ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ С В Ч – ДИАПАЗОНА В НЕОДНОРОДНЫХ ПРОВОДЯЩИХ СРЕДАХ : ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ КОЛИВАННЯ І ХВИЛІ З У Ч - діапазону У НЕОДНОРІДНИХ провіднИХ середовищ

Краткое описание

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ
Национальный технический университет
«Харьковский политехнический институт»
Научно - исследовательский и проектно-конструкторский институт «Молния»

На правах рукописи

ЯКОВЕНКО ИГОРЬ ВЛАДИМИРОВИЧ

УДК 621.315.592 539.922.924

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ С В Ч ДИАПАЗОНА
В НЕОДНОРОДНЫХ ПРОВОДЯЩИХ СРЕДАХ

01.04.03 - радиофизика

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени
доктора физико-математических наук

Харьков - 2003

С О Д Е Р Ж А Н И Е

ВВЕДЕНИЕ ...5

РАЗДЕЛ 1 . КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ И ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В
ОГРАНИЧЕННЫХ ПЛАЗМОПОДОБНЫХ СРЕДАХ.15

РАЗДЕЛ 2. БЕССТОЛКНОВИТЕЛЬНОЕ ЗАТУХАНИЕ ПОВЕРХ-
НОСТНЫХ КОЛЕБАНИЙ В ПЛАЗМОПОДОБНЫХ
СРЕДАХ..33

2.1. Поверхностные поляритоны..34

2.2. Бесстолкновительное затухание поверхностных
плазмонов при слабой пространственной дисперсии
(классическое приближение).40

2.3. Бесстолкновительное затухание поверхностных волн
на границе плазменная среда пьезоэлектрик 50

2.4. Квантовая теория бесстолкновительного затухания
поверхностных плазмонов 54

2.5. Кинетическая теория взаимодействия поверхностных
плазмонов с электронами проводимости 62

ВЫВОДЫ..69

РАЗДЕЛ 3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ КОЛЕБАНИЙ
С ПОТОКАМИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, ПРОХОДЯЩИХ
ЧЕРЕЗ ГРАНИЦУ..71

3.1. Бесстолкновительное затухание поверхностных плазмонов
при их взаимодействии с потоком заряженных частиц.72

3.2. Колебания полуограниченной плазмы и электронного пучка,
проходящего через границу раздела ...78

3.3. Неустойчивость поверхностных плазмонов (квантовое
приближение) 90

3.4. Нелинейные эффекты взаимодействия поверхностных плаз-
монов и электронов, пересекающих границу раздела сред..96

ВЫВОДЫ105

РАЗДЕЛ 4. ВОЗБУЖДЕНИЕ СОБСТВЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ
КОЛЕБАНИЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ПЛАЗМОПОДОБНЫХ
СТРУКТУР ПОТОКАМИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ..109

4.1. Электростатические колебания в плазмоподобных структурах с
потоками заряженных частиц...110

4.2. Резонансное взаимодействие плазменных колебаний с потоком
заряженных частиц в слоисто периодических средах130

ВЫВОДЫ..138

РАЗДЕЛ 5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ ПЛАЗМОНОВ
И ПОТОКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ НА ГРАНИЦЕ
РАЗДЕЛА СРЕД С НЕОДНОРОДНЫМ ПОТЕНЦИАЛОМ..141

5.1. Влияние потенциального барьера на процессы взаимодействия
поверхностных плазмонов и заряженных частиц на границе
раздела сред.143

5.2. Кинетическая неустойчивость поверхностных плазмонов
на границе раздела сред с неоднородным потенциалом152

5.3. Взаимодействие потока заряженных частиц с двумерным
электронным газом с учетом потенциального барьера159

5.4. Взаимодействие потока заряженных частиц с плазмонами
в двумерном электронном газе ( кинетика).168

ВЫВОДЫ 175

РАЗДЕЛ 6. ВЛИЯНИЕ НЕРОВНОСТЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ
ТЕЛ НА СПЕКТР ЭЛЕКТРОНОВ И ПЛАЗМЕННЫХ
КОЛЕБАНИЙ.177

6.1. Электронные состояния на неровной границе раздела сред.178

6.2. Поверхностные электронные состояния на неровной границе
раздела сред ( двумерный случай)..186

6.3. Поверхностные плазменные волны на неровной границе
твердого тела 197

ВЫВОДЫ .204

РАЗДЕЛ 7. ПЕРЕХОДНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ПОТОКА ЗАРЯЖЕННЫХ
ЧАСТИЦ НА НЕОДНОРОДНЫХ ГРАНИЦАХ РАЗДЕЛА
СРЕД206

7.1. Переходное излучение электронного потока на периодичес-
ки неровной границе проводника 207

7.2. Переходное излучение заряда с неоднородным потенциалом
на границе 219

7.3. Переходное излучение поверхностных поляритонов модули-
рованным потоком заряженных частиц231

ВЫВОДЫ.242

РАЗДЕЛ 8. ТЕОРИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МАГНИТОПЛАЗМЕННЫХ
КОЛЕБАНИЙ С ИСТОЧНИКАМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ..244

8.1. Возбуждение геликонов движущимися зарядами в
магнитоактивной плазме твердого тела..245

