(57)【要約】【課題】  周波数と振幅が極めて安定したテラヘルツ電磁波を、広い周波数帯域に渡って、小型の装置にて、効率良く発生させることができるテラヘルツ電磁波発生装置及び方法を提供する。【解決手段】  電子銃１で発生した直線状の電子ビーム２を、高周波空胴３に通し、電子ビームの進行速度を高周波電界にて周期的に速度変調して速度変調を受けた電子ビーム６とし、つづいて一定距離を走行させる間に、速度変調によって電子が周期的に集群し、時間的に短パルス列のパルス列電子ビーム７を形成する。このパルス列電子ビーム７にはマイクロ波周波数の高次周波数が多数含まれているので、これを電磁波放射部８に通し、電子ビーム７からテラヘルツ周波数の電磁波ビーム９を取り出す。【選択図】      図１
2006190886.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空中に直線状の電子ビームを発生する電子銃と、
該電子ビームを高周波電界によって速度変調し、つづいて一定距離をドリフト走行させることにより短パルス列の電子ビームとする高周波空胴と、
前記短パルス列の電子ビームから所定の周波数の電磁波ビームを選択的に放射させる電磁波放射部と、を備えたことを特徴とするテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項２】
前記電磁波放射部は単純平板であり、これにより、前記所定の周波数の電磁波としてピコ秒以下のパルス幅をもつテラヘルツ衝撃波を発生させる、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項３】
前記電磁波放射部は回折格子であり、これにより、前記所定の周波数の電磁波として単一周波数のテラヘルツ電磁波を発生する、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項４】
前記電子銃の電子ビームをＯＮ／ＯＦＦする電子ビームスイッチを備え、これによりテラヘルツ電磁波を高速でＯＮ／ＯＦＦする、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項５】
真空中に直線状の電子ビームを発生する電子ビーム発生ステップと、
該電子ビームを高周波電界によって速度変調し、つづいて一定距離をドリフト走行させることにより短パルス列の電子ビームとする高周波空胴ステップと、
前記短パルス列の電子ビームから所定の周波数の電磁波ビームを選択的に放射させる電磁波放射ステップと、を有することを特徴とするテラヘルツ電磁波発生方法。
【請求項６】
前記電磁波放射ステップにおいて、単純平板を使用し、ピコ秒以下のパルス幅をもつ、テラヘルツヘルツ衝撃波を発生させる、ことを特徴とする請求項５に記載のテラヘルツ電磁波発生方法。
【請求項７】
前記電磁波放射ステップにおいて、回折格子を使用し、単一周波数のテラヘルツ電磁波を発生させる、ことを特徴とする請求項５に記載のテラヘルツ電磁波発生方法。
【請求項８】
前記電子ビーム発生ステップにおいて、電子ビームをＯＮ／ＯＦＦして、テラヘルツ電磁波を高速でＯＮ／ＯＦＦする、ことを特徴とする請求項５に記載のテラヘルツ電磁波発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数領域が１００ＧＨｚから１０ＴＨｚの電磁波（テラヘルツ波）を発生するテラヘルツ電磁波発生装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
周波数領域が１００ＧＨｚから１０ＴＨｚの電磁波を、以下、「テラヘルツ波」と呼ぶ。テラヘルツ波は、光波と電波の境界に位置しており、光波と電波がそれぞれの領域で発展してきたのとは対象的に、技術面及び応用面の両面で未開拓の分野として取り残されていた。しかし、無線通信におけるこの周波数帯の有効利用や超高速通信への対応、およびこの周波数帯の電磁波の特徴を生かしたイメージングやトモグラフィーによる環境計測、そして生物や医学への応用など、この領域は近年ますます重要となってきている。
【０００３】
