Спосіб передачі інформації через плазмовий утвір

Реферат: Спосіб передачі інформації через плазмовий утвір, що включає вплив на область плазмового утвору перед передавальною антеною НВЧ випромінюванням, що несе радіосигнал, при цьому поперечний розмір хвильового пучка вибирають одного порядку з довжиною хвилі НВЧ випромінювання. Амплітуду напруженості E електричного поля у хвильовому пучку з релятивістськими швидкостями електронів вибирають з умови: Cm , E e де - кругова частота хвильового пучка, C - швидкість світла, m , e - маса й заряд електрона відповідно. UA 94957 U (54) СПОСІБ ПЕРЕДАЧІ ІНФОРМАЦІЇ ЧЕРЕЗ ПЛАЗМОВИЙ УТВІР UA 94957 U UA 94957 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Пропонована корисна модель належить до радіотехніки й може бути використана для забезпечення зв'язку з літальними апаратами, що спускаються в щільні шари іоносфери й атмосферу. Відомі способи передачі інформації через плазму [1, 2, 3, 4, 5], що використовують проникаюче випромінювання, модульовані електронні пучки, потужні електростатичні й магнітні поля, створювані перед випромінювачем, що й змінюють властивості й параметри плазми. Недоліками цих способів є низька надійність передачі інформації, а енерговитрати більшими, особливо для висот польоту менш 80 кілометрів. Відомий спосіб передачі інформації [6], заснований на зміні термодинамічних параметрів плазми шляхом уведення усередину плазми речовин з високою температурою фазового переходу або речовини з електронегативною спорідненістю до електронів. Недоліком цього способу є більші енерговитрати на його реалізацію. Відомий спосіб передачі інформації, опублікований у роботі [7]. Відомий спосіб заснований на зменшенні щільності плазми при її опроміненні НВЧ сигналом, що дозволяє радіосигналу пройти через ослаблений плазмовий фронт ударної хвилі з порівняно малими втратами. Недоліками відомого способу є сильна залежність ефективності передачі інформації від висоти польоту літального апарата, тобто зменшення випромінюваної потужності радіосигналу, більші енерговитрати й припинення передачі інформації вже на висоті менш 45…40 кілометрів. Найбільш близьким по своїй технічній суті є спосіб передачі інформації, опублікований у роботі [7]. Відомий спосіб заснований на зменшенні щільності плазми при її опроміненні НВЧ сигналом, що дозволяє радіосигналу пройти через ослаблений плазмовий фронт ударної хвилі з порівняно малими втратами. Основними операціями способу є опромінення плазми НВЧ хвилею й випромінювання радіосигналу в область НВЧ впливу. З метою зменшення енерговитрат на забезпечення передачі інформації НВЧ вплив здійснюється на обмежену область плазми ударної хвилі, рівної один по одному величини довжині хвилі радіосигналу. Обоє процеси й опромінення ділянки плазми ударної хвилі, і випромінювання радіосигналу здійснюють безупинно. Для нагрівання плазми НВЧ впливом використовують окремий генератор, установлений на літальному апарату. Недоліками відомого способу є інтенсивне поглинання електромагнітної хвилі за рахунок скинової глибини проникнення електромагнітної хвилі й більших частот зіткнення електронів з нейтральними атомами, інтенсивне відбиття електромагнітної хвилі від плазми. Ці причини приводять до того, що більш 90 % інтенсивності електромагнітної хвилі поглинається плазмою й лише дуже мала її частка проникає через плазму. Зазначені недоліки обумовлені наступними причинами. У плазмі поряд з процесами збільшення концентрації зарядів відбувається і їх зменшення (рекомбінація, "прилипання") [8]. У стаціонарному стані для термодинамічно рівноважної плазми рівноважне значення зарядів можна визначити по формулі Саха [9]. Величина концентрації зарядів може бути змінена шляхом зміни швидкості протікання одного із процесів. Таким шляхом зменшення концентрації зарядів і є інтенсифікація процесу "прилипання". У звичайних умовах у плазмі швидкість цього процесу мала [10]. Однак інтенсивність утвору негативних іонів зростає при безперервному НВЧ нагріванні плазми, коли відбувається збільшення швидкості часток, числа їх зіткнень [11]. Для того, щоб нагрівання сприяло зменшенню концентрацій вільних електронів n, необхідне виконання наступних умов [12]: E2 PE ; U E св  Ui . 