高品质电子束产生及其太赫兹辐射应用的研究

High quality electron beams are widely used in applications such as short wavelength free electron lasers, coherent terahertz (THz) radiation sources, etc. For THz sources, it is primarily important to generate the high quality ultra-short electron beam, which is of benefit to enhance the radiation power and to broaden the spectra. Meanwhile, reducing the scale of facility is a practical demand to extend the application range of THz sources. The electron beam used to emit coherent THz radiation typically fall into two categories. One is the high charge ultra-short electron bunch, the other is an electron beam (or a bunch train) repeated at THz frequency. In this project, on the bases of the related works abroad and our own, we will study the generation of high quality electron beam and its application on THz radiation in-depth: study the beam dynamics in photocathode injector for beam quality optimization; study the bunch compression technique to achieve ultra-short bunches including velocity bunching and magnetic compression; study laser manipulation of electron beam to produce a THz bunching beam with the high frequency and a high bunching factor; design a compact electron source for high-power THz radiation. The research work will provide a theoretical support for the generation of a high quality electron beam and the generation of a compact high-power THz radiation source.

高品质电子束有诸多重要应用，如短波长自由电子激光、高功率太赫兹辐射源等。对于太赫兹源，产生高品质超短电子束已成为提高辐射功率、拓展光谱的首要关键。在获得高品质电子束的同时，缩小装置规模是拓宽加速器太赫兹源应用范围的切实需求。产生相干太赫兹光的电子脉冲可大致分为两类，一类是大电荷量超短单束团，一类是具有太赫兹微群聚结构的电子束团（或束团串）。本项目中，我们将在国内外已有工作及我们自己工作基础上，对高品质电子束的产生及其太赫兹辐射应用开展深入研究。研究光阴极电子注入器的束流动力学，优化电子束品质；研究速度压缩、磁压缩等束团压缩技术，产生超短单束团；结合激光技术，研究束流操控原理，产生高频率、高群聚因子的太赫兹微群聚结构的电子束；同时，对高功率紧凑型太赫兹辐射源的方案进行设计。研究工作将为产生高品质电子束、发展紧凑型高功率太赫兹源提供理论支持。

高品质电子束在短波长自由电子激光、基于加速器的高功率太赫兹辐射源等方面有广泛的应用。对于太赫兹源，产生高品质短脉冲电子束是首要关键。一是将高品质大电荷量电子束团压缩至皮秒脉宽，通过同步辐射等方式产生宽谱高功率太赫兹波；二是利用具有太赫兹微群聚（皮秒时间间隔）电子束团串，通过自由电子激光辐射产生窄带相干太赫兹波。本项目中，我们对高品质超短单束团和电子束团串的产生及其太赫兹辐射应用开展了研究：通过优化速度压缩技术和发射度补偿技术，提出高品质超短单束团和高品质电子束团串的产生方案，验证了获得nC电荷量、百fs脉宽的高品质超短脉冲的大电荷量单束团的可能性；通过减少微脉冲个数和优化速度压缩技术，提出增强预群聚束团串群聚因子的优化方案，可大幅度增强1 THz低频段基波和谐波输出功率；通过补偿束流能散、选择不同电荷量模式等途径进一步改善辐射品质，并考虑波导效应改进辐射特性模拟方法，设计了基于加速器的紧凑型太赫兹源的优化方案。研究工作可为产生高品质电子束、发展紧凑型高功率太赫兹源提供理论支持。