テラヘルツ波のうち周波数１ＴＨｚまでの発生装置として、後進波発振管（ＢＷＯ：Ｂａｃｋｗａｒｄ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）が広く知られている（例えば、非特許文献１、２）。
後進波発振管は、電子銃から得られる直線状のビームを用い、周期構造をもった遅波回路によって、自励発振させるものであり、電子管の一種として電子管技術の分野では広く知られたデバイスである。
【０００４】
また最近になって、ナノ秒のパルス幅をもつレーザー光を非線形素子に照射してパルス状のテラヘルツ電磁波を発生させる技術（以下、「テラヘルツ波パラメトリック発信器」と呼ぶ）が実用化されている（例えば、特許文献１、非特許文献３）。
【０００５】
更に、短くバンチした（集群した）高エネルギーの電子ビームを金属板に当てることにより、テラヘルツ電磁波または遠赤外線が発生することが知られている（例えば非特許文献４）。
なお、その他に本発明に関連する技術として、非特許文献５、６がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−５２３８号公報、「テラヘルツ波発生装置とその高速同調方法」
【０００７】
【非特許文献１】“Ｔｈｅ  Ｂａｃｋｗａｒｄ-Ｗａｖｅ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ”，＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｐｕｂ．ｃｏｍ／ｃｏｎｔｅｎｔ／ｎｅｅｔｓ／１４１８３／ｃｓｓ／１４１８３＿１０３．ｈｔｍ＞
【非特許文献２】Ｉｖｅｓ，Ｌ．；Ｎｅｉｌｓｏｎ，Ｊ．；Ｒｅａｄ，Ｍ．；Ｃａｐｌａｎ，Ｍ．；Ｋｏｒｙ，Ｃ．；Ｗｉｔｈｅｒｓｐｏｏｎ，Ｒ．；Ｓｃｈｗａｒｔｚｋｏｐｆ，Ｓ．"Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｂａｃｋｗａｒｄ  ｗａｖｅ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ"，Ｉｎｆｒａｒｅｄ  ａｎｄ  Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ  Ｗａｖｅｓ，２００２．  Ｔｗｅｎｔｙ  Ｓｅｖｅｎｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  ａｎｄ  Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ  Ｗａｖｅｓ  -  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｐａｐｅｒ（０-７８０３-７４２３-１，Ｎｏ  ＩＳＳＮ  ）；  ＩＥＥＥ  ２００２  （  ２２-２６  Ｓｅｐｔ．２００２）；Ｐａｇｅ  ２２５-２２６
【非特許文献３】Ｋ．Ｋａｗａｓｅ，Ｍ．Ｓａｔｏ，Ｔ．Ｔａｎｉｕｃｈｉ，ａｎｄ  Ｈ．Ｉｔｏ，"Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｔｕｎａｂｌｅ  ＴＨｚ-ｗａｖｅ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｆｒｏｍ  ＬｉＮｂＯ３  ｗｉｔｈ  ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｃｏｕｐｌｅｒ，"  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．６８，ｎｏ．１８，ｐｐ．２４８３-２４８５（１９９６）．
【非特許文献４】Ｔ．Ｗａｔａｎａｂｅ，ｅｔ．ａｌ．，“Ｓｕｂｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ  ｂｙ  Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ”，Ｐｒｏｃ．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆ．ＡＰＡＣ９８
