基于多脈沖束團序列的高功能化hz輻射研究進展

基于多脈沖束團序列的高功能化hz輻射研究進展

基于處理器的普通電子束可以通過相干同步輻射（csr）、相干過渡輻射（ctr）和自由電子激光（fel）產(chǎn)生高工作率的thz輻射。根據(jù)輻射頻率譜，可分為寬譜thz和單頻thz輻射?；谥本€加速器的CTRTHz輻射脈沖能量可達100μJ,輻射頻譜0.1THz~10THz,輻射電場幅值可高達MV/cm,在非線性太赫茲光譜、新奇量子效應(yīng)等一系列前沿研究領(lǐng)域中有重要應(yīng)用。清華大學(xué)加速器實驗室近10年來一直致力于進行基于湯姆遜散射超短脈沖硬X射線源的研究,建成~50MeV直線電子加速器,其中包括新一代的1.6-cell光陰極微波電子槍和3m長的SLAC型行波加速管,以及飛秒太瓦激光系統(tǒng)等,目前實驗已經(jīng)獲得超過單脈沖106個光子的超短硬X射線?；谠搶嶒炂脚_,還開展THz輻射源技術(shù)的研究,如圖1所示,可同時產(chǎn)生寬譜高梯度和準單頻可調(diào)的THz輻射。相比于美國SLAC、德國DESY、韓國PAL等加速器裝置,清華大學(xué)THz源具有規(guī)模較小、結(jié)構(gòu)緊湊的特點。本文將介紹基于清華大學(xué)加速器實驗平臺的THz源的模擬與實驗研究情況。清華大學(xué)加速器實驗室基于CTR輻射機制,分別從高峰值流強的單電子束團和預(yù)調(diào)制的多束團序列出發(fā),致力于發(fā)展寬譜高功率和準單頻可調(diào)諧THz源。模擬研究表明,在已有束線上,采用臨界速度壓縮,可以得到單脈沖能量大于20μJ的THz輻射;通過將THz靶屏移到漂移段之后更遠的位置,采用行波加速管速度壓縮的欠壓縮模式,結(jié)合漂移壓縮,可以獲得十幾飛秒、幾百pC電荷量的單電子束團,對應(yīng)0.1THz~30THz的超寬譜THz輻射,單脈沖輻射能量可達50μJ,該方案即將進行實驗驗證;此外,在新一代的高梯度光陰極槍的基礎(chǔ)上,結(jié)合實驗室的紫外驅(qū)動激光整形技術(shù),模擬驗證了基于束團序列實現(xiàn)高功率可調(diào)諧的單頻THz源實驗的可行性。在實驗研究方面,基于現(xiàn)有束線裝置,已獲得脈沖能量18μJ的THz輻射輸出;另外,利用脈沖堆積技術(shù)進行驅(qū)動激光整形已進行了實驗驗證,并通過高頻偏轉(zhuǎn)腔實現(xiàn)了超短多電子束團序列的縱向分布測量。1束流動力學(xué)模擬清華大學(xué)直線加速器平臺如圖1所示,在磁壓縮器安裝之前,整條束線主要采用行波加速管的速度壓縮進行束團長度的壓縮和束流流強的提高。該平臺也是湯姆遜散射X射線源(TsinghuaThomsonscatteringX-raysources,TTX)的注入段,TTX主要用于超快、高亮度的先進X射線成像與應(yīng)用。在該實驗平臺上,還可以開展MeV超快電子衍射(MeVUED)、THz輻射產(chǎn)生與應(yīng)用、等離子體尾場加速研究。本文主要介紹基于該平臺的THz輻射源技術(shù)研究進展。本文模擬工作主要通過束流動力學(xué)模擬軟件ASTRA設(shè)計與優(yōu)化束線的運行參數(shù)。首先給出現(xiàn)有實驗束線(CTR靶屏在加速管附近,束線位置6.5m處)的單束團模擬結(jié)果;進一步討論將靶屏移至束線10.5m位置的超寬譜THz輻射模擬;最后介紹多電子束團預(yù)調(diào)制方案,并給出對應(yīng)的可調(diào)諧的單頻THz頻譜。模擬結(jié)果將為清華大學(xué)THz輻射源平臺建設(shè)提供參考。1.1高斯束團的ths頻譜特征實驗裝置中,經(jīng)過3m行波加速管之后,超短相對論電子束團穿透45°傾斜放置、厚度為1mm的金屬鋁靶,將產(chǎn)生相干的THz輻射。CTR的能譜表達式如式(1):式(1)中的變量是頻率f,THz輻射能量可以通過對Ub(f)在全頻譜下積分獲得。