一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统.pdf

1、(10)申请公布号 CN 104103476 A (43)申请公布日 2014.10.15 CN 104103476 A (21)申请号 201410349975.5 (22)申请日 2014.07.22 H01J 25/00(2006.01) (71)申请人 北京大学 地址 100871 北京市海淀区颐和园路 5 号 (72)发明人 赵继飞 鲁向阳 周奎 全胜文 罗星 杨自钦 (74)专利代理机构 北京纪凯知识产权代理有限 公司 11245 代理人 徐宁 孙楠 (54) 发明名称 一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统 (57) 摘要 本发明涉及一种基于微脉冲电子枪的太赫兹 光源系统， 其特征

2、在于 ： 它包括微脉冲电子枪、 真 空容器、 加速聚焦单元、 Smith-Purcell 型回波振 荡器、 真空泵组、 供电单元以及控制微脉冲电子 枪、 加速聚焦单元和 Smith-Purcell 型回波振荡 器协调工作的控制单元 ； 微脉冲电子枪与真空容 器的顶端连接， 加速聚焦单元和 Smith-Purcell 型回波振荡器分别固定设置在真空容器内的上部 和下部 ； 真空容器上部的侧壁上和底端开设的上 真空口和下真空口分别连接真空泵组 ； 真空泵组 和供电单元分别提供真空环境和电源 ； 微脉冲电 子枪产生的微脉冲电子束团传输至加速聚焦单元 进行加速和聚焦， 加速和聚焦后的微脉冲电子束 团通

3、过 Smith-Purcell 型回波振荡器产生太赫兹 光。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 7 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书7页 附图5页 (10)申请公布号 CN 104103476 A CN 104103476 A 1/2 页 2 1. 一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统， 其特征在于 ： 它包括微脉冲电子枪、 真空容器、 加速聚焦单元、 Smith-Purcell 型回波振荡器、 真空泵组、 供电单元和控制 单元 ； 所述微脉冲电子枪通过法兰与所述真空容器的顶端连接， 所述加速聚焦单元和 Sm

4、ith-Purcell 型回波振荡器分别固定设置在所述真空容器内的上部和下部 ； 所述真空容 器上部的侧壁上和底端分别开设一上真空口和一下真空口， 所述上真空口和下真空口分别 连接一所述真空泵组 ； 所述真空泵组和供电单元分别为所述微脉冲电子枪、 加速聚焦单元 和 Smith-Purcell 型回波振荡器提供真空环境和电源 ； 所述控制单元控制所述微脉冲电子 枪、 加速聚焦单元和 Smith-Purcell 型回波振荡器协调工作， 所述微脉冲电子枪产生的微 脉冲电子束团传输至所述加速聚焦单元， 所述加速聚焦单元对微脉冲电子束团进行加速和 聚焦， 加速和聚焦后的微脉冲电子束团通过所述 Smith

5、-Purcell 型回波振荡器产生相干的 太赫兹辐射。 2. 如权利要求 1 所述的一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统， 其特征在于 ： 所述 微脉冲电子枪包括矩形波导、 谐振腔体、 栅网、 微分直线导入器、 阴极片和冷却水槽 ； 微波通 过所述矩形波导和谐振腔体之间的耦合孔馈入所述谐振腔体内， 在所述谐振腔体内产生谐 振的电磁场 ； 谐振的电磁场使电子在所述谐振腔体内振荡并撞击到所述栅网和所述微分直 线导入器底端的所述阴极片， 电子在所述栅网与阴极片上实现二次电子倍增， 产生纵向长 度小于或等于 10ps 且电荷量为 1.6pC 16nC 电子束团 ； 所述冷却水槽围设在所述谐振腔 体外侧

6、， 所述控制单元通过控制流过所述冷却水槽中水的温度实现对所述谐振腔体整体温 度的控制。 3. 如权利要求 2 所述的一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统， 其特征在于 ： 所述 阴极片是由二次电子倍增材料制成的圆形片状结构， 其上不带有任何网格， 其直径为 2cm， 厚度为 0.4mm ； 所述阴极片固定在所述微分直线导入器底端， 其伸入所述谐振腔体的距离 能够不断调节， 调节的精度为 0.005mm。 4. 如权利要求 2 或 3 所述的一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统， 其特征在于 ： 所述栅网是由二次电子倍增材料制成的圆形片状结构， 其直径为 2cm， 厚度为 0.03mm ； 其上

