基于高亮度ps级超短电子束的Smith-Purcell相干辐射特性研究

在THz波的发展与应用中，THz辐射源是制约THz波推向广泛应用的关键之一，因而详细研究THz源的辐射特性，提高其辐射性能是十分必要的。而基于光栅结构的Smith- Purcell(SP)器件可以发展为紧凑可调的高功率THz源，具有广泛应用的前景。相比于连续电子束及预群聚电子束团，高亮度超短电子束具有电流密度高、发射度小、束团长度小及容易实现相干辐射等优点,本项目提出以光阴极RF电子枪产生的高亮度超短电子束为基础，开展SP相干辐射特性的理论及实验研究，探讨改善SP器件辐射性能、提高辐射功率的方法。拟对超短电子束与光栅相互作用的特性进行理论分析；研究新型复合光栅结构以改善SP辐射特性；开展超短电子束的SP实验研究，产生0.2-1.0THz信号，探讨束团形状、长度、发射度及能散对辐射特性的影响，掌握发展高功率SP辐射源的关键技术。项目研究成果可为发展高功率THz辐射源提供理论指导及技术方案。

本项目首次提出以光阴极RF电子枪产生的高亮度ps级超短电子束为基础，产生Smith-Purcell的相干辐射。首先开展了高亮度超短电子束团产生SP相干辐射特性的研究，分析了超短电子束能量、光栅形状特性对SP辐射特性的影响，结果表明适度提高电子束能量、优化光栅形状特性可以明显SP辐射性能。采用流体理论分析了连续电子束驱动介质与金属组成的复合光栅系统，并且利用PIC模拟了超短电子束团在复合光栅系统的辐射特性；研究了椭圆、矩形和圆形超短电子束团在光栅系统的辐射特性，结果表明采用椭圆电子束团有利于提高SP辐射性能；通过对电子束团特性及光栅特性的详细分析，采用优化的电子束团参数，进行超短电子束团产生SP相干辐射特性的实验设计。在开展超短电子束团产生SP辐射特性研究的同时，开展超短电子束团产生相干渡越辐射（CTR）的THz波实验，获得了频率在0.1THz-1.5THz、脉冲功率大于80kW的宽频带太赫兹波。