2.2. Оцените, сколько квантов микроволнового излучения потребуется для такого нагрева.

В качестве микроволнового излучения возьмем значение частоты , харакетрное для СВЧ- печей.

Произведем расчет:

Число квантов микроволнового излучения для нагрева, как на производстве:

Число квантов микроволнового излучения для нагрева, как в быту:

Произведем анализ:

Количество фотонов для нагрева в обоих случаях огромно и практически одинаково, соответственно нужно приложить примерно одинаковые усилия для нагрева. Таким образом, нагрев осуществляется за счет огромного количества фотонов, но несмотря на это, за счет эффективных механизмов тепловых потерь, как было сказано в п.2.1. повышение температуры человеческого тела будет незначительно.

1 балл

3. Сравните численно 2 типовых прибора: вакуумный и полупроводниковый по следующим параметрам:

Параметры вакуумного прибора: ток (12*20) мА, ускоряющее напряжение ((12+6)/2.5)кВ, диаметр потока 6*2 мм.

Полупроводникового: уровень легирования 12*10¹⁶см^-3, напряжение 20В, толщина токового канала 1мкм.

Рабочая частота приборов – (6+12) ГГц. Рабочая температура (300+12) К.

В таблице 2 и таблице 3 для удобства представлены параметры вакуумного и полупроводникового приборов.

Таблица 2

Параметры вакуумного прибора		Параметры полупроводникового прибора
Наименование параметра	Значение	Наименование параметра	Значение
Ток		Уровень легирования
Ускоряющее напряжение		Напряжение
Диаметр потока		Толщина токового канала
		Материал	Кремний

Таблица 3

Рабочая частота приборов
Рабочая температура приборов

3.1. Максимальная скорость движения заряженных частиц.

Произведем расчет для вакуумного прибора:

По закону сохранения энергии:

Так как по полученным данным скорость электрона составляет 0,168 от скорости света – , т.е. близка к скорости света, для более точного результата учтем релятивистский эффект.

Согласно специальной теории относительности полная энергия электрона:

Несмотря на то, что разница между классическим и релятивистским значением невелика, все равно лучше учитывать релятивистскую форму для более точных последующих расчетов.

Согласно теоретическим данным [11] для полупроводникового прибора из кремния при T=300 К:

Так как в полупроводниковых приборах максимальная скорость движение заряженных частиц определяется насыщенной дрейфовой скоростью, которая зависит от материала полупроводника.

3.2. Длина области взаимодействия для угла пролета -радиан.

** Формулы для расчета взяты из лекции: «законы сохранения» сл.23 [12]

Произведем расчет для вакуумного прибора:

Произведем расчет для полупроводникового прибора:

3.3. Объемная плотность заряда

** Формулы для расчета взяты из источника: [13 стр.6]

Произведем расчет для вакуумного прибора:

Произведем расчет для полупроводникового прибора:

3.4. Для вакуумного прибора рассчитать микропервианс, «плазменную» частоту.

** Формулы для расчета взяты из лекции: «законы сохранения» сл.4 [12] и [14 стр.20 ]

Произведём расчет микропервианса:

Произведем расчет «плазменной частоты»

3.5. Для полупроводникового прибора рассчитать: длину Дебая, плазменную частоту.

** Формулы для расчета взяты из лекции: «законы сохранения» сл.4 [12], диэлектрическая проницаемость кремния 11,7 [15]

Произведём расчет длины Дебая:

Произведем расчет «плазменной частоты»:

Сравнить величины в п.3.4. и 3.5. Объяснить различие физических процессов в обоих вариантах.

Произведем анализ пунктов 3.4. и 3.5.

** Для составления анализа полученных данных, был изучен источник [16], на основе полученной информации, самостоятельно были произведены выводы.

В вакуумном приборе концентрация носителей заряда низкая, так как их количество ограничивается процессами эмиссии, а также в вакуумном пространстве нет среды, которая могла бы удерживать большие плотности носителей заряда. В полупроводниковом приборе, напротив, концентрация носителей заряда высока, так как вводятся легирующие примеси, а также есть структура кристаллической решетки, которая способна удержать носители заряда. «Частота собственных коллективных колебаний свободных электронов за счет электростатических сил называется плазменной частотой.» - [17] .Таким образом, из-за малой концентрации носителей заряда плазменная частота в вакуумном приборе меньше плазменной частоты в полупроводниковом приборе.

Принцип действия вакуумных приборов основан на эмиссии носителей заряда, для характеристики эффективности этого процесса, а также для оценки ускорения электронов в вакуумном промежутке вводится величина –микропервианс. Очевидно, что в полупроводниковом ничего не эмиттируется в свободное пространство, поэтому такая характеристика для не него не используется.

