Генерація електромагнітних хвиль на основі ефектів взаємодії рухливих заряджених частинок з полями збуджувальних ними власних мод хвилевідних та резонаторних структур (огляд)

Автор(и)

  • Юрій Володимирович Прокопенко Інститут радіофізики та електроніки ім. О. Я Усикова НАН України , Україна image/svg+xml Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна , Україна image/svg+xml https://orcid.org/0000-0002-1783-1471
  • Юрій Олегович Аверков Інститут радіофізики та електроніки ім. О. Я Усикова НАН України , Україна image/svg+xml https://orcid.org/0000-0002-1169-9393
  • Анатолій Вікторович Дормідонтов Інститут радіофізики та електроніки ім. О. Я Усикова НАН України , Україна image/svg+xml

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347024030038

Ключові слова:

взаємодія зарядженої частинки з електродинамічною структурою, взаємодія пучка з електродинамічною структурою, ефект Вавілова-Черенкова, аномальний ефект Доплера, НВЧ та ВВЧ електромагнітні хвилі, віркатор, віртод, віртод-ЛЗХ

Анотація

В статті наведено огляд наукових робіт авторів, які є подальшим розвитком наукових напрямів НВЧ- та ВВЧ-електроніки, які одним із перших розвивав професор В. П. Тараненко. Продемонстровано можливість поширення слабозгасаючих електромагнітних хвиль у надрозмірних електродинамічних твердотільних структурах, в тому числі, що містять плазмоподібне середовище. Приділено увагу механізмам збудження власних хвиль та коливань таких структур, які базуються на ефекті Вавілова–Черенкова, аномальному ефекті Доплера, чи перехідному випромінювані. Продемонстровано генерацію електромагнітного випромінювання у разі взаємодії потоків заряджених частинок з полями власних хвиль чи коливань таких структур. Показано можливість освоєння міліметрового та субміліметрового діапазонів довжин хвиль із застосуванням багатомодових електродинамічних структур з прийнятними розмірами для виробництва. Представлено електродинамічні системи на надкритичному струмі релятивістського електронного пучка — віртод та віртод-ЛЗХ, в яких реалізовано керування амплітудно-частотними характеристиками НВЧ-випромінювання.

Посилання

О. Я. Кириченко, Ю. В. Прокопенко, Ю. Ф. Філіппов, М. Т. Черпак, Квазіоптичні Твердотільні Резонатори. Київ: Наукова думка, 2008.

A. Barannik, N. Cherpak, A. Kirichenko, Y. Prokopenko, S. Vitusevich, V. Yakovenko, “Whispering gallery mode resonators in microwave physics and technologies,” Int. J. Microw. Wirel. Technol., vol. 9, no. 4, pp. 781–796, 2017, doi: https://doi.org/10.1017/S1759078716000787.

K. V. Galaydych, Y. F. Lonin, A. G. Ponomarev, Y. V. Prokopenko, G. V. Sotnikov, “Mathematical model of an excitation by electron beam of ‘whispering gallery’ modes in cylindrical dielectric resonator,” Probl. At. Sci. Technol. Ser. Plasma Phys., vol. 16, no. 6, pp. 123–125, 2010.

А. Я. Кириченко et al., “Микроволновый генератор с резонатором ‘шепчущей галереи,’” Вопросы атомной науки и техники, no. 2, pp. 135–139, 2010, uri: http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/15706.

A. V. Dormidontov et al., “Auto-oscillatory system based on dielectric resonator with whispering-gallery modes,” Tech. Phys. Lett., vol. 38, no. 1, pp. 85–88, 2012, doi: https://doi.org/10.1134/S106378501201021X.

К. В. Галайдыч, Ю. Ф. Лонин, А. Г. Пономарев, Ю. В. Прокопенко, Г. В. Сотников, В. Т. Уваров, “Возбуждение миллиметровых волн сильноточным РЭП в диэлектрическом резонаторе,” Вопросы атомной науки и техники, no. 3, pp. 174–178, 2012, uri: http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108741.

K. V. Galaydych, Y. F. Lonin, A. G. Ponomarev, Y. V. Prokopenko, G. V. Sotnikov, “Nonlinear analysis of mm waves excitation by high–current REВ in dielectric resonator,” Probl. At. Sci. Technol. Ser. Plasma Phys., no. 6, pp. 158–160, 2012, uri: http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/109220.

R. K. Parker, R. H. Abrams, B. G. Danly, B. Levush, “Vacuum electronics,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 50, no. 3, pp. 835–845, 2002, doi: https://doi.org/10.1109/22.989967.

