Взаимодействие поля релятивистских электронов с метаматериалами в миллиметровом диапазоне длин волн
Стр.
Введение …………………………………………………………………………………………………………… 4
ГЛАВА 1 Описание экспериментальной установки …………………………………………. 11
1.1 Ускоритель …………………………………………………………………………………………. 11
1.2 Детекторы электромагнитного излучения миллиметрового диапазона…. 14
1.3 Оборудование для спектральных измерений ……………………………………….. 17
1.4 Система сбора и обработки информации …………………………………………….. 19
ГЛАВА 2 Спектрально-угловые характеристики излучения в метаматериалах с
отрицательным показателем преломления ……………………………………………………….. 21
2.1 Свойства метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления
………………………………………………………………………………………………………………… 22
2.2 Экстракция материальных параметров из коэффициентов отражения и
пропускания …………………………………………………………………………………………….. 23
2.3 Выбор элементарной ячейки метаматериала для проведения
экспериментов на выведенном пучке микротрона в миллиметровом
диапазоне длин волн ………………………………………………………………………………… 24
2.4 Испытание мишеней на пучке реальных фотонов ……………………………….. 29
2.5 Спектрально-угловые характеристики излучения релятивистских
электронов в метаматериалах …………………………………………………………………… 35
2.6 Обсуждение результатов главы …………………………………………………………… 41
ГЛАВА 3 Когерентное излучение сгустков релятивистских электронов в
присутствии периодических проволочных структур ………………………………………… 43
3.1 Свойства проволочного метаматериала……………………………………………….. 43
3.2 Когерентное излучение релятивистских электронов от плоской
проволочной структуры……………………………………………………………………………. 44
3.2.1 Излучение пучка релятивистских электронов, движущегося вблизи
плоской проволочной структуры ………………………………………………………….. 45
3.2.2 Излучение пучка релятивистских электронов, пролетающих сквозь
плоскую проволочную структуру …………………………………………………………. 47
3.3 Излучение Вавилова – Черенкова от объемной проволочной структуры 49
3.4 Обсуждение результатов главы …………………………………………………………… 52
Заключение …………………………………………………………………………………………………….. 54
Список литературы …………………………………………………………………………………………. 55
Исследования, связанные с созданием и изучением свойств метаматериалов,
получили бурное развитие в конце XX – начале XXI века. Метаматериалами
называют искусственно сформированные и особым образом структурированные
среды, обладающие электромагнитными свойствами сложно достижимыми
технологически, либо не встречающимися в природе. Огромный интерес,
проявляемый к данной области до настоящего момента времени, обусловлен
уникальными физическими свойствами рассматриваемых материалов, которые
предоставляют возможности для реализации ряда перспективных приложений.
Важным условием, определяющим принадлежность структуры к
метаматериалам, является условие d (где d – характерные размеры и
расстояния между элементами структуры, – длина волны падающего
излучения), т.е. длина волны падающего на структуру излучения должна быть
много больше характерных размеров элементов структуры. Структуры, для
которых данное условие не выполняется, являются фотонными кристаллами и их
свойства определяются брэгговской дифракцией.
Важное место среди различных видов метаматериалов занимают
метаматериалы с отрицательным коэффициентом преломления или так
называемые left-handed metamaterials (LHM) – «левосторонние» или «левые»
среды, – поскольку история развития метаматериалов начинается именно с
интереса к неординарным физическим свойствам данных структур. Также в
зарубежных источниках применительно к данным средам используется понятие
дважды отрицательная среда (double-negative medium), что подразумевает под
собой тот факт, что в таких средах диэлектрическая и магнитная проницаемости
одновременно принимают отрицательное значение, что и обеспечивает материалу
отрицательное значение коэффициента преломления. Наименование
«левосторонние» среды обусловлено тем, что в метаматериалах с отрицательным
коэффициентом преломления, в отличие от обычных сред, волновой вектор
составляет с векторами электрического и магнитного полей левую тройку
векторов.
