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北京北信科遠(yuǎn)儀器有限責(zé)任公司
主營產(chǎn)品： 搖擺式脫色搖床,實驗室電子分析天平,一體涂層測厚儀 |
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2016-8-9 閱讀(804)
在電磁波譜上，太赫茲（THz）波段介于電子學(xué)的微波波段與光學(xué)的紅外波段之間，有學(xué)者定義其頻率范圍為（波長3mm―3nm）2‘31.由于該波段所處的特殊電磁波譜的位置，其性質(zhì)表現(xiàn)出一系列不同于其他電磁放射的特殊性，從而使太赫茲放射成像技術(shù)及時域光譜技術(shù)在安全檢查、反隱身高精度雷達(dá)、軍事通訊、工業(yè)無損檢測、空間物理和天文學(xué)、環(huán)境檢測、化學(xué)分析、生物醫(yī)學(xué)、網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，各國學(xué)者給予THz技術(shù)研究以大大的的關(guān)注，形成了一個研究高潮。美國、歐洲和日本尤為重視，日本在未來十年科技戰(zhàn)略規(guī)劃中將其列為十項重大關(guān)鍵技術(shù)131. THz技術(shù)的核心是放射源和探測器技術(shù)的發(fā)展。THz放射源的研究方向集中在兩個方面：一方面是將光子學(xué)特別是激光技術(shù)向低頻延伸，包括THz氣體激光器、超短激光脈沖光電導(dǎo)天線和光整流、非線性差頻過程（DFG）和參量振蕩器w，其特點是可以產(chǎn)生方向性和相干性都很好的THz波，但輸出功率小，適合產(chǎn)生ITHz以上頻率的THz波。另一方面是將電子學(xué)方法向高頻延伸，包括真空電子器件、電子回旋脈塞、自由電子激光（FEL）、Cherenkov放射、儲存環(huán)同步放射、基于半導(dǎo)體技術(shù)的THz量子級聯(lián)激光器等。在各種THz放射源中，F(xiàn)EL具有高功率、率、波長在大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)、波束質(zhì)量好、光脈沖時間結(jié)構(gòu)精細(xì)而且可調(diào)等突出優(yōu)點，是目前可以獲得zui高輸出功率的方法。
FEL從70年代開始就受到一些國家的重視，但是發(fā)展并不順利，主要原因是FEL對電子束的品質(zhì)要求太高，一般來說，要求能散度在0.5%以內(nèi)，歸一化發(fā)射度在5min.mrad左右。普通電子直線加速器不可能穩(wěn)定提供這樣高品質(zhì)的束流，所以直到上世紀(jì)90年代，世界上沒有出現(xiàn)大功率的FEL.1995年以后，美國efferson），旨在探索小型化、可移動的FEL-THz源的實現(xiàn)方法。
采用獨立調(diào)諧雙腔熱陰極微波電子槍（ITC-RFGun）和等梯度行波加速管。采取對稱輸入耦合器和以同軸吸收負(fù)載取代輸出耦合器的加速結(jié)構(gòu)，使場*對稱，克服了常規(guī)加速管輸入、輸出耦合器中場的不對稱性對束流發(fā)射度的影響。同時，因不需外接吸收負(fù)載而使加速結(jié)構(gòu)得到簡化，從而減少了加速器的橫向尺寸，有利聚焦線圈的安裝和檢修。電子束經(jīng)加速管加速到5―10MeV，通過90°偏轉(zhuǎn)磁鐵1進(jìn)入波蕩器，與光學(xué)諧振腔內(nèi)的光場和波蕩器的磁場相互作用，產(chǎn)生1一3THz放射波。光學(xué)諧振腔由兩個反射鏡組成，一個鏡子的位置可調(diào)。60°偏轉(zhuǎn)鐵2將束流引入束流垃圾箱。微波功率源由2856MHz微波信號源、固態(tài)放大器、20MW速調(diào)管以及調(diào)制器、波導(dǎo)系統(tǒng)（功分器，移相、衰減器等）等組成。快速束流變壓器（FCT）用于電荷量的測量，OTR和條紋相機(jī)用于測量束團(tuán)長度。
