Interaction between a coaxial cavity and low beta intense electron beams

Experiments and simulations for intense relativistic electron beams with energy of <1 MeV and current of several kA that pass through a gap are carried out. A criterion is proposed for the gap length through which the beam current passes without loss, i.e. no electron is reflected by virtual cathode. The time evolutions of energy and current of an intense electron beam can be modified using a gap structure and a coaxial cavity.Представлено експериментальні дослідження і чисельне моделювання процесів автоприскорення при проходженні інтенсивних релятивістських електронних пучків (енергія порядку 1 МеВ і струм декілька килоампер) через коаксіальні резонатори. Знайдено критерій на довжину зазору між резонаторами для утворення віртуального катоду.Представлены экспериментальные исследования и численное моделирование процессов автоускорения при прохождении интенсивных релятивистских электронных пучков (энергия порядка 1 МэВ и ток несколько килоампер) через коаксиальные резонаторы. Найден критерий на длину зазора между резонаторами для образования виртуального катода

多段自動変調された大強度相対論的電子ビームからの超放射

金沢大学理工研究域数物科学系1GWを越える高出力電磁波源では,高出力に伴う強電場による放電破壊現象が起こる.これに対処する一つの方法が電磁波放射の短パルス化である.近年,超放射と呼ばれる新しい電磁波放射機構が提唱されている.この機構は元来パルス的にしか起きず,しかも放射の効率が良い事が特徴である.これを高出力電磁波源として用いるためには,超短パルスの大強度電子ビームが必要とされる.更に実用化に向けて繰り返し運転の可能性を確かめる必要がある.本研究では,大強度相対論的電子ビームに外部電源を用いずに変調をかける新たな方式を開発し,これを用いて繰り返し超放射の予備的実験い成功した.同軸空洞をのみ用いて大強度電子ビームに変調をかける自動変調方式では,従来は同長の空洞を使用していた.しかし,この方式では,電流立ち上がり時間の遅い電子ビームに,高周波の変調をかけることはできなかった.本研究では,初段の空洞の長さを,ビーム電流立ち上がり時間に光速をかけた長さの1/3以上に設定し,所望の変調周期に対応する空洞長まで段快適に空洞長を半分にして行く多段自動変調方式の開発に成功した.具体的には500keV,4kA,パルス幅12nsの電子ビームに1GHzの変調をかけることに成功した.変調周波数500MHzの電子ビームを,サイクロトロン超放射の条件を満たす環境に入射した所,変調周期に対応した間隔で,ビーム幅と同程度の間の電磁波放射を観測した.放射電磁波の周波数は期待通りの17GHzであった.この結果は,超放射の繰り返し運転の可能性を示したものと考えられる.この放射が確実に超放射機構と断定するためには,今後,電磁波出力の電流依存性等を調べる必要がある.It was observed that the length of a coaxial cavity strongly affects the induced gap voltage and the level of automodulation. For high-frequency automodulation for a beam with slow rise time, a series of coaxial cavities with decreasing lengths named multi-stage automodulation was useful.Highly modulated intense eletron beams with modulated frequency around 1 GHz were obtained by the multi-stage automodulation scheme from an intense electron beam with energy of 500 keV, current of 4 kA, duration of 12 ns and rise time of 6 ns. Criteria for the cavity lengths are proposed. The round trip time for electromagnetic wave of the first cavity must be larger than the 1/3 of the current rise time. The lengths of the following cavities are set to the half stage by stage. The round trip time of the last cavity must be set to the half of the desired modulation period.Trains of pulsed microwaves with period of 2 ns which corresponded to the modulated period of an elctron beam were observed. The radiated microwave frequency was around 17 GHz that was reasonable for cyclotron superradience. These results suggest that the cyclotron superradiance can be repeated with a modulated intense electron beam. The dependence of the output power on the beam current should be investigated.研究課題/領域番号:13680553, 研究期間(年度):2001-2002出典：「多段自動変調された大強度相対論的電子ビームからの超放射」研究成果報告書　課題番号13680553 (KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）)　　　本文データは著者版報告書より作

