Алматы 2015 Almaty
Обсуждениеполученногорешения
жүктеу/скачать 20,3 Mb. Pdf көрінісі
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Жартылай шексіз коаксиалды жүйеде симметриялы ТМ толқындардың сәуле шығаруын есептеу Түйіндеме.
- Түйін сөздер
- The Electromagnetic Excitation of Symmetrical Transversal Magnetic Waves in the Semiinfinite Coaxial Waveguide System Summary.
- Key words
- ПОЛУЧЕНИЕ ГРАФЕНА В АТМОСФЕРЕ ПАРОВ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ И ИЗУЧЕНИЕ ЕГО СВОЙСТВ Аннотация.
- Ключевые слова
4. Обсуждениеполученногорешения Решение задачи о возбуждении полей в полубесконечной коаксиальной линии в открытом пространстве может быть получено с помощью предельного перехода при а 2 →∞ в выражениях (27) и (28). При этом суммирование по дискретному спектру волн заменяется на интегрирование по непрерывному спектру. Выражение (27) преобразуется к виду 0 0
iτ + 1 -1 1 + + 0 0 0 1 1 iτ - 2 0 (d , ) h (0,b э) ˆ F (w) = - L (w) dw ,
0, H (vd ) = (d , ) (d , )
(w-w ) В силу того, что функция Ханкеля первого рода 1 0
имеет точки ветвления при w= k, интеграл вычисляем методом перевала, проведя разрез по точкам Imv=0 в комплексной плоскости w. Разбиение на фактор-множители функции + F (w) ,задаваемой формулой (28), производится тем же способом (6). Задача о возбуждении полей в системе (рис.1,б) имеет также единственное решение, так как суммарный и частный индексы задачи Римана равны нулю. Задача о дифракции волноводной гармоники на разрыве полубесконечного волновода решена в(4) методом ВХФ; там же указано на возможность решения этой задачи путем сведения ее к краевой задаче Римана. Решение, полученное в /4/
, является частным случаем формулы (28) и соответствует учету лишь одной падающей парциальной волны. В работе /6/ найдено решение системы парных интегральных уравнений ВХФ, к которой сводится задача о возбуждении электромагнитного поля в полубесконечной волноводной системе. Решение получено путем исследования аналитических свойств подынтегральных функций и выделения их особых точек (модифицированный метод ВХФ) с учетом требований, накладываемых на поведение ФК полей и токов в комплексной плоскости w. Система парных интегральных уравнений ВХФ, рассмотренная в /6/ ;
В силу обратимости преобразования Фурье краевая задача Римана эквивалентна исходной системе уравнений ВХФ. Нетрудно показать что решение, полученное в /6/
, является частным случаем решения, задаваемого формулами (27-28): расчет фактор-множителей и функций ψ (w)
связанных с различной пространственной локализацией излучателей в случае одного полубесконечного волновода приводит к решению, совпадающему с результатами работ /6/
. Отметим, что возбуждение симметричных волн движущимися зарядами и диполями в волноводных системах с одним разрывом граничных условий рассматривалось в работах /7/
. Приведенные в /7/ решения совпадают лишь с одним из решений, полученных методом краевой задачи Римана (формула(27)). Они соответствуют полям, возбуждаемым в системе движущимся источником до пролета им разрыва волновода. 879 Поля, возбуждаемые в волноводной системе после пролета источником разрыва границ, задаются формулой (28). Произведем расчет излучения кольцевого модулированного сгустка зарядов, движущегося вдоль оси zсо скоростью βc(β ><0), в области z<0 (рис. 1,а). В этом случае выражение для стороннего поля ḟ(w,k)преобразуется к виду 2 2
0 0 0 0 2 1 0 2 2 exp{-iz (k-γk ) - [(k-γk ) (2γβα) ]} (b , a ) (0, d ) 2π i
f(w,k) =
c {[iγ (k-βw) - k ] -ε} (0, a )
(0, d )
где 2 ln 2
α = l , l - длина сгустка в собственной системе, 1 2
γ = (1 - β ) - релятивистский фактор, 0 0 ω = k c - в собственной системе координат; 2 2
0 0 w = k - v - частота модуляции сгустка, 0 0 0 0 k = γ (k + βw ), w = γ (w - βk ) Численные расчеты среднихпо времени величин
плотностипотока энергии S
и плотности энергии рассеянного поля W показывают(рис.2), чтоимеет место инверсия прямогопотока z S (β 0) , при 1,5 . При γ 2 излучение в областьz< 0 практически отсутствует ( S
с ростом γ уменьшается по закону -2 γ
). Расчетыпроводились с использованием пакета программ, написанных на языке Фортран.
