太赫兹（THz）辐射在电磁波谱上介于微波和红外波之间，处于电子学向光学过渡的阶段，在通信技术、生物医学、危险品检测、国防安全等方面具有广泛的应用^[1-3]。传统的电子学和光子学技术产生的太赫兹源平均功率普遍较低，大部分技术还存在波长不可调、转换效率低、重复频率低等问题，应用相对局限。基于自由电子激光（FEL）的太赫兹源，具有波长大范围连续可调、平均功率高、相干性好、偏振可控等特点，是一种理想的太赫兹辐射源。

国际上，已建设了多台太赫兹自由电子激光实验装置，其中最著名的长波FEL装置有荷兰的FELIX、俄罗斯的Novo FEL以及德国的ELBE。荷兰FELIX装置采用常温加速器技术路线，频率覆盖0.2～100 THz，是目前频率覆盖范围最广的用户装置^[4]。俄罗斯Novo FEL装置采用常温多圈能量回收技术实现了高平均功率输出，最大功率达到500 W^[5]。德国ELBE装置采用超导加速器技术路线^[6]，频率覆盖1.2～75 THz，并建有功能完善的用户实验站。国内，近年来长波自由电子激光的发展方兴未艾。中国工程物理研究院2005年实现了远红外自由电子激光受激辐射^[7]，2011年研制了一台紧凑型自由电子激光太赫兹源^[8]；2016年，华中科技大学设计并研制了一台振荡器THz-FEL装置^[9]；同年，北京大学开展了基于超导光阴极注入器的超辐射太赫兹源实验研究^[10]；中国科学技术大学负责建设的合肥红外自由电子激光装置(FELiCHEM)^[11]，频率覆盖1.5～120 THz，现已顺利实现出光。

2017年，由科技部“国家重大仪器设备开发专项”资助，中国工程物理研究院牵头，联合北京大学、清华大学及多家应用单位联合研制的太赫兹自由电子激光装置(CTFEL)实现饱和出光^[12]。装置位于四川省成都市双流区银河596科技园区，是国内唯一运行的基于超导加速器的高平均功率太赫兹自由电子激光装置。

本文将主要介绍CTFEL装置的性能参数、运行现状以及升级计划。

1.   CTFEL装置简介

CTFEL装置采用光阴极直流高压电子枪和射频超导加速器驱动的谐振腔型自由电子激光技术路线^[13]，主要包括直流高压电子枪、聚束腔、射频超导加速器、波荡器、激光谐振腔、太赫兹传输与测试系统等，其束线布局如图1所示。高亮度电子束由驱动激光在砷化镓半导体光阴极表面激发，通过直流高压加速到320 keV。电子束通过螺线管的横向聚焦和聚束腔的纵向聚束后，进入射频超导加速器，增能至6～8 MeV，再经过消色散段传输到波荡器中，产生太赫兹辐射。辐射的太赫兹光在光腔中振荡，与后续电子束相互作用，受激放大达到饱和，腔中太赫兹光场通过下游腔镜小孔耦合输出，沿太赫兹传输束线传输至用户实验站开展实验研究。在CTFEL装置直线段还搭建了电子束应用实验平台，可用于开展电子束相关的应用实验。

图  1  CTFEL装置束线布局图

Figure  1.  Beam line layout diagram of CTFEL facility

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CTFEL装置示意图如图2所示，其中，电子源、超导加速器、波荡器和光腔系统是CTFEL装置的核心部件，其系统参数见表1。电子源采用半导体光阴极直流高压电子枪技术^[14]，为整个加速器系统提供高品质电子束流，主要由驱动激光系统、阴极制备系统、load-lock系统、直流高压电子枪和聚束腔以及传输、测量元件等构成。驱动激光为波长532 nm的连续锁模皮秒激光，激光脉冲重复频率为54.167 MHz，脉冲宽度约12 ps。光阴极为负电子亲和势砷化镓光阴极(NEA-GaAs)，采用Cs，O交替的“YOYO”法进行激活，量子效率可以达到10%以上，暗室寿命超过1000 h。直流高压电子枪通过三极溅射离子泵和非蒸散吸气泵(NEG)组合，真空度达到10⁻¹⁰ Pa量级，采用电荷泄放型陶瓷绝缘子并填充0.5 MPa的SF₆绝缘气体，工作电压为320 kV，阴极表面电场强度约4 MV/m，其结构示意图如图3所示。

图  2  CTFEL装置示意图

Figure  2.  Schematic diagram of CTFEL facility

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表  1  CTFEL装置系统参数

Table  1.  System parameters of CTFEL facility

injector parameter	value		SRF accelerator parameter	value		undulator parameter	value
laser wavelength/nm	532		working frequency/GHz	1.3		number of periods	42
repetition rate/MHz	54.167		working temperature/K	2		period length/mm	38
gun voltage/kV	320		effective field gradient/(MV/m)	10		gap range/mm	18～32
bunch length/ps	～12		amplitude stability	0.03%		optical cavity length/mm	2769
beam current/mA	1～5		phase stability/(°)	0.06		curvature radius/mm	2218

