Нелинейная теория волновых возмущений в ограниченных плазмоподобных средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

г г Б ОД

1 3 1-э

ХАРЬКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ОСТРЖОВ Константин Николаевич

НЕЛИНЕЙНАЯ ТЕОРИЯ ВОЛНОВЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ В ОГРАНИЧЕННЫХ ПШЮВДШВ СРЕДАХ

01.04.08 - физика и химия плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико - л'шематчесних наук

Харьков - 199Б

Диссертация является рукописью. Работа выполнена в Харьковском государственном университете.

Научный консультант: доктор физико - математических наук,

профессор АЗАРЕНКОВ Николай Алексеевич.

Официальные оппоненты :

доктор физико - математических нар, профессор ШШ Виктор Васильевич ( СумГУ , г. Суш )

доктор физико - математических наук, профессор БОЕВ Анатолий Григорьевич (Радиоастрономический институт HAH Украины, г. Харьков )

доктор физико - математических наук, профессор РЕПАЛОВ Николай Семенович ( ННЦ ХФГИ , г. Харьков )

Ведущая организация : Институт теоретической физики

HAH Украины ( г. Киев )

Защита состоится " ^" 1996 г. в Стасов

на заседании Специализированного совета Д 02.02.12 при Харьковском государственном университете ( 310108, Харьков - Г08., пр. Курчатова, 31, аул. 301 ). С диссертацией мокно ознакомиться в Центральной научной библиотеке ХГУ .

Автореферат разослан " » олур-е*^ 1996 г.

Ученый секретарь совета, dßUyJ/^ доктор физико-математических наук ^ / Н.А.Азаренков

I. Общая характеристика работы .

Актуальность теш . Волновые процессы в ограниченных плазмоподобных структурах в настоящее время являйся предметом интенсивных теоретических и экспериментальных исследований. ' Интерес к их изучении обусловлен перспективам их практического использования в ряде прикладных задач физики газового разряда, Л С, плазменной электроники, интегральной оптики и оптоэлектроники, а также плазменной технологии и плазмохимии. Эти исследования представляют немаловажный общефизический интерес и оказывают стимулирующее воздействие на развитие других областей физики.

Детальное изучение волновых процессов на границах раздела сред актуально в связи с проблемой использования многослойных и квазидвумерных полупроводниковых структур для создания рабочих элементов многофункциональных устройств твердотельной электроники. При этом практическое использование различных нелинейных эффектов и неустойчивостей дает возможность создания активных полупроводниковых приборов на поверхностных волнах (ПВ), работающих при высоких уровнях мощности. Использование слоистых твердотельных структур в качестве элементной базы электронных приборов позволяет получить рабочие частоты, лежащие в миллиметровом, субмиллиметровом и инфракрасном диапазонах. Кроме того, изменением параметров среда и некоторых внешних условий, таких как величина внешнего магнитного поля, можно добиваться возможности управления спектрами рабочих частот в широких пределах и значительного увеличения мощности генерируемых электромагнитных волн. Свойства ПВ также изучаются в связи с прикладной проблемой бесконтактной неразрушаюцей диагностики поверхности. ПВ в ограниченных плазмоподобных средах в ряде случаев обладают фазовыми скоростями, значительно меньшими скоро сиг света и могут эффективно взаимодействовать с пучками заряженных частиц. ПВ интенсивно исследуются в связи с прикладными проблемами ВЧ и СВЧ самоподдерживающихся газовых разрядов и ввода энергии в рабочий обьем термоядерных установок.

Существует три основных группы ПВ по отношению к типам граничащих сред: ПВ на границе раздела плазмоподобной среды с диэлектриком, ПВ на границе раздела двух плазмоподобных сред

з

со сравнимыми электродинамическими характеристиками ( наиболее типичной в этом случае является граница раздела полупроводник -полупроводник ), ПВ на границе раздела двух плазмогодобных сред с существенно отличавдимися электродинамическими характеристиками ( например, на границе раздела между твердотельной им газоразрядной плазмой и металлом ).

На сегодняшний день волноводные свойства структур плазмоподобная среда-металл являются наименее исследованными по сравнению с двумя вышеуказанными. На этой границе раздела сосуществуют волновые возмущения двух принципиально различных типов: ПВ, обусловленные коллективными процессами в электронной подсистеме металла ( частота волновых возмущений данного типа лежит, как правило, в инфракрасном диапазоне ) и ПВ, обусловленные коллективными процессами в самой плазмоподобной среде ( частоты этих ПВ обычно относятся к СВЧ, миллиметровому и субмшшметровому диапазонам ). Значительная разность частот позволяет рассматривать волновые процессы обоих типов раздельно. В настоящей работе предметом исследования являются ПВ, обусловленные коллективными процессами в плазмоподобной среде.

Таким образом, анализ вшаесказаного позволяет заключить, что исследования волновых свойств ограниченных структур плазмоподобная среда-металл в настоящее время является актуальным. Кроме того, на сегодняшний день ряд вопросов, связанных со свойствами волновых возмущений поверхностного типа в таких структурах, остается неисследованным. В частности, не решен вопрос о выборе наиболее оптимального режима возбуждения той или иной структуры. Что касается вопроса о нелинейных эффектах, связанных с распространением ПВ, то его исследование находится на начальной стадии. В данной работе приведены результаты исследований по ряду неисследованных вопросов линейной теории , возбуждения ПВ, и нелинейным эффектам, имеющим место при распространении волновых возмущений на границе, раздела плазмоподобная среда-металл. Целью настоящей диссертационной работы является исследование особенностей нелинейных взаимодействий и прикладных аспектов теории волновых возмущений поверхностного типа в структурах плазмоподобная среда-металл и решение связанного с этой

Д

проблемой комплекса вопросов ( линейные электромагнитные свойства и способы возбуждения волновых возмущений ). Научная новизна и практическая ценность. Результаты проведенных в работе исследований позволили расширить, углубить и обобщить представления о дисперсионных, энергетических, поляризационных характеристиках, способах возбуждения и нелинейной динамике волновых возмущений поверхностного тшга в структурах плазмоподобная среда-металл.