2獨立調(diào)諧微波電子槍ITC-RF電子槍由兩個腔組成，*腔為陰極腔，引出束流，第二腔為加速腔（如所示）。兩個腔獨立饋入不同大小和相位的微波功率，利用速度聚束效應(yīng)獲得亞皮秒級束流61.通過初步摸擬計算，采用ITC-RF電子槍，在不需要 表1 ITC-RF電子槍的主要參數(shù)物理量數(shù)值工作頻率/MHz*腔zui高場第二腔zui高場陰極直徑/mm束團(tuán)長度/ps束流能量/MeV歸一化束流發(fā)射度/（mm.mrad）能散度/rms總腔長/cm 3波蕩器波蕩器設(shè)計的主要目標(biāo)是控制磁場峰值的均方根誤差，使得磁場垂直分量的一次積分和二次積分盡可能小，以控制電子束的方向偏移和位置偏移。針對小型THz源的要求，采用了混合型永磁結(jié)構(gòu)，周期長度5cm，周期數(shù)25，偏轉(zhuǎn)參數(shù)X=1.0.基于解析模型和經(jīng)驗選擇了波蕩器參數(shù)，使用TOSCA程序針對其端部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維分析與優(yōu)化。優(yōu)化后的一次積分小于O.OlGs.m，二次積分為0.005Gs.m2.通過對電子軌跡的數(shù)值跟蹤，得出電子束在屏蔽出口400mm處位置偏移小于0.021111，方向偏移0.05111土4光學(xué)諧振腔采用孔耦合輸出穩(wěn)定球面腔結(jié)構(gòu)，腔鏡由鍍金的銅鏡組成。利用FEL―維仿真軟件FELO仿真了所設(shè)計的FEL-THz源性能。FELO模擬開始于散射噪聲，可以模擬不同的電子脈沖電流分布、腔長失諧和電子束團(tuán)之間的時間抖動對FEL振蕩的影響71.'光腔的主要設(shè)計參數(shù)為：腔長2.1008m，腔鏡曲率半徑1.4223m，瑞利長度0.625m，腔鏡反射率95%.仿真結(jié)果如所示，在經(jīng)過了約400次回程后，光脈沖峰值強(qiáng)度和光脈沖能量呈指數(shù)迅速增長，約1000次回程后進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)，此時，能夠獲得穩(wěn)定的光脈沖輸出。
不同反射率下光脈沖能量隨回程數(shù)的變化為了使該FEL-THz源能達(dá)到較高的光腔增益和穩(wěn)定的功率輸出，需對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。我們綜合考慮了不同腔鏡反射率、不同發(fā)射度和不同能散度對FEL輸出光脈沖能量的影響。反射率的影響如所示，當(dāng)反射率為85%和90%時，系統(tǒng)不能起振；反射率為98%時，系統(tǒng)可以起振，輸出的光脈沖能量在很小的范圍內(nèi)波動，基本可以達(dá)到穩(wěn)定輸出；反射率為95%時，系統(tǒng)可達(dá)到穩(wěn)定的飽和輸出，為*的腔鏡反射率。不同發(fā)射度的仿真結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)射度分別為5，10，15mm.mrad時，對光脈沖能量的穩(wěn)定輸出影響不是很大。不同能散度的仿真結(jié)果表明，電子束能散度越小，輸出的光脈沖能量越大，且更容易達(dá)到飽和輸出。
5結(jié)論本文給出了一種小型FEL-THz源的設(shè)計方案。采用ITC-RF電子槍、對稱輸入耦合器和同軸吸收負(fù)載代替輸出耦合器的加速結(jié)構(gòu)，減小了系統(tǒng)尺寸。通過初步仿真計算，ITC-RF電子槍能夠達(dá)到所需的束流品質(zhì)，波蕩器的磁場的一次積分和二次積分滿足要求，光學(xué)諧振腔能夠獲得穩(wěn)定THz光脈沖輸出，為小型化FEL-THz源裝置研究奠定了基礎(chǔ)。北京富瑞恒創(chuàng)科技有限公司。
