[論文レビュー] First observation of generation in the backward wave oscillator with a "grid" diffraction grating and lasing of the volume FEL with a "grid" volume resonator

V.G. Baryshevsky, К. Г. Батраков+6 more|ArXiv.org|Sep 24, 2004

Gyrotron and Vacuum Electronics Research被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、長方形波ガイド内に周期的な金属線を配置した「グリッド」ボリュームレゾネータから成るボリューム自由電子レーザー（VFEL）におけるレーザー発振の初回実験的観測を報告している。また、同様のグリッド回折格子を用いた逆方向波発振器（BWO）でも効果的な発振が達成された。200 keV、2 kAのアンニュラービームを用いて10 GHzで10 kWの放射パワーを達成した。これは、高出力・広帯域テラヘルツ波生成に向けたグリッドベースのボリュームレゾネータの実用可能性と耐久性を示している。

ABSTRACT

First observation of generation in the backward wave oscillator with a "grid" diffraction grating and lasing of the volume FEL with a "grid" volume resonator that is formed by a perodic set of metallic threads inside a rectangular waveguide is considered.

研究の動機と目的

• 長方形波ガイド内に周期的な金属線を配置して形成された「グリッド」ボリュームレゾネータを用いたボリューム自由電子レーザー（VFEL）におけるレーザー発振の実現可能性を示すこと。
• 高出力電子ビーム励起条件下での「グリッド」ボリュームレゾネータの性能と耐久性を検証すること。
• 「グリッド」回折格子をスローモード構造として用いた逆方向波発振器（BWO）の発振を観測すること。
• ミリ波およびサブミリ波発振に向けた非相対性および低相対性電子ビーム系におけるボリューム分散フィードバック（VDFB）の概念を検証すること。
• 従来の波ガイドやレゾネータの制限を克服し、分散相互作用によって横方向寸法を拡大し、出力パワーの向上を実現すること。

提案手法

• 直径0.1 mmのタングステン線を12.5 mm間隔で配置し、45 mm × 50 mm × 300 mmの長方形波ガイド内に「グリッド」ボリュームレゾネータを構築した。
• 200 keVのエネルギーと2 kAの電流を有するアンニュラービームを、グリッドとの有効な相互作用が発生する半径位置（δ ≤ λβγ/(4π)）を通るように照射した。
• 同一のレゾネータ構造を2つの実験に用いた：最初に単一グリッドを用いた逆方向波発振器（BWO）として、次に追加の回折格子を追加してボリューム分散フィードバック（VDFB）を実現した。
• 放射出力はパワーおよび周波数検出システムを用いて測定され、二重グリッド構造を用いたVFEL設定でレーザー発振が確認された。
• 先行理論的モデル[9]に基づき、グリッドレゾネータの電磁的特性を分析し、モード励起およびフィードバックメカニズムに焦点を当てた。
• 高出力電子ビーム負荷および放射放出条件下でのグリッドレゾネータの構造的耐久性を評価するための実験を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周期的な金属線から成る「グリッド」ボリュームレゾネータは、非相対性電子ビームを用いたボリューム自由電子レーザー（VFEL）において安定したレーザー発振を支持できるか？
• RQ2 「グリッド」回折格子をスローモード構造として用いたBWO設定において、達成可能な最大放射出力と周波数は何か？
• RQ3 グリッドベースのレゾネータにおけるボリューム分散フィードバック機構は、ミリ波およびサブミリ波帯域で効率的かつ耐久性のあるレーザー発振を可能にするか？
• RQ4 レゾネータの横方向寸法（波長よりも著しく大きい）が、発振効率およびモード制御に与える影響は何か？
• RQ5 長時間運転中に構造的劣化を示さずに、グリッドレゾネータは高電流電子ビーム負荷に耐えうるか？

主な発見

• 非相対性電子ビームを用いた「グリッド」ボリュームレゾネータを有するボリュームFELにおける初回の実験的レーザー発振が達成され、高出力テラヘルツ源としてのこの構成の有効性が裏付けられた。
• 二重グリッド構造を用いたVFEL設定で、10 GHzの周波数でピーク出力約10 kWの放射が実際に生成された。
• 単一「グリッド」回折格子を用いた逆方向波発振器（BWO）は、10 GHzで約1 kWの放射パルスを発生させ、初期の増幅能力を示した。
• 「グリッド」ボリュームレゾネータ構造は、高電流電子ビーム被曝に対しても耐久性を示し、試験中に構造的破壊は観測されなかった。
• 相互作用長および分散フィードバック機構により、効果的なボリューム相互作用が実現され、電子ビームの大部分が放射生成に寄与した。
• 理論的予測の妥当性が確認され、周期的な金属線を有するボリュームレゾネータは、ミリ波およびサブミリ波帯域で効率的かつ高出力の発振を可能にする。