8 Умова Pt PE означає, що енергія електронів у полі з напруженістю Е повинна бути не менше теплової енергії часток у необуреної плазми з температурою Т. Однак при цьому отримана енергія електрона U на довжині вільного пробігу св не повинна бути більше енергії Pt 45 50 55 nkT іонізації Ui . А якщо ні, то нагрів плазми буде супроводжуватися її додатковою іонізацією [13]. Тому таке випромінювання буде обов'язково малопотужним. Так як склад плазми різнорідний, то ефективність захвата вільних електронів виявляється невисокою. Це пов'язано з залежністю плину процесу "прилипання" не тільки від температури газу, але й від його складу [14]. Тому передача інформації через плазму на висотах польоту літальних апаратів нижче 80 кілометрів неможлива. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалити спосіб передачі інформації через плазму шляхом створення релятивістських швидкостей руху електронів, що дозволяє зменшити поглинання електромагнітної хвилі за рахунок скинової глибини проникнення електромагнітної хвилі в плазму й більших частот зіткнення електронів з нейтральними атомами, знизити відбиття електромагнітної хвилі від плазми. 1 UA 94957 U 5 10 15 20 25 30 Поставлена задача вирішується тим, що в способі передачі інформації через плазмовий утвір, що включає вплив на область плазмового утвору перед передавальною антеною НВЧ випромінюванням, що несе радіосигнал, при цьому поперечний розмір хвильового пучка вибирають одного порядку з довжиною хвилі НВЧ випромінювання, амплітуду напруженості Е електричного поля у хвильовому пучку з релятивістськими швидкостями електронів вибирають з умови: Cm , E e де - кругова частота хвильового пучка, C - швидкість світла, m , e - маса й заряд електрона відповідно. Таким чином, вибір амплітуди напруженості Е електричного поля у хвильовому пучку, достатньої для осциляції електронів в області поширення хвильового пучка з релятивістськими швидкостями, з умови: Cm E e дозволяє значно зменшити поглинання електромагнітної хвилі за рахунок скинової глибини її проникнення в плазмовий утвір і більших частот зіткнення електронів з нейтральними атомами плазми, знизити відбиття електромагнітної хвилі від плазми. Суть корисної моделі пояснюється ілюстрацією, на якій представлена структурна схема одного із пристроїв, що реалізують запропонований спосіб. Пристрій містить літальний апарат 1, плазму ударної хвилі 2, яка утворюється при його вході в щільні шари іоносфери й атмосферу, передавач 3 з передавальною антеною 4, установлених на літальному апараті 1. Передавальна антена 4 випромінює хвильовий пучок 5. Робота пристрою відбувається в такий спосіб. При вході апарата 1 у щільні шари іоносфери й атмосферу перед ним утворюється плазма ударної хвилі 2. При включенні передавача 3 передавальна антена 4, з'єднана з передавачем 3, випромінює хвильовий пучок 5, що несе інформацію, з енергією, при якій електрони плазми 2 набувають у ньому релятивістські швидкості, електромагнітна хвиля проникає крізь плазмовий бар'єр і поширюється у вільному просторі. Покажемо одержання позитивного ефекту за допомогою запропонованого способу. Розглянемо нормальне падіння тривимірного вісесиметричного хвильового пучка великої енергії (електрони плазми здобувають у ньому релятивістські швидкості) на плазму з лінійним профілем щільності n: Z , L n n0 1 35 де n0 - початкова щільність плазми, L - характерний розмір неоднорідності середовища, Z - координата. Будемо виходити з стандартного хвильового рівняння для комплексної амплітуди електричного поля в пучку [15, 16]: 2 p 2 2 E де 40 2 p 1 C2 E 0, (2) - кругова частота хвильового пучка, C - швидкість світла, 2 e 1 e2E2 1/ 2 - ленгмюрівська частота електронів, m 2C 2 Шукаємо розв'язок рівняння (2) у вигляді: E 45 (1) A Z, r K0 KZ e 4 ne 2 . m 1/ 2 exp i K Z dZ . (3) Припустимо, що в поздовжнє хвильове число K(Z) включені доданки як з лінійної, так і з нелінійною частиною діелектричної проникності. Якщо а - характерний поперечний розмір 2 UA 94957 U хвильового пучка, то за умови K Z a  1 рівняння (2) можна досліджувати методами геометричної оптики. Вважаючи розподіл поля в пучку гауссовим A 0 r 2 / a2f 2 A e ƒ і відкидаючи доданки порядку 1/ K 2 Z a2 для приосьової області, одержимо: 5 d2 ƒ d dƒ ln K Z dZ dZ dZ 2 K2 Z C2 K 2 Z a4 ƒ3 2 e 2 2 1 2 4 1 2 1 K0 1 K Z ƒ2 1/ 2 де f - безрозмірна ширина пучка, 2 10 2 1 , 1 3/2 K0 KZ e ƒ3 a2 K0 KZ 2 e K 2 Z C2 ; (4) 4 ne 2 , m (5) 2 eA 0 / m 2C2 - релятивістський параметр. У випадку слабкого релятивізму 2  1 (що спостерігається в прототипі)рівняння (3) і (4) описують "швидке" самофокусування хвильового пучка й за формою збігаються з добре дослідженими нерелятивістськими рівняннями, отриманими для середовища з кубічною нелінійністю [15, 16]. Досліджуємо рівняння (4) і (5) у межі сильного релятивізму 1 . У цьому випадку K Z Ko й, зневажаючи дифракційним членом (4), для фокусної відстані одержимо F a a , тобто наближення параболічності не порушене. 