Приведен численный анализ плотности энергии гармоник дифракционного излучения, возбуждаемого электронным потоком в металло-диэлектрическом канале, образованном поверхностями плоского металлического экрана и ленточной дифракционной решетки, нанесенной на слой диэлектрика. Выбранный подход позволяет изучить степень влияния высших гармоник на резонансные свойства излучения в широком интервале изменения параметров системы.

Наведено наукові результати дифракційної електроніки, одержані у процесі досліджень дифракційного випромінювання (ДВ), генерації та підсилення електромагнітних хвиль електронним потоком у відкритих електродинамічних структурах з дифракційною граткою. Проаналізовано тонку структуру ДВ (випромінювання Сміта - Парсела) та фізичні процеси перетворення енергії електронного потоку у генераторах дифракційного випромінювання (ГДВ), включаючи відбивний ГДВ, імпульсний ГДВ, малогабаритній ГДВ, ГДВ з дифракційною граткою типу ланцюжка пов'язаних резонаторів та в інших запропонованих і досліджених пристроях зроблено порівняльний аналіз досягнень у дифракційній електроніці в Україні, Росії, США та в інших країнах.

Приведены научные результаты дифракционной электроники, полученные при исследовании дифракционного излучения (ДИ), генерации и усиления электромагнитных волн электронным потоком в открытых электродинамических структурах с дифракционной решеткой. Проанализированы тонкая структура ДИ (излучения Смита - Парселла) и физические процессы преобразования энергии электронного потока в генераторах дифракционного излучения (ГДИ), включая отражательный ГДИ, импульсный ГДИ, малогабаритные ГДИ, ГДИ с дифракционной решеткой типа цепочки связанных резонаторов и в других предложенных и исследованных устройствах. Проведен сравнительный анализ достижений в дифракционной электронике в Украине, России, США и в других странах.

Advancements in diffraction electronics are shown due to studies of diffraction radiation and research into the generation and amplification of electromagnetic waves by an electron beam in open electromagnetic configurations with a diffraction grating. The thin structure of the diffraction (Smith-Purcell) radiation is analyzed together with the physical processes of electron beam energy transformation in the diffraction radiation oscillator (DRO), including reflection DRO, pulsed DRO, small-size DRO,DRO with a diffraction grating like a chain of coupled resonators, and some other devices developed and tested. A comparative analysis is given to the achievements in diffraction electronics in Ukraine, Russia, the USA, etc.

Розглянуто (теоретично й експериментально) електронно-хвильовий механізм перетворення енергії електроного потоку у випромінювання Сміта - Парселла в нерелятивістських пристроях типу генератор дифракційного випромінювання (ГДВ). В наближенні заданого падаючого на відбивну гратку ("гребінку") електромагнітного поля вперше одержано та проаналізовано діаграми спрямованості випромінювання Сміта - Парселла (дифракційного випромінювання (ДВ). Показано, що структура та вид (форма) діаграми спрямованості випромінювання переважно визначаються динамічними параметрами електронного потоку (ЕП), якій створюється в процесі взаємодії ЕП з полем поверхневої дифракційної гармоніки гратки. Збудження випромінювння пояснюється електронно-хвильовим механізмом перетворення поля поверхневої дифракційної гармоніки гратки в просторову гармоніку об'ємної хвилі ДВ. Побудовано рівняння збудження ДВ відкритого резонатора (ВР) ГДВ; проаналізовано рішення цього рівняння в лінійному наближенні. Одержані результати пояснюють низку явищ, виявленних в експерименті, зокрема, поглинання та підсилення електромагнітного коливання в ГДВ, биття коливань, збуджуваних у ВР ГДВ і НВЧ сигналом від стороннього джерела.

Рассмотрен (теоретически и экспериментально) электронно-волновой механизм преобразования энергии электронного потока в излучение Смита - Парселла в нерелятивистских приборах типа генератор дифракционного излучения (ГДИ). В рамках заданного падающего на отражательную решетку ("гребенку") электромагнитного поля впервые определены и проанализированы диаграммы направленности излучения Смита - Парселла (дифракционного излучения (ДИ). Показано, что структура и вид (форма) диаграммы направленности излучения преимущественно определяются динамическими параметрами электронного потока (ЭП), который образуется в процессе взаимодействия ЭП с полем поверхностной дифракционной гармоники решетки. Возбуждение излучения объясняется электронно-волновым механизмом преобразования поля поверхностной дифракционной гармоники решетки в пространственную гармонику объемной волны ДИ. Построено уравнение возбуждения ДИ открытого резонатора (ОР) ГДИ; проанализировано решение этого уравнения в линейном приближении. Полученные результаты объясняют ряд явлений, обнаруженных в эксперименте, в частности, поглощение и усиление электромагнитного колебания в ГДИ, биение колебаний, возбуждаемых в ОР ДИ и СВЧ сигналом от внешнего источника.

The electron-wave mechanism of electron beam energy transformation into Smith - Purcell radiation in non-relativistic DRO type devices has been considered theoretically and experimentally. In the context of preset incident on reflecting grating electromagnetic field the directional pattern of Smith-Purcell radiation has been defined and analyzed. It is shown that directional pattern form primarily defined by dynamic parameters of electron beam (EB) which is formed by interaction of EB with grating surface diffraction harmonic field. Radiation excitation is explained by electron-wave mechanism of transformation of grating surface diffraction harmonic into space harmonic of diffraction radiation (DR). The equation of DRO open resonator excitation was constructed; solutions of the equation have been analyzed in linear approximation. The obtained results explain series of facts are visualized in experiment, specifically, the attenuation, amplification and beating of DRO oscillation.