【０００８】
【非特許文献５】Ｄ．Ｓuｔｔｅｒｌｉｎ，ｅｔ．ａｌ．，“Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  ａｔ  ｔｈｅ  ＳＬＳ  Ｌｉｎａｃ”，ＰＳＩ  Ａｎｎｕａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ，２００３
【非特許文献６】Ｐ．Ｈｅｎｒｉ，Ｏ．Ｈａｅｂｅｒｌｅ´，ａｎｄ  Ｐ．Ｒｕｌｌｈｕｓｅｎ，“Ｇｒａｔｉｎｇ  ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ：  Ａ  ｓｏｕｒｃｅ  ｏｆ  ｑｕａｓｉ  ｍｏｎｏｃｈｒｏｍａｔｉｃ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ”，Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｅ，Ｖｏｌｕｍｅ  ６０，Ｎｕｍｂｅｒ  ５，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ  １９９９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した後進波発振管の発振周波数は電子銃の電圧により可変にできるが、周波数の変化に伴い出力電力も複雑に変動する問題点がある。これは後進波発振管（ＢＷＯ）が内部帰還による自己発振現象を利用しているためである。
また、周波数１ＴＨｚを超えるさらに高い周波数になると、後進波発振管の内部での回路損失が大きくなり、発振に必要な条件が満たされない。そのため、後進波発振管が発振できず、１ＴＨｚ以上の周波数では実用化されていない。
【００１０】
一方、「テラヘルツ波パラメトリック発信器」は、レーザーとその電源を含めた装置全体の寸法が依然として大きいことと、コストが高いという難点がある。
【００１１】
更に、「テラヘルツ波パラメトリック発信器」を応用した別の手段として、二つの異なる周波数のレーザー光を非線形素子にて合成し、差周波数のテラヘルツ電磁波を発生する技術が存在するが、同様に、レーザーを含めた全体の装置のサイズが大きいことと、コストが高いという難点がある。
【００１２】
また、水銀灯の発光に含まれるテラヘルツ電磁波を利用することも行われているが、消費電力に対する出力電磁波の変換効率が著しく低いという難点がある。
【００１３】
更に、非特許文献４の手段では、大型の線型加速器を用いる必要があり、装置が大型であり、コストが高いという難点がある。
【００１４】
本発明は上述した従来技術が抱えていた問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、従来と全く異なる原理に基づき、周波数と振幅が極めて安定したテラヘルツ電磁波を、広い周波数帯域に渡って、小型の装置にて、効率良く発生させることができるテラヘルツ電磁波発生装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明によれば、真空中に直線状の電子ビームを発生する電子銃と、
該電子ビームを高周波電界によって速度変調し、つづいて一定距離をドリフト走行させることにより短パルス列の電子ビームとする高周波空胴と、
前記短パルス列の電子ビームから所定の周波数の電磁波ビームを選択的に放射させる電磁波放射部と、を備えたことを特徴とするテラヘルツ電磁波発生装置が提供される。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記電磁波放射部は単純平板であり、これにより、前記所定の周波数の電磁波としてピコ秒以下のパルス幅をもつテラヘルツ衝撃波を発生させる。
【００１７】
また前記電磁波放射部は回折格子であり、これにより、前記所定の周波数の電磁波として単一周波数のテラヘルツ電磁波を発生する。
【００１８】
また前記電子銃の電子ビームをＯＮ／ＯＦＦする電子ビームスイッチを備え、これによりテラヘルツ電磁波を高速でＯＮ／ＯＦＦする、ことが好ましい。
