[论文解读] 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 3

一句话总结

本文采用小信号分析方法研究相对论性分裂腔振荡器（SCO）在高功率微波（HPM）生成中的潜力。结果表明，束流自调制在相对论性电子束能量低于300–400 keV时最为有效；当束流增大时，即使在更高能量下也可实现增强的调制，从而在无需外部磁场的条件下实现高效的HPM生成。

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.

研究动机与目标

• 评估在分裂腔振荡器（SCO）中使用相对论性电子束进行高功率微波（HPM）生成的可行性。
• 将先前应用于非相对论性束流的小信号分析方法扩展至SCO结构中的相对论性束流条件。
• 确定束流自调制最为显著的能量与电流范围，以实现高效的HPM生成。
• 确定在空间电荷效应可忽略但束流调制仍有效的SCO结构条件下，所需满足的参数条件。

提出的方法

• 将非相对论性束流的小信号分析方法适配至分裂腔振荡器几何结构中的相对论性电子束。
• 在带有中心隔板的圆柱形谐振腔中，建模相对论性电子束在时变射频电场作用下的纵向运动。
• 利用洛伦兹因子和相对论动量方程，推导粒子轨迹及通过谐振腔的渡越时间。
• 将渡越时间方程按小参数 ε = eE₀/(mγ₀v₀ω) 展开至一阶，以保证分析的可解性。
• 推导出束流能量变化和相位偏移与初始束流能量及射频场参数的关系表达式。
• 利用角谱分布和束流调制度，评估调制束流产生的相干渡越辐射功率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种束流能量范围内，相对论性电子束在分裂腔振荡器中的自调制最为有效？
• RQ2 在250–400 keV能量范围内，增加束流如何影响束流自调制的有效性？
• RQ3 小信号分析能否准确预测相对论性束流在SCO中实现高效HPM生成的参数？
• RQ4 当空间电荷效应可忽略时，束流能量与电流在实现有效自调制中分别起何作用？

主要发现

• 束流自调制在相对论性电子束能量低于约300–400 keV时最为显著。
• 在250–400 keV范围内，当束流较小时，自调制迅速减弱；但随着束流增大，自调制效果再次变得显著。
• 在空间电荷效应可忽略的束流条件下，有效自调制仅在能量低于300–400 keV时发生。
• 随着束流增大，有效自调制可扩展至250–400 keV范围，甚至延伸至更高能量区域。
• 当束流为4–6 kA、能量为400–500 keV且调制度μ ≥ 0.5时，相干渡越辐射功率可达数百兆瓦。
• SCO结构可在无需外部磁场的条件下实现高效的HPM生成，其性能与基于光子晶体的体积自由电子激光器相似。