[論文レビュー] Hybrid systems with virtual cathode for high power microwaves generation

V.G. Baryshevsky, A. A. Gurinovich|ArXiv.org|Mar 2, 2009

Ammonia Synthesis and Nitrogen Reduction参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、仮想カソード（vircator）系とフォトニック結晶を組み合わせたハイブリッド高出力マイクロ波（HPM）源を提案する。これにより、振動する電子からのブレムストラールーレーションと、周期的グリッド構造からの回折（遷移）放射という二重の放射メカニズムを実現する。フォトニック結晶は、遅延波構造および位相ロック共振器として機能し、複数周波数での同時動作を可能にするとともに、高出力電流処理能力と放射効率を向上させる位相ロック配列の発生器を実現する。

ABSTRACT

It is shown that use of a photonic crystal enables to construct several types of hybrid systems with virtual cathode, which could radiate due to different radiation mechanisms (bremsstrahlung and diffraction (transition) radiation) with different frequencies. Also mentioned that photonic crystal makes possible to create phase-locked array of generators.

研究の動機と目的

• 仮想カソードとフォトニック結晶構造をハイブリッド的に組み合わせることで、高出力マイクロ波源の効率と帯域幅を向上させること。
• フォトニック結晶を用いることで、電子ビームの空間電荷制限を克服し、電流制限閾値を向上させること。
• 周期的グリッド構造がコherentな回折放射を支持する仕組みを備えることで、複数の HPM 発生器の位相ロック動作を実現すること。
• 1つのコンactなシステムに、ブレムストラールーレーションと回折放射という二重の放射メカニズムを統合し、多周波数 HPM 放射を実現すること。
• フォトニック結晶を共振構造およびビーム透過媒体として用いることで、グリッド型トランジット波管（TWT）およびボリューム自由電子レーザー（VFEL）の実現可能性を示すこと。

提案手法

• 金属グリッドを用いてフォトニック結晶を形成し、周期的構造を構築することで、電子ビームの透過と電磁波の相互作用を両立させる。
• 空間電荷制限電流式 I_limit ≈ (mc³/e)G(γ²/³−1)³/² を用いて、仮想カソード形成のためのビーム電流閾値を決定する。
• 回折放射条件 ω = 2πp·v / [d(1−βn(ω,k)cosθ)] を適用し、周期的グリッドを通過する電子ビームからの放射周波数を計算する。
• 電子の振動によるブレムストラールーレーションを発生させる vircator と、周期的構造との相互作用による回折放射を発生させるグリッド TWT/VFEL を組み合わせたハイブリッドシステムを導入する。
• ビームの影響パラメータ δ ≤ λβγ/(4π) を用いて有効な相互作用範囲を定義し、ビーム厚さ Δ ≤ δ であることを保証することで、遅延波構造への効率的結合を実現する。
• フォトニック結晶の電子および電磁波透過性を活用し、複数の回折モードとフィードバックを可能にすることで、位相ロック動作を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォトニック結晶構造は、高出力マイクロ波システムにおいて、電子ビームの透過とコherentな電磁波放射を同時に可能にするか。
• RQ2 フォトニック結晶の導入が、仮想カソードベースの HPM ソースにおける空間電荷制限電流をどのように向上させるか。
• RQ3 周期的グリッド構造が、1つの HPM 装置内で二重の放射メカニズム（ブレムストラールーレーションと回折放射）を実現するために果たす役割は何か。
• RQ4 相互接続されたフォトニック結晶共振器内の回折波結合を通じて、HPM 発生器の位相ロック配列を実現できるか。
• RQ5 ハイブリッド vircator-グリッド TWT/VFEL システムは、異なる放射メカニズムを介して、どの程度の多周波数動作を達成できるか。

主な発見

• フォトニック結晶により、ブレムストラールーレーションと回折（遷移）放射という二重のメカニズムを用いたマイクロ波の同時発生が可能となり、それぞれ異なる周波数で発生する。
• フォトニック結晶の導入により、ポテンシャルのバランスが得られ、ビーム真空電流の上限が向上し、超臨界ビーム電流での動作が可能になる。
• フォトニック結晶を用いたグリッド TWT（または VFEL）は、複数の回折電磁波を支持し、隣接する共振器間でのフィードバックとコherent結合を可能にする。
• 周期的グリッド構造における回折波の励起を通じて、複数の発生器の位相ロック動作が実現され、コherentなアレイが形成される。
• 250 keV の電子ビームを 30 GHz で使用した場合、ビームの影響パラメータ δ ≈ 0.9 mm であり、遅延波構造との効率的相互作用を実現するにはビーム厚さが 0.9 mm 以下である必要がある。
• 系は、振動する電子がブレムストラールーレーションを発生させ、通過するビームブンチが回折放射を励起する複合的な電子運動を支持しており、合計出力電力の増大が実現される。