基于全光场太赫兹驱动的超快电子枪装置

本发明属于先进超快电子源领域，具体涉及一种采用场增强针尖阴极结构结合太赫兹驱动的全光学手段实现台面式超快电子枪的方法及装置。

背景技术：

1、高品质超短电子束在超快电子衍射、超快电子显微镜、超快x射线源等前沿科学、生命医学和工业应用领域中发挥着不可替代的作用。然而，目前传统加速器设施主要基于射频加速方案，其主要面临加速梯度低(＜100mv/m)、造价高昂、体积庞大、建设周期长等挑战，极大限制了其在科学领域的广泛应用和推广。经验公式表明，采用更高的工作频率和更短的脉冲宽度可以进一步提高射频击穿的阈值场强，进而可以获得更高的加速梯度，同时也可以大幅缩小设备体积。因此，探索新型的紧凑型电子加速技术已成为加速器领域的重要研究方向。

2、为此，科学家提出了基于光学方案的激光等离子体加速器(lpa)、介质激光加速器(dla)和太赫兹(thz)加速器。相较于射频场，这些方案的电场频率更高并且脉冲长度更短，可以产生gv/m量级的极高加速度梯度。然而，由于等离子体的不稳定性，lpa存在束流品质低和稳定性较差的问题，且重复频率较低。dla由于采用的加速激光波长非常短，其加速结构对于加工精度的要求非常高，且可以驱动的电子数目非常有限。而太赫兹加速，由于其波长介于射频微波和微米光波之间，因此可以同时具有微波加速和激光加速的优点。首先，太赫兹有望实现gv/m的高加速器梯度。其次，其加速结构的尺寸在毫米量级，可以用传统的加工方式进行加工。此外，通过同源的激光系统驱动产生的太赫兹光与紫外光和泵浦光具有近乎完美的本征时间同步特性，因此束流稳定性好，可以大幅提高系统的时间分辨率。最后，由于太赫兹(毫米量级的空间尺度和皮秒量级的时间尺度)的时空尺度非常适用于飞秒级超快电子的操控，能够负载pc量级的电荷，有望在未来高能量、高重复率的小型超快电子源的研发中发挥巨大的应用潜力。

3、然而目前关于太赫兹驱动电子源的研究探索尚处于起步阶段，虽然在原理上已经验证了太赫兹驱动双平行平板波导结构电子枪的可行性，然而其光阴极采用金属镀膜的扁平结构，受到金属镀膜的损伤阈值限制，导致其加速梯度较低，仅为300mv/m。此外，由于其相互作用距离无法根据驱动波长以及泵浦能量进行相应的匹配调整，不可避免地导致电子束在加速场中发生减速，造成加速能量较低且能散较大。并且，其太赫兹驱动脉冲采用单侧太赫兹光驱动的构型，导致电子枪中的场分布不均匀，从而影响产生的电子束质量。更重要的是，该设备缺乏对于电子束的精密控制能力，从而导致光束质量差，限制了其在紧凑型光源以及超快电子显微镜和衍射等的实际应用。

技术实现思路

1、本发明面向当前先进电子源需求，旨在解决上述现有技术中存在的不足之处，提出了一种基于场增强微腔结构结合全光场太赫兹驱动的电子加速和操控的一体化超快电子枪构型，形成了基于太赫兹驱动的级联式装置和产生高质量，高重频的超短电子脉冲的实用化技术，并验证了其在电子衍射、成像以及超快结构动力学研究中的实际应用。此外，本发明具有结构简单，体积紧凑，建造成本低的优点，可以产生具有超高时空分辨率的高质量飞秒电子束，在电子成像、衍射、超快动力学研究及未来紧凑型台面电子源等方面有着巨大的应用潜力。

2、本发明的原理如下：

3、通过在基于金属波导组成的多层装置中集成一个可移动的微米级针尖光阴极，可以实现可调的加速长度，解决加速中的相位失配问题，可以获得更高的加速能量。此外，得益于更短的驱动波长以及针尖的场增强结构，光阴极的损伤阈值得到大幅提升，可以支持高达gv/m的峰值加速梯度，在获得更高加速能量的同时可以大幅抑制电子发射初期电子间库伦排斥力对于产生电子束质量的影响并进一步提高电子发射的量子效率，从而获得高亮度，高品质的电子束。基于双侧反向太赫兹馈入的泵浦构型可以使得电子枪的场分布更加均匀，大幅改善电子束质量。更重要的是，基于集成多层电子枪构型，可以在亚毫米量级上实现级联的电子产生、加速与压缩等功能，大幅提高对电子的精密操控能力，获得兼具超高时间分辨率和超高空间分辨率的高品质飞秒电子束。

