CN105720460B - 基于高次谐波产生法的自由电子激光太赫兹辐射源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高次谐波产生法的自由电子激光太赫兹辐射源，包括电子枪、辐射体和螺线管磁铁；电子枪与真空管道相连接，辐射体置于真空管道内部，螺线管磁铁包裹在所述真空管道外。辐射体存在由基模到高阶模式的不同的模式，不同的模式对应不同的辐射频率，通过选取辐射体的参数及电子能量，使得辐射体的高阶模式的频率为基模频率的整数倍，即为基模频率的谐波。采用了谐波增强的方法：即使得高阶模式的频率为基模频率的整数倍。可利用参数要求很低的电子束以及大尺寸的波导来产生高功率、高频率的THz辐射源。

Description

基于高次谐波产生法的自由电子激光太赫兹辐射源

技术领域

本发明涉及一种电子加速器、真空电子学技术，尤其涉及一种基于高次谐波产生法的自由电子激光太赫兹辐射源。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1-30THz之间的电磁波，由于现有光源尚未完全覆盖该频段、故称THz间隙(gap)。因其在生命科学，材料科学，通信技术以及国家安全等多个领域具有广阔的应用前景受到国内外科学家的普遍关注。THz源是发展太赫兹科学的基础，也是相关学科发展的主要瓶颈。

为了填补所谓的“THz间隙”，加速器、激光、真空电子学领域的研究人员作出了很多贡献。基于电子加速器的THz辐射源有能力覆盖整个THz波段，并且其峰值功率可到兆瓦以上。但是，由于其成本高昂、装置庞大、需要大量的外围支持设备，因此其应用范围受到了很大限制。作为一个紧凑型的THz源，量子级联激光器(Quantum-cascade-laser:QCL)也可覆盖很宽的THz波段，对于不同频率的THz，其功率从几十微瓦到几百毫瓦不等。其限制条件在于需要超低温工作环境：零下200℃以下。真空电子学方面，有很多不同种类的THz辐射源，例如：返波管(backwards-wave oscillator)、调制器(klystron)、行波管(traveling-wave tube)、回旋管(gyrotron)等。其中以返波管和回旋管受到的关注最多。返波管辐射的THz功率从微瓦到百毫瓦不等，其在提高辐射频率时，受到了起振电流密度高及极小尺寸的返波结构的限制。回旋管可以产生千瓦量级、辐射频率在1THz左右的高功率辐射，但是其需要极强的磁铁(几十特斯拉)，在技术上难以实现。

基于慢波结构(例如：介质波导)的自由电子激光THz辐射源是另一种可以产生高功率THz辐射的技术。其简要工作原理，以介质波导为例，简述如下：介质波导根据不同的材料和尺寸、存在一系列的本征模式，高阶模式对应更高的频率；当电子束穿过波导结构时，相应频率的模式将被激发出来(即尾场辐射)，其中以基模占主导地位；电子束将被自己激发出来的尾场进行能量调制(不同位置处的电子能量不同)，经过一段距离的相互作用，电子束将在基模频率上实现群聚，从而使得该频率的辐射得到相干增强，以此获得高功率的辐射。为获得更高频率的基模辐射，要求介质波导的尺寸更小、同时要求电子束的流强及能量更高。例如：美国研究人员为获得0.35THz的辐射，其采用了410千伏的电子枪加速获得150安培的电流来激发介质波导获得了10千瓦的功率。而410千伏的电子枪，其电源系统十分庞大，且只能工作于脉冲模式，不能连续发射，同时150安培的流强在技术上也同样难以实现。因此，这个矛盾也成为限制该技术获得大范围推广的主要因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种高功率、高频率的基于高次谐波产生法的自由电子激光太赫兹辐射源。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的基于高次谐波产生法的自由电子激光太赫兹辐射源，包括电子枪、辐射体和螺线管磁铁；