N表示電子束團內(nèi)的粒子數(shù)目,Ue(f)是單個電子的渡越輻射能量,在THz輻射波段可看作不隨f變化的不變量。F(f)也稱為歸一化的形狀因子,是束團縱向分布的傅里葉變換:其中s(z)是歸一化的電子束密度分布,為電子縱向位置z的函數(shù),c為真空中光速。對單束團來說,束團包含電荷量盡可能高,束團長度應(yīng)盡可能短,以獲得更寬的頻譜和更高的太赫茲輻射能量,從而實現(xiàn)高峰值功率的輻射輸出。如果靶屏處的高斯束團均方根(rootmeansquare,rms)長度為100fs,對應(yīng)的THz頻譜截止頻率~3THz。(定義寬譜的截止頻率fc:截止頻率對應(yīng)的能量為峰值能量的10%,fc在數(shù)值上可等同于頻譜范圍)。1.2tx源的壓縮和譜開放對于高電荷量的電子束團,由于空間電荷力效應(yīng)、磁壓縮器的二階效應(yīng)等,很難將百pC電荷量的束團壓縮至百飛秒,因此對于單束團產(chǎn)生的THz源,一般輻射頻譜限制在~1THz附近,很難拓展到5THz以上。1.2.1ths風(fēng)速控制策略的優(yōu)化已有的實驗束線如圖1所示,太赫茲輻射靶屏位于加速器出口位置僅2m。通過掃描束團的電荷量、初始分布,光陰極槍加速相位、加速梯度,3m加速管的加速梯度,螺線管聚焦強度等參數(shù),獲得用于高功率THz的優(yōu)化工作點,如表1所列。在束線運行中,主要采用優(yōu)化行波加速管速度壓縮相位的方式,使得靶屏處的束團rms長度盡可能短,如圖2所示。圖2的曲線說明,在靶屏處,不同電荷量束團rms長度隨行波加速管的相位變化具有相同的趨勢:均存在優(yōu)化的相位,使得束團縱向長度達到最短,將這種相位下的壓縮稱為臨界壓縮模式。壓縮曲線右方,靠近–80°的相位上,束團長度在加速器出口處壓縮不足,尾部粒子未完全追趕上頭部,稱為欠壓縮模式,而曲線左方,靠近–100°的相位上,加速器出口處束團尾部粒子反超過頭部,束長變長,處于過壓縮模式。不同的電荷量對應(yīng)的臨界壓縮相位不同,電荷量越小,最終的壓縮長度也越短。為了盡可能獲得高功率、寬頻譜的THz輻射,需要同時優(yōu)化電荷量和束團長度。采取臨界壓縮模式,進一步調(diào)節(jié)工作參數(shù),可得到優(yōu)化后的THz頻譜與脈沖能量模擬結(jié)果,如表2所列。從表2中看出,束團電荷量越大,對應(yīng)的THz輻射能量越強。在1nC電荷量下,THz輻射能量達26μJ。但輻射能量與電荷量并不滿足平方增長關(guān)系,主要原因是電荷量越大,空間電荷力越強,束團越不容易被壓縮。結(jié)合圖2與式(2)可知,電荷量越高,束團越長,此時對應(yīng)THz頻譜范圍也越窄。1.2.2束團體積長度對比超寬譜THz可應(yīng)用于不同材料的檢測,同時可用于材料的非線性光學(xué)研究。為進一步擴展清華加速器平臺所產(chǎn)生THz頻譜范圍,提高單脈沖輻射能量,擬采用的新方案中,將改進束線中的靶屏位置,從6.5m處移到10.5m,同時采用欠壓縮模式來進行速度壓縮。原理上,欠壓縮模式下,束團在加速器出口仍然具有正的能量chirp,尾部粒子能量比頭部高,經(jīng)過長漂移段的色散作用后,在漂移段終點的位置上束團的尾部完全追趕上頭部,束團長度達到最小,由于此時的電子束能量較高,空間電荷力效應(yīng)較小,束團被大幅壓縮,縱向得到近似δ函數(shù)的尖峰分布。圖3給出了2種壓縮模式下的束團長度與形狀因子的對比:在欠壓縮模式下,束團縱向分布拖尾較長,拖尾粒子會降低高頻分量,但這部分粒子密度較低,影響較小。圖3以0.7nC的束團為例,大于70%的粒子將集中在rms長度僅~30fs的尖峰包絡(luò)內(nèi),對應(yīng)10THz的超寬譜輻射。根據(jù)文獻的結(jié)果對不同電荷量束團進行束線全參數(shù)掃描與優(yōu)化,結(jié)果表明,當團電荷量為0.4nC~0.6nC時,截止頻率為15THz~25THz,THz脈沖能量可達60μJ以上。