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开启我国太赫兹源的自由电子激光时代——中国工程物理研究院应用电子学研究所太赫兹源研究取得新进展

2018-01-05

太赫兹(THz)的频段处于微波与激光之间,具有许多独特的特点,是认识自然界的有效的工具之一,在医学、生物、材料和安检等方面具有广泛的应用。多年来太赫兹在科研和应用方面相对滞后,主要是因为缺少有效的太赫兹源。中国工程物理研究院应用电子学研究所黎明研究员团队在国家重大科学仪器设备开发专项“相干强太赫兹源科学仪器设备开发”的支持下,联合清华大学、北京大学、北京应用物理与计算数学研究所等单位,研发了基于自由电子激光的太赫兹源(CTFEL)。该装置主要由直流高压光阴极注入器、射频超导加速器、微波源、低温系统、摇摆器、激光谐振腔、太赫兹传输与测量等系统组成,设计图和实物图如图1、图2所示。它产生的太赫兹不仅具有单色、频率可调(13 THz)的特点,同时还具有高峰值功率(>0.5MW)、高平均功率(>10W)等优点。该项目主要研究人员有黎明、杨兴繁、许州、束小建、鲁向阳、黄文会、王汉斌、沈旭明、单李军、邓德荣、徐勇、柏伟、冯第超、吴岱、肖德鑫、王建新、罗星、周奎、劳成龙、闫陇刚、张鹏、张浩、和天慧、林司芬、潘清、李相坤、李鹏、刘宇、杨林德、刘婕、张德敏、李凯、陈亚男。

一、直流高压光阴极注入器

注入器是CTFEL的核心部件,它的作用是为整个系统提供高品质的电子束。电子束能量较低时,空间电荷效应是使电子束品质变差的主要因素,整个加速器系统的电子束品质主要决定于注入器的电子束品质。注入器电子束横向发射度要尽可能小,满足自由电子激光对电子束横向参数的要求;其次,纵向长度尽可能短,以提高太赫兹辐射的峰值功率;同时占空比高,以提高太赫兹辐射的平均功率。

注入器中电子束运动过程分为以下几个步骤:(1)全固态皮秒连续锁模激光器产生重频54.17兆赫、长度几个皮秒的532纳米激光;(2)激光入射至砷化镓半导体光阴极上,由光电效应产生低发射度的电子束;(3)电子束被直流高压电子枪加速至320keV;(4)从电子枪中出来的电子束通过螺线管横向聚焦传输,同时实现发射度补偿;(5)电子束被聚束腔纵向压缩,实现短束长高峰值流强。

直流高压电子枪作为注入器的核心部件需要考虑三个方面因素:极高真空设计、电极及其支持结构设计、绝缘子的设计。因此,通过配置超高真空抽取泵、改进焊接工艺、使用高灵敏度氦质谱仪检漏、内壁增加吸气模块、真空烘烤等工艺提高电子枪真空度;选择低场发射的电极材料、处理电极表面、优化结构等工艺抑制电极或其支撑结构表面场发射,避免发生阴阳极间隙高压崩溃、绝缘子沿面闪络等现象;采用绝缘陶瓷表面处理、非均匀分布金属环分压、合适的陶瓷配方、改进分压结构等工艺提高高压绝缘子的耐击穿电压。光阴极技术是注入器中另一项核心技术,需要光阴极在具有高量子效率、长寿命的同时具有极高的电子发射稳定性,因此,研发了高性能的负电子亲和势砷化镓阴极,主要技术包括砷化镓材料表面原子级清洁技术、砷化镓样品激活技术等。

研究团队采用粒子动量学模拟软件计算确定各个元件的参数。综合考虑测量、布局、误差等影响因素,完成注入器的研制与调试。其结构示意图如图3所示。

二、射频超导加速器

射频超导加速器是主要加速部件,将电子束从低能加速到高能,核心部分由两只4-cell的TESLA型高纯铌制超导加速管和提供2开尔文(下文简写为K)低温环境的极低温恒温器组成。同时配装大功率微波耦合器、低电平控制系统与超导加速管调谐结构等重要部件。超导加速单元如图4所示。

4-cell超导加速管的主要功能是提供稳定加速电子的电磁场,该任务采用理论设计、计算模拟、加工制造、特性测试、迭代处理的方式研制。其中制造超导加速管的流程包括:铌材、铌钛合金等主要材料订购,冲压,机械加工,Dump-bell焊接,加强筋焊接,HOMs耦合器制造、测试,端腔组件总成以及最后的整体组焊。制造完成后,超导加速管还将进行一系列的后处理工艺,包括高压水冲洗、化学抛光、高温处理、铠装等。

恒温器是提供超导管工作所需要的低温环境的装置,设计的基本思想是在室温和2K之间采用高真空隔离;添加适当的热屏蔽层及液氮恒温层以降低温度梯度,减少液氦的消耗;恒温器外筒和内磁屏蔽层共同用于磁屏蔽。恒温器工作原理如图5所示。

此外,研制大功率微波耦合器将微波从常温波导馈入到低温超导腔,设计低电平控制系统维持超导腔内电磁场的幅度和相位稳定度,使用调谐器补偿由于抽真空降温、麦克风效应、洛伦兹失谐等作用引起的超导加速腔频率失谐。

