В работе предложена новая методика расчетов интегральных и спектральных коэффициентов излучения протяженных субволновых частиц (ПСЧ), к которым относятся микро- и наноцилиндры, а также параллелепипеды. Проведено сопоставление результатов расчетов по предложенной методике с расчетными и экспериментальными данными, найденными в литературе. Показано, что при уменьшении только поперечных размеров ПСЧ (от величин много больших λmax, до величин много меньших λmax) из спектра излучения, который первоначально описывался законом Планка и содержал моды, как с поляризацией, направленной вдоль оси, так и с поляризацией, направленной перпендикулярно оси, будут постепенно исключаться моды с длинами волн, превышающими λcutoff (λcutoff – длина волны отсечки), имеющие поляризацию перпендикулярную продольной оси ПСЧ, в то время как моды с длинами волн, поляризованные вдоль оси ПСЧ, будут всегда присутствовать в спектре излучения ПСЧ. Когда поперечные размеры ПСЧ станут много меньше λmax, то из спектра излучения этого ПСЧ исчезнут все моды с поляризацией, перпендикулярной оси, и останутся только моды с продольной поляризацией. Это является принципиальным отличием от СЧ, рассмотренных ранее в работах [16, 17], в которых предложены методы расчета таких СЧ, как диски, сферы, кубики. Все предложенные методики расчетов используют формализм разложения потоков излучения на спектрально-пространственные моды.
The paper proposes a new method for calculating the integral and spectral radiation coefficients of extended subwavelength particles (ESPs), which include micro and nanocylinders and parallelepipeds. Comparison of the results of calculations by the proposed method with the calculated and experimental data found in the literature is carried out. It is shown that with decrease in only the transverse dimensions of the ESP (from values much larger than λmax to values much smaller than max) from the radiation spectrum, which was originally described by Planck’s law and contained modes with both polarization directed along the axis and with polarization directed perpendicular to the axis , modes with wavelengths exceeding λcutoff (λcutoff is the cutoff wavelength) and having polarization perpendicular to the longitudinal axis of the ESP will be gradually eliminated, while modes with wavelengths polarized along the ESP axis will always be present in the radiation spectrum of the ESP. When the transverse dimensions of the ESP become much less than λmax, then all modes with polarization perpendicular to the axis will disappear from the emission spectrum of this ESP, and only modes with longitudinal polarization will remain. This is a fundamental difference from the SPs considered earlier in [16, 17], where methods for calculating SPs as disks, spheres, cubes were proposed. All the proposed calculation methods use the formalism of the decomposition of radiation fluxes into spectral-spatial modes.
Идентификаторы и классификаторы
- SCI
- Физика
- Префикс DOI
- 10.51368/1996-0948-2021-3-17-25
- eLIBRARY ID
- 46342891
В работах [16, 17] и в настоящей работе, которая является их логическим продолжением, впервые предложены и реализованы новые метода расчета спектральных и интегральных потоков излучения, а также коэффициентов излучения двумерных (например: диски, диафрагмы) и трехмерных (например: сферы, кубики) субволновых частиц (СЧ), а также протяженных субволновых частиц (ПСЧ), у которых один из размеров в разы или во много раз больше двух других размеров (например: цилиндры, параллелепипеды).
Эти методы расчета излучений СЧ базируются на теории мод [18], в соответствии с которой выполнение соотношения: Scsa 2 является обязательным условием распространения в свободном пространстве моды с длиной волны .
Если это соотношение не выполняется, то мода с этой длиной волны не может рас-пространяться в свободном пространстве и будет отсутствовать в спектре излучающей частицы.
К несомненным достоинствам предложенных методов следует отнести:
– точную связь между размерами и формой частиц и количеством излучаемых мод на каждой длине волны. Характеристики излучения каждой частицы определяются не только свойствами ее материала, температурой, но и размерами и формой. Нами впервые предложены и вычислены для каждого вида частиц коэффициенты формы ;
– эти методики более наглядны и существенно менее трудоемки, чем известные [1–14]. В первую очередь это относится к предложенному и разработанному в [17] методу расчета коэффициентов излучения СЧ по универсальному графику: (u), где (u) – коэффициент излучения СЧ , , B – постоянная формулы смещения Вина. С помощью универсального графика (u) можно (вообще не проводя расчетов) быстро определять (u) по заданным параметрам (, D, T) частицы (это – прямая задача) или по заданной величине (u) находить , D, T – параметры частиц, имеющих заданную величину коэффициента излучения (это – обратная задача).