Полученные в диссертации результаты по линейным и нелинейным свойствам волновых возмущений являются основой для постановки экспериментов и интерпретации их результатов, а также для дальнейшего развития нелинейной теории волноведущих структур плазмоподобная среда-металл.

1. Впервые изучены топография электромагнитных полей и дисперсионные свойства аксиально - симметричных и азимутальных поверхностных волн в структуре цилиндрическая металлическая антенна с диэлектрической прослойкой - магнитоактивная плазма и проведено сравнение с экспертеталылши данными.

2. Впервые показано, что двухканальная структура плазмоподобная среда - металл, в которой поперек внешнего магнитного поля распространяются электромагнитные поверхностные волны, может использоваться в качестве направленного ответвителя и электрооптического модулятора миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн.

3. Впервые исследовано влияние пристеночных переходных слоев, в которых неоднородны плотность среды и внешнее магнитное поле и присутствует точка локального гибридного резонанса, на параметрическое возбуждение структуры плазмоподобная среда - металл .

4. Впервые показана возможность возбуждения ЛВ, распространяющихся поперек внешнего магнитного поля, в скрещенных постоянных электрическом и магнитном • полях и исследована эффективность возбуждения.

5. Применительно к различным плазмоподобным средам и различным геометриям проблемы изучен процесс резонансного удвоения частоты волновых возмущений поверхностного типа.

6. Исследована начальная стада взаимодействий распадного

и модуляционного ишов с участием азимутальных поверхностных волн (АПВ) в магнигоактивных плазменных волноводах и рассчитана эффективность взаимодействия.

7. Впервые, используя формализм нелинейных восБриимчивоетей третьего порядка, в приближении слабой нелинейности в наиболее общем виде рассчитаны нелинейные сдвиги частоты ПВ, распространяющихся поперек внешнего магнитного поля на границе плазмоподобной среды с металлом и показана возможность диагностики нелинейных свойств среда с помощью исследуемых ПВ.

8. Построена теория нелинейного самовоздействия различных типов ПВ ( непотенцкальных ПВ, распространяющихся поперек магнитного поля и потенциальных ПВ в свободной среде или при поперечном относительно магнитного поля распространения ), обусловленного действием различных механизмов нелинейности ( гидродинамические нелинейности, нелинейности, связанные с непараболичностью спектра носителей в полупроводниковой плазме, а также с разогревом носителей в поле нелинейной ПВ ). Приведены результаты нелинейной эволюции ПВ в каждом конкретном случае.

9. Исследованы процессы нелинейной трансформации энергии ПВ в энергию волновых возмущений обьемного типа, генерируемых на второй и третьей гармониках частоты ПВ .

10. Впервые показана возможность использования ПВ в структурах плазма-металл с диэлектрической прослойкой, распространяющихся вдоль внешнего магнитного поля ( планарная и цилиндрическая геометрия ) для создания и поддержания СВЧ газового разряда. Построена теория такого разряда, основанная на феноменологическом и микроскопическом подходах.

В большинстве случаев результаты предлагаемой работы применимы как для газовой плазмы, так и плазмы полупроводников, а в некоторых случаях - для гиротропных сред более общего вида.

Практическая ценность работы заключается в следующем :

- результаты расчетов дисперсионных свойств и топографии электромагнитных полей ПВ актуальны при разработке функциональных устройств плазменной, полупроводниковой электроники и интегральной оптики. Длина волны исследуемых ПВ может лежать в миллиметровом, субмиллиметровом, инфракрасном диапазонах.

- исследование пучковых, параметрических и дрейфовых

теустойчивостей позволяет произвести выбор наиболее оптимального режима возбуждения волноведущей структуры.

- изучение процессов резонансного удвоения частоты и генерации третьей гармоники ПВ представляет интерес с точки зрения создания новых умножителей частоты, работающих в различных диапазонах длин волн.

- эффекты нелинейного самовоздействия ПВ могут иметь место в нелинейном режиме работы волноведущей структуры. Их яеобходимо учитывать, например, при расчете резонансного угла возбуждения ПВ конечной амплитуды при использовании наиболее распространеннного метода возбуждения ПВ в полупроводниковых структурах - метода нарушенного полного внутреннего отражения (ШЛЮ). Расчеты нелинейного сдвига частоты ПВ в ряде случаев позволяют осуществлять нелинейную диагностику различных свойств плазмоподобной среды (определение нелинейных восприимчивостей, параметров приповерхностной области, зонной структуры и др.).

- исследование структуры СВЧ газовых разрядов, создаваемых и поддерживаемых поверхностными волнами представляет практический интерес при разработке новых источников сверхчистой плазмы с управляемыми параметрами.

На защиту выносятся следующие положения и результаты :

1. Результаты расчета топографии электромагнитных полей и поверхностных импедансов аксиально - симметричныъх ПВ и АПВ в структуре цилиндрическая металлическая антенна диэлектрическая прослойка - магнитоактивная плазма.

2. Теория двухканальной структуры плазмоподобная среда -металл, с распространяющимися поперек внешнего магнитного поля ПВ, которая может использоваться в качестве направленного ответвителя и' электрооптического модулятора миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн.Оценки величины простран ственного масштаба обмена энергией между волноводными каналами.

3. Результаты исследования параметрического ( в поперечном к границе раздела переменном электрическом поле ) и дрейфового ( в полупроводниковой плазме в постоянных скрещенных электрическом и магнитном полях ) способов возбуждения волноведущих структур плазмоподобная среда - металл ( геометрия 1ойгта ). Выражения для инкрементов, пороговых значений

7

амплитуда поля, накачки и .уровней насыщения параметрической неустойчивости-,'' "обусловленных самовоздействием'. возбуждаемых высокочастотных-' ПВ. - Вывод о том, что наличие пристеночного переходного слоя - от - металла к плазмоподобной среде при определенных условиях приводит к. снижению порога неустойчивости. При дрейфовом возбуждении магштоплазменных ПВ частоты возбуждаемых волн близки к электронной циклотронной частоте.

