CN104103476B - 一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统，其特征在于：它包括微脉冲电子枪、真空容器、加速聚焦单元、Smith-Purcell型回波振荡器、真空泵组、供电单元以及控制微脉冲电子枪、加速聚焦单元和Smith-Purcell型回波振荡器协调工作的控制单元；微脉冲电子枪与真空容器的顶端连接，加速聚焦单元和Smith-Purcell型回波振荡器分别固定设置在真空容器内的上部和下部；真空容器上部的侧壁上和底端开设的上真空口和下真空口分别连接真空泵组；真空泵组和供电单元分别提供真空环境和电源；微脉冲电子枪产生的微脉冲电子束团传输至加速聚焦单元进行加速和聚焦，加速和聚焦后的微脉冲电子束团通过Smith-Purcell型回波振荡器产生太赫兹光。

Description

一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统

技术领域

本发明涉及一种太赫兹光源系统，特别是关于一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统。

背景技术

频率为0.1THz-10THz波段的电磁波称为太赫兹波，太赫兹技术作为新兴的技术热点，在物理学、材料科学、天文学、信息技术和国防科学等多个领域都具有巨大的研究潜力，近年来引起了很多国家的广泛关注。然而，太赫兹技术的发展受多个因素的制约，其中最重要的因素就是太赫兹源。目前，太赫兹源主要通过以下几种方式产生：半导体瞬间电流产生、光整流产生、电子加速产生、光电导产生和非线性差频产生。然而以上几种太赫兹源的产生方式自身均存在一定缺陷，例如采用非线性材料差频的方法和采用光电导天线方法产生的太赫兹波不仅辐射功率比较小而且产生效率比较低，利用量子级联激光器(QCL)虽然能够输出比较高的功率但是其必须工作在低温环境下，加速器产生的THz辐射可以达到较高的功率但其设备庞大运行成本高。如何找到运行在常温条件下、设备小巧、产生功率高的太赫兹源一直是科学研究的重点。

Smith-Purcell效应是1953年由Smith和Purcell发现的重要物理现象，基于这一效应发展起来的Smith-Purcell型太赫兹源成为了重要的微波辐射源。研究表明，采用电子束团同表面光栅的表面波模式相互作用的Smith-Purcell型太赫兹源，其工作在室温条件下，可以产生瓦级的太赫兹波。这种Smith-Purcell型太赫兹源为太赫兹源的小型化、室温化、高功率、可调节化提供了一条有效的实现途径。目前，Smith-Purcell型太赫兹源一般都是采用连续电子束团的工作方式，这种工作方式产生的太赫兹波相干性差，光的品质较差。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种太赫兹波相干性好且功率较大的基于微脉冲电子枪的Smith-Purcell型太赫兹光源系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统，其特征在于：它包括微脉冲电子枪、真空容器、加速聚焦单元、Smith-Purcell型回波振荡器、真空泵组、供电单元和控制单元；所述微脉冲电子枪通过法兰与所述真空容器的顶端连接，所述加速聚焦单元和Smith-Purcell型回波振荡器分别固定设置在所述真空容器内的上部和下部；所述真空容器上部的侧壁上和底端分别开设一上真空口和一下真空口，所述上真空口和下真空口分别连接一所述真空泵组；所述真空泵组和供电单元分别为所述微脉冲电子枪、加速聚焦单元和Smith-Purcell型回波振荡器提供真空环境和电源；所述控制单元控制所述微脉冲电子枪、加速聚焦单元和Smith-Purcell型回波振荡器协调工作，所述微脉冲电子枪产生的微脉冲电子束团传输至所述加速聚焦单元，所述加速聚焦单元对微脉冲电子束团进行加速和聚焦，加速和聚焦后的微脉冲电子束团通过所述Smith-Purcell型回波振荡器产生相干的太赫兹辐射。