8.2. Возбуждение поверхностных геликонов на границе
полупроводниковой плазмы 256

ВЫВОДЫ270

ВЫВОДЫ ..271

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.278

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы
Одной из основных проблем современной радиофизики является необходимость освоения субмиллиметрового и коротковолновой части миллиметрового диапазонов электромагнитных колебаний. Эти диапазоны важны не только при проведении исследований в разных областях теоретической физики, но и в биологии, медицине, а также для многих технических приложений: радиолокации, радионавигации, технике связи, вычислительной техники и т. д.
На первом месте в этой проблеме безусловно стоит задача создания источников электромагнитного излучения. При её решении определились два подхода. С одной стороны, проводятся исследования, направленные на использования в субмиллиметровом диапазоне лазерного принципа генерирования и усиления электромагнитных волн, который успешно реализован в оптике (например в полупроводниковых лазерах). С другой стороны, осуществляются попытки усовершенствования приборов, которые работают в более низкочастотной части спектра, а именно, транзисторов, диодов Ганна, лавинно-пролетных диодов. Это касается исследований плазменно-волновых эффектов, резонансов и неустойчивых состояний в твердых телах. Интерес к ним определяется поиском новых возможностей генерации колебаний в этом диапазоне, а также задачами радиоспектроскопии твердых тел.
Очевидно, что необходимым условием успешного решения поставленных задач является наличие соответствующей элементной базы, созданной на основе материалов с прогнозируемыми параметрами.
Современная технология позволяет создавать проводящие твердотельные структуры: пленки, полупроводники со сверхрешеткой и двумерным (2D) электронным газом, а также структуры типа металл диэлектрик полупроводник (МДП) и т.д. При определении механизмов формирования ультратонких слоев является важным изучение их электронных свойств и плазменных колебаний, обусловленных коллективным поведением зарядов. Достаточно важным также для их диагностики и практического использования (например, микро- и наноэлектроника) являются вопросы взаимодействия плазменных колебаний с потоками заряженных частиц. Дело в том, что в ограниченных средах возникают новые ветви электромагнитных колебаний, а также связь между различными типами колебаний благодаря наличию внешних границ. Кроме того, в структурах, которые имеют субмикронные размеры, реализуется баллистический механизм переноса заряда. Поэтому в них могут проявляться неустойчивости, в основе которых лежат эффекты черенковского. переходного и тормозного излучения частиц. Наконец, результаты исследований волновых процессов в ограниченной плазме твердых тел могут быть использованы для бесконтактных методов диагностики электронных спектров носителей заряда и свойств поверхностей.
Таким образом, интерес к фундаментальной проблеме современной радиофизики - возбуждения, усиления, затухания, распространения и преобразования электромагнитных волн субмиллиметрового и коротковолновой части миллиметрового диапазонов определяет актуальность работы Электромагнитные колебания и волны СВЧ диапазона в неоднородных проводящих средах”.

Связь работы с научными программами планами темами
Диссертационная работа выполнялась в рамках планов комплексной научно исследовательской программы Министерства образования и науки Украины; НИР:
Разработка научных основ прогнозирования характеристик полупроводниковых структур в составе радиоэлектронных изделий в условиях электромагнитного воздействия. Диссертационная работа является обобщением результатов исследований, проведенных автором в НИПКИ Молния Министерства образования и науки Украины при НТУ ХПИ”, которые входят в научно технические отчеты Н И Р : № Г Р 0198 U 000358; № Г Р 0101 U 003807;
№ Г Р 0201 U 005261; № Г Р 0101 U 003806.

Цель и задачи исследования
Целью настоящей диссертационной работы является развитие линейной и нелинейной теории кинетических и гидродинамических механизмов возбуждения и затухания электромагнитных колебаний, обусловленных их взаимодействием с потоками заряженных частиц в ограниченных проводящих средах; определении особенностей влияния неоднородных свойств поверхностей проводящих твердых тел на энергетические спектры носителей, законы дисперсии электромагнитных колебаний и условий их взаимодействия друг с другом.