4. "Возможность резонансной генерации второй гармоники поверхностных волн в различных структурах плазмоподобная среда - металл-( поперечное по отношению ко внешнему магнитному полю распространение ). Оценки характерных временных масштабов обмена энергией. Заключение о том, что учет самовоздействия ПВ основной частоты приводит к снижению эффективности генерации второй гармоники.

5. Исследование трехволновых и четырехволновых взаимодействий ВЧ и НЧ волновых возмущений азимутального типа в цилиндрическом металлическом волноводе, полностью заполненном магнитоактивной плазмой.

6. Выражения для нелинейного сдвига частоты магштоплазменных ПВ на границе раздела гиротропной плазмоподобной среда с металлом ( геометрия Фойгта ). Возможность определения нелинейной восприимчивости среда третьего порядка путем сравнения рассчитанных нелинейных сдвигов частот ПВ с экспериментальными данными.

7. Нелинейная теория самовоздействия магнитогидродинами-мических и высокочастотных ПВ (поперечное ■ распространение),обу словленного нелинейностью системы уравнений квазигидродинамики и Максвелла. Результаты нелинейной эволюции огибающей поля ПВ.

8.- Исследование самовоздействия и генерации третьей гармоники потенциальных и непотенциальных ПВ в магнитоактивной плазме -(-'геометрия Фойгта, диапазон частот и2» </ ) и в отсутствие внешнего магнитного поля при учете механизма нелинейности, связанного с непараболичностью зависимости энергии носителей от квазиимпульса. Результаты анализа нелинейной эволюции огибащей поля ПВ на основе нелинейного уравнения Щредингера. Возможность нелинейного затухания потенциальных ПВ за счет возбуждения на третьей гармошке

8

юлнового возмущения обьекного типа.

9. Выражения для нелинейных сдвигов частоты ПВ, обусловлен шх разогревом носителей в поле ПВ для различных типов волн и ■■еометрий задачи. Результаты сравнения нелинейных сдвигов час-?оты ПВ, обусловленных различными механизмами нелинейности.

10. Вывод о том, что магнитоплазменные ПВ в геометрии бойгта устойчивы по отношению к низкочастотной модуляции нютностя плазмы и величины внешнего магнитного поля.

11. Заключение о том, что ПВ, распространяющиеся вдоль знешнего магнитного поля в цилиндрической и планарной структурах плазма - металл при наличии диэлектрической зрослойки могут создавать и поддерживать СВЧ газовые разряды. Аналитически показано, что с увеличением величины внешнего маг-штного поля происходит увеличение обьемов создаваемой плазмы. Апробация результатов работы. Основные результаты работы :редставлялись на семинаре "Плазменная электроника" (Харьков, [988), мезд. симпозиуме "Плазма и неустойчивости в золупроводниках" (Паланга, 1989), межд. рабочей группе по нелинейным и турбулентным процессам в физике ( Киев, 1989 ), лезд. конференциях "Взаимодействие электромагнитных излучений с злазмой" (Ташкент, 1989; Душанбе, 1991), 20 и 22 мезд. конференциях по явлениям в ионизированных газах (Пиза, Италия, [991; Нью-Джерси, США, 1995), 17,18,19,21 межд. конференциях по зроблемам УТС и физики плазмы (Амстердам, Голландия, 1990; Зерлин, Германия, 1991; Инсбрук, Австрия, 1992; Монпелье, Франция, 1994), межд. рабочей группе по нелинейным и турбулентным процессам в плазме (Киев, 1992), межд. симпозиуме ло антеннам и распространению элэктрмагнитных волн (Саппоро, Эпония, 1992), ежегодных международных конференциях института радиоинженеров (IEEE) по физике плазмы (Тампа, США, 1992; Занкувер, Канада, 1993; Санта-Фе, США, 1994; Мэдисон, США, [995), междунар. конф. "Физика на Украине" (Киев, 1993), межд. етнф. по физике плазмы (Фоз до Игуасу, Бразилия, 1994), мезд. рабочей группе отделения физики плазмы Американского физического общества (Миннеаполис, США, 1994), межд. симпозиуме института радиоинженеров (IEEE) и отделения по антеннам и распространению радиоволн Американского физического общества

1Ньторт-Бич,СПАД995), мезд. конференции по физике и технологии тонких пленок (Ивано-Франковск, 1995), а также на укр. симпозиуме "Физика и техника мм и субмм радиоволн" (Харьков, 1991) и укр. научно-техн. кон®. "Параметрическая кристаллооптика и ее применения" (Львов, 1990), семинарах по параметрической турбулентности (ФИАН, Москва), семинарах по нелинейным явлениям ж физике плазмы ( МТФ HAH Украины, Киев; ХГУ, ИРЭ HAH Украины, РИ HAH Украины,Харьков; университет штата Мэн ( Ороно, США )). Публикации. Фактической основой диссертации являются материалы 39 научных работ.

•Личный вклад автора. Работы 12,8,16-18,20,22,24,26,27,3) ,32, 34 - 37 ] выполнены в соавторстве с научным консультантом и без соавторов, в работах [3-7,10,11,13] автору принадлежат постановка задачи, аналитические расчеты и обсуждение полученных результатов,в работах [9,12,14,15,21,38,391-постановка задачи, верификация и обсуждение полученных результатов, в работах И ,19,23,25,28-30,33] - участие в постановке задач, аналитические, численные расчеты и обсуждение полученных результатов. Автором написаны тексты работ [1-39] . Достоверность полученных результатов. Полученные в диссертации результаты получены при использовании известных методов теории плазмы и плазмоподобных сред, теории волн и нелинейных волновых явлений. В ряде предельных случаев они согласуются с теоретическими и экспериментальными результатами, полученными другими авторами.

Структура и обьем диссертации. Предлагаемая диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы, содержащего 327 названий публикаций. Полный обьем работы составляет 292 страницы.

2. Содержание работы « Во введении' отражено современное состояние исследований в направлении изучения волновых свойств структур плазмоподобная среда - металл и смежных вопросов.

