「ギガワット級・短パルス・マイクロ波」の輸送とプラズマ生成への応用

我々の共同研究者によって、超放射機構で大強度超短パルスマイクロ波(HPM)を効率よく作ることが近年可能になった。「ギガワット級・短パルス・マイクロ波」は1回の照射あたりのジュール数が小さく、加熱を伴わないで高周波の強電場を発生することができる利点がある。その強度は自由空間中でガスの放電を起こすことができるほどである。しかしながら、国内ではこのHPMの研究が少なく、応用に関する研究もなされていない。この研究では、上記のような強力なHPMの発生源の開発と、応用のために適切な輸送の形態の研究を行なうことを目的とした。そして、その発展としてマイクロ波によるプラズマ生成やアブレーションについての実験を行なうことを第2の目的とした。この3年間の研究によって、HPMの発生源の開発を行なった。また自由空間でのマイクロ波の利用を目的に、自由空間中への放出はほぼ可能となった。応用にっいては、時間がなく、基本的なレベルにとどまった。しかし、HPM応用への知見を深めることができ、当初の目標は達成したと考えている。今回の成果には以下のようなものがある。1.「輸送」について研究した。特に自由空間への放出は重点的に研究した。2.自由空間で「プラズマ生成」を行い、その有効性を示した。3.現在ある5GHzの後進波発振管(BWO)の出力向上に努めた。4.周波数がこれまでの2倍の10GHzのBWOの開発を新たに行った。これにより、自由空間での強度を上げた。5.HPMの応用として、プラズマのパルス反射計の光源としても検討すべき。New type of high power microwave sources, HPM, are recently proposed by Russian theorist and developed by us. This type of HPM is characterized by a strong sharp pulse. The oscillator of HPM is operated in superradiative regime, “SR" In the SR regime, energy flows from electron beam to HPM in one direction, and is not reversed. The HPM has strong electric field, though the total joule per one pulse is low. The peak power of HPM is a few Mega-watts to a few Giga-watts, which is about thousands times larger than the constant wave type oscillators. It can induce breakdown in the gas in free space, and produces plasma. The application is not only for radar (radio detection and ranging), for example, diagnostic in large and high temperature plasma. HPM will realize other unique methods to basic plasma science. It can be applied to plasma production in free space, study on non-linear phenomena, ablation on dielectric surface, etc. In this research, we studied the generation that includes SR, and the transport for these applications.Backward wave oscillator, BWO, is one of the most powerful microwave source for Giga-watts. Powerful BWO is already developed for HPM of 5 GHz by us. This time, the power became much higher. BWO for higher frequency, 10 GHz, is newly developed to achieve higher power density in free space.A quasi-optical antenna, called “Vlasov antenna", is studied intensively in this research. It makes possible launching HPM from waveguides to free space. Several antenna designs are tested and its conversion efficiency is investigated at the wavelength 6 cm, i. e. 5 GHz. The wavelength is not short compared to the diameter of wave guide. The conversion efficiency can be improved by increasing the diameter of the final waveguide. It changes from 15% to 75% in the experiment.研究課題/領域番号:17540466, 研究期間(年度):2005-200