所述微脉冲电子枪包括矩形波导、谐振腔体、栅网、微分直线导入器、阴极片和冷却水槽；微波通过所述矩形波导和谐振腔体之间的耦合孔馈入所述谐振腔体内，在所述谐振腔体内产生谐振的电磁场；谐振的电磁场使电子在所述谐振腔体内振荡并撞击到所述栅网和所述微分直线导入器底端的所述阴极片，电子在所述栅网与阴极片上实现二次电子倍增，产生纵向长度小于或等于10ps且电荷量为1.6pC～16nC电子束团；所述冷却水槽围设在所述谐振腔体外侧，所述控制单元通过控制流过所述冷却水槽中水的温度实现对所述谐振腔体整体温度的控制。

所述阴极片是由二次电子倍增材料制成的圆形片状结构，其上不带有任何网格，其直径为2cm，厚度为0.4mm；所述阴极片固定在所述微分直线导入器底端，其伸入所述谐振腔体的距离能够不断调节，调节的精度为0.005mm。

所述栅网是由二次电子倍增材料制成的圆形片状结构，其直径为2cm，厚度为0.03mm；其上设置有使部分电子溢出的若干圆形网孔。

所述圆形网孔的直径为0.05mm。

所述加速聚焦单元包括一个束流导入管、若干级射频加速管、一组预聚焦线圈、一个束流传输管、一个二维偏转二极磁铁组、两组上聚焦线圈、一个孔径变换器、一组扫描线圈和一组下聚焦线圈；所述微脉冲电子枪的输出口与所述束流导入管连接，所述微脉冲电子枪产生的电子束流通过所述束流导入管进入所述射频加速管中进行加速，所述预聚焦线圈位于所述射频加速管的两侧，所述预聚焦线圈同时对电子束流进行预聚焦；经加速和预聚焦后的电子束流进入所述束流传输管中，所述二维偏转二极磁铁组位于所述束流传输管外侧的上端；所述上聚焦线圈位于所述束流传输管外侧，且设置在所述二维偏转二极磁铁组下方，所述上聚焦线圈对进入所述束流传输管的加速和预聚焦后的电子束流进行第二次聚焦；经加速和第二次聚焦后的电子束流传输至所述孔径变换器，所述孔径变换器通过变换其孔径大小将电子束流中偏离轴向的外围电子过滤掉，经过滤后的电子束流传输至所述扫描线圈内；所述下聚焦线圈位于所述扫描线圈两侧，所述下聚焦线圈对进入所述扫描线圈内的电子束流进行第三次聚焦；经加速和第三次聚焦后的电子束流传输至所述Smith-Purcell型回波振荡器。

所述Smith-Purcell型回波振荡器包括光栅、光栅导轨、光栅螺旋导入杆、太赫兹光收集器、光输出管路和束流收集靶；所述光栅与光栅导轨均设置在所述扫描线圈下方，所述光栅带栅格的一侧面与弧形所述光栅导轨的内表面之间的空间构成电子束流的传输通路，所述光栅另一侧面上连接所述光栅螺旋导入杆，通过旋转所述光栅螺旋导入杆调节所述光栅与传输通路中电子束流之间的距离；所述太赫兹光收集器的一端滑设在所述光栅导轨上，所述太赫兹光收集器的另一端与所述光输出管路的一端连接，所述光输出管路的另一端穿过所述真空容器的外壁，且所述光输出管路穿设在所述真空容器外壁中的部位与所述真空容器外的环境真空隔绝；所述束流收集靶设置在所述光栅与光栅导轨构成的传输通路的底端；经加速和第三次聚焦后的电子束流传输至所述光栅与光栅导轨构成的传输通路中，电子束流经过所述光栅时发生Smith-Purcell辐射，所述太赫兹光收集器收集Smith-Purcell辐射产生的太赫兹光并传输至所述光输出管路，通过所述光输出管路向所述真空容器外输出辐射产生的太赫兹光；经过所述光栅辐射后的电子束流被所述束流收集靶收集。

