ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 98, № 1, с. 25-30
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ^^^^^^^^^^^^ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 538.56:546.3
ГЕНЕРАЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ИЗ ЧИСТЫХ МЕТАЛЛОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИМПУЛЬСОВ ТОКА
© 2004 г. А. Б. Ринкевич
Институт физики металлов УрО РАН, 620219 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
Поступила в редакцию 09.12.2003 г.
Исследованы явления генерации электромагнитных волн и генерации комбинационной частоты входного электромагнитного сигнала, происходящие в электродинамических системах, через центральный проводник которых пропускаются импульсы сильного тока. Установлено, что пороговые значения тока, при котором возникает генерация, могут изменяться при действии второго импульса тока, приложенного после первого, но до начала импульса генерации СВЧ. Показано, что при достаточно большой амплитуде входного сигнала в спектре прошедших волн появляется комбинационная частота, не являющаяся гармоникой. Указанные явления наблюдались в образцах из монокристаллов вольфрама и алюминия при криогенной температуре и в магнитном поле выше 50 кЭ.
Известно несколько механизмов неустойчивости сильного электрического тока в чистых металлах и полуметаллах. Среди них магнитоакус-тическая неустойчивость [1], возникающая при достижении дрейфовой скоростью носителей скорости звука, гальваномагнитная неустойчивость [2], неустойчивость, связанная с нарушением условий статического скин-эффекта в компенсированном металле [3, 4] и другие. Группа неус-тойчивостей, приводящих к турбулентности тока и переходу системы в режим динамического хаоса [5], тесно связана с возникновением токовых состояний в металле [6]. Токовые состояния возникают из-за того, что магнитное поле сильного тока формирует особые траектории электронов проводимости, вьющиеся вокруг линии смены знака магнитного поля в образце. При превышении током некоторого порога возникает неустойчивость, получившая название магнитодинамической. Неустойчивость магнитодинамической природы, сходная с токово-конвективной неустойчивостью плазмы и винтовой неустойчивостью в полупроводниках [7], наблюдалась в образцах чистого вольфрама в сильном внешнем магнитном поле [8]. Особенность этого вида неустойчивости заключается в том, что вызванные ею токи замкнуты в образце, вследствие чего она крайне слабо проявляется в искажении вольтамперной характеристики. Тем не менее она может быть зафиксирована по магнитным полям, создаваемым токами неустойчивости. Этот тип неустойчивости легче возбуждается в компенсированных металлах, но наблюдался и в некомпенсированном алюминии [9]. В результате зарождения и развития неустойчивости реализуется так называемое скрытое отрицательное дифференциальное со-
противление образца [10]. В этом случае действие магнитного тока приводит не к пространственной локализации "захваченных" током электронов проводимости, как в классической магнитодинамической неустойчивости [11]. Группа электронов, способствующая созданию скрытого отрицательного дифференциального сопротивления, локализована в пространстве квазиимпульсов, вблизи опорных точек поверхности Ферми. Рассматриваемая неустойчивость приводит к расслоению тока [11] и перемешиванию токовых слоев. Поэтому она радикально сказывается на высокочастотных характеристиках металла. Были обнаружены и детально исследованы нестационарные явления и неустойчивость электромагнитной волны в условиях неустойчивости тока [12] и было показано, что рассматриваемые явления относятся к классу нелинейно-параметрических [13]. Были обнаружены также эффекты генерации гармонии высокочастотных гармоник электромагнитной волны [14] и генерации СВЧ [15] при неустойчивости тока. Тем не менее систематического исследования двух последних эффектов не было предпринято. Исследование нелинейных параметрических явлений генерации представляет еще и дополнительный интерес, как дающее новую информацию о специфическом варианте перехода электродинамической системы к динамическому хаосу. В [16] показано, что в результате развития неустойчивости тока реализуется переход к хаосу по сценарию "через перемежаемость". Обычно этот сценарий осуществляется, если система до перехода совершала регулярные колебания, составляющие замкнутый цикл в фазовом пространстве [17]. В нашем случае переход к хаосу происходит из неподвижной точки. В дан-
4
Рис. 1. Схема эксперимента:
1 - образец; 2 - отрезок линии; 3 - соленоид; 4 - источник импульсов тока; 5 - генератор высокой частоты; 6 - приемник.
ной работе будут подробно исследованы эффекты генерации в условиях неустойчивости тока в монокристаллических образцах вольфрама и алюминия.
Эксперименты выполнены на частотах от 450 МГц до 2.3 ГГц. На образец, составляющий центральный проводник отрезка длинной линии, подаются высокочастотный сигнал и импульсы сильного тока. Схема измерительной ячейки показана на рис. 1. Импульсный ток подается через ЬС фильтры нижних частот. Длительность импульсов тока т7 от 40 до 200 мкс, амплитуда до 100 А. Образец вольфрама имел форму пластины, образуя отрезок полосковой линии. Длина образца 24 мм, ширина 6 мм, толщина 0.5 мм. Грани образца соответствуют кристаллографическим граням (001). Относительное остаточное электросопротивление кристалла вольфрама около 10-5. Образец алюминия приготовлен в форме меандра. Проводники его вырезаны вдоль оси (001) кристалла. Поперечное сечение проводника 0.5 х 1 мм. Оба монокристалла выращены в лаборатории кристаллизации ИФМ УрО РАН.