7、 设置有使部分电子溢出的若干圆形网孔。 5. 如权利要求 4 所述的一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统， 其特征在于 ： 所述 圆形网孔的直径为 0.05mm。 6. 如权利要求 1 或 2 或 3 所述的一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统， 其特征 在于 ： 所述加速聚焦单元包括一个束流导入管、 若干级射频加速管、 一组预聚焦线圈、 一个 束流传输管、 一个二维偏转二极磁铁组、 两组上聚焦线圈、 一个孔径变换器、 一组扫描线圈 和一组下聚焦线圈 ； 所述微脉冲电子枪的输出口与所述束流导入管连接， 所述微脉冲电子 枪产生的电子束流通过所述束流导入管进入所述射频加速管中进行加速， 所述预聚焦

8、线 圈位于所述射频加速管的两侧， 所述预聚焦线圈同时对电子束流进行预聚焦 ； 经加速和预 聚焦后的电子束流进入所述束流传输管中， 所述二维偏转二极磁铁组位于所述束流传输 管外侧的上端 ； 所述上聚焦线圈位于所述束流传输管外侧， 且设置在所述二维偏转二极磁 铁组下方， 所述上聚焦线圈对进入所述束流传输管的加速和预聚焦后的电子束流进行第 二次聚焦 ； 经加速和第二次聚焦后的电子束流传输至所述孔径变换器， 所述孔径变换器通 过变换其孔径大小将电子束流中偏离轴向的外围电子过滤掉， 经过滤后的电子束流传输 权 利 要 求 书 CN 104103476 A 2 2/2 页 3 至所述扫描线圈内 ； 所述下

9、聚焦线圈位于所述扫描线圈两侧， 所述下聚焦线圈对进入所述 扫描线圈内的电子束流进行第三次聚焦 ； 经加速和第三次聚焦后的电子束流传输至所述 Smith-Purcell 型回波振荡器。 7. 如权利要求 1 或 2 或 3 所述的一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统， 其特征 在于 ： 所述 Smith-Purcell 型回波振荡器包括光栅、 光栅导轨、 光栅螺旋导入杆、 太赫兹光 收集器、 光输出管路和束流收集靶 ； 所述光栅与光栅导轨均设置在所述扫描线圈下方， 所 述光栅带栅格的一侧面与弧形所述光栅导轨的内表面之间的空间构成电子束流的传输通 路， 所述光栅另一侧面上连接所述光栅螺旋导入杆，

10、通过旋转所述光栅螺旋导入杆调节所 述光栅与传输通路中电子束流之间的距离 ； 所述太赫兹光收集器的一端滑设在所述光栅 导轨上， 所述太赫兹光收集器的另一端与所述光输出管路的一端连接， 所述光输出管路的 另一端穿过所述真空容器的外壁， 且所述光输出管路穿设在所述真空容器外壁中的部位与 所述真空容器外的环境真空隔绝 ； 所述束流收集靶设置在所述光栅与光栅导轨构成的传 输通路的底端 ； 经加速和第三次聚焦后的电子束流传输至所述光栅与光栅导轨构成的传 输通路中， 电子束流经过所述光栅时发生 Smith-Purcell 辐射， 所述太赫兹光收集器收集 Smith-Purcell 辐射产生的太赫兹光并传输至

11、所述光输出管路， 通过所述光输出管路向所 述真空容器外输出辐射产生的太赫兹光 ； 经过所述光栅辐射后的电子束流被所述束流收集 靶收集。 8. 如权利要求 7 所述的一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统， 其特征在于 ： 所述 光栅采用矩形光栅， 其总长度为 120mm， 栅格宽度为 1.5mm， 深度为 2mm ； 所述光栅的周期大 于或等于电子束团的纵向长度。 9. 如权利要求 7 所述的一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统， 其特征在于 ： 所述 光栅导轨是由聚四氟乙烯材料制成的半椭圆型结构， 其长轴为 120mm， 短轴为 60mm， 所述光 栅导轨所在的椭圆平面在 XZ 平面内， 椭圆

12、平面的长轴平行于 Z 轴方向， 椭圆长轴与所述光 栅上表面的距离为60mm ； 其中X方向表示垂直于光栅表面的方向， Y方向表示平行于光栅栅 格的方向， Z 方向表示电子束团的运动方向。 10. 如权利要求 7 所述的一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统， 其特征在于 ： 所述 太赫兹光收集器是由纯铜制成的温斯顿锥结构， 其内径为 5.81mm， 张角为 26.57， 其内部 采用聚四氟乙烯填充。 权 利 要 求 书 CN 104103476 A 3 1/7 页 4 一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统 技术领域 0001 本发明涉及一种太赫兹光源系统， 特别是关于一种基于微脉冲电子枪的太赫兹