Достижение этой цели решается решением следующих задач:
- определение механизмов бесстолкновительного затухания поверхностных электромагнитных колебаний и условий его обращения (возникновения неустойчивостей), связанных с взаимодействием волн и заряженных частиц на границе проводящих твердых тел;
- получение и решение кинетических уравнений, описывающих изменение числа собственных электромагнитных колебаний плазмоподобных твердотельных структур, что обусловлено эффектами переходного и черенковского излучения потоков заряженных частиц;
- определение и анализ спектральных характеристик электромагнитных колебаний и получение выражений для инкрементов гидродинамических пучковых неустойчивостей в слоисто- периодических структурах (полу-проводниковых сверхрешетках ) и структурах с баллистическим переносом заряда, содержащих плазменные слои;
- исследование механизмов образования поверхностных электронных состояний на неровной границе проводящих твердых тел и определение законов дисперсии поверхностных поляритонов, возникновение которых обусловлено данными состояниями;
- исследования влияния неоднородных свойств поверхностей проводящих твердых тел (наличие периодических и статистических неровностей, неоднородного распределения потенциала на границе) на спектральные характеристики переходного излучения;
- изучение нелинейных эффектов, стабилизирующие неустойчивости электромагнитных колебаний в пучково плазменных системах, где происходит трансформация энергии потоков заряженных частиц в энергию колебаний среды.
Методы исследования
В работе использовались аналитические методы решений системы уравнений Максвелла для электромагнитных полей и материальных уравнений в рамках гидродинамического и кинетического приближений. Большинство результатов диссертации, связанных с пучковыми неустойчивостями, получены в рамках гидродинамического подхода. Кинетическое описание используется при анализе переходного излучения потоков заряженных частиц на границе полупроводниковой плазмы. Задачи стабилизации плазменных неустойчивостей рассматривались с использованием нелинейных уравнений и решались на основе численных методов Рунге Кута.
Научная новизна
1. Представленная в работе кинетическая теория бесстолкновительного затухания поверхностных плазмонов, обусловленного их взаимодействием с электронами на границе проводящих сред, расширяет существующие классические представления этих эффектов до квантовых пределов.
2. Разработан механизм затухания поверхностных колебаний, основанный на понятии волны Ван Кампена. Проведенные в рамках этой модели исследования взаимодействия электромагнитных колебаний и электронов с учетом процессов диффузии отличаются физической корректностью и простотой по сравнению с традиционным гидродинамическим описанием
подобных эффектов.
3. Построенная в диссертации квантовомеханическая теория переходного излучения потоков заряженных частиц в ограниченных плазмоподобных средах позволяет определять новые критерии неустойчивостей электромаг-нитных колебаний.
4. Исследования механизмов бесстолкновительного затухания поверхностных геликонов в условиях черенковского взаимодействия с источниками, движу-щимися вдоль границ полупроводниковой плазмы, открывают новые экспериментальные возможности регистрации магнитоплазменных колебаний.
5. Определены условия развития гидродинамических и кинетических неустой-чивостей электростатических колебаний в системах, содержащих плазменный слой, окруженный средами с различными электромагнитными свойствами. Исследованы механизмы неустойчивостей, развитие которых обеспечивается эффектами черенковского и переходного излучения.
6. Получены соотношения, связывающие характеристики полупроводниковых сверхрешеток и параметры потоков заряженных частиц, обеспечивающие возникновение неустойчивых состояний, аналогичных неустойчивости Ахиезера - Файнберга. Определены выражения для инкрементов неусточивостей такого типа , когда поток частиц проходит через сверхрешетку либо движется вдоль её поверхности .
7. В диссертационной работе решена задача о развитии начального возмущения функции распределения носителей при их прохождении через границу раздела сред. Её результаты определяют условия сохранения устойчивости или развития неустойчивости в системах плазма твердого тела - электронный поток.
8. Предложен нелинейный механизм стабилизации неустойчивостей поверх-ностных плазмонов, в условиях когда взаимодействие электромагнитных колебаний и заряженных частиц обеспечивается наличием границы.
9. Определены специфические особенности трансформации спектральных характеристик энергии переходного излучения, связанные с наличием неоднородностей поверхности радиофизических систем открытого типа.
10. Разработан новый физический механизм возникновения поверхностных электронных состояний, характеристики которых определяются неодно-родностями границы раздела проводящих твердых тел периодического или статистического характера.
11. Получен и исследован закон дисперсии поверхностных поляритонов в неоднородной плазме, образованной поверхностными электронными состояниями на границе твердого тела в условиях, когда её неоднородности носят статистический или регулярный характер.
12. Построена кинетическая теория возбуждения электромагнитных колебаний в полупроводниковых структурах с неоднородным потенциалом на границе раздела сред. В её рамках получены выражения для инкрементов неустойчивостей поверхностных плазмонов и определены изменения, вносимые потенциальным барьером в их величину.
Обоснование и достоверность научных положений, выводов
Достоверность и обоснование полученных результатов диссертационной работы определяется тем, что поставленные задачи исследовались на основе моделей, которые предполагают аналитические решения. Все использованные приближения аргументированы. Правильность результатов контролировалась путем сравнения с предельными переходами, известными из литературы. Сопоставление ряда полученных данных с результатами экспериментальных исследований также подтверждает достоверность полученных результатов.
Научное значение работы
Совокупность новых теоретических результатов, полученных в диссертации, вносит вклад в развитие физических представлений о механизмах взаимодействия волн и заряженных частиц в полупроводниковой плазме. Они являются необходимым шагом в изучении электромагнитных процессов в реальных объектах полупроводниковой электроники и построении адекватной математической модели этих процессов.
Практическое значение полученных результатов
1. Полученные в работе критерии возникновения и развития неустойчивостей поверхностных плазмонов, связанные с неравновесностью электронных систем, реализуются в проводящих твердых телах. Поэтому они могут быть использованы при разработке активных устройств полупроводниковой электроники, предназначенных для усиления, генерирования и преобразования электромагнитных колебаний миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.
2. Проведенный в диссертации сравнительный анализ инкрементов пучково плазменных неустойчивостей различных ветвей электростатических колебаний при движении потока частиц по нормали либо вдоль границы раздела сред, позволяет решать задачи оптимизации существующих механизмов усиления колебаний в структурах, используемых в современной радиофизике (МДП, МОП, различных типов р n переходов).
3. Одно из направлений повышения функциональной сложности и быстродействия радиофизических устройств базируется на использовании многослойных структур с необходимыми электрическими и магнитными свойствами. В работе исследованы механизмы пучково плазменных неустойчивостей, когда объектом возбуждения выступают поверхностные волны, отличающиеся малыми фазовыми скоростями, что повышает эффективность взаимодействия волн и заряженных частиц.
4. В результате проведенных исследований механизмов взаимодействия поверхностных волн и заряженных частиц на границе сред с периодически неровной поверхностью определены возможности существенного повышения уровня излучения за счет использования электронных пучков модулированных на частоте поверхностной волны. Сравнительный анализ плотности энергии поверхностных волн для различных излучающих систем показал преимущества идеально проводящей среды.
5. Построенная в работе теория переходного излучения при наличии потенциального барьера на границе раздела сред решает ряд прикладных задач полупроводниковой электроники. Так, в её рамках получено выражение для спектральной плотности излучения заряда в полупроводниках с р n переходами , установлены зависимости между параметрами полупроводника и потока частиц, позволяющие диагностировать дефекты кристаллической решетки .
6. При использовании магнитоактивных свойств полупроводниковой плазмы в прикладной радиофизике определенный интерес представляют поверхностные геликоны, механизмы возбуждения которых рассматривались в настоящей работе. Это связано с рядом их специфических особенностей: они существуют в широком диапазоне частот независимо от соотношения между частотой сигнала и частотой столкновений носителей, имеют относительно небольшие фазовые скорости, что позволяет обеспечить их взаимодействие с акустическими колебаниями.
7. В отличие от широко известных механизмов возникновения поверхностных электронных состояний, связанных с разрывом периодичности потенциала в поле которого движется частица (модель Шокли, Тамма) в диссертации возникновения подобных состояний связано с наличием малых неровностей границы. Поэтому, полученные в работе дисперсионные характеристики поверхностных поляритонов в неоднородной плазме, образованной подобными неровностями, могут быть использованы при решении задач спектроскопии поверхностей и диагностики границы раздела проводящих сред.

