8

Студент: Даниленко Александр Александрович

Группа: 4207

1. Рассчитайте энергию кванта микроволнового излучения с частотой (Ngroup+Nstudent/2) ГГц

Какой температуре соответствует эта энергия?

Сравните эту энергию с энергией связи молекулы воды. До какой температуры нужно нагреть воду, чтобы произошла ионизация?

Докажите, что квант микроволнового излучения не может нарушить связь атомов в живой клетке.

Ответ:

Определим энергию кванта микроволнового излучения:

h= эВ*с

Определим температуру, которой соответствует эта энергия:

k= эВ*К

Исправление: Согласно закону смещения Вина (длина волны, на которую приходится максимум энергии в спектре равновесного излучения, обратно пропорциональна абсолютной температуре излучающего тела):

Определим температуру, до которой нужно нагреть воду, чтобы произошла ионизация.

Энергия связи в молекуле воды составляет 5 эВ (источник: http://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/8521), тогда температура, до которой нужно нагреть воду, чтобы произошла ионизация:

Докажем, что квант микроволнового излучения не может разрушить связь атомов в живой клетке:

Диапазон частот микроволнового излучения от 300МГц до 300ГГц. Самой большой энергией, согласно формуле в начале задания, будет обладать излучение с частотой 300 ГГц:

, что гораздо меньше энергии связи в молекуле воды.

Живые клетки на 80% состоят из воды (источник: https://dist-tutor.info/mod/resource/view.php?id=12721), следовательно квант микроволнового излучения не может нарушить связь атомов в живой клетке.

Дополнение: В данных расчетах найдена температура разрушения связи атомов в живой клетке. Но это не значит, что именно при этой температуре клетка умирает…клетка умрет при гораздо более низкой температуре. Почему? Ответ на этот вопрос будет дан ниже. В качестве источника для ответа была использована статья: https://geektimes.ru/post/289845/ При превышении определённой температуры клетка приходит в негодность и умирает. Одно из простейших объяснений такой непереносимости жары состоит в том, что необходимые для жизни белки – те, что извлекают энергию из еды или солнечного света, обороняются от вторжений, уничтожают отходы и т.п. – часто обладают удивительно точной формой. Начинаясь как длинные нити, они затем скручиваются в виде спиралей, «заколок для волос» и других форм, диктуемых последовательностью их составных частей. И эти формы играют огромную роль в их деятельности. Но когда температура начинает расти, связи, удерживающие белковые структуры, нарушаются: сначала самые слабые, а затем и сильные. Слабые связи теряют способность удерживать структуру, и белок денатурирует, то есть разворачивается. Но не все белки разворачиваются при одной температуре – окружение белка в клетке может придавать ему дополнительную стабилизацию. Пример кривой из эксперимента. По вертикали – процент развернувшихся белков, по горизонтали – температура. Вертикальная черта – температура, при которой клетки начинают умирать. Для этого нужно развернуться всего нескольким ключевым белкам. Чтобы понять, какие качества белка делают его стабильным, исследователи сравнили данные E. coli и T. Thermophilus. Белки E. coli начали разваливаться при 40 °C, и практически полностью деградировали при 70 °C. Но при этой температуре белки T. thermophilus только начинали испытывать дискомфорт – некоторые из них держали форму и при 90 °C.  То есть клетка умрет при температуре ГОРАЗДО ниже T=58025К, найденной при расчетах, из-за денатурации белка в ней. А при T=58025К произойдет ионизация молекулы вода в клетке.

0.75

2. Какая плотность мощности микроволнового излучения считается допустимой в быту и на производстве по стандартам РФ? По международным стандартам?

Оцените, как повысится Ваша температура тела за 8 и 24 часа при максимально допустимом уровне излучения. В расчетах потерями тепла на внешнее охлаждение тела – пренебречь.

Опишите особенности нагрева в разных частотных диапазонах.

Ответ:

В настоящее время в мире существуют два основных стандарта на уровень безопасного излучения. Один из них разработан Американским Национальным Институтом Стандартов и предлагает считать безопасным излучение с плотностью мощности в 10 мВт/см2. Для микроволновых печей стандартом является плотность мощности в 1 мВт/см² на расстоянии 5 см от печи.  Европейский стандарт (в том числе и российский) предполагает, что уровень плотности излучения не должен превышать 10 мкВт (0.01 мВт) на квадратный сантиметр на расстоянии 50 см от источника излучения. (источник: http://www.samsung.com/ru/support/skp/faq/879503), а на производстве – 25 мкВт/см2, на том же расстоянии.

Найдем на сколько изменится температура тела при максимально допустимом уровне излучения при 8 и 24 часах:

P=pS, где p=10 мкВт/см², S-площадь поверхности моего тела.

Пояснение: Есть допустимый уровень плотности излучения p=10 мкВт/см2. Если известна площадь поверхности тела человека, то можно найти “допустимый” уровень излучения для тела конкретного человека, умножив плотность излучения на площадь поверхности тела человека, то есть P=pS.