Теоретически и экспериментально исследовано влияние плазменных волн пространственного заряда на диаграммы направленности излучения модулированного электронного потока, движущегося вблизи однородной дифракционной решетки ограниченной длины (излучение Смита - Парселла).

Узагальнено методики, а також результати числового й експериментального моделювання хвильових процесів під час збудження дифракційного та черенковського випромінювань на періодичних металодіелектричних структурах.

Розглянуто основні аспекти використання радіаційних ефектів зарядів, що рухаються, з метою генерування та посилення міліметрових і субміліметрових хвиль. Основну увагу приділено черенковському, перехідному та Сміта - Парселла (дифракційному) випромінюванням, що в наш час знаходять широке застосування в дифракційній електроніці. Сформульовано проблему та проаналізовано основні результати досліджень пристроїв дифракційної електроніки нового напрямку: приладів із просторово-розвинутими структурами та просторово-неоднорідними статистичними полями.

В рамках теории малого сигнала рассмотрено усиление высокочастотных колебаний в распределенной полупроводниковой структуре на эффекте Смита - Парселла. Плазма в полупроводнике рассмотрена в квазигидродинамическом приближении. Получено характеристическое уравнение и проведено его численное решение для образца арсенида галлия.

У межах теорії малого сигналу досдіджено підсилення високочастотних коливань у розподіленій напівпровідниковій структурі на ефекті Сміта-Парселла. Плазму у напівпровіднику розглянуто у квазігідродинамічному наближенні. Одержано характеристичне рівняння та проведено його числовий розв'язок.

Запропоновано емпіричний метод визначення амплітуди статичних пульсацій товщини електронного потоку, створеного електронною гарматою в генераторі дифракційного випромінювання та інших приладах О-типу мікрохвильової електроніки. За допомогою цього методу для діодної електронної гармати з плоскими електродами одержано формули для розрахунку з високою точністю амплітуди пульсацій стрічкового потоку. Результати розрахунків узгоджуються з експериментом.

Вивчено особливості прояву аномального дифракційного випромінювання (АДВ) у планарній резонансній структурі з металодіелектричною граткою. У наближенні заданого струму, для строгої математичної постановки, одержано систему лінійних рівнянь і її аналітичне рішення в довгохвильовому наближенні, що дозволяють при довільних параметрах структури провести порівняльний аналіз характеристик АДВ з іншими видами випромінювань, збуджуваних електронним потоком у металодіелектричній гратці. Вказано можливості практичного використання АДВ для мікромініатюризації приладів і пристроїв дифракційної електроніки.

Теоретически исследовано влияние поля излучения Смита-Парселла (ИСП) на электронный поток (ЭП) в приборах типа генератора дифракционного излучения (ГДИ). Показано, что действие поля ИСП на ЭП приводит к "радиационному" торможению электронного потока и последующему изменению диаграммы направленности излучения, мощности взаимодействия ЭП и других характеристик ГДИ.

Рассмотрена теория колебания в генераторах дифракционного излучения (ГДИ) с открытым резонатором (ОР), имеющим в спектре основную и высшую моды, близкие по собственным частотам. Исследованы стационарные и переходные режимы. Получены решения, описывающие устойчивый режим двухмодовой генерации при взаимодействии электронного потока (ЭП) с основной и высшей модами. Физические особенности взаимодействия ЭП потока с полем мод ОР ГДИ проанализированы с помощью фазового портрета ансамбля крупных частиц. Полученные результаты сравнены с экспериментом.

В параксиальном приближении теоретически исследованы особенности формирования и структуры электронного потока в генераторах дифракционного излучения (ГДИ) с учетом изменения фокусирующего магнитного поля и потенциала на зеркалах открытого резонатора. Отмечены отличительные особенности электронного потока в ГДИ и в ЛОВО. Результаты исследования удовлетворительно согласуются с экспериментальными измерениями статических параметров электронного потока в ГДИ.

A two-dimensional theory of the splitting effect of the far-field pattern of diffraction radiation caused by the excitation of plasma waves of the space charge in the electron flow is developed. The electron flow is moving close to one or more localized inhomogeneities in the form of rectangular cavities on the metal surface. The problem is reduced to a singular integral equation for the amplitudes of the radiation field. The far-field patterns of Smith - Purcell radiation are obtained in the particular case where a sequence of cavities forms a uniform grating of finite length. Features of the splitting effect are determined depending on the electron flow parameters that are verified by the experimental measurements. The theory results are perspective for the determination of the radiation characteristics of spatially developed periodic structures in the devices of diffraction electronics.

Основной задачей современной вакуумной электроники является повышение энергетических характеристик генераторов и увеличение частотного диапазона их работы. Впервые в приближении аналитической теории приводятся исследования физических процессов формирования статического ленточного электронного потока (ЭП) в пространстве взаимодействия генератора дифракционного излучения (ГДИ). Изучены процессы формирования ЭП вблизи поверхности дифракционной решетки при изменении различных физических и технических параметров электронно-оптической системы ГДИ с диодной электронной пушкой, в частности, от расстояния между зеркалами и параметров электронной пушки. Обнаружено, что в ГДИ и классических приборах О-типа ЭП отличаются.