Статьи

Дан обзор новых наиболее интересных результатов, представленных на юбилейной L Международной Звенигородской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, состоявшейся с 20 по 24 марта 2023 года в г. Звенигород Московской области. Проведен анализ достижений в основных направлениях раз-вития исследований в области физики плазмы в России и их сравнение с работами за рубежом.

Произведено численное моделирование трёхфазного повышающего выпрямителя с коррекцией коэффициента мощности для магнитоэлектрического генератора в составе летательного аппарата. Посредством расчётной модели в программе LTSpice показано влияние параметров силовой цепи и цепи управления на режим работы повышающего преобразователя. Для рассматриваемых параметров первичной цепи определены оптимальные параметры цепи управления, позволяющие достичь максимизации коэффициента мощности при заданном уровне напряжения на нагрузке.

Проведено исследование вольт-фарадных характеристик (ВФХ) структур металл–диэлектрик–полупроводник (МДП), изготовленных на пластинах монокристаллического антимонида индия, вырезанных по плоскостям (211) и (100) из слитка, выращенного в направлении [211], и по плоскости (100) из слитка, выращенного в направлении [100] . МДП-структуры были двух типов – с анодным окисным слоем и с защитной диэлектрической композицией – с дополнительным слоем SiOx. Измерения проводились при многократных прямых (начиная от нулевого смещения на полевом электроде) и обратных «проходах» со скоростью изменения напряжения смещения 500 мВ/с при температуре жидкого азота. Анализ результатов «проходов» позволил определить знак и значения эффективного поверхностного заряда в исходном состоянии и после каждого прямого «прохода», когда обнаруживаются дополнительные заряды двух видов: устойчивые и неустойчивые. Знак этих зарядов противоположен полярности напряжения на полевом электроде. Устойчивые заряды неизменны в течение всего времени охлаждения и «стекают» только при «отогреве» МДП-структуры. Неустойчивые «стекают» уже при закорачивании охлажденной МДП-структуры.

Показано, что значения всех видов поверхностного заряда в МДП-структурах с защитной диэлектрической композицией, а следовательно и концентрации ловушек, являются минимальными в случае пластин, вырезанных по плоскости (100) из слитков, выращенных в направлении [100].

Для задачи дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в коротковолновом инфракрасном (ИК) диапазоне спектра наиболее перспективны матричные и многорядные фотоприемные модули коротковолнового инфракрасного (ИК) диапазона спектра на основе гетероэпитаксиальных структур материалов тройного раствора кадмий-ртуть-теллур (КРТ, HgCdTe) и тройного раствора индий-галлий-арсенид (InGaAs), чувствительные в спектральном диапазоне от 1 до 2,5 мкм. Анализируются возможные архитектуры фоточувствительных элементов, обеспечивающие пониженные темновые токи и шумы.

Рассматриваются пути совершенствования и исследуются темновые токи и параметры гетероструктур n-on-p-типа на основе HgCdTe в широком температурном диапазоне, а также параметры барьерных структур р+-B-n-N+-типа на основе InGaAs.

Проведён расчёт и сделан анализ влияния термомеханического состояния конструкционных элементов датчика плотности плазмы (ДПП) на динамику изменения параметров резонатора при воздействии тепловых потоков круговой солнечно-синхронной орбиты (ССО) в условиях длительной эксплуатации. Из результатов анализа следует, что по квазипериодическому закону (КПЗ) синхронно во времени при движении наноспутника на орбите изменяются температурное поле; относительные смещения конструктивных элементов зондов ДПП в поперечном и продольном направлениях в результате термоупругих деформаций. По результатам расчета деформаций в модельном приближении двухпроводной линии была определена относительная чувствительность (1,19810-3–2,11510-3) резонатора, которая пропорциональна сдвигу резонансной частоты. Установлено на основе расчёта, что сдвиг резонансной частоты аналогично изменяется по КПЗ как в сторону меньших -311,93 кГц, так и больших частот 550,597 кГц относительно резонанс-ной частоты при отсутствии воздействия тепловых потоков за время пяти вит-ков обращения наноспутника вокруг Земли. В этом диапазоне частот вычислялись значения диэлектрической проницаемости, плотности электронной плазмы.

Исследована возможность измерения электронной плотности плазмы в моменты времени, когда резонансный сдвиг равен нулю. Определена допустимая пятипроцентная область электронной плотности плазмы, в которой резонансный сдвиг незначительно влияет на возможность точного измерения плотности плазмы.

В другие моменты времени сдвиг резонансной частоты приводит к изменению диэлектрической проницаемости плазмы, и в результате точность измерений плотности плазмы будет снижаться. Относительная чувствительность ДПП является важной характеристикой для получения достоверных результатов измерений плотности плазмы при необходимой относительной чувствительность датчика должна составлять  (10-4–10-5).

Исследуется задача о распространении тепла от нестационарного точечного источника, расположенного внутри или снаружи плоскослоистой теплопроводящей среды. Нестационарная задача приводится к задаче о гармоническом точечном источнике тепла, для которой обобщается метод отражения. Развитый метод отражений для точечного гармонического источника обобщается на случай произвольной системы источников и применяется для решения задач нестационарной теплопроводности плоскослоистых сред с осесимметричными источниками тепла сложной формы.

Фотоупругий эффект обсуждается в контексте демодуляции амплитудно-модулированного сигнала. Разработана физико-математическая интерпретация физических процессов формирования сигнала на выходе демодулятора. Доказано, что при согласовании параметров полезного сигнала с параметрами взаимодействующих оптической и упругой волн сигнал на выходе фотодетектора повторяет форму сообщения во входном амплитудно-модулированном сигнале. Это утверждение обсуждается в полосе частот ниже частоты среза, которая формируется диаметром считывающего светового пучка и скоростью распространения упругой волны в фотоупругой среде. Описаны теоретические и экспериментальные методы определения частоты среза акустооптического амплитудного демодулятора.