N. S. Ginzburg, V. Y. Zaslavskii, A. M. Malkin, A. S. Sergeev, “Relativistic surface-wave oscillators with 1D and 2D periodic structures,” Tech. Phys., vol. 57, no. 12, pp. 1692–1705, 2012, doi: https://doi.org/10.1134/S1063784212120110.

N. S. Ginzburg, V. Y. Zaslavskii, A. M. Malkin, A. S. Sergeev, “Quasi-optical theory of coaxial and cylindrical relativistic surface-wave oscillators,” Tech. Phys., vol. 58, no. 2, pp. 267–276, 2013, doi: https://doi.org/10.1134/S1063784213020102.

Б. А. Коцержинський, Е. А. Мачусський, М. А. Першин, В. П. Тараненко, “Твердотельні генератори з квазіоптичними резонансними системами,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 30, no. 10, pp. 13–23, 1987.

V. P. Silin, A. A. Rukhadze, Electromagnetic Properties of Plasma and Plasma-like Media. Moscow: Gosatomizdat, 1961.

L. D. Landau, E. M. Lifshitz, Electrodynamics of Continuous Media. Oxford: Pergamon Press, 1984, uri: https://www.sciencedirect.com/book/9780080302751/electrodynamics-of-continuous-media.

A. V. Dormidontov, Y. V. Prokopenko, S. I. Khankina, V. M. Yakovenko, “Energy loss of a charged particle moving along the helical path,” Telecommun. Radio Eng., vol. 73, no. 13, pp. 1165–1189, 2014, doi: https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v73.i13.40.

A. V. Dormidontov, Y. V. Prokopenko, S. I. Khankina, V. M. Yakovenko, “Energy loss of charged particles on the eigenmode excitation in cylindrical structures with two-dimensional electron gas,” Telecommun. Radio Eng., vol. 75, no. 6, pp. 507–525, 2016, doi: https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v75.i6.30.

A. V. Dormidontov, Y. V. Prokopenko, V. M. Yakovenko, “Charged particle energy loss on the wave excitation in the semiconductor cylinder with twodimensional electron gas on the side surface,” Telecommun. Radio Eng., vol. 75, no. 3, pp. 201–213, 2016, doi: https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v75.i3.20.

A. V. Dormidontov, Y. V. Prokopenko, S. I. Khankina, V. M. Yakovenko, “Fast charge energy losses in structures with a 2D electron gas,” Tech. Phys., vol. 60, no. 7, pp. 1069–1076, 2015, doi: https://doi.org/10.1134/S1063784215070105.

Y. O. Averkov, Y. V. Prokopenko, V. M. Yakovenko, “Charged-particle energy loss by the excitation of surface magnetoplasmons in a structure with two- and three-dimensional plasmas,” J. Exp. Theor. Phys., vol. 121, no. 4, pp. 699–705, 2015, doi: https://doi.org/10.1134/S1063776115100039.

Y. Averkov, Y. Prokopenko, V. Yakovenko, “Energy loss of a charged particle during its interaction with a dielectric cylinder,” Radiofiz. i Elektron., vol. 25, no. 1, pp. 60–69, 2020, doi: https://doi.org/10.15407/rej2020.01.060.

Y. O. Averkov, Y. V. Prokopenko, V. M. Yakovenko, “The instability of hollow electron beam interacting with plasma-like medium,” Telecommun. Radio Eng., vol. 75, no. 16, pp. 1467–1482, 2016, doi: https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v75.i16.50.

Y. O. Averkov, Y. V. Prokopenko, V. M. Yakovenko, “Instability of a tubular electron beam moving over a dielectric cylinder,” Tech. Phys., vol. 62, no. 10, pp. 1578–1584, 2017, doi: https://doi.org/10.1134/S1063784217100061.

Y. O. Averkov, Y. V. Prokopenko, V. M. Yakovenko, “Interaction of a flow of charged particles with eigenmodes of a dielectric cylinder,” Telecommun. Radio Eng., vol. 76, no. 18, pp. 1595–1611, 2017, doi: https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v76.i18.20.

A. I. Akhiezer, I. A. Akhiezer, R. V. Polovin, A. G. Sitenko, K. N. Stepanov, Plasma electrodynamics, [in Russian]. Moscow: Nauka, 1974, uri: https://www.kipt.kharkov.ua/itp/akhiezer/en/papers/index.html.

G. Bekefi, Radiation Processes in Plasmas. New York: Wiley, 1966.

Y. O. Averkov, Y. V. Prokopenko, V. M. Yakovenko, “Іnteraction between a tubular beam of charged particles and an anisotropic dispersive solid-state cylinder,” Probl. At. Sci. Technol. Ser. Plasma Electron. New Methods Accel., no. 4, pp. 3–12, 2018, uri: http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/147320.