【００１９】
また、本発明によれば、真空中に直線状の電子ビームを発生する電子ビーム発生ステップと、
該電子ビームを高周波電界によって速度変調し、つづいて一定距離をドリフト走行させることにより短パルス列の電子ビームとする高周波空胴ステップと、
前記短パルス列の電子ビームから所定の周波数の電磁波ビームを選択的に放射させる電磁波放射ステップと、を有することを特徴とするテラヘルツ電磁波発生方法が提供される。
【００２０】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記電磁波放射ステップにおいて、単純平板を使用し、ピコ秒以下のパルス幅をもつ、テラヘルツヘルツ衝撃波を発生させる。
【００２１】
また前記電磁波放射ステップにおいて、回折格子を使用し、単一周波数のテラヘルツ電磁波を発生させる。
【００２２】
また前記電子ビーム発生ステップにおいて、電子ビームをＯＮ／ＯＦＦして、テラヘルツ電磁波を高速でＯＮ／ＯＦＦする、ことが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
上述した本発明の装置及び方法によれば、電子銃で発生した直線状の電子ビームを、高周波空胴に通し、電子ビームの進行速度を高周波電界にて周期的に速度変調して、つづいて一定距離を走行させる間に、速度変調によって電子が周期的に集群し、時間的に短パルス列の電子ビームを形成することができる。
このパルス列の電子ビームにはマイクロ波周波数の高次周波数が多数含まれているので、これを電磁波放射部に通し、電子ビームからテラヘルツ周波数の成分を取り出すことができる。
この構成によれば、安定したマイクロ波周波数帯の信号を利用し、電子ビームを用いて、高次高調波を発生させ、テラヘルツ周波数の電磁波を発生させることにより、周波数と振幅が極めて安定したテラヘルツ電磁波を、広い周波数帯域に渡って、小型の装置にて、効率良く発生させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２５】
図１は本発明のテラヘルツ電磁波発生装置の全体構成図である。この図において、本発明のテラヘルツ電磁波発生装置は、電子銃１、高周波空胴３、基準周波数発生器４、高周波増幅器５、電磁波放射部８及び電子コレクター１０を備える。
電子銃１は、真空中に直線状の電子ビーム２を発生する。
基準周波数発生器４は、基準周波数ｆ０（Ｈｚ）の高周波を発生し、これを高周波増幅器５にて増幅し、高周波空胴３に供給し、高周波電界を発生させる。
高周波空胴３は、電子ビーム２を高周波電界によって速度変調して速度変調を受けた電子ビーム６とし、つづいて一定距離をドリフト走行させることにより短パルス列の電子ビーム７（パルス列電子ビーム）とする機能を有する。
電磁波放射部８は、パルス列電子ビーム７から所定の周波数ｆの電磁波ビーム９を選択的に放射させる機能を有する。
電子コレクター１０は、電磁波放射部８を通過した電子ビーム７の電子を捕捉する。
【００２６】
上述した装置を用いて本発明の方法は、電子ビーム発生ステップ、高周波空胴ステップ、及び電磁波放射ステップを有する。
電子ビーム発生ステップにおいて、電子銃１により真空中に直線状の電子ビーム２を発生する。電子銃１より発生した電子ビーム２は、高周波空胴３に通す。
高周波空胴ステップにおいて、高周波空胴３、基準周波数発生器４、及び高周波増幅器５により、直線状の電子ビーム２を高周波電界によって速度変調して速度変調を受けた電子ビーム６とし、つづいて一定距離をドリフト走行させることにより短パルス列の電子ビーム７（パルス列電子ビーム）とする。
電磁波放射ステップにおいて、電磁波放射部８によりパルス列電子ビーム７から所定の周波数の電磁波ビーム９を選択的に放射させる。
【００２７】
電子銃１より発生した電子ビーム２は、高周波空胴３を通り、高周波空胴３の高周波電界によって、周期的な速度変調を受けた電子ビーム６となり、さらに一定距離を走行するうちに、電子間の速度差のために、速度変調が密度変調に変換され、パルス列電子ビーム７となる。
【００２８】