Первая глава посвящена некоторым вопросам линейной теории ПВ на границе раздела плазмоподобная среда-металл. Наиболее подробно представлены результаты исследований линейных свойств ПВ в случаях, для которых в последующих главах изучаются

нелинейные эффекты.

В Разд.1J показана возможность существования и исследованы топография электромагнитных полей, дисперсионные свойства потенциальных ПВ в сильно неизотермической плазме конечного давления электронного газа, распространяющихся поперек внешнего магнитного поля в структуре полуограниченная плазмоподобная среда - металл [1,2,17]. На основе полученных дисперсионных уравнений изучается дисперсия высокочастотных (ВЧ) и низкочастотных (НЧ) ПВ в однородной и неоднородной по плотности среде. Показано, что существование потенциальных ПВ в однородной плотной плазменной среде возможно в диапазонах частот, где в рассматриваемой геометрии существование электромагнитных ПВ невозможно, а именно, в диапазонах со < Wj для НЧ ПВ и ш > (1)е для ВЧ ПВ ( - нижняя гибридная, аие-электронная циклотронная частоты ). В неоднородной по плотности среде получены решения для частота и фазовой скорости ПВ в предельных случаях слабой и сильной неоднородности.

В Разд.1.2 показано, что в цилиндрическом металлическом волноводе, полностью заполненном магнитоактивной плазмоподобной средой конечного давления электронного газа, существуют потенциальные АПВ, исследованы их распределене потенциала и дисперсионные характеристики в однородной по плотности среде [1,18]. Анализ полученного дисперсионного уравнения показывает, что возможно существование как ВЧ, так и НЧ АПВ. Причем, аналогично случаю, рассмотренному в плоской геометрии, частота НЧ ПВ близка к Wj ( азимутальное волновое число при этом может быть только отрицательным ). ВЧ волны могут распространяться в диапазонах частот как больших ( возможны решения с ш > 0 , ш < О ), так и меньших ыр( возможны решения с ш < 0 ). Для существования рассматриваемых волн необходимо выполнение условия плотной плазменной среды. В случае тонкого по сравнению с глубиной проникновения АПВ волновода существование АПВ возможно только вблизи нижней и верхней гибридной частот, а зависимость частоты волн от га при этом слаба.

Разд.1.3 посвящен изучению дисперсионных характеристик АПВ в коаксиальной структуре с металлическими стенками [19] и заполненной плазмоподобной средой. Аналитически и численно

-показано, что дисперсионные характеристики АПВ существенно зависят от расстояния между коаксиальными металлическими цилиндрами. При этом АПВ, локализованные вблизи различных границ структуры, распространяясь в противоположных направлениях, имеют разные частоты при одинаковых абсолютных значениях ш . Если ширина плазменного заполнения велика по сравнению с глубинами проникновения, то частоты АПВ, распространяющихся на разных границах, совпадают. Отмечено, что такая структура может быть использована как двунаправленный.фазовращатель полупроводниковой и плазменной электроники.

В Разд.1.4 исследуется влияние пристеночных переходных областей на распространение ПВ в плазменном слое, ограниченном металлом [20]. Показана возможность линейной трансформации ПВ, распространящихся поперек внешнего магнитного поля в холодной магнитоактивной плазмоподрбной среде, обусловленная как неоднородностью плотности среды, так и величины внешнего магнитного поля. При этом происходит резонансное затухание ПВ в окрестностях локальных нижне- и верхнегибридных резонансов. Показано, чго учет неоднородности плотности среды или магнитного поля в пристеночных переходных областях приводит к появлению связи между ПВ, локализованными вблизи разных границ структуры. Эта связь отсутствует в однородном слое.

Предметом исследований в Разд. 1.5 являются топография электромагнитных полей и дисперсионные характеристики ПВ, распространяющихся поперек внешнего магнитного поля в структуре металлическая стенка- диэлектрическая прослойка- плазмоподобная среда [213. При этом исследуется влияние двух факторов на свойства рассматриваемых волн: диэлектрической прослойки и конечной проводимости металлической стенки. При параметрах структуры, взятых из эксперимента, проведены численные оценки для величин фазовых скоростей, волновых чисел ПВ и импеданса волноведущей структуры при учете обоих факторов.

В Разд.1.6 изучаются волновые свойства цилиндрической металлической антенны, помещенной в холодную магнитоактивную плазму [9]. Внешнее магнитное поле направлено вдоль оси антенны. Исследованы дисперсионные характеристики и топография электромагнитных полей аксиально - симметричных ПВ и АПВ, при

12

наличии и в отсутствие вакуумной прослойки между антенной и плазмой. Результаты расчета дисперсионных свойств ПВ хорошо согласуются с результатами экспериментальных работ. Вычислены поверхностные импедансы ПВ, АПВ для различных параметров задачи.

Глава 1 заканчивается Разд.1.7, в котором показано, что ПВ, распространяющиеся поперек внешнего магнитного поля в двухканальной структуре плазмоподобная среда - металл могут использоваться в таких устройствах полупроводниковой оптоэлектроники и интегральной оптики как направленный ответвитель и электрооптический модулятор [11]. При реальных параметрах таких структур проведены численные оценки для характерных длин обмена энергией между двумя каналами и характерного пространственного масштаба модуляции. Показано, что вышеуказанные процессы могут быть экспериментально наблюдаемы, поскольку их пространственные масштабы меньше типичных размеров устройств полупроводниковой электроники.

Глава 2 посвящена исследованию механизмов возбуждения волноведущих структур плазмоподобная среда - металл.

В Разд.2.1 исследуется возбуждение волноведущей структуры плазма-металл с помощью моноэнергетических пучков заряженных частиц [22J. При этом возбуждаются ВПТ, распространяющиеся вдоль внешнего магнитного поля ( НЧ ВПТ из диапазона частот ы < w± , и - ионная циклотронная частота, возбуждаются моноэнергетическими пучками ионов, а ВЧ ВПТ из диапазона частот (üj « (о < и возбуждаются моноэнергетическими электронными пучками ). В условиях Черенковского резонанса возбуждаются ВПТ, распространяющиеся вдоль пучка, а в условиях нормального Допплеровского резнанса - встречные волны. Рассчитаны и исследованы соответствующие инкременты неустойчивости.