進一步降低電荷量,可以實現(xiàn)0.1THz~30THz的超寬譜輻射。1.3光催化氧化后的光子極驅(qū)動激光整形根據(jù)公式(2),束團的縱向分布決定了頻譜的形狀。對于周期性的ps間隔的高斯束團,可以產(chǎn)生諧波分量強度遞減的準單頻THz輻射,頻譜分布可通過電子束團序列的參數(shù)調(diào)節(jié)。通過α-BBO雙折射晶體序列的選擇與調(diào)整,可以對紫外驅(qū)動激光進行脈沖堆積,實現(xiàn)脈沖長度與間隔的調(diào)節(jié),從而實現(xiàn)對電子束團序列的調(diào)整。利用整形后的激光驅(qū)動光陰極,電子束團序列的初始分布將與激光的分布相同。光陰極驅(qū)動激光整形原理如圖4所示。為了保持初始束團的規(guī)則分布,必須提高光陰極場強,以克服空間電荷效應(yīng)造成的束團破壞。清華新一代的光陰極槍場強可以達到120MV/m,模擬結(jié)果表明,在100MV/m~120MV/m的光陰極梯度下,行波加速管出口束團均可以保持規(guī)則的分布。對于4×200pC電荷量的束團序列,圖5(a)給出束團序列在光陰極處、光陰極槍出口后漂移1m處,以及引入行波加速管進行整體速度壓縮后的束團分布的對比。由于空間電荷力效應(yīng),在行波加速管入口處的單脈沖的束長會變長,采用速度壓縮對束團進行整體壓縮可以有效壓縮序列內(nèi)每個脈沖的束長,從而擴大輻射的頻譜范圍,同時使得高次諧波的形狀因子幅值增加,如圖5(b)所示。模擬同時表明,在不同的速度壓縮相位下,脈沖之間的間隔也將產(chǎn)生差異,從而改變諧波的頻譜與寬度。結(jié)合激光整形和束團序列的速度壓縮,可以實現(xiàn)高峰值功率、準單頻可調(diào)諧的THz源。2ths輻射能量在現(xiàn)有束線(靶屏位置在6.5m處)的THz輻射實驗中,采用如圖6所示的原理圖實現(xiàn)THz輻射的探測,GolayCell作為能量探測裝置,對超短脈沖THz響應(yīng)曲線的標定方法參見文獻,對實驗室所用探測器的標定結(jié)果為,電壓–能量的對應(yīng)關(guān)系為6.32μJ/V。THz輻射在與束線垂直的方向透過厚度為1mm的單晶石英窗(其透過率經(jīng)標定為80%),在大氣中直接傳播。在石英窗口外加入一個1/2衰減片,以避免信號的飽和。經(jīng)2個拋面鏡的收集與聚焦后,THz能量沉積到GolayCell接收窗,示波器上顯示相應(yīng)的電壓幅值。如圖7(a)所示的探測波形,衰減后的電壓幅值為1.4V,即探測能量~18μJ,考慮石英窗的衰減,THz輻射能量~22μJ。采用自行搭建的Martin-Puplett干涉儀測量THz頻譜,頻譜范圍在2THz以下,典型的頻譜如圖7(b)所示。3空間電荷力作用多束團的測量實驗驗證了脈沖堆積與激光整形技術(shù)的可行性。實驗平臺如圖8所示,在光陰極之后漂移1.5m后,用偏轉(zhuǎn)腔實時測量束團的縱向分布。通過調(diào)整激光參數(shù),調(diào)節(jié)束團電荷量,可以獲得不同的束團序列的時間分布,如圖9所示。實驗中采用了較低電場梯度(65MV/m),此時束團的空間電荷力效應(yīng)影響較大。在YAG屏上觀察到間隔均勻的電子束團脈沖序列,同時觀察到由于空間電荷力造成的束團縱向振蕩效應(yīng)。新的高梯度光陰極槍已經(jīng)正式運行,下一步將在更高的光陰極槍電場梯度下,進一步提高束團電荷量,進行基于多束團序列的THz輻射實驗研究。4ths束團優(yōu)化本文介紹了清華大學(xué)加速器實驗室已經(jīng)開展的高峰值功率THz源相關(guān)的模擬與實驗研究進展。在基于光陰極微波電子槍的直線加速器上,采用臨界速度壓縮獲得超短電子束團,通過CTR機制獲得了單脈沖能量18μJ、頻譜范圍在1THz附近的高峰值功率THz輻射,另外,提出欠壓縮模式與漂移段結(jié)合的束團壓縮方案,可產(chǎn)生超高峰值流強的電子束