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太赫兹自由电子激光装置:曙光闪耀
电子信息
2018-01-29 16:21
作者  黎明

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从约翰.梅蒂于1971年首次提出自由电子激光(FEL)原理至今的46年时间里,世界上至少已建成了51台FEL装置,并有至少20台FEL装置在建或计划建设。这些FEL装置目前已经实现了从太赫兹(THz)到硬X射线谱段的激光出光,并作为目前最高峰值亮度的先进光源推动了生命科学、信息技术、材料等多个学科的进步,成为了当前研究物质世界的强有力工具。

自20世纪80年代开始,我国针对自由电子激光开展了大量理论与实验研究。1993年,分别代表谐振腔型技术路线和放大器型技术路线的“北京自由电子激光”(BFEL)和“曙光一号”自由电子激光出光;2005年,中国工程物理研究院远红外自由电子激光获得受激辐射;2012年,中国科学院上海应用物理研究所世界首台回声放大型自由电子激光出光;2017年,中国科学院大连化学物理研究所深紫外自由电子激光出光。未来还将在上海建设国内首台硬X射线自由电子激光装置。

在FEL辐射的长波长一端,随着太赫兹技术近几年的迅猛发展,太赫兹FEL获得了非常高的关注度。全世界计划建造的20台FEL装置中,就有高达8台能工作在太赫兹波段,充分说明太赫兹 FEL仍然在FEL领域占据热点位置,并将为诸如强光场下太赫兹非线性效应等基础研究提供先进稳定的光源。

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由中国工程物理研究院牵头,北京大学、清华大学等多家单位联合研制的高平均功率自由电子激光装置(CAEP THz FEL,以下简称CTFEL),是国内首台基于直流高压光阴极电子枪和超导射频加速器,工作在高重复频率、高占空比状态下的太赫兹自由电子激光器。

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CTFEL装置采用谐振腔型FEL技术路线,主要包括直流高压光阴极电子源系统、射频超导加速器、平面型摇摆器、激光谐振腔、太赫兹传输与测量系统等。高亮度电子束由波长532纳米的皮秒驱动激光从砷化镓光阴极表面激发,由直流高压电子枪发射,经过发射度补偿和微波聚束后,进入两段由2开尔文超流氦冷却的4-cell TESLA型超导射频加速腔,获得6~8 兆电子伏能量,再经过消色散段,最终进入波荡器产生太赫兹辐射。太赫兹辐射在光腔中谐振,并受激放大获得饱和输出。

高亮度电子源系统

高亮度电子源系统主要包括砷化镓光阴极制备系统、阴极传递系统、驱动激光以及直流高压电子枪(DC gun)。DC gun枪体为四通型,径向尺寸达到500毫米以降低电极表面场强;高压绝缘子采用电荷泄放型陶瓷绝缘子,提高强电场工作稳定性;阴极支撑杆和地电位之间加一电极,降低阴极支撑杆表面电场强度;绝缘子外表面为5大气压(atm)的六氟化硫(SF6)气体绝缘,并设置空间非均匀分布金属环分压;超高真空由三极溅射离子泵和非蒸散吸气泵(NEG)的组合实现。通过烘烤、NEG等一系列手段,工作状态下的真空度稳定在3×10-9帕左右,电子枪出口处电子束动能约为200~350千电子伏,目前工作在320千电子伏。

射频超导加速器系统

射频超导加速器系统包括超导加速器、低温系统、微波源系统和低电平控制系统。

2×4-cell超导加速器核心部件为两只4-cellTESLA型超导加速腔,其内部建立1.3 千兆赫 TM010模式的电磁场,电子束从超导腔中心经过,受腔内部电场的作用获得加速。大功率微波耦合器用于将微波源产生的功率传输至超导腔内部建场,最大可传输功率达到30千瓦以上(顺时针方向行波模式)。为获得高品质的电子束,采用低电平控制系统维持超导腔内电磁场的幅相稳定度分别好于0.05%和0.1°。同时,抽真空降温、麦克风效应、洛伦兹失谐等作用将导致超导加速腔失谐,调谐器用于将超导加速腔在2开尔文下的工作频率稳定在1.3千兆赫。此外,低温恒温器为超导加速腔提供低温低磁的工作环境,设有2 开尔文和80开尔文两层低温层,以减小低温系统热损。恒温器外筒和内磁屏蔽层共同用于磁屏蔽,实现内部磁场环境低于12 毫高斯(mGs)。

2×4-cell超导加速器基于高阶模、束载、能散、工作环境等方面的物理分析进行了设计与制造。目前加速器已实现2 开尔文下长时间稳定运行,平均加速梯度可达到10 兆伏/米以上,实现电子束增能6~8 兆电子伏可调。

摇摆器和光腔系统

CTFEL包括一台Halbach结构的混合型永磁摇摆器,其周期长度38毫米,有42个标准周期,间隙在18~32 毫米间可调,最小间隙下峰值磁场可达0.55 特斯拉。摇摆器机械驱动系统采用伺服电机和光栅尺闭环控制,间隙调节分辨率1微米。单电子轨迹中心偏移小于0.1毫米。横向磁场好场区大于12毫米,好场区内磁场误差小于0.1%。