13、光 源系统。 背景技术 0002 频率为 0.1THz-10THz 波段的电磁波称为太赫兹波， 太赫兹技术作为新兴的技术 热点， 在物理学、 材料科学、 天文学、 信息技术和国防科学等多个领域都具有巨大的研究潜 力， 近年来引起了很多国家的广泛关注。然而， 太赫兹技术的发展受多个因素的制约， 其中 最重要的因素就是太赫兹源。 目前， 太赫兹源主要通过以下几种方式产生 ： 半导体瞬间电流 产生、 光整流产生、 电子加速产生、 光电导产生和非线性差频产生。然而以上几种太赫兹源 的产生方式自身均存在一定缺陷， 例如采用非线性材料差频的方法和采用光电导天线方法 产生的太赫兹波不仅辐射功率比较小而且产生

14、效率比较低， 利用量子级联激光器 (QCL) 虽 然能够输出比较高的功率但是其必须工作在低温环境下， 加速器产生的 THz 辐射可以达到 较高的功率但其设备庞大运行成本高。 如何找到运行在常温条件下、 设备小巧、 产生功率高 的太赫兹源一直是科学研究的重点。 0003 Smith-Purcell 效应是 1953 年由 Smith 和 Purcell 发现的重要物理现象， 基于这 一效应发展起来的 Smith-Purcell 型太赫兹源成为了重要的微波辐射源。研究表明， 采用 电子束团同表面光栅的表面波模式相互作用的 Smith-Purcell 型太赫兹源， 其工作在室温 条件下， 可以产生瓦

15、级的太赫兹波。这种 Smith-Purcell 型太赫兹源为太赫兹源的小型化、 室温化、 高功率、 可调节化提供了一条有效的实现途径。目前， Smith-Purcell 型太赫兹源 一般都是采用连续电子束团的工作方式， 这种工作方式产生的太赫兹波相干性差， 光的品 质较差。 发明内容 0004 针对上述问题， 本发明的目的是提供一种太赫兹波相干性好且功率较大的基于微 脉冲电子枪的 Smith-Purcell 型太赫兹光源系统。 0005 为实现上述目的， 本发明采取以下技术方案 ： 一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光 源系统， 其特征在于 ： 它包括微脉冲电子枪、 真空容器、 加速聚焦单元、 Sm

16、ith-Purcell 型回 波振荡器、 真空泵组、 供电单元和控制单元 ； 所述微脉冲电子枪通过法兰与所述真空容器 的顶端连接， 所述加速聚焦单元和 Smith-Purcell 型回波振荡器分别固定设置在所述真空 容器内的上部和下部 ； 所述真空容器上部的侧壁上和底端分别开设一上真空口和一下真 空口， 所述上真空口和下真空口分别连接一所述真空泵组 ； 所述真空泵组和供电单元分别 为所述微脉冲电子枪、 加速聚焦单元和 Smith-Purcell 型回波振荡器提供真空环境和电 源 ； 所述控制单元控制所述微脉冲电子枪、 加速聚焦单元和 Smith-Purcell 型回波振荡器 协调工作， 所述微

17、脉冲电子枪产生的微脉冲电子束团传输至所述加速聚焦单元， 所述加速 聚焦单元对微脉冲电子束团进行加速和聚焦， 加速和聚焦后的微脉冲电子束团通过所述 说 明 书 CN 104103476 A 4 2/7 页 5 Smith-Purcell 型回波振荡器产生相干的太赫兹辐射。 0006 所述微脉冲电子枪包括矩形波导、 谐振腔体、 栅网、 微分直线导入器、 阴极片和冷 却水槽 ； 微波通过所述矩形波导和谐振腔体之间的耦合孔馈入所述谐振腔体内， 在所述谐 振腔体内产生谐振的电磁场 ； 谐振的电磁场使电子在所述谐振腔体内振荡并撞击到所述栅 网和所述微分直线导入器底端的所述阴极片， 电子在所述栅网与阴极片上

18、实现二次电子倍 增， 产生纵向长度小于或等于10ps且电荷量为1.6pC16nC电子束团 ； 所述冷却水槽围设 在所述谐振腔体外侧， 所述控制单元通过控制流过所述冷却水槽中水的温度实现对所述谐 振腔体整体温度的控制。 0007 所述阴极片是由二次电子倍增材料制成的圆形片状结构， 其上不带有任何网格， 其直径为 2cm， 厚度为 0.4mm ； 所述阴极片固定在所述微分直线导入器底端， 其伸入所述谐 振腔体的距离能够不断调节， 调节的精度为 0.005mm。 0008 所述栅网是由二次电子倍增材料制成的圆形片状结构， 其直径为 2cm， 厚度为 0.03mm ； 其上设置有使部分电子溢出的若干圆