Магнитное поле до 80 кЭ создавалось сверхпроводящим соленоидом. Вектор напряженности Н направлен вдоль волнового вектора q электромагнитной волны. Он лежит в плоскости пластины или меандра. В экспериментах по параметрической генерации помимо импульсов тока на образец подавался высокочастотный сигнал достаточно большой мощности. В сильном магнитном поле Н = 75 кЭ был обнаружен сигнал генерации весьма слабой мощности с амплитудным значением Рч = 10-9-10-10 Вт. Осциллограмма импульса тока и осциллограмма принятого сигнала показаны на вставке на рис. 2а. Наблюдаемый сигнал имел максимальную амплитуду на частоте приемного
устройства /г, связанной простым соотношением с частотой сигнала накачки /р:
/г = 3/2 /р + / о, (1)
где частота /0 оказалась равной 550 МГц для условий эксперимента, показанного на рис. 2. Нужно заметить, что сигналы с частотой 550 МГц не создаются в схеме приемника, и эта частота не является гармоникой гетеродина. В этом эксперименте входная мощность сигнала накачки, подаваемого на образец, Рр = 1 Вт. Длительность импульсов у = 120 мкс, их амплитуда 1м = 80 А. Зависимость мощности генерации от мощности накачки показана на рис. 26. Очевидно наличие порогового значения входной мощности.
Подобно генерации гармоник волны [14], параметрическая генерация осуществляется прерывисто, импульсами. Картина импульсов параметрической генерации, наблюдавшаяся при вариации частоты сигнала накачки /р, показана на рис. 3 а. В этом эксперименте 1м = 80 А, т7 = 140 мкс, осциллограмма импульса тока показана в нижней части рисунка. Частота настройки приемного устройства /г = 1529 МГц. Влияние мощности сигнала на структуру импульсов параметрической генерации показано на рис. 36. По мере увеличения Рр число импульсов генерации увеличивается, растет амплитуда импульсов.
В экспериментах по генерации СВЧ на образец не подавался входной электромагнитный сигнал. Эффект генерации СВЧ наблюдался только на образце в форме меандра. На рис. 4 показана типичная структура импульсов генерации. Сверху на рис. 4 показана осциллограмма импульса тока. Эти результаты по импульсной генерации СВЧ подобны ранее опубликованным [15]. В данной работе проведено дальнейшее исследование этого эффекта. Зависимость относительного значения мощности генерации Рг(1м), нормированной на максимальное значение мощности генерации в этой серии экспериментов Рм, от силы тока показана на рис. 5 а. Штриховой линией показана зависимость Рг ~ -1,, где 1 - значение порогового тока генерации, 1 = 26 А в этом эксперименте. Каждая точка на графике - экспериментальная, получена как среднее по 500 измерениям. Значение напряженности магнитного поля Н = 60 кЭ, длительность импульса тока т7 = 100 мкс, частота настройки приемника /г = 1300 МГц. Можно заключить, что наблюдается качественное подобие измеренной зависимости мощности генерации и эмпирической пропорциональности корню квадратному из превышения током порогового значения, т.е. "надкритичности". Спектр генерации, также среднее по 500 измерениям, показан на рис. 56 при 1м = 42.5 А, прочие условия как на рис. 5а.
Рис. 2. Зависимость частоты сигнала генерации от частоты накачки:
а - зависимость мощности генерации от мощности накачки при ^ = 475 МГц; б - на вставке - осциллограммы импульса тока ] и сигналов генерации. Длительность импульса тока 120 мкс, период повторения 14 мс, напряженность поля Н = = 75 кЭ.
Как видно из рис. 4, импульсы генерации СВЧ имеют сложную форму и наблюдаются позже начала импульса тока. Это запаздывание является результатом развития процесса неустойчивости тока и формирования динамического отрицательного дифференциального сопротивления для некоторой группы электронов, что необходимо для возникновения генерации. Если предположение о развитии неустойчивости действительно осуществляется, то можно попытаться управлять этим развитием, прикладывая дополнительный второй импульс тока. Он посылается позже первого и имеет меньшую амплитуду. Сам по себе второй импульс не в состоянии вызвать генерацию СВЧ. Оказалось, что его приложение в дополнение к основному может изменять пороговое значение тока первого импульса вызывающего генерацию СВЧ. Так, при ]м = 55 А, т7 = 120 мкм, Н = 80 кЭ и /г = 1305 МГц генерация при наличии одного только первого импульса отсутствует, но появляется, если амплитуда второго импульса /2 достигает 9.5 А (рис. 6а). Однако если измерения генерации производятся на частоте /г = 1805 МГц (рис. 66), то приложение второго импульса уменьшает амплитуду генерации СВЧ, вплоть до полного пропадания генерации при /2 = 24 А.
О развитии неустойчи
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.