진공 내 상대론적인 영역의 전자빔을 이용한 플라즈마 항적장 가속기 기반 체렌코프 방사를 통한 결맞는 고출력 전자파 발생 기술 연구 Study of Coherent High-Power Electromagnetic Wave Generation Based on Cherenkov Radiation Using Plasma Wakefield Accelerator with Relativistic Electron Beam in Vacuum원문보기
일반적으로 전자파의 동작 주파수가 높아짐에 따라 최대 출력이 작아지고, 파동의 파장도 작아지기 때문에, 회로의 크기도 작아질 수밖에 없다. 특히, kW급 이상의 고출력 테라헤르츠파주파수 대역의 회로를 제작하려면, ${\mu}m{\sim}mm$ 규모의 회로 크기 문제 때문에 제작에 한계점이 있다. 이러한 한계점을 극복하기 위해 본 논문에서는 회로의 지름이 2.4 cm 정도의 원통형으로, 0.1 THz~0.3 GW급의 발생원 설계 기술을 제안한다. 판드로모티브 힘이 생기는 플라즈마 항적장 가속원리와 인위적인 유전체 활용한 체렌코프방사 발생 기술 기반의 고출력 전자파 발생원의 최적화된 설계를 위해 모델링 및 전산모사를 수행하였다. 객관적인 검증 과정을 통해 회로의 크기에 제한을 덜 받도록 하는 대구경 형태의 고출력 테라헤르츠파 진공소자 제작이 용이하도록 효과적인 설계의 가이드라인을 제시하였다.
일반적으로 전자파의 동작 주파수가 높아짐에 따라 최대 출력이 작아지고, 파동의 파장도 작아지기 때문에, 회로의 크기도 작아질 수밖에 없다. 특히, kW급 이상의 고출력 테라헤르츠파 주파수 대역의 회로를 제작하려면, ${\mu}m{\sim}mm$ 규모의 회로 크기 문제 때문에 제작에 한계점이 있다. 이러한 한계점을 극복하기 위해 본 논문에서는 회로의 지름이 2.4 cm 정도의 원통형으로, 0.1 THz~0.3 GW급의 발생원 설계 기술을 제안한다. 판드로모티브 힘이 생기는 플라즈마 항적장 가속원리와 인위적인 유전체 활용한 체렌코프방사 발생 기술 기반의 고출력 전자파 발생원의 최적화된 설계를 위해 모델링 및 전산모사를 수행하였다. 객관적인 검증 과정을 통해 회로의 크기에 제한을 덜 받도록 하는 대구경 형태의 고출력 테라헤르츠파 진공소자 제작이 용이하도록 효과적인 설계의 가이드라인을 제시하였다.
As the operating frequency of an electromagnetic wave increases, the maximum output and wavelength of the wave decreases, so that the size of the circuit cannot be reduced. As a result, the fabrication of a circuit with high power (of the order of or greater than kW range) and terahertz wave frequen...
As the operating frequency of an electromagnetic wave increases, the maximum output and wavelength of the wave decreases, so that the size of the circuit cannot be reduced. As a result, the fabrication of a circuit with high power (of the order of or greater than kW range) and terahertz wave frequency band is limited, due to the problem of circuit size, to the order of ${\mu}m$ to mm. In order to overcome these limitations, we propose a source design technique for 0.1 THz~0.3 GW level with cylindrical shape (diameter ~2.4 cm). Modeling and computational simulations were performed to optimize the design of the high-power electromagnetic sources based on Cherenkov radiation generation technology using the principle of plasma wakefield acceleration with ponderomotive force and artificial dielectrics. An effective design guideline has been proposed to facilitate the fabrication of high-power terahertz wave vacuum devices of large diameter that are less restricted in circuit size through objective verification.
As the operating frequency of an electromagnetic wave increases, the maximum output and wavelength of the wave decreases, so that the size of the circuit cannot be reduced. As a result, the fabrication of a circuit with high power (of the order of or greater than kW range) and terahertz wave frequency band is limited, due to the problem of circuit size, to the order of ${\mu}m$ to mm. In order to overcome these limitations, we propose a source design technique for 0.1 THz~0.3 GW level with cylindrical shape (diameter ~2.4 cm). Modeling and computational simulations were performed to optimize the design of the high-power electromagnetic sources based on Cherenkov radiation generation technology using the principle of plasma wakefield acceleration with ponderomotive force and artificial dielectrics. An effective design guideline has been proposed to facilitate the fabrication of high-power terahertz wave vacuum devices of large diameter that are less restricted in circuit size through objective verification.
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문제 정의
전압과 빔 전류가 500 kV-5 kA(γ=2, β=0.87c)인 상대론적인 전자빔의 영역에서 모드(mode)가 TM01이고, 0.1 THz의 0.3 GW급의 고출력 테라헤르츠파 주파수 대역의 전자파 발생하는 것을 전산모사를 통해 확인하는데 성공하였다.
