Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
Книга священнаяСпутница вам неизменная Будет везде и всегда.Пусть эта Книга спасенияВам подает утешение В годы борьбы и труда.Эти глаголы чудесные,Как...полностью>>
'Конкурс'
Департамент по недропользованию по Центральному федеральному округу извещает о предстоящем проведении конкурса на право пользования недрами с целью ге...полностью>>
'Урок'
Здравствуйте, ребята, уважаемые коллеги, гости! Ребята, посмотрите, сколько сегодня у нас гостей. Они пришли посмотреть, как мы умеем дружно, хорошо, ...полностью>>
'Документ'
выдает исходные данные для разработки проектно-сметной документации, внесения в неё изменений и корректировок; либо обеспечивает полноту и качество вы...полностью>>

Главная > Документ

Сохрани ссылку в одной из сетей:
Информация о документе
Дата добавления:
Размер:
Доступные форматы для скачивания:

ФИЗИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА И ФИЗИКА ПЛАЗМЫ

(кафедра физической электроники)

Физическая электроника в самом общем смысле этого слова

представляет собой область физики, которая занимается изучением

явлений, связанных с движением заряженных частиц и в первую

очередь - электронов (отсюда и само название "электроника") в

различных материальных средах. Это прежде всего вакуумная

электроника, изучающая процессы, которые происходят при движении

заряженных частиц в вакууме и в основе которых лежат законы этого

движения. Сюда относятся вся электронная оптика, электронная и

ионная микроскопия, а также физика явлений, происходящих в

различных радиотехнических устройствах типа электронных ламп и

приборов, применяющихся для генерации или усиления

электромагнитного излучения, в том числе и СВЧ-диапазона.

Последнее направление в настоящее время оформилось в

самостоятельное - радиофизику СВЧ. Во-вторых, это явления

испускания электронов и ионов различными средами, в основном,

твердыми телами и плазмой, которые составляют обширный раздел

физической электроники, называемый эмиссионной электроникой. С

появлением полупроводников интенсивно начала развиваться

полупроводниковая электроника и на ее основе - электроника

твердого тела. В дальнейшем полупроводниковая электроника также

стала развиваться самостоятельно и является в настоящее время

разделом физики полупроводников. К области же собственно

физической электроники продолжают относиться такие разделы

твердотельной электроники как физика поверхности, тонких пленок и

пленочных структур - элементной базы современной

микроэлектроники. Исторически одним из основных разделов

физической электроники являлась так называемая газовая

электроника, изучавшая процессы в различных газоразрядных

радиотехнических устройствах, таких как тиратроны, разрядники,

стабилитроны и т,п. На основе изучения физики газового разряда

оформился и в дальнейшем получил самостоятельное развитие такой

крупный раздел физики как физика плазмы. Тем не менее наука о

плазменных средах является важнейшей составной частью физической

электроники. Наука о плазменном состоянии изучает большой круг

проблем, связанных с поведением газа заряженных и нейтральных

частиц. С развитием лазерной физики из этой науки выделился

крупный раздел, связанный с изучением законов поведения газа

- 2 -

возбужденных атомов и молекул и получивший название квантовой

электроники. Таким образом со временем из физической электроники

выделились крупные самостоятельные разделы, изучением которых

занимается ряд специальных кафедр. Поэтому ниже из перечисленного

круга вопросов освещаются только те, которые изучались и

изучаются на кафедре физической электроники.

Кафедра физической электроники, которая до 1990 г.

называлась просто кафедрой электроники, образовалась в 1932 г. на

базе лаборатории электрических явлений в газах при Институте

физики Московского университета. К моменту переезда в 1953 г. в

новое здание на Ленинских горах на кафедре оформились две

лаборатории: газовой электроники и электронной оптики. В 1963 г.

