[論文レビュー] Relativistic Split-Cavity Oscillator

V.G. Baryshevsky|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2014

Gyrotron and Vacuum Electronics Research参考文献 11被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、相対論的スプリットキャビティオシレーター（SCO）における高出力マイクロ波（HPM）発生の可能性を評価するために、小信号解析を適用する。ビーム自己変調が相対論的電子ビームエネルギーが300–400 keV未塔で最も効果的であることが示され、ビーム電流が増加することで高エネルギー域でも強化された変調が可能となり、外部磁場を必要としない効率的な HPM 発生が実現可能である。

ABSTRACT

Using the method of small signal analysis, we study the application potential of relativistic electron beams in split-cavity oscillators (SCO's). A beam-energy change in the SCO as a function of the initial energy of a relativistic beam is considered. It is shown that the small-signal analysis method enables adequate evaluation of SCO parameters needed for effective modulation of a relativistic beam in a split cavity and for HPM generation using SCO's. The range of energies is found for which the effect of self-modulation of the beam density in SCO structures is most pronounced. It is also shown that for beam currents at which the space charge has little effect on the motion of electrons in a beam, the beam in a split-cavity oscillator is effectively self-modulated at beam energies less than ~300-400 keV. The self-modulation drops sharply in the range of energies from 250 to 400 keV, but as the beam current is increased, the effective beam self-modulation becomes appreciable in this range too, as well as even in a higher energy range.

研究の動機と目的

• 相対論的電子ビームを用いたスプリットキャビティオシレーター（SCO）の高出力マイクロ波（HPM）発生への実現可能性を評価すること。
• 従来非相対論的ビームに適用されてきた小信号解析を、SCO 構造における相対論的ビーム条件へと拡張すること。
• 効果的な HPM 発生に向け、ビーム自己変調が顕著に現れるエネルギーおよび電流領域を同定すること。
• 空間電荷効果が最小限であるが、同時にビーム変調が効果的である SCO 構成における条件を特定すること。

提案手法

• 非相対論的ビームから相対論的電子ビームへの小信号解析の適応を、スプリットキャビティオシレーターの幾何構造に適用する。
• ピルボックスキャビティに中央スクリーンを有する構造において、時間変動するRF電場下での相対論的電子ビームの縦方向運動をモデル化する。
• ローレンツ因子および相対論的運動量の式を用いて、粒子の軌道およびキャビティ内通過時間を導出する。
• 解析的扱いやすさを確保するため、小さなパラメータ ε = eE₀/(mγ₀v₀ω) を用いて通過時間式を一次までテイラー展開する。
• 初期ビームエネルギーおよびRF電場パラメータに依存するビームエネルギー変化および位相シフトの式を導出する。
• スペクトル的・角度的分布およびビーム変調深さを用いて、変調されたビームからのコherent遷移放射能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スプリットキャビティオシレーター内における相対論的電子ビームの自己変調が最も効果的となるビームエネルギー範囲は何か？
• RQ2 ビーム電流を増加させると、250–400 keV のエネルギー範囲におけるビーム自己変調の効果はどのように変化するか？
• RQ3 小信号解析は、相対論的ビームを用いた効果的な HPM 発生のための SCO パrameter を正確に予測できるか？
• RQ4 空間電荷効果が無視できる状況下で、ビーム電流およびエネルギーが自己変調を効果的に発生させる役割を果たす条件は何か？

主な発見

• ビーム自己変調は、相対論的電子ビームエネルギーが約 300–400 keV 未満で顕著に現れる。
• 低電流では 250–400 keV 範囲で自己変調が急激に低下するが、電流が増加すると再び顕著に現れるようになる。
• 空間電荷効果が無視できる状況では、効果的な自己変調は 300–400 keV 未満のエネルギー領域で発生する。
• ビーム電流が増加することで、効果的な自己変調は 250–400 keV 範囲およびそれ以上の高エネルギー領域へと拡大される。
• ビーム電流 4–6 kA、エネルギー 400–500 keV、変調深さ μ ≥ 0.5 の条件下で、コherent遷移放射能は数百メガワットに達する可能性がある。
• SCO 構造は、光子結晶ベースのボリューム自由電子レーザーと同様に、外部磁場を必要としない効率的な HPM 発生を可能にする。