所述光栅采用矩形光栅，其总长度为120mm，栅格宽度为1.5mm，深度为2mm；所述光栅的周期大于或等于电子束团的纵向长度。

所述光栅导轨是由聚四氟乙烯材料制成的半椭圆型结构，其长轴为120mm，短轴为60mm，所述光栅导轨所在的椭圆平面在XZ平面内，椭圆平面的长轴平行于Z轴方向，椭圆长轴与所述光栅上表面的距离为60mm；其中X方向表示垂直于光栅表面的方向，Y方向表示平行于光栅栅格的方向，Z方向表示电子束团的运动方向。

所述太赫兹光收集器是由纯铜制成的温斯顿锥(Winstoncone)结构，其内径为5.81mm，张角为26.57°，其内部采用聚四氟乙烯填充。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用微脉冲电子枪作为Smith-Purcell型回波振荡器的电子源，可以直接产生超快电子束而后与光栅相互作用，相对于其他电子源产生的直流电子束与光栅相互作用，以上方式省去了预聚束的过程，有效地增强了辐射的效率。2、本发明由于采用微脉冲电子枪产生较高流强的皮秒级电子束团，因此本发明能够极大地改善电子束流的品质，从而为改善辐射出的太赫兹光的品质提供基础。3、本发明由于采用高谐振频率、常温的微脉冲电子枪做为电子源，采用紧凑的加速聚焦系统对电子束流进行加速和聚焦，采用总长度只有120mm的光栅与电子束流相互作用，因此本发明整体尺寸较小，与现有技术中其他类型的太赫兹光源系统相比更加小型化。4、本发明由于光栅的尺寸和电子束的能量都是可以改变的，因此由Smith-Purcell辐射公式可知，本发明所产生的太赫兹辐射光频率也是连续可调的。基于以上优点，本发明可以广泛应用于太赫兹辐射成像、分子生物学研究和天体物理研究等领域。

附图说明

图1是本发明基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统结构示意图；

图2是本发明基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统的机械结构示意图；

图3是微脉冲电子枪的剖视图；

图4是加速聚焦系统和Smith-Purcell型回波振荡器的剖视图；

图5是本发明的电子束团经过光栅结构的示意图；其中，X方向表示垂直于光栅表面的方向，Y方向表示平行于光栅栅格的方向，Z方向表示电子束团的运动方向；l表示光栅周期，L表示光栅的总长度，d表示电子束团中心与光栅上表面之间的距离，θ表示XZ平面内某一特定辐射方向与Z轴所成的夹角。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1和图2所示，本发明基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统包括微脉冲电子枪1、真空容器2、加速聚焦单元3、Smith-Purcell型回波振荡器4、真空泵组5、供电单元6和控制单元7。微脉冲电子枪1通过法兰与真空容器2的顶端连接，加速聚焦单元3和Smith-Purcell型回波振荡器4分别位于真空容器2的上部和下部，并均固定设置在真空容器2内。真空容器2上部的侧壁上和底端分别开设一上真空口21和一下真空口22，上真空口21和下真空口22分别连接一真空泵组5。真空泵组5和供电单元6分别为微脉冲电子枪1、加速聚焦单元3和Smith-Purcell型回波振荡器4提供真空环境和电源。控制单元7控制微脉冲电子枪1、加速聚焦单元3和Smith-Purcell型回波振荡器4协调工作，微脉冲电子枪1产生的微脉冲电子束团传输至加速聚焦单元3，加速聚焦单元3对微脉冲电子束团进行加速和聚焦，加速和聚焦后的微脉冲电子束团通过Smith-Purcell型回波振荡器4产生相干的太赫兹辐射。