была организована Проблемная лаборатория микроэлектроники,

которая просуществовала до 199.. г. В 198.. г. в составе кафедры

был организован Научно-учебный центр субмикронной диагностики и

технологии материалов электронной техники Минвуза и Российской

академии наук, в сотав которого входят научные подразделения и

группы физического факультета и Научно-исследовательского

вычислительного центра МГУ, а также научные лаборатории

Физико-технологического института и Института проблем технологии

микроэлектроники и особо чистых материалов РАН. В 1995 г. при

кафедре была создана Совместная лаборатория проблем плазменного и

ионно-лучевого нанесения покрытий при Московском и Чувышском

госуниверситетах. Помимо этих подразделений в настоящее время в

структуре кафедры две научно-исследовательские лаборатории:

физики плазмы и плазменной электроники и твердотельной

электроники.

Научной основой, на которой выросла кафедра физической

электроники явились классические работы выдающихся профессоров

Московского университета - А.Г.Столетова по фотоэффекту,

П.Н.Лебедева по электромагнитным колебаниям и волнам и

С.А.Богусловского по кинетике электронов в электрических и

магнитных полях. Со дня основания по 1966 г. кафедрой заведовал

ее основатель ученик П.Н.Лебедева профессор Н.А.Капцов. С 1966 г.

по 1985 г. кафедру возглавлял профессор Г.В.Спивак, а с 1985 г.

кафедрой заведует последний аспирант Н.А.Капцова профессор

А.Ф.Александров. Профессорами кафедры были А.М.Рейхрудель и

В.Л.Грановский. В настоящее время профессорами кафедры являются

- 3 -

А.А.Рухадзе, А.А.Кузовников и М.Б.Гусева. В составе кафедры

сейчас работают также доктора физ.-мат. наук В.И.Петров,

И.Б.Тимофеев, И.Ф.Уразгильдин, В.С.Черныш, В.М.Шибков,

В.Е.Юрасова и Э.И.Рау.

I.ПЕРИОД СТАНОВЛЕНИЯ НАУЧНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ КАФЕДРЫ

(период до переезда в новые здания)

Одним из основных научных и учебных направлений кафедры с

момента ее образования было изучение электрических явлений в

газах и в вакууме, связанных с формированием и поддержанием

различных форм газовых разрядов. Первые систематические

исследования в области физики газового разряда были проведены на

кафедре Н.А.Капцовым. В них изучались процессы формирования

электронных лавин, процессов на катоде и связанные с ними явления

пробоя разрядного промежутка, становление его электропроводности

и возникновение переходных форм разряда. Были проведены

теоретические расчеты и экспериментальные измерения первого

таунсендовского коэффициента ионизации 7 a 0 (С.К.Моралев,И.И.Глотов)

и выявлено влияние на величину напряжения зажигания разряда V 43

давления газа (Капцов Н.А.) и состава плазмообразующих газовых

смесей (И.И.Глотов), наличия стационарных магнитных полей

(Г.В.Спивак, Э.М.Рейхрудель), искусственного подогрева и

поверхностного фотоэффекта (А.В.Афанасьева, Н.А.Капцов). Изучено

влияние на величину V 43 0 возбужденных и метастабильных атомов

(И.И.Глотов), и обнаружено их влияние на режим работы катодных

частей разряда (А.А.Зайцев, Г.В.Спивак, Э.М.Рейхрудель).