Первыми работами, которые можно отнести к истокам развития данной
области, являются работы, связанные с развитием теории обратных волн, одним
из ключевых понятий которой явилась отрицательная групповая скорость волны
[1-3]. Г. Лэмб в своей работе [1] рассмотрел обратные волны в механике, А.
Шустер обобщил данную теорию на оптические явления [2] и впервые показал,
что обратные электромагнитные волны возможны при отрицательной групповой
скорости. Также он рассмотрел отрицательное преломление, которое возникает на
границе двух сред, в случае если в одной из них распространяется прямая волна, а
в другой – обратная. Поскольку на момент выхода в свет данных работ не были
известны среды, в которых можно было бы реализовать обнаруженные эффекты,
интерес исследователей к тематике угас до появления СВЧ приборов,
использующих обратные волны: длинные линии, лампы обратной волны.
Наиболее развитая теория веществ с одновременно отрицательными
диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью μ была
представлена в работе В.Г. Веселаго [4]. Следует отметить, что первым, кто
указал на возможность ε и μ одновременно принимать отрицательные значения,
был Д.В. Сивухин [5]. Он совершенно справедливо указал на то, что в средах с
отрицательными ε и μ фазовая и групповая скорости направлены в
противоположные стороны. В работе же [4] впервые появляется понятие
«отрицательный коэффициент преломления», которое соответствует случаю
одновременной отрицательности ε и μ. В ней объединены имеющиеся на тот
момент результаты других работ и строго прослеживается логическая цепочка
«отрицательные ε и μ → отрицательный коэффициент преломления n →
антипараллельность фазовой и групповой скорости → реализация закона
Снеллиуса (а также других явлений оптики и электродинамики) в случае n<0» [6].
Несмотря на тот факт, что работа [4] датирована 1967 г. первый
метаматериал с отрицательным коэффициентом преломления был создан в 2001 г.
[7], после того как в работе [8] было указано на структуры, которые могли бы
обеспечить материалу отрицательный коэффициент преломления (точнее ε и μ по
отдельности). Выход в свет работ [7,8] обратил интерес исследователей на
данную тематику. Вслед за работой [7] последовал целый ряд работ
подтверждающих экспериментально отрицательный коэффициент преломления
[9-11].
Первый метаматериал состоял из двух видов конструктивных элементов,
расположенных в строгом геометрическом порядке: разомкнутых кольцевых
резонаторов (split-ring resonator – SRR) и стержней. Стержни служили в качестве
антенн, взаимодействующих с электрической компонентой поля, а кольцевые
резонаторы – антенн, реагирующих на магнитную составляющую. Проводники
обеспечивали отрицательную ε, а кольцевые резонаторы – отрицательную μ.
Однако это не являлось единственным вариантом конструкции метаматериала.
Вместо кольцевых резонаторов для получения отрицательной μ использовались и
другие структуры: вложенные металлические цилиндры, рулонные структуры
типа «рулет», Ω-подобные и прямоугольные рамки [11,12]. В настоящее время,
если говорить не только о левых средах, а о метаматериалах в общем случае, они
имеют всевозможные формы и конструкции.
Число идей по использованию метаматериалов в прикладных целях
постоянно возрастает. На данный момент наиболее перспективными являются
преодоление дифракционного предела [13-16] и создание метапокрытий,
делающих объекты невидимыми в широком частотном диапазоне [17,18]. Также
следует отметить, что несомненный интерес представляют собой процессы
излучения заряженных частиц при наличии «левой» среды, в частности, обратное
излучение Вавилова – Черенкова (ОИВЧ), поскольку являются довольно
перспективными как для детектирования заряженных частиц, так и для
диагностики пучков заряженных частиц. Впрочем, интересен и случай
взаимодействия заряженной частицы с другим видом метаматериалов – так
называемой проволочной средой или проволочным метаматериалом. Данный вид
метаматериала представляет собой композитный материал, составленный из
прямых отрезков проводников. Согласно теоретическим предсказаниям [19]
интенсивность излучения, генерируемого в такой среде, может быть на порядок
выше, чем в средах, встречающихся в природе.