大強度電子ビーム・プラズマ相互作用後の残留強静電場の電子ビームプローブによる測定

プラズマが乱流状態になると、内部にはキャビトンと呼ばれる波束が多数できていると理論的には考えられている。しかしながら、実験でキャビトンを測定することは難しく、その3次元的な構造を明確に捕らえた例はない。当研究はキャビトン電場の測定を目的とし、電子ビームプローブ法の応用を行った。電子ビームプローブ法というのはプラズマ内部の電場を測定するのに使われる手法であり、ビームの偏向を測定して未知の電場を予想するものである。普通は、細く平行なプローブビームが用いられており、これまでは我々もこの方法で偏向角の大きさや偏向形態を測定しようと努力してきた。しかし、キャビトン電場以外の原因により偏向が生じた可能性があることが指摘されていた。この研究の初期においては測定自体の信頼性を高めるために,いくつかの新しい試みを装置に施している。これらはこれまでの技術的な問題点を解決したが,特にこれによって測定の感度を上げることができた。そこで、さらに新しい試みとして普通,誘電率の空問分布を測定するのに光学的に行われているシャドウグラフを、電子ビームを用いて試みた。電場の影絵を映してみること、つまり、偏向の空間分布の測定をすることを意味するが、これまでに電子ビームが用いられた例はまだなかった。結果はうまくいき、電子ビームのシャドーグラフを実現することに成功した。観測された偏向像には、特有な網目の構造が観測された。これは我々のプラズマの内部には(乱流電場で期待されるような)複雑な電場の空間分布があることを意味する。さらに編目の大きさがデバイ長の20倍程度の大きさを持つことが実験から示された。一方で、理論的解析を進めた結果、キャビトン電場による偏向は崩壊終盤のサイズの小さくなるときにしか得られないという新たな見解を示すことができた。これらは実験結果をうまく説明している。今後、研究を進めるうえで一つの方向性を示すことができた。Langmuir wave becomes unstable at the large amplitude, and possibly produces a number of localized wave packets of Langmuir wave, which is called a caviton. The nonlinear properties are investigated strongly in the theory of the strong Langmuir turbulent. Generally, measurements of the electric field is difficult, and the 3-dimensional structure of the caviton which is predicted from the theory is not revealed well. The purpose of this research is to study such turbulence field using electron-beam probing-technique. The diagnosis is well known as a method to measure un-known electric field from deflection of the trajectory of a probing beam. Usually a well-focused parallel beam is used for this purpose, and we employed this type of beam for previous experiments. Our study showed difficulties of the method, because the observed deflections could not be attributed only to the caviton fields but other mechanisms. Large ambiguities were left there.At first, the technical problems, that deg rade the quality of the data, are solved. It makes possible to detect a probing beam that has much lower density, and raise the reliability of the measurement, and give another possibility. Second, a shadowgraph technique using an electron beam is tried. This is first report to apply the technique for diagnostic. An employment of a large diameter probing-beam makes it possible to detect the special distribution of the deflection. Many bubbles were found in the beam pattern images. It is apparent that a sophisticated field, which is like the one expected from the turbulent theory, exists in our plasma. The averaged size of babbles is change by the plasma density and is estimated about 20 times of the Debye-length in the experiment. On the other side, a theoretical investigation pointed out the fact that the deflection angle becomes prominent only when the cavitons are at final stage of the collapse. It is possible to explain why the small babbles are observed in the experiment, though the turbulent theory says the population of the caviton with larger size is expected to be higher.研究課題/領域番号:11680479, 研究期間(年度):1999-200

大強度相対論的電子ビームとプラズマ系から放射される高出力マイクロ波の測定

金沢大学理学部研究課題/領域番号:02780005, 研究期間(年度):1990出典：研究課題「大強度相対論的電子ビームとプラズマ系から放射される高出力マイクロ波の測定」課題番号02780005（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-02780005/）を加工して作

大強度相対論的電子ビームによって生じるラングミュア乱流の可視化

金沢大学理学部本研究ではプラズマの乱流状態をより捉えやすくするために、乱流の可視化の原理実験を行う。計画案では本来レーザーを用いることを予定していた。これはシュリーレン法を用いるものであるが、今回、我々のプラズマへの応用を検討した結果、考えていたレーザーの光では十分な屈折を得ることができず、また、たとえ適当な周波数を用いてもプラズマの屈折率の特殊性から本研究に必要な分解能を得ることは困難でありそうであった。そこで研究の方針を変更し、光の代わりに電子ビームを用いる方法を選んだ。電子はプラズマ中の電場を直接感じて必要な屈折率を得ることができるというのが発案の理由である。まず、プローブ電子が対象となるプラズマを通過してくること、散乱が大き過ぎないことなどを計算で確認した。そこでは分光的に得られている測定値を念頭に、局所的な強い電場(9MV/m)が、背後の比較的弱い電場中(0.7MV/m)に散在していることを仮定した。これはキャビトンが背後のプラズマ中に散在するだろうことに対応する。その結果から、局所電場によって強く散乱が起こり、その際、電場軸方向に強く、垂直方向にはほとんど散乱されないことが分かった。プローブ電子のエネルギーについては10keV以上あればバックグランドを通過することが可能であり、軸方向には6〜8keV、垂直方向には0.4〜0.6keVの散乱が予想された。これから考察すれば、適当な配置に於いて最低でも強い電場の空間的分布が得られるだろうこと、また、これまで得られていない乱流電場の方向を測定できると考えられる。目的とする乱流電場の可視化のためには2次元的な情報が必要となるが、いろいろな制約から、今回は必要な基礎的な情報を得るための実験と位置づけし、まずビームの通過特性を調べている。そのため、採用したビーム径はそれほど大きくはない。現在のところビーム光学系の調節を行っている。研究課題/領域番号:07740350, 研究期間(年度):1995出典：研究課題「大強度相対論的電子ビームによって生じるラングミュア乱流の可視化」課題番号07740350（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-07740350/）を加工して作

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

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