АН УССР, оказавшим помощь и поддержку в период выполнения работы.