19、形网孔。 0009 所述圆形网孔的直径为 0.05mm。 0010 所述加速聚焦单元包括一个束流导入管、 若干级射频加速管、 一组预聚焦线圈、 一 个束流传输管、 一个二维偏转二极磁铁组、 两组上聚焦线圈、 一个孔径变换器、 一组扫描线 圈和一组下聚焦线圈 ； 所述微脉冲电子枪的输出口与所述束流导入管连接， 所述微脉冲电 子枪产生的电子束流通过所述束流导入管进入所述射频加速管中进行加速， 所述预聚焦线 圈位于所述射频加速管的两侧， 所述预聚焦线圈同时对电子束流进行预聚焦 ； 经加速和预 聚焦后的电子束流进入所述束流传输管中， 所述二维偏转二极磁铁组位于所述束流传输 管外侧的上端 ； 所述上聚焦

20、线圈位于所述束流传输管外侧， 且设置在所述二维偏转二极磁 铁组下方， 所述上聚焦线圈对进入所述束流传输管的加速和预聚焦后的电子束流进行第 二次聚焦 ； 经加速和第二次聚焦后的电子束流传输至所述孔径变换器， 所述孔径变换器通 过变换其孔径大小将电子束流中偏离轴向的外围电子过滤掉， 经过滤后的电子束流传输 至所述扫描线圈内 ； 所述下聚焦线圈位于所述扫描线圈两侧， 所述下聚焦线圈对进入所述 扫描线圈内的电子束流进行第三次聚焦 ； 经加速和第三次聚焦后的电子束流传输至所述 Smith-Purcell 型回波振荡器。 0011 所述 Smith-Purcell 型回波振荡器包括光栅、 光栅导轨、 光栅

21、螺旋导入杆、 太赫兹 光收集器、 光输出管路和束流收集靶 ； 所述光栅与光栅导轨均设置在所述扫描线圈下方， 所 述光栅带栅格的一侧面与弧形所述光栅导轨的内表面之间的空间构成电子束流的传输通 路， 所述光栅另一侧面上连接所述光栅螺旋导入杆， 通过旋转所述光栅螺旋导入杆调节所 述光栅与传输通路中电子束流之间的距离 ； 所述太赫兹光收集器的一端滑设在所述光栅 导轨上， 所述太赫兹光收集器的另一端与所述光输出管路的一端连接， 所述光输出管路的 另一端穿过所述真空容器的外壁， 且所述光输出管路穿设在所述真空容器外壁中的部位与 所述真空容器外的环境真空隔绝 ； 所述束流收集靶设置在所述光栅与光栅导轨构成的

22、传 输通路的底端 ； 经加速和第三次聚焦后的电子束流传输至所述光栅与光栅导轨构成的传 输通路中， 电子束流经过所述光栅时发生 Smith-Purcell 辐射， 所述太赫兹光收集器收集 Smith-Purcell 辐射产生的太赫兹光并传输至所述光输出管路， 通过所述光输出管路向所 述真空容器外输出辐射产生的太赫兹光 ； 经过所述光栅辐射后的电子束流被所述束流收集 说 明 书 CN 104103476 A 5 3/7 页 6 靶收集。 0012 所述光栅采用矩形光栅， 其总长度为 120mm， 栅格宽度为 1.5mm， 深度为 2mm ； 所述 光栅的周期大于或等于电子束团的纵向长度。 0013

23、 所述光栅导轨是由聚四氟乙烯材料制成的半椭圆型结构， 其长轴为 120mm， 短轴为 60mm， 所述光栅导轨所在的椭圆平面在XZ平面内， 椭圆平面的长轴平行于Z轴方向， 椭圆长 轴与所述光栅上表面的距离为60mm ； 其中X方向表示垂直于光栅表面的方向， Y方向表示平 行于光栅栅格的方向， Z 方向表示电子束团的运动方向。 0014 所述太赫兹光收集器是由纯铜制成的温斯顿锥 (Winston cone) 结构， 其内径为 5.81mm， 张角为 26.57， 其内部采用聚四氟乙烯填充。 0015 本发明由于采取以上技术方案， 其具有以下优点 ： 1、 本发明由于采用微脉冲电子 枪作为 Smi

24、th-Purcell 型回波振荡器的电子源， 可以直接产生超快电子束而后与光栅相互 作用， 相对于其他电子源产生的直流电子束与光栅相互作用， 以上方式省去了预聚束的过 程， 有效地增强了辐射的效率。2、 本发明由于采用微脉冲电子枪产生较高流强的皮秒级电 子束团， 因此本发明能够极大地改善电子束流的品质， 从而为改善辐射出的太赫兹光的品 质提供基础。 3、 本发明由于采用高谐振频率、 常温的微脉冲电子枪做为电子源， 采用紧凑的 加速聚焦系统对电子束流进行加速和聚焦， 采用总长度只有 120mm 的光栅与电子束流相互 作用， 因此本发明整体尺寸较小， 与现有技术中其他类型的太赫兹光源系统相比更加小