Л и ч н ы й в к л а д а в т о р а

Работы [166], [115], [60],[ 62], [ 141 ] выполнены соискателем без соавторов.
В работах, выполненных соискателем в соавторстве, его личный вклад состоит:
- в получении выражений для декрементов поверхностных плазменных колебаний в условиях отражения электронов от границы раздела сред [41, 42 , 43, 44];
- в определении механизмов затухания поверхностных колебаний, обусловленных их взаимодействием с волнами Ван Кампена, при прохождении через границу раздела потока заряженных частиц [61,76 , 40];
- в определении выражений для матричных элементов гамильтониана взаимодействия волн и частиц и получении кинетических уравнений, описывающих изменение энергии электромагнитных колебаний в условиях переходного и черенковского излучения [144, 143, 95] ;

- в установлении взаимосвязей между неоднородным распределением потенциала на границе раздела сред и инкрементами пучковых плазменных неустойчивостей [167, 142];
- в определении спектральных характеристик поверхностных электронных состояний на неровной границе проводящих твердых тел [150, 152, 156, 157].
- в получении выражений для инкрементов неустойчивостей магнитоплазменных колебаний при их взаимодействии с потоком заряженных частиц [183,182,171].
- в установлении механизмов влияния периодически неровной границы на спектр энергии переходного излучения потока заряженных частиц [166, 168] .

Апробация результатов работы

Результаты диссертации были представлены на следующих конференциях и симпозиумах:
- II International Kharkov Symposium «Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves», (Ukraine, Kharkov, 1994).

- XX International Conference jn Infrared and Millimiter Waves (Florida, U S A, 1995).

- European Physical Society Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, ( Kiev, Ukraine, 1996 ).

- III International Kharkov Symposium «Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves», (Ukraine, Kharkov, 1998).

- IV International Kharkov Symposium «Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves», (Ukraine, Kharkov,

Список литературы

ВЫВОДЫ

Полученные в данном разделе результаты исследований механизмов взаимодействия заряженных частиц и поверхностных геликонов могут оказаться полезными при решении практических задач радиофизики. Это связано с рядом особенностей этой ветви магнитоплазменных колебаний. Во-первых, эти волны существуют в широком диапазоне частот, независимо от соотношения между частотой сигнала и частотой столкновений носителей заряда в классическом и квантующем магнитных полях. Во-вторых, они имеют относительно малые фазовые скорости и могут взаимодействовать с акустическим колебаниями в полупроводниках, вследствие индукционной связи электронов проводимости и кристаллической решеткой. И, наконец, поскольку компоненты магнитного поля геликона малы по сравнению с электрическим полем, то на границе полупроводника с ферритом возникают, в определенных частотных интервалах, связанные геликон-спиновые поверхностные волны, которые могут быть использованы для фильтрации электромагнитных колебаний.
Кроме того, существование поверхностных геликонов к настоящему времени подтверждено экспериментально. Так, в работе [178] разработаны экспериментальные методики наблюдения медленных поверхностных волн в ограниченных образцах поверхностных волноводах и резонаторах и на свободной поверхности намагниченного полупроводника. Для регистрации поверхностного геликона разработана более точная меандровая методика [180], аналогичная методике встречно - штыревых преобразователей, используемых для возбуждения и приема поверхностных акустоэлектрических волн.
Количественные оценки полученных в данном разделе результатов показывают, что для исследования поверхностных геликонов в качестве активной среды, т.е. среды, где существуют магнитные диполи, может использоваться полупроводник с током, что расширяет возможности их экспериментального обнаружения и использования.

В Ы В О Д Ы

Перечислим основные результаты, полученные в настоящей диссертационной работе, которые составляют основу положений, выносимых на защиту.

1. Квантовая теория бесстолкновительного затухания поверхностных электромагнитных волн плазмы твердого тела в условиях слабой пространственной дисперсии. В её рамках определены структуры электромагнитных полей и механизмы их затухания, связанные с наличием заряженных частиц, в квантовом и классическом приближениях, а также возможности обращения затухания (возникновения неустойчивостей). Она включает следующие положения:
1.1. Результаты анализа дисперсионного соотношения для поверхностных плазмонов с учетом их взаимодействия с электронами проводимости на границе раздела сред. Получено выражения для декремента такого рода колебаний при наличии различных типов потенциального барьера на границе.
1.2. Определение законов дисперсии для поверхностных колебаний на границе плазмоподобной среды при их взаимодействия с электронами в условиях диффузионных процессов. Получено выражение для декремента поверхностных плазмонов в случае максвелловского распределения частиц и для вырожденного электронного газа.
1.3. Решение задачи о бесстолкновительном затухании поверхностных колебаний, обусловленном их взаимодействием с внешним электронным потоком, пересекающем границу раздела плазмы твердого тела. Получено выражение для декремента колебаний и показано, что в классическом приближении механизм бесстокновительного затухания определяется преобразованием поля поверхностного плазмона в волну Ван-Кампена.
1.4. Результаты исследований эволюции возмущений концентрации носителей полуограниченной твердотельной плазмы, в случае, когда её поверхность пересекает поток заряженных частиц. Показано, что если начальные возмущения концентрации электронов локализованы на поверхности, то система относительно них является устойчивой; в случае, когда начальные возмущения носят объемный характер в системе развивается неустойчивость как объемных так и поверхностных колебаний.