三、微波源与低温系统

根据聚束腔、超导加速器的技术指标和工作条件,设计了合理的技术方案,在此基础上完成了微波源和低温系统等辅助系统的搭建,使得加速器系统能够稳定高效地运行。

微波源系统是辅助系统的重要模块,用于给2×4-cell超导腔和常温聚束腔提供高稳定微波功率,由微波功率源(包括高压直流电源、高频微波放大管、微波激励源等)、微波传输系统、冷却系统和计算机控制系统组成。为保证微波源输出的稳定性,微波功率源选用基于IOT管的输出连续功率30千瓦的微波源,采用双微波源方案为超导加速器中建立加速电场提供所需要的微波功率。常温聚束腔所需微波功率较小,使用一台固态微波源单独馈入。

低温系统主要用于提供超导腔需要的低温环境,包括氦液化系统、2K过冷系统、氦气回收系统、液氮预冷与保护系统、冷却水循环系统、空气仪表气系统、真空系统和控制系统。氦气液化系统包括主压缩机、除油分离装置、外纯化罐、氦气纯度分析仪、冷箱、2000升杜瓦、冷箱到杜瓦液氦输液管和氦气储罐以及各个部件间的氦气传输连接管道;2K过冷系统包括2K冷箱、2K抽气泵组、杜瓦到2K冷箱液氦输液管、2K冷箱到超导恒温器液氦输液管和恒温器氦气回气管道;氦气回收系统包括回收气囊、回收压缩机、高压储罐和相应的高、低压连接氦气管道;液氮预冷与保护系统包括液氮储罐、连接各部分需要液氮预冷和液氦输液管道保护的液氮输液管以及控制这些部分的阀箱;冷却水循环系统包括室外制冷机组、室内换热器、冷却水箱和泵;空气仪表气系统包括干空气压缩机、空气稳压罐、液氮杜瓦、阀箱和相应的连接管道;真空系统包括对两个冷箱壳体、液氦输液管抽真空的机械泵和分子泵组和对氦气储罐抽气纯化过程使用的机械泵。

四、摇摆器

摇摆器是自由电子激光装置的关键部件,摇摆器能产生类似正弦变化的磁场分布,是电子束产生自发辐射及受激辐射的核心区域。高性能摇摆器由永磁块、磁极、端部补偿线圈、磁体框架、横梁、整体支架以及伺服电机等组成。摇摆器参数主要由电子束和太赫兹参数决定,研究团队根据自由电子激光理论和电子束流参数,通过磁路结构设计、永磁块优化挑选、高性能磁测系统检测,成功研制了高精度可调间隙的Halbach型摇摆器,如图8所示。

五、激光谐振腔系统

激光谐振腔是自由电子激光的重要组成部分,光腔的主要作用有两个,一是为激光提供光学正反馈,在腔内建立并维持激光振荡过程,二是限制激光只在几个模式或一个模式上振荡。谐振腔采用准共心谐振腔技术方案,包括中间的波导管和两端的反射镜,如图9所示。空心波导管放在摇摆器间隙内以克服波长较长、衍射损失大的缺点;反射镜反射激光构成波导管的反馈系统。电子束在摇摆器中产生的太赫兹辐射被反射镜反射,与后续电子束相互作用受激放大,达到饱和后从下游腔镜耦合孔输出。

谐振腔的设计需要考虑谐振腔的稳定性、耦合孔输出与谐振腔材料的吸收散射引起的损耗、光腔的高精密准直调谐等因素。CTFEL耦合输出方式采用小孔耦合方式;反射镜面材料选择有较高反射率和抗辐射能力的镀金膜;光腔调谐采用精密五维调整台调节反射镜位置,保证电子束、摇摆器和光腔的三轴共轴。

六、太赫兹传输与测量系统

太赫兹传输系统和探测太赫兹性质的测量系统是CTFEL至关重要的一环。太赫兹辐射具有非可见性以及大气散射和水蒸气吸收造成的高衰减,因此传输光路设计包括激光谐振腔准直调谐光路和THz波光路传输两大部分。图10是一个总体光路示意图。光路设计的基本原则包括:(1)准直光路易于调整准直,因此在设计的初期就需要设计好定位孔;(2)传输光路中有较大的抛物镜,需考虑定位以及调整问题;(3)长距离传输选择先扩束再缩束;(4)必须考虑整体光路的支撑以及稳定性。太赫兹传输采用真空或者充氮气管道的传输结构,有效减少大气传输损耗;选择高透过率太赫兹输出窗口材料;考虑到CTFEL衍射输出发散角大,同时考虑太赫兹波的消色差,传输发射端使用双圆锥面镜汇聚、离轴椭球面镜准直,传输接收端使用镀金离轴抛物镜适当缩束。

THz参数的测量诊断关系重大,因为它直接对实验结果进行了全面有效的验证,给出了实验成功与否的证据,实时反映了FEL装置的运行状态,为调整加速器的运行状态及优化整个实验系统提供了重要依据。针对CTFEL实验研究的基本要求,主要应对辐射信号的波长光谱、功率能量这几个主要参数进行测量诊断。THz光谱测量采用THz傅立叶变换光谱仪,功率能量测量采用半导体低温探测器为主要探测手段,辅以太赫兹功率计作为大功率下的测量。

激光是人类认知未知世界的基本工具和手段,光源的每一次进步都极大地增强了人们探索未知领域的能力,推动科学向前发展。作为一种新型相干强太赫兹光源,高平均功率、高峰值功率的太赫兹自由电子激光在材料、生物医学等领域有着重要应用,通过系统研究强太赫兹波与新材料的作用机理、太赫兹电磁辐射与DNA相互作用的生物效应机理等,发现强太赫兹环境下的物理规律和实验现象,将为新实验研究方法和新器件设计及研发提供理论依据。另外,CTFEL能提供高亮度的超快电子束,在固态物理、飞秒化学、生物科学等诸多领域具有广泛的应用。