基于束-等离子体虚阴极链的太赫兹辐射

Terahertz (THz) is the research field which is between the photonics and electronics, classical and quantum, so it has the discipline and challenging, a very important scientific value is hidden in it. As a result of the THz imaging and spectroscopy technology application in scientific frontier in various areas, it is the important content of THz science to how according to different technology purpose to carry out targeted research for THz source. The physical ideas based on the beam - plasma virtual cathode chain THz radiation is proposed for the first time in the project, and combining domestic and international and our recent research results explain the background and scientific basis of the project, thus two parts of the research content including theory and experiment is given: Electromagnetic instability in the beam plasma system and the instability competition; Coupling and radiation mechanism; The virtual cathode chain coherence; Nonlinear theory of beam - plasma virtual cathode chain THz radiation and plasma electron gun structure parameters optimization of cathode and anode; Experiment system of beam plasma virtual cathode chain of THz radiation builds and the relevant verification experiment. Through the above research, as a new type THz sources driven by plasma virtual cathode chain provide theoretical and experimental support.

太赫兹（THz）是介于光子学与电子学、经典与量子的过渡区域，具有学科交叉性和挑战性极强并蕴藏着十分重要的科学价值。由于THz的成像和波谱学技术在多个技术领域具有科学前沿的应用，因而如何根据不同技术用途对THz源开展有针对性的研究，是THz科学的重要内容。项目首次提出基于束-等离子体虚阴极链THz辐射的物理思想，并结合国际、国内和课题组近期的研究成果阐述了项目的科学背景和依据，进而给出了理论与实验两部分的研究内容：电子束在不同气压和不同气体组分情况下动态加载等离子体的模拟；束-等离子体系统电磁不稳定性以及相关不稳定性的竞争；耦合与辐射机制；虚阴极链的相干性；束-等离子体虚阴极链THz辐射的非线性理论以及等离子体电子枪阴、阳极的结构参数优化；束-等离子体虚阴极链THz辐射的实验系统构建以及相关的验证性实验。通过上述研究，为新一类由等离子体虚阴极链驱动的THz源提供理论与实验支撑。

高频（太赫兹到X射线频率）强电磁辐射源在军事、科研、工业等领域具有极为重要的应用前景。由于电子束、等离子体、波相互作用诱发的高频强电磁辐射源具有功率阈值高、宽谱，紧凑且体积小、重量轻等优点，因而近年来关于该型辐射源的基础物理研究受到国际广泛关注。项目组紧密围绕束-等离子体相互作用产生虚阴级链并诱发太赫兹辐射的物理机制开展了深入研究，提出了一些重要的学术观点并取得一系列重要成果，得到同行的广泛认可，为推进新型束-等离子体高频强电磁辐射源的实用化作进程出了重要贡献。. 项目研究总体分为理论模拟与实验部分。理论模拟部份重点描述了束－等离子体系统中虚阴极形成的物理原因及条件，包括束流在等离子体中传输的自聚焦过程粒子模拟和束、等离子体、波三者互作用激发的电磁不稳定性。线性部分由解析理论描述，非线性部分由粒子模拟给出。研究使我们清楚认识到，具有不同的系统参数时，系统激发高频电磁辐射的物理机制不同。比如，束密度与等离子体密度存在不同大小关系时，系统将体现强离子通道效应与等离子体尾场效应。又如，当束的经度与等离子体波长相比大、或者小许多时，对应的理论处理方法也不一样。报告中，比较详细介绍了这些理论。在实验方面，成功设计出一套束-等离子体辐射装置，在该套装置中，没有额外增加电子枪部分，使得整体装置非常紧凑。利用这套装置开展了一系列实验，实验的结果让我们欣慰：与理论的预期很好吻合，其装置已申请发明专利。这一系列实验的开展为新一类等离子体高功率太赫兹源的研究提供了实验支撑。相关重要结论如下：. 1.束－等离子体系统的束自聚焦并形成虚阴极链，是系统产生电磁辐射的基础。. 2.束－等离子体系统具不同参数时，系统激发电磁辐射的物理机制呈多样性。. 3.由等离子体子体密度所确定的等离子体频率，是电磁辐射的基波频率，实现太赫兹辐射对应的等离子体密度在10的22次方／立方米量级。. 4.电磁辐射谱由等离子体密度的分布决定。