25、型 化。4、 本发明由于光栅的尺寸和电子束的能量都是可以改变的， 因此由 Smith-Purcell 辐 射公式可知， 本发明所产生的太赫兹辐射光频率也是连续可调的。 基于以上优点， 本发明可 以广泛应用于太赫兹辐射成像、 分子生物学研究和天体物理研究等领域。 附图说明 0016 图 1 是本发明基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统结构示意图 ； 0017 图 2 是本发明基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统的机械结构示意图 ； 0018 图 3 是微脉冲电子枪的剖视图 ； 0019 图 4 是加速聚焦系统和 Smith-Purcell 型回波振荡器的剖视图 ； 0020 图 5 是本发明的电子束团经

26、过光栅结构的示意图 ； 其中， X 方向表示垂直于光栅表 面的方向， Y 方向表示平行于光栅栅格的方向， Z 方向表示电子束团的运动方向 ； l 表示光栅 周期， L 表示光栅的总长度， d 表示电子束团中心与光栅上表面之间的距离， 表示 XZ 平面 内某一特定辐射方向与 Z 轴所成的夹角。 具体实施方式 0021 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。 0022 如图 1 和图 2 所示， 本发明基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统包括微脉冲电子 枪 1、 真空容器 2、 加速聚焦单元 3、 Smith-Purcell 型回波振荡器 4、 真空泵组 5、 供电单元 6 和控制单元 7。微脉

27、冲电子枪 1 通过法兰与真空容器 2 的顶端连接， 加速聚焦单元 3 和 Smith-Purcell型回波振荡器4分别位于真空容器2的上部和下部， 并均固定设置在真空容 器 2 内。真空容器 2 上部的侧壁上和底端分别开设一上真空口 21 和一下真空口 22， 上真空 口 21 和下真空口 22 分别连接一真空泵组 5。真空泵组 5 和供电单元 6 分别为微脉冲电子 说 明 书 CN 104103476 A 6 4/7 页 7 枪 1、 加速聚焦单元 3 和 Smith-Purcell 型回波振荡器 4 提供真空环境和电源。控制单元 7 控制微脉冲电子枪 1、 加速聚焦单元 3 和 Smith

28、-Purcell 型回波振荡器 4 协调工作， 微脉冲 电子枪1产生的微脉冲电子束团传输至加速聚焦单元3， 加速聚焦单元3对微脉冲电子束团 进行加速和聚焦， 加速和聚焦后的微脉冲电子束团通过 Smith-Purcell 型回波振荡器 4 产 生相干的太赫兹辐射。 0023 上述实施例中， 如图 3 所示， 微脉冲电子枪 1 包括矩形波导 11、 谐振腔体 12、 栅网 13、 微分直线导入器 14、 阴极片 15 和冷却水槽 16。微波通过矩形波导 11 和谐振腔体 12 之 间的耦合孔 17 馈入谐振腔体 12 内， 在谐振腔体 12 内产生谐振的电磁场。谐振的电磁场使 电子在谐振腔体 12

29、 内不断地来回振荡， 从而撞击到栅网 13 和微分直线导入器 14 底端的阴 极片15， 电子在栅网13与阴极片15上都可以实现二次电子倍增， 一个脉冲周期完成一次电 子溢出， 即输出一次电子束团。冷却水槽 16 围设在谐振腔体 12 外侧， 冷却水槽 16 中的冷 却水吸收微脉冲电子枪 1 工作过程中产生的热量， 控制单元 7 通过控制流过冷却水槽 16 中 水的温度可以实现对谐振腔体 12 整体温度的控制。 0024 上述各实施例中， 矩形波导 11 由不锈钢材料制成。 0025 上述各实施例中， 谐振腔体12的谐振频率为1.3GHz， 其中电场在谐振腔体12中心 部分最强， 磁场在谐振腔

30、体 12 外围部分最强。 0026 上述各实施例中， 阴极片15是由二次电子倍增材料制成。 阴极片15为圆形片状结 构， 其直径为 2cm， 厚度为 0.4mm， 其上不带有任何网格， 被固定在微分直线导入器 14 底端， 其伸入谐振腔体 12 的距离可以通过调节微分直线导入器 14 导入杆的长度不断地调节， 调 节的精度为 0.005mm， 在调节的过程中谐振腔体 12 的谐振频率也随之改变。 0027 上述各实施例中， 栅网 13 由二次电子倍增材料制成， 栅网 13 为圆形片状结构， 其 直径为 2cm， 厚度为 0.03mm， 其上设置有若干可以使部分电子溢出的圆形网孔， 网孔的大小