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图  3  直流高压电子枪结构示意图

Figure  3.  Schematic diagram of the structure of the HV-DC electron gun

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超导加速器主要包括两只1.3 GHz 4-cell TESLA型射频超导腔、主耦合器、调谐器、低温恒温器、低电平控制系统以及配套的低温系统和微波功率系统等^[15]。低温系统为超导腔提供2 K超流氦的低温环境，微波功率系统为每只超导腔提供最高30 kW的微波功率。恒温器为超导腔提供低温低磁的超导环境，包括2 K和80 K的低温层以及磁屏蔽层。低电平控制系统通过微波功率的反馈控制，在超导腔内建立稳定的射频加速电场。在2 K条件下，两只超导腔的有效加速梯度均达到10 MV/m^[16]，幅相稳定度优于0.03%和0.06°。

CTFEL采用Halbach混合型永磁波荡器，共42个周期，周期长度为38 mm，磁场间隙的机械调节通过伺服电机和光栅尺进行控制，调节范围为18～32 mm，对应的K因子变化范围为0.82～1.88，间隙调节精度为1 µm，横向磁场好场区大于12 mm。光腔腔镜表面为镀金膜，反射率大于95%，采用小孔耦合方式输出，耦合孔直径为2.4 mm，对应的耦合输出效率约为2%。

2.   CTFEL运行现状

2.1   CTFEL性能参数

CTFEL作为基于自由电子激光的相干强太赫兹源，具有频率连续可调、高峰值功率、高平均功率、高重频、短脉冲、全相干和线性偏振等特点。CTFEL装置的太赫兹性能参数如表2所示。其设计的辐射频率范围为1～3 THz，通过对装置参数的优化，现已实现0.67～4.2 THz范围内连续可调；宏脉冲长度0.3～8 ms连续可调，宏脉冲重复频率20 Hz以内可调；微脉冲长度小于10 ps，微脉冲重复频率54.167 MHz^[17]。2020年，在CTFEL基础上新建了一条基于波荡器超辐射的太赫兹束线，可将CTFEL辐射的频率拓展到0.1 THz，进一步拓展了CTFEL的应用范围^[18]，初步实验测量分别得到了0.223 THz和0.437 THz的超辐射太赫兹波输出^[19]。

表  2  CTFEL装置太赫兹参数

Table  2.  THz parameters of CTFEL facility

parameters	values
THz FEL frequency range/THz	0.67～4.2
bandwidth/%	～2
macro-pulse average power/W	10～60
macro-pulse repetition rate/Hz	1/5/10/20
macro-pulse length/ms	0.3～8
micro-pulse length/ps	＜10
micro-pulse repetition rate/MHz	54.17
peak power/MW	＞0.1
minimum beam size/mm	＜1
polarization direction/%	＞99 (horizontal)
super-radiation frequency range/THz	0.1～0.7
super-radiation electric field/(MV/cm)	～1

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图4给出了CTFEL装置太赫兹极化度和太赫兹光斑尺寸的测量结果，极化方向为大于99%水平极化，太赫兹光斑横向尺寸最小约为1 mm。图5为CTFEL的太赫兹频谱和输出功率测量结果。太赫兹光的谱宽度约为2%，在1～3 THz之间，宏脉冲平均功率大于10 W，最高输出功率达到60 W。

图  4  太赫兹极化度与太赫兹束斑尺寸测量结果

Figure  4.  Measurement results of THz polarization and beam size

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图  5  太赫兹频谱与太赫兹输出功率测量结果

Figure  5.  Measurement results of THz polarization and beam size

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2.2   CTFEL用户实验

CTFEL自2018年开放用户实验以来，已稳定运行四年多，年用户机时逐年递增，2021年开放机时大于1200 h，用户实验已超过40轮次，主要研究领域涉及材料特性分析、太赫兹波谱、太赫兹器件、太赫兹生物效应、电子束应用、FLASH闪光放疗等。下面列举几例在CTFEL装置上开展的用户实验。

在先进材料研究方面，与中科院固体所合作，开展了电子材料的太赫兹动力学特性研究。利用CTFEL特有的皮秒脉宽微脉冲结构，搭建了“皮秒太赫兹泵浦-探测系统”，测量了半导体材料的泵浦-探测特性以及电子能量弛豫时间，并对室温下高迁移率n-GaSb晶体在不同太赫兹频率下的动力学电子特性进行了测试。结果表明，在强太赫兹自由电子激光辐射下，电子-声子散射诱导的热电子效应或非线性电子响应会导致半导体材料中电子能量弛豫时间的减小^[20]。相对于其他超快光电探测技术，基于CTFEL的太赫兹泵浦-探测系统在电子和光电子材料研究中具有如下优势：不涉及光生载流子和相关激子效应，可以测量自由电子的动量和能量弛豫动力学过程；可实现单色太赫兹泵浦和探测，无需对测量数据进行傅里叶变换来分析实验结果；结合自由电子激光的频率连续可调性，实现对太赫兹泵浦-探测的辐照频率选择。