Предложенные методики применимы только для частиц, свойства материалов которых не отличаются от свойств аналогичных материалов в массивных телах, т. е. когда размеры частиц существенно превышают – средние длины свободного пробега носителей энергии в материале частиц и когда размеры металлических частиц больше глубины скин-слоя.
Точность расчетов целиком определяется точностью наших знаний об интегральных и спектральных коэффициентах излучений массивных тел и их зависимостях от температуры и длины волны.
К недостаткам разработанных методик следует отнести то, что они пригодны для расчетов собственных излучений СЧ и ПСЧ только для случаев, когда внешнее излучение не является основным фактором, поддерживающим температуру частиц.
Список литературы
- Mie G. // Ann. Phys. 1908. Vol. 25. P. 377.
- Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. – М.: Мир, 1986.
- Ландау Л. Д., Лифщиц Е. М. Теоретическая физика. Т. V111. Электродинамика сплошных сред. 4-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005.
- Борн М., Вольф Э. Основы оптики. Издание 2-е. исправленное. Перевод с английского. Под ред. Г. П. Мотулевич. – М.: Наука, 1973.
- Мартыненко Ю. В., Огнев Л. И. // ЖТФ. 2005. Т. 75. Вып. 11. C. 130.
- Домбровский Л. А., Ивенских Н. Н. // Тепло-физика высоких температур. 1973. Т. 11. № 4. С. 818.
- Домбровский Л. А. // Теплофизика высоких температур. 1999. Т. 37. № 2. С. 284.
- Волокитин А. И., Дж. Перссон Б. Н. // УФН. 2007. Т. 177. № 9. С. 921.
- Цытович В. Н. // УФН. 1997. Т. 167. № 1. С. 57.
- Golyk Vladyslav A., Kr¨uger Matthias, Kardar Mehran // Physical review E. 2012. Vol. 85. P. 046603-1.
- Elzouka1 Mahmoud, Yang Charles, Albert Adrian, Lubner Sean, Prasher Ravi // Cell Reports Physical Science. 2020. Vol. 1. No. 12. P. 100259. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100259.
- Joulain Karl // HAL Id: hal-01860367. https:// hal.archives-ouvertes.fr/hal-01860367.
- Cuevas Juan Carlos // NATURE COMMUNICATIONS. 2019. Vol. 1. 10:3342. https://doi.org/10.1038/s41467-019-11287-6.
- Karl Joulain, Younes Ezzahri, Remi Carminati // arXiv:1509,05927v2 [physics. class-ph].
- Kallel Houssem, Doumouro Joris, Krachmalnicoff Valentina, De Wilde Yannick, Joulain Karl // arXiv:1905.10195v3 [physics.app-ph] 2019. 20 Aug. P. 1–25.
- Свиридов А. Н., Сагинов Л. Д. // Прикладная физика. 2021. № 1. С. 57.
- Свиридов А. Н., Сагинов Л. Д. // Прикладная физика. 2021. № 2. С. 12.
- Гальярди Р. М., Карп Ш. Оптическая связь. – М.: Связь, 1978.
- Фридрихов С. А., Мовнин С. М. Физические основы электротехники. – М.: Высшая школа, 1982. С. 148, 608.
- Boriskina Svetlana V., Weinstein Lee A., Tong Jonathan K., Hsu Wei-Chun, Gang Chen // ACS Photonics. 2016. Vol. 3. No. 8. P. 11.
http://hdl.handle.net/1721.1/109528 - Lee K., Kim I., Kim S., Jeong D., Kim J., Rhim H., Ahn J., Park S., Choi H. // Nanoscale Res. Lett. 2014. Vol. 9. P. 56. https://doi.org/10.1186/1556-276X-9-56.