上述实施例中，如图3所示，微脉冲电子枪1包括矩形波导11、谐振腔体12、栅网13、微分直线导入器14、阴极片15和冷却水槽16。微波通过矩形波导11和谐振腔体12之间的耦合孔17馈入谐振腔体12内，在谐振腔体12内产生谐振的电磁场。谐振的电磁场使电子在谐振腔体12内不断地来回振荡，从而撞击到栅网13和微分直线导入器14底端的阴极片15，电子在栅网13与阴极片15上都可以实现二次电子倍增，一个脉冲周期完成一次电子溢出，即输出一次电子束团。冷却水槽16围设在谐振腔体12外侧，冷却水槽16中的冷却水吸收微脉冲电子枪1工作过程中产生的热量，控制单元7通过控制流过冷却水槽16中水的温度可以实现对谐振腔体12整体温度的控制。

上述各实施例中，矩形波导11由不锈钢材料制成。

上述各实施例中，谐振腔体12的谐振频率为1.3GHz，其中电场在谐振腔体12中心部分最强，磁场在谐振腔体12外围部分最强。

上述各实施例中，阴极片15是由二次电子倍增材料制成。阴极片15为圆形片状结构，其直径为2cm，厚度为0.4mm，其上不带有任何网格，被固定在微分直线导入器14底端，其伸入谐振腔体12的距离可以通过调节微分直线导入器14导入杆的长度不断地调节，调节的精度为0.005mm，在调节的过程中谐振腔体12的谐振频率也随之改变。

上述各实施例中，栅网13由二次电子倍增材料制成，栅网13为圆形片状结构，其直径为2cm，厚度为0.03mm，其上设置有若干可以使部分电子溢出的圆形网孔，网孔的大小和数目都是可以改变的，通过改变网孔的大小和数目可以改变从网孔中穿过的电子数目与撞击到栅网13上实现二次电子倍增的电子数目的比值。

上述各实施例中，输出的电子束团纵向长度小于或等于10ps，电子束团的电荷量为1.6pC～16nC。

上述各实施例中，如图4所示，加速聚焦单元3包括一个束流导入管30、若干级射频加速管31、一组预聚焦线圈32、一个束流传输管33、一个二维偏转二极磁铁组34、两组上聚焦线圈35、一个孔径变换器36、一组扫描线圈37和一组下聚焦线圈38。微脉冲电子枪1的输出口与束流导入管30连接，微脉冲电子枪1产生的电子束流通过束流导入管30进入射频加速管31中进行加速，预聚焦线圈32位于射频加速管31的外侧，预聚焦线圈32同时对电子束流进行预聚焦。经加速和预聚焦后的电子束流进入束流传输管33中，二维偏转二极磁铁组34位于束流传输管33外侧的上端，对加速和预聚焦后的电子束流的传输位置进行调整，使加速和预聚焦后的电子束流在束流传输管33的轴向运动。上聚焦线圈35位于束流传输管33外侧，且设置在二维偏转二极磁铁组34下方，上聚焦线圈35对进入束流传输管33的加速和预聚焦后的电子束流进行第二次聚焦，使电子束流在束流传输管33中传输时不至于散开。经加速和第二次聚焦后的电子束流传输至孔径变换器36，孔径变换器36通过变换其孔径大小将电子束流中偏离轴向的外围电子过滤掉，经过滤后的电子束流传输至扫描线圈37内。下聚焦线圈38位于扫描线圈37外侧，下聚焦线圈38对进入扫描线圈37内的电子束流进行第三次聚焦。经加速和第三次聚焦后的电子束流传输至Smith-Purcell型回波振荡器4。

上述各实施例中，束流导入管30的内径为30mm，其由不锈钢材料制成。

上述各实施例中，预聚焦线圈32由直径3mm的铜质漆包线绕制而成，可以产生0～1.5T的聚焦磁场。

上述各实施例中，射频加速管31是由纯铜材料制成的圆管，其内径为40mm，外径为46mm。每个射频加速管31的长度由电子束流进入该射频加速管31之前的速度除以1.3GHz再除以2之后的值来决定。每个射频加速管31的长度范围为1cm～10cm。所使用射频加速管31的数量根据实际应用过程中所需要的电子能量选取，不同数量的射频加速管31可以使加速后电子束流的能量从几千电子伏特变化到几兆电子伏特，通过射频加速管31的数量可以控制加速后电子束流的速度。

