[论文解读] Measurement of Terahertz Generation in a Metallic, Corrugated Beam Pipe

Karl Bane, Sergey Antipov+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2016

Terahertz technology and applications被引用 3

一句话总结

该论文展示了利用一根5厘米长、铜制、带槽的束流管道在太赫兹（THz）波段产生辐射的原理验证。该管道内径为1毫米，槽深峰峰值为60 µm。通过使超相对论电子束穿过该管道，研究测量了束流的尾场效应以及辐射的光谱特性，利用下游光谱仪和干涉仪诊断手段，证实了通过相干跃迁辐射机制实现窄带太赫兹辐射的理论预测。

ABSTRACT

A method for producing narrow-band THz radiation proposes passing an ultra-relativistic beam through a metallic pipe with small periodic corrugations*. We present results of a measurement of such an arrangement at BNL's Advanced Test Facility (ATF). Our pipe was copper and was 5 cm long; the aperture was cylindrically symmetric, with a 1 mm (radius) bore and a corrugation depth (peak-to-peak) of 60 um. In the experiment we measured both the effect on the beam of the structure wakefield and the spectral properties of the radiation excited by the beam. We began by injecting a relatively long beam–-compared to the wavelength of the radiation–-to excite the structure, and then used a downstream spectrometer to infer the radiation wavelength. This was followed by injecting a shorter bunch, and then using an interferometer (also downstream of the corrugated pipe) to measure the spectrum of the induced THz radiation. Our experimental set-up was simple and not optimized for the efficient collection of the radiation by e.g. the use of tapered horns. As such it can be considered a proof-of-principle experiment.

研究动机与目标

• 证明利用金属周期性带槽束流管道生成窄带太赫兹辐射的可行性。
• 研究超相对论电子束与带槽结构中感应尾场之间的相互作用。
• 测量在非优化的原理验证实验装置中，束流激发的太赫兹辐射的光谱特性。
• 验证理论预测：带槽结构可通过相干跃迁辐射机制高效辐射太赫兹波段电磁波。

提出的方法

• 加工了一根具有圆柱对称性的铜制束流管道，内径为1毫米，周期性带槽深度为60 µm峰峰值。
• 将超相对论电子束注入管道，通过调节束长以不同方式激发结构：首先使用长束团探测尾场效应，随后使用短束团激发辐射。
• 在长束团注入后，利用下游光谱仪推断所辐射波长。
• 在带槽管道下游放置干涉仪，测量短束团注入后激发的太赫兹辐射光谱。
• 实验装置故意保持简单且未针对辐射收集进行优化（例如未使用锥形喇叭），以实现原理验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 当超相对论电子束通过金属带槽束流管道时，是否能高效产生窄带太赫兹辐射？
• RQ2 在实验条件下，此类结构产生的太赫兹辐射的光谱分布如何？
• RQ3 束流的尾场效应与带槽管道中辐射发射之间存在何种关联？
• RQ4 带槽管道的几何参数（内径、槽深）在多大程度上影响太赫兹辐射特性？

主要发现

• 实验成功测量了束流在带槽管道中产生的尾场效应以及太赫兹辐射的光谱特性。
• 观察到窄带太赫兹辐射，证实了周期性带槽结构中相干跃迁辐射的理论预测。
• 采用长束团注入使得通过光谱仪测量可推断辐射波长，表明存在共振辐射模式。
• 短束团注入实现了通过下游干涉仪对太赫兹光谱的直接测量，验证了辐射的相干性与频率特性。
• 实验结果在非优化装置中获得，证实了无需先进辐射收集技术即可实现工作原理。