Accelerator-based THz time domain spectroscopy using coherent transition radiation from short electron bunches

สเปกโทรสโกปีตามเวลาในย่านเทราเฮิรตซ์แบบเครื่องเร่งโดยใช้รังสีทรานซิชันแบบอาพันธ์จากอิเล็กตรอนห้วงสั้น

Name: Siriwan Pakluea

LCSH: Spectrum

LCSH: Spectrum analysis

LCSH: Synchrotron radiation

Abstract: Terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) is a versatile tool for material characterization, providing amplitude and phase information of THz fields. Traditional systems rely on photoconductive antennas (PCAs), which produce low-energy THz pulses. To address this limitation, high-power coherent transition radiation (CTR) generated from relativistic short electron bunches was developed as a THz source at the PBP-CMU Electron Linac Laboratory (PCELL), Chiang Mai University. CTR is produced using femtosecond-scale electron bunches generated by a thermionic RF gun, compressed with an alpha magnet, and further accelerated and optimized via velocity bunching in a linear accelerator. ASTRA simulations yielded optimized beam dynamics, achieving a bunch length of 352 fs and transverse beam sizes below 0.1 mm. A 45! tilted aluminum foil served as the CTR radiator, and its angular distribution, polarization, and spectral range were thoroughly analyzed. The THzTransport code was employed to design a 27-meter transport line, achieving a transmission efficiency of 80–90% and pulse energies of 0.17–0.25 μJ within a spectral range up to 2 THz. A standalone THz-TDS system, using electron-beam-irradiated semi-insulating GaAs PCAs for emission and detection, was developed and optimized for laser power, bias voltage, scan parameters, and acquisition timing. The optimized THz-TDS system provides the THz pulse energies of 0.5 pJ within a spectral range up to 2.5 THz. Comparative studies with standard samples demonstrated high-resolution material analysis capabilities. Additionally, design considerations for a future CTR-based THz-TDS system with electro-optic sampling detection were explored to enhance performance and expand application potential.

Abstract: สเปกโทรสโกปีตามเวลาในย่านเทราเฮิรตซ์เป็นเครื่องมือสำหรับการวิเคราะห์สมบัติของวัสดุโดยให้ข้อมูลทั้งแอมพลิจูดและเฟสของสนามไฟฟ้าของรังสีเทราเฮิรตซ์ระบบแบบดั้งเดิมใช้เสาอากาศแบบตัวนำเชิงแสง ซึ่งผลิตพัลส์เทราเฮิรตซ์ที่มีพลังงานต่ำ เพื่อแก้ไขข้อจำกัดนี้ทีมวิจัยของห้องปฏิบัติการเครื่องเร่งอิเล็กตรอนเชิงเส้น ณ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ได้ทำการพัฒนาแหล่งกำเนิดรังสีเทราเฮิรตซ์กำลังสูงจากรังสีทรานซิชันแบบอาพันธ์โดยใช้อิเล็กตรอนสัมพัทธภาพห้วงสั้นในระดับเฟมโตวินาทีซึ่งลำอิเล็กตรอนถูกผลิตจากปืนอาร์เอฟแบบเทอร์มิออนิก และถูกบีบอัดด้วยแม่เหล็กแบบอัลฟา จากนั้นลำอิเล็กตรอนถูกเร่งและทำให้ห้วงสั้นขึ้นเนื่องจากความเร็วที่ไม่เท่ากันของอิเล็กตรอนในเครื่องเร่งเชิงเส้น การศึกษาการสร้างแบบจำลองด้วยโปรแกรม ASTRA ทำให้สามารถหาสมบัติที่เหมาะสมของลำอิเล็กตรอนได้โดยพบว่าลำอิเล็กตรอนมีความยาวห้วง 352 เฟมโตวินาทีและมีขนาดตามแนวขวางเล็กกว่า 0.1 มิลลิเมตร ในการผลิตรังสีเทราเฮิรตซ์ได้ใช้แผ่นอะลูมิเนียมทำมุมเอียง 45! เป็นตัวปลดปล่อยรังสีเทราเฮิรตซ์แบบทรานซิชัน พร้อมทั้งทำการวิเคราะห์การกระจายเชิงมุม โพลาไรเซชัน และช่วงสเปกตรัมอย่างละเอียด จากนั้นได้ใช้โปรแกรม THzTransport มาทำการออกแบบระบบส่งผ่านรังสีที่มีความยาวรวมทั้งหมด 27 เมตร ซึ่งระบบที่ออกแบบมีประสิทธิภาพการส่งผ่านที่ร้อยละ 80 ถึง ร้อยละ 90 และพลังงานของพัลส์รังสีมีค่า 0.17–0.25 μJ โดยช่วงสเปกตรัมครอบคลุมถึง 2 THz นอกจากนี้ได้ทำการพัฒนาระบบสเปกโทรสโกปีตามเวลาในย่านเทราเฮิรตซ์โดยใช้เสาอากาศแบบตัวนำเชิงแสงที่ทำจากวัสดุแบบกึ่งฉนวนชนิด GaAs ที่ฉายด้วยลำแสงอิเล็กตรอน เป็นอุปกรณ์ปลดปล่อยและรับสัญญาณเทราเฮิรตซ์โดยได้หากำลังของแสงเลเซอร์ความต่างศักย์ไบแอส (bias voltage) พารามิเตอร์ของการสแกน และระยะเวลาการเก็บข้อมูลที่เหมาะสม ระบบสเปกโทรสโกปีตามเวลาในย่านเทราเฮิรตซ์นี้ให้พลังงานของพัลส์เทระเฮิรตซ์เท่ากับ 0.5 pJ ในช่วงสเปกตรัม 2.5 THz จากการศึกษาเปรียบเทียบกับตัวอย่างมาตรฐานแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการวิเคราะห์วัสดุที่มีความละเอียดสูง นอกจากนี้ยังได้มีนำเสนอแนวทางการออกแบบระบบสเปกโทรสโกปีตามเวลาในย่านเทราเฮิรตซ์ที่ใช้รังสีทรานซิชันแบบอาพันธ์เป็นแหล่งกำเนิดแสง และระบบตรวจวัดแบบอิเล็กโทรออปติก (electro-optic sampling detection) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและขยายขอบเขตของการประยุกต์ใช้งานระบบสเปกโทรสโกปีตามเวลาในย่านเทราเฮิรตซ์ต่อไป

Chiang Mai University. Library

Address: CHIANG MAI

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: Sakhorn Rimjaem

Role: Advisor

Name: Chitrlada Thongbai

Role: Advisor

Name: Monchai Jitvisate

Role: Advisor

Created: 2025

Modified: 2568-08-05

Issued: 2025-06-28

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Physics

Grantor: Chiang Mai University

©copyrights Chiang Mai University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	620555933.pdf	3.53 MB

ใช้เวลา

0.033688 วินาที