用于产生THz波的15MeV Linac初步物理设计

摘要

太赫兹波(THz波)是指频率在0.1-10THz(波长为3000μm-30μm)范围内的电磁波(1THz=1012Hz)。THz波在电磁波频谱中占有很特殊的位置，其长波段方向与毫米波(亚毫米波)相重合，而在短波段方向与红外线相重合，因而其广泛应用于工业、农业、医学、生物、生命、环保及军事等领域。但由于受到THz波频段器件特征尺寸微小的限制，使得半导体器件及真空电子器件在原理上难于工作在1THz频率以上，另一方面激光器件因为辐射机理（能级差太小）的限制也难于工作在THz频段，从而在电磁波谱中形成一个“THz空隙”。利用相对论电子产生的THz波具有与自由电子激光（FEL）一样的特性，这些特性是普通激光器或常规THz发生器难以达到的，正因为如此FEL在THz波技术领域及其应用研究中，发挥着重要作用。
　　 本文以THz波发生器中的直线加速器初步物理设计为主线，自行编制了电子枪、输运段、磁压缩系统和加速腔系统的粒子纵向运动计算程序，在这些程序的基础上对直线加速器（Linac）整体进行了分析和优化。首先介绍了THz波的一些基本性质、应用，比较了几种现有的THz波发生器，得到了THz波发生器对Linac的要求。其次论述了α-磁铁的基本性质和作用，其作为磁压缩系统是注入器中的一个重要组成部分，验证了α-磁铁的消色散角度，通过数值模拟研究了电子束团在α-磁铁中的运动情况，给出了电子束在α-磁铁中的运动图像，并以此为基础讨论了一个注入系统参数优化的实例。然后讨论了Linac的设计，盘荷波导的计算，自行编制了模拟加速腔内电子束运动的程序，通过此计算分析了一个实例。最后我们模拟了电子束团从电子枪热阴极开始一直到加速末端的运动情况，通过优化计算初步确定了加速段的各个参数。该设计基本能达到THz波源对直线加速器的要求。整体数值模拟给出了加速过程中束流电子的能量、相位和束团长度等的变化规律。文章末尾给出了计算中的不足，以及以后工作的走向。