Passive Ballistic Microbunching of Non-Ultrarelativistic Electron Bunches using Electromagnetic Wakefields in Dielectric-Lined Waveguides
时间调制电子束具有广泛的应用，从相干增强电磁辐射的产生到先进加速器概念中的电磁尾场的共振激发。同样，产生低能超短微聚束可能对超快电子衍射和基于加速器的新光源概念有用。在这封信中，我们提出并实验证明了一个被动的微聚束技术能够形成一个皮秒聚束训练在$\sim 6$ ~MeV。该方法依赖于电磁尾场的激发，因为光束通过介质内衬波导传播。由于光束的非超相对论性质，当光束在随后的自由空间漂移中行进时，诱导的能量调制最终转化为密度调制。调制束被进一步加速到$\sim20$ ~MeV，同时保持所赋予的密度调制。
2018-06-25 physics.acc-ph
Terahertz-driven electron acceleration from subrelativistic to fully relativistic energies in stepped dielectric-lined waveguides
The Cockcroft Institute（科克沃尔研究所）；Sci-Tech Daresbury（达尔斯伯里科学与技术中心）；Department of Physics and Astronomy & Photon Science Institute, The University of Manchester（曼彻斯特大学物理与天文学系及光子科学研究所）
本文提出阶梯式介质衬里波导设计，结合多目标遗传算法与粒子模拟，实现太赫兹脉冲驱动电子从100 keV加速至1 MeV，束流质量优异，验证了太赫兹注入器可行性。
2026-09-29 physics.acc-ph
Experimental Observation of Energy Modulation in Electron Beams Passing Through Terahertz Dielectric Wakefield Structures
本文报道了在能量啁啾的电子束团通过介质波导时，观察到强尾波场引起的能量调制。这种调制可以有效地转换为空间调制，形成具有0.5 - 1皮秒周期的微聚束，因此能够驱动相干THz辐射。实验结果与理论预测吻合较好。
2012-03-05 physics.acc-ph
A novel accelerating structure based on a tapered parallel-plate waveguide with an integrated dielectric terahertz-driven accelerator
本文提出了一种集成了双柱格栅结构的新型介质太赫兹驱动加速器（DTA），利用渐缩平行板波导（TPPWG）实现高效粒子加速，通过时间域模拟优化波导参数，实现了六倍的峰值电场增强，适用于相对论电子束的最大加速，并通过PIC模拟展示了高达120 MeV/m的加速梯度和10 pC的束流承载能力。
2026-05-19 physics.acc-ph
Dielectric Loaded Waveguide Terahertz LINACs
本文针对圆柱形介质加载波导太赫兹直线加速器，综合初始电子能量、脉冲能量与宽度及结构尺寸等因素，提出解析/数值优化指南和设计图，以最大化电子最终动能。
2024-12-04 physics.acc-ph
Parallel-Plate Waveguides for Terahertz-Driven MeV Electron Bunch Compression
我们展示了波导的电磁性能飞秒电子束团的操纵和压缩与强场太赫兹（THz）脉冲。压缩器结构是一个无色散的指数锥形平行板波导（PPWG），可以沿一维聚焦单周期太赫兹脉冲。我们显示了锥形PPWG结构的测试结果，使用电光采样（EOS）在相互作用区域的峰值场至少为300 kV/cm给定0.9 uJ的入射太赫兹能量。我们还提出了一种改进的锥形PPWG的短接设计，以更好地操纵光束和减少磁场作为双馈方法的替代方案。作为一个例子，我们表明，与5 uJ的太赫兹能量，PPWG压缩2.5 MeV的电子聚束的压缩因子超过4，实现聚束长度约18 fs。
2019-05-07 physics.acc-ph physics.optics
Broadband Terahertz Generation in a Corrugated Waveguide with matched Phase and Group Velocities
本文设计波纹波导使相速度与群速度在色散拐点重合，实现宽带太赫兹波与相对论电子束的相互作用，并利用解析与数值方法验证了宽频能量交换与辐射放大。
2023-10-11 physics.acc-ph physics.app-ph physics.optics
Acceleration of relativistic beams using laser-generated terahertz pulses