- Laffont L., Lonjon A., Dantras E., Demont P., Lacabanne C. // Mater. Lett. 2011. Vol. 65. No. 23. P. 3411.
- Князев Б. А., Кузьмин А. В. // Вестник НГУ. Сер. Физика. 2007. Т. 2. № 1. С. 108.
- Бабичев А. П., Бабушкина Н. А. и др. Физические величины: Справочник. – М.: Энергоатомиздат, 1991.
- Bimonte G., Emig T., Kr¨uger M., Kardar M. // Phys. Rev. A. 2011. Vol. 4. P. 042503-1.
- G. Mie, Ann. Phys. 25, 377 (1908).
- Craig F. Bohren, Donald R. Huffmann, Absorbtion and Scattering of Light by Small Particles. (Wiley & Sons, New York, 1983).
- L. D. Landau and E. M. Lifshitz, Theoretical physics V. 8 Electrodynamics of continuous media (FIZMATLIT, Moscow, 2005) [in Russian].
- Max Bourn and Emil Wolf, Principles of optics. (Pergamon Press, London, 1965).
- Yu. V. Martynenko and L. I. Ognev, Tech. Phys. 75 (11), 130 (2005).
- L. A. Dombrovsky and N. N. Ivenskikh, Teplofizika vy`sokix temperatur 11 (4), 818 (1973).
- L. A. Dombrovsky, Teplofizika vy`sokix temperature 37 (2), 284 (1999).
- A. I. Volokitin and J. B. N. Persson, UFN 177 (9), 921 (2007).
- V. N. Tsytovich, UFN 167 (1), 57 (1997).
- Vladyslav A. Golyk, Matthias Kr¨uger, and Mehran Kardar, Phys. Rev. E 85, 046603 (2012); doi: 10.1103/PhysRevE.85.046603
- Mahmoud Elzouka, Charles Yang, Adrian Albert, Sean Lubner, and Ravi S. Prasher, Cell Reports Physical
Science 1 (12), 100259 (2020); https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100259. - Karl Joulain, HAL Id: hal-01860367. https:// hal.archives-ouvertes.fr/hal-01860367.
- Juan Carlos Cuevas, NATURE COMMUNICATIONS 10, 3342 (2019); https://doi.org/10.1038/s41467-019-11287-6.
- Karl Joulain,Younes Ezzahri, and Remi Carminati, arXiv:1509.05927v2 [physics.class-ph].
- Houssem Kallel, Joris Doumouro, Valentina Krachmalnicoff, Yannick De Wilde, Karl Joulain. arXiv:1905.10195v3 [physics.app-ph] 20 Aug 2019, p. 1–25.
- A. N. Sviridov and L. D. Saginov, Applied Physics, No. 1, 57 (2021) [in Russian].
- A. N. Sviridov L. D. Saginov, Applied Physics, No. 2, 12 (2021) [in Russian].
- Robert. M. Gagliardi and Sherman Karp, Optical communications. (Wiley & Sons, New York, 1976; Svyaz, Moscow, 1978).
- S. A. Fridrikhov and S. M. Movnin, Physical bases of electrical engineering. (Higher school, Moscow, 1982) [in Russian].
- Svetlana V. Boriskina, Lee A. Weinstein, Jonathan K. Tong, Wei-Chun Hsu, and Gang Chen, ACS Photonics 3 (8), 11 (2016); http://hdl.handle.net/1721.1/109528
- K. Lee, I. Kim, S. Kim, D. Jeong, J. Kim, H. Rhim, J. Ahn, S. Park, and H. Choi, Nanoscale Res. Lett. 9, 56 (2014); https://doi.org/10.1186/1556-276X-9-56.
- L. Laffont, A. Lonjon, E. Dantras, P. Demont, and C. Lacabanne, Mater. Lett. 65 (23), 3411 (2011).
- B. A. Knyazev and A. V. Kuzmin, Vestnik NGU Seriya Fizika 2 (1), 108 (2007).
- A. P. Babichev, N. A Babushkina, et al., Fizicheskie velichiny: Spravochnik (Energoatomizdat, Moscow, 1991) [in Russian].
