基于非线性纵向空间电荷振荡的可调窄带太赫兹辐射物理及技术问题研究

The relativistic ultrashort electron bunch train with ps spacing has attracted much attention as it has great applications in the prodcution of narrow-band coherent THz radiation at its repetition frequency and several harmonics with high spectral intensity. How to obtain high charge high peak current electron bunch trains plays the key role to improve its THz radiation spectral intensity. Unlike current methods which can only produce relatively low charge or low peak current bunch trains, in this proposal we are going to explore a novel approach which combines nonlinear longitudinal space charge oscillation effects with beam compression techniques to achieve high charge high peak current bunch trains. Experiments on tunable narrow-band THz production with such bunch trains will be performed on the photocathode-based linac facility at accelerator laboratory of Tsinghua Uniersity. In the project we will try to show nonlinear longitudinal space charge oscillations under conditions of high charge (>1nC), and realize the technique to achieve THz rep rate bunch trains with high peak current (～kA), with which to produce narrow band THz radiation which can be tuned in 1~3THz.

时间间隔～ps的相对论超短电子束序列，因其可在束团重复频率及若干次谐波频率处产生高能谱强度的窄带相干THz辐射，而成为当前加速器电子源的研究热点，如何产生大电荷量、高峰值流强的超短电子束序列，是提高THz辐射能谱强度的关键，深入开展相关研究，具有重要的科学意义和应用价值。区别于目前基本上只能产生低电荷量或低峰值流强的电子束序列的方法，本项目结合非线性纵向空间电荷振荡效应和束流压缩技术，探索一种新型的大电荷量、高峰值流强电子束序列的产生方法，并针对可调窄带高能谱强度THz辐射的产生，在清华大学基于光阴极微波电子枪的直线加速器平台上，深入开展实验研究。项目将在实验上证实大电荷量条件下（>1nC）的非线性纵向空间电荷振荡效应，实现基于紧凑加速结构的～kA量级高峰值流强的THz重复频率超短电子束序列产生技术，并利用这种电子束序列优化产生高能谱强度的窄带THz辐射，实现1～3THz的频谱可调。

太赫兹技术在基础科学、生物医学、光谱学等领域的研究中受到越来越多的关注，显示出重大的科学价值和广阔的应用前景，太赫兹技术的开发与应用已经成为国际上最活跃的前沿研究领域之一。新型加速器技术有潜力产生高功率、可调谐的相干太赫兹辐射，发展基于紧凑加速结构的高能谱亮度可调太赫兹源可为相关前沿研究提供有力的研究工具，已经成为电子加速器的重要研究方向。时间间隔皮秒的相对论超短电子束序列，因其可在束团重复频率及若干次谐波频率处产生高能谱强度的窄带相干太赫兹辐射，而成为当前加速器电子源的研究热点。如何产生大电荷量、高峰值流强的超短电子束序列，是提高太赫兹辐射能谱强度的关键，深入开展相关研究，具有重要的科学意义和应用价值。区别于目前基本上只能产生低电荷量或低峰值流强的电子束序列的方法，本项目结合非线性纵向空间电荷振荡效应和束流压缩技术，探索了一种新型的大电荷量、高峰值流强电子束序列的产生方法，并针对可调窄带高能谱强度太赫兹辐射的产生，在清华大学基于光阴极微波电子枪的直线加速器平台上，深入开展了实验研究。项目在实验上首次验证了大电荷量条件下（~1nC）的非线性纵向空间电荷振荡效应，实现了基于紧凑加速结构的大于300A高峰值流强的太赫兹重复频率超短电子束序列的产生技术，并利用这种电子束序列优化产生高能谱强度的窄带太赫兹辐射（0.6THz到大于2THz），圆满的完成的了项目的研究目标。项目研究过程中，发展了一系列新型电子束纵向分布诊断方法，包括单次电光采样、空间解码电光方法、相干渡越太赫兹辐射分束测量方法、波荡器太赫兹辐射形状因子测量方法等；另外，开展了一系列的基于太赫兹电子束序列的应用研究，包括介质尾场驱动的电子束加速相位控制方法、电子束脉冲序列的相干史密斯-珀塞尔辐射机制等，为新加速原理及新型相干太赫兹辐射机制研究提供了新的思路。本项目的研究成果，推动了高峰值流强可调太赫兹电子束脉冲序列的产生方法研究进展，并促进了其进一步的应用研究。