Рис.2. Зависимость плотности энергии и плотности потока энергии излучения от скорости движения сгустка.
z S β 2 - прямой поток энергии z S β 3 - плотность энергии поля в волновой зоне.
ЛИТЕРАТУРА 1. Валитов Р.А. и др. Пондеромоторное действие электромагнитного поля. "Советское радио", М., 1975. 2. Павлов В.С.,Уразаков Э.И., Лобанова В.П. ЖТФ, 1978, т.48, с.334. 3. А. Шестопалов В.П. Метод задачи Римана-Гильберта в теории дифракции и распространения электромагнитных волн. Изд-во ХГУ, Харьков, 1971. 4. Вайнштейн Л.А. Теория дифракции и метод факторизации. "Советское радио", М., 1966. 5. Гахов Ф.Д., Черский Ю.И. Уравнения типа свертки. "Наука", М., 1978. 6. Игушкин Л.П., Уразаков Э.И. Цилиндрические электромагнитные поля и плазменные сгустки. И ЗД - ВО НИИЯФ МГУ, М.,1969, ч.1-3. 7. Галстьян Е.А., Воскресенский Г.В. ЖТФ, 1978, т.А8, N'2, с.210. 8. Мусхелишвили Н.И. Сингулярные интегральные уравнения. "Наука", М., 1968. 9. Гохберг И.Ц., Крейн М.Г. УМН, 1958, т. 13, вып.2, с.3. 10.Гахов Ф.Д. Краевые задачи. "Наука", М., 1977.
Еркеғұлов А.Ш. Жартылай шексіз коаксиалды жүйеде симметриялы ТМ толқындардың сәуле шығаруын есептеу Түйіндеме. Риманның шекаралық есеп әдісі бойынша жартылай шексіз коаксиалды жүйедегі электромагнитті толқынның сәуле шығаруы есептелінді. Қозу көзі жүйе осі бойымен релятивисттік жылдамдықпен қозғалатын айнымалы тоққа ие зарядтардың сақиналы жиынтығы болып табылады. Есептеу нәтижелерін Винер-Хопф-Фок әдісі арқылы алынған нәтижелерімен салыстыру сараптамасы жүргізіледі. Түйін сөздер: коаксиал жүйе, волновод, азимуталды ток, үдеткіш тракт, фурье- компоненті.
