ГОСКОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

«УТВЕРЖДАЮ»

Заведующий кафедрой КФН

___________ А.А. Горбацевич

«____» _______ 2015 г.

Лабораторная работа №1 по курсу «ЭМПВ

ПРОХОЖДЕНИЕ СВЧ-РАДИОВОЛН ПО ВОЛНОВОДУ И ЧЕРЕЗ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНУЮ ПЛАЗМУ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА.

Автор: доцент В.И.Корнеев

Москва 2015 г.

Лабораторная работа №1

ПРОХОЖДЕНИЕ СВЧ-РАДИОВОЛН ЧЕРЕЗ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНУЮ ПЛАЗМУ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА

1. Цель работы

Цель настоящей работы - изучить распространение электромагнитного излучения в волноводе и в плазме, определить характеристики плазмы по затуханию СВЧ радиоволн.

2. Продолжительность

Работа продолжается четыре академических часа в аудитории и два академических часа – самостоятельная

2. Оборудование, приборы, инструментарий

Генератор сверхвысокочастотный Г4-83, волноводный тракт, содержащий резонатор с поршнем, передающую и принимающую антенны, аттенюатор поляризационный волноводный Д3-33А с детектором, усилитель высокочастотный широкополосный У3-29, милливольтметр В3-33, люминесцентная лампа, блок питания люминесцентной лампы с встроенным амперметром Э 330.

2. Теория.

1. Плазма.

Плазма - это частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Не всякую систему заряженных частиц можно назвать плазмой. В наиболее распространённом случае плазма состоит из электронов и положительно заряженных ионов. В плазме могут присутствовать также нейтральные атомы. Если их доля значительна, плазму называют слабоионизованной. Если доля нейтральных атомов пренебрежимо мала, то говорят о полностью ионизованной плазме. Существует также понятие простой плазмы, применяемое при построении теоретических моделей. Так называют плазму, состоящую из электронов и ионов, произведённых из атомов одного химического элемента, которые потеряли по одному атомарному электрону. Плазма с многократно ионизованными ионами называют лоренцевой.

Таким образом, плазма - это квазинейтральная система, содержащая положительно и отрицательно заряженные свободные частицы. Положительно заряженные частицы – это всегда ионы, а отрицательно заряженные частицы обычно электроны. В результате прилипания электронов к нейтральным атомам в плазме могут возникнуть и отрицательные ионы, но они встречаются редко и имеют второстепенное значение.

Примером плазмы может служить ионосфера – верхний слой атмосферы, в котором ультрафиолетовые лучи Солнца отрывают от молекул воздуха электроны, в результате чего образуются свободные электроны и ионы. В плазме положительные ионы значительно тяжелее электронов, поэтому движением ионов в ней можно пренебречь по сравнению с движением электронов.

Плазма должна обладать следующими свойствами.

• Иметь достаточную плотность: заряженные частицы должны находиться достаточно близко друг к другу, чтобы каждая из них взаимодействовала с целой системой близкорасположенных заряженных частиц. Условие считается выполненным, если число заряженных частиц в сфере влияния (так называемая сфера с радиусом Дебая a) достаточно для возникновения коллективных эффектов (подобные проявления - типичное свойство плазмы). Это условие можно записать следующим образом: , где n - концентрация заряженных частиц.

• Должен присутствовать приоритет внутренних взаимодействий: радиус дебаевского экранирования a должен быть мал по сравнению с характерным размером плазмы L: . Это значит, что взаимодействия, происходящие внутри плазмы более значительны по сравнению с эффектами на её поверхности, которыми можно пренебречь. При соблюдении этого условия, плазму можно считать квазинейтральной.

• Электродинамические свойства плазмы должны преобладать над молекулярно-кинетическими. Среднее время между столкновениями частиц должно быть велико по сравнению с периодом собственных плазменных колебаний, то есть , где - среднее время между столкновениями частиц, - плазменная частота. Эти колебания вызываются действием на заряд электрического поля, возникающего из-за нарушения квазинейтральности плазмы, которое стремится восстановить нарушенное равновесие. Возвращаясь в положение равновесия, заряд проходит по инерции это положение, что опять приводит к появлению сильного возвращающего поля, возникают типичные колебания.

