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太赫兹辐射,是跨越远红外和微波之间,频率大约介于1011赫兹和1013赫兹之间的电磁辐射,研究有关物质在这一波段的光谱响应,探索其结构性质及其所揭示的新的物理内容是非常重要的研究方向。它对于生命科学、材料科学、信息科学、凝聚态物理、原子分子物理、化学及资源环境科学等前沿学科各领域发展都具有重要的突破意义。而在各种太赫兹源研究中,基于史密斯-帕塞尔自由电子激光的太赫兹源具有较高功率、成本低及小型化可移动的特点,可实现常温条件下稳定运行。
本论文就基于史密斯-帕塞尔自由电子激光的太赫兹源展开了研究和设计工作,完成了该太赫兹源装置的总体设计。整个装置设计长度不足一米,由电子枪组件、导向聚焦磁铁组件、辐射器组件、电子收集器组件和真空系统组件构成,故称之为紧凑型太赫兹源。
具体模拟计算工作中,以太赫兹源辐射功率的计算结果为基础,对装置的束流品质提出设计要求,通过束流动力学模拟优化计算,设计并优化了整个太赫兹源装置各部分结构尺寸及电位配置,合理的匹配了整个装置内部的电场和磁场分布,得到了能满足设计紧凑型太赫兹源的高品质电子束流。
磁场设计工作中,为了能获得高品质的电子束流,要求提供高强度的导向聚焦磁场。为了减小整个装置尺寸并简化结构,借鉴了常温EBIT导向磁场的设计理念,采用结构特殊设计的永磁铁磁场作为导向聚焦磁场。而这种特殊结构的永磁铁磁场在其加工和安装上有其特殊性,尤其是在磁铁系统的组装上存在着较大的困难。论文中,针就其特殊性,设计了整个磁铁系统的安装方法并在实际加工安装过程中根据出现的问题对其进行进一步的改进,成功完成了整个磁铁系统的加工和安装工作。最后,在完成了磁场测量的工作后,磁场测量的结果与理论计算的结果完全相符,达到了紧凑型太赫兹源的设计要求。