31、和数目都是可以改变的， 通过改变网孔的大小和数目可以改变从网孔中穿过的电子数目与 撞击到栅网 13 上实现二次电子倍增的电子数目的比值。 0028 上述各实施例中， 输出的电子束团纵向长度小于或等于 10ps， 电子束团的电荷量 为 1.6pC 16nC。 0029 上述各实施例中， 如图 4 所示， 加速聚焦单元 3 包括一个束流导入管 30、 若干级射 频加速管31、 一组预聚焦线圈32、 一个束流传输管33、 一个二维偏转二极磁铁组34、 两组上 聚焦线圈 35、 一个孔径变换器 36、 一组扫描线圈 37 和一组下聚焦线圈 38。微脉冲电子枪 1 的输出口与束流导入管 30 连接， 微

32、脉冲电子枪 1 产生的电子束流通过束流导入管 30 进入 射频加速管 31 中进行加速， 预聚焦线圈 32 位于射频加速管 31 的外侧， 预聚焦线圈 32 同时 对电子束流进行预聚焦。经加速和预聚焦后的电子束流进入束流传输管 33 中， 二维偏转二 极磁铁组 34 位于束流传输管 33 外侧的上端， 对加速和预聚焦后的电子束流的传输位置进 行调整， 使加速和预聚焦后的电子束流在束流传输管33的轴向运动。 上聚焦线圈35位于束 流传输管 33 外侧， 且设置在二维偏转二极磁铁组 34 下方， 上聚焦线圈 35 对进入束流传输 管 33 的加速和预聚焦后的电子束流进行第二次聚焦， 使电子束流在束

33、流传输管 33 中传输 时不至于散开。 经加速和第二次聚焦后的电子束流传输至孔径变换器36， 孔径变换器36通 过变换其孔径大小将电子束流中偏离轴向的外围电子过滤掉， 经过滤后的电子束流传输至 扫描线圈 37 内。下聚焦线圈 38 位于扫描线圈 37 外侧， 下聚焦线圈 38 对进入扫描线圈 37 说 明 书 CN 104103476 A 7 5/7 页 8 内的电子束流进行第三次聚焦。经加速和第三次聚焦后的电子束流传输至 Smith-Purcell 型回波振荡器 4。 0030 上述各实施例中， 束流导入管 30 的内径为 30mm， 其由不锈钢材料制成。 0031 上述各实施例中， 预聚焦

34、线圈 32 由直径 3mm 的铜质漆包线绕制而成， 可以产生 0 1.5T 的聚焦磁场。 0032 上述各实施例中， 射频加速管 31 是由纯铜材料制成的圆管， 其内径为 40mm， 外径 为 46mm。每个射频加速管 31 的长度由电子束流进入该射频加速管 31 之前的速度除以 1.3GHz 再除以 2 之后的值来决定。每个射频加速管 31 的长度范围为 1cm 10cm。所使用 射频加速管 31 的数量根据实际应用过程中所需要的电子能量选取， 不同数量的射频加速 管 31 可以使加速后电子束流的能量从几千电子伏特变化到几兆电子伏特， 通过射频加速 管 31 的数量可以控制加速后电子束流的速

35、度。 0033 上述各实施例中， 二维偏转二极磁铁组 34 包括两组二维偏转二极磁铁， 每组二维 偏转二极磁铁是通过将直径为2mm的铜质漆包线绕制在直径为50mm的铁芯上制成的， 一组 二维偏转二极磁铁所产生的磁场方向与 XZ 平面垂直， 另一组二维偏转二极磁铁所产生的 磁场方向与 YZ 平面垂直。 0034 上述各实施例中， 上聚焦线圈 35 分为上、 下两部分， 每部分可以产生 0 1.5T 的 磁场。 0035 上述各实施例中， 孔径变换器 36 的孔径大小变换范围为 0 60mm。 0036 上述各实施例中， 扫描线圈 37 的结构、 放置方式与二维偏转二极磁铁组 34 相似， 不同的

36、是扫描线圈 37 由直径为 0.5mm 的铜线圈在直径为 20mm 的铁芯上绕制而成。 0037 上述各实施例中， 下聚焦线圈 38 可以产生 0 1.5T 的磁场。 0038 上述各实施例中， 如图 4 所示， Smith-Purcell 型回波振荡器 4 包括光栅 41、 光栅 导轨 42、 光栅螺旋导入杆 43、 太赫兹光收集器 44、 光输出管路 45 和束流收集靶 46。光栅 41 与光栅导轨 42 均设置在扫描线圈 37 下方， 光栅 41 带栅格的一侧面与弧形光栅导轨 42 的 内表面之间的空间构成电子束流在 Smith-Purcell 型回波振荡器 4 中的传输通路， 光栅 4