ゲストからホストへ: 学生主体の小学生対象演示実験

金沢大学国際基幹教育院GS教育系 / 金沢大学自然科学研究科本研究では,学生の主体性を伸ばすための試行として,学生による演示実験開発の学生組織「サイエンス・ラボ」を立ち上げた。その立ち上げ方,そこに参加した学生の誘導の仕方,彼らの活動の観察等々を通して,彼らに「ゲスト」(受動的学習態度)から「ホスト」(能動的学習態度)へと変容してもらう方法を研究した。また,演示実験の対象となる方々にも,科学に対してより能動的になってもらうような工夫を模索した。サイエンス・ラボを実施して取り入れた要点と共にまとめると以下のようになる。(1)明確な課題。初めは教員から明確なテーマを与え,その実践経験の後に,テーマを考え出してもらうことを期待した。初めのテーマは,彼らの知識の範囲にある,小中高の教科書の内容から選んだ。テーマは与えるが,どう達成するかは学生に任せる。(2)装置の操作・作成。演示実験でものを作る際は,教員は準備をせず,材料の調達,予算から計画させ,検討させる。机上の学習の他に手を動かして考える過程を取り入れた。(3)頻繁な報告。教員は指導はせず,誘導する。ただし,学生と教員の接触の機会を増やす工夫として,各テーマの企画・進捗状況報告を頻繁に行なう事にした。特に、各人にノートを与え,記録をとることを義務化し,文章化したものに基づいて議論し結果も文章化する事を決めた。(4)小人数の研究室の中での活動。同じ学年では,お互いの関係が固定している。年齢に伴う責任感を育てるため,各テーマはできるだけ異なる学年の学生で構成した。(5)学外での発表。演示実験の発表の場所をできるだけ学外とし,学外者を対象とした。その結果,サイエンス・ラボの運営を通して,実践的学習の効果を見る事ができた。特に,学生は学外での発表に大きな責任を感じていた。学外で発表することで,学生は,自分が演じていることの社会的意義や責任を認識し,「自己表現の場」を体験した。この経験は,学生の意欲を増す方向に役立っている。学ぶという「ゲスト」の立場とは異なる,演じたり教えたりする「ホスト」の立場に自分を置く経験が重要と考える。研究課題/領域番号:17011026, 研究期間(年度):2005 – 2006出典：「ゲストからホストへ: 学生主体の小学生対象演示実験」研究成果報告書　課題番号17011026（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所））（https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-17011026/)を加工して作

波形整形された大強度電子ビームによる超放射出力効率増強の実験的検証

出力が1ギガワットに迫る大強度電磁波源は,その電場の強さゆえに,パルス幅が100ナノ秒を超えると発生・伝播領域で絶縁破壊を起こし,発生効率が著しく減少する。N.S.Ginzburg氏によって提案された超放射機構は新しい超短パルス電磁波放射機構で,絶縁破壊が起きる前に現象が終わる。効率の面からも大強度電磁波源への応用が期待できる。本研究室とGinzburg氏等との超放射に関する共同研究の中で,新たにビームのエネルギー・電流波形の時間的発展を制御することで,超放射の放射効率が増大するとの理論的予想を得,本研究では,大強度電子ビームの波形整形技術の開発と超放射出力の増大を試みた。実験では,工作上有利でかつ超放射機構の実証例のない低周波のSバンド後進波型共鳴管を使用した.まず,超放射を検証するため,共鳴管を設計・製作し,パラメーターの最適化等の改良を重ねた結果,出力約300MW,周波数5GHz,パルス巾5ns,発生モードTMO1の超放射理論で期待された電磁波の発生を得た。一方,大強度電子ビームの波形整形については,ビーム伝播容器途中に空洞を挿入して波形整形することを試みた。その結果,エネルギー波形は同軸空洞で(原理は自動加速に同じ),電流波形は大口径空洞を用いて(空間電荷制限電流の応用)整形することに成功した。空洞に入射する波形の影響が大きく整形の程度は限定されるが,簡便な方式でエネルギー・電流波形の時間的変化を制御できる。エネルギー波形整形された電子ビームを用いて,電磁波放射実験を行った結果,エネルギー波形は電磁波出力に影響を及ぼし,出力に関して約2割程度の上昇を得た。この結果,以下の点が明らかになった。後進波管を用い,5GHz,300MWの超放射実現に成功した。電子ビームのエネルギー波形の時間的変化を制御することにより超放射出力は増大する。Stimulated emission from electron bunches - superradiance(SR) is an attractive method of generating ultrashort electromagnetic pulses. Here, we carried out the experiments on S-band superradiance. The most effective generation of SR pulses at S-band is obtained by Cherenkov mechanism with short electron beam moving in corrugated waveguide. And the long wavelength in S-band makes it possible to employ an intense relativistic electron beam with pulse duration of 10 ns. In the experiment, 5 GHz, 300 MW microwave with duration of 5 ns was obtained using a 600 keV, 5 kA intense relativistic electron beam with duration of 12 ns injected into the corrugated waveguide. The radiation mode was observed to be TM01 as expected in SR. PIC simulation indicated that the radiation was caused by superradiance. A coaxial cavity was used to modify the time evolution of the energy waveform of an electron beam. The output power of SR was 20% increased using the modified energy waveform. It could be possible to increase the output power of superradiance by modifying the energy waveform of an intense electron beam.研究課題/領域番号:15540468, 研究期間(年度):2003-2004出典：「波形整形された大強度電子ビームによる超放射出力効率増強の実験的検証」研究成果報告書　課題番号15540468(KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）)　　　本文データは著者版報告書より作