Иногда плазму подразделяют на низкотемпературную (kT<10 эВ) и высокотемпературную (kT>10 эВ). Такое деление до некоторой степени условно. Оно всего лишь отражает тот факт, что в лабораторных условиях высокотемпературная водородная плазма полностью ионизована, тогда как в низкотемпературной плазме обычно велика доля нейтральных атомов. Однако межзвёздная плазма полностью ионизована уже при температуре 1 эВ. Разные вещества переходят в состояние плазмы при разной температуре, что объясняется строением внешних электронных оболочек атомов вещества: чем легче атом отдает электрон, тем ниже температура перехода в плазменное состояние.

Плазма считается идеальной, если средняя кинетическая энергия заряженных частиц много больше средней энергии её взаимодействия с окружающими частицами:

,

где e - заряд электрона, T - температуpa. Идеальную плазму можно определить также как плазму, в которой число заряженных частиц в сфере с дебаевским радиусом велико.

Неидеальная плазма – это плазма, в которой потенциальная энергия взаимодействия между частицами сопоставима с их кинетической энергией или превышает её. Hеидеальная плазма может приобретать качественно новые свойства по сравнению с идеальной.

В неравновесной плазме электронная температура существенно превышает температуру ионов. Это происходит из-за различия в массах иона и электрона, которое затрудняет процесс обмена энергией. Такая ситуация встречается в газовых разрядах, где ионы имеют температуру около сотен тысяч K, а электроны около десятков тысяч K.

В равновесной плазме обе температуры равны. Поскольку для осуществления процесса ионизации необходимы температуры, сравнимые с потенциалом ионизации, равновесная плазма обычно является горячей (с температурой больше нескольких тысяч K).

Для того, чтобы газ перешел в состояние плазмы, его необходимо ионизировать. Степень ионизации пропорциональна числу атомов, отдавших или поглотивших электроны, и больше всего зависит от температуры. Даже слабо ионизированный газ, в котором менее 1 % частиц находятся в ионизированном состоянии, может проявлять некоторые типичные свойства плазмы (взаимодействие с внешним электромагнитным полем и высокая электропроводность). Степень ионизации  определяется как , где n_e - концентрация электронов, где n_i - концентрация ионов, n_a - концентрация нейтральных атомов.

Для низкотемпературной плазмы характерна малая степень ионизации ( ). Низкотемпературные плазмы довольно часто называют технологичными плазмами из-за их использования в технологических процессах. Чаще всего их создают при помощи электрических полей, ускоряющих электроны, которые в свою очередь ионизируют атомы.

Горячая плазма почти всегда полностью ионизирована ( ). Обычно именно она понимается под «четвертым агрегатным состоянием вещества». Примером горячей плазмы служит Солнце.

Кроме температуры вторым наиболее важным параметром плазмы является ее плотность. Словосочетание плотность плазмы обычно обозначает плотность (концентрация) электронов. В квазинейтральной плазме плотность ионов связана с плотностью электронов посредством среднего зарядового числа ионов : . Следующей важной величиной является плотность нейтральных атомов n_a. В горячей плазме n_a мала, но может тем не менее быть важной для физики процессов в плазме.

Наиболее типичные формы искусственной и природной плазмы представлены в таблице 1.

Таблица1

Искусственная плазма	Плазма в природе Земли	Космическая плазма
Вещество внутри люминесцентных и неоновых ламп. Плазменные ракетные двигатели. Газоразрядная корона озонового генератора Исследования управляемого термоядерного синтеза. Электрическая дуга в дуговой сварке. Плазменная лампа. Дуговой разряд от трансформатора Теслы. Воздействие на вещество лазерным излучением. Светящаяся сфера ядерного взрыва.	Молния. Огни святого Эльма. Ионосфера. Северное сияние. Языки пламени.	Солнце и другие звезды. Солнечный ветер. Космическое пространство. Межзвездные туманности.