Социо - эколого -экономический анализ воздействия СВЧ-излучений на окружающую среду и технологии изготовления диодов ганна

Связь.

Радиоволны СВЧ-диапазона  широко применяются в технике  связи. Кроме различных радиосистем  военного назначения, во всех странах  мира имеются многочисленные коммерческие линии СВЧ-связи. Поскольку такие  радиоволны не следуют за кривизной  земной поверхности, а распространяются по прямой, эти линии связи, как  правило, состоят из ретрансляционных станций, установленных на вершинах холмов или на радиобашнях с интервалами  ок. 50 км. Параболические или рупорные антенны, смонтированные на башнях, принимают  и передают дальше СВЧ-сигналы. На каждой станции перед ретрансляцией  сигнал усиливается электронным  усилителем. Поскольку СВЧ-излучение  допускает узконаправленные прием  и передачу, для передачи не требуется больших затрат электроэнергии.

Хотя система башен, антенн, приемников и передатчиков может  показаться весьма дорогостоящей, в  конечном счете все это с лихвой окупается благодаря большой  информационной емкости СВЧ-каналов  связи. Города Соединенных Штатов соединены  между собой сложной сетью  более чем из 4000 ретрансляционных СВЧ-звеньев, образующих систему связи, которая простирается от одного океанского побережья до другого. Каналы этой сети способны пропускать тысячи телефонных разговоров и многочисленные телевизионные  программы одновременно.

Спутники связи.

Система ретрансляционных радиобашен, необходимая для передачи СВЧ-излучения  на большие расстояния, может быть построена, конечно, только на суше. Для  межконтинентальной же связи требуется  иной способ ретрансляции. Здесь на помощь приходят связные искусственные  спутники Земли; выведенные на геостационарную  орбиту, они могут выполнять функции  ретрансляционных станций СВЧ-связи.

 

 

Электронное устройство, называемое активно-ретрансляционным ИСЗ, принимает, усиливает и ретранслирует СВЧ-сигналы, передаваемые наземными станциями. Первые экспериментальные ИСЗ такого типа («Телстар», «Релэй» и «Синком») успешно осуществляли уже в начале 1960-х годов ретрансляцию телевизионного вещания с одного континента на другой. На основе этого опыта были разработаны  коммерческие спутники межконтинентальной и внутренней связи. Спутники последней  межконтинентальной серии «Интелсат» были выведены в различные точки  геостационарной орбиты таким образом, что зоны их охвата, перекрываясь, обеспечивают обслуживание абонентов во всем мире. Каждый спутник серии «Интелсат» последних модификаций предоставляет  клиентам тысячи каналов высококачественной связи для одновременной передачи телефонных, телевизионных, факсимильных сигналов и цифровых данных.

Научные исследования.

СВЧ-излучение сыграло  важную роль в исследованиях электронных  свойств твердых тел. Когда такое  тело оказывается в магнитном  поле, свободные электроны в нем  начинают вращаться вокруг магнитных  силовых линий в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного поля. Частота  вращения, называемая циклотронной, прямо  пропорциональна напряженности  магнитного поля и обратно пропорциональна  эффективной массе электрона. (Эффективная  масса определяет ускорение электрона  под воздействием какой-либо силы в  кристалле. Она отличается от массы  свободного электрона, которой определяется ускорение электрона под действием  какой-либо силы в вакууме. Различие обусловлено наличием сил притяжения и отталкивания, с которыми действуют  на электрон в кристалле окружающие атомы и другие электроны.) Если на твердое тело, находящееся в магнитном  поле, падает излучение СВЧ-диапазона, то это излучение сильно поглощается, когда его частота равна циклотронной частоте электрона. Данное явление  называется циклотронным резонансом; оно позволяет измерить эффективную  массу электрона. Такие измерения  дали много ценной информации об электронных  свойствах полупроводников, металлов и металлоидов.

Излучение СВЧ-диапазона  играет важную роль также в исследованиях  космического пространства. Астрономы  многое узнали о нашей Галактике, исследуя излучение с длиной волны 21 см, испускаемое газообразным водородом  в межзвездном пространстве. Теперь можно измерять скорость и определять направление движения рукавов Галактики, а также расположение и плотность  областей газообразного водорода в  космосе.

 

Термообработка  пищевых продуктов.

СВЧ-излучение применяется  для термообработки пищевых продуктов  в домашних условиях и в пищевой  промышленности. Энергия, генерируемая мощными электронными лампами, может  быть сконцентрирована в малом объеме для высокоэффективной тепловой обработки продуктов в т.н. микроволновых  или СВЧ-печах, отличающихся чистотой, бесшумностью и компактностью. Такие  устройства применяются на самолетных бортовых кухнях, в железнодорожных  вагонах-ресторанах и торговых автоматах, где требуются быстрые подготовка продуктов и приготовление блюд. Промышленность выпускает также  СВЧ-печи бытового назначения.