由激光产生的太赫兹（THz）脉冲驱动的电介质结构可能是克服传统粒子加速器的技术限制的关键，并且随着最近低能（低于100 keV）电子束的加速、压缩和拖尾的实验演示，在相对论束能量下的操作现在对于实现THz驱动结构的全部潜力至关重要。我们提出了第一个太赫兹驱动的相对论35 MeV电子束团的线性加速，利用共线激励的介质内衬波导驱动的纵向电场分量的偏振定制，窄带太赫兹脉冲。我们的研究结果为相对论电子束的前所未有的控制铺平了道路，为超快电子衍射提供聚束压缩，为聚束诊断提供能量操纵，并最终为紧凑的太赫兹驱动的粒子加速提供高场梯度。
2019-08-12 physics.acc-ph
Diffraction at the Open-Ended Dielectric-Loaded Circular Waveguide: Rigorous Approach
本文提出了一种简洁、方便的求解圆形开口介质加载波导衍射问题的严格方法。它使用相应的Wiener-Hopf-Fock方程的解，并导致一个无限的线性系统的反射系数（S参数）的波导，后者可以有效地数值求解使用减少技术。作为一个具体的例子，直接适用于基于电介质内衬毛细管的光束驱动辐射源，考虑了具有均匀电介质填充的圆形波导的开口端处的慢TM对称模式的衍射。一系列这样的模式形成尾流场（切伦科夫辐射场）产生的带电粒子束在其通过沿波导轴。计算的S-参数进行了比较，从COMSOL模拟和一个很好的协议。在现代束驱动太赫兹发射器、太赫兹加速器和基于太赫兹的聚束操纵和聚束诊断系统的背景下，该方法预计将非常方便地分析研究太赫兹（THz）波（自由波和引导波）和具有慢波结构的带电粒子聚束的各种电磁相互作用。
2020-08-29 physics.acc-ph
Three-Dimensional Analysis of Wakefields Generated by Flat Electron Beams in Planar Dielectric-Loaded Structures
穿过电介质内衬波导的电子聚束产生$\check{C}$ erenkov辐射，该辐射可导致适于加速后续聚束的高峰值轴向电场。在亚毫米尺寸的结构中，取决于合适的电子聚束参数的实现，可以获得超过千兆伏每米的轴向场。一个有前途的配置包括使用平面电介质结构驱动的平面电子聚束。本文对平面介质结构中平板电子束产生的尾流场进行了三维分析，从而推广了文献[A]的工作。Tremaine，J. Rosenzweig，and P. Schoessow，Phys. Rev. E 56，No. 6，7204（1997）]。我们特别提供了封闭形式的表达式的正常频率和场振幅的激发模式和基准这些分析结果与有限差分时域粒子在细胞的数值模拟。最后，我们实现了一个半解析算法到一个流行的粒子跟踪程序，从而使开始到结束的高保真度建模的直线加速器的基础上介质内衬平面波导。
2012-04-30 physics.acc-ph
Cascaded Multi-cycle terahertz driven ultrafast electron acceleration and manipulation
基于太赫兹（THz）的电子加速和操纵最近已被证明是可行的，并持有巨大的希望，作为下一代，紧凑型电子源的发展技术。以前的工作集中在由短的单周期THz脉冲横向供电的结构上，该结构具有mm级的分段相互作用区域，这些区域非常适合在电子速度显著变化的子MeV至几MeV范围内加速电子。然而，为了将这种技术扩展到多MeV范围，需要研究支持更长相互作用长度的方法。在这里，我们展示了电子加速和操纵的第一步，使用由时间长，窄带，多周期太赫兹脉冲与电子共同传播的电介质内衬波导。这种几何结构提供了厘米级的单级相互作用长度，并提供了通过级联加速级进一步增加相互作用长度的机会，这些加速级回收太赫兹能量并使相互作用重新相位化。我们证明了太赫兹能量回收的可行性，第一次通过演示加速，压缩和聚焦在两个连续的Al2O3基介电毛细管阶段由相同的多周期太赫兹脉冲供电。由于使用基于激光的源可实现的多循环能量目前是最大电子加速的限制因素，太赫兹能量回收为使用现有源达到相对论能量提供了关键的使能因素。
2019-10-15 physics.acc-ph
Stable and scalable multistage terahertz-driven particle accelerator
粒子加速器利用电磁场来增加带电粒子的能量，自发明以来极大地促进了科学和工业的发展。然而，传统射频加速器的巨大成本和尺寸限制了其可及性。在这里，我们展示了一个由太赫兹脉冲供电的小型加速器，其波长比射频脉冲短100倍。通过向30 mm长的介质内衬波导中注入短相对论电子束，并将20周期太赫兹脉冲的频率调谐到相速度匹配值，实现了近100%电子的精确和持续加速，而光束能量扩展基本不变。此外，通过精确控制两个太赫兹脉冲的相位，光束在两个介质波导中连续稳定加速，电荷耦合效率接近100%。我们的研究结果表明，稳定和可扩展的光束加速在多级小型加速器，并铺平了道路太赫兹驱动的高能加速器。
2021-08-22 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