제안 방법
가속전압이 500 kV일 때, 동작(발진) 주파수는 100 GHz가 될 수 있도록 설계를 하였다. TM01 모드를 중심으로 주파수가 아래에 있는 모드는 fast wave 모드이므로, 전자기파의 속도가 전자빔보다 빨라서 상호 작용할 수 없는 상황이 된다.
고출력 테라헤르츠파 주파수 대역의 진공소자 크기의 한계를 극복하기 위해, overmoded 대구경 구조의 인위적인 유전체를 사용하여 ponderomotive 힘 발생과 결맞는(coherent) 체렌코프방사를 유도하는 플라즈마 항적장 가속기 기반 회로 설계를 하였다. 전압과 빔 전류가 500 kV-5 kA(γ=2, β=0.
따라서 본 논문에서는 앞서 언급한 항적장 가속기반 회로의 발진 주파수를 결정하고 체렌코프 방사를 발생하는 유전체를 통하여, 고출력 THz 전자파 진공 회로의 설계 기술을 3차원 모델링과 전산모사 해석을 통하여 입증하였다. 여기에서는 회로의 지름이 2.
유전체의 두께와 구조에 따른 원하는 주파수 모드(TM01)로의 모드경쟁(mode competition)이 없이 최적화된 파워의 효율을 가지기 위해 고리(annular) 모양 형태의 음극을 사용하여 설계를 한다. 또한 전자기파와 상대론적인 전자빔의 상호작용 단면적(cross-sectional area)을 크게 하고, 정전파괴 전기장의 크기를 크게 하기 위해 overmoded(oversized) 구조로 설계를 한다(그림 1). 여기서는 유전체의 내부 직경을 2.
최근 들어 미래 국방 기술의 한 분야로 자리를 잡은 고출력 밀리미터-테라헤르츠파 발생장치를 기반으로 적극적 거부 시스템(Active Denial System: ADS)과 은폐 탐지 이미징 기술(Standoff detection)에도 활용과 함께 이에 대한 응용 및 실용화 연구가 주목을 받고 있다. 또한, 인체 표피에 조사된 고출력 테라헤르츠파(THz wave)에 의한 영향 연구와 생체조직 조사실험과 함께 인체 및 표적에 조사된 전자파 전파 특성 연구를 수행하며, THz 전자파에 의한 인체 조직을 포함한 다양한 표적의 산란 특성 DB (DATA Base)를 구축이 가능하다. 이외에도 생체 분자의 회전(rotation), 진동(vibration), 전이(transition)등의 영향을 확인할 수 있는 THz 주파수 영역에서 고출력 테라헤르츠 전자기파를 이용하여 생물학적인 효과를 확인하여 바이오-의료 분야의 진단과 치료에 활용될 수 있다.
따라서 본 논문에서는 앞서 언급한 항적장 가속기반 회로의 발진 주파수를 결정하고 체렌코프 방사를 발생하는 유전체를 통하여, 고출력 THz 전자파 진공 회로의 설계 기술을 3차원 모델링과 전산모사 해석을 통하여 입증하였다. 여기에서는 회로의 지름이 2.4 cm 정도의 원통형으로 0.1 THz～0.3 GW급의 발생원 설계 기술을 제안한다.
위의 전산모사 결과를 바탕으로 다른 전문가 그룹의 관련 분야의 연구자료들과 비교를 하여 표 1과 같이 정리를 하였다.
인위적인 유전체를 고안하여 전자기파보다 빠른 상대론적인 영역의 전자빔을 발생하게 하여 체렌코프방사를 발생하도록 설계에 착안점을 둔다. 유전체의 두께와 구조에 따른 원하는 주파수 모드(TM01)로의 모드경쟁(mode competition)이 없이 최적화된 파워의 효율을 가지기 위해 고리(annular) 모양 형태의 음극을 사용하여 설계를 한다. 또한 전자기파와 상대론적인 전자빔의 상호작용 단면적(cross-sectional area)을 크게 하고, 정전파괴 전기장의 크기를 크게 하기 위해 overmoded(oversized) 구조로 설계를 한다(그림 1).
그리고 TM01 모드보다 주파수가 위인 모드는 위상속도의 접선의 기울기인 군속도의 음의절대값이TM01 모드인 경우보다 더 크므로 TM01 모드보다 공진 주파수 모드로서의 발진이 일어나기가 어렵다. 이러한 사실을 바탕으로 overmoded 구조로 설계를 하여, TM01 모드 이외의 다른 모드가 발생하는 것을 사전에 차단하도록 하였다.
인위적인 유전체를 고안하여 전자기파보다 빠른 상대론적인 영역의 전자빔을 발생하게 하여 체렌코프방사를 발생하도록 설계에 착안점을 둔다. 유전체의 두께와 구조에 따른 원하는 주파수 모드(TM01)로의 모드경쟁(mode competition)이 없이 최적화된 파워의 효율을 가지기 위해 고리(annular) 모양 형태의 음극을 사용하여 설계를 한다.