Г.В.Спиваком с сотрудниками (Е.Л.Столярова, Л.И.Голик,

А.И.Крохина) была разработана модель формирования плазменного

канала при пробе в длинных трубках при низком давлении газа в две

стадии: газосфокусорованного пространственным зарядом и зарядом

на стенках трубки электронного пучка и стадии, в которой

направленное движение переходит в хаотическое. Это нашло свое

подтверждение в экспериментах авторов, а также Э.М.Рейхруделя и

Т.А.Титовой. Возможность фокусировки электронных потоков в стадии

пробоя газа при высоких импульсных напряжениях и использование

этого явления для создания мощных источников рентгеновского

излучения были обоснованы в работах Э.М.Рейхруделя с

сотрудниками. Дальнейшие исследования показали, что время

- 4 -

формирования разряда типа искрового при повышенных давлениях

значительно меньше времени формирования, следующего из теории

Таунсенда. В работах Н.А.Капцова рассчитано перераспределение

однородного поля в разрядном промежутке, вызванное объемным

положительным зарядом, который образуется следующими друг за

другом электронными лавинами. Работы Н.А.Капцова явились большим

вкладом в утверждение новой так называемой стримерной теории, в

которой учитываются ионизация электронами, характеризуемая

коэффициентом 7 ф 0, фотоионизация в объеме газа и действие объемного

заряда, создаваемого лавинами и стримерами. Большое внимание было

уделено коронному разряду, возникающему при больших давлениях в

резко неоднородных полях из-за малого радиуса кривизны

поверхности электродов. Ионизация и свечение газа при этом

происходят лишь в тонком слое вблизи коронирующего электрода.

Н.А.Капцовым проведен расчет распределения поля в коронирующем

слое и вольтамперных характеристик короны рассмотрены прерывистые

явления в коронном разряде и ее переход в искровой или дуговой

разряд. Эти исследования имели большое практическое значение для

расчета потерь энергии с коронирующих электродов и объяснения

особенностей работы электрофильтров.

В тридцатые годы на кафедре были начаты систематические

исследования влияния внешнего магнитного поля на различные

характеристики газовых разрядов (Г.В.Спивак, Э.М.Рейхрудель с

сотрудниками). Была начата разработка основ зондовой диагностики

магнитоактивной плазмы. Применение метода зондов и оптических

методов (Х.М.Фаталиев и О.Н.Ренкова) позволили, по-видимому,

впервые наблюдать явление отжатия плазмы от стенок разрядной

трубки под действием внешнего продольного магнитного поля и

получить данные о влиянии магнитного поля на величину продольного

электрического поля и характер радиального распределения

параметров плазмы. М.И.Родиным получены интересные данные об

эффекте Холла в плазме.

Во время войны кафедра была эвакуирована вначале в Ашхабад,

а затем в Свердловск. В 1942 г. профессор Н.А.Капцов и группа

сотрудников физического факультета были вызваны в Москву для

выполнения правительственных заданий, связанных с развитием

военной техники. В Ашхабаде под руководством Э.М.Рейхруделя были

созданы стеклодувные мастерские по изготовлению стеклянных

- 5 -

изделий для нужд госпиталей и оборонных преприятий городов

Средней Азии. В Свердловске под руководством Г.В.Спивака и

Э.М.Рейхруделя создан цех по регенерации электрических ламп

накаливания, вошедший в систему Уралмаша.

В послевоенные годы Э.М.Рейхруделем с сотрудниками

(А.В.Чернецкий, В.В.Михневич, Т.И.Иванова, И.А.Васильева) были

продолжены исследования разрядов типа Пеннинга (разряд между

двумя катодами в газе низкого давления во внешнем магнитном

поле). Показано, что такой разряд с осциллирующими электронами

может служить эффективным источником ионов с холодными катодами.

Позднее Г.В.Смирницкая обнаружила интенсивное поглощение газа в

таком разряде продуктами ионного распыления катодов. В 1954 г.

этот эффект был использован для создания эффективных ионных

насосов. Эта работа была затем отмечена Госпремией СССР. В связи

с быстрым развитием электротехнических источников высокого

напряжения и созданием радиопередающих устройств стало

необходимым изучение новых видов газового разряда -

высокочастотной короны и факела, возникающих на высоковольтных

элементах. На кафедре под руководством П.А.Петрова была создана

экспериментальная база для получения и диагностики

высокочастотных разрядов. Изготовлены генераторы высокой частоты

в диапазоне от единиц до 750 мггц, ряд измерительных приборов и

начато изучение факельного и коронного разрядов высокой частоты.