Radiation of a Charge Exiting Open-Ended Waveguide with Dielectric Filling
本文研究了在大半径共线无限长真空波导中，放置一个均匀介质填充的半无限长开口圆柱波导。研究了点电荷或高斯束团沿结构轴向从介质波导进入真空波导时产生的电磁场。我们利用修正的残值法，通过确定结构各分区的模态激励系数，得到了问题的严格解析解。在CST粒子工作室的数值模拟也进行了分析和模拟结果之间的良好协议。重点分析了介质波导内部产生的切伦科夫辐射和穿透到外波导真空区的切伦科夫辐射。所讨论的结构可以用于产生太赫兹辐射的调制聚束（聚束列）通过高阶切伦科夫模式。在这种情况下，数值模拟变得困难，而发达的分析技术允许有效的计算的辐射特性。
2018-07-20 physics.acc-ph
Compact electron acceleration and bunch compression in THz waveguides
我们数值研究了20 mJ，0.6 THz为中心的相干太赫兹脉冲在优化的金属介质加载圆柱形波导的加速和聚束压缩能力。特别地，我们从理论上证明了1.6pC和16pC电子束团在20mm的相互作用距离上从1MeV加速到10MeV，1.6pC的1MeV束团从100fs压缩到2fs（50倍压缩）在约18mm的相互作用距离上，在42cm的相互作用距离上，1.6pC的10MeV束团从100fs压缩到1.61fs（62次）。结果表明，相干太赫兹脉冲在实现紧凑的电子加速和聚束压缩计划的承诺。
2013-11-22 physics.acc-ph
Power attenuation in millimeter-wave and terahertz superconducting rectangular waveguides: linear response, TLS loss, and Higgs-mode nonlinearity
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)（高能加速器研究机构）；The Graduate University for Advanced Studies (Sokendai)（高级研究院）
本研究通过建立超导波导功率衰减分析框架，揭示了TLS损耗和Higgs模非线性对毫米波和太赫兹波段衰减的影响，发现低温下TLS损耗显著并产生Higgs模峰值。
2026-02-19 cond-mat.supr-con physics.acc-ph physics.ins-det
Self-calibration technique for characterization of integrated THz waveguides
新兴的太赫兹高频加速器技术有望发展紧凑型高亮度加速器和高分辨率功率束诊断。当扩展到更高的频率和更小的结构时，一个响亮的挑战是公差的比例缩放，这可能会阻碍结构的整体性能。因此，表征这些结构对于标称操作至关重要。在这里，我们提出了一种新的和简单的自校准技术来表征集成空心太赫兹波导的色散关系。通过提取理论上已知的标准波导的色散特性，在仿真中验证了所开发的模型。提取的相速度与真实值的偏差不超过$ 9 \times 10^{-5} ~\%$。实验表明，该方法能够测量非标准波导及其耦合器的色散特性，测量精度低于$ \approx 0.5~\% $，精度为$ \approx 0.05~\% $。在金属波导中加入介质作为慢波结构，比较了有、无介质时的色散曲线。在$ 275~\text{GHz} $中发现了一种适用于横向偏转的相位同步模式。
2021-04-03 physics.acc-ph
Towards a compact all optical terahertz-driven electron source at Tsinghua University
提出了一种紧凑型全光学太赫兹（THz）驱动电子源的物理设计。300 mm加速器光束线由焦耳级激光系统供电，易于集成到桌面规模。设计并优化了一种指数阻抗双馈太赫兹驱动电子枪、锥形介质加载圆柱波导、太赫兹驱动聚束压缩器和永磁体压缩器。动力学模拟结果表明，该电子源能输出19 fC，3 MeV的电子束，归一化横向发射度为0.079 π.mm.mrad。通过调整光束整形线，可以获得0.04%的最小相对能量扩展或6.1 fs的最小均方根聚束长度。灵敏度分析表明，太赫兹驱动电子源可以有效地工作在1.5%的太赫兹功率系统的能量抖动。基于光束线的铝样品的模拟衍射图样直到四阶都可以清晰地分辨出来。一个原型的太赫兹枪已经制作完成，目前正在测试中，更多的结果将在未来的工作中报告。
2022-06-08 physics.acc-ph
Compact narrow-band THz radiation source based on photocathode rf gun
亚皮秒电子束团沿介质波导轴向运动，可以产生窄带太赫兹相干切伦科夫辐射。提出了一种基于光阴极射频电子枪的紧凑型太赫兹辐射源方案。根据我们的分析结果，可以在光阴极射频电子枪中直接产生高电荷量（800pC）的亚皮秒电子束团。根据分析和模拟结果，在所提出的方案中（设施的长度约为1.2 m），预计将获得峰值为0.24 THz、峰值功率为2兆瓦（MW）的窄发射光谱。