Для оценки площади поверхности тела воспользуемся онлайн-калькулятором:

https://beregifiguru.ru/%D0%9A%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BA%D1%83%D0%BB%D1%8F%D1%82%D0%BE%D1%80%D1%8B/%D0%A0%D0%B0%D1%81%D1%87%D0%B5%D1%82-%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D1%89%D0%B0%D0%B4%D0%B8-%D0%BF%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%85%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8-%D1%82%D0%B5%D0%BB%D0%B0

Согласно расчетам площадь поверхности моего тела S=1,67 м².

Тогда P=10*10^-6*1,67*10⁴=0,167 Вт

Количество теплоты, переданного телу с заданными значениями массы и теплоемкости определяется по формуле , где с – удельная теплоемкость тела человека, m- масса тела, ΔT- изменения температуры.

Теплоемкость тела человека с=3350 Дж/(кг*К) (источник: http://thermalinfo.ru/chelovek/teploprovodnost-cheloveka-teplofizicheskie-svojstva-biotkanej)

следовательно

Исправление: К тому, что было написано выше, оставлено замечание про разные плотности излучений. Судя по “разбору полетов” для 8 часов нужно было взять допустимую плотность излучения при производстве, а для 24 часов для обычных условий. В условии задачи этот момент явно не обозначен: “Оцените, как повысится Ваша температура тела за 8 и 24 часа при максимально допустимом уровне излучения.”. Теперь, когда все точки расставлены над i, можно произвести правильные расчеты:

Особенности нагрева в разных частотных диапазонах состоят в том, что энергия квантов излучения увеличивается с увеличением частоты, но в то же время уменьшается глубина проникновения. В диапазоне частот от 10⁶ Гц до 10¹⁰ Гц наблюдается нагрев.

Исправление: Глубина проникновения электромагнитного поля в вещество умень­шается с увеличением частоты ,а выделяемая тепловая энергия повы­шается. Диапазоны электромагнитного излучения: Название диапазона излучения Длина волны, λ Частоты, ν Источники Радиоволны Сверхдлинные Более 10км Менее 30 кГц Атмосферные явления. Переменные токи в проводниках и электронных потоках (колебательные контуры) Длинные 10 км - 1 км 30 кГц – 300 кГц Средние 1 км – 100 м 300 кГц – 3 МГц Короткие 100 м – 10 м 3 МГц – 30 МГц Ультракороткие 10 м – 1 мм 30 МГц – 300 ГГц Инфракрасное 1 мм – 780 нм 300 ГГц – 429 ТГц Излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях Оптическое 780 – 380 нм 429 ТГц – 750 ТГц Ультрафиолетовое 380 – 10 нм 750 ТГц – 30 ПГц Излучение атомов под воздействием ускоренных электронов Рентгеновское 10 нм – 5 пм 30 ПГц – 60 ЭГц Атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц Гамма Менее 5 пм Более 60 ЭГц Ядерные и космические процессы, радиоактивны распад Очень сильное инфакрасном излучение в местах высокого нагрева может высушивать слизистую оболочку глаз. Наиболее опасно, когда излучение не сопровождается видимым светом. В таких ситуациях необходимо надевать специальные защитные очки для глаз. Инфракрасное излучение с длиной волны 1,35 мкм, 2,2 мкм при достаточной пиковой мощности в лазерном импульсе может вызывать эффективное разрушение молекул ДНК, более сильное, чем излучение в ближнем ИК-диапазоне. При ультрафиолетовом излучении наблюдаются следующие особенности нагрева тела человека: излучение с длинами волн 0,4 – 0,315 мкм, обладает слабым био­логическим воздействием; излучение в диапазоне 0,315 – 0,28 мкм, оказывает сильное воздействие на кожу и обладает противорахитичным действием (рахит — это расстройство обмена минеральных веществ, особенно кальция и фосфора); излучение с длиной волн 0,28 – 0,2 мкм, имеет бактерицидное дей­ствие (бактерицидное действие  - способность вызывать гибель микроорганизмов). Рентгеновское излучение является ионизирующим. Оно воздействует на ткани живых организмов и может быть причиной лучевой болезни, лучевых ожогов и злокачественных опухолей. При облучении гамма-квантами (гамма-излучение) в зависимости от дозы и продолжительности может вызвать хроническую и острую лучевые болезни. Стохастические эффекты (стохастические эффекты — это вредные биологические эффекты излучения, не имеющие дозового порога возникновения, вероятность возникновения которых пропорциональна дозе и для которых тяжесть проявления не зависит от дозы) облучения включают различные виды онкологических заболеваний. В то же время гамма-облучение подавляет рост раковых и других быстро делящихся клеток. Гамма-излучение является мутагенным и тератогенным фактором.

0.5

3. Информацию о галактическом окружении человечество получает из космоса со спутников, используя микроволновые каналы связи. Выберите один (серию) из снимков, который Вам более всего нравится, с сайта (http://hubblesite.org/gallery/album/entire).

Ответ:

1 Спасибо. У Вас хороший вкус!

4. Область взаимодействия некоторого прибора составляет L=0.2*(Ngroup+Nstudent) мм. Рассчитайте угол пролета и коэффициент взаимодействия для этой области для вакуумного прибора с ускоряющим напряжением (Nstudent) кВ на частоте (Nstudent) ГГц. Как нужно изменить длину L, чтобы этот угол пролета реализовать в полупроводниковом приборе?