후속연구
이외에도 생체 분자의 회전(rotation), 진동(vibration), 전이(transition)등의 영향을 확인할 수 있는 THz 주파수 영역에서 고출력 테라헤르츠 전자기파를 이용하여 생물학적인 효과를 확인하여 바이오-의료 분야의 진단과 치료에 활용될 수 있다. 본 논문에서 제안하는 설계 연구가 위와 언급된 고출력 테라헤르츠파 발생 장치의 응용에 필수적이다.
3 GW급의 고출력 테라헤르츠파 주파수 대역의 전자파 발생하는 것을 전산모사를 통해 확인하는데 성공하였다. 앞으로 회로 제작 및 응용 실험 연구가 가능하다.
또한, 인체 표피에 조사된 고출력 테라헤르츠파(THz wave)에 의한 영향 연구와 생체조직 조사실험과 함께 인체 및 표적에 조사된 전자파 전파 특성 연구를 수행하며, THz 전자파에 의한 인체 조직을 포함한 다양한 표적의 산란 특성 DB (DATA Base)를 구축이 가능하다. 이외에도 생체 분자의 회전(rotation), 진동(vibration), 전이(transition)등의 영향을 확인할 수 있는 THz 주파수 영역에서 고출력 테라헤르츠 전자기파를 이용하여 생물학적인 효과를 확인하여 바이오-의료 분야의 진단과 치료에 활용될 수 있다. 본 논문에서 제안하는 설계 연구가 위와 언급된 고출력 테라헤르츠파 발생 장치의 응용에 필수적이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고출력 테라헤르츠파 주파수 대역의 회로를 제작의 한계점은 무엇인가?
고출력 테라헤르츠파 주파수 대역의 회로를 제작하려면, μm～mm 규모의 회로의 크기 문제 때문에 제작에 한계점이 생기기 마련이다. 그러나 출력 밀도(power density)를 줄이고, 테라헤르츠 주파수 대역의 목표 성능 동작 주파수 대역을 유지하면서 고출력 영역(MW～GW)급의 파워를 발생할 수 있는 기술이 가능하다.
overmoded(oversized) 구조로 설계시 유전체의 내부 직경을 어떻게 설정하였는가?
또한 전자기파와 상대론적인 전자빔의 상호작용 단면적(cross-sectional area)을 크게 하고, 정전파괴 전기장의 크기를 크게 하기 위해 overmoded(oversized) 구조로 설계를 한다(그림 1). 여기서는 유전체의 내부 직경을 2.4 cm로 설정하였다(D/λ=8, D/λ≥1.76이면, overmoded 구조; D= 원통형 회로의 지름, λ=파장). 인위적인 유전체 구조에서 생성된항적장의 크기는 다음과 같은 공식으로 쓸 수 있다.
overmoded(oversized) 구조로 설계한 목적은?
유전체의 두께와 구조에 따른 원하는 주파수 모드(TM01)로의 모드경쟁(mode competition)이 없이 최적화된 파워의 효율을 가지기 위해 고리(annular) 모양 형태의 음극을 사용하여 설계를 한다. 또한 전자기파와 상대론적인 전자빔의 상호작용 단면적(cross-sectional area)을 크게 하고, 정전파괴 전기장의 크기를 크게 하기 위해 overmoded(oversized) 구조로 설계를 한다(그림 1). 여기서는 유전체의 내부 직경을 2.
참고문헌 (5)
A. M. Cook, R. Tikhoplav, S. Y. Tochitsky, G. Travish, O. B. Williams, and J. B. Rosenzweig, "Observation of narrow-band terahertz coherent Cherenkov radiation from a cylindrical dielectric-lined waveguide," Physical Review Letters, vol. 103, p. 095003, Aug. 2009.
C. Jing, A. Kanareykin, J. G. Power, M. Conde, W. Liu, and S. Antipov, et al., "Experimental demonstration of wakefield acceleration in a tunable dielectric loaded accelerating structure," Physical Review Letters, vol. 106, p. 164802, Apr. 2011.
G. Andonian, D. Stratakis, M. Babzien, S. Barber, M. Fedurin, and E. Hemsing, et al., "Dielectric wakefield acceleration of a relativistic electron beam in a slabsymmetric dielectric lined waveguide," Physical Review Letters, vol. 108, p. 244801, Jun. 2012.
B. D. O'Shea, G. Andonian, S. K. Barber, K. L. Fitzmorris, S. Hakimi, and J. Harrison, et al., "Observation of acceleration and deceleration in gigaelectron-volt-per-metre gradient dielectric wakefield accelerators," Nature Communications, vol. 7, p. 12763, Sep. 2016.
S. H. Min, O. Kwon, M. Sattorov, H. Jung, I. K. Baek, and S. Kim, et al., "Effects on electronics exposed to highpower microwaves on the basis of a relativistic backwardwave oscillator operating on the X-band," Journal of Electromagnetic Waves and Applications, vol. 31, no. 17, pp. 1875-1901, Jul. 2017.
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