Принцип действия полупроводниковых приборов основан перераспределении зарядов под действием прикладываемого электрического поля, причем носители заряда создают поле, экранирующие внешние, как раз таки длина Дебая и показывает расстояние, на котором носители заряда экранируют внешнее поле. Очевидно, что в вакуумных приборах электроны летят с катода на анод, вакуумный промежуток не позволяет создать среду в который электроны могли бы удерживаться и экранировать внешнее поле, поэтому понятие длины Дебая в вакуумных приборах не используется.

2 балл

4. Можно ли в полупроводниковых приборах обеспечить скоростную модуляцию и группировку заряженных частиц, используя начальную часть поле-скоростной характеристики?

Оцените, с какой скоростью будет пролетать электрон пространство взаимодействия протяженностью 0.1 мкм при импульсе приложенного напряжения 0.1*6 [В]? Материал – арсенид галлия. Длительность импульса 6*10^-10с и 6*10^-14с? При ответе используйте понятия времён релаксации по импульсу и энергии.

Ответ на вопрос:

В реальных полупроводниках электроны не ведут себя, как вакууме, где можно приложить переменное поле и управлять их скоростью, так как в полупроводниковом приборе электроны постоянно сталкиваются атомами и претерпевают рассеяние, таким образом, эти процессы мешают их группировки и они изменяют свою скорость случайным образом, а поле-скоростная характеристика отражает не мгновенную скорость каждого электрона, а усредненное значение по ансамблю носителей заряда. Таким образом, если прикладывать переменное поле, то электроны будут запаздывать за ним, а не мгновенно следовать за его изменениями, поэтому нельзя обеспечить скоростную модуляцию и группировку заряженных частиц, используя начальную часть поле-скоростной характеристики.

Оценим, с какой скоростью будет пролетать электрон пространство взаимодействия:

Найдем электрическое поле:

** Данные о значениях времени релаксации взяты из лекции: «законы сохранения» сл.3 [12]

Время релаксации по импульсу – среднее время между столкновениями с узлами кристаллической решеткой, т.е. завязана на длине свободного пробега, оно показывает сколько по времени электрон сохранял свою скорость, прежде чем рассеется, и частично забыть предысторию своего движения .

Время релаксации энергии показывает время, за которое электрон полностью перераспределяет энергию в основном из-за фононного взаимодействия, но так как энергии у электрона много, он может ее перераспределять, столкнувшись большее количество раз

Обратимся к рисунку 1, представленном в лекции «законы сохранения» сл.14 [12]

Рисунок 1 – изменение скорости в арсениде галлия при воздействии импульса электрического поля

В любом случае при приложении электрического поля, если электроны на начальном этапе разгоняются выше скорости насыщения, то через электроны многократно провзаимодействуют с фононами и рассеют избыточную энергию и их скорость снизится до дрейфовой скорости насыщения.

• При длинном импульсе , соответственно электроны полностью успеют перераспределить энергию, за счет большого количества столкновений с фононами, таким образом, скорость достигнет своего пика и неизбежно стабилизируется на уровень скорости насыщения еще до окончания импульса.

• При коротком импульсе , соответственно электроны не успеют полностью перераспределить энергию, но могут испытать частичное рассеяние, таким образом, скорость будет оценена как , электроны окажутся в неравновесном состоянии, скорость будет снижаться, но не стабилизируется на уровень скорости насыщения , так как не успеет установится равновесие.

1.5 балл

5. Определите амплитуду «самосогласованного» напряжения на сеточном зазоре резонатора с высокой собственной добротностью, если амплитуда первой гармоники конвекционного тока на входе в резонатор равна 12+2=14 [мА], угол пролета 90^О=1,57 рад, ускоряющее напряжение 6 кВ, ток луча 100 mА.

** Формулы для расчета взяты из [18 стр.75] и из лекции: «законы сохранения» сл.23 [12]

Произведем расчет:

Так как добротность высокая, то потерями в стенках резонатора можем пренебречь.

Найдем проводимость потока по постоянному току:

Известно, что наведенный ток содержит активную и реактивную составляющие, они сдвинуты по фазе друг относительно друга на 90 . Таким образом, найдем активную составляющую электронной проводимости:

Найдем коэффициент взаимодействия потока электронов с полем зазора:

Вычислим амплитуду самосогласованного напряжения

Произведем анализ:

Важно отметить, что в задаче уже говориться о том, что пучок электронов уже был ускорен, а также в рассматриваемом зазоре нет дополнительных источников энергии, таким образом, на сеточный зазор приходит уже разогнанный пучок электронов и отдает часть своей энергии в ВЧ поле, таким образом, для возникновения в зазоре напряжения больше 6 кВ электронам бы пришлось отдать энергию, превышающие значение их кинетической энергии, что не возможно. Возможно, неверное решение было получено, так как используемые формулы применяются в линейном подходе и нужен нелинейный подход, в котором учитывается огромное количество факторов: баланс энергии между пучком и полем, геометрию электронного пролета, конструкцию резонатора и.т.д.

