• Українська
  • English
  • Русский
ISSN 2415-3400 (Online)
ISSN 1028-821X (Print)

Потери энергии заряженной частицы при взаимодействии с диэлектрическим цилиндром

Аверков, ЮО, Прокопенко, ЮВ, Яковенко, ВМ
Organization: 

Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины
12,
 ул. Акад. Проскуры, Харьков, 61085, Украина
E-mail: yuriyaverkov@gmail.com ; prokopen@ire.kharkov.ua ; yavm@ire.kharkov.ua 

Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина
4, пл. Свободы, Харьков, 61022, Украина 

Харьковский национальный университет радиоэлектроники
14, пр. Науки, Харьков, 61166, Украина

https://doi.org/10.15407/rej2020.01.060
Язык: русский
Аннотация: 

 

Предмет и цель работы. Создание генераторов электромагнитного излучения миллиметровых и субмиллиметровых длин волн является перспективным направлением развития радиофизики. Такие генераторы востребованы в медицине, биологии, спектроскопии, беспроводной широкополосной связи и в других отраслях науки и техники. Одним из способов генерации волн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов является взаимодействие потоков заряженных частиц со сверхразмерными электродинамическими структурами, работающими в многомодовом режиме. В этой связи важным является понимание элементарных физических механизмов, лежащих в основе такого взаимодействия. В настоящей работе решена задача о возбуждении собственных объемно-поверхностных мод твердотельного цилиндра нерелятивистским электроном, движущимся в вакууме над поверхностью такого цилиндра параллельно его оси. В силу нерелятивистского характера движения электрона его поле и поле излучения в вакууме рассчитывались в электростатическом приближении, а поля внутри цилиндра – с учетом эффекта запаздывания.

Методы и методология работы. С использованием уравнений Максвелла и представлений полей в виде набора пространственно-временных гармоник получено аналитическое выражение для потерь энергии электрона на возбуждение собственных объемно-поверхностных мод диэлектрического цилиндра. Анализ этого выражения был выполнен численно с применением метода деления отрезка пополам для поиска корней дисперсионного уравнения.

Результаты работы. Показано, что наиболее эффективно возбуждаются моды E-типа. При этом величины потерь энергии электрона на возбуждение мод E-типа приблизительно на два порядка превосходят величины потерь на возбуждение мод H-типа с теми же значениями азимутального и радиального модовых индексов. Наибольшие потери энергии электрона соответствуют возбуждению HE11-моды.

Заключение. Полученные результаты позволяют глубже понять физический механизм, лежащий в основе генерации собственных мод диэлектрического цилиндра заряженными частицами и могут быть обобщены на случай многоструйного электронного пучка, использующегося для генерации электромагнитных мод «шепчущей галереи». 

Ключевые слова: излучение электрона, моды магнитного типа, моды электрического типа, объемно-поверхностные моды, электростатическое приближение

Статья поступила в редакцию 29.07.2019
PACS: 03.50-z; 41.60.Bq; 42.60.Da
УДК 533.922
Radiofiz. elektron. 2020, 25(1): 60-69
Полный текст (PDF)
 

References: 
  1. Pickwell E., Cole B.E., Fitzgerald A.J., Wallace V.P., Pepper M. Simulation of terahertz pulse propagation in biological systems. Appl. Phys. Lett. 2004. Vol. 84, Iss. 12. P. 2190–2192. DOI: 10.1063/1.1688448.
  2. Ashwort P.C., Pickwell-MacPherson E., Provenzano E., Pinder S.E., Purushotham A.D., Pepper M., Wallace V.P. Terahertz pulsed spectroscopy of freshly excised human breast cancer. Opt. Express. 2009. Vol. 17, Iss. 15. P. 12444–12454. DOI: 10.1364/OE.17.012444.
  3. Yang Y., Shutler A., Grischkowsky D. Measurement of the transmission of the atmosphere from 0.2 to 2 THz. Opt. Express. 2011. Vol. 19, Iss. 9. P. 8830–8838. DOI: 10.1364/OE.19.008830.
  4. Nagatsuma T., Horiguchi S., Minamikata Y., Yoshimizu Y., Hisatake S., Kuwano S., Yoshimoto N., Terada J., Takahashi H. Terahertz wireless communications based on photonics technologies. Opt. Express. 2013. Vol. 21, N 21. P. 23736–23747. DOI: 10.1364/OE.21.023736.
  5. Kemp M.C. Explosive detection by terahertz spectroscopy – a bridge too far? IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2011. Vol. 1, N 1. P. 282–292. DOI: 10.1109/TTHZ.2011.2159647.
  6. Дормидонтов А.В., Кириченко А.Я., Лонин Ю.Ф., Пономарев А.Г., Прокопенко Ю.В., Сотников Г.В., Уваров В.Т., Филиппов Ю.Ф. Автоколебательная система на основе диэлектрического резонатора с модами «шепчущей галереи». Письма в журн. техн. физики. 2012. Т. 38, вып. 2. С. 65–73.
  7. Силин В.П., Рухадзе А.А. Электромагнитные свойства плазмы и плазмоподобных сред. Москва: Госатомиздат, 1961. 244 с.
  8. Аверков Ю.О., Прокопенко Ю.В., Яковенко В.М. Потери энергии заряженной частицы на возбуждение поверхностных магнитоплазмонов в структуре с двумерной и трехмерной плазмой. Журн. эксперим. и теорет. физики. 2015. Т. 148, № 4(10). С. 799–805. DOI: 10.7868/S004445101510017X.
  9. Справочник по специальным функциям: с формулами, графиками и таблицами. Под ред. М. Абрамовица, И. Стиган. Москва: Наука, 1979. 832 с.
  10. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Под ред. И.Г. Арамановича. Москва: Наука, 1974. 831 с.
  11. Владимиров В.С. Обобщенные функции в математической физике. Москва: Наука, 1979. 320 с.
  12. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. Москва: Радио и связь, 1988. 440 с.
  13. Ильченко М.Е., Взятышев В.Ф., Гассанов Л.Г., Безбородов Ю.М. Диэлектрические резонаторы. Под ред. М.Е. Ильченко. Москва: Радио и связь, 1989. 328 с.
  14. Кириченко А.Я., Прокопенко Ю.В., Филиппов Ю.Ф., Черпак Н.Т. Квазиоптические твердотельные резонаторы. Киев: Наук. думка, 2008. 286 с.;
  15. Аверков Ю.О., Прокопенко Ю.В., Яковенко В.М. Неустойчивость трубчатого электронного пучка при взаимодействии с плазмоподобной средой. Радиофизика и электроника. 2016. Т. 7(21), № 2. С. 28–35.
  16. Аверков Ю.О., Прокопенко Ю.В., Яковенко В.М. Взаимодействие потока заряженных частиц трубчатого пучка с собственными колебаниями диэлектрического цилиндра. Радиофизика и электроника. 2016. Т. 7(21), № 4. С. 68–76.
  17. Аверков Ю.О., Прокопенко Ю.В., Яковенко В.М. Неустойчивость трубчатого электронного пучка, движущегося над диэлектрическим цилиндром. Журн. техн. физики. 2017. Т. 87, № 10. С. 1571–1577. DOI: 10.21883/JTF.2017.10.45003.2015.
  18. Аверков Ю.О., Прокопенко Ю.В., Яковенко В.М. Спектры собственных волн анизотропного цилиндрического твердотельного волновода. Журн. техн. физики. 2019. Т. 89, № 1. С. 9–15. DOI: 10.21883/JTF.2019.01.46954.2438.