所述电子枪与真空管道相连接，所述辐射体置于真空管道内部，所述螺线管磁铁包裹在所述真空管道外；

所述辐射体包括以下任一种：

介质波导、返波管、褶皱金属波导、两块金属平板组成的波导、两块包裹有金属膜的介质平板组成的波导。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于高次谐波产生法的自由电子激光太赫兹辐射源，由于电子枪与真空管道相连接，辐射体置于真空管道内部，螺线管磁铁包裹在真空管道外，可利用参数要求很低的电子束以及大尺寸的辐射体来产生高功率、高频率的THz辐射源。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于高次谐波产生法的自由电子激光太赫兹辐射源的结构示意图。

图2为本发明实施例中介质波导色散曲线与电子线。

图3为本发明实施例中电子束在波导中的流强分布及不同频率对应的相干因子。

图4为本发明实施例中模拟得到的电子束激发介质波导产生的电磁辐射的纵向电场分布以及其辐射频谱。

图5为本发明实施例模拟得到不同波导模式(即不同频率)的辐射功率。

图中：

101：电子枪，102:阴极，103.聚焦极，104.阳极，105：介质波导，106：螺线管线圈。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的基于高次谐波产生法的自由电子激光太赫兹辐射源，其较佳的具体实施方式是：

包括电子枪、辐射体和螺线管磁铁；

所述电子枪与真空管道相连接，所述辐射体置于真空管道内部，所述螺线管磁铁包裹在所述真空管道外；

所述辐射体包括以下任一种：

介质波导、返波管、褶皱金属波导、两块金属平板组成的波导、两块包裹有金属膜的介质平板组成的波导。

所述电子枪包括阴极、阳极和聚焦极。

所述辐射体存在由基模到高阶模式的不同的模式，不同的模式对应不同的辐射频率，通过选取辐射体的参数及电子能量，使得辐射体的高阶模式的频率为基模频率的整数倍，即为基模频率的谐波。

当电子通过所述辐射体时将激发出辐射体各模式的电磁辐射，其中基模辐射占主导地位，电子束将被自己激发出来的基模尾场进行能量调制，经过一段距离的相互作用，电子束将在基模频率上实现群聚，从而使得该频率的辐射得到相干增强，同时，由于高阶模式的频率为基模频率的谐波，高阶模式的辐射也将得到相干增强，从而得到高功率、高频率的THz辐射。

本发明的基于高次谐波产生法的自由电子激光太赫兹辐射源，采用了谐波增强的方法：即使得高阶模式的频率为基模频率的整数倍。可利用参数要求很低的电子束以及大尺寸的波导来产生高功率、高频率的THz辐射源。

本发明主要包含以及几个部件：

电子枪、介质波导以及螺线管磁铁。电子枪与真空管道相连接，辐射体置于真空管道内部，螺线管磁铁包裹与真空管道外。辐射体存在不同的模式，不同的模式对应不同的辐射频率；通过合理选取辐射体的参数及电子能量，使得辐射体的高阶模式的频率基本为基模频率的整数倍，即为基模频率的谐波。当电子通过辐射体时将激发出这些模式的电磁辐射，其中基模辐射占主导地位，电子束将被自己激发出来的基模尾场进行能量调制(不同位置处的电子能量不同)，经过一段距离的相互作用，电子束将在基模频率上实现群聚，从而使得该频率的辐射得到相干增强。由于高阶模式的辐射频率为基模频率的谐波，高阶模式的辐射也将得到相干增强，从而得到高功率、高频率的THz辐射。

本发明具有以下优点：

对电子束的要求低:本发明中，我们只需要使电子束在较低频率的基模上进行群聚，就可以实现具有高频率的高阶模式相干增强。因此，对电子束的要求将大幅降低。

结构紧凑、成本低、技术上容易实现：由于对电子束的要求低，直流电子枪可采用结构紧凑、成本低廉、技术上容易实现的常规电子枪；不需要具有极高流强发射能力的阴极材料，可进一步展现此方面的优势。