Медицина.

СВЧ - излучение используется так же при создании различных  медицинских приборов микроволновой  рефлексотерапии. Их действие направлено на коррекцию физиологических состояний  организма человека путем направленного  локализованного воздействия на рецепторные поля, рефлексогенные зоны  низкоинтенсивным ( менее 10 мВт/см²) электромагнитным излучением крайне высоких частот (КВЧ). Подобная методика используется в ряде медицинских случаев: на ранних восстановительных периодах после вирусных гепатитов, в комплексной терапии ишемических состояний конечностей, в лечении аллергодерматозов и т.д.

1.3. Источники СВЧ  – излучения

К источникам СВЧ – излучения  относятся : магнетрон, клистрон, плоские вакуумные триоды, генератор на диоде Ганна.

Магнетрон.

В магнетроне, изобретенном в Великобритании перед Второй мировой  войной, эти недостатки отсутствуют, поскольку за основу взят совершенно иной подход к генерации СВЧ-излучения  – принцип объемного резонатора. Подобно тому как у органной трубы  данного размера имеются собственные  акустические резонансные частоты, так и у объемного резонатора имеются собственные электромагнитные резонансы. Стенки резонатора действуют  как индуктивность, а пространство между ними – как емкость некой  резонансной цепи. Таким образом, объемный резонатор подобен параллельному  резонансному контуру низкочастотного  генератора с отдельными конденсатором  и катушкой индуктивности. Размеры  объемного резонатора выбираются, конечно, так, чтобы данному сочетанию емкости и индуктивности соответствовала нужная резонансная сверхвысокая частота.

В магнетроне предусмотрено  несколько объемных резонаторов, симметрично  расположенных вокруг катода, находящегося в центре. Прибор помещают между  полюсами сильного магнита. При этом электроны, испускаемые катодом, под  действием магнитного поля вынуждены  двигаться по круговым траекториям. Их скорость такова, что они в  строго определенное время пересекают на периферии открытые пазы резонаторов. При этом они отдают свою кинетическую энергию, возбуждая колебания в  резонаторах. Затем электроны возвращаются на катод, и процесс повторяется. Благодаря такому устройству время  пролета и межэлектродные емкости  не мешают генерации СВЧ-энергии.

Магнетроны могут быть сделаны большого размера, и тогда  они дают мощные импульсы СВЧ-энергии. Но у магнетрона имеются свои недостатки. Например, резонаторы для очень высоких  частот становятся столь малыми, что  их трудно изготавливать, а сам такой  магнетрон из-за своих малых размеров не может быть достаточно мощным. Кроме  того, для магнетрона нужен тяжелый  магнит, причем требуемая масса магнита  возрастает с увеличением мощности прибора. Поэтому для самолетных бортовых установок мощные магнетроны не подходят.

Клистрон.

Для этого электровакуумного  прибора, основанного на несколько  ином принципе, не требуется внешнее  магнитное поле. В клистроне электроны  движутся по прямой от катода к отражательной  пластине, а затем обратно. При  этом они пересекают открытый зазор  объемного резонатора в форме  бублика. Управляющая сетка и  сетки резонатора группируют электроны  в отдельные «сгустки», так что  электроны пересекают зазор резонатора только в определенные моменты времени. Промежутки между сгустками согласованы  с резонансной частотой резонатора таким образом, что кинетическая энергия электронов передается резонатору, вследствие чего в нем устанавливаются  мощные электромагнитные колебания. Этот процесс можно сравнить с ритмичным  раскачиванием первоначально неподвижных  качелей.

 

 

 

Первые клистроны были довольно маломощными приборами, но позднее они побили все рекорды  магнетронов как СВЧ-генераторов  большой мощности. Были созданы клистроны, выдававшие до 10 млн. ватт мощности в  импульсе и до 100 тыс. ватт в непрерывном  режиме. Система клистронов исследовательского линейного ускорителя частиц выдает 50 млн. ватт СВЧ-мощности в импульсе.

Клистроны могут работать на частотах до 120 млрд. герц; однако при  этом их выходная мощность, как правило, не превышает одного ватта. Разрабатываются  варианты конструкции клистрона, рассчитанного  на большие выходные мощности в миллиметровом  диапазоне.

Клистроны могут также  служить усилителями СВЧ-сигналов. Для этого нужно входной сигнал подавать на сетки объемного резонатора, и тогда плотность электронных  сгустков будет изменяться в соответствии с этим сигналом.

Лампа бегущей  волны (ЛБВ).

