空间粒子束技术研究现状综述

FEL 从20 世纪70 年代开始就受到一些国家的重视，但是发展并不顺利，主要原因是FEL 对电子束的品质要求太高，一般来说，要求能散度在0.5%以内，归一化发散度在5 mm·mrad 左右。普通电子直线加速器不可能稳定提供这样高品质的束流，所以直到20 世纪90 年代，世界上没有出现大功率的自由激光器。1995 年以后，美国Jefferson 实验室（JLAB）的Geoge Neil 等人基于CEBAF 所发展起来的超导直线加速器技术，研制了一台40 MeV 直线加速器，使红外FEL 的平均功率稳定运行在700 W，其研究很快获得海军支持。2006 年，JLAB 获得14.2 kW 平均功率、波长1.61 μm 的红外激光。由于JLAB 的突破，20 世纪以来，FEL 再次兴旺起来，基于FEL 的THz 源在众多THz 源中又成为热点方案。

基于自由电子激光的太赫兹源方案，具有小型化、可移动等特点，有利于实现紧凑型桌面THz 源。其主要包括电子枪注入器、电子直线加速器、波荡器、光学谐振腔以及真空、水冷、控制等辅助系统，其结构如图14-15 所示。电子枪注入器为整个系统提供高品质电子束流；电子直线加速器对电子枪注入器提供电子束进行加速，使电子束获得较高能量；波荡器提供周期性磁场，使电子获得横向运动；光学谐振腔则为电子束团和光脉冲提供相互作用的场所，电子束与电磁辐射反复作用，辐射光量子场不断增强，最终达到光强饱和。

图14-1　5 FEL - THz 系统结构(www.xing528.com)

美国作为世界上最早研究FEL 的国家之一，美国航天局、国防部、国家基金会等对该研究提供了大量的资金支持，通过多年研究，已经积累了丰富的理论和实践经验。美国加利福尼亚大学研制的UCSB-FEL （University of California，Santa Barbara FEL）装置是世界上第一个为用户提供太赫兹波源的FEL装置，其设计输出频率范围为0.12～4.8 THz，对应波长为2.5 mm～60 μm。目前，UCSB-FEL 正在建设第三代自由电子激光装置，目标是将波长扩展到30 μm。美国著名的Jefferson 实验室也在积极进行FEL 装置的研究，该装置名称为IR Demo FEL，并于1998 年调试成功。2001 年后，实验室开始对原有装置进行升级改造，目前达到的功率为14.2 kW，从而使IR Demo FEL 成为世界上功率最高的可连续调整波长的FEL 装置。

2015 年，中国工程物理研究院研制的大型科学仪器装置——自由电子激光相干强太赫兹源（FEL-THz），输出功率为10 W、频率在1～3 THz 可调的太赫兹光。其中的射频加速器流强为5 mA，电子能量为8 MeV，平均功率为40 kW。

此外，世界范围内，很多加速器实验室都拥有或者计划建设FEL-THz 装置，如韩国KAERI 紧凑THz FEL；俄罗斯的Novosibirsk THz FEL、日本的Tokyo （FIR-FEL）、荷兰的Nijmegen （THz-FEL），国内上海应用物理研究所、华中科技大学等。