上述各实施例中，二维偏转二极磁铁组34包括两组二维偏转二极磁铁，每组二维偏转二极磁铁是通过将直径为2mm的铜质漆包线绕制在直径为50mm的铁芯上制成的，一组二维偏转二极磁铁所产生的磁场方向与XZ平面垂直，另一组二维偏转二极磁铁所产生的磁场方向与YZ平面垂直。

上述各实施例中，上聚焦线圈35分为上、下两部分，每部分可以产生0～1.5T的磁场。

上述各实施例中，孔径变换器36的孔径大小变换范围为0～60mm。

上述各实施例中，扫描线圈37的结构、放置方式与二维偏转二极磁铁组34相似，不同的是扫描线圈37由直径为0.5mm的铜线圈在直径为20mm的铁芯上绕制而成。

上述各实施例中，下聚焦线圈38可以产生0～1.5T的磁场。

上述各实施例中，如图4所示，Smith-Purcell型回波振荡器4包括光栅41、光栅导轨42、光栅螺旋导入杆43、太赫兹光收集器44、光输出管路45和束流收集靶46。光栅41与光栅导轨42均设置在扫描线圈37下方，光栅41带栅格的一侧面与弧形光栅导轨42的内表面之间的空间构成电子束流在Smith-Purcell型回波振荡器4中的传输通路，光栅41另一侧面上连接光栅螺旋导入杆43，通过旋转光栅螺旋导入杆43可以调节光栅41与传输通路中电子束流之间的距离，一般光栅41与电子束流中心之间的距离小于4mm。太赫兹光收集器44的一端设置在光栅导轨42上，并可以在光栅导轨42上移动，太赫兹光收集器44的另一端与光输出管路45的一端连接，光输出管路45的另一端穿过真空容器2的外壁，且光输出管路45穿设在真空容器2外壁中的部位与真空容器2外的环境真空隔绝。束流收集靶46设置在光栅41与光栅导轨42构成的传输通路的底端。经加速和第三次聚焦后的电子束流传输至光栅41与光栅导轨42构成的传输通路中，电子束流经过光栅41时发生Smith-Purcell辐射，太赫兹光收集器44收集Smith-Purcell辐射产生的太赫兹光并传输至光输出管路45，通过光输出管路45向真空容器2外输出辐射产生的太赫兹光。经过光栅41辐射后的电子束流继续向前运动最终被束流收集靶46收集。

Smith-Purcell型回波振荡器4是利用Smith-Purcell效应而设计的辐射光产生装置，其工作原理为：当电子经过光栅41表面时会产生背向的辐射，该辐射波的波长满足以下Smith-Purcell辐射公式：

$\mathrm{\λ}=\frac{l}{p}(\frac{1}{\mathrm{\β}}-\cos \mathrm{\θ})---\left(1\right)$

式中，λ为辐射波的波长；l为光栅的周期；p为辐射阶数；β为电子的速度与光速的比值；θ为XZ平面内某一特定辐射方向与Z轴所成的夹角。而在以坐标原点为中心，单位立体角上的辐射强度满足J.H.Brownell等人根据诱导电流理论而推导出的辐射强度公式：

${\left(\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{d\Ω}}\right)}_{N_e}={\left(\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{d\Ω}}\right)}_1(N_e{S}_{\mathrm{inc}}+N_e^2{S}_{\mathrm{coh}})---\left(2\right)$

式中，N_e为电子数目；S_inc为非相干辐射系数，该系数是由束流横向发射度等信息所决定的；S_coh为相干辐射系数，该系数是由束流横向发射度、电子的纵向分布等信息所决定的；而是每个电子在单位立体角上的辐射强度，其表达式为：

${\left(\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{d\Ω}}\right)}_1={2\mathrm{\πe}}^2\frac{L}{l^2}\left(\frac{p^2{\mathrm{\β}}^3}{{(1-\mathrm{\β}\cos \mathrm{\θ})}^3}\right)R^2\exp [-\frac{2d}{{\mathrm{\λ}}_e}]---\left(3\right)$

