基于MeV电子束激励慢波波导结构的太赫兹尾场辐射源研究

The electron accelerator-based terahertz sources have an advantage in high emission power over other methods, however their practical application is limited by the large equipment, enormous cost, and complicated peripheral supporters. So exploring a relatively compact and efficient accelerator-based source is of great significance. For narrow bandwidth sub-terahertz radiation generation, wakefield radiation excited by a relativistic electron bunch traveling through a slow-wave waveguide structure (like a corrugated or dielectric loaded waveguide) has become a hot topic recently. One important way to reducing the size and cost of the overall radiation facility is to use the low-energy driver beam, since the slow-wave waveguide structure is compact and low-cost. In this program, we will further study the theories of the terahertz wakefield radiation driving by the electron beam at several MeV, including the ultrashort electron beam train production based on the self-wakefield modulation mechanism, the free electron laser interaction between the electron beam and the slow-wave waveguide, and the terahertz radiation source based on the thermionic RF electron gun. Our studies will offer new prospects for developing the compact and high-power terahertz sources.

电子加速器驱动的太赫兹辐射源在辐射功率方面相对于其他方法具有突出优势，然而受限于规模庞大、造价高昂而难以普及，因此发展紧凑型的高功率太赫兹辐射源具有非常大的吸引力。对于窄带亚太赫兹辐射源，使用相对论电子束激励慢波波导结构（如介质加载波导，金属褶皱波导）产生尾场辐射的方式近年来逐渐成为新的研究热点。由于波导管本身结构紧凑且造价低廉，因此为了降低辐射装置的整体尺寸和造价，可以考虑使用低能量的电子束作为驱动源。在本项目中，我们将对几个MeV电子束尾场辐射的物理理论和方案进行深入的研究，包括基于尾场调制的超短电子脉冲串的产生，电子束与慢波波导结构的自由电子激光不稳定性过程以及基于热阴极微波电子枪的太赫兹尾场辐射源等。这些研究工作的开展将为发展相关的紧凑型高功率太赫兹辐射源提供理论支撑与技术参考。

太赫兹波正在众多的科学技术领域获得非常广泛的应用，然而缺乏合适的辐射源经常成为太赫兹应用发展的关键瓶颈。基于加速器的太赫兹源在辐射功率方面相对于其他方法具有突出优势，然而受限于规模庞大、造价高昂而难以普及，因此发展紧凑型高功率太赫兹辐射源具有十分重要的意义。本项目重点开展了兆电子伏电子束激励介质加载波导结构产生太赫兹尾场辐射源的理论和方案研究，并增加了一些其他的同样兼具紧凑性和高功率特点的太赫兹辐射方式的理论研究，主要研究成果归纳如下：.1）提出了带有扩展层的介质加载波导结构用于产生太赫兹尾场辐射源，相比于传统介质加载波导结构，其纵向峰值功率可以提升一个量级，并且尾场从波导端口出射时的自然发散角较小，便于尾场的收集和传输，最终的功率密度可以提升两个量级。.2）提出了一种快速跟踪模拟近相对论电子束的太赫兹切伦科夫尾场自由电子激光的数值方法。这种方案只需要使用相对低能量和低流强的电子束即可获得较高的辐射功率，我们的方法则便于这种方案的参数设计。.3）提出了一种基于谐振腔、介质加载波导和热阴极电子枪的高重频太赫兹尾场发射源产生方案。.4）提出了两种新型的光栅结构用来产生高效的太赫兹Smith-Purcell辐射源，一种利用渐变尺寸的深窄矩形槽阵列产生多色太赫兹辐射，另外一种利用常规尺寸的矩形槽之间的耦合形成等效于法布里-珀罗谐振腔的效果产生高谱功率的单色太赫兹辐射。.5）发展了一种考虑波荡器真空室过模式波导效应的长波长（红外-太赫兹波段）自由电子激光（FEL）的三维模拟方法，并且已经在国家同步辐射实验室承担的两项国家重大仪器专项的FEL用户装置中获得应用，包括红外-远红外振荡器FEL的能谱间隙现象研究以及预聚束太赫兹FEL的输出光场计算，后者也为后续的太赫兹传输光路设计提供了必要的前提条件。.本项目的开展为紧凑型高功率太赫兹辐射源的发展提供了一定的理论支撑和参考。