[論文レビュー] Electrodynamical properties of a "grid" volume resonator for travelling wave tube and backward wave oscillator

V.G. Baryshevsky, A. A. Gurinovich|ArXiv.org|Sep 21, 2004

Gyrotron and Vacuum Electronics Research被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、長方形波ドーナル内に配置された金属線の周期的配列からなる「グリッド」体積共鳴器の電磁力学的性質を調査し、X線動的回折におけるボルマン効果に類似した回折効果によって、電磁波の異常透過が実現可能であることを示している。本研究では、周期的散乱に起因する偏光依存性の波動伝搬およびモード識別が生じ、これによりトレイリング波管およびバックワード波発振器における効率的相互作用が可能となり、高出力化が実現されるとともにビームガイドラインの制約が軽減される。

ABSTRACT

The electrodynamical properties of a volume resonator formed by a perodic structure built from the metallic threads inside a rectangular waveguide ("grid" volume resonator) is considered for travelling wave tube and backward wave oscillator operation. Peculiarities of passing of electromagnetic waves with different polarizations through such volume resonator are discussed.

研究の動機と目的

• ミリ波およびサブミリ波応用を想定した長方形波ドーナル内に周期的配置された金属線からなる体積共鳴器の電磁力学的挙動を分析すること。
• 横方向寸法の制限に起因するビームガイドライン要件の厳格さや、出力パワーの低さといった従来の遅い波構造の限界を解決すること。
• 金属線アレイにおける回折グリッド効果が、体積的分散相互作用を可能にし、トレイリング波管およびバックワード波発振器における効率および出力容量の向上に寄与する仕組みを探索すること。
• 特にブラッグ的回折条件下における、偏光依存性の透過およびモード識別を、共鳴器内で調査すること。
• 波ガイド固有モード展開および有効屈折率モデルを用いて、周期的金属構造内での波動伝搬および散乱の理論的枠組みを確立すること。

提案手法

• 散乱場の積分表現およびハンケル関数を用いた単一金属円筒体からの電磁波散乱のモデル化。
• 横方向位置の和を用いた周期的円筒アレイへの拡張を行い、構造全体の有効屈折率を導出すること。
• 散乱振幅 A₀ から複素屈折率 n = n' + in'' を導出する。ここで、xおよびy方向の周期性に起因する位相差および減衰効果を含む。
• ゆっくり変化する振幅法を用いて、グリッドに起因する分散および結合を考慮したモード振幅の連立波動方程式を導出すること。
• 波ガイド固有モード Yλmn における電場展開を行い、非局所的および分散的効果を感受率テンソル χ を通じて含めたモード振幅 Cλmn(z,t) の連立微分方程式系を導出すること。
• 形式的枠組みを用いて、グリッド回転およびブラッグ条件近接下におけるモード混合を分析し、共鳴器内での結合波動相互作用の記述を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長方形波ドーナル内に周期的配置された金属線アレイは、X線回折におけるボルマン効果に類似した電磁波の異常透過を実現可能か？
• RQ2 線軸に対して平行または垂直な異なる偏光状態が、グリッド共鳴器内の透過およびモード結合にどのように影響を与えるか？
• RQ3 有効屈折率は、線間隔、半径、周波数にどのように依存するか？
• RQ4 複数波ブラッグ回折を用いたモード識別は、どの程度達成可能であり、デバイス効率にどのように影響を与えるか？
• RQ5 金属線構造内の分散的および非局所的効果は、異なる波ガイドモード間の結合および全体の波増幅プロセスにどのように影響を与えるか？

主な発見

• グリッド共鳴器の有効屈折率は、線間隔、半径、周波数の複素関数として導出され、共鳴条件下では実部が1を上回ることを示し、異常位相速度を示唆する。
• 回折条件が満たされた場合、X線結晶回折におけるボルマン効果に類似した、増幅された透過および位相差を特徴とする異常透過が共鳴器で実現可能である。
• 横磁気（TM）偏光では、散乱振幅 A₀(∥) がベッセル関数およびノイマン関数を用いて表現され、kR および線半径に依存する複素屈折率が得られる。
• 横電気（TE）偏光では、散乱振幅 A₀(⊥) がベッセル関数の微分を含み、TM偏光と比較して異なる分散および減衰特性を示す。
• ブラッグ条件下では強いモード結合が実現され、グリッドの回転により異なる波ガイドモードの混合が可能となり、バックワード波発振器におけるチューナブルな増幅に応用可能である。
• 理論的モデルは、グリッド共鳴器における体積的分散相互作用が、ビームガイドラインの制約を軽減しつつ高出力動作を可能にすると予測している。