[논문 리뷰] Hybrid systems with virtual cathode for high power microwaves generation

V.G. Baryshevsky, A. A. Gurinovich|ArXiv.org|2009. 03. 02.

Ammonia Synthesis and Nitrogen Reduction참고 문헌 1인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 가상 카athode(vircator) 시스템과 광결정을 조합한 하이브리드 고출력 마이크로파(HPM) 소스를 제안한다. 이는 진동하는 전자에서 발생하는 브레머슈탈링 복사와 주기적인 격자 구조에서 발생하는 회절(전이) 복사의 이중 복사 메커니즘을 가능하게 한다. 광결정은 느린파 구조이자 위상일치 공진기로 기능하여 다중 주파수에서 동시 작동이 가능하며, 전류 처리 능력과 복사 효율이 향상된 다수의 발진기 어레이의 위상일치 작동을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 가상 카थode와 광결정 구조를 조합한 하이브리드 구성 방식을 통해 효율성과 대역폭을 향상시킨 고출력 마이크로파 소스 개발
• 광결정을 이용해 전자 비임계의 영향을 줄여 전류 제한 한계를 증가시킴으로써 공간 전하 제한 문제 해결
• 주기적인 격자 구조를 통해 공명 회절 복사 방식을 지원함으로써 다수의 HPM 발진기 어레이의 위상일치 작동 가능화
• 단일 컴팩트 시스템 내에서 브레머슈탈링 복사와 회절 복사의 이중 복사 메커니즘 통합을 통해 다주파수 HPM 방출 실현
• 광결정을 공진 구조와 전자 투과성 매체로 사용함으로써 격자 기반의 전파파관(TWT) 및 부피 자유전자 레이저(VFEL)의 실현 가능성 입증

제안 방법

• 금속 격자를 이용해 주기적인 구조를 형성한 광결정을 활용하여 전자 비임계의 통과와 전자기파 상호작용을 동시에 가능하게 한다.
• 가상 카थode 형성에 필요한 비임계 전류 한계를 산정하기 위해 공간 전하 제한 전류 공식 I_limit ≈ (mc³/e)G(γ²/³−1)³/²를 적용한다.
• 격자를 통과하는 전자 비에서 발생하는 회절 복사 주파수를 계산하기 위해 회절 복사 조건 ω = 2πp·v / [d(1−βn(ω,k)cosθ)] 를 적용한다.
• 전자 진동에 의한 브레머슈탈링 복사 기능을 수행하는 vircator와 주기적 구조 상호작용에 의한 회절 복사 기능을 수행하는 격자 TWT/VFEL을 조합한 하이브리드 시스템을 도입한다.
• 효율적인 상호작용을 보장하기 위해 전자 비의 영향 범위를 δ ≤ λβγ/(4π) 로 정의하고, 비 두께 Δ ≤ δ 를 확보한다.
• 광결정의 전자 및 전자기파 투과성 특성을 활용하여 다중 회절 모드와 피드백을 가능하게 하여 위상일치 작동을 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광결정 구조는 고출력 마이크로파 시스템에서 전자 비의 통과와 공명 전자기 복사 모두를 동시에 지원할 수 있는가?
• RQ2 광결정의 포함이 가상 카थode 기반 HPM 소스의 공간 전하 제한 전류에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 주기적인 격자 구조가 단일 HPM 장치 내에서 브레머슈탈링 복사와 회절 복사의 이중 복사 메커니즘을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ4 연결된 광결정 공진기 내에서 산란된 파동의 결합을 통해 다수의 HPM 발진기 어레이의 위상일치 작동이 실현 가능한가?
• RQ5 하이브리드 vircator-격자 TWT/VFEL 시스템이 별도의 복사 메커니즘을 통해 다주파수 작동을 어느 정도 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 광결정은 브레머슈탈링 복사와 회절(전이) 복사 메커니즘을 동시에 구현하는 하이브리드 시스템을 가능하게 하며, 각각 다른 주파수로 마이크로파를 방출한다.
• 광결정의 사용은 잠재적 균형 기여로 인해 진공 전류 한계를 증가시켜 초임계 전류 상태에서도 작동 가능하게 한다.
• 광결정을 갖춘 격자 TWT(VFEL)는 다중 산란 전자기파를 지원하여 인접한 공진기 간 피드백과 공명 결합을 가능하게 한다.
• 주기적 격자 구조에서 산란된 파동의 자극을 통해 다수의 발진기 어레이의 위상일치 작동이 실현되며, 이는 공명 어레이를 형성한다.
• 250 keV 전자 비가 30 GHz에서 작동할 경우, 비의 영향 매개변수 δ ≈ 0.9 mm 로 산출되어 전자 비 두께는 0.9 mm 이하일 경우에만 느린파 구조와의 효율적 상호작용이 가능하다.
• 진동하는 전자에 의해 브레머슈탈링 복사가 발생하고, 전달되는 뭉친 전자 비가 회절 복사를 유도함으로써 복합적인 전자 운동이 발생하여 총 출력 전력이 향상된다.