4、本发明为了达到上述发明目的，采用了如下技术方案：

5、一种基于全光场太赫兹驱动的超快电子枪装置，其特点在于，包括：

6、集成式电子调制器(100)，用于在亚毫米量级实现级联的电子加速与脉冲压缩；

7、喇叭天线(200)，其出射端与所述集成式电子调制器(100)的入射端重合，用于将单周期太赫兹脉冲(500)耦合到所述集成式电子调制器(100)中，提高调制器中的作用场强；

8、可调针尖阴极(300)，其尖端位于所述集成式电子调制器(100)内部，用于产生光电子，且能够在提供超高加速梯度的同时实现电子的连续加速。

9、进一步，利用紫外脉冲(400)作为超快电子枪的光电子产生源，所述紫外脉冲(400)从所述集成式电子调制器(100)的一端入射并聚焦到所述可调针尖阴极(300)的尖端，且其电场方向与所述可调针尖阴极(300)指向平行，用于激发阴极表面的光电子发射；

10、利用两个反向传播的单周期太赫兹脉冲(500)作为超快电子枪的驱动源，分别通过对称的喇叭天线(200)从两侧耦合到所述集成式电子调制器(100)中，且其电场方向均与所述可调针尖阴极(300)指向平行，用于捕获阴极表面发射的光电子并对电子束的相空间进行精密操控。

11、进一步，所述紫外脉冲(400)由同一近红外激光源在偏硼酸钡晶体(bbo)中发生两级连续的二次谐波过程产生。所述紫外脉冲(400)与所述单周期太赫兹脉冲(500)的相对时间延迟通过电动位移台精确控制，决定了电子在加速场中的注入相位。

12、进一步，所述两个反向传播的单周期太赫兹脉冲(500)由同一近红外激光源分别在不同的铌酸锂晶体(linbo3)中通过基于脉冲倾斜法的光整流方式产生。所述单周期太赫兹脉冲(500)的相对延迟通过电动位移台精确控制，使其电场在所述可调针尖阴极(300)的尖端处相长增强，磁场在所述可调针尖阴极(300)的尖端处反向相消。

13、进一步，所述集成式电子调制器(100)由加速器(110)和聚束器(120)级联而成。所述加速器(110)和所述聚束器(120)中装配有不同长度的介质片(121)并由金属片(130)隔绝，用于分别调整电子在对应作用场中的注入相位，从而实现级联的电子加速与脉冲压缩。

14、进一步，所述可调针尖阴极(300)由钨制成并安装在三维可调的精密电动步进位移台上。其尖端可以在所述集成式电子调制器(100)内部移动，从而精确调整电子在加速场中的加速距离，使得在不同驱动太赫兹能量下均可实现电子的连续加速。

15、进一步，所述可调针尖阴极(300)的尖端直径在微米量级，从而可在太赫兹波段产生显著的场增强效果，提供高达数gv/m的超高加速梯度。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

17、(1)采用三维可调的针尖阴极，不仅可以实现相互作用长度的连续调整，从而解决传统加速方案中的相位失配问题，还具有极高的损伤阈值，结合喇叭型金属波导可以在太赫兹波段产生显著的场增强效果，支持高达gv/m的峰值加速梯度，在获得更高加速能量的同时大幅抑制电子发射初期电子间库伦排斥力的影响，从而大幅提高电子束质量；

18、(2)采用双侧反向太赫兹馈入的构型，使得电子枪的场分布更加均匀，进一步改善电子束质量；

19、(3)采用集成式的多层电子枪构型，可以在亚毫米量级上实现级联的电子产生、加速与压缩等，大幅提高电子的精密操控能力；

20、(4)该装置产生的电子束具有高能量、短束长、低发散度、低能散、高时空分辨率等优点，在电子成像、衍射、超快动力学研究及未来紧凑型台面电子源等方面有着巨大的应用潜力；

21、(5)集成度高，体积紧凑，电子多维度精密操控能力强，建造成本低，可以被广泛地普及使用；