2. Теория кинетических неустойчивостей собственных электромагнитных колебаний твердотельных плазмоподобных структур, обусловленных их взаимодействием с потоками заряженных частиц, движущихся по нормали к границе раздела сред. Она включает: определение вероятностей процессов испускания квантов электромагнитного поля и их поглощения зарядами; получение кинетических уравнений, описывающих изменения числа собственных электромагнитных колебаний твердотельных структур в результате взаимодействия такого рода. В её рамках в работе приведены результаты, перечисленные ниже:
2.1. Получено и решено кинетическое уравнение для электростатических колебаний структуры, состоящей из плазменного слоя, окруженного средами с различными электромагнитными свойствами. Получены выражения для декрементов колебаний в зависимости от свойств среды ;определены условия обращения затухания, приведены выражения для инкрементов неустойчивостей в структурах такого рода (МОП, МДП).
2.2. Получено кинетическое уравнение для собственных электромагнитных колебаний двумерного электронного слоя в условиях их взаимодействия с потоком заряженных частиц. Приведено его решение с учетом процессов как прохождения так и отражения частиц от границы раздела, определяющее декременты колебаний. Определены условия обращения затухания и получены выражения для инкрементов неустойчивостей.
2.3. Решение задачи возбуждения поверхностных электромагнитных колебаний твердотельных плазмоподобных структур потоками заряженных частиц в условиях, когда наличие границы устанавливает взаимосвязь между колебаниями и зарядами Показано, что взаимодействие волн и частиц носит детерминированный характер. Получены выражения для инкрементов неустойчивостей колебаний такого рода и установлено как наличие потенциального барьера влияет на их величину.
2.4. Получено кинетическое уравнение для поверхностных электромагнитных колебаний на периодически неровной границе идеальный проводник - вакуум, изменение числа которых обусловлено процессами переходного излучения электронного потока, определены выражения для инкрементов колебаний структур такого рода.
2.5. Определение механизмов нелинейного взаимодействия поверхностных плазмонов и заряженных частиц, пересекающих границу проводящей среды. Установлено, что стабилизация неустойчивости поверхностных колебаний обеспечивается установлением взаимосвязи между их амплитудой и концентрацией носителей на границе.
3. Теоретические исследования гидродинамических пучковых неустойчивостей в твердотельных плазмоподобных структурах. В результате их проведения получены следующие результаты:
3.1. Анализ механизмов неустойчивостей электростатических колебаний структуры, состоящей из плазменного слоя, окруженного средами с различными электромагнитными свойствами. Определены спектры колебаний и приведены выражения для инкрементов неустойчивостей симметричной и антисимметричной мод данной структуры и установлена связь между режимами усиления (затухания) колебаний и фазовыми соотношениями между полем плазмона и электронами пучка на границах раздела сред.
3.2. Результаты исследований взаимодействия электромагнитных колебаний периодически неоднородной плазменной среды (полупроводниковой сверхрешетки) с моноэнергетический потоком заряженных частиц. Показано, что при определенных соотношениях между временем пролета частицей пространственного периода структуры и частотой колебаний, возникают неустойчивые состояния, аналогичные неустойчивости Ахиезера Файнберга; получены выражения для инкрементов неустойчивостей такого рода.

3.3. Решение задачи о резонансном взаимодействии электромагнитных колебаний полупроводниковой сверхрешетки и потока частиц в условиях, когда периодическая структура и электронный поток разделены в пространстве.
3.4. Определен спектр и инкремент неустойчивости поверхностных колебаний при движении потока частиц над границей.

4. Кинетическая теория взаимодействия поверхностных электромагнитных колебаний с источниками электромагнитного излучения, движущихся вдоль границы раздела плазмоподобной среды, которая включает результаты, перечисленные ниже:
4.1. Определение на основе методов вторичного квантования вероятностей процессов излучения и поглощения волн заряженными частицами и получение кинетического уравнения для электростатических колебаний в структуре, содержащей плазменный слой, окруженный средами с различными электромагнитными свойствами. Определение выражений для инкрементов их неустойчивостей и проведение сравнительного анализа возможностей усиление симметричной и антисимметричной мод.
4.2. Получение кинетического уравнения, описывающего изменение числа поверхностных геликонов при их взаимодействии с магнитными диполями, движущихся вдоль постоянного магнитного поля параллельно границе раздела магнитоактивной твердотельной плазмы; выражение для декремента бесстокновительного затухания поверхностных геликонов, обусловленного этим взаимодействием.

5. Теоретические исследования влияния малых неровностей поверхностей твердотельной плазмы на спектральные характеристики заряженных частиц и электромагнитных колебаний.
5.1. Определены спектральные характеристики поверхностных электронных состояний, возникающие на границе проводящих твердых тел с бесконечно высоким потенциальным барьером, малые неровности которой имеют как периодический так и статистический характер.
5.2. Получено и решено дисперсионное уравнение для пространственных гармоник электромагнитного поля на периодически неровной поверхности идеального проводника, граничащего с вакуумом; определены диапазоны полос непропускания колебаний, областей существования поверхностных и объемных колебаний.
5.3. Получен закон дисперсии поверхностных поляритонов в неоднородной плазме, образованной поверхностными электронными состояниями на периодически (статистически) неровной границе твердого тела в условиях, когда масштабы неровностей малы по сравнению с длиной волны. Показано, что неоднородность плазмы приводит к появлению пространственной дисперсии поверхностных электростатических колебаний.

6. Теория переходного излучения электронного потока в открытых излучающих структурах неоднородными границами раздела сред.
6.1. Решение задачи возбуждения пространственных гармоник электромагнитного поля потоком частиц на периодически - неровной границе идеального проводника, которая включает определение кинетического уравнения для поверхностных фотонов и получение выражения для инкремента их неустойчивости.
6.2. Определение особенностей трансформации спектральных характеристик энергии переходного излучения в открытых излучающих структурах, обусловленных наличием потенциального барьера на границе раздела сред. Они включают: появление дополнительных составляющих полей излучения, связанных с процессами прохождения и отражения частиц; локализация интенсивности излучения вблизи границы полупроводников с Р П переходами; появление осцилляций плотности излучения, определяемых шириной потенциального барьера в твердотельных структурах при наличии дефектов.

6.3. Результаты исследований механизмов возбуждения поверхностных электромагнитных колебаний на границе плазмоподобной среды модулированным потоком заряженных частиц. Получено выражение для спектральной плотности энергии переходного излучения и показано, что модуляция на частоте поверхностной волны существенно повышает уровень излучения.

