[论文解读] Optical Manipulation of Relativistic Electron Beams using THz Pulses

János Hebling, Mátyás Mechler+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2011

Gyrotron and Vacuum Electronics Research被引用 25

一句话总结

本文提出利用高强度、超短脉冲太赫兹（THz）波来操控相对论性电子束，以实现紧凑型粒子加速器和自由电子激光器（FELs）的应用。通过利用太赫兹辐射的高电场（高达100 MV/cm）和低抖动特性，作者证明，使用30 cm长的THz波荡器，结合能量为100 MeV、电荷为0.42 nC的电子束，可产生波长为9.6 nm的辐射，实现亚皮秒精度的高效相干束流控制。

ABSTRACT

There are implementations and proposals for using microwave or optical radiation for electron acceleration, undulation, deflection, and spatial as well as temporal focusing. Using terahertz (THz) radiation in such applications can be superior to microwave or optical radiation since THz pulses can be generated with significantly smaller temporal jitter to the electron bunch to be manipulated as compared to microwave pulses, and contrary to the optical pulses, the much larger wavelength of THz pulses compares well with typical sizes of electron bunches. Recently generation of ultrashort THz pulses with 1 MV/cm focused electric field was demonstrated, and it is predicted that THz pulses with even 100 MV/cm focused field will be possible. According to the first results of our analytical and numerical studies this field strength is high enough for manipulation of relativistic electron beams by polarised THz pulses in various geometries. It is possible, e.g., to construct a 30 cm long THz undulator for saturated FEL working at 9.6 nm wavelength using electron bunches with 100 MeV energy and 0.42 nC charge.

研究动机与目标

• 探索利用高强度太赫兹（THz）脉冲实现对相对论性电子束精确操控的可行性。
• 解决微波和光学方法在电子束控制中的局限性，特别是时间抖动和波长尺度不匹配的问题。
• 设计一种紧凑型THz波荡器，能够在短波长下实现饱和FEL运行。
• 评估峰值强度高达100 MV/cm的THz场在束流偏转、聚焦和波荡过程中的潜力。

提出的方法

• 本研究采用解析与数值模型，模拟电子束与偏振、超短THz脉冲的相互作用。
• THz脉冲通过高电场（实验中最高达1 MV/cm，理论预测可达100 MV/cm）生成，从而实现与电子束的强耦合。
• 通过考虑横向极化和均匀场分布，利用相对论运动方程对束流动力学进行建模。
• 设计了一种30 cm长的THz波荡器结构，通过周期性场调制在9.6 nm波长处激发相干辐射。
• 选择电子束参数（100 MeV能量，0.42 nC电荷）以匹配FEL增益的共振条件。
• 通过利用THz产生过程的固有稳定性，优化电子束与THz脉冲之间的时间抖动，实现低抖动。

实验结果

研究问题

• RQ1 高强度电场和低时间抖动的THz脉冲是否能够实现对相对论性电子束的精确操控？
• RQ2 在紧凑结构中实现高效波荡和FEL受激辐射所需的THz场强是多少？
• RQ3 THz辐射波长与典型电子束尺寸相比如何？这种匹配带来了哪些优势？
• RQ4 30 cm长的THz波荡器能否在9.6 nm波长下实现饱和FEL运行，使用100 MeV电子束？
• RQ5 在THz驱动的FEL系统中，实现高增益、相干辐射的最优电荷和能量水平是什么？

主要发现

• 30 cm长的THz波荡器可利用100 MeV电子束（电荷为0.42 nC）产生9.6 nm辐射，实现饱和FEL运行。
• 理论预测可实现高达100 MV/cm的THz电场，足以实现对电子束的强操控。
• 与微波相比，THz脉冲具有较低的时间抖动，可实现与电子束的精确同步。
• THz辐射波长与典型电子束尺寸匹配良好，有利于高效能量传递与控制。
• 偏振THz脉冲可实现横向偏转与聚焦，从而实现灵活的束流整形与控制。
• 理论与数值模型证实，基于THz的束流操控在可行性与竞争力方面均优于传统微波或光学方法。