Ответ:

Исходные данные:

L = 0.2*(7+5)=2.4 мм

U₀ = 5 кВ

f = 5 ГГц

Решение:

Определим начальную скорость электронов:

Угол пролета определяется по формуле:

Коэффициент взаимодействия определяется по формуле:

В полупроводнике v₀ = 10⁵м/с

Следовательно для достижения того же угла пролета нужно уменьшить область взаимодействия L. Найдем ее:

1

5. Сравните 2 типовых прибора: вакуумный и полупроводниковый по следующим параметрам:

1. Объемная плотность заряда;

2. Максимальная скорость движения заряженных частиц;

3. Длина области взаимодействия для угла пролета -радиан.

4. Для вакуумного прибора рассчитать микропервеанс, «плазменную» частоту.

5. Для полупроводникового: длину Дебая, плазменную частоту.

Параметры вакуумного прибора: ток (Nstudent*15)мА, ускоряющее напряжение (Nstudent+ Ngroup) кВ, диаметр потока Ngroup*0.75 мм.

Полупроводникового: уровень легирования Nstudent*10¹⁶см ^-3 , напряжение 25В, толщина токового канала 1мкм.

Рабочая частота приборов – Ngroup ГГц. Рабочая температура 400К.

Ответ:

Параметры вакуумного прибора: ток 75мА, ускоряющее напряжение 12 кВ, диаметр потока 5,25 мм.

Полупроводникового: уровень легирования 5*10¹⁶см ^-3 , напряжение 25В, толщина токового канала 1мкм.

Рабочая частота приборов – 7 ГГц. Рабочая температура 400К.

5.1. Объёмная плотность заряда

Для вакуумного прибора:

У полупроводникового прибора 10²²м^-3

У полупроводникового прибора характерная объемная плотность заряда , на несколько порядков больше, чем у вакуумного.

5.2. Максимальная скорость движения заряженных частиц.

У вакуумного прибора

У полупроводникового прибора максимальная скорость - скорость при насыщении, т.е. v_0с=.

Исходя из этих данных можно сказать, что в вакуумном приборе максимальная скорость движения заряженных частиц выше чем в полупроводниковом.

3. Длина области взаимодействия для угла пролета π-радиан.

Угол пролета:

Для вакуумного прибора:

Для полупроводникового прибора:

Исправление:

3. Для вакуумного прибора рассчитать микропервеанс, «плазменную» частоту.

Расчет микропервеанса:

Расчет плазменной частоты:

3. Для полупроводникового: длину Дебая, плазменную частоту.

Расчет длины Дебая:

0.75

6. Можно ли в полупроводниковых приборах обеспечить скоростную модуляцию заряженных частиц, используя начальную часть поле-скоростной характеристики?

На каком расстоянии может обеспечиваться модуляция плотности зарядов?

С какой средней скоростью будет двигаться электрон в приборе, с характерным размером области взаимодействия 0.1 мкм и приложенным напряжением Nstudent В? Материал – арсенид галлия.

Ответ: (для ответа были использованы материалы для лекции 3)

Скоростную модуляцию заряженных частиц в полупроводниковых приборах можно обеспечить на расстоянии длины релаксации импульса (0,01-0,1) мкм. Далее электроны испытывают рассеяние импульса, при этом частично “забывая” о направлении движения и отдавая часть накопленной энергии рассеивающему центру. Поэтому на больших расстояния модуляция плотности зарядов невозможна.

Пояснение: Речь идет о скорости носителей заряда в полупроводнике – электронах и дырках.

Оценим скорость электрона в приборе, с характерным размером области взаимодействия 0,1 мкм и приложенным напряжением 7В:

Согласно графику при данной напряженности v≈10⁵ м/с.

0.75

7. Определите коэффициент шума усилительного прибора в дБ, если его эффективная шумовая температура (100+ Nstudent*2)К.

Рассчитайте эффективную шумовую температуру двух таких приборов, включенных каскадно, если коэффициент усиления каждого прибора 13 дБ.

Ответ:

Исходные данные:

Найти:

Решение:

Пусть (25 °C), тогда

Согласно формуле Фрииса фактор шума приборов, включенных каскадно:

Так как приборы одинаковы, то ;

Из , где - коэффициент усиления прибора (в разах), получим:

=

Тогда:

1

8. Определите амплитуду «самосогласованного» напряжения на сеточном зазоре резонатора с бесконечной собственной добротностью, если амплитуда первой гармоники конвекционного тока на входе в резонатор равна Nstudent*0.75 мА, угол пролета 90^О, ускоряющее напряжение Ngroup кВ, ток луча 1А.

Ответ:

Исходные данные:

I_конв1 = 3,75 мА

U₀ = 5 кВ

θ=90°,

I₀=1A.

Найти:

U_{самосогл}-?

Решение:

Амплитуда напряжения на сеточном зазоре резонатора:

= = 0,9 – коэффициент взаимодействия для плоского зазора с однородным полем .

– проводимость.