Как для «левой» среды [20,21], так и для проволочного метаматериала
[19,22,23] имеется ряд теоретических работ, в которых рассматриваются
излучательные процессы в заданной среде, однако при этом наблюдается дефицит
в экспериментальных работах. Экспериментальной работой, подтверждающей
ОИВЧ в средах с отрицательным коэффициентом преломления, является работа
[24], в которой заряженные частицы моделировались рядом диполей,
расположенных периодично в направлении предполагаемого движения
заряженной частицы. В действительности в данной работе выполнена лишь
симуляция ОИВЧ. Также следует отметить, работу М.И. Бакунова [25], в которой
предложена схема для экспериментального подтверждения ОИВЧ с
использованием ультракоротких лазерных импульсов и представлена теория,
описывающая генерацию излучения в использованных для этого структурах и
позволяющая рассчитать ряд важных характеристик генерируемого излучения.
Цели и задачи диссертационной работы:
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование
спектрально-угловых характеристик излучения, возникающего при пролете пучка
релятивистских электронов вблизи мишени из метаматериала.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Выбор параметров элементарной ячейки и геометрии мишеней для
проводимых исследований.
2. Экспериментальное исследование когерентного излучения в
метаматериалах с отрицательным коэффициентом преломления и в
фотонных кристаллах.
3. Экспериментальное исследование когерентного излучения в
метаматериалах на основе периодических проволочных структур.
Научная новизна работы.
Впервые зарегистрировано обратное излучения Вавилова – Черенкова,
генерируемое в результате взаимодействия метаматериала с отрицательным
коэффициентом преломления с полем релятивистских электронных сгустков.
Впервые измерены спектрально-угловые характеристики излучения от
плоских и объемных периодических проволочных структур.
Показана резкая асимметрия угловых характеристик обратного переходного
В работе были получены следующие основные результаты:
1. Впервые измерены характеристики когерентного излучения, возникающего
при пролете пучка релятивистских электронов вблизи метаматериала с
отрицательным показателем преломления. Излучение, наблюдаемое в
обратной полусфере, интерпретировалось как обратное излучение
Вавилова – Черенкова.
2. Впервые измерены спектрально-угловые характеристики когерентного
излучения Вавилова – Черенкова в проволочном метаматериале. Показано,
что интенсивность генерируемого в проволочной призме излучения меньше
интенсивности излучения от диэлектрической мишени, что объясняется
большим периодом структуры в вертикальном направлении.
3. Впервые измерены характеристики когерентного излучения от плоской
проволочной структуры при пролете пучка релятивистских электронов
вблизи структуры и через нее. Показана резкая асимметрия угловых
характеристик обратного переходного излучения от плоской проволочной
структуры относительно ее ориентации к электронному пучку.
В заключении хочу выразить глубокую благодарность своему научному
руководителю Г.А. Науменко и В.В. Блеко за помощь в проведении
экспериментальных исследований и многочисленные плодотворные обсуждения
результатов работы, а также А.П. Потылицыну за проявленное внимание к
проводимым исследованиям, конструктивную критику и полезные замечания.
Также выражаю свою признательность персоналу микротрона, на котором была
выполнена большая часть исследований, Г.А. Саруеву и Н.А. Лашуку за
обеспечение хорошей и надежной работы ускорителя на протяжении длительного
времени.
1. Lamb H. On group velocity // Proc. London Math. Soc. – 1904. – Vol. 1. –
Pp. 473–479.
2. Pocklington H.C. Growth of a Wave-group when the Group-velocity is
Negative // Nature. – 1905. – Vol. 71. – Pp. 607–608.
3. Schuster A. An Introduction to the Theory of Optics. – London: Edward
Arnold, 1904. – Pp. 313–318.