В Разд.2.2 изучается параметрическое возбуждение волноведущей структуры плазмоподобная среда - металл во внешнем ВЧ пространственно однородном электрическом поле накачки, приложенном перпендикулярно металлической поверхности [12,23,24]. Предполагается наличие пристеночного переходного слоя, в котором плотность среды или величина внешнего магнитного поля могут плавно изменяться от некоторого заданного значения на границе раздела до постоянного значения в объеме

13

среды и присутствует точка локального верхне-. или нижнегибридного резонансов, в' окрестности которой происходит линейная трансформация ПВ. В случае отсутствия переходной области показано, что параметрическое возбуждение ПВ, распространяющихся поперек внешнего магнитного поля возможно в случаях, когда частота ВЧ волны близка к верхней или.нижней гибридной частоте, а частота НЧ волны значительно меньше электронной или ионной циклотронной частоты ( о^, -

НЧ случай , о^2« и2« (^«а^ - ВЧ случай ). Возбуждаемые ВЧ и НЧ ПВ распространяются в противоположных направлениях поперек внешнего магнитного поля. При реальных параметрах исследуемой структуры рассчитаны и исследованы пороговое значение поля накачки Е^ и инкремент параметрической неустойчивости. Показано, что в ВЧ случае возможно насыщение параметрической неустойчивости, обусловленное нелинейным самовоздействием возбуждаемых ПВ. Учет влияния пристеночного переходного слоя приводит к реализации двух основных эффектов . Первый эффект связан с появлением дополнительного механизма диссипации энергии и приводит к увеличений Еш. Второй эффект связан с значительным увеличением амплитуды возбуждаемой ВЧ волны в области локального резонанса, а следовательно, к усилению параметрической связи возбуждаемых волн и, соответственно, к уменьшению Е^. Численные оценки показывают, что в рамках используемого' приближения второй эффект превалирует над первым, т.е. учет пристеночной неоднородности приводит к снижению Еш по сравнению со случаем однородной среды, а следовательно, облегчает возбуздение исследуемой волноведущей структуры.

В Разд.2.3 " представлены результаты исследования параметрического возбувдения ПВ, распространяющихся поперек ^ в слое плазмоподобной среды, ограниченной металлическими плоскостями [253. Интересной особенностью ПВ в однородном слое является то, что результирующая волновая структура разделяется на поля ПВ, локализованных близи различных границ, и при этом дисперсионные свойства последних не зависят от поперечных размеров слоя. При приложении внешнего электрического поля, перпендикулярного границам раздела, появляется параметрическая связь ПВ, локализованных вблизи различных границ слоя и

распространяющиеся в противоположных направлениях. При наличии такой связи происходит параметрическое возбуждение исследуемой волноведущей структуры. Приводятся и исследуются зависимости порога и инкремента неустойчивости от параметров структуры.

В Разд.2.4 исследуется параметрическое возбуждение АГО магнитоактивного плазменного волновода в радиальном однородном электрическом поле [261. Исследуемые волны распространяются поперек Н0 на границе раздела плазмоподобной среды с металлической стенкой волновода. Показано, что, возможно возбуждение двух НЕ из различных диапазонов частот существования ( м2 < и ш1 > и одинаковыми абсолютными значениями т . Исследована зависимость порогового значения амплитуды поля накачки и инкремента неустойчивости от тараметров волноведущей структуры.

В Разд.2.5 аналитически и численно исследована эффективность возбуждения магнигоплазменных 11В,

заспространящихся на границе раздела плазмоподобная среда -«еталл перпендикулярно внешним статическим магнитному и мгектрическому полям (магнитное поле параллельно, а »лектрическое - перпендикулярно границе раздела) [39]. Найдены гсловия, при которых развивается дрейфовая неустойчивость ПВ.

В Главе 3 рассматриваются нелинейные эффекты второго горядка ( квадратичные по амплитуде поля ПВ ) в структурах :олодная магнитоактивная плазмоподобная среда - металл .

Разд.3.1 посвящен вопросу о резонансной генерации второй 'армоники магнитоплазменной ПВ, распространяющейся поперек Н0 а границе плазмоподобной среды с идеально проводящим металлом 271. Определены условия, при выполнении которых такая енерация имеет место.

Аналогичный процесс для геометрии Фарадея ( ПВ аспространяются вдоль Н0 ) рассматривается в Разд.3.2 [28]. роводится сравнение характерных времен генерации сигнала двоенной частоты для обоих геометрий при тех же параметрах сследуемой волноведущей структуры.

В Разд.3.3 исследуются особенности процесса резонансной знерации второй гармоники ПВ, распространяющейся поперек Н0 на жовой поверхности полупроводниковой сверхрешетки,

ограниченной идеально проводящей металлической поверхностью [14]. Проведены численные оценки характерных пространственных масштабов реализации рассматриваемого процесса. Показано, что такая структура может быть использована в качестве аффективного умножителя частоты миллиметрового, субмиллиметрового диапазонов.

Разд.3.4 посвящен исследованию возможности реализации трехволновых взаимодействий с участием ПВ в различных пленарных геометриях ( поперчное по отношению к Н0 распространение в холодной магнитоактивной плазме и распространение ПВ на границе плазмы конечного газокинетического давления ) [16]. На основе анализа условий пространственно - временного синхронизма найдены соотношения, при которых возможны наиболее эффективные трехволновые взаимодействия. Количественный анализ проведен для случая пленарной геометрии Фойгта.

Как показано в Разд.3.Б, аналогичные трехволновые взаимодействия возможны также в магнитоактивных плазменных волноводах с участием АПВ. Определены условия, при которых такие взаимодействия возможны и исследованы зависимости инкрементов неустойчивости распадного типа от параметров исследуемой волноведущей структуры [10].