37、1 另一侧面上连接光栅螺旋导入杆 43， 通过旋转光栅螺旋导入杆 43 可以调节光栅 41 与传输 通路中电子束流之间的距离， 一般光栅 41 与电子束流中心之间的距离小于 4mm。太赫兹光 收集器 44 的一端设置在光栅导轨 42 上， 并可以在光栅导轨 42 上移动， 太赫兹光收集器 44 的另一端与光输出管路 45 的一端连接， 光输出管路 45 的另一端穿过真空容器 2 的外壁， 且 光输出管路 45 穿设在真空容器 2 外壁中的部位与真空容器 2 外的环境真空隔绝。束流收 集靶 46 设置在光栅 41 与光栅导轨 42 构成的传输通路的底端。经加速和第三次聚焦后的 电子束流传输至光栅

38、 41 与光栅导轨 42 构成的传输通路中， 电子束流经过光栅 41 时发生 Smith-Purcell 辐射， 太赫兹光收集器 44 收集 Smith-Purcell 辐射产生的太赫兹光并传输 至光输出管路45， 通过光输出管路45向真空容器2外输出辐射产生的太赫兹光。 经过光栅 41 辐射后的电子束流继续向前运动最终被束流收集靶 46 收集。 0039 Smith-Purcell 型回波振荡器 4 是利用 Smith-Purcell 效应而设计的辐射光产生 装置， 其工作原理为 ： 当电子经过光栅 41 表面时会产生背向的辐射， 该辐射波的波长满足 以下 Smith-Purcell 辐射公

39、式 ： 说 明 书 CN 104103476 A 8 6/7 页 9 0040 0041 式中， 为辐射波的波长 ； l 为光栅的周期 ； p 为辐射阶数 ； 为电子的速度与光 速的比值 ； 为 XZ 平面内某一特定辐射方向与 Z 轴所成的夹角。而在以坐标原点为中心， 单位立体角上的辐射强度满足 J.H.Brownell 等人根据诱导电流理论而推导出的辐射强度 公式 ： 0042 0043 式中， Ne为电子数目 ； Sinc为非相干辐射系数， 该系数是由束流横向发射度等信息 所决定的 ； Scoh为相干辐射系数， 该系数是由束流横向发射度、 电子的纵向分布等信息所决 定的 ； 而是每个电子在

40、单位立体角上的辐射强度， 其表达式为 ： 0044 0045 式中， e为电子的电荷量 ； L为光栅的总长度 ； R为光栅41与电子之间的耦合强度 ； d 为电子与光栅 41 之间的距离 ； e为衰减波的波长。 0046 上述各实施例中， 如图5所示， 光栅41采用矩形光栅， 其总长度为120mm， 栅格宽度 为 1.5mm， 深度为 2mm。光栅 41 的周期可以根据电子束团的纵向长度改变而改变， 光栅 41 的周期应当略大于或等于电子束团的纵向长度。光栅 41 的周期优选 3mm。 0047 上述各实施例中， 光栅导轨 42 采用半椭圆型结构， 由聚四氟乙烯材料制成， 其椭 圆型结构的长轴

41、为 120mm， 短轴为 60mm， 光栅导轨 42 所在的椭圆平面在 XZ 平面内， 椭圆平 面的长轴平行于 Z 轴方向， 椭圆长轴与光栅 41 上表面的距离为 60mm。 0048 上述各实施例中， 通过控制扫描线圈37内电流的大小， 使电子束流经过光栅41中 心时 , 电子束流中心与光栅 41 表面的距离小于 4mm。 0049 上述各实施例中， 太赫兹光收集器 44 采用温斯顿锥结构， 由纯铜制成， 其内径为 5.81mm， 张角为 26.57， 其内部采用聚四氟乙烯填充， 以便外界与真空容器 2 内部的真空 环境进行隔绝。 0050 上述各实施例中， 光输出管路 45 为纯铜制造的圆

42、管， 其内径为 4mm。 0051 本发明基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统的工作过程为 ： 0052 (1) 将基于微脉冲电子枪的太赫兹光源系统的地线接地， 将真空容器 2 的外壁接 地， 供电单元 6 给太赫兹光源系统供电。接通循环水电源， 将控制单元 7 将冷却水槽 16 中 冷却水流速控制在 1.5L/min 2L/min。 0053 利用连接在上真空口 21 和下真空口 22 上的真空泵组 5 对太赫兹光源系统进行抽 真空 ； 真空泵组包括机械泵组、 分子泵组和离子泵组。首先， 利用连接在上真空口 21 和下 真空口 22 上的机械泵组进行预抽气 ； 其次， 利用真空探测器探测太赫兹光