- G. Bimonte, T. Emig, M. Kr¨uger, and M. Kardar, Phys. Rev. A 84, 042503 (2011); doi: 10.1103/PhysRevA.84.042503
Выпуск
С О Д Е Р Ж А Н И Е
ФИЗИКА ПЛАЗМЫ И ПЛАЗМЕННЫЕ МЕТОДЫ
Лебедев Ю. А., Татаринов А. В., Эпштейн И. Л., Титов А. Ю.
Особенности процессов в СВЧ-разряде в парах воды 5
Голятина Р. И., Майоров С. А.
Сечения столкновений электронов с атомами инертных газов 11
Свиридов А. Н., Сагинов Л. Д.
Тепловое излучение протяженных частиц с субволновыми поперечными размерами 17
Абрамов А. В.
Прямое измерение потенциалов в системе реактивного ионно-плазменного травления 26
Двинин С. А., Синкевич О. А., Кодирзода З. А., Солихов Д. К.
Об импедансе высокочастотного емкостного разряда при различных способах возбуждения 33
ФОТОЭЛЕКТРОНИКА
Зиенко С. И., Жбанова В. Л.
Фурье-анализ спектральных характеристик матричного фотоприемника в частотной и временной области 39
Стучинский В. А., Вишняков А. В.
Тонкая структура пространственных профилей фотоответа диода фотоприемной матрицы при сканировании им узкого линейного пятна засветки 47
ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Мазинов А. С., Гурченко В. С., Тютюник А. С.
Вольт-амперные и спектральные характеристики гетероструктур водорастворимый фуллерен – 4-метилфенилгидразон N-изоамилизатина 54
ФИЗИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА И ЕЁ ЭЛЕМЕНТЫ
Пщелко Н. С., Царёва О. С.
Физические основы использования электрического поля для повышения точности определения направления малых углов отклонений 60
Сафронов А. А., Кузнецов В. Е., Дудник Ю. Д., Ширяев В. Н., Васильева О. Б.
Плазменное получение ультрадисперсных оксидов железа и алюминия 66
Бритенков А. К., Фарфель В. А., Боголюбов Б. Н.
Сравнительный анализ электроакустических характеристик компактных низкочастотных гидроакустических излучателей высокой удельной мощности 72
Гибин И. С., Котляр П. Е.
Гелий-графеновый оптико-акустический преобразователь предельной чувствительности 78
C O N T E N T S
PLASMA PHYSICS AND PLASMA METHODS
Lebedev Yu. A., Tatarinov A. V., Epstein I. L., and Titov A. Yu.
Features of processes in a microwave discharge in water vapor 5
Golyatina R. I. and Maiorov S. A.
Cross sections of electron collisions with noble gases atoms 11
Sviridov A. N. and Saginov L. D.
Thermal radiation of extended particles with subwavelength transverse dimensions 17
Abramov A. V.
Direct measurement of potentials in a reactive ion-plasma etching system 26
Dvinin S. A., Sinkevich O. A., Kodirzoda Z. A., and Solikhov D. K.
On the impedance of a high-frequency capacitive discharge with different excitation methods 33
PHOTOELECTRONICS
Zienko S. I. and Zhbanova V. L.
Fourier analysis of spectral characteristics of a matrix photodetector in the frequency and time domain 39
Stuchinsky V. A. and Vishnyakov A. V.
Fine structure of spatial diode photoresponse profiles measured while scanning a narrow strip-shaped illumination spot with FPA diode 47
PHYSICAL SCIENCE OF MATERIALS
Mazinov A. S., Gurchenko V. S., and Tyutyunik A. S.
Current-voltage and spectral characteristics of heterostructures of fullerene-water system – N-isoamylisatin 4-methylphenylhydrazone 54
PHYSICAL APPARATUS AND ITS ELEMENTS
Pshchelko N. S. and Tsareva O. S.
Physical foundations of using an electric field to improve the accuracy of determining the direction of small angles of deviations 60
Safronov A. A., Kuznetsov V. E., Dudnik Yu. D., Shiryaev V. N., and Vasilieva O. B.
Plasma way to obtain ultrafine iron and aluminum oxides 66
Britenkov A. K., Farfel V. A., and Bogolyubov B. N.