Оптическим методом исследовался разряд низкого давления в области

перехода от низких ( 7` 050 гц) к высоким частотам (Н.А.Попов). Было

показано, что потенциалом зажигания и погасания можно управлять,

используя различную конфигурацию разрядного промежутка, изменяя

давление и состав газа, величину постоянного электрического и

магнитного полей. Зондовым методом были определены параметры

плазмы и потенциал пространства. Обнаружены минимумы потенциала

зажигания, подтверждено наличие постоянных полей в

высокочастотном разряде (Х.А.Джерпетов, Г.М.Патеюк). Изучение

факельного разряда, возникающего, как и коронный разряд, в

неоднородном разрядном промежутке, позволило определить границы

его существования при изменении давления газа, условия перехода к

дуговому разряду. Были измерены высокочастотные разрядные токи,

мощность, температура газа в его различных частях (Г.С.Солнцев,

М.З.Хохлов). Детальное изучение перехода от коронного к

- 6 -

факельному разряду привело к принципиально новому представлению о

механизме развития высокочастотной короны. Было показано, что в

высокочастотной короне наряду с лавинами электронов возникают

стримеры, если активная длительность полупериода напряжения

(часть полупериода с амплитудой выше потенциала погасания

разряда) достаточна для развития стримера. Для факельного разряда

характерно постепенное лавинообразное создание плазмы в течение

многих периодов поля (А.А.Кузовников)

В начале пятидесятых годов велась активная подготовка к

переезду кафедры в новое здание на Ленинских горах. Н.А.Капцов и

П.А.Петров проводили большую работу по оснащению кафедры

современным оборудованием и обеспечению соответствующими

помещениями. Немногим, вероятно, известно, что здание, которое

сейчас занимает Научно-исследовательский вычислительный центр

МГУ, было построено специально для кафедры электроники, и там

предполагалось размещение мощных генераторов высокой частоты и

соответствующих систем управления и диагностики.

Ко времени переезда на Ленинские горы на кафедре сложилась и

система лекционных спецкурсов, основой которой служил годовой

курс "Электроника", читавшийся для студентов радиофизического

отделения. Н.А.Капцовым было написано прекрасное учебное пособие

по этому курсу "Электроника" (изд.1953, 1954, 1956 гг.), а

позднее "Радиофизическая электроника" (1960г.), написанная под

его редакцией коллективом авторов. До выхода этих пособий

огромной популярностью как среди аспирантов и студентов, так и

среди широкой научной общественности пользовалась монография

Н.А.Капцова "Электрические явления в газах и вакууме" (1947, 1950

гг.).

Были так же созданы специальные физические практикумы по

газовой электронике и по электронной оптике и микроскопии.

II.ФИЗИКА ГАЗОВЫХ РАЗРЯДОВ В ВЧ И СВЧ ПОЛЯХ

Интенсивное развитие радиолокации вызвало необходимость

исследовать взаимодействие радиоволн метрового и сантиметрового

диапазонов с ионизованным газом, а также условия возникновения и

свойства электрических разрядов, возбуждаемых ВЧ и СВЧ полями.

(На кафедре был организован стенд для регенерации бытовых

- 7 -

электроламп в организации которого принимали участие сотрудники

Э.М.Рейхрудель и Г.В.Спивак и стеклодув П.Баранов.)

Первые экспериментальные исследования ВЧ разряда при низких

давлениях (1-6 мгц), проведенные Х.А.Джерпетовым, П.С.Булкиным и

др. методом зондов позволили определить пространственное

распределение температуры и концентрации электронов. С помощью

электронного пучка были измерены постоянные и ВЧ поля в ВЧ

разряде. Развитие ВЧ разрядов низкого давления в воздухе и аргоне

при различных перенапряжениях на электродах изучались

сопоставлением осциллограмм тока и интенсивности излучения плазмы

(Г.Н.Застенкер, Г.С.Солнцев, Б.Н.Швилкин).

В 60-х годах в рамках работы "Комета", выполнявшейся большим

коллективом сотрудников и аспирантов под руководством профессора

Н.А.Капцова (Г.С.Солнцев, В.Е.Мицук, П.С.Булкин, М.З.Хохлов,

Г.Н.Застенкер и др.) проведены исследования возникновения

импульсного СВЧ разряда в воздухе.