CTFEL采用准共心光学谐振腔,电子束和光场被束缚在腔镜之间的波导中,波导可有效降低传输损耗。光腔采用孔耦合输出,耦合孔直径2.4 毫米。

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太赫兹由激光谐振腔下游腔镜耦合输出孔输出,再经过隔离真空环境和氮气环境的熔融石英输出窗进入扩束整形系统中,经过传输管道,穿过辐射隔离墙,进入到位于实验室用户间内的聚束收集系统,经过聚束后穿过迈拉膜(Mylar)输出窗进入位于大气环境中的太赫兹测量系统。

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由聚束系统的迈拉膜输出窗输出传入功率计测量太赫兹宏脉冲能量,透过功率计的太赫兹光进入傅里叶光谱仪(Bruker VERTEX 80V型)进行频谱测量,在功率计表面反射的太赫兹进入到高灵敏快响应的锗掺镓低温探测器中测量宏脉冲波形。

中国工程物理研究院研发的CTFEL装置采用谐振腔型技术路线,达到了自由电子激光受激饱和,并实现太赫兹输出频率可调。在1.99 太赫兹、2.41太赫兹和2.92太赫兹3个频率点进行测试,太赫兹平均功率大于10瓦,最高17.9瓦。

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项目需要攻克的主要技术包括高亮度光阴极注入器技术、超导加速器技术、微波技术、束流参数测试技术、激光谐振腔技术、摇摆器技术、束流传输控制技术、太赫兹参数测试技术、控制技术等,其中核心关键技术有高亮度光阴极注入器技术、射频超导加速器技术和强流电子束测试技术。

高亮度光阴极注入器技术

注入器为整个系统提供电子束,是高平均功率太赫兹设备研制的核心技术之一。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。为了获得尽可能高的电子束亮度,必须尽可能快地将电子束加速到较高能量。因此,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。高亮度光阴极注入器研制需要的主要技术包括光阴极驱动激光器技术、光阴极制备技术、直流高压电子枪技术、超高真空技术等。项目成功解决了以上各项技术问题,攻克了高量子效率、长寿命半导体光阴极的制备工艺,高稳定度、高加速梯度、高平均流强电子枪研制等技术难题,顺利实现了直流高压光阴极电子枪的各项技术指标。

射频超导加速器技术

超导腔的品质因素比常温铜腔高5个数量级,可以实现高加速梯度连续波运行,在高平均功率太赫兹大型科研装置研制中使用超导加速器作为主加速段。射频超导加速器系统包括一台低温恒温器、两只4cell射频超导腔、两只频率调谐器、两只大功率微波耦合器以及微波系统、低温系统和低电平控制系统。项目研发了独立自主的射频超导加速腔,该超导加速腔采用国产材料和自主的制造工艺并在国内加工制造完成,这是国际上首先采用2x4cell结构,适合在紧凑装置上加速高平均流强电子束。项目还突破了极低温恒温器研制技术,该恒温器为超导加速腔提供2开尔文的极低温工作环境,在该温度下,液氦处于超流氦状态,对恒温器的漏热及真空密封要求极高,此外,环境的剩余磁场也会明显地影响超导加速腔的使用效果。制造这样的恒温器,不仅需要突破设计技术,而且还需要很高的制造工艺与技术保证。

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强流电子束测试技术

强流电子束测试系统是高平均功率太赫兹装置的重要组成部分,它为高亮度电子束的产生和传输提供了测试手段,为太赫兹装置的稳定高效运行提供了有效保证。由于高平均功率太赫兹装置所需要的高品质电子束具有高平均流强、低发射度、短束团长度等特性,这对束流诊断和控制系统提出了非常高的要求,需要有针对性地开展束测系统的研制。项目突破了强流电子束在线测试技术,掌握了束流位置测量、束流电荷量测量、束流横截面和横向发射度测量、束流能量和能散测量、束流纵向分布测量、束流相空间的精确测量、束流切片发射度测量等技术手段,实现了平均功率高于40千瓦、强流、短脉冲电子束参数的在线测试。

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正如美国自由电子激光专家尼尔所说:“自由电子激光不自由。”CTFEL装置的研制建设过程中困难重重。6年来,在各承研单位的大力协同与鼎力相助下,全体科研团队成员充分发扬“两弹一星”精神,精诚团结、齐心协力,潜心钻研、攻坚克难,使得该项目在关键技术攻关和分系统研制方面取得了重要进展和系列创新成果。8月29日装置实现首次饱和出光后,中国工程物理研究院的项目科研团队乘胜追击、夜以继日,抢时间、赶进度,克服重重困难,冲破层层瓶颈,终于使CTFEL装置在各分系统稳定运行的基础上全面达标。众志成城、金石为开,“六年同攻坚,一朝结硕果”。这是凝聚了全国优势力量、发挥一盘棋精神的集体结晶与合力成果,使我国太赫兹研究领域标志性的重大科学仪器设备开发项目圆满完成。

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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。

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下一步,项目科研团队将充分利用现有的技术优势,充分发掘该装置的应用潜力,尽快开展装置用户实验,多渠道开发装置的应用与推广,为各相关学科研究和太赫兹辐射在其他高新技术领域的应用奠定理论和实验基础。同时,项目科研团队将在现有装置的基础上进一步拓展FEL激光波长范围,使其成为我国光源体系中的重要组成部分,并推动我国太赫兹技术的发展。 

致谢:感谢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”(项目编号:2011YQ130018)的支持。 

作者:黎明

(黎明,中国工程物理研究院应用电子学研究所研究员。主要研究领域为:自由电子激光技术、加速器物理及技术、射线辐射成像技术及应用等领域的科学研究。主持国家重大科学仪器设备开发专项、863计划项目等多项科研项目。)

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