図２（ａ）はパルス列電子ビーム７の波形を示す図である。この図において、横軸は時間、縦軸は電流を示している。この図に示すように、各パルス波の時間間隔は、基準周波数発生器４の基準周波数ｆ０の周期１／ｆ０に等しい。
【００２９】
図２（ｂ）は電流の周波数スペクトル強度を示す図である。この図において、横軸は周波数、縦軸は周波数スペクトル強度を示している。
この図に示すように、電流の周波数スペクトルは、多数の線スペクトルからなっており、線スペクトル相互の間隔は、基準周波数発生器４の基準周波数ｆ０に等しい。またその強度は、直流からテラヘルツ周波数までの広範囲にわたり平坦であり、カットオフ周波数ｆｃ以上では、強度が周波数とともに低くなる。カットオフ周波数ｆｃは、電流パルス波の幅Ｔｐと数１の式（１）の関係にある。
【００３０】
【数１】
2006190886.tif 000003
【００３１】
式（１）を以下に詳述する。
電子銃から発射された電子ビーム２が、高周波空胴３を通過するとき、高周波空胴の交流電場によって速度変調をうける。その後、速度変調を受けた電子ビーム６が下流へ走行する間に、速度の違いによって電子が集群し、図２（ａ）のように電流がパルス波形となる。
図２（ａ）のパルス電流のスペクトルは、この波形をフーリエ変換することで求まり、図２（ｂ）の形状となる。すなわち、多数の線スペクトルの集合となり、最も低い周波数が、高周波空胴の周波数ｆ０に等しく、その高調波が２ｆ０，３ｆ０，４ｆ０，とならぶ。すなわち線スペクトルの周波数と波長は、数１の式（１．１）で表される。
この高調波は、マイクロ波からテラヘルツ波の周波数にまで及ぶ。しかし、その強度は、カットオフ周波数ｆｃから次第に小さくなる。これはもともとの、電流パルス幅が有限であることに起因し、電流パルスの時間幅をＴｐとすれば、カットオフ周波数ｆｃは、上述した式（１）によって与えられる。
これは、数学におけるフーリエ変換であり、一般的に数学定理により、時間幅とスペクトル幅は逆比例する。またカットオフ周波数は、一般的に記号はｆｃで示される。
【００３２】
式（１）から、時間幅の短い電流パルスをつくれば、高い周波数にまで及ぶ広いスペクトルの電磁波を作り出すことができることがわかる。例えば、電流パルス波の幅が１ｐｓｅｃ（ピコ秒、１０-９秒）であれば、周波数スペクトルの上限は式（１）より、１ｘ１０９ヘルツ、すなわち１ＴＨｚ（テラヘルツ）となる。
【００３３】
図１の装置において、高周波空胴３の電圧を適切に選択すると、電磁波放射部８の位置で、パルス幅ｔｐを極めて小さくできる。その条件は、数２の式（２）で与えられる。
【００３４】
【数２】
2006190886.tif 000004
【００３５】
ここで、γは電子ビーム２の電子銃１での運動エネルギーを電子の静止エネルギーｍ０ｃ２で格化した値、βは光速で規格化した電子ビーム２の速度、ｆ０は基準信号発生器の周波数、Ｖｃは高周波空胴３の高周波電圧、Ｔは高周波空胴３の電子走行係数、Ｌは高周波空胴３から電磁放射部８までの距離である。
また、その他の物理定数はｃが光速、ｍ０は電子の質量、ｅは電子の電荷である。
【００３６】
具体的な例として、電子銃１の加速電圧を１００ｋＶ、基準周波数を１ＧＨｚ、高周波空胴３の電圧を５０ｋＶ、電子走行係数を０．８とすると、各パラメータは、γ＝１．２、β＝０．５５、Ｌ＝１．８ｍとなり、高周波空胴３の中心から下流へ．１．８ｍの位置に電磁放射部８を置けば、電子ビームのパルス幅がもっとも狭くなり、これによってカットオフ周波数が高くなる。
【００３７】
電子ビームのパルス時間幅の最小値は、電子の運動エネルギーと電子ビームの空間電荷効果とのバランスによって決まり、数値計算によると、数ｍＡ程度のビーム電流に対して、１ｐｓｅｃ以下が得られることがわかっており、カットオフ周波数１ＴＨｚ以上が得られる。
【００３８】
式（２）を以下に詳述する。
電子銃の加速電圧をＶ０とすると相対論の効果を考慮した電子の運動エネルギー、規格化エネルギー及びと速度（規格化）は、数３の式（２．１）（２．２）（２．３）の関係で与えられる。
【００３９】
【数３】
2006190886.tif 000005
【００４０】