Следует отметить также возможности практического использования полученных результатов.
Изложенные в работе методы возбуждения собственных электромагнитных колебаний ограниченных плазмоподобных структур могут быть непосредственно использованы при разработке и анализе работы активных устройств твердотельной электроники, предназначенных для усиления и генерирования СВЧколебаний. Частоты этих волн имеют широкий диапазон в зависимости от значений плазменной и циклотронной частоты носителей заряда. Однако высокие концентрации и малые эффективные массы электронов и дырок в полупроводниковой плазме приводят к тому, что большинство исследованных эффектов имеют место в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах.
Особого внимания, с точки зрения бесконтактной диагностики твердотельной плазмы, заслуживают рассмотренные в работе механизмы возникновения поверхностных электронных состояний, обеспечивающих появление поверхностных колебаний. Обладая различными условиями существования, сложными дисперсионными характеристиками, определенной поляризацией, эти волны несут обширную информацию о свойствах поверхности и пограничного слоя. Поверхностные волны имеют ряд преимуществ перед объемными: они сравнительно просто возбуждаются, легко контролируются, поддаются воздействию внешних полей и с их помощью возможен эффективный вывод энергии из системы.
Для исследования свойств поверхности, качества её обработки могут быть волны пространственного заряда. Малые неровности границы раздела не служат препятствием для их распространения но оказывают существенное влияние на спектр и поглощение колебаний в потоке заряженных частиц. Рассмотренные в работе механизмы возбуждения поверхностных геликонов могут быть использованы при создании линий задержки с большой длительностью, невзаимных устройств, усилителей и генераторов. Геликоны могут быть использованы в спектроскопии поверхности твердого тела при исследовании тонкопленочных полупроводниковых структур, являющихся основой современной твердотельной электроники.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Электродинамика плазмы. А.И.Ахиезер, И.А.Ахиезер, Р.В. Половин, А.Г.Ситенко, К.Н. Степанов //Под ред. А.И. Ахиезера - М.: Наука.1972.- 720 с.
2. Кадомцев Б.Б. Коллективные явления в плазме.- М.: Наука. 1974.- 240 с.
3. Плазменные и электронные усилители и генераторы СВЧ / Г.А.Бернашевский, Е.В.Богданов, В.Я.Кислов, З.С.Чернов. М.: Советское радио. 1965 - 430 с.
4. Незлин М.В. Динамика пучков в плазме.- М.: Энергоатомиздат. 1982.- 250 с.
5. Плазменная электроника.: Сб. Научн. тр.- К.: Наук думка, 1989, -300 с.
6. Платцман Ф., Вольф П. Волны и взаимодействия в плазме твердого тела. М.: Мир, 1975. 438 с.
7. Файнберг Я.Б. Взаимодействие пучков заряженных частиц с плазмой. //Атомная энергия. -1961 № 4- C. 313 335.
8. Цытович В.Л. Нелинейные эффекты в плазме.-М.: Наука, 1967. - 325 с.
9. Вейман Я ., Вильхельмсон Х. Когерентное нелинейное взаимодействие волн в плазме.- М .:Энергоатомиздат. 1981- 278 с.
10. Стил М., Вюраль Б. Взаимодействие волн в плазме твердого тела. М.: Наука,1976. - 240 с.
11. Канер Э.А., Яковенко В.М. Гидродинамические неустойчивости в твердотельной плазме.// Успехи физических наук - 1975.- № 1. С. 41 72.
12. Пожела Ю.К. Плазма и токовые неустойчивости в полупроводниках.- М.: Наука.- 1977. - 368 с.
13. Владимиров В.В., Волков А.Ф., Мейлихов Е.З. Плазма полупроводников. М.: Наука, 1977. 368 с.
14. Плазменные неустойчивости и нелинейные явления в полупроводниках / Н.Н.Белецкий, А.А. Булгаков, С.И.Ханкина, В.М.Яковенко К.: Наук.думка, 1984. - 192 с.
15. Электромагнитные явления СВЧ диапазона в неоднородных полупроводниковых структурах /Н.Н.Белецкий, В.М.Светличный, Д.Д. Халамейда, В.М. Яковенко. - К.: Наук.думка., 1991. - 216 с.
16. Бразис Р.С. Активные и нелинейные взаимодействия при возбуждении поляритонов плазменного типа в полупроводниках. Литовский физический сборник., 1981.- т.21.-№ 4, - с.73 117.
17. Поверхностные поляритоны Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред.: Сб. научн. трудов под ред Аграновича В.М,Миллса Д.Л.- М.: Наука, 1985. - 526 с .
18. Кондратенко А.Н. Поверхностные и объемные волны в ограниченной плазме. М.: Наука, 1985. 526 с.
19. Дмитрук Н.Л., Литовченко В.Г., Стрижевский В.Л. Поверхностные волны в полупроводниках и диэлектриках. К.: Наук.думка, 1989. 378 с.
20. Аверков Ю.О., Белецкий Н.Н. Поверхностные поляритоны в двухслойной электронной системе, находящейся в сильном магнитном поле //Доповіді НАН України. 1997. - №12. С.76-82.
21. Белецкий Н.Н., Яковенко В.М. Поверхностные магнитоплазменные волны в полупроводниковых структурах //Украинский физический журнал. 1998. - №11. С. 1416 1424.
22. Белецкий Н.Н., Борисенко С.А. Влияние диссипации на свойства поверхностных поляритонов в гетеропереходах Ca AL / AlCaAs в квантующем магнитном поле//Физика твердого тела. - 1999. - т. 41, вып. 4. С. 705 - 711.
23. Попов В.В., Цымбалов Г.М. Влияние толщины подоложки на плазменный резонанс в полупроводниковой структуре с двумерным электронным газом //Письма в журнал технической физики. 1998. - № 9. - С. 70 74.
24. Дряхлушкин В.Ф., Романов Ю.А. Поверхностные плазменные волны в периодических системах// Фурнал технической физики. 1974. т.44,№ 7. с.1410 -1419.
25. Буртыка М.В., Ханкина С.И., Яковенко В.М. Взаимодействие потоков заряженных частиц с электромагнитными колебаниями в неоднородных полупроводниках // Украинский физический журнал. - 1993.- №9. С. 1357 1368.
