チェレンコフ・サイクロトロン不安定を用いた大出力後進波発振器の解析と設計

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外国人特別研究員チョヤル博士と研究代表者南は、2年間にわたり以下の解析的研究を行った。(1)大軌道後進波発振器の解析中心軸上に案内中心をもつ円殻状の大軌道電子ビームで駆動した場合の後進波発振器の線形分散式を導出した。これを用いて、チェレンコフ不安定(軸対称モード)と速波サイクロトロン不安定(非軸対称モード)が共存・競合する場合の数値解析を行った。我々の実験条件では、α=ν_L/ν_<II><0.065の場合前者の発振が起こるのに対し、それ以上では速波サイクロトロン不安定の強い発振が起こることが分かった。一方、遅波サイクロトロン不安定は成長率が3桁程度小さく実用性はない。更に、後進波発振器の遅波構造において、波型振幅をゼロにするとジャイロトロンの分散式になると予想してその解析を行ったところ、従来知られていない方位角方向2流体不安定による発振が起こる。その結果を米国電気電子工学会(IEEE)プラズマ科学雑誌に投稿した。(2)後進波発振器のサドル点解析ビームに垂直速度成分のないときの有限強度磁場の効果を考慮した誘電率テンソルを用いた後進波発振器の分散式において、実数の波数すなわち広がった擾乱を仮定して、最大時間成長率を求める方法が一般的であるが、我々は世界で初めて局所的擾乱を仮定するサドル点解析を完成させた。その結果をIEEEプラズマ科学雑誌に投稿した。(3)後進波発振器の遅波構造におけるレイリー仮説の成立範囲我々の解析に対して、数学者から寄せられた級数展開が非収束であるとの疑問に答えるために、級数展開と有限要素法(渡辺二太博士が開発したコードHIDEM)で電磁界解析を行い、有効範囲が数学的な収束半径の5倍程度であると結論した。その結果を米国Physical Review Lettersに投稿した。チョヤル博士は、ハード・ワーカーであり、極めて優秀であった。