Y. O. Averkov, Y. V. Prokopenko, V. M. Yakovenko, “Eigenwave spectra of an anisotropic cylindrical solid-state waveguide,” Tech. Phys., vol. 64, no. 1, pp. 1–7, 2019, doi: https://doi.org/10.1134/S1063784219010055.

М. Е. Ильченко et al., Диэлектрические Резонаторы. Москва: Радио и связь, 1989.

Л. А. Вайнштейн, Электромагнитные Волны. Москва: Радио и связь, 1988.

Y. Averkov, Y. Prokopenko, V. Yakovenko, “Eigenwave spectra of a solid-state plasma cylinder in a strong longitudinal magnetic field,” Radiofiz. i Elektron., vol. 26, no. 2, pp. 37–45, 2021, doi: https://doi.org/10.15407/rej2021.02.037.

Y. O. Averkov, Y. V. Prokopenko, V. M. Yakovenko, “Waves of a magnetoplasma solid-state cylinder under quasi-stationary conditions,” IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 49, no. 10, pp. 3078–3085, 2021, doi: https://doi.org/10.1109/TPS.2021.3113117.

S. I. Khankina, V. M. Yakovenko, I. V. Yakovenko, “Surface plasma waves at a rough interface of a solid,” Radiophys. Quantum Electron., vol. 45, no. 10, pp. 813–819, 2002, doi: https://doi.org/10.1023/a:1022488518808.

S. I. Khankina, V. M. Yakovenko, I. V. Yakovenko, “Surface electron states produced by a Rayleigh wave,” J. Exp. Theor. Phys., vol. 104, no. 3, pp. 467–473, 2007, doi: https://doi.org/10.1134/S1063776107030132.

V. L. Ginzburg, V. N. Sazonov, S. I. Syrovatskiĭ, “Synchrotron radiation and its reabsorption,” Sov. Phys. Uspekhi, vol. 11, no. 1, pp. 34–48, 1968, doi: https://doi.org/10.1070/PU1968v011n01ABEH003723.

M. V. Kuzelev, A. A. Rukhadze, “Stimulated radiation from high-current relativistic electron beams,” Sov. Phys. Uspekhi, vol. 30, no. 6, pp. 507–524, 1987, doi: https://doi.org/10.1070/PU1987v030n06ABEH002853.

Y. O. Averkov, V. M. Yakovenko, V. A. Yampol’skii, “Transition radiation of an electron crossing an interface between a dielectric and a layered superconductor,” Probl. At. Sci. Technol. Ser. Plasma Electron. New Methods Accel., no. 4, pp. 15–20, 2013, uri: http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111905.

Y. O. Averkov, V. M. Yakovenko, V. A. Yampol’skii, F. Nori, “Terahertz transition radiation of bulk and surface electromagnetic waves by an electron entering a layered superconductor,” Phys. Rev. B, vol. 89, no. 994506, 2014, doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.094506.

Y. O. Averkov, V. M. Yakovenko, V. A. Yampol’skii, F. Nori, “Conversion of terahertz wave polarization at the boundary of a layered superconductor due to the resonance excitation of oblique surface waves,” Phys. Rev. Lett., vol. 109, no. 227005, 2012, doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.027005.

Y. O. Averkov, V. M. Yakovenko, V. A. Yampol’skii, F. Nori, “Oblique surface Josephson plasma waves in layered superconductors,” Phys. Rev. B, vol. 87, no. 554505, 2013, doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.054505.

Y. O. Averkov, Y. V. Prokopenko, V. M. Yakovenko, “Interaction between a tubular beam of charged particles and a dispersive metamaterial of cylindrical configuration,” Phys. Rev. E, vol. 96, no. 113205, 2017, doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevE.96.013205.

Y. O. Averkov, Y. V. Prokopenko, V. M. Yakovenko, “Нестійкість трубчастого електронного пучка у разі обдування плазмового твердотільного циліндра, який розміщено у сильному поздовжньому магнітному полі,” Ukr. J. Phys., vol. 67, no. 4, p. 255, 2022, doi: https://doi.org/10.15407/ujpe67.4.255.

Y. O. Averkov, Y. V. Prokopenko, V. M. Yakovenko, “Interaction of a tubular charged-particle beam with eigenwaves of a plasma solid-state cylinder located in strong longitudinal magnetic field,” J. Phys. A Math. Theor., vol. 56, no. 115202, 2023, doi: https://doi.org/10.1088/1751-8121/acb024.