В Разд.3.6 исследуется нелинейный процесс генерации волнового возмущения объемного типа на второй гармонике ПВ, распространяющейся поперек Н0 на границе плазмоподобной среда с металлом [291. При этом имеет место нелинейная диссипация энергии ПВ волны за счет оттока электромагнитной энергии вглубь среды. Показано, что такой процесс имеет место при частотах ПВ порядка верхней гибридной. При различных параметрах задачи определены характерные времена нелинейной диссипации энергии ПВ, а также проведено сравнение эффективности вышеуказанного диссипативного процесса с процессом линейного затухания ПВ.

В Главе 4 в приближении слабой нелинейности рассматривается ряд нелинейных эффектов третьего порядка ( нелинейный отклик пропорционален третьей степени амплитуда волн ) при участии ПВ на границе раздела холодная плазмо-дадобяая среда - металл в геометрии Фойгта.

В Разд.4 Л построена нелинейная теория самовоздействия магнитоплазменных ПВ, распространяющихся поперек Н0 на границе

16

раздела гиротропной плазмоподобной среду с металлом, в качестве которй используется полярный полупроводник [13]. В приближении слабой,,,нелинейности, используя формализм нелинейных восприимчивостей третьего порядка, рассчитан нелинейный сдвиг частоты ПВ в наиболее общем виде. Обсуждаются возможные нелинейные механизмы, которые могут приводить к реализации эффектов .самовоздействия. . Показано, что в ряде случаев сравнение прлученных таким методом нелинейных сдвигов частот ПВ с расчетами'нелинейных сдвиговластот ПВ, использующими модель конкретного . нелинейного механизма, или имеющимися экспериментальными данными. позволяет определить нелинейную восприимчивость плазмоподобной среды третьего порядка.

В'Разд.4.2. исследуется нелинейный эффект самовоздей-стия ПВ из различных диапазонов частот существования в геометрии Фойгта, обусловленный действием гидродинамических нелинейностей, связанных с нелинейностью исходной системы уравнений квазигидродинамики и Максвелла [30-32]. На основе полученных нелинейного дисперсионного уравнения и нелинейного уравнения Шредингера (КУШ) исследуется влияние данного механизма нелинейности на дисперсионные, характеристики ПВ и обсуждается вопрос об их нелинейной эволюции...

В Разд.4.3 изучаются нелинейные процессы самовоздействия и генерации третьей гармоники ПВ, обусловленные действием кубических нелинейностей, связанных непараболич-ностью зависимости энергии носителей от квазиимпульса Г33.34]. Результаты этого раздела применимы для магштошшМенных ПВ из диапазона частот меньших «р. Показано, что влияние, исследуемого механизма нелинейности наиболее существенно в полупроводниковых материалах с малой шириной запрещенной зоны. Результаты нелинейной эволюции ПВ существенно зависят от типа зонной структуры образца ( нормальная или инверсная зонная структуры ). Проводится сравнение нелинейных сдвигов частоты ПВ в различных полупроводниковых материалах. Показано, что амплитуда третьей гармоники ПВ может быть величиной одного порядка с амплитудой несобственной второй гармоники ПВ, генерируемой при учете гидродинамических нелинейностей.

В Разд.4.4 вычислены нелинейные сдвиги частоты ПВ в той

17

т геометрии, вызванные действием нагревной нелинейности, обусловленной разогревом носителей в поле ПВ [35,36]. Показано, что в зависимости от частоты ПВ и типа механизма рассеяния энергии ВЧ движений электронов фазовая скорость волны может как увеличиваться, так и уменьшаться по сравнению с результатами линейного приближения. Проведено сравнение эффективности данного механизма нелинейности с механизмами, изученными выше.

В Разд.4.5 исследуется вопрос об устойчивости магнитоплазменных ПВ в пленарной геометрии Фойгта по отношению к НЧ модуляции плотности плазменной среды и величины Н0 [37]. Установлено, что влияние НЧ модуляции Н0 превалирует над влияни ем НЧ модуляции плотности. Показано, что в рамках используемой модели ПВ устойчивы по отношению к вышеуказанным возмущениям.

Предметом исследований в Разд.4.6 являются нелинейные четырехволновые взаимодействия с участием АПВ в магнитоактивных плазменных волноводах НО]. Определены условия, при которых возможно развитие неустойчивости модуляционного типа в рассматриваемой структуре . Результаты численных оценок свидетельствуют о том, что инкремент неустойчивости при типичных параметрах волноведущей структуры значительно меньше инкремента неустойчивости распадного типа ( Разд.3.5 ).

В Главе 5 рассматриваются нелинейные эффек-ты третьего порядка, реализующиеся при распространении потенциальных ПВ на границе раздела неизотермической плазмоподобной среды с идеально проводящей металлической поверхностью. В Разд.5.1 и 5.2 изучается нелинейный процесс самовоздействия ПВ, обусловленный действием механизма нелинейности, связанного с непараболичностью спектра свободных носителей заряда в полупроводниковой плазме. В Разд.5.1 рассматриваются ПВ в геометрии Фойгта, а в Разд. 5.2 - ПВ в свободной неизотермической плазмоподобной среде [3-6]. Получены и исследованы нелинейные сдвиги частоты и волнового числа ПВ. В зависимости от типа зонной структуры полупроводника приводятся результаты нелинейной эволюции огибающей ПВ, описываемой НУШ.

В Разд.5.3 исследуется процесс генерации третьей гармоники потенциальных ПВ в геометриях предыдущих разделов данной главы [3-6]. Генерация третьей гармоники ПВ обуслов-

лена теми же нелинейностями, что и в Разд.5.1 и 5.2. В зависимости от частоты волны и параметров структуры третья гармоника ПВ представляет собой суперпозицию чисто поверхностных волновых возмущений,' суперпозицию волновых возмущений поверхностного и объемного типов, а также суперпозицию волновых возмущений поверхностного и псевдоповерхностного типов» В случае, когда на третьей гармонике ПВ возбуждается волновое возмущение объемного типа, реализуется нелинейное затухание ПВ.

В Разд.5.4 исследуется влияние разогрева носителей в на дисперсионные характеристики ПВ (нагревная нелинейность) [7,8]. Проводится сравнение вкладов различных механизмов нелинейности в результирующий нелинейный сдвиг частоты рассматриваемых ПВ. Результаты оценок свидетельствуют о том, что вклад нагревной нелинейности наиболее существенный вблизи источника возбуждения ПВ и в ряде случаев может доминировать над вкладами других механизмов нелинейности. Результаты Разд.5.4 применимы для обоих геометрий, использовавшихся в Разд.5.1 - 5.3.