43、源系统内的真空 度， 当太赫兹光源系统内气体压强达到 0.1Pa 时， 启动分子泵组对太赫兹光源系统进行抽 真空， 当太赫兹光源系统内气体压强小于 10-5Pa 时启动离子泵组， 使太赫兹光源系统内的 说 明 书 CN 104103476 A 9 7/7 页 10 压强小于 10-7Pa。 0054 (2) 将信号源和函数信号发生器分别连接微波功率源， 微波功率源通过定向耦合 器后连接微脉冲电子枪 1。将示波器与已经连接一定阻值的束流收集靶 46 连接， 用于探测 电子束流的流强。将束流位置检测器的检测探头设置在加速聚焦单元 3 的底端， 束流位置 检测器采用电耦合方式实现对经加速和聚焦后的电

44、子束流位置的检测。 0055 (3) 利用网络分析仪对微脉冲电子枪 1 的谐振频率进行测量， 通过微调微分直线 导入器 14 伸入谐振腔体 12 中的距离， 使微脉冲电子枪 1 的谐振频率在 1.3GHz 附近。 0056 调节孔径变换器的36的孔径， 使其达到60mm。 调节光栅螺旋导入杆43， 使光栅41 距离电子束流传输通路 Z 方向的中轴线的距离为 30mm。 0057 根据式(1)和需要的辐射波的波长， 计算为XZ平面内某一特定辐射方向与Z轴 所成的夹角 ， 根据夹角 ， 将太赫兹光收集器 44 固定设置在光栅导轨 42 上相应位置。 0058 (4) 调节信号源初始频率为 1.3G

45、Hz, 幅度为 5dBm, 函数信号发生器调节为方波模 式， 其重复频率为 100Hz， 按下微波功率源功率输出按钮， 开始向微脉冲电子枪 1 馈入微波 能量。 0059 (5) 实时监测峰值功率计上的反射波信号和示波器上电子束流的信号。调节功率 源的输出幅度， 使反射波信号会出现较大幅度抖动， 并使其波峰上出现很多 “毛刺” ， 即谐振 腔体 12 内出现二次电子倍增现象时， 有电子从栅网 13 溢出并进入加速聚焦系统 3。 0060 (6) 控制单元 7 通过控制射频加速管 31 中的前两段射频加速管， 将电子束流中电 子的能量调节到 40KeV。 0061 调节二维偏转二极磁铁组 34、

46、 调节上聚焦线圈 35、 扫描线圈 37 和下聚焦线圈 38 中电流值的大小， 利用束流位置探测器探测电子束流的位置， 使电子束流运动的 Z 方向的 中轴线在光栅 41 处与扫描线圈 37 的中心轴线在一条直线上。 0062 (7) 逐步增大微波功率源的馈入功率， 继续调节二维偏转二极磁铁组 34、 调节上 聚焦线圈35、 扫描线圈37和下聚焦线圈38中电流值的大小， 利用束流位置探测器探测电子 束流的位置， 使电子束流运动的 Z 方向的中轴线在光栅 41 处与扫描线圈 37 的中心轴线在 一条直线上， 并使电子束流在光栅 41 中心处成腰， 使电子束流在该位置 X 轴方向和 Y 轴方 向上的

47、分布长度均小于 1mm。 0063 利用束流收集靶 46 测量电子束流的流强， 使电子束流的平均流强达到 1mA。 0064 旋转光栅螺旋导入杆 43 调节光栅 41 的位置， 使光栅 41 逐步靠近电子束流。利用 设置在真空容器 2 内部下端的 X 射线探测仪探测电子束流通过光栅 41 辐射产生的 X 射线， 当 X 射线探测仪的示数有明显变化时停止调节光栅 41 的位置。然后逐步调节光栅螺旋导 入杆 43 直到 X 射线探测仪的示数明显下降时停止， 此时电子束流经过光栅 41 时即可辐射 出太赫兹光， 太赫兹光收集器44收集Smith-Purcell辐射产生的太赫兹光并传输至光输出 管路

48、45， 通过光输出管路 45 向真空容器 2 外输出辐射产生的太赫兹光。 0065 上述各实施例仅用于说明本发明， 其中各部件的结构、 连接方式和方法步骤等都 是可以有所变化的， 凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进， 均不应排除 在本发明的保护范围之外。 说 明 书 CN 104103476 A 10 1/5 页 11 图 1 说 明 书 附 图 CN 104103476 A 11 2/5 页 12 图 2 说 明 书 附 图 CN 104103476 A 12 3/5 页 13 图 3 说 明 书 附 图 CN 104103476 A 13 4/5 页 14 图 4 说 明 书 附 图 CN 104103476 A 14 5/5 页 15 图 5 说 明 书 附 图 CN 104103476 A 15