簡素化PIC-FDTDシミュレーションによる高効率スミス•パーセルテラへルツ超放射の解析

摘要

Smith-Purcell(SP)effect, the radiation of the electromagnetic field originates from the interaction between electron-beam(e-beam)accelerated at the reiativistic speed and the induced surface wave at the metallic grating, is well known since 1950s. Since Urata et al. reported nonlinearly enhanced SP radiation(superradiance), SP superradiance is extensively studied from various viewpoints. Especially, SP superradiance is believed to realize tunable and tabletop type of terahertz(THz)radiation source known as THz-free electron laser(THz-FEL). It is believed that bunching of e-beam due to the interaction between e-beam and induced surface wave plays crucial roles in order to have SP superradiance. We have numerically investigated on the SP radiation from metal gratings excited with e-beam with high repetition THz frequency based on simplified particle-in-cell finite difference-time domain(PIC-FDTD)method. In this model, electron bunch is assumed to be a single particle with a Gaussian charge density distribution and the movement of the electron bunch is restricted only in two-dimensional space. Tunable THz SP superradiance can be obtained by changing pre-bunch repetition frequency of e-beam even under the same acceleration energy of electrons. Our findings will open the way for the development of the next-generation tunable tabletop type of THz-SP-FEL.%金属回折格子の表面近傍を相対論的速度まで加速させた電子ビームを走らせると電磁波放射が得られることは、スミス•パーセル（SP)効果として1950年代から知られている。Urata等が非線形的にSP放射が強まる（超放射）ことを報告して以来、様々な観点からSP超放射の研究が広くなされてきた。とりわけテラへルツ（THz)自由電子レーザー（FEL)として知られるチュ—ナブルかつテーブルトップ型のTHz放射源を実現するものとして期待されている。SP超放射を得るためには、電子ビームと誘起された表面波の相互作用による電子ビームのパンチ化が重要な役割を果たすとされている。我々は簡素化PIC-FDTD法を用いて、THzの高周波プレパンチ電子ビームによるSP超放射特性の数値解析に取り組んでいる。このモデルでは電子パンチがガウス分布関数で与えられる電荷密度分布を持った単一の粒子であると仮定し、電子パンチの運動を二次元平面に制限している。電子の加速ェネルギーが同一であっても、電子ビームのプレパンチ周波数を変化させることによりチューナブルなTHz-SP超放射を得ることができる。我々の知見は、次世代のチューナブル、テーブルトップ型のTHz-SP-FELの開発に新たな道を切り拓くだろう。