大強度相対論的電子ビームからのサイクロトロン超放射の実験的検証

本研究では超短パルス電子ビームを多段自動加速方式により実現し,この方式で二つのビーム長の異なる大強度電子ビームからの電磁波放射を観測した。ビーム長が装置長より長い場合と短い場合の電磁波放射現象の比較検討を行い,短いビームを用いた場合に,超放射の特徴に一致する現象を観測した。4段自動加速法方式を用い,ブルームライン型パルス整形線路から射出された,パルス幅10ns,エネルギー550keVの大強度相対論的電子ビームを,パルス幅1ns,エネルギー1.1MeVまで圧縮することに成功した。この超短パルス大強度電子ビームを,一様磁場中に置かれた長さ60cmの円筒導波管中に入射したところ,ビーム速度と電磁波の群速度が一致する条件で,発生周波数の絞られた(17GHz付近)強い電磁波の出力を得た。この周波数は理論的に予想されたものに一致する。一方,装置長より長いビームを用いた場合,多くのモードからの多数の周波数が観測された。装置長(共鳴領域長)を変化させた実験では,いずれの場合も,発生周波数は距離とともに絞られるが,短いビームの場合その傾向が顕著であった。電磁波出力に関しては,いずれの場合も装置長とともに指数関数的に増大する。装置長より短いビームの場合の方が長いビームに比べ,伝搬距離に伴う出力の成長は早く,60cmの伝搬後の出力は短いビームの方が約10倍大きかった。ただし,短いビームの電磁波出力にはある距離で飽和することが観測された。これは,電磁波の再吸収が起こっているものと考えられ,外部磁場を増す等で対処が可能と考えている。粒子シミュレーションコードKARATを用いた結果も,実験結果がビーム長の効果であることを示した。これらの結果は超短パルス大強度電子ビームによるサイクロトロン超放射で期待されるものと一致する。更に,発生電磁波出力への電流依存性等を検証する必要がある。An ultrashort pulsed high power electron beam with width of 1 ns and energy of 1.1 MeV was obtained from an intense relativistic electron beam with width of 10 ns and energy of 0.55 MeV using 4-stage autoacceleration.The ultrashort pulsed electron beam with width of 1 ns was injected into a cylindrical waveguide immersed in a uniform magnetic field. Intense radiated microwaves with narrow frequency spectrum were observed when the group velocity of the electromagnetic wave coincided with the beam electron velocity, while, the microwave spectrum with the beam with width of 10 ns showed many surplus peaks. The particle simulation code KARAT also indicated that the beam width affected the radiation spectrum.The length of the drift tubes where the beam electrons interacted with the electromagnetic waves was changes. The output power of the radiated microwave increased exponentially with 1 ns and 10 ns beams. The output power of the microwave from 1 ns beam increased more rapidly than that from 10 ns beam. However, that saturated at the length of 40 cm. After 60 cm propagation, the output power from the 1 ns beam was 10 times larger than that from 10 ns beam.These results suggest that the cyclotron superradiance was observed in the experiment. The dependence of the output power on the beam current should be investigated.研究課題/領域番号:11680480, 研究期間(年度):1999-2000研究機関: 金沢大学自然科学研究科出典：「大強度相対論的電子ビームからのサイクロトロン超放射の実験的検証」研究成果報告書　課題番号11680480 (KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）)　　　本文データは著者版報告書より作

大強度ミリ波光源を目指したアドバンスト・ブラッグ共鳴器の原理検証実験

大強度相対論的電子ビームをヘリカルウィーグラー磁場中に入射し、自由電子メーザー機構による電磁波発振を確認した。本研究では新規に提案したアドバンスト・ブラッグ共鳴器を用いた。通常のブラッグ共鳴器に対するアドバンスト・ブラッグ共鳴器の優位性については,いまだ検討の余地が残っているが,実験で、40GHzの自由電子メーザー発振がアドバンスト・ブラッグ共鳴器を用いることで選択的に起こることを確認した。研究課題/領域番号:18340184, 研究期間(年度):2006-2008出典：「大強度ミリ波光源を目指したアドバンスト・ブラッグ共鳴器の原理検証実験」研究成果報告書　課題番号18340184 (KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）)　　　本文データは著者版報告書より作

Observation of the polarization electric field in the intense neutralized proton beam propagating undeflectedly across a magnetic field

金沢大学理工研究域数物科学系A neutralized proton beam (averaged velocity v=3.6×108 cm/s, velocity spread v=0.9×108 cm/s, proton current density 18 A/cm2) is injected into a transverse magnetic field B(3 kG). It is found that the electric field which satisfies the condition E=vB value is formed in the beam and the beam propagates across the magnetic field by the polarization drift when the dielectric constant =1+(pici)2 of the beam is larger than 100-180. The lowest value of for the beam propagation given above is consistent with the theoretical prediction 43. © 1982 The American Physical Society

Study of the spatial distribution of the Langmuir wave amplitude in the turbulent plasma using electron beam shadowgraph technique

New diagnostic, "electron-beam-shadowgraph", is examined for taking the spatial distribution of transient fields in a plasma. It is applied to the unmagnetized plasma, which is perturbed by an intense relativistic electron beam (IREB). Strong deflection is observed with duration of about 1 μs just after the IREB injection. The shadowgraph image is characterized by presence of aggregate holes. The size of the hole is changed with the plasma density, and corresponds to the 15 - 60 Debye lengths. Important agreements are observed between the experiment and the strong Langmuir turbulence theory. © 2002 AIP