26. Фалько В.Л., Ханкина С.И., Яковенко В.М. О возбуждении поверхностных волн на границе металл полупроводник //ДАН Украины. 1994. - № 6. - С.72 76.
27. Матов О.Р., Мешков О.Ф., Попов В.В. О спектре плазменных колебаний в структурах с периодически неоднородной двумерной электронной плазмой //Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 1998. - № 9. - C. 988-999.
28. Попов В.В., Таперик Т.В., Цымбалов Г.М. Спектр поляритонных возбуждений двумерной электронной плазмы в магнитном поле //Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики. 1998. - № 3. - С. 200 - 204.
29. Keilmann E. Surface polariton propagation for scanning near-field optical microscopy application // Jorn / of microscopy. - 1999. vol/ 194/ - p. 567 570.
30. Попов В.В., Таперик Т.В. Влияние интерференции в подложке на эффект преобразования поляризации электромагнитной волны при циклотронном резонансе в двумерной электронной системе // Письма в ЖЭТФ. 2000. т.26- вып.18. С.17 -23.
31. Фалько В.Л., Ханкина С.И., Яковенко В.М. Поверхностные магнитоплазменные волны в ферромагнитном полупроводнике и их возбуждение магнитным диполем // Физика и техника полупроводников. 2000. т.34,№6. С. 707 -711.
32. Novicov I.V., Maradudin A.A. Channel polaritons // Physical Rev. 2000. B 66 № 035403, P. 11 13.
33. Виноградов Е.А. Поляритоны полупроводниковой микрополости // Успехи физических наук. 2002. т.172, №12. С.1371 1414.
34. Фурс А.Н., Барковский Л.М. Поверхностные электромагнитные волны в фарадеевских средах // Журнал технической физики. 2003.т.73.,вып.4.- С.9 -13.
35. Беснятых Ю.И., Дикштейн И.Е., Урмаков Д.И. Поверхностные поляритоны на границе раздела композитных сред, обладающих дисперсией диэлектрической и магнитной проницаемости // Радиотехника и электроника. 2003. т.48, №4. С.448 458.
36. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1982. - 620 с.
37. Halevi P. Polariton modes at the interface between two conducting or dielectric media// Surface Sci. 1978. v/76,№1. P. 64 -76.
38. Романов Ю.А. Электромагнитные волны в полуограниченной плазме //Известия ВУЗов. Радиофизика. 1964. т.7№2. С. 242 250.
39. Александров А.Ф., Богданкевич Л.С., Рухадзе А.А. Колебания и волны в плазменных средах - М.: Изд-во Московского университета, 1990. 272 с.
40. ЯковенкоВ.М., Яковенко И.В. О бесстолкновительном затухании поверхностных плазмонов // Физика плазмы . - 1999. Т.25. № 6. С. 558 561 .
41. Фалько В.Л., Ханкина С.И., Яковенко В.М., Яковенко И.В. Бесстолкновительное затухание поверхностных колебаний в плазмоподобных средах / / Зарубежная радилоэлектроника . 2001. - № 7. С .54 79.
42. ЯковенкоВ.М., Яковенко И.В. Бесстолкновительное затухание поверхностных колебаний и возможности его обращения в плазмоподобных средах // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1998. Т. XLI, № 6, - C.735 745.
43. ЯковенкоВ.М., Яковенко И.В. Взаимодействие поверхностных плазмонов с электронами при их отражении от границы раздела сред // ДАН Украины. 1993. N 3. С.91 94.
44. Yakovenko V.M., Yakovenko I.V. Interaction of surface plasmons with charge carriers at media interface // Physics Letters A 196 1994. - P. 290 294.
45. Гинзбург В.Л., Франк И.М. Излучение равномерно движущегося электрона, возникающего при его переходе из одной среды в другую// Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 1946. - т.16. вып. 1. - С.15 27.
46. Басс Ф.Г., Яковенко В.М. Теория излучения заряда, проходящего через электрически неоднородную среду // Успехи физических наук. 1965. Т.86, вып.4 С.189 230.
47. Гинзбург В.Л., Цытович В.Н. Переходное излучение и переходное рассеяние. М.: Наука, 1984. 360 с.
48. Болотовский Б.М., Галстьян Е.А. Дифракция и дифракционное излучение //Успехи физических наук. 2000. - Т.170, - №8. С. 209-230.
49. Галстьян Е.А. Излучение заряженной нити при косом пролете мимо проводящей полуплоскости //Доклады РАН.- 1999. - Т.366, - С. 616.
50. Залюбовский И.И., Бизюков Ю.А., Муратов В.И., Федорченко В.Д. Переходное излучение когерентных электронных сгустков //Доповіді НАН України. - 2000. - №10. - С. 66-70.
51. Балакирев В.А., Онищенко И.Н., Сидоренко Д.Ю., Сотников Д.В. Широкополосное излучение релятивистского электронного сгустка в полубесконечном волноводе // Журнал технической физики. 2002. т.72,№2. С. 88 85.
52. Рotylitsyn A.P. Transition radiation and diffraction radiation. Sumilaries and differences // Nucl. Instrum. Methods Phys.Res. 1998. - v. 145, - P. 67.
53. Rule D.W., Fiorto R.B., Kimura W.D. Noninterceptive beam dignostics based on diffraction radiation // A I P Conf.Proc. 1997. v.590. P.510.
54. Fiorito R.B., Rule D.W. Diffraction radiation diagnostics for moderate to hight energy beam // Proc.of the 4. Int. Symp. On Radiation From Relativic Electrons. 1999. v.155. P.67.
55. Mkrthyan A.R. Coherent diffraction radiation from an electron bunch //Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 1998. v.56., - P.69.
56. Анісімов І.О., Любич К.І. Перехідне випромінювання як засіб діагностики плазмових утворень // Український фізичний журнал. 1997. Т.42, №8. С. 959 966.
57. Anisimov I.O., Kovalyov Y.E. Transitional Radiation of the Stripped Modulated lectron Beam That Falls Odliquely on Plasma Borded // Jornal of Thermical Physics. - 1999. - V.40, №1. - P. 341-344.
58. Анісімов І.О., Котляров І.Ю., Левицкий С.М., Опанасенко О.В. Дослідження просвітлення плазмових утворень за допомогою електронних пучків //Український фізичний журнал. - 1996.- Т.41, №2. C.164 170.
