基于自由电子激光的小型太赫兹源初步设计

在电磁波谱上，太赫兹（THz）波段介于电子学的微波波段与光学的红外波段之间，有学者定义其频率范围为（波长3mm―3nm）2‘31.由于该波段所处的特殊电磁波谱的位置，其性质表现出一系列不同于其他电磁放射的特殊性，从而使太赫兹放射成像技术及时域光谱技术在安全检查、反隐身高精度雷达、军事通讯、工业无损检测、空间物理和天文学、环境检测、化学分析、生物医学、网络通信等领域具有广阔的应用前景。目前，各国学者给予THz技术研究以大大的的关注，形成了一个研究高潮。美国、欧洲和日本尤为重视，日本在未来十年科技战略规划中将其列为十项重大关键技术131. THz技术的核心是放射源和探测器技术的发展。THz放射源的研究方向集中在两个方面：一方面是将光子学特别是激光技术向低频延伸，包括THz气体激光器、超短激光脉冲光电导天线和光整流、非线性差频过程（DFG）和参量振荡器w，其特点是可以产生方向性和相干性都很好的THz波，但输出功率小，适合产生ITHz以上频率的THz波。另一方面是将电子学方法向高频延伸，包括真空电子器件、电子回旋脉塞、自由电子激光（FEL）、Cherenkov放射、储存环同步放射、基于半导体技术的THz量子级联激光器等。在各种THz放射源中，FEL具有高功率、率、波长在大范围内连续可调、波束质量好、光脉冲时间结构精细而且可调等突出优点，是目前可以获得zui高输出功率的方法。

　　FEL从70年代开始就受到一些国家的重视，但是发展并不顺利，主要原因是FEL对电子束的品质要求太高，一般来说，要求能散度在0.5%以内，归一化发射度在5min.mrad左右。普通电子直线加速器不可能稳定提供这样高品质的束流，所以直到上世纪90年代，世界上没有出现大功率的FEL.1995年以后，美国efferson），旨在探索小型化、可移动的FEL-THz源的实现方法。

　　采用独立调谐双腔热阴极微波电子枪（ITC-RFGun）和等梯度行波加速管。采取对称输入耦合器和以同轴吸收负载取代输出耦合器的加速结构，使场*对称，克服了常规加速管输入、输出耦合器中场的不对称性对束流发射度的影响。同时，因不需外接吸收负载而使加速结构得到简化，从而减少了加速器的横向尺寸，有利聚焦线圈的安装和检修。电子束经加速管加速到5―10MeV，通过90°偏转磁铁1进入波荡器，与光学谐振腔内的光场和波荡器的磁场相互作用，产生1一3THz放射波。光学谐振腔由两个反射镜组成，一个镜子的位置可调。60°偏转铁2将束流引入束流垃圾箱。微波功率源由2856MHz微波信号源、固态放大器、20MW速调管以及调制器、波导系统（功分器，移相、衰减器等）等组成。快速束流变压器（FCT）用于电荷量的测量，OTR和条纹相机用于测量束团长度。

　　2独立调谐微波电子枪ITC-RF电子枪由两个腔组成，*腔为阴极腔，引出束流，第二腔为加速腔（如所示）。两个腔独立馈入不同大小和相位的微波功率，利用速度聚束效应获得亚皮秒级束流61.通过初步摸拟计算，采用ITC-RF电子枪，在不需要　　表1 ITC-RF电子枪的主要参数物理量数值工作频率/MHz*腔zui高场第二腔zui高场阴极直径/mm束团长度/ps束流能量/MeV归一化束流发射度/（mm.mrad）能散度/rms总腔长/cm 3波荡器波荡器设计的主要目标是控制磁场峰值的均方根误差，使得磁场垂直分量的一次积分和二次积分尽可能小，以控制电子束的方向偏移和位置偏移。针对小型THz源的要求，采用了混合型永磁结构，周期长度5cm，周期数25，偏转参数X=1.0.基于解析模型和经验选择了波荡器参数，使用TOSCA程序针对其端部结构进行了三维分析与优化。优化后的一次积分小于O.OlGs.m，二次积分为0.005Gs.m2.通过对电子轨迹的数值跟踪，得出电子束在屏蔽出口400mm处位置偏移小于0.021111，方向偏移0.05111土4光学谐振腔采用孔耦合输出稳定球面腔结构，腔镜由镀金的铜镜组成。利用FEL―维仿真软件FELO仿真了所设计的FEL-THz源性能。FELO模拟开始于散射噪声，可以模拟不同的电子脉冲电流分布、腔长失谐和电子束团之间的时间抖动对FEL振荡的影响71.'光腔的主要设计参数为：腔长2.1008m，腔镜曲率半径1.4223m，瑞利长度0.625m，腔镜反射率95%.仿真结果如所示，在经过了约400次回程后，光脉冲峰值强度和光脉冲能量呈指数迅速增长，约1000次回程后进入稳定区，此时，能够获得稳定的光脉冲输出。

　　不同反射率下光脉冲能量随回程数的变化为了使该FEL-THz源能达到较高的光腔增益和稳定的功率输出，需对参数进行优化设计。我们综合考虑了不同腔镜反射率、不同发射度和不同能散度对FEL输出光脉冲能量的影响。反射率的影响如所示，当反射率为85%和90%时，系统不能起振；反射率为98%时，系统可以起振，输出的光脉冲能量在很小的范围内波动，基本可以达到稳定输出；反射率为95%时，系统可达到稳定的饱和输出，为*的腔镜反射率。不同发射度的仿真结果表明，当发射度分别为5，10，15mm.mrad时，对光脉冲能量的稳定输出影响不是很大。不同能散度的仿真结果表明，电子束能散度越小，输出的光脉冲能量越大，且更容易达到饱和输出。

　　5结论本文给出了一种小型FEL-THz源的设计方案。采用ITC-RF电子枪、对称输入耦合器和同轴吸收负载代替输出耦合器的加速结构，减小了系统尺寸。通过初步仿真计算，ITC-RF电子枪能够达到所需的束流品质，波荡器的磁场的一次积分和二次积分满足要求，光学谐振腔能够获得稳定THz光脉冲输出，为小型化FEL-THz源装置研究奠定了基础。北京富瑞恒创科技有限公司。