Лазерный ионный источник является универсальным плазменным источником для получения широкого спектра многозарядных ионов. Для получения ионов газа применяются мишени, химический состав которых содержит атомы газа. В результате испарения мишени сфокусированным лазерным лучом происходит скачок давления в вакуумной камере. Давление атомов газа зависит от массы испаренного вещества, частоты повторения лазерных импульсов, химического состава мишеней, объема вакуумной камеры, скорости откачки насоса. Приведены оценки давлений в вакуумной камере в одиночном и в периодическом режимах работы лазера с частотой 1–10 Гц для плотности мощности 1011–1012 Вт/см2. При работе лазера с частотой 1 Гц давление в вакуумной камере находится на уровне остаточного давления в вакуумной камере 210-6 Па. С увеличением частоты происходит рост минимального давления, так как вакуумный насос не успевает производить откачивание атомов газа до следующего лазерного импульса. При частоте 10 Гц минимальное давление в вакуумной камере увеличивается на несколько порядков. Приведена схема вакуумной системы лазерного ионного источника на основе турбомолекулярных насосов со скоростью откачки 700 л/с.

Выполнен анализ правомерности использования упрощенной методики экспериментальной оценки статической температурно-частотной характеристики (ТЧХ) современных несканирующих тепловизионных приборов, работающих в контрастно-ограниченном режиме, в котором их эффективность лимитируется предельной контрастной чувствительностью зрительного аппарата оператора. Методика основана на обнаружении провала в изображении двух смежных полос стандартной четырехполосной тепловой миры, расположенной в оптимальной фазе относительно структуры матричного фотоприемника, когда глубина этого провала максимальна. Установлена взаимосвязь данной характеристики с динамической ТЧХ, наиболее точно определяющей возможности приборов при обнаружении и распознавании объектов, измеряемой при поперечном движении поля зрения прибора относительно миры. Сформулированы практические рекомендации по пересчету измеренной статической ТЧХ к динамической.

Выполнен анализ правомерности использования упрощенной методики экспериментальной оценки статической температурно-частотной характеристики (ТЧХ) современных несканирующих тепловизионных приборов, работающих в контрастно-ограниченном режиме, в котором их эффективность лимитируется предельной контрастной чувствительностью зрительного аппарата оператора. Методика основана на обнаружении провала в изображении двух смежных полос стандартной четырехполосной тепловой миры, расположенной в оптимальной фазе относительно структуры матричного фотоприемника, когда глубина этого провала максимальна. Установлена взаимосвязь данной характеристики с динамической ТЧХ, наиболее точно определяющей возможности приборов при обнаружении и распознавании объектов, измеряемой при поперечном движении поля зрения прибора относительно миры. Сформулированы практические рекомендации по пересчету измеренной статической ТЧХ к динамической.

Выполнен анализ правомерности использования упрощенной методики экспериментальной оценки статической температурно-частотной характеристики (ТЧХ) современных несканирующих тепловизионных приборов, работающих в контрастно-ограниченном режиме, в котором их эффективность лимитируется предельной контрастной чувствительностью зрительного аппарата оператора. Методика основана на обнаружении провала в изображении двух смежных полос стандартной четырехполосной тепловой миры, расположенной в оптимальной фазе относительно структуры матричного фотоприемника, когда глубина этого провала максимальна. Установлена взаимосвязь данной характеристики с динамической ТЧХ, наиболее точно определяющей возможности приборов при обнаружении и распознавании объектов, измеряемой при поперечном движении поля зрения прибора относительно миры. Сформулированы практические рекомендации по пересчету измеренной статической ТЧХ к динамической.

Представлен результат анализа, на основе литературного обзора: структуры, оптических и электронных свойств Mg2Si в объемном и низкоразмерном состояниях. Проведено сравнение свойств силицида магния в низкоразмерном состоянии со свойствами материалов, широко используемых в оптоэлектронике: GaAs, Si и Ge. Проанализированы современные методы формирования тонких пленок Mg2Si.

Из литературных данных установлено, что в условиях термодинамического равновесия объемный Mg2Si имеет гранецентрированную кубическую решетку, а низко-размерный – 2/3 -R30о. Благодаря своим оптическим и электронным свойствам тонкопленочный Mg2Si является перспективным материалом для оптоэлектронных устройств. Так, он обладает коэффициентом поглощения падающего света, максимальное значение которого по современным данным составляет 96 %. Диапазон фоточувствительности Mg2Si лежит в диапазоне от 200 до 2100 нм. Также из обзора было определено, что данный силицид является непрямозонным полупроводником: ширина запрещенной зоны которого находится в диапазоне от 0,6 до 0,8 эВ. В то же время наблюдаются прямые переходы, соответствующие энергии от 0,83 до 2,17 эВ. Подвижность электронов Mg2Si в низкоразмерном состоянии составляет от 400 до 550 см2В−1с−1, а дырок – от 65 до 70 см2В−1с−1. Из рассмотренных данных установлено, что эффективность фотоэлектрического преобразования, для соединений на основе кремния с магнием, с оптимальной толщиной и примесным легированием, может достигать 10–12 % для p–n и n–p (Si/Mg2Si) и 22 % для p–n–p (Si/Mg2Si/Si) структур. По таким параметрам, как диапазон фоточувствительности и ширина запрещенной зоны, значения которых приведены выше, Mg2Si в низко-размерном состоянии превосходит GaAs, Si и Ge, а поэтому может считаться перспективным материалом для оптоэлектроники.