4. ВеселагоВ.Г.Электродинамикавеществсодновременно
отрицательными значениями ε и μ // УФН.– 1967.– Т. 92. – С. 517–526.
5. Сивухин Д.В. Об энергии электромагнитного поля в диспергирующих
средах // Оптика и спектроскопия. – 1957. – Т. 3. – С. 308–312.
6. ВеселагоВ.Г.Электромагнитныеиакустическиеволныв
метаматериалах и структурах // УФН. – 2011. – Т. 181, №11. – C. 1201–
1205.
7. Shelby R.A., Smith D.R., Schultz S. Experimental Verification of a Negative
Index of Refraction // Science. – 2001. – Vol. 292. – Pp. 77–79.
8. Magnetism from Conductors and Enhanced Nonlinear Phenomena / Pendry
J.B., Holden A.J., Robbins D.J., Stewart W.J. // IEEE Trans. Microwave.
Theory Tech. –1999. – Vol. 47, no. 11. – Pp. 2075–2081.
9. Experimental study on several left-handed metamaterials / Ran L.,
Huangfu J., Chen H. et al. // PIER. – 2005. – Vol. 51. – Pp. 249–279.
10. Experimental verification and simulation of negative index of refraction using
Snell’s Law / Parazzoli C.G., Greegor R.B., Li K. et al. // Phys. Rev. Lett. –
2003. –Vol. 90. – P. 107401.
11. Novel broadband terahertz negative refractive index metamaterials: analysis
and experiment / Wongkasem N., Akyurtlu A., Li J. et al. //PIER. – 2006. –
Vol. 64. – Pp. 205–218.
12. Слюсар В. Метаматериалы в антенной технике: история и основные
принципы // Электроника: НТБ. – 2009. – №7. – С. 70–79.
13. Pendry J. Negative Refraction Makes a Perfect Lens // Phys. Rev. Lett. –
2000. – Vol. 85, no. 18. – Pp. 3966–3969.
14. Zhang S., Yin L., Fang N. Focusing Ultrasound with an Acoustic
Metamaterial Network // Phys. Rev. Lett. – 2009. – Vol. 102. – P. 194301.
15. Grbic A., Eleftheriades G.V. Overcoming the Diffraction Limit with a Planar
Left-Handed Transmission-Line Lens// Phys. Rev. Lett. – 2004. – Vol. 92. –
P.117403.
16. Realization of optical superlens imaging below the diffraction limit /
Lee H., Xiong Y., Fang N. et al. // New J. Phys. – 2005. – Vol. 7. – P. 255.
17. Pendry J.B., Schurig D., Smith D.R. Controlling electromagnetic fields //
Science. – 2006. – Vol. 312. – Pp. 1780–1782.
18. Kildishev A.V, Shalaev V.M. Transformation optics and metamaterials //
Phys. Usp. – 2011. – Vol. 54. – Pp. 53–63.
19. Fernandes D.E., Maslovski S.I., Silverina M.G. Cherenkov emission in a
nanowire material // Phys. Rev. B. – 2012. – Vol. 85. – P. 155107.
20. Reversed Cherenkov-Transition Radiation by a Charge Crossing a Left-
Handed Medium Boundary / Galyamin S., Tyukhtin A., Kanareykin A.,
Schoessow P. // Phys. Rev. Lett. – 2009. – Vol. 103. – P. 190802.
21. Galyamin S., Tyukhtin A. Electromagnetic Field of a Moving Charge in the
Presence of a Left-Handed Medium // Phys. Rev. B. – 2010. – Vol. 81. –
P. 235134.
22. Vorobev V.V., Tyukhtin A.V. Nondivergent Cherenkov radiation in a wire
metamaterial // Phys. Rev. Lett. – 2012. – Vol. 108. – P. 184801.
23. Tyukhtin A.V., Vorobev V.V. Radiation of charges moving along the
boundary of a wire metamaterial // Phys. Rev. E. – 2014. – Vol. 89, no. 1. –
P. 013202.
24. Experimental Verification of Reversed Cherenkov Radiation in Left-Handed
Metamaterial / Xi S., Chen H., Jiang T. // Phys. Rev. Lett. – 2009. – Vol. 103.