この電子ビームが加速空胴を通過すると、空胴内部の軸方向電界によって、加速または減速をうけて、ビームのエネルギーはその軸方向位置（位相ともいう）によって、サイン波状のエネルギー変調を受ける。空胴を通過した電子のエネルギーは、数３の式（２．４）となる。
ここで、φ０は電子が空胴中心を通過したときｔ０のマイクロ波電界の位相であり、数３の式（２．５）で与えられる。またＴはＴｒａｎｓｉｔ  Ｔｉｍｅ  Ｆａｃｔｏｒであり、軸方向に有限の広がりをもつ空胴電界との結合度をあらわし、平行平板近似によって、空胴長ｇに対して数３の式（２．６）のように与えられる。
これは、電子が空胴を通過する間にθだけ位相が回転することによるロスをあらわし、一般にＴは０．５〜１．０の間の数値を取る。
【００４１】
つぎに、このようにしてサイン波状のエネルギー変調を受けた電子ビームが、下流へ自由空間を走行する間に、その速度の違いから、高いエネルギーの電子は前に、低いエネルギーの電子は後ろへ位置がずれることによって、周期的に集群し、密度変調が生じる。電子同士の反発力を無視すると図３に示すように、距離Ｌだけ走行したとき、電子ビームの集群エネルギーが前が低く後ろが高い中央の位相に電子が集中する場所がある。この位置は近似的に次のように与えられる。位相中心の前後に２点、Δφだけ位相がわずかに異なる電子に着目すると、距離Ｌだけ走行したとき、両者は一点に集中するので、速度の違いによるずれがちょうど空胴直後の２点の距離に等しいはずである。すなわち、空胴での位置のずれは、数４の式（２．７）で表される。
【００４２】
【数４】
2006190886.tif 000006
【００４３】
一方、走行距離Ｌの間の電子の位置のずれは、数４の式（２．８）となる。
（２．４）式を微分して、数４の式（２．９）が得られる。
式（２．５）、（２．８）、（２．９）より、式（２．１０）すなわち数２の式（２）が得られる。
数２の式（２）は、電子ビームが集群して一点に集まる距離をあらわしている。
【実施例１】
【００４４】
電磁波放射部８として、パルス列電子ビーム７の軌道から４５度傾けた単純平板８ａ（例えば単純な金属平板）を置き、電子を金属平板８ａの表面に入射すると、遷移放射が９０度方向に発生し、パルス電磁波ビーム９を形成する。この電磁波ビームは、電子ビームのパルス波形に等しい電界波形を持つテラヘルツヘルツ周波数のパルス電磁波である。
なお遷移放射については、高エネルギーの加速器を用いた実験がなされており、電子ビームのパルス長（バンチ長ともいう）より長い波長では、コヒーレントな放射となり、非常に大きなパワーが得られることが非特許文献４、５から知られている。
【実施例２】
【００４５】
図４は、電磁波放射部８として、回折格子１１を置き、パルス列電子ビーム７を入射させると、コヒーレントなテラヘルツ電磁波が発生し、単一周波数のテラヘルツ電磁波を直接取り出すことが可能となる。回折格子１１とパルス列電子ビーム７の角度、電磁波ビーム９との角度には一定の関係が数５の式（３）のように成り立つ。
【００４６】
【数５】
2006190886.tif 000007
【００４７】
ここで、q１はパルス列電子ビーム７と回折格子１１の成す角度、q２は回折格子１１と電磁波ビーム９との成す角度、Ｄは回折格子１１の周期長、ｎは回折の次数１，２，３である。
図２（ｂ）の周波数スペクトルに示すように、パルス列電子ビーム７には多数の線スペクトルが含まれており、回折格子を用いて、式（３）を満足する線スペクトルを取り出すことが可能となる。
なお回折格子に加速器からの高エネルギー電子を入射し、準単色の可視光を取り出す実験はすでに行われており、式（３）の関係で波長が選択されることが、実証されている（例えば非特許文献６）。
ただし、本発明では、非特許文献６と相違し、波長が電子ビームのバンチ長より長いテラヘルツ領域の回折格子からのコヒーレント遷移放射を利用する。
【００４８】
式（３）を以下に詳述する。
電子ビームを回折格子に直接入射して、光を取り出すことは、すでに実験がなされ［非特許文献５］、可視光線で準単色な光が得られることが証明されており“Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ”と呼ばれている。