Y. O. Averkov, Y. V. Prokopenko, V. M. Yakovenko, “Helicons in plasma solid-state waveguide of cylindrical configuration,” Probl. At. Sci. Technol., pp. 19–23, 2019, doi: https://doi.org/10.46813/2019-122-019.

Y. O. Averkov, Y. V. Prokopenko, V. M. Yakovenko, V. A. Yampol’skii, “Quantum dispersion properties of eigenmodes in semiconductor nanotubes with dielectric filling in dc magnetic field,” Low Temp. Phys., vol. 49, no. 1, pp. 3–14, 2023, doi: https://doi.org/10.1063/10.0016471.

Y. O. Averkov, Y. V. Prokopenko, V. M. Yakovenko, V. A. Yampol’skii, “Manifestation of the Aharonov-Bohm effect in the interaction of moving charges with a semiconductor nanotube with dielectric filling,” Phys. Rev. B, vol. 108, no. 775420, 2023, doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.108.075420.

Y. O. Averkov, Y. V. Prokopenko, V. A. Yampol’skii, “Manifestation of the Aharonov–Bohm effect in hydrodynamic instability of an electron beam moving along a semiconductor nanotube,” Low Temp. Phys., vol. 50, no. 5, pp. 396–408, 2024, doi: https://doi.org/10.1063/10.0025623.

Y. O. Averkov, Y. V. Prokopenko, V. M. Yakovenko, “Nonlinear theory of interaction between a tubular beam of charged particles and potential surface waves of plasma cylinder,” Telecommun. Radio Eng., vol. 78, no. 7, pp. 633–649, 2019, doi: https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v78.i7.70.

Y. O. Averkov, Y. V. Prokopenko, V. M. Yakovenko, “Nonlinear stabilization of resistive instability of a tubular charged particle beam moving above a solid-state plasma cylinder,” Plasma Phys. Reports, vol. 45, no. 6, pp. 565–572, 2019, doi: https://doi.org/10.1134/S1063780X19060011.

Y. O. Averkov, Y. V. Prokopenko, V. M. Yakovenko, “Numerical analysis of the interaction between a tubular beam of charged particles and a dielectric cylinder,” J. Exp. Theor. Phys., vol. 130, no. 5, pp. 737–747, 2020, doi: https://doi.org/10.1134/S1063776120030012.

Л. А. Вайнштейн, В. А. Солнцев, Лекции По Сверхвысокочастотной Электронике. Москва: Советское радио, 1973.

М. В. Кузелев, А. А. Рухадзе, П. С. Стрелков, Плазменная Релятивистская СВЧ-Электроника. Москва: МГТУ, 2002.

M. V. Nezlin, “Negative-energy waves and the anomalous Doppler effect,” Sov. Phys. Uspekhi, vol. 19, no. 11, pp. 946–954, 1976, doi: https://doi.org/10.1070/PU1976v019n11ABEH005357.

J. B. Pendry, A. J. Holden, W. J. Stewart, I. Youngs, “Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructures,” Phys. Rev. Lett., vol. 76, no. 25, pp. 4773–4776, 1996, doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.76.4773.

D. R. Smith, W. J. Padilla, D. C. Vier, S. C. Nemat-Nasser, S. Schultz, “Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity,” Phys. Rev. Lett., vol. 84, no. 18, pp. 4184–4187, 2000, doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.4184.

М. Л. Дмітрук, В. Г. Литовченко, В. Л. Стрижевський, Поверхневі Полярітони у Напівпровідниках і Діелектриках. Київ: Наукова думка, 1989.

N. G. Matsiborko, I. N. Onishchenko, V. D. Shapiro, V. I. Shevchenko, “On non-linear theory of instability of a mono-energetic electron beam in plasma,” Plasma Phys., vol. 14, no. 6, pp. 591–600, 1972, doi: https://doi.org/10.1088/0032-1028/14/6/003.

B. M. Marder, M. C. Clark, L. D. Bacon, J. M. Hoffman, R. W. Lemke, P. D. Coleman, “The split-cavity oscillator: a high-power E-beam modulator and microwave source,” IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 20, no. 3, pp. 312–331, 1992, doi: https://doi.org/10.1109/27.142833.

Y. O. Averkov, V. M. Yakovenko, “Role of the Ridley-Watkins-Hilsum mechanism in the stabilization of surface plasma waves,” Plasma Phys. Reports, vol. 27, no. 7, pp. 608–613, 2001, doi: https://doi.org/10.1134/1.1385440.