880 Irkegulov A.Sh. The Electromagnetic Excitation of Symmetrical Transversal Magnetic Waves in the Semiinfinite Coaxial Waveguide System Summary. The radiation of electromagnetic waves in the semi- infinite waveguide coaxial system is calculated by the solution of the boundary value Riemann problem. The excitation source is a ring bunch moving along the axis with relativistic velocity. The solution of the system of integral equations obtained from the boundary value problem is found by expanding the matrix kernel in projective operators. The energy density and energy flux density are calculated by means of the computer. The results obtained are compared with those found by the Wiener-Hopf-Fock method. Key words:coaxial system, waveguide, azimuthal current, accelerating channel, Furie - component
УДК 539.216; 539.2; 538.91-405 Мырзахметова А.А. 2 , Рябикин Ю.А 1 ., Байтимбетова Б.А. 3 , Бектурсын Б. 3 1 Физико-технический институт, 2 №173 лицей, 3 Казахский национальный технический университет им. К.И.Сатпаева, г. Алматы, Республика Казахстан
УГЛЕВОДОРОДОВ И ИЗУЧЕНИЕ ЕГО СВОЙСТВ Аннотация. Графеновые структуры получены при реактивном магнетронном распылении с графитовым катодом в парах нафталина, одного из представителей широкого класса ароматических углеводородов. Углеродная сетка молекулярной структуры ароматических углеводородов совпадет с графеновой углеродной сеткой. Приводится методика получения графена и результаты исследований структурных его особенностей методами спектроскопии комбинационного рассеяния света, электронного парамагнитного резонанса и атомно- силовой микроскопии. Методом рамановской спектроскопии обнаружены пики графена с колебательной модой (2D-зона) при частоте ~2728 см -1 . Результаты исследований с помощью атомно-силовой микроскопии, подтверждают образование графена и углеродных нанотрубок. При изучении спектра ЭПР углеродной пленки на подложке из стекла было установлено, что спектр состоит из одной довольно интенсивной линии, характерной для графена. Кроме того имеется вклад в ЭПР линию от нанотрубок.
технологиях. Космонавтика является одной из наиболее перспективных и масштабных областей применения нанотехнологий и наноматериалов. В ближайшие годы нанотехнологии и разнообразные наноматериалы будут все шире использоваться при создании новых образцов космической техники, что значительно изменит подходы к конструированию космических аппаратов (КА) и сыграет огромную роль в осуществлении крупномасштабных космических проектов первой половины XXI столетия. Одним из направлений таких разработок может стать создание углеродных нанотрубок (УНТ) в качестве космического лифта [1-3]. Косми́ ческий лифт — концепция инженерного сооружения для безракетного запуска грузов в космос. В качестве такого материала планируют использовать углеродные нанотрубки, состоящие из свернутых листов графена (материала из углерода, имеющего толщину в одну молекулу). Графен обладает рядом интересных свойств, позволяющих рассматривать его как потенциально перспективный материал для наноэлектроники, оптоэлектроники и некоторых других применений [4-9]. Главной проблемой, затрудняющей и делающей невозможной практическую реализацию идеи космического лифта, до последнего времени являлась недостаточная механическая прочность материала для монорельса. При использовании стального троса при его диаметре на уровне Земли в 1 см, на уровне спутника этот трос должен обладать диаметром в несколько сот километров. Это означает, что сталь и прочие привычные нам материалы непригодны для строительства лифта. Известно, что углеродные нанотрубки обладают достаточно высокой прочностью и решение проблемы создания космического лифта сейчас связывают именно с этим материалом. Однослойные углеродные нанотрубки прочнее стали в 100 раз и теоретически в несколько раз прочнее, чем необходимо для постройки лифта. Исследователи из NASA предложили использовать не нить, а ленту, толщина которой не будет превышать нескольких десятков микрон. При этом нет необходимости делать всю ленту длиной 100 тысяч километров из цельных нанотрубок. Отдельные
881 фракции, состоящие из нанотрубок длиной до 2 см, будут иметь такую же прочность разрыва, как и длинные. Лента, как предполагается, будет представлять собой полимерную структуру с включениями нанотрубок. К настоящему времени уже создана ткань, состоящая из нанотрубок длиной 1 м и шириной 5 см. Как и ожидалось, лента обладает высокой прочностью и ее структура приведена на рис.1.