2013-05-29 physics.acc-ph
Wake excitation of volume and surface polaritons by a relativistic electron bunch in an ion dielectric
研究了离子介质中相对论电子束团激发尾流场的过程。研究了离子介质波导中激发尾波场的时空结构。结果表明，在太赫兹波段的尾流场由纵向极化激元场和切连科夫辐射场组成，切连科夫辐射是介质波导的一组电磁本征波（横向极化激元）。在具有轴向真空通道的介质波导中出现了一个表面极化激元分支。还考虑了相对论电子束团对表面极化激元的尾场激发过程。
2020-12-16 cond-mat.mtrl-sci physics.acc-ph
High temporal resolution THz streaking of high brightness relativistic electron beams
UCLA（加州大学洛杉矶分校）；Tsinghua University（清华大学）
本研究系统地探讨了用于超快表征高亮度相对论电子束的THz streaking结构，通过分析模型和电磁模拟描述了streaking功率与波导尺寸和驱动频率的关系，并通过压缩电子束实验验证了THz streaking结构的设计原则和性能极限。
2026-05-18 physics.acc-ph
Undulator Radiation in a Waveguide
我们提出了一种分析方法来表征波荡器辐射共振附近，当真空管的存在显着影响辐射特性。这是汉堡（FLASH）的自由电子激光（FEL）的远红外波荡器光束线的情况，它将能够提供太赫兹（THz）范围内的脉冲。这种波荡器将允许泵浦-探测实验，其中太赫兹脉冲自然地与来自自由电子激光的真空紫外脉冲同步，以及开发新的电子束诊断技术。由于太赫兹辐射衍射尺寸超过真空室尺寸，因此必须考虑波导的存在来执行红外辐射的表征。基于近轴近似和共振近似，我们发展了波导中波荡器辐射的理论。我们用张量格林函数技术求解了场方程，并提取了以简单的方式描述真空管对辐射脉冲的影响的品质因数作为问题参数的函数。我们的理论，使一致使用无量纲分析，允许治疗和物理理解的参数空间的许多渐近线，连同它们的适用范围。
2007-03-05 physics.acc-ph physics.optics
Terahertz-driven, all-optical electron gun
具有窄能散、高电荷和低抖动的超短电子束对于解析金属、半导体和分子晶体中的相变是必不可少的。这些由光触发电子枪产生的半相对论性光束也被注入x射线光源的加速器。这些时间分辨电子衍射或X射线实验的可实现分辨率受到常规RF枪中的表面场和定时抖动限制的阻碍，到目前为止，它们分别为<200 MV/m和>96 fs。由光学产生的单周期太赫兹脉冲驱动的电子枪提供了一种实用的解决方案，不仅能够实现GV/m表面场，而且还具有绝对的定时稳定性，因为脉冲是由与光触发器相同的激光器产生的。在这里，我们展示了一个全光学太赫兹枪产生的峰值电子能量接近1千电子伏，加速300 MV/m太赫兹领域在一个新的微米级波导结构。我们还实现了准单能，子千电子伏束与32 fC的电荷，这已经可以用于时间分辨低能电子衍射。这种超紧凑、易于实现的枪由固有同步的THz脉冲驱动，该THz脉冲由已经存在的光注入器激光器的放大臂泵浦，提供了一种具有改变基于加速器的科学的潜力的新工具。
2016-05-21 physics.acc-ph physics.optics
Terahertz Acceleration Technology Towards Compact Light Sources
本论文中的概念包括三组：（1）快电子源，（2）太赫兹注入器和（3）太赫兹直线加速器。首先，基于纳米结构阴极的超快、高产额电子发射体的可行性得到了证明。利用场增强效应，即针尖增强和等离子体增强，可以在大尺寸、高密度、高均匀性的场发射阵列上实现激光诱导场发射。这些场发射阵列的理论原理进行了研究，并确认其适用于皮秒时间尺度上的皮库仑电荷生产。在太赫兹注入器的框架下，两个突破性的概念，包括超快单周期太赫兹枪和分段太赫兹电子加速器和操纵器（STEAM）设备的开发和测试。利用瞬态场实现接近0.5 GeV/m的加速梯度的可能性被证实。具体来说，STEAM设备能够执行多个高场操作的6D相空间的超短电子聚束被证明。利用这个由少量微焦耳、单周期、0.3 THz脉冲供电的单个设备，我们展示了>30 keV的创纪录THz加速、<10 fs分辨率的条纹、>2 kT/m强度的聚焦、压缩到~ 100 fs以及这些操作模式之间的实时切换。提出了一种基于介质加载金属波导的少周期激励行波太赫兹直线加速器。基于这一概念，通过直线加速器使用光产生的太赫兹脉冲的keV级的能量增益被证明。此外，电子加速到几十兆电子伏的毫焦耳级太赫兹脉冲的可能性从理论上表明。上述研究的最终目标是一个完全太赫兹驱动的紧凑型光源设备，其从开始到结束的模拟在本文中完成。
2019-06-13 physics.acc-ph physics.plasm-ph