在太赫兹生物效应研究方面，与西安交通大学合作，开展了太赫兹辐照对大肠杆菌红色荧光蛋白表达影响的研究，实验观察到了3.1 THz辐照可以促进重组大肠杆菌细胞内的质粒复制过程，进而提高重组质粒携带的特定基因编码的蛋白质表达水平的升高^[21]。该研究充分发挥了CTFEL装置频率连续精确可调、高峰值功率、占空比大范围可调的特点，实现了长时间对生物样品的连续辐照。

在医学研究方面，利用CTFEL提供的高亮度电子束流，搭建了国内首台X射线闪光放疗实验平台(PARTER)。通过拉近距离的方式，以较小射野为代价实现了世界首次高能X射线FLASH效应演示验证，通过对荷瘤小鼠的实验对比，证实了具有极大临床应用前景的MV级X射线源也能触发FLASH效应^[22]。2021年，多家国内单位陆续在PARTER装置上开展了FLASH效应的相关实验研究，如FLASH照射联合肿瘤免疫治疗的副反应研究、FLASH小鼠半肝辐照实验研究、FLASH肺癌体表实验研究、FLASH辐照神经系统保护效应研究等。

3.   CTFEL升级计划

CTFEL作为国内唯一运行的基于超导加速器的太赫兹自由电子激光装置，突破了诸多关键技术，推动了国内太赫兹领域的发展，但总体来说能力有限，如：频率覆盖范围不够宽，仅能覆盖0.1～4.2 THz，没有配套建设功能完善的用户实验站。受限于现有的频谱宽度和实验条件，CTFEL装置的研究潜力没有得到充分发挥，难以满足诸多新兴的基础科学与应用研究需求。为了进一步满足用户需求，我们提出了CTFEL装置的升级计划。CTFEL装置的升级主要包括：将CTFEL装置升级为一台红外太赫兹自由电子激光装置和建设两个功能相对完善的用户实验站。

在现有CTFEL基础上，增加两段2×9-cell超导加速段，将电子束能量提升到最大50 MeV，同时增加两台波荡器，将频谱范围拓展至0.1～125 THz（对应波长范围2.4～3000 μm），建设一台基于超导加速器的红外太赫兹自由电子激光装置。其束线布局如图6所示，装置总体方案采用跑道型束线结构设计，同时可成为一台能量回收型直线加速器实验研究平台。表3列出了CTFEL升级装置的设计参数，新增的两台波荡器（U48和U35），同样采用谐振腔型自由电子激光技术路线，将分别输出2～20 THz和15～125 THz的高功率辐射光，最大宏脉冲平均功率大于100 W。

图  6  红外太赫兹自由电子激光装置束线布局图

Figure  6.  Beam line layout diagram of the IR-THz FEL facility

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表  3  红外太赫兹自由电子激光装置设计参数

Table  3.  Design parameters of the IR-THz FEL facility

electron beams			IR-THz FEL
maximum energy/MeV	50		frequency range/THz	0.1～125
energy spread/%	＜0.3 (FWHM)		wavelength range/µm	2.4～3000
normalized emittance @100 pC/µm	＜15		pulse length/ps	0.5～20
bunch charge/pC	50～100		maximum macro-pulse power/W	＞100

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同时，将建设两个功能相对完善的用户实验站：材料光谱实验站和生物医学实验站。材料光谱实验站主要包括多时间尺度瞬态物性探测系统、多物理场加载时间分辨泵浦-探测系统等。生物医学实验站主要包括细胞生物学实验平台、神经生物学实验平台、X射线FLASH放疗动物实验平台和临床前实验平台等。用户实验站的空间布局示意图如图7所示。

图  7  红外太赫兹自由电子激光装置用户实验站布局示意图

Figure  7.  Layout of the user stations of the IR-THz FEL facility

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红外太赫兹自由电子激光装置及其配套用户实验站建成后，将为材料、生物、医学等多个学科领域前沿研究提供宽谱可调谐的相干强光加载和探测手段，其科学研究目标包括：深入理解先进功能材料的微观机制并优化宏观物性，厘清红外太赫兹辐射在生物物理、神经传递、肿瘤消融中的具体机制，探索超高剂量率放射治疗效应产生原理，突破自由电子激光极紫外光刻、高能重离子束流冷却等面临的能量回收技术难题等。

4.   结　论

本文介绍了中物院太赫兹自由电子激光装置（CTFEL）的性能参数、运行现状和升级计划。CTFEL装置是我国唯一运行的基于超导加速器的高平均功率太赫兹自由电子激光装置。自出光以来，已稳定运行四年多，并开展了诸多用户实验研究。受用户应用需求驱动，提出了将CTFEL升级为一台红外太赫兹自由电子激光装置并建设生物医学和材料光谱两个实验站的升级计划。升级后，装置频谱范围将拓展至0.1～125 THz，最大输出功率达到100 W，将进一步推动我国红外太赫兹研究领域的发展。