[论文解读] 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 6

一句话总结

该论文首次实验观测到采用矩形波导内周期性金属丝构成的“栅格”体积谐振腔的体自由电子激光器（VFEL）的受激辐射，同时在具有类似栅格衍射光栅的反向波振荡器（BWO）中也成功实现受激辐射。该系统利用能量为200 keV、电流为2 kA的环形电子束，在10 GHz频率下实现了10 kW的辐射功率，证明了基于栅格的体积谐振腔在高功率、超宽带太赫兹辐射源中的可行性与耐久性。

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.

研究动机与目标

• 证明利用矩形波导内周期性金属丝构成的“栅格”体积谐振腔实现体自由电子激光器（VFEL）受激辐射的可行性。
• 在高功率电子束激发条件下，测试“栅格”体积谐振腔的性能与耐久性。
• 通过“栅格”衍射光栅作为慢波结构，观测反向波振荡器（BWO）的受激辐射。
• 验证非相对论性及低相对论性电子束系统中体积分布式反馈（VDFB）在毫米波与亚毫米波生成中的概念可行性。
• 通过分布式相互作用实现更大的横向尺寸与更强的功率承载能力，克服传统波导与谐振腔的局限性。

提出的方法

• 在45 mm × 50 mm × 300 mm的矩形波导内，使用直径为0.1 mm、间距为12.5 mm的钨丝构建“栅格”体积谐振腔。
• 采用能量为200 keV、电流为2 kA的环形电子束，使其在距轴向距离满足有效与光栅相互作用条件（δ ≤ λβγ/(4π)）的位置通过谐振腔。
• 在两次实验中使用相同的谐振腔结构：首次作为仅含单个光栅的反向波振荡器（BWO），随后增加额外的衍射光栅以实现体积分布式反馈（VDFB）。
• 通过功率与频率检测系统测量辐射输出，确认在双光栅结构下VFEL配置中实现受激辐射。
• 基于先前的理论模型[9]，分析“栅格”谐振腔的电磁动力学特性，重点研究模式激发与反馈机制。
• 开展实验以评估在高功率电子束加载与辐射发射条件下，栅格谐振腔的结构耐久性。

实验结果

研究问题

• RQ1 由周期性金属丝构成的“栅格”体积谐振腔是否可在非相对论性电子束条件下支持体自由电子激光器（VFEL）的稳定受激辐射？
• RQ2 在以“栅格”衍射光栅作为慢波结构的BWO配置中，可实现的最大辐射功率与频率是多少？
• RQ3 基于栅格的谐振腔中，体积分布式反馈机制是否能实现高效且持久的受激辐射，适用于毫米波与亚毫米波波段？
• RQ4 谐振腔的横向尺寸（远大于波长）对生成效率与模式控制有何影响？
• RQ5 在持续运行过程中，栅格谐振腔能否在高电流电子束加载下保持结构完整性而不发生退化？

主要发现

• 首次实验观测到采用“栅格”体积谐振腔的体FEL受激辐射，证实该结构在高功率太赫兹源中的可行性。
• 在具有体积分布式反馈的VFEL配置中，成功生成10 GHz频率、峰值功率约10 kW的辐射。
• 仅含单个“栅格”衍射光栅的反向波振荡器（BWO）在10 GHz频率下产生约1 kW的辐射脉冲，证明其具备初始放大能力。
• “栅格”体积谐振腔在高电流电子束照射下表现出优异耐久性，测试期间未观察到结构失效。
• 相互作用长度与分布式反馈机制实现了有效的体积相互作用，使电子束的显著部分参与辐射生成。
• 结果验证了理论预测：具有周期性金属丝的体积谐振腔可在毫米波与亚毫米波波段实现高效、高功率辐射。