《用于产生thz波的15mev+linac初步物理设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《用于产生thz波的15mev+linac初步物理设计（62页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、华中科技大学 硕士学位论文 用于产生THz波的15MeV Linac初步物理设计 姓名：喻娇 申请学位级别：硕士 专业：电工理论与新技术 指导教师：樊明武;裴元吉 20070202 I 摘 要 太赫兹波(THz 波)是指频率在 0.1-10THz(波长为 3000m -30m)范围内的电磁波 (1THz1012Hz)。THz 波在电磁波频谱中占有很特殊的位置，其长波段方向与毫米波 (亚毫米波)相重合，而在短波段方向与红外线相重合，因而其广泛应用于工业、农业、 医学、生物、生命、环保及军事等领域。但由于受到 THz 波频段器件特征尺寸微小 的限制，使得半导体器件及真空电子器件在原理上难于工作在
2、1THz 频率以上，另一 方面激光器件因为辐射机理（能级差太小）的限制也难于工作在 THz 频段，从而在 电磁波谱中形成一个“THz 空隙”。利用相对论电子产生的 THz 波具有与自由电子激 光（FEL）一样的特性，这些特性是普通激光器或常规 THz 发生器难以达到的，正 因为如此 FEL 在 THz 波技术领域及其应用研究中，发挥着重要作用。 本文以 THz 波发生器中的直线加速器初步物理设计为主线，自行编制了电子枪、 输运段、磁压缩系统和加速腔系统的粒子纵向运动计算程序，在这些程序的基础上 对直线加速器（Linac）整体进行了分析和优化。 首先介绍了 THz 波的一些基本性质、应用，比较了
3、几种现有的 THz 波发生器， 得到了 THz 波发生器对 Linac 的要求。其次论述了 -磁铁的基本性质和作用，其作 为磁压缩系统是注入器中的一个重要组成部分，验证了 -磁铁的消色散角度，通过 数值模拟研究了电子束团在 -磁铁中的运动情况，给出了电子束在 -磁铁中的运动 图像，并以此为基础讨论了一个注入系统参数优化的实例。然后讨论了 Linac 的设 计，盘荷波导的计算，自行编制了模拟加速腔内电子束运动的程序，通过此计算分 析了一个实例。最后我们模拟了电子束团从电子枪热阴极开始一直到加速末端的运 动情况，通过优化计算初步确定了加速段的各个参数。该设计基本能达到 THz 波源 对直线加速器的
4、要求。整体数值模拟给出了加速过程中束流电子的能量、相位和束 团长度等的变化规律。 文章末尾给出了计算中的不足，以及以后工作的走向。 关键词：THz 波;直线加速器;-磁铁;数值模拟 II Abstract THz wave, with the particular frequency range from 100GHz to 10THz, is expected to be widely applied in industry, agriculture, medicine, biology and environment engineering. THz wave sources based
5、on FEL has many unique advantages, which are hard to obtain by ordinary THz wave generator, so it takes an important role in THz wave applications. This paper introduces the preliminary design of a 15MeV linac for THz radiation sources. We employed a thermionic RF-Gun with an bunch compression syste
6、m in the form of -magnet to produce eligible electron bunches. FORTRAN codes for beam dynamics simulation and parameters optimization of the Linac was developed. First, fundamentals and applications of THz wave are introduced, and several exiting THz wave sources are compared. The requirements of TH
7、z wave for Linac are obtained. Without bunch compression, acceleration is less effective and the results cant meet the THz standards. -magnet has the abilities of energy selection and pulse compression, which is one of the effective ways to solve this problem. The achromatic entrance angle for n=1 o
8、f -magnet is verified. Particles movement in -magnet is simulated by numerical methods and the movement trajectories are presented, based on it an example is discussed. Then design of Linac is discussed also with calculation of disk-loaded cavities. An example is studied by my own codes. Last, the e