– P. 190801.
25. Reversed Cherenkov emission of terahertz waves from an ultrashort laser
pulse in a sandwich structure with nonlinear core and left-handed cladding /
Bakunov M.I., Mikhaylovskiy R.V., Bodrov S.B., Luk’yanchuk B.S.//
Optics Express. – 2010. – Vol. 18. – Pp. 1684–1694.
26. Синхротрон ТПИ на 1.5 ГэВ / Воробьев А.А., Чучалин И.П., Власов А.Г.
и др. – М.: Атомиздат.,1968. – 160 с.
27. Капица С.П., Мелехин В.Н. Микротрон. – М.: Наука, 1969. – 211 с.
28. Detector for coherent synchrotron radiation measurements from separate
electron bunches in a millimeter wavelength region / Naumenko G.,
Potylitsyn A., Kube G. et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. – 2009.
– Vol. 603. – Pp. 35–37.
29. ШевелевМ.В.,Исследованиесвойствкогерентногоизлучения
релятивистскихэлектроноввмакроскопическихструктурахдля
создания средств диагностики пучков: Диссертация на соискание ученой
степени кандидата физико-математических наук: 01.04.20 / Шевелев
Михаил Викторович. – Томск: ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, 2012. – 96 с.
30. Schlott V., Loos H., Gentz H. et al. // Particle Accelerators. – 1996. – Vol. 52.
– P. 45.
31. Overall comparison of subpicosecond electron beam diagnostics by the
polychromator, the interferometer and the femtosecond streak camera /
Watanabe T., Sugahara J., Yoshinatsu T. et al. // Nucl. Instrum. Methods
Phys. Res. A. – 2002. – Vol. 480. – Pp. 315–327.
32. Measurements of coherent diffraction radiation and its application for bunch
length diagnostics in particle accelerators / Castellano M., Verzilov V.,
Catani L. et al. // Phys. Rev. E. – 2001. – Vol. 63. – P. 056501.
33. Electron bunch shape measurement using coherent diffraction radiation /
Feng B., Oyamada M., Hinode F., et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.
A. – 2001. – Vol. 475. – Pp. 492–497.
34. Sub-millimeter bunch length non-invasive diagnostic based on the diffraction
and Cherenkov radiation / Shevelev M., Deng H., Potylitsyn A. et al. //
J. Phys.: Conf. Ser. – 2012. – Vol. 357. – P. 012023.
35. FroehlichL.BunchlengthmeasurementsusingaMartin-Puplett
interferometer at the VUV-FEL // DESY-THESIS 2005-011, FEL-THESIS
2005-02. – 2005. – 56 p.
36. Сарычев А.К., Шалаев В.М. Электродинамика метаматериалов. – М.:
Научный мир, 2011. – 224 с.
37. Yablonovitch E. Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and
electronics // Phys. Rev. Lett. – 1987. – Vol. 58. – P. 2059.
38. Walser R. Metamaterials: What are they and what are they good for? // APS
March Meeting. – Minneapolis, USA, 2000. – Pp. 20–24.
39. Photonic Crystals: Molding the Flow of Light second edition /
Joannopoulos J.D., Johnson S.G., Winn J.N., Meade R.D. – Princeton
University Press, 2008. – 304 p.
40. Пафомов В.Е. Излучение заряженной частицы при наличии границ
раздела // Труды ФИАН. – 1969. – Т. XLIV. – С. 28–167.
41. Studying the possibility of extracting material parameters from reflection
and transmission coefficients of plane wave for multilayer metamaterials
based on metal nanogrids / Belov P.A., Yankovskaya E.A., Melchakova I.V.
et al. // Optics and spectroscopy.– 2010.– Vol. 109, no. 1.– Pp. 85–96.