辐射功率高：体现于两个方面:其一，采用的常规电子枪可工作于连续模式而非脉冲模式，因此平均功率高；其二，高阶模式均为相干增强辐射，因此峰值功率高。

具体实施例：

附图1为方案的剖面示意图。电子枪101为辐射产生提供电子源，阴极102用于发射电子；聚焦电极103与阴极102等电位，在阴极102与阳极104间施加-120kV高压加速电子能量至120keV。电子进入介质波导105产生THz辐射，螺线管线圈106产生的磁场用于约束电子束的尺寸。辐射体以介质波导为例，介质波导105为表面包裹有金属膜的柱状中介质，其材料为氧化铝(相对介电常数为9.8)，需要说明的是也可选用其它介质材料。

附图2给出了内径为2.0mm，外径为2.65mm时的前5阶模式(TM01、TM02、TM03、TM04、TM05)的色散图以及能量为120keV的电子线，色散线与电子线的交点对应的纵坐标即为辐射频率。其中，TM01基模辐射频率为0.0426THz，TM02、TM03、TM04、TM05模式的频率分别为0.1277、0.2150、0.3026、0.3903THz，可以看出高阶模式的频率基本为基模频率的整数倍。

当电子能量为120keV,流强为5A的电子束穿过波导时，附图3给出了电子束流强分布以及相应的傅里叶变换得到的电子束在不同频率下的群聚因子。可以看出电子束在TM01基模辐射频率0.0426THz下被很好的群聚起来，同时其谐波的群聚因子也相当可观，附图中标出了其3、5、7次谐波，这些频率与TM02、TM03、TM04的辐射频率基本一致。因此，高阶模式的辐射也可得到相干增强。附图4给出了模拟得到的辐射的纵向电场分布，以及其傅里叶分析得到的辐射谱，可以看到高阶模式对应的辐射频率出现了明显的峰值。附图5给出了不同模式的功率，其中，为对比方便，高阶模式的功率值乘了相应的系数，标注于图中。可以看到，频率为0.1279、0.2140、0.2973THz的高阶模式的辐射功率分别为670、73、50瓦特。通过延长波导，可将辐射功率进一步提高；如果采用更小尺寸的结构，可以得到更高频率的辐射。

需要特别指出的是：本发明以介质波导作为辐射体为例，进行阐述；该技术也可应用于采用其他慢波结构的辐射体，例如：返波管、褶皱金属波导、两块金属平板组成的波导、两块包裹有金属膜的介质平板组成的波导……等等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种基于高次谐波产生法的自由电子激光太赫兹辐射源，其特征在于，包括电子枪、辐射体和螺线管磁铁；

所述电子枪与真空管道相连接，所述辐射体置于真空管道内部，所述螺线管磁铁包裹在所述真空管道外；

所述辐射体包介质波导或返波管；

所述电子枪包括阴极、阳极和聚焦极；

所述辐射体存在由基模到高阶模式的不同的模式，不同的模式对应不同的辐射频率，通过选取辐射体的参数及电子能量，使得辐射体的高阶模式的频率为基模频率的整数倍，即为基模频率的谐波；

当电子通过所述辐射体时将激发出辐射体各模式的电磁辐射，其中基模辐射占主导地位，电子束将被自己激发出来的基模尾场进行能量调制，经过一段距离的相互作用，电子束将在基模频率上实现群聚，从而使得该频率的辐射得到相干增强，同时，由于高阶模式的频率为基模频率的谐波，高阶模式的辐射也将得到相干增强，从而得到高功率、高频率的THz辐射。

2.根据权利要求1所述的基于高次谐波产生法的自由电子激光太赫兹辐射源，其特征在于，所述介质波导包括以下任一种：

褶皱金属波导、两块金属平板组成的波导、两块包裹有金属膜的介质平板组成的波导。