59. Эйдман В.Я. Излучение поверхностной волны зарядом, проходящим границу раздела двух серед // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1965. т.8, №1. С. 188 190.
60. Яковенко И.В. Затухание поверхностных плазмонов при взаимодействии с потоком заряженных частиц . // Доповіді НАН України - 1998. - № 8. - С.96 100.
61. Яковенко В.М., Яковенко И.В. Нелинейное взаимодействие поверхностных плазмонов с потоком заряженных частиц, проходящих через границу. // Доповіді НАН України . 2000. - № 1 С.70 74.
62. Яковенко И.В. Взаимодействие потоков заряженных частиц с поверхностными колебаниями в неоднородных плазменных средах. // Радиофизика и электроника . 1999. Т.4, №2 С. 86 90 .
63. Кадомцев Б.Б. Гидродинамическая неустойчивость плазмы. - М.: Атомиздат,1963, - 176 с.
64. Pierce P. Possible fluctuation in electron streams due to ions // Jor. Appl. Phys. - 1948. v.19, №3. P.231-236.
65. Ахиезер А.И., Файнберг Я.Б. О взаимодействии пучка заряженных частиц с электронной плазмой // Доклады АН СССР. 1949. - Т.69, №4. - С. 555-556.
66. Bohm D., Gross E.P. Theory of plasma oscillation. Excitation and damping of оscillation. // Physical Rev. 1949. - V.75. - №12. - P.1864-1876.
67.Силин В.П., Рухадзе А.А. Электромагнитные свойства плазмы и плазмоподобных сред. М.: Атомиздат, 1961. 315 с.
68. Михайловский А.Б. Теория плазменных неустойчивостей. М.: Атомиздат, 1970. Т.1, - 295 с.
69. Шапиро В.Д. Проблемы физики плазмы. К.: Наук.думка, 1972. 257 с.
70. Бриггс Р. Достижения физики плазмы. М.: Мир, 1974.- 132 с.
71. Поттер Д. Вычислительные методы в физике. М.:Мир, 1972 - 230 с.
72.Кузелев М.В., Рухадзе А.А. Вынужденное излучение сильноточных релятивистских электронных пучков // Успехи физических наук. 1987. т.152. в.2. С. 285 316.
73. Кузелев М.В., Рухадзе А.А. Электродинамика плотных электронных пучков в плазме. М.: Наука, 1970. 336 с.
74. Бобылев Ю.В., Кузелев М.В., Рухадзе А.А. Нелинейная теория резонансного пучково-плазменного взаимодействия. Нерелятивистский случай // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2000. т.118. вып. 1 (7), - С.105 118.
75. Кадомцев Б.Б., Михайловский А.Б., Тимофеев А.В. Волны с отрицательной энергией в диспергирующих средах // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1964. Т.47, в.6. С. 2266 2268.
76. Яковенко В.М., Яковенко И.В. Электростатические колебания в плазмоподобных структурах содержащих потоки заряженных частиц.// Радиофизика и радиоастрономия. 1999. Т.4, № 4. С.376 387 .
77. Файнберг Я.Б., Хижняк Н.А. Потери энергии заряженной частицей при прохождении через слоистый диэлектрик // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1957. Т.32, вып.4. С.883-895.
78. Болотовский Б.М. Теория эффекта Вавилова- Черенкова. // Успехи физических наук. 1957. Т.62,в.3. С.201 240.
79. Ахиезер А.И., Ситенко А.Г. О колебаниях электронной плазмы во внешнем электрическом поле // Журнал экспериментальной и теоретической физики . 1956. Т.30..№ 1. С.216 218.
80. Yakovenko V.M. The oscillatory electric instability accompanying the motion charged particles in layed media // Solid State Communication. 1981. - v.39.,N7. - P.847 848.
81. Cоколов А.А., Тернов И.М.. Жуковский В.Г. Квантовая механика. М.: Наука., 1979. 638 с.
82. Шик А.Я. Сверхрешетки периодические полупроводниковые структуры // Физика твердого тела. 1974. Т.8.,№ 10. С 1841 1864.
83. Элаши Ш. Волны в активных и пассивных слоистых структурах // Труды института инженеров по электротехнике и радиотехнике. 1976 Т.64, №12. С. 22 29.
84. Булгаков А.А., Еременко З.Е. Распространение медленных электромагнитных волн в слоисто-периодической диэлектрической среде. // Оптика и спектроскопия . - 1989. - т.66, в.5. - С.1094-1098.
85. Булгаков А.А., Москаленко В.В., Королев В.Д. Распространение сверхмедленных волн вдоль границы металл - периодическая среда.// Украинский физический журнал - 1993 - т. 38, №1. -С.78-84.
86. Булгаков А.А., Кутузов В.В., Кондрашин С.К. Экспериментальное исследование замедляющих свойств полупроводниковых замедляющих структур . // ДАН Украины - 1994. - № 7 - С.76-79.
87. Ханкина С.И., Яковенко В.М. Неустойчивость электрокинетических волн в регулярно неоднородных средах. // Украинский физический журнал. 1982. Т.7 , вып.1. - С. 138 - 140.
88. Фалько В.Л., Ханкина С.И., Яковенко В.М. Поверхностные волны в сверхрешетке и их возбуждение потоком заряженных частиц // Радиофизика и радиоастрономия. 1996. Т.1, № 1. С. 43 48.
89. Булгаков А.А., МоскаленкоВ.В. Неустойчивость поверхностных поляритонов в классической полупроводниковой сверхрешетке // Физика и техника полупроводников. 1996.- Т.30, № 1 С.31- 40.
90. Булгаков О.О., Москаленко В.В. Дисперсійні властивості та локалізація енергіі у активних напівпровідникових надгратах // Український фізичний журнал. 1997. Т.42., №4 C.487 -490.
91. Bass F.G., Bulgakov A.A. Kinetic and Eltctrodynamic Phenomena in Classical and Quantum Semicjnductor Supperlattices. New York., Nova Science Publisher Inc. 1997. 498 p.
92. Булгаков А.А. Нелинейное взаимодействие волн в слоистых оптических системах // Радиотехника. 1999. №110. С.25 - 36.
93. Андронов А.Д., Милешкина Н.В., Остроумова Е.В. Транспотр в сверхрешетках со слабыми барьерами и проблемы терагерцевого блоховского генератора // Физика и техника полупроводников. 2003. Т.37,№3. С.378 -382.
94. Романов Ю.А. О дифференциальной провордимости сверхрешеток // Физика твердого тела. 2003. Т.45,№3. С.529 532.
95. Яковенко В.М., Яковенко И.В. О резонансном взаимодействии плазменных колеб