1 балл

6. Определите коэффициент шума усилительного прибора в дБ, если его эффективная шумовая температура (100+ 12*2.5) К=130 К.

**Формулы для расчета взяты из [18 стр.49-50]

Произведем расчет коэффициента шума:

6.1. Рассчитайте эффективную шумовую температуру двух таких приборов, включенных каскадно, если коэффициент усиления каждого прибора (10+ 6*0.25) дБ=10,15 дБ.

Произведем расчет:

Найдем значение шум-фактора для каскада:

Тогда эффективная шумовая температура:

2. Произведем анализ

** Для составления анализа полученных данных, был изучен источник [19], на основе полученной информации, самостоятельно были произведены выводы.

Добавление второго усилителя привело к увеличению шумовой температуры, на 11 К, соответственно шумы возросли. Таким образом, основной вклад вносит первый усилитель, так шум второго усилителя ослабляется усилением первого. Таким образом, для того чтобы минимизировать шумы логично выбирать первый каскад с минимальным коэффициентом шума.

1 балл

7.Информацию о галактическом окружении человечество получает из космоса со спутников, используя микроволновые каналы связи. Выберите один (серию) из снимков, который Вам более всего нравится, с сайта IMAGES (hubblesite.org)

Рисунок 2

Рисунок 3

Рисунок 4

1 балл

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Энтин В. Н. Влияние микроволнового излучения на материалы и человека //Научный альманах. – 2018. – №. 5-2. – С. 79-88.

2. wikipedia.org [Электронный ресурс] URL: https://en.wikipedia.org/wiki/GSM_frequency_bands

3. 1234g.ru [Электронный ресурс] URL: https://1234g.ru/novosti/chastoty-dlya-5g

4. Захаров С. Д., Мосягина И. В. Кластерная структура воды (обзор) //Препринт ФИАН. – 2011. – С. 24

5. СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96. Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона. Утверждены постановлением Государственного комитета санитарно - эпидемиологического надзора Российской Федерации от 8 мая 1996 г. № 9.: Госкомсанэпиднадзор России Москва – 30 с.

6. Ziegelberger G. et al. Guidelines for limiting exposure to electromagnetic fields (100 kHz to 300 GHz) //Health Physics. – 2020. – Т. 118. – №. 5. – С. 483-524.

7. dpva.ru [Электронный ресурс] URL: https://dpva.ru/Guide/Engineers/HumanBeing/HumanBeingPhysics/

8. bsmu.by [Электронный ресурс] URL: https://www.bsmu.by/upload/docs/kafedri/k_anesteziologii/2016-1/kulagin/tela.pdf

9. Безопасность жизнедеятельности: Методические указания по выполнению лабораторных работ / Сост.: В. А. Буканин, О. В. Демидович, Е. А. Иванов, А. А. Ковбасин, В. Н. Павлов, С. В. Петухова, Г. М. Тобин, А. О. Трусов. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2008. 84 с.

10. meduniver.com [Электронный ресурс] URL: https://meduniver.com/Medical/Physiology/200.html

11. foez.narod.ru [Электронный ресурс] URL: https://foez.narod.ru/19.htm

12. Лекционный материал. В.А. Иванов. Законы сохранения

13. kpfu.ru [Электронный ресурс] URL: https://kpfu.ru/portal/docs/F1267293931/311_314.pdf

14.  Учебное пособие / Б. В. Иванов, А. Д. Тупицын, А. К. Шануренко ; Минобрнауки России, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина). - Санкт-Петербург: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2022. - 97, [1] с. : ил. - Библиогр.: с. 96 (4 назв.). - 93 экз.

15. habr.com [Электронный ресурс] URL: https://habr.com/ru/articles/152733/

16. internat.msu.ru [Электронный ресурс] URL: https://internat.msu.ru/media/uploads/2013/04/Postoyannyj-tok-Lektsiya-4-Tok-v-vakuume.-Poluprovodniki.pdf

17. Майоров В. А. Светопрозрачные инфракрасные фильтры с диспергированными плазмонными наночастицами //Физика и химия стекла. – 2020. – Т. 46. – №. 3. – С. 228-249.

18. Григорьев А. Д., Иванов В. А., Молоковский С. В. Микроволновая электроника. – 2016.

19. mpei.ru [Электронный ресурс] URL: https://mpei.ru/Structure/Universe/ire/structure/fprs/studentsLib/%D0%9A%D1%83%D1%80%D1%81_%D0%A1%D0%90%D0%AD%D0%A3_%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%B4%D0%B5%D0%BB7.pdf