В Главе 6 представлены результаты исследования структуры СВЧ газового разряда, создаваемого и поддерживаемого ПВ, распростроняющимися вдоль Н0 в цилиндрической и планарной структурах создаваемая плазма-металл при наличии диэлектрической прослойки [ 15,38 3. Аналитически и численно получены пространственные распределения плотности создаваемой плазмы, электромагнитного поля, плотности потока энергии, фазовой скорости и глубины проникновения ПВ. Показано, что с увеличением HQ происходит укорочение плазменного столба, сопровождающееся увеличением глубины проникновения ПВ, и как следствие, увеличением обьемов создаваемой плазмы. Показано, что результаты феноменологического и микроскопического подходов хорошо согласуются друг с другом.

В Заключении сформулированы основные результаты работы. Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Азаренков Н.А.,Кондратенко А.Н.,Остриков К.Н. Поверхностные волны на границе плазма-металл ( обзор ). Изв. вузов. Радиофизика, 1993, т.36, вып.5, с.335-390.

2. Asarenkov N.A., Ostrikov К.Н. Potential surface waves in a warm nonisothermal plasma bounded by metal. Contr. to Plasma

19

Phys., 1991, 7.31, N6, p.637-646.

3. Azarenkov N.A.,Ostrlkov K.N.,Benlsenko I.B. Nonlinear self. Interaction oi surface magnetoplasmons at the Inter- iace

between a narrow-gap electron semiconductor and a metal. Physica Scrlpta, 1994, v.49., part 4, p.502-508.

4. Ostrlkov K.N. .Osmayev O.A. Nonlinear surface magnetoplasmons at the electron semiconductor - metal Interface. Z.Physlk B. 1994, 7.95, N 4, p.453-459.

5. Azarenkov N.A..Ostrlkov K.N.,0smaye7 O.A. Self - interaction of surface polarltons at the narrow-gap n-type semi conductor-metal Interface. Solid State Communications. 1993, 7.85, N 12, p. 1063-1066.

6. Ostrlkov K.N..Osmayev O.A. The effect of the nonparabolicity of the free carriers dispersion law on the propagation of surface polarltons in a semiconductor - metal structure. Surface Science, 1994, v.310, p.413 - 424.

7. Ostrlkov K.N., Sraolln A.7. Heating mechanism of self-interac tlon of surface polarltons at n-type semiconductor-metal interface. Physics Letters, 1993, 7.A177, N4,5, p.327-330.

8. Azarenkov N.l.,Ostrlko7 K.Ji. Heating mechanism of self-interaction of potential surface wa7es in a warm noniso-thermal plasma hounded by a metal. Contr. Plasma Physics, 1994 , 7.34, H 4, p.593-604 .

9. Azarenkov N.A.,0striko7 K.N.,Denisenko I.B. Wave properties of a cylindrical antenna immersed in a magnetoacti7e plasma. J. Plasma Physics, 1993, v.50, N 3, p. 369 - 384.

10..0striko7 K.N..Osmayev O.A. Nonlinear interaction of azi-muthal surface wa7es In a magnetoactive plasma. Contr, Plasma Physics, 1994, 7.34, N 5, p.661-668 .

11. Azarenkov N.A.,0striko7 K.N..Osmayev O.A. Two-channel waveguide modulator based on the surface wave propagating at th semiconductor-metal thin-film structure. Appl.Phys.A.: Mate rials Science and Processing, 1995, 7.61 , N 4 , p.435-440.

12, Azarenkov N.A., Ostrlkov K.N., Dolgopolov if.V. Parametric excitation of high-frequency surface waves in a plasma-metal waveguide structure. Plasma Phys. Contr. Fusion, 1995, v. 37, N 3, p.513-523.

2C

3. Azarenkov M.A., Ostrlkov K.H., Kuzmenko A.7. Nonlinear theory of surface magnetoplasraa waves propagating at a solid-state plasma - metal Interface. Physlca Scrlpta, 1995, V.,52 , part б , p. 668 - 672 .

4. Azarenkov N.A.,Ostrlkov K.N.,Denlsenko I.B. Second harmonics generation of the surface magnetoplasmon on the lateral surface of semiconductor superlattlce bounded by a metal. Surface Review and letters,1995, V.2.N 5, p.579-585.

5. Azarenkov N.A., Ostrlkov K.N., Benlsenko I.B. A model of a large-area planar plasma producer based on surface wave propagation In a plasma-metal structure with a dielectric sheath. Journal of Physics D : Applied Physics. 1995, v.28, N 12, p. 2465-2469.

6. Ostrlkov K.N. Nonlinear Interactions of surface waves propagating at the plasma-like medium - metal Interface. Contr. Plasma Physics, 1995, 7.35, К 6, p. 481 - 489.

7. Азаренков H.А.,Остриков K.H. ВЧ потенциальные поверхностные еолны на границе магнитоактивной плазмы конечного давления с металлом.Физика плазмы,1991 ,т. 17,вып.З,с.316-320.

8. Азаренков Н.А.,Остриков К.Н. Потенциальные азимутальные поверхностные волны в магнитоактивном плазменном волноводе. Физика плазмы, 1990, т.16, вып.2, с. 225-229.

9. Азаренков Н.А., Осгриков К.Н., Щербинина И.Б. Азимутальные поверхностные волны в коаксиальной полупроводниковой структуре с металлическими стенками. Радиотехника и электроника, 1990, т.35, N10, с. 2031 - 2035.

:0. Остриков К.Н. Влияние пристеночных переходных областей на распространение поверхностной волны в плазменном слое, ограниченном металлом. Изв.вузов.Радисн^зика, 1991, т.34, выи.5, с.610-612.

:1. Азаренков Н.А., Остриков К.Н., Денисенко И.Б. Волноводные свойства структуры плазма-металл при учете диэлектрической прослойки и конечной проводимости металла. ЕТФ, 1994, т.64, вып. 9, с. 23-29.