Comparison and analysis of electroacoustic characteristics of high power density compact low frequency hydroacoustic transducers 72
Gibin I. S. and Kotlyar P. E.
Helium-graphene optical-acoustic converter of extreme sensitivity 78
Другие статьи выпуска
Рассмотрены перспективы применения однослойного графена при конструировании оптико-акустических преобразователей (ОАП) нового поколения. Показано, что предельные характеристики преобразователей с мембранами из однослойного графена могут быть получены только в ОАП, построенных по схеме Хейса. Рассмотрены основные характеристики мембран – основных элементов ОАП, проанализированы физические свойства графена, как наиболее предпочтительного материала для мембран. Проведены оценки, показывающие, что применение мембран из SLG-графенов позволяет создавать приемники ИК- и ТГц-излучения с ячейками порядка десятков микрон, имеющими предельно высокую чувствительность. Для достижения предельной чув-ствительности предложено выполнение краевой перфорации графеновых мембран. Предложена новая конструктивная схема неохлаждаемых гелий-графеновых оптико-акустических приемников, обладающих теоретически предельными чувствительностью и быстродействием и расширенным до гелиевых температур рабочим диапазоном. Изложенные технические решения могут быть положены в основу конструирования неохлаждаемых мегапиксельных матричных ОАП для регистрации ИК- и ТГц-изображений.
В работе анализируются характерные особенности и принципиальные различия электроакустических характеристик и импедансных спектров компактных низкочастотных гидроакустических пьезоэлектрических излучателей высокой удельной мощности продольно-изгибного, встречно-поршневого и инерционно-изгибного типов. Анализ и сопоставление электроакустических характеристик преобразователей разных типов позволяет определить направление конструкторского поиска и варианты технических решений для преодоления противоречий между компактными размерами, шириной полосы, чувствительностью, низкой резонансной частотой и КПД гидроакустического излучателя. Приведены примеры использования рассмотренных типов преобразователей для разных классов задач гидроакустики.
В работе рассмотрены конструкции двух установок плазмохимического синтеза на базе плазмотронов переменного тока мощностью до 30 кВт для получения ультра-дисперсных (наноразмерных) оксидных и карбидных материалов. Приведены результаты, полученные при выполнении экспериментальных исследований по получению ультрадисперсных порошков оксидов металлов (железа и алюминия).
Рассматриваются существующие методы геодезического мониторинга деформаций и вызываемых ими отклонений. Показано, что за счет нестабильности положения груза, подвешенного на нити в достаточно сильном электрическом поле, возможно измерение направления отклонения контролируемого объекта даже при отклонении, стремящемся к нулю. Рассмотрена количественная модель для расчета значений используемых электрических напряжений, обеспечивающих безотказную работу устройства. Предложены основные элементы конструкции устройства и способ регистрации информационного сигнала. Делается вывод о наличии предпосылок для широкого внедрения подобных устройств для определения направления малых отклонений, основанных на использовании электрического поля.
Представлены спектры пропускания и поглощения электромагнитного излучения для тонких пленок, полученных методом полива из растворов фуллерена в воде и 4-метилфенилгидразона N-изоамилизатина в хлороформе. Описана методика получения, синтез, микроскопия углеродных и органических пленок. Показаны спектры взаимодействия электромагнитного излучения с тонкими пленками в видимом (длины волн 400–920 нм) и ИК (волновые числа 650–4000 см-1) диапазонах. Определены оптимальные толщины активных слоев гетероструктуры на основе водных растворов фуллерена и 4-метилфенилгидразона N-изоамилизатина, что позволило получить максимальное увеличение проводимости.
Трехмерное моделирование диффузии фотогенерированных носителей заряда методом Монте-Карло было использовано для вычисления пространственных профилей фото-ответа фотодиода фотоприёмной матрицы при сканировании этим диодом узкого линейного пятна засветки в пределе максимально большого и предельно малого фототока, отбираемого диодами матрицы из абсорбера. Моделирование проводилось для традиционной матрицы на основе материала кадмий-ртуть-теллур с архитектурой n-на-p и квадратными диодами. Установлены тонкие детали профилей, обусловленные наличием у матрицы структуры; показана зависимость выявленных особенностей от граничных условий диффузионной задачи на n-областях диодов. Дано объяснение формы профилей, естественным образом вытекающее из вычислительной процедуры задачи.