Современная для того времени комплексная методика измерений

пробойной мощности и статистического времени запаздывания

позволила объяснить влияние радиоактивного облучения разрядного

объема и влажности воздуха на условия образования плазмы под

действием СВЧ поля сантиметрового диапазона. Было установлено,

что статистическое время запаздывания пробоя значительно

возрастает, когда парциальное давление паров воды сравнимо с

парциальным давлением кислорода или выше его. Эти результаты

имели практическое значение для обеспечения устойчивой радиосвязи

самолетов между собой и Землей в условиях полета в атмосфере.

Группа сотрудников и аспирантов под руководством

Г.С.Солнцева (П.С.Булкин, Л.И.Цветкова, В.Н.Пономарев,

Н.Ц.Герасимов, В.А.Довженко, П.П.Мельниченко, А.И.Орлов,

С.А.Двинин и др.) исследовали СВЧ разряд в двух

электродинамических системах: 1) разряд в трубке, расположенной

перпендикулярно широкой стенке волновода (плазма как локальная

неоднородность волновода) и 2) в длинной трубке, установленной по

оси волновода (плазменный столб - распределенная по длине

нагрузка волновода). Основным результатом явилась

самосогласованная модель разряда, позволяющая на основе

совместного решения уравнений баланса и поля электронов и их

энергии с уравнениями поля Максвелла. Специфической особенностью

- 8 -

СВЧ разрядов в волноводе является высокая концентрация

электронов, превышающая критическую концентрацию соответствующую

равенству частоты плазменных колебаний электронов и частоты поля.

Измерена энергия, теряемая в среднем одним электроном за единицу

времени вследствие различных процессов, величина которой

определяет энергетический баланс в плазме.

Важную роль для обеспечения беспрепятственной эффективной

передачи СВЧ энергии по волноводам, например, в мощных

радиолокационных станциях играют процессы формирования СВЧ

разряда при высоком уровне СВЧ мощности. Результаты

экспериментальных исследований импульсных разрядов показали, что

формирование плазмы с высокой концентрацией электронов

сопровождается трансформацией одной моды волны в другую. Моды

соответствуют нормальному и аномальному видам дисперсии. Поэтому

обнаруженные формы разряда получили название нормального и

аномального (Пономарев В.И., Солнцев Г.С., Булкин П.С.), что

получило признание в научной литературе.

Последние десять лет успешно развиваются исследования

разрядов, поддерживаемых поверхностной волной в установках,

называемых сурфатронами. Получены данные о тепловых процессах,

приводящих к продольной неоднородности плотности газа, чего не

учитывают современные теории этих разрядов. Важным каналом

нагрева газа является ускорение ионов полями амбиполярной

диффузии и пристеночного слоя (Ершов А.П., Рахман М. и др.).

Установлено, что вследствие возникновения неустойчивостей в СВЧ

разрядах внутри волновода образуется слоистая структура

плазменного столба (А.М.Девятов, В.А.Довженко и др.).

