高品质亚皮秒电子束团在光阴极微波电子枪中的产生及测量

Terahertz (THz) radiation, which lies in the frequency gap.between the infrared and microwaves, typically referred to as the frequencies from 100 GHz to 30 THz，has the applications in wide variety of teconology and science research. High power THz light with can only be obtained from the relativistic electron bunch based on accelator. To obtain coherent THz radiation, electron bunch with subpicosecond rms length is generally required. Considering the advantage of the photoinjector in high quality beam generation and the feature of tabletop THz source in low cost, small scale and removability, Tabletop THz source based on photoinjector has extremely wide application value. The main contents of this project are: subpicosencond electron generation in photoinjector by improving the acceleration gradient of the gun, suitably tunning the charge of the bunch and the acceleration phase; development of the nondestructive bunch length measurement technology by using the coherent Smith-Purcell radiation and (or) the coherent Cherenkov radiation methods; low emittance achievement by a simple way of laser shaping.

THz辐射是介于红外与毫米波之间的一种电磁辐射(0.1THz-30THz)，其在众多技术科学领域具有非常广泛的应用。高功率的THz光源只能来自基于加速器的超快电子束，而相干THz辐射的产生普遍要求电子束团的rms长度在亚皮秒范围。由于光阴极微波电子枪在获得高品质束流方面的优势以及桌面型的THz光源在低成本、小规模及其在可移动性方面的特点，基于光阴极微波电子枪的桌面型THz光源具有极高的应用价值。本项目将通过提高加速梯度、合理选择电荷量大小及调节加速相位的方法解决直接在光阴极微波电子枪中产生亚皮秒束团的技术难题；理论分析并模拟研究电子束掠过周期性光栅产生的相干史密斯-普塞尔辐射或（和）电子束穿过中空电介质元件产生的相干切伦科夫辐射，发展与之相对应的束团长度非拦截式测量方法；并通过极其简单的激光整形技术改善束流发射度，提高束流品质。

高亮度电子束，即发射度低、电荷量高、束团长度短的电子束。其在短波长自由电子激光、基于康普顿散射的X射线源、新型尾场加速原理的研究、以及高功率THz辐射的产生方面具有广泛的应用前景。. 本课题围绕光阴极注入器，进行了高品质电子束的产生、测量、应用于产生THz辐射方面的研究工作。在高品质电子束产生方面，我们进行了亚皮秒电子束在光阴极微波电子枪中产生的研究工作、提出了一种新型的速度压缩方案以产生具有极高亮度的电子束。电子束长度测量是亮度电子束研究方向的一个重要组成部分。我们研究了电子束穿过介质波导结构产生的尾场辐射，提出了一种新型的束团长度测量方法。该方法具有成本低、结构简单、分辨率高等优点，特别适合于高亮度电子束的测量。在THz辐射方面：我们研究了基于光阴极微波电子枪的紧凑型高峰值功率THz辐射源，其包括利用介质波导作为辐射体的尾场辐射、以及以光栅作为辐射体的Smith-Purcell辐射；另外，我们还提出一种基于光阴极直流电子枪的辐射频率连续可调的THz辐射源。