Еще один электровакуумный прибор для генерации и усиления электромагнитных волн СВЧ-диапазона  – лампа бегущей волны. Она  представляет собой тонкую откачанную трубку, вставляемую в фокусирующую магнитную катушку. Внутри трубки имеется  замедляющая проволочная спираль. Вдоль оси спирали проходит электронный  луч, а по самой спирали бежит  волна усиливаемого сигнала. Диаметр, длина и шаг спирали, а также  скорость электронов подобраны таким  образом, что электроны отдают часть  своей кинетической энергии бегущей  волне.

Радиоволны распространяются со скоростью света, тогда как  скорость электронов в луче значительно  меньше. Однако, поскольку СВЧ-сигнал вынужден идти по спирали, скорость его  продвижения вдоль оси трубки близка к скорости электронного луча. Поэтому бегущая волна достаточно долго взаимодействует с электронами  и усиливается, поглощая их энергию.

Если на лампу не подается внешний сигнал, то усиливается случайный  электрический шум на некоторой  резонансной частоте и ЛБВ  бегущей волны работает как СВЧ-генератор, а не усилитель.

Выходная мощность ЛБВ  значительно меньше, чем у магнетронов  и клистронов на той же частоте. Однако ЛБВ допускают настройку в  необычайно широком частотном диапазоне  и могут служить очень чувствительными  малошумящими усилителями. Такое сочетание  свойств делает ЛБВ очень ценным прибором СВЧ-техники.

Плоские вакуумные  триоды.

Хотя клистроны и магнетроны более предпочтительны как СВЧ-генераторы, благодаря усовершенствованиям  в какой-то мере восстановлена важная роль вакуумных триодов, особенно в  качестве усилителей на частотах до 3 млрд. герц.

Трудности, связанные с  временем пролета, устранены благодаря  очень малым расстояниям между  электродами. Нежелательные межэлектродные емкости сведены к минимуму, поскольку  электроды сделаны сетчатыми, а  все внешние соединения выполняются  на больших кольцах, находящихся  вне лампы. Как и принято в  СВЧ-технике, применен объемный резонатор. Резонатор плотно охватывает лампу, и кольцевые соединители обеспечивают контакт по всей окружности резонатора.[1]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3.1 Диоды  Ганна

В этой работе более подробно будет рассмотрен диод Ганна и  процесс его изготовления.

Диод Ганна- это полупроводниковый  диод, действие которого основано на появлении  отрицательного объемного сопротивления  под действием сильного электрического поля, предназначенный для генерирования  и усиления СВЧ колебаний.

Упрощенная модель диода  Ганна представляет однородный полупроводниковый  кристалл со сформированными на противоположных  гранях омическими контактами. При  подведении внешнего напряжения один из контактов является катодом, другой- анодом.

 l

 

 

При невысокой температуре  и слабом электрическом поле подавляющее  большинство электронов находится  в нижней долине.

 

 

Зонная диаграмма  GaAs

При увеличении электрического поля кинетическая энергия электронов возрастает, увеличиваясь более чем  на 0,36 эВ ( при напряженности поля выше пороговой  Е _пор= 3,2 кВ/см). Вследствие этого начинается процесс интенсивного заселения верхней долины. В ней электроны приобретают большую эффективную массу m^*, и поэтому их подвижность падает. Дальнейшее увеличение электрического поля до напряженности, равной напряженности насыщения E_нас около 20 кВ/см, заставляет перейти все электроны в верхнюю долину, так как подвижность при Е>Е_нас остается постоянной величиной. Дрейфовая скорость при дальнейшем повышении электрического поля увеличивается пропорционально напряженности поля.

В промежуточной области  значений напряженности поля                         при  Е_пор< Е <Е_нас одна чать электронов заселяет нижнюю долину, другая-верхнюю. В этой области при увеличении напряженности поля падает плотность электрического тока, протекающего через образец. Таким образом, падающему участку в промежуточной области значений  Е_пор< Е <Е_нас соответствует отрицательная дифференциальная удельная проводимость полупроводника.

 

 

 

 

 

 

В объеме полупроводника с  отрицательной дифференциальной проводимостью  происходят следующие процессы: электроны  стараются не восстанавливать термодинамическое  равновесие при подаче внешнего смещения, а переходить в верхнюю долину. И если в полупроводнике присутствует неоднородность, то вблизи ее создаются  условия повышения напряженности  поля по значению выше Е_пор, соответственно уменьшается и скорость электронов на данном участке, что приводит к накоплению вблизи неоднородности объемного заряда. Накопление заряда приводит к формированию в ранее однородном образце области сильного электрического поля- так называемого домена. При образовании домена падение приложенного к образцу напряжения происходит в основном на домене, а значение поля вне домена становится ниже порогового, поэтому в полупроводниковом образце с одним уровнем легирования еще один домен образоваться не может. Понижение поля вне домена приводит к уменьшению скорости носителей тока, а следовательно, и к уменьшению тока через образец.