2. Азаренков Н.А., Остриков К.Н. Возбуждение ПВ на границе плазма - металл. ЕТФ, 1988, т.58, N12," с.2393 - 2395 .

3. Азаренков Н.А., Кондратенко А.Н., Остриков К.Н. Параметри-

ческое возбуждение поверхностных волн на границе плазма-металл. 1КТФ, 1990, т.69, N1, с.31-36.

24. Азаренков H.A.,Остриков К.Н. Влияние пристеночной неоднородности на параметрическое возбуждение волноведущей структуры плазма-металл. Физика плазмы, 1990,т.16,вып.7,с.64-67.

25. Азаренков H.A., Кондратенко А.Я., Остриков К.Н. Параметрическое возбуждение магнитоплазменных поверхностных вода в в полупроводниковом слое, ограниченном металлом. Изв. вузов. Радиофизика, 1990, т.ЗЗ, N5, с. 642 - 644.

26. Азаренков H.A., Остриков К.Н. Параметрическое возбуждение азимутальных поверхностных волн в магнитоактивным плазменном волноводе. Письма в ЖГФ, 1991, т.17, вып.1,с.62-67.

27. Азаренков H.A., Остриков К.Н. Резонансная генерация вто-рй гармоники магнитоплазменной поверхностной волны в структуре полупроводник-металл. ЖТФ, 1991,т.6t,Ш1,с.66-71.

28. Азаренков H.A.,Кондратенко А.Н.,Остриков К.Н.Резонансная ге нерация второй гармоники поверхностной волны на границе плазма-металл.Изв.вузов.Радиофизика,1991,t.34,N4,c.672-681,

29. Азаренков H.A., Кондратенко А.Н., Остриков К.Н. Нелинейное затухание поверхностных волн на границе полупроводник-металл. ШГФ, 1990, т.69, N6, с. 143 - 145.

30. Азаренков H.A.,Кондратенко А.Н..Остриков К.Н. Самовоздействие магштогидродинамических поверхностных волн в волновед щей структуре плазма-металл.УФК,1990,т.35,N11,с.1662-1665.

31. Азаренков H.A.,Остриков К.Н. Самовоздействие магнитоплазма ных поверхностных волн на границе плазма - металл. Радиотехника и электроника, 1990, т.35, вып.2, с.325-330.

32. Азаренков H.A..Остриков К.Н. Самовоздействие ВЧ поверхност ных волн в магнитоактивном планарном плазменном волноводе Радиотехника и электроника, 1991, т.36,N6, с.1161-1167.

33. Азаренков H.A..Кондратенко А.Н.,Остриков К.Н. Самовоздейст вие поверхностных волн в полупроводниках с изотропным непа болическим законом дисперсии.Ж,1990,т.35,N11,с.1715-1719

34. Азаренков H.A., Остриков К.Н. Генерация третьей гармоник поверхностной волны в замедляющей структуре полупроводник-металл. Изв.вузов.Радиофизика, 1991, т.34, N6, с.724-728.

35. Азаренков H.A.,Остриков К.Н. Влияние разогрева электронов

на распространение магнитоплазменных поверхностных волн в структуре полупроводник-металл. Физ. и техн. полупроводников, 1991, Т.25, N3, с.1344-1349.

36. Азаренков Н.А., Остриков К.Н. Влияние нагревной нелинейности на распространение ВЧ ПВ на границе полупроводник-металл. Радиотехника и электроника,1994,т.39,N4,с.688-693.

37. Азаренков Н.А., Остриков К.Н. К вопросу об устойчивости магнитоплазменных поверхностных волн на границе плазма -металл. Физика плазмы, 1992, т.18, N5, с.650-655.

38. Azarenkov N.A., Ostrikov K.N., Denisenko I.В. Structure of microwave plasma discharge produced and sustained by the surface wave propagating along a metal wire.Bull, of the Amer. Phys. Society, 1994, v.39, N7, p. 1765 .

39. Azarenkov N.A., Ostrikov K.N., Denisenko I.B. Dispersion

and excitation of surface waves in crossed electrical

and magnetic fields. 1994 Int. Conf. on Plasma Phys., Fos

do Iguacy,Brasll,31 Oct.-4 Nov.1994., Contr.Papers,p.5-8.

Остриков K.M. НелШйна теор1я хвильових збурень в обмежених плазмопод!бних середовицах. Дисертац1я на здобуття вченого ступеня доктора ф1зико-математичних наук з спец!альност1 01.04.08 - фГзика 1 х!м!я плазми. Харк1вський держ. ун-т, Харк1в, 1996 ( рукопис ).

Захшцаеться 39 наукових роб!т,в яких побудована нелШйна теор!я хвильових збурень поверхневого типу на мек1 розпод1лу плазмоподЮного середовища з металом. Проведен! досл!дження м1стять вивчення дисперс!йних, енергетичних, поляр!зац1йних характеристик, засоб1в збудження та нел1н!йно! динам!ки досл1дауемих хвиль. Результата дисертац1йно! роботи можуть бути засгосован! щодо газовМ та твердот1льн1й плазми. Обговорюються також прикладн1 аспекта проблеми, що досл1джуеться.

Ostrikov К.Н. Nonlinear theory of wave perturbations in bounded plasma-like media. Theses for a Doctor of Sciences Degree in Physics and Mathematics, speciality 01.04.08 - Plasma' Physics and Chemistry, Kharkov, 1996 ( manuscript ).

Defended are 39 research papers where the nonlinear theory of the surface type wave perturbations at the interface between a plasma-like medium and a metal has been developed. The series of investigations, including the studies of disper sion,energetic and polarization characteristics as well as the excitation mechanisms and the nonlinear dynamics of the studied waves has been performed.The results of the Theses are applicable both for gaseous and semiconductor plasmas. The applied aspects of the problem are discussed as well. Ключов! слова: Поверхнева хвиля, плазмопод1бне середовище, нел1н1йн1 хвильов! взаемодП, розряди на поверхневих хвилях.