Целью работы является исследование частотных и временных характеристик фотоприемника с помощью прямого и обратного преобразования Фурье. В качестве объекта исследования выбраны спектральные характеристики матричного фотоприемника. Для каналов преобразователя установлено, что частотный спектр состоит из двух элементарных полос в форме кривых Гаусса. Выявлено, что спектры обладают сверхширокополосными свойствами. Импульсная (временная) характеристика спек-тров описывается уравнением в аналитическом виде, которая хорошо согласуется с расчетом. Время нарастания переходной характеристики составляет 1,8–2,9 фс.
На процесс поглощения света заметное влияние оказывает влияние диэлектрическая релаксация заряда. Полученные результаты позволяют получить важную информацию о свойствах фотоприемника в частотной и временной области.
Рассмотрена задача о емкостном ВЧ-разряде низкого давления ( << ) с электродами большой площади при возбуждении его электромагнитным полем частотой от 13 до 900 МГц. Получены общие аналитические формулы для амплитуд собственных волн и импеданса разряда. Учтено, что возбуждение поверхностных волн и высших нераспространяющихся мод происходит как благодаря осевой неоднородности структуры «плазма-слой-металл», так и за счет краевых эффектов у среза электрода. Более высокая амплитуда резонансных мод в сравнении с возбуждением разряда ТЕМ-волной в данном случае приводит к бо́льшей изрезанности зависимости импеданса разряда от плотности электронов. Данный вывод подтвержден прямым расчетом импеданса с помощью программы Comsol Multiphysics®.
Представлены устройства для прямого измерения потенциала плазмы и плавающего потенциала в газовом разряде в системе реактивного ионно-плазменного травления.
В основе действия разработанных для этого устройств лежит создание локального магнитного поля, позволяющего целенаправленно менять условия амбиполярной диффузии заряженных частиц. Это дает возможность осуществлять выравнивание потенциалов зонда и тела положительного столба плазмы. Проведено сравнение результатов измерения потенциала плазмы предлагаемым и альтернативным методами.
В работе представлен анализ данных по сечениям упругих и неупругих столкновений электронов с атомами благородных газов. Рассмотрены транспортное (диффузионное) сечение, сечения возбуждения и ионизации. Для выбранных наборов экспериментальных и теоретических данных найдены оптимальные аналитические формулы и для них подобраны аппроксимационные коэффициенты. Полученные полуэмпирические формулы позволяют воспроизводить значения сечений в широком диапазоне энергий столкновения от 0,001 до 10000 эВ с точностью нескольких процентов.
Проведено нульмерное стационарное моделирование СВЧ-разряда в парах воды при атмосферном и пониженном давлениях и постоянной температуре газа. Использовалась модель реактора непрерывного перемешивания. Проведено совместное решение уравнений баланса для нейтральных и заряженных компонент плазмы, уравнения Больцмана для электронов плазмы и уравнения для стационарного распределения СВЧ-поля в объеме, заполненном плазмой. Получены зависимости различных пара-метров разряда (величины СВЧ-поля, концентраций всех компонент) от вложенной удельной мощности WV. Показано, что при пониженном давлении при одной и той же вложенной удельной мощности величина СВЧ-поля в плазме существенно меньше, а концентрация электронов выше, чем при атмосферном давлении. При атмосферном давлении в интервале рассмотренных значений WV плазма воды электроотрицательна, причем квазинейтральность поддерживается отрицательным ионом OH-.
При давлении 30 Торр и вложенной удельной мощности 60–70 кВт/см3 происходит пе-реход от электроотрицательной к электроположительной плазме.
Издательство
- Издательство
- АО "НПО "ОРИОН"
- Регион
- Россия, Москва
- Почтовый адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- Юр. адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- ФИО
- Старцев Вадим Валерьевич (ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ДИРЕКТОР)
- E-mail адрес
- orion@orion-ir.ru
- Контактный телефон
- +7 (499) 3749400