式中，e为电子的电荷量；L为光栅的总长度；R为光栅41与电子之间的耦合强度；d为电子与光栅41之间的距离；λ_e为衰减波的波长。

上述各实施例中，如图5所示，光栅41采用矩形光栅，其总长度为120mm，栅格宽度为1.5mm，深度为2mm。光栅41的周期可以根据电子束团的纵向长度改变而改变，光栅41的周期应当略大于或等于电子束团的纵向长度。光栅41的周期优选3mm。

上述各实施例中，光栅导轨42采用半椭圆型结构，由聚四氟乙烯材料制成，其椭圆型结构的长轴为120mm，短轴为60mm，光栅导轨42所在的椭圆平面在XZ平面内，椭圆平面的长轴平行于Z轴方向，椭圆长轴与光栅41上表面的距离为60mm。

上述各实施例中，通过控制扫描线圈37内电流的大小，使电子束流经过光栅41中心时,电子束流中心与光栅41表面的距离小于4mm。

上述各实施例中，太赫兹光收集器44采用温斯顿锥结构，由纯铜制成，其内径为5.81mm，张角为26.57°，其内部采用聚四氟乙烯填充，以便外界与真空容器2内部的真空环境进行隔绝。

上述各实施例中，光输出管路45为纯铜制造的圆管，其内径为4mm。

本发明基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统的工作过程为：

(1)将基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统的地线接地，将真空容器2的外壁接地，供电单元6给太赫兹光源系统供电。接通循环水电源，将控制单元7将冷却水槽16中冷却水流速控制在1.5L/min～2L/min。

利用连接在上真空口21和下真空口22上的真空泵组5对太赫兹光源系统进行抽真空；真空泵组包括机械泵组、分子泵组和离子泵组。首先，利用连接在上真空口21和下真空口22上的机械泵组进行预抽气；其次，利用真空探测器探测太赫兹光源系统内的真空度，当太赫兹光源系统内气体压强达到0.1Pa时，启动分子泵组对太赫兹光源系统进行抽真空，当太赫兹光源系统内气体压强小于10^-5Pa时启动离子泵组，使太赫兹光源系统内的压强小于10^-7Pa。

(2)将信号源和函数信号发生器分别连接微波功率源，微波功率源通过定向耦合器后连接微脉冲电子枪1。将示波器与已经连接一定阻值的束流收集靶46连接，用于探测电子束流的流强。将束流位置检测器的检测探头设置在加速聚焦单元3的底端，束流位置检测器采用电耦合方式实现对经加速和聚焦后的电子束流位置的检测。

(3)利用网络分析仪对微脉冲电子枪1的谐振频率进行测量，通过微调微分直线导入器14伸入谐振腔体12中的距离，使微脉冲电子枪1的谐振频率在1.3GHz附近。

调节孔径变换器的36的孔径，使其达到60mm。调节光栅螺旋导入杆43，使光栅41距离电子束流传输通路Z方向的中轴线的距离为30mm。

根据式(1)和需要的辐射波的波长λ，计算为XZ平面内某一特定辐射方向与Z轴所成的夹角θ，根据夹角θ，将太赫兹光收集器44固定设置在光栅导轨42上相应位置。

(4)调节信号源初始频率为1.3GHz,幅度为5dBm,函数信号发生器调节为方波模式，其重复频率为100Hz，按下微波功率源功率输出按钮，开始向微脉冲电子枪1馈入微波能量。

(5)实时监测峰值功率计上的反射波信号和示波器上电子束流的信号。调节功率源的输出幅度，使反射波信号会出现较大幅度抖动，并使其波峰上出现很多“毛刺”，即谐振腔体12内出现二次电子倍增现象时，有电子从栅网13溢出并进入加速聚焦系统3。