図４のように、左からバンチした電子ビームが入射し、回折格子にて波長λの成分が取り出されているものとします。回折格子のピッチ（格子定数）をＤとし、格子定数だけ離れた２点に入射する電子を考えます。
電子ビームの速度は光速より遅く、この上に乗っている波長λの密度成分の波長も短くβλとなっており、波数は数６の式（３．１）となる。
ここで、ｋ２は波長λの電磁波の波数である。回折格子による回折後の２本の波の位相差は２ｎπに等しく、数６の式（３．２）で表せる。
式（３．１）と（３．２）から式（３．３）すなわち数５の式（３）が得られる。
【００４９】
【数６】
2006190886.tif 000008
【００５０】
なお、回折格子を回転させると、式（３）の関係から波長が任意に選択され、これが電子ビームの密度変調の高調波に合致するとパワーが非常に大きくなる。すなわち、式（１．１）が成り立つと干渉効果によってパワーが非常に大きくなる。これが、この発明の有用な効果の１つである。
【００５１】
具体的な例として、電子銃１の加速電圧を１００ｋＶ、γ＝１．２、β＝０．５５、q１＝６０度、q２＝３０度、 Ｄ＝０．１ｍｍ、ｎ＝１とすると波長０．１０７ｍｍのテラヘルツ電磁波が選択される。
【００５２】
選択する線スペクトルの周波数は、電子銃１の加速電圧と回折格子１１を回転し角度q１を調整することで、式（３）に従って任意に決定できる。
【００５３】
上述したように、本発明は、大型の線型加速器を用いずに、電子銃１と１台の高周波空胴３という単純な構成で、短くバンチしたパルス列電子ビーム７をつくり、これを電磁波放射部８（単純平板８ａ、回折格子１１）に当ててテラヘルツ電磁波９を発生させるものである。特に、回折格子１１に、短くバンチしたパルス列電子ビーム７を入射すると、波長がバンチ長より長い成分（テラヘルツ）で非常に強度が高くなり、また回折格子によって１本の線スペクトルを選択的に取り出せる特徴がある。
【００５４】
すなわち上述した本発明の装置及び方法によれば、電子銃１で発生した直線状の電子ビーム２を、高周波空胴３に通し、電子ビームの進行速度を高周波電界にて周期的に速度変調して、つづいて一定距離を走行させる間に、速度変調によって電子が周期的に集群し、時間的に短パルス列のパルス列電子ビーム７を形成することができる。
このパルス列電子ビーム７にはマイクロ波周波数の高次周波数が多数含まれているので、これを電磁波放射部８に通し、パルス列電子ビーム７からテラヘルツ周波数のテラヘルツ電磁波９を取り出すことができる。
従って本発明の構成によれば、安定したマイクロ波周波数帯の信号を利用し、電子ビーム２を用いて、高次高調波を発生させ、テラヘルツ周波数９の電磁波を発生させることにより、周波数と振幅が極めて安定したテラヘルツ電磁波を、広い周波数帯域に渡って、小型の装置にて、効率良く発生させることができる。
【００５５】
なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明のテラヘルツ電磁波発生装置の全体構成図である。
【図２】本発明のパルス列電子ビームの波形図とその周波数スペクトル図である。
【図３】本発明による電子ビームの速度変調の説明図である。
【図４】本発明の実施例２の電磁放射部の構成図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  電子銃
２  電子ビーム
３  高周波空胴
４  基準周波数発生器
５  高周波増幅器
６  速度変調を受けた電子ビーム
７  パルス列電子ビーム
８  電磁波放射部、８ａ  単純平板（単純な金属平板）、
９  電磁波ビーム
１０  電子コレクター
１１  回折格子
【図１】
2006190886.tif 000009
【図２】
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【図３】
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【図４】
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