42. Determination of effective permittivity and permeability of metamaterials
from reflection and transmission coefficients / Smith D.R., Schultz S.,
Markoš P. et al. // Phys. Rev. B. – 2002. – Vol. 65. – P. 195104.
43. Robust method to retrieve the constitutive effective parameters of
metamaterials / Chen X., Grzegorczyk T.M., Wu B.-I. et al. // Phys. Rev. E. –
2004. – Vol. 70. – P. 016608.
44. Хаус Х. Волны и поля в оптоэлектронике. – М.: Мир, 1988. – 432 с.
45. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. – М.: Высшая школа, 1988. –
432 с.
46. Измерение угловых характеристик переходного излучения в ближней и
дальнейволновыхзонах/КалининБ.Н.,НауменкоГ.А.,
Потылицын А.П. и др. // Письма в ЖЭТФ. – 2006. – Т. 84, № 3. – С. 136–
140.
47. Соболева В.В., Шевелев М.В., Блеко В.В. Исследование спектральных,
ориентационныхиугловыххарактеристикизлученияпри
взаимодействии поля релятивистских электронов с метаматериалами в
миллиметровом диапазоне длин волн // Известия вузов. Физика. –
2012. – Т. 55, № 11/2. – C. 141–145.
48. Соболева В.В., Блеко В.В., Науменко Г.А. Излучение Вавилова –
Черенкова в метаматериалах // Известия вузов. Физика. – 2013. – Т. 56,
№ 11/2. – C. 200–204.
49. Vavilov-Cherenkov radiation in meta-materials in millimeter wavelength
region / Naumenko G.A., Potylitsyn A.P., Soboleva V.V. et al. // Days on
Diffraction: Proceedings of International Conference. – Saint Petersburg,
Russia, 2013. – Pp. 105-109.
50. Tyukhtin A.V., Vorobev V.V., Galyamin S.N. Radiation of charged-particle
bunches passing perpendicularly by the edge of a semi-infinite planar wire
structure // Phys. Rev. E. – 2015. – Vol. 91. – P. 063202.
51. Когерентное излучение релятивистских электронов в анизотропных
периодическихпроволочныхструктурах/НауменкоГ.А.,
Соболева В.В., Блеко В.В., Шумейко А.О. // Известия вузов. Физика. –
2014. – Т. 57, №. 11/2. – C. 66–68.
52. Coherent transition radiation from wire metamaterials / Naumenko G.A.,
Bleko V.V., Soboleva V.V., Shumeyko A.O. // Advanced Materials Research.
– 2015. – Vol. 1084. – Pp. 213–216.
53. Soboleva V.V., Naumenko G.A., Bleko V.V. Radiation of relativistic
electrons in a periodic wire structure // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B.
– 2015. – Vol. 355. – Pp. 132–134.
54. Soboleva V., Naumenko G., Bleko V. Coherent radiation of relativistic
electrons in wire metamaterial // J. Phys.: Conf. Ser. – 2016. – Vol. 732. –
P. 012007.
55. Tyukhtin A.V., Doilnitsina E.G. Effective permittivity of a metamaterial from
coated wires // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2011. – Vol. 44,
no. 26. – P. 265401.
56. Strong spatial dispersion in wire media in the very large wavelength limit /
Belov P.A., Marques R., Maslovski S.I. et al. // Phys. Rev. B. – 2003. –
Vol. 67. – P. 113103.
57. Обнаружение дифракционного излучения в диэлектрической мишени в
условиях генерации излучения Вавилова-Черенкова / Науменко Г.А.,
Потылицын А.П., Шевелѐв М.В. и др. // Письма в ЖЭТФ. – 2011. – Т. 94,
№.4 – С. 280–283.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.9 (522 отзыва)
4.2 (5 отзывов)
4.5 (330 отзывов)
4.8 (373 отзыва)
4.2 (25 отзывов)
4.1 (20 отзывов)
4.8 (105 отзывов)
4.6 (71 отзыв)
5 (428 отзывов)