Рисунок 1- Лента из нанотрубок и нанотрубка, покрытая белками-маркерами
Плазменные технологии играют огромную роль в деле получения нанопродукции. Существенной составной частью плазменной нанотехнологии является магнетронная технология создания углеродных пленок [6]. В работе рассматривается новая методика получения графеновых структур, входящих в состав углеродных пленок, образующихся при магнетронном распылении графита и воздействий на возгоняемые пары ароматических углеводородов [10]. В ряде известных традиционных методов получения тонкопленочных углеродных структур магнетронным распылением, предусматривается напуск газа, например метана, через систему натекателя с газопроводом от баллона с газом в рабочую камеру вакуумной установки, где, при смешивание с газом аргона, создается благоприятная среда для синтеза этих материалов. Особенностью предлагаемого метода получения графеновых структур является использование твердых ароматических углеводородов, например нафталина, фенантрена, антрацена и др. с близким сродством структур к графену. В этом способе ароматический углеводород, нафталин, размещается непосредственно внутри рабочей вакуумной камеры, пары которого и служат реактивным газом при магнетронном разряде. Катодом служит графитовый диск, отделенный от водяной камеры охлаждения алюминиевой фольгой, для предотвращения просачивания охлаждающей воды через поры графитового катода. Нафталин (С 10 Н 8 ) - это ароматическое соединение, с плоским углеродным скелетом, в котором все 10 атомов углерода находятся в состоянии sp 2 -гибридизации с валентными углами 120 0 , сопряжение охватывает 2 цикла, число электронов, участвующих в сопряжении равно 10 (4 2+2=10- электронов, сопряжено 5 -связей). Молекулярная структура этого ароматического углеводорода состоит из двух бензольных колец, окруженных атомами водорода, которые при магнетронном разряде освобождаются и уносятся системой вакуумной откачки, а остовы этих молекулярных структур аналогичны графеновым ячейкам. В зависимости от природы подложек осаждение углерода происходит с разной интенсивностью с образованием графена и других углеродных структур. Аналогов данному методу получения наноструктурных углеродных материалов не обнаружено и на него был получен патент [10]. Как наиболее доступный и дешевый из ароматических веществ был выбран нафталин. В эксперименте кусочек нафталина помещается внутрь (на дно) вакуумной камеры, исходное давление в которой составляло 5·10 -5 Торр. Для веществ с большими скоростями испарения предусматривается пенал с отверстием, для выхода дозированных паров испаряемого материала. Диаметр этого отверстия согласуется со скоростями возгоняемых веществ. При наличии на дне камеры нескольких граммов нафталина давление в камере составляло 5·10 -3
Торр, после напуска аргона давление уменьшалось до 6·10 -2 Торр. При этих условиях возбуждался 882 магнетронный разряд при напряжении 200-300В и токе 150мА. В качестве подложек использовались стекло, кварц, алюминиевая пластина, нержавеющая сталь Х18Н10Т и др. Напыление проводилось от 30 минут до трех часов. В результате формировались углеродные пленки, содержащие графеновые структуры, нанотрубки и др. Для детального изучения морфологии поверхности применялся метод сканирующей зондовой атомно-силовой микроскопии (АСМ). В данной части работы получены изображения поверхности нержавеющей стали и тонких слоев углерода на ней [10]. Более благоприятные условия для образования графена нанотрубок имеются на подложке из нержавеющей стали в связи с наличием в ней железа. Железо в данном случае является катализатором для формирования графеновых лент и других углеродных наноструктур. Из этого следует, что длина графеновых лент больше 5 мк [10]. Эффективной методикой для определения наличия графеновых структур является спектроскопия комбинационного рассеяния света. Известно, что по форме и интенсивности пиков однозначно определяется количество слоев графена в образце, а также некоторые структурные его параметры [11-13]. Рамановские спектры получались с помощью MT-MDT Ntegra Spectra при комнатной температуре. Спектры возбуждались полупроводниковым лазером (λ=473 нм). Результаты рамановской спектроскопии изученных нами образцов приведены в таблице 1. В образцах наблюдаются G полосы в области 1350 и 1593 см -1 , которые обусловлены углеродными нанотрубками. Полоса D в области 2500-2900см -1 обусловлена лентами графена. Можно ожидать, что такие длинные ленты найдут широкое применение в наноэлектронике. В таблице в последней колонки представлена отношение интенсивности 2D полосы графеновых структур к интенсивности графитовой G полосы. Были сняты также КРС спектры углеродной пленки, полученных на подложках из стекла и алюминия.