В начале 70-х годов на кафедре физической электроники в

содружестве с большими научными коллективами академических (ИОФ,

ИПФ, ИРЭ) и отраслевых (НИИ радиопромышленности, Московский

радио-технический институт и др.) были начаты под руководством

А.А.Кузовникова работы по созданию и исследованию свойств нового

типа газового разряда - свободно локализованного СВЧ разряда в

воздухе, создаваемого мощным сфокусированным пучком

электромагнитного излучения сантиметрового диапазона длин волн

(В.Е.Мицук, Г.С.Солнцев, А.М.Девятов, В.А.Черников, В.М.Шибков,

В.В.Злобин, П.С.Булкин, А.В.Восканян, А.С.Зарин, Ю.А.Русанов,

В.Н.Куликов и др.). Создан экспериментальный комплекс, включающий

- 9 -

в себя магнетронные генераторы ( 7l 0=10см,  7t 4и 0=3мкс, W=1МВт и

 7l 0=2,4см,  7t 4и 0ў100мкс, Wў200кВт), барокамеру объемом vў3м3 и вак

уумную систему, позволяющую получать заданное разряжение и напуск

исследуемого газа. СВЧ мощность подводится к разрядной камере с

помощью волноводного тракта, который содержит все необходимые

элементы для регулирования и измерения СВЧ мощности. Для

фокусировки подводимой к разрядной камере энергии использовались

полистироловые линзы, прозрачные для используемых диапазонов длин

волн.

СВЧ разряд, возникающий в области фокуса пучка

электромагнитной энергии, представляет собой сложное явление,

включающее нестационарный пробой газа, распространение плазменных

фронтов, взаимодействующих с излучением, поддержание падающим

потоком энергии слабоионизованной неравновесной плазмы, нагрев и

возбуждение нейтрального газа, сопровождаемые деформацией

плотности и другими гидродинамическими явлениями. Например,

ударными волнами для исследования свойств разряда данного типа

был разработан комплекс диагностических стендов, обеспечивающих

получение с пространственно-временным разрешением надежных

сведений об эволюции таких основных параметров молекулярной

плазмы как напряженность электрического поля, функция

распределения электронов по энергиям, концентрация электронов

электронная температура, а также поступательная, колебательная и

вращательная температуры газа и ряд других характеристик. В

экспериментах применялись методы основанные на скоростной

регистрации быстропротекающих процессов, на регистрации рефракции

и поглощения плазмой стороннего излучения и фиксации собственного

излучения плазмы в широком спектральном интервале длин волн от

ультрафиолетовой ( 2000 А) до инфракрасной (1+5 мкм) части

спектра. Регистрировались уширение и сателлиты запрещенных линий,

абсолютные и относительные интенсивности спектральных линий,

молекулярных полос и сплошного спектра. Для обработки



Похожие документы:

  1. Образования, науки и инноваций

    Документ
    ... 376 40-я конференция Европейского физического общества по физике плазмы Secretariat e: eps2013-loc@aalto ... 2013 – Международная выставка и конференция. Силовая электроника, интеллектуальные механизмы, возобновляемая энергия и энергоменеджмент ...
  2. Трофимова т.и. курс физики

    Документ
    ... § 142. Гармонический осциллятор. Пружинный, физический и математический маятники Гармоническим осциллятором называется ... анализе, лазерной спектроскопии, квантовой электронике и т. д. § ... проблемы физики плазмы — разработка методов разогрева плазмы до ...
  3. Основные периоды и этапы в развитии физики предыстория физики (от древнейших времен до ХVII в.)

    Документ
    ... направлений, эволюцию физических знаний. ПРЕДЫСТОРИЯ ФИЗИКИ (от древнейших ... излучений, лежащей в основе квантовой электроники (П. Дирак). – Установление Ф. ... , Ю. Швингер). – Предсказана желобковая неустойчивость плазмы (Б. Б. Кадомцев, М. Розенблют, С. ...
  4. Научная программа работа конференции будет проходить по следующим направлениям (секциям): Теоретическая физика

    Программа
    ... Физика плазмы, электрофизика, плазменные технологии. Физика высокотемпературной плазмы и УТС, физика низкотемпературной плазмы, ионосферная и космическая плазма ... физика и др. 13. Физическая химия, химическая физика ... электроника, СВЧ-электроника, ...
  5. Адрес сайта унибц (Научной библиотеки): lib rudn ru Факультет физико-математический и естественных наук Полнотекстовые материалы в эбс рудн

    Документ
    ... и технологий ). - 60.33. основы физики плазмы Ландау Л.Д. Теоретическая физика [Электронный ресурс] : В 10-ти ... Константиновна. Учебное пособие по курсу "Физическая электроника" для преподавания с использованием мультимедийных технологий ...

Другие похожие документы..