9、lectrons starting from cathode till end are simulated unitary, and the preliminary parameters of 15MeV Linac is obtained through optimization. The deficiencies of my calculation and the future work are given out at the end of this dissertation. Keywords: THz wave; Linac; -magnet; numerical simulatio
10、n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、
11、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权数。 本论文属于 不保密 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 1 1 绪 论 带电粒子加速器的发明起源于人们对探索粒子核内部结构的需要。近半个世纪 以来，人类为了进一步揭开原子核更深层次的秘密，使得粒子加速器向着更高能量 和更高流强持续不断的向前发展。与此同时，也将高能和高流强加速器的应用扩展 到了许多领域，如同步辐射光源、自由电子激光、大功率散裂中子源、新一代核能 源等；早期的小型低能加速器，作为便捷和灵活的射线源，在其它科学研究和工业、 农业、医学、
12、生物、生命、环保及军事等领域中也得到了广泛的应用1。 本章介绍加速器的一个重要的应用：THz 波源。首先介绍了 THz 波的一些性质 及应用，其次介绍了 THz 波对直线加速器产生束流的基本要求，电子直线加速器的 一些国内外情况，以及论文用到的一些基本知识，最后是本文的主要内容和创新点。 1.1 THz 波研究的重要意义及国内外现状 1.1.1 THz 波的特点 THz 波通常是指频率范围在 100GHz10THz（相应的波长范围为 3000m30m） 的电磁波2（见图 1.1） 。 图 1.1 THz 波的频率范围 人们之所以关注 THz 波,主要在于与传统电磁波相比，THz 波具有很多独特
13、的性 2 质，其中包括：(1)量子能量和黑体温度很低(表 1)3。 （2）许多物质大分子，在 THz 波段表现出很强的吸收和谐振，如生物大分子的振动和旋转。 (3) THz 波的典型脉 宽在皮秒量级，不但可以方便地进行时间分辨的研究，而且通过取样测量技术，能 够有效地抑制背景辐射噪声。目前，辐射强度测量的信噪比可大于 1010。(4) THz 波 源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从 GHz 至几十 THz 的 范围4。 表 1.1 不同频率电磁波的能量和黑体温度 频率波长波数能量黑体温度 30 GHz10 mm1 cm-1120eV1.5K 300 GHz1 mm10
14、cm-11.2 meV15K 1 THz300m33 cm-14.1 meV48K 3 THz100m100 cm-112 meV140K 6 THz50m200 cm-125 meV290K 20 THz15m670 cm-183 meV960K 1.1.2 太赫兹波的应用前景 近年来,THz 波技术引起广泛关注是由于其在物体成像，环境监测，医疗诊断， 射电天文，宽带移动通讯，卫星通信和军用雷达等方面具有重大的科学价值和广阔 的应用前景。 （1） THz 波成像探测技术5 THz 波可以穿透对可见光而言不透明的多种无机非金属材料，可以兼容已有的 光学及毫米波成像探测技术。典型的 THz 反射
15、成像探测体制如图 1.2 所示。成像 探测系统包括 THz 波源以及耦合有光学系统的成像探测装置。由 THz 波源出射的 THz 波照射目标后，经反射被送入探测装置中，从而完成成像探测这一过程。典型 的透射 THz 探测体制如图 1.3 所示，透射式的 THz 探测系统包括超快如飞秒等的 激光发射机和脉冲延迟回路，与其匹配的如 ZnTe 或 CdZnTe 等结构的 THz 源， 以及辐射探测器和电子学处理与分析装置。由 THz 波源出射的 THz 波照射目标后， 透射光被探测器接收，经电子设备处理后就可以提取出感兴趣目标的特征信息。 3 一般而言，机场安检、重要政府机关和国民经济部门所装备的常
16、规成像探测装 置，对塑料炸弹等恐怖器材不具备有效的监查功能，所采用的辅助检查措施又因其 效率和准确性等方面的原因常产生不必要的麻烦，而 THz 成像探测技术就可以在这 些场合发挥作用。如图1.4所示，是THz波与一般电磁波成像技术的比较。 图1.2 典型的THz反射成像探测体制 图1.3 典型的透射THz探测体制 图 1.4 THz 波（左）与一般电磁波（右）成像技术比较 4 （2） 医疗诊断 THz 技术因其独特特性在生物医学领域也有着广泛的应用,一般可分为两个方面: 生物样本成像和无标识生物大分子的检测技术6。 由于 THz 波光子仅有几毫电子伏特,如此低的辐射对生物样本基本是无害的。另 外,THz 波的辐射是非电离的,很安全,可以达到亚毫米级的分辨率，因此该成像技术, 即 T-CT 成像技术可以代替 X-CT 成像,国外对此已有相关报道78。 DNA 分子对 THz 波辐射的响应主要来自于由其分子的构形
