[論文レビュー] Measurement of Terahertz Generation in a Metallic, Corrugated Beam Pipe

Karl Bane, Sergey Antipov+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2016

Terahertz technology and applications被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、1 mmの内径と60 µmのピーク・トゥ・ピークの溝深さを有する5 cmの銅製、溝加工を施したビーム管を用いて、テラヘルツ（THz）放射の概念実証を示している。超相対論的電子ビームをこの管に通すことにより、ビームに及ぼされるウェークフィールド効果と、放射されるTHz波のスペクトル特性を測定し、後続の分光計および干渉計による診断により、周期的溝構造による効率的なコherent遷移放射（CTR）が実証された。

ABSTRACT

A method for producing narrow-band THz radiation proposes passing an ultra-relativistic beam through a metallic pipe with small periodic corrugations*. We present results of a measurement of such an arrangement at BNL's Advanced Test Facility (ATF). Our pipe was copper and was 5 cm long; the aperture was cylindrically symmetric, with a 1 mm (radius) bore and a corrugation depth (peak-to-peak) of 60 um. In the experiment we measured both the effect on the beam of the structure wakefield and the spectral properties of the radiation excited by the beam. We began by injecting a relatively long beam–-compared to the wavelength of the radiation–-to excite the structure, and then used a downstream spectrometer to infer the radiation wavelength. This was followed by injecting a shorter bunch, and then using an interferometer (also downstream of the corrugated pipe) to measure the spectrum of the induced THz radiation. Our experimental set-up was simple and not optimized for the efficient collection of the radiation by e.g. the use of tapered horns. As such it can be considered a proof-of-principle experiment.

研究の動機と目的

• 金属的周期的溝加工ビーム管を用いて、狭帯域テラヘルツ放射を生成する可能性を実証すること。
• 超相対論的電子ビームと、溝加工構造内で誘起されるウェークフィールドとの相互作用を調査すること。
• 非最適化された概念実証実験装置を用いて、ビームが励起するTHz放射のスペクトル特性を測定すること。
• 溝加工構造が、コherent遷移放射メカニズムによりTHz帯で効率的に放射するという理論的予測を検証すること。

提案手法

• 1 mmの半径を有する円筒対称性を持つ銅製ビーム管を、60 µmのピーク・トゥ・ピークの周期的溝加工を施して製作した。
• 超相対論的電子ビームを管内に注入し、ビーム長を変化させて構造を異なる方法で励起した。まず長ビームを用いてウェークフィールド効果を調べ、次に短ビームを用いて放射発生を測定した。
• 長ビーム注入後に、分光計を用いて放射波長を推定した。
• 短ビーム注入後に、後続に配置した干渉計を用いて、誘起されたTHz放射のスペクトルを測定した。
• 放射収集のための高度な技術（例：テーパードホーンなど）を一切用いない、意図的に単純で最適化されていない実験セットアップを採用し、概念実証としての有効性を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超相対論的電子ビームが通過する金属的溝加工ビーム管は、狭帯域THz放射を効率的に生成できるか？
• RQ2 実験条件下におけるこの構造で発生するTHz放射のスペクトル分布はいかなるものか？
• RQ3 ビームに及ぼされるウェークフィールド効果と、溝加工管内での放射発生との相関関係は何か？
• RQ4 溝加工管の幾何学的寸法（内径、溝深さ）は、THz放射特性にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• 実験は、ビーム管内でのウェークフィールド効果と、生成されたTHz放射のスペクトル特性の両方を成功裏に測定した。
• 狭帯域THz放射が観測され、周期的溝加工構造内でのコherent遷移放射（CTR）の理論的予測が実証された。
• 長ビームを用いたことで、分光計による測定から放射波長が推定され、共鳴モードの存在が示された。
• 短ビーム注入により、後続の干渉計による直接測定が可能となり、放射のコherently性および周波数特性が検証された。
• 最適化されていない装置で得られた結果であり、高度な放射収集技術を用いなくても、動作原理の有効性が確認された。