Y. O. Averkov, V. M. Yakovenko, “Cherenkov radiation by an electron bunch that moves in a vacuum above a left-handed material,” Phys. Rev. B, vol. 72, no. 20, p. 205110, 2005, doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.205110.

Y. O. Averkov, F. G. Bass, V. M. Yakovenko, “Excitation of excitons in semi-infinite solids with a nonrelativistic electron beam,” Phys. Solid State, vol. 51, no. 1, pp. 61–68, 2009, doi: https://doi.org/10.1134/S1063783409010077.

Y. O. Averkov, A. V. Kats, V. M. Yakovenko, “Electron beam excitation of left-handed surface electromagnetic waves at artificial interfaces,” Phys. Rev. B, vol. 79, no. 19, p. 193402, 2009, doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.79.193402.

Y. O. Averkov, A. V. Kats, V. M. Yakovenko, “Interaction of surface electromagnetic waves with an electron beam moving along the interface between metamaterials,” Tech. Phys., vol. 54, no. 9, pp. 1245–1254, 2009, doi: https://doi.org/10.1134/S1063784209090011.

Y. O. Averkov, V. M. Yakovenko, “Generation of transition radiation in the form of electromagnetic surface waves by electron bunches,” Plasma Phys. Reports, vol. 30, no. 6, pp. 519–526, 2004, doi: https://doi.org/10.1134/1.1768584.

Y. O. Averkov, “Transition radiation by an electron bunch that crosses the vacuum/left-handed material interface,” Telecommun. Radio Eng., vol. 63, no. 5, pp. 419–433, 2005, doi: https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v63.i5.50.

Ю. О. Аверков, В. М. Яковенко, “Переходное излучение нестационарных волн электронным сгустком, пересекающим двумерный электронный газ,” Вопросы атомной науки и техники, no. 5, pp. 10–14, 2006, uri: http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/80434.

Н. Н. Гадецкий, И. И. Магда, С. И. Найстетер, Ю. В. Прокопенко, В. И. Чумаков, “Генератор на сверхкритическом токе РЭП с управляемой обратной связью - виртод,” Физика плазмы, vol. 19, no. 4, pp. 530–537, 1993, uri: https://scholar.google.com.ua/citations?view_op=view_citation&hl=ru&user=Jdz7zU8AAAAJ&citation_for_view=Jdz7zU8AAAAJ:eQOLeE2rZwMC.

A. A. Rukhadze, S. D. Stolbetsov, V. P. Tarakanov, “Vircators (a review),” Sov. J. Commun. Technol. Electron., vol. 37, no. 9, pp. 1–11, 1992.

P. T. Chupikov, R. J. Faehl, I. N. Onishchenko, Y. V. Prokopenko, S. S. Pushkarev, “Vircator efficiency enhancement assisted by plasma,” IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 34, no. 1, pp. 14–17, 2006, doi: https://doi.org/10.1109/TPS.2005.863590.

D. V. Medvedev, N. I. Onishchenko, B. D. Panasenko, Y. V. Prokopenko, S. S. Pushkarev, P. T. Chupikov, “Ion acceleration in plasma injected into spatiotemporally modulated supercritical relativistic electron beam,” Tech. Phys. Lett., vol. 34, no. 9, pp. 789–791, 2008, doi: https://doi.org/10.1134/S1063785008090228.

П. Т. Чупиков, И. Н. Онищенко, Ю. В. Прокопенко, С. С. Пушкарёв, А. М. Егоров, “СВЧ генерация сверхкритическим РЭП при наличии плазмы,” Вопросы атомной науки и техники, vol. 43, no. 2, pp. 158–160, 2004, uri: https://vant.kipt.kharkov.ua/ARTICLE/VANT_2004_2/article_2004_2_158.pdf.

Ю. И. Блиох, И. И. Магда, С. И. Найстетер, Ю. В. Прокопенко, “Исследование частотного спектра одномерной СВЧ системы на виртуальном катоде,” Физика плазмы, vol. 18, no. 9, pp. 1191–1197, 1992.

Автоколивальна система на базі циліндричного діелектричного резонатора з модами «шепочучої галереї»

Опубліковано

2024-03-25

Як цитувати

Прокопенко, Ю. В., Аверков, Ю. О., & Дормідонтов, А. В. (2024). Генерація електромагнітних хвиль на основі ефектів взаємодії рухливих заряджених частинок з полями збуджувальних ними власних мод хвилевідних та резонаторних структур (огляд). Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 67(3), 137–166. https://doi.org/10.20535/S0021347024030038

Номер

Розділ

Оглядові статті