1/ 2 e 15 За фокусом пучок переходить у квазіканалірований режим з ƒ 4 2/3 1/ 3, a a (6) 1. Довжина каналу визначається вираженням: l 2/3 a 2/3 (7) L L. 20 Розглянемо механізм поглинання енергії пучка. У каналірованих ділянках враховуючи наведену вище довжину цих ділянок, одержимо: Q 1 exp 25 30 C L a L e  , 2/3 2/3 , (8) звідки видно, що в релятивістському випадку в каналірованих ділянках частка поглиненої в них енергії Q за рахунок зіткнень у випадку const перевищує зіткнене поглинання для нерелятивістського випадку. В області фокуса поглинання на зіткненнях мало, однак там може розвиватися параметрична нестійкість. Слід урахувати, що вирішальним фактором для розвитку цих нестійкостей буде релятивістська залежність маси електрона від амплітуди хвилі накачування [17, 18]. Третій механізм дисипації - трансформація енергії пучка в плазмові хвилі на стрибку щільності в області, де діелектрична проникність близька до нуля. Однак розрахунки показують, що поглинання енергії хвильового пучка не перевищує 60 %, тобто більш 40 % енергії хвильового пучка свідомо проникає через плазму, поширюючись у 3 UA 94957 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 вільному просторі й забезпечуючи передачу інформації. Отже, вибраний нами механізм передачі інформації через плазму можна використовувати при спуску літальних апаратів у щільні шари іоносфери й атмосферу. Оцінимо величину напруженості електричного поля, яку необхідно створювати у хвильовому пучку, щоб останній пройшов через плазму. Зміна осциляторної швидкості6 V eE , t m звідси визначимо, що eE . V m При 0 V C. Для довжини електромагнітної хвилі, що несе інформацію λ = 10 см, розрахуємо напруженість електричного поля Е: Cm ; E 2 C/ . 2 ƒ ; ƒ C/ ; e Тоді C2m2 9 10 2010 276,28 10 3 СГС або E 105 В/см. e 510 1010 Таку напруженість електричного поля створити легко. А якщо врахувати ще й самофокусування хвильового пучка при проходженні через плазму, то напруженість електричного поля буде ще менше. З проведеної оцінки добре видне, що напруженість електричного поля зменшується з збільшенням довжини хвилі хвильового пучка. Таким чином, використовуючи релятивістські ефекти, можна забезпечити передачу інформації з літального апарата, що спускається з гіперзвуковою швидкістю в атмосфері при висотах польоту менш 80. Джерела інформації: 1. Тейлор К. / Зарубежная радиоэлектроника, 1962. - № 2. - С. 76. 2. Авторское свидетельство № 79605, СССР. 3. Патент США№ 3296531, кл. 325-65. 4. Хабер Л. / Зарубежная радиоэлектроника, 1965. - № 11. 5. Патент США № 3300721, кл. 325-65. 6. Райбек Д. / Вопросы ракетной техники, 1972. - № 9. - С. 3. 7. Радиотехнические системы в ракетной технике. Под ред. В.И. Галкина, М.: Воениздат, 1974. - С. 281-282, с. 282-287 - прототип. 8. Энгель Д. Ионизованные газы. - М.: ФМ, 1959. - С. 161. 9. Ландау Л.Д. Лившиц Е.М. Статистическая физика. - М.: ФМ, 1964. - С. 383. 10. Фогель Я.М. // Ж Э Т Ф, 1959. - Т. 36. - № 5. - С. 1354. 11. Мак-Тагарт. / Плазмохимические реакции в электрических разрядах. - М.: Атомиздат, 1972. 12. Месси Г., Бархоп Е. Электронные и ионные столкновения. М.: ИЛ, 1958. - С. 543. 13. Сборник "СВЧ-энергетика". - М.: Наука, 1971. - Т. - С. 155, 163. 14. Браун С. Элементарные процессы в плазме газового разряда. М.: Атомиздат, 1961. - С. 164. 15. Ерохин Н.С., Моисеев С.С., Мухин В.В. и др. // Письма вЖЭТФ, 1981. - Т. 33. - С. 451. 16. Ерохин Н.С., Сагдеев Р.З. // Ж Э Т, 1982. - Т. 83. - С. 128. 17. Берхоер А.Л., Захаров Б.Е. // ЖЭТФ, 1970. - Т. 58. - С. 903. 18. Цинцадзе Н.Л. // ЖЭТФ, 1970. - Т. 59. - С. 1251. 19. Bach D.R. // Preprint LА-UR-83-552, 1983. E ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 Спосіб передачі інформації через плазмовий утвір, що включає вплив на область плазмового утвору перед передавальною антеною НВЧ випромінюванням, що несе радіосигнал, при цьому поперечний розмір хвильового пучка вибирають одного порядку з довжиною хвилі НВЧ випромінювання, який відрізняється тим, що амплітуду напруженості E електричного поля у хвильовому пучку з релятивістськими швидкостями електронів вибирають з умови: 4 UA 94957 U Cm , e де - кругова частота хвильового пучка, C - швидкість світла, m , e - маса й заряд електрона відповідно. E Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5