Таблица 1 Параметры рамановских спектров углеродных пленок, полученных в магнетронном разряде с нафталином
№
D-линия G-линия
2D-линия I 2D /I G
ω, см -1 Ширина на полувысоте, см -1 ω,
см -1
Ширина на полувысоте, см -1
ω, см -1 Ширина на полувысоте, см -1 1 Стекло 1341 80
1580 32
2797 250
- 2 Алюминиева я пластина 1332
76 1579
28 2795
279 0,57
3 Нержавеюща я сталь Х18Н10Т
1363 13
1579 15
2728 50
0,68
Анализ рамановских спектров углеродных пленок показывает, что интенсивность линий графеновых структур существенным образом зависит от природы подложки. Спектры углеродной пленки на стекле и алюминии имеют сравнительно слабую интенсивность по сравлению с большой интенсивностью на подложке из нержавеющей стали. Это связано с тем, что в составе нержавеющей стали имеется железо, которое играют роль катализатора образования графеновых структур. В наших экспериментах при изучении интенсивности сигнала ЭПР неспаренных электронов от времени напылении наблюдается изменение интенсивности при некоторых условиях. Здесь приведены некоторые результаты изучения углеродных пленок
методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Изучение спектра ЭПР образца, проводилось в зависимости от угла между плоскостью подложки относительно направления магнитного поля путем вращения образца. Спектры последовательно снимались при фиксированных углах вращения: 0 0 , 30
0 , 60
0 и 90
0 . Было установлено, что ширина линии, амплитуда сигнала ЭПР и g-фактор линии меняется при этом незначительно. Это свидетельствует о том, что полученная углеродная пленка в основном имеет аморфную природу. Обычно углеродные пленки имеют довольно сложный структурный состав. В основном в него входят графены и графеноподобные образования, нанотрубки различных параметров, графиты разнообразной организации и их окислы.
883 При изучении спектра ЭПР образца было установлено, что он (рисунок 4) в основном состоит из одной довольно интенсивной линии с g-фактором равным g=2,00414 ÷ 2,00416. Такое значение g- фактора спектра ЭПР характерно для графена рис.2. При анализе линии ЭПР было установлено, что на прямой, соединяющей экстремумы спектра имеется небольшой изгиб, обусловленный вкладом в суммарную линию линии с другим g-фактором. В зависимости от угла вращения g-фактор этой линии изменяется от 2,00214 до 2,00244. Такие величины g-фактора характерны для некоторых форм графита, а их зависимость от угла вращения свидетельствует о некоторой степени кристалличности графита, входящего в состав углеродной пленки. Количество графита в пленке не велико и составляет 7-10% от количества графена.
Рисунок 2 – Спектр ЭПР углеродных пленок, полученных в магнетронном разряде с нафталином на подложке из стекла. Время напыления 2 часа 40 минут
В углеродной пленке при небольшом времени напылении из анализа ЭПР спектра (рисунок 3) установлена, что помимо графена образуются еще углеродные нанотрубки (g=2,0037). Причем они образуются примерно в равных количествах графеном. Графитовые состояния при этом составляют порядка 10% от их общего количества. Ширина линии ЭПР углеродной пленки на стекле в этом случае получается больше (ΔH=16,4э), чем в первом случае приготовления углеродной пленки. Возможно, это уширение объясняется диполь-дипольным взаимодействием между графенами и нанотрубками. Амплитуда сигнала от углеродной пленки, нанесенной на алюминий, в 3 раза меньше чем на стекле, а ширина линии составляет 8 и 3э. На спектре наблюдаются изгибы, позволяющие выделить вклады в суммарную линию от графенов, нанотрубок и графитов в соотношении 2:3:1,4.
Рисунок 3 – Спектр ЭПР углеродных пленок, полученных в магнетронном разряде с нафталином на подложке из стекла. Время напыления 2 часа
Спектр ЭПР от углеродной пленки на подложке из никеля обнаружить не удалось на фоне сильного сигнала ферромагнитного резонанса (ФМР) от никеля.
жүктеу/скачать 20,3 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|