(6)控制单元7通过控制射频加速管31中的前两段射频加速管，将电子束流中电子的能量调节到40KeV。

调节二维偏转二极磁铁组34、调节上聚焦线圈35、扫描线圈37和下聚焦线圈38中电流值的大小，利用束流位置探测器探测电子束流的位置，使电子束流运动的Z方向的中轴线在光栅41处与扫描线圈37的中心轴线在一条直线上。

(7)逐步增大微波功率源的馈入功率，继续调节二维偏转二极磁铁组34、调节上聚焦线圈35、扫描线圈37和下聚焦线圈38中电流值的大小，利用束流位置探测器探测电子束流的位置，使电子束流运动的Z方向的中轴线在光栅41处与扫描线圈37的中心轴线在一条直线上，并使电子束流在光栅41中心处成腰，使电子束流在该位置X轴方向和Y轴方向上的分布长度均小于1mm。

利用束流收集靶46测量电子束流的流强，使电子束流的平均流强达到1mA。

旋转光栅螺旋导入杆43调节光栅41的位置，使光栅41逐步靠近电子束流。利用设置在真空容器2内部下端的X射线探测仪探测电子束流通过光栅41辐射产生的X射线，当X射线探测仪的示数有明显变化时停止调节光栅41的位置。然后逐步调节光栅螺旋导入杆43直到X射线探测仪的示数明显下降时停止，此时电子束流经过光栅41时即可辐射出太赫兹光，太赫兹光收集器44收集Smith-Purcell辐射产生的太赫兹光并传输至光输出管路45，通过光输出管路45向真空容器2外输出辐射产生的太赫兹光。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和方法步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统，其特征在于：它包括微脉冲电子枪、真空容器、加速聚焦单元、Smith-Purcell型回波振荡器、真空泵组、供电单元和控制单元；所述微脉冲电子枪通过法兰与所述真空容器的顶端连接，所述加速聚焦单元和Smith-Purcell型回波振荡器分别固定设置在所述真空容器内的上部和下部；所述真空容器上部的侧壁上和底端分别开设一上真空口和一下真空口，所述上真空口和下真空口分别连接一所述真空泵组；所述真空泵组和供电单元分别为所述微脉冲电子枪、加速聚焦单元和Smith-Purcell型回波振荡器提供真空环境和电源；所述控制单元控制所述微脉冲电子枪、加速聚焦单元和Smith-Purcell型回波振荡器协调工作，所述微脉冲电子枪产生的微脉冲电子束团传输至所述加速聚焦单元，所述加速聚焦单元对微脉冲电子束团进行加速和聚焦，加速和聚焦后的微脉冲电子束团通过所述Smith-Purcell型回波振荡器产生相干的太赫兹辐射。

2.如权利要求1所述的一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统，其特征在于：所述微脉冲电子枪包括矩形波导、谐振腔体、栅网、微分直线导入器、阴极片和冷却水槽；微波通过所述矩形波导和谐振腔体之间的耦合孔馈入所述谐振腔体内，在所述谐振腔体内产生谐振的电磁场；谐振的电磁场使电子在所述谐振腔体内振荡并撞击到所述栅网和所述微分直线导入器底端的所述阴极片，电子在所述栅网与阴极片上实现二次电子倍增，产生纵向长度小于或等于10ps且电荷量为1.6pC～16nC电子束团；所述冷却水槽围设在所述谐振腔体外侧，所述控制单元通过控制流过所述冷却水槽中水的温度实现对所述谐振腔体整体温度的控制。

3.如权利要求2所述的一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统，其特征在于：所述阴极片是由二次电子倍增材料制成的圆形片状结构，其上不带有任何网格，其直径为2cm，厚度为0.4mm；所述阴极片固定在所述微分直线导入器底端，其伸入所述谐振腔体的距离能够不断调节，调节的精度为0.005mm。

4.如权利要求2或3所述的一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统，其特征在于：所述栅网是由二次电子倍增材料制成的圆形片状结构，其直径为2cm，厚度为0.03mm；其上设置有使部分电子溢出的若干圆形网孔。

5.如权利要求4所述的一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统，其特征在于：所述圆形网孔的直径为0.05mm。

6.如权利要求1或2或3所述的一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统，其特征在于：所述加速聚焦单元包括一个束流导入管、若干级射频加速管、一组预聚焦线圈、一个束流传输管、一个二维偏转二极磁铁组、两组上聚焦线圈、一个孔径变换器、一组扫描线圈和一组下聚焦线圈；所述微脉冲电子枪的输出口与所述束流导入管连接，所述微脉冲电子枪产生的电子束流通过所述束流导入管进入所述射频加速管中进行加速，所述预聚焦线圈位于所述射频加速管的两侧，所述预聚焦线圈同时对电子束流进行预聚焦；经加速和预聚焦后的电子束流进入所述束流传输管中，所述二维偏转二极磁铁组位于所述束流传输管外侧的上端；所述上聚焦线圈位于所述束流传输管外侧，且设置在所述二维偏转二极磁铁组下方，所述上聚焦线圈对进入所述束流传输管的加速和预聚焦后的电子束流进行第二次聚焦；经加速和第二次聚焦后的电子束流传输至所述孔径变换器，所述孔径变换器通过变换其孔径大小将电子束流中偏离轴向的外围电子过滤掉，经过滤后的电子束流传输至所述扫描线圈内；所述下聚焦线圈位于所述扫描线圈两侧，所述下聚焦线圈对进入所述扫描线圈内的电子束流进行第三次聚焦；经加速和第三次聚焦后的电子束流传输至所述Smith-Purcell型回波振荡器。

7.如权利要求6所述的一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统，其特征在于：所述Smith-Purcell型回波振荡器包括光栅、光栅导轨、光栅螺旋导入杆、太赫兹光收集器、光输出管路和束流收集靶；所述光栅与光栅导轨均设置在所述扫描线圈下方，所述光栅带栅格的一侧面与弧形所述光栅导轨的内表面之间的空间构成电子束流的传输通路，所述光栅另一侧面上连接所述光栅螺旋导入杆，通过旋转所述光栅螺旋导入杆调节所述光栅与传输通路中电子束流之间的距离；所述太赫兹光收集器的一端滑设在所述光栅导轨上，所述太赫兹光收集器的另一端与所述光输出管路的一端连接，所述光输出管路的另一端穿过所述真空容器的外壁，且所述光输出管路穿设在所述真空容器外壁中的部位与所述真空容器外的环境真空隔绝；所述束流收集靶设置在所述光栅与光栅导轨构成的传输通路的底端；经加速和第三次聚焦后的电子束流传输至所述光栅与光栅导轨构成的传输通路中，电子束流经过所述光栅时发生Smith-Purcell辐射，所述太赫兹光收集器收集Smith-Purcell辐射产生的太赫兹光并传输至所述光输出管路，通过所述光输出管路向所述真空容器外输出辐射产生的太赫兹光；经过所述光栅辐射后的电子束流被所述束流收集靶收集。

8.如权利要求7所述的一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统，其特征在于：所述光栅采用矩形光栅，其总长度为120mm，栅格宽度为1.5mm，深度为2mm；所述光栅的周期大于或等于电子束团的纵向长度。

9.如权利要求7所述的一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统，其特征在于：所述光栅导轨是由聚四氟乙烯材料制成的半椭圆型结构，其长轴为120mm，短轴为60mm，所述光栅导轨所在的椭圆平面在XZ平面内，椭圆平面的长轴平行于Z轴方向，椭圆长轴与所述光栅上表面的距离为60mm；其中X方向表示垂直于光栅表面的方向，Y方向表示平行于光栅栅格的方向，Z方向表示电子束团的运动方向。

10.如权利要求7所述的一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统，其特征在于：所述太赫兹光收集器是由纯铜制成的温斯顿锥结构，其内径为5.81mm，张角为26.57°，其内部采用聚四氟乙烯填充。