空间电荷波波长压缩升频为高频率电磁波源的方法及装置

摘要

一种空间电荷波波长压缩升频为高频率电磁波源的方法及装置，涉及电磁技术领域，是利用电子注与电磁波的相互作用实现输入电磁波的频率提升，从而在更高频率(为输入频率的几倍至几百倍)上产生电磁波，特别是THz电磁波。

说明书

技术领域

本发明涉及电磁技术领域，特别是涉及THz电磁波源，是一种空间电荷波波长压缩升频为高频率电磁波源的方法及装置。

背景技术

目前国内外对THz领域的研究热情很高，相关文献汗牛充栋，要精确描述国内外在该领域的研究情况很不容易。好在已经有一些很好的综述文章进行了这一工作。例如，文献[G.P.Gallerano et al.Overview of TeraHertzRadiation Sources.]对THz辐射源进行了综述，文献[SwapwnChgattopadhyay et al.Emerging Concepts，Technology and Opportunities forMezzo-Scale Terahertz and Infrared Facilities.Proceedings of EPAC2004，Lucerne，Switserland.]则着重对自由电子激光进行了综述。关于THz电磁波的应用前景，大多散见各种文献。如文献[Swapwn Chgattopadhyay etal.Emerging Concepts，Technology and Opportunities for Mezzo-ScaleTerahertz and Infrared Facilities.Proceedings of EPAC2004，Lucerne，Switserland.]着重谈到THz电磁波在物质特性研究、化学动力学及原子或分子内能量划分与能量流动问题研究方面可能大有机会。更多的文献则报道了各种THz电磁波的应用，如文献[Yong Uk Jeong et al.THzImaging By Wide-band Compact FEL.]报道了用宽带紧凑型自由电子激光进行THz成像的研究情况，文献[B.N.Flanders et al.The Pure RotationalSpectrum of Solvated HCI：Solute-Bath Interaction Strength and dynamics.J.Phys.Chem.A 1999，103，100054-100064.]报道了用THz传输和远红外频谱仪研究溶解的HCI的旋转吸收谱。至于mm波和亚mm波可能在气象、军事和通信方面得到运用，则是早有定论的。如文献[J.I.Roman-Nieves etal.High Altitude Compact Solid State 95GHz Cloud Radar.]报道了一种工作于95GHz的高空气象雷达。

无论要把THz电磁波应用于何种用途，紧凑高效THz电磁波源是根本，而真空电子器件仍然可能是紧凑高效THz电磁波源的强有力的竞争者。

目前正在研究中的THz辐射源包括固态振荡器、量子级联激光(QCL)、远红外气体激光、激光驱动THz辐射器、各类自由电子激光(FEL)、微制造技术THz辐射器。固态振荡器的核心器件是IMPART二极管、TUNNEL二极管和GUNN二极管，IMPART二极管和TUNNEL二极管的工作频率可达到100GHz，GUNN二极管的工作频率可达到200GHz。

远红外气体激光的典型功率为100mW，能线性调谐到0.3～5THz之间，能从Coherent Inc和Edinburgh Inst等一些公司买到商用产品。

量子级联激光(QCL)是最新发明的利用声子发射的固态器件，但需要在低温下工作，MIT实现了2.1GHz的量子级联激光(QCL)，工作温度为137K，这种器件目前的功率为50mW。

激光驱动THz辐射器利用光导体实现，或利用非线性光学晶体实现，这种器件的工作频率可在0.2～2THz之间，平均功率在几个nW到几百个mW之间。

自由电子激光的种类较多。如从工作原理分类，则有自由电子受到加速度而产生辐射的Cherenkov激光，利用自由电子同波纹磁场互作用的磁波纹器激光，利用自由电子于某种波导或谐振腔互作用的激光及利用相干自发辐射的相干自发辐射激光等。如从技术状态分，可分为成熟自由电子激光、研究中的自由电子激光、新型自由电子激光和紧凑型自由电子激光。成熟自由电子激光的例子是UCSB(University of California at SantaBarbara)和BNL(Brookhaven National Laboratory)的自由电子激光。研究中的自由电子激光包括Jefferson试验室的红外自由电子激光(IR-FEL)、Daresbury的“基于ERL的第4代激光源样机”(4GLS ERLP)和Cornell的基于ERL的自由电子激光样机。新型自由电子激光包括采用了所谓“低α工作模式BESSY II自由电子激光和CIRCE(Coherent InfraredCenter)的相干回旋加速器辐射(Coherent Synchrotron Radiation)自由电子激光。紧凑型自由电子激光则包括ANL(Argonne NationalLaboratory)，BNL及玛丽兰大学正在研制的一些自由电子激光，其特点是对自由电子簇进行预调制，从而利用相干自发辐射(Coherent SpontaneoesRadiation)提高辐射效率，进而达到紧凑的目的。这些自由电子激光大多使用静电压加速器、线性加速器或环形加速器，特点是功率很大，如UCSB(University of California at Santa Barbara)激光的功率为500W～5kW。表1示出了目前一些典型激光的典型参数。

                              表1  目前国际上一些自由电子激光

                                            放大器  FEL类型  加速器类型/工  作频率(MHz)  波长(μm)  电子能量  (MeV)  峰值电  流(A)  电子簇长  度(均方  根)  (ps)  TTF-FEL  (DESY)  Linac/1300  0.08-0.18  181-272  500  1  XFEL(DESY)  Linac/1300  0.0001  35000  5000  0.08  BESSY FEL  Linac/1300  0.045-0.0012  450-2200  5000  0.07                                        振荡器  SCA FEL  (Stanford)  Linac/1300  3-13/15-65  25-45/15-32  10/14  0.5-12/1-  5  S-DALINAC  (Darmstadt)  Recirculating  Linac/3000  6-8  25-50  2.7  2  JAERI-FEL  (Tokai)  Linac/500  (ERL)  22  16.5  100  5  JLAB IR FEL  ERL/1500  1-6  48  60  0.4  JLAB IR FEL  UPGRADE  & UV FEL  ERL/1500  0.2-1  160  270  0.2  ELBE  (Rossendorf)  ERL/1300  5-300  4-250  0.5-10

从现在的研究热点看，很少有人注意用传统的电真空器件的原理实现THz电磁波源。但至少有一种现有的电真空器件，既返波管(BWO)能够提供30GHz～1.2THz的电磁波信号。另外，至少在mm波和亚mm波频段，人们正在试图用微制造技术(如微机电技术(MEMS))结合传统的行波管、速调管和回旋管等器件的原理与技术提供THz电磁波源。

作为THz电磁波源，传统的行波管、速调管和回旋管等或以新型制造技术(如微机电技术(MEMS))仍可能大有作为。本发明可以说是这种思想的一种具体实现方法。

发明内容

本发明的目的是利用传统的行波管、速调管和回旋管等或以新型制造技术(如微机电技术(MEMS))，提供一种产生THz电磁波源的方法及装置。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种空间电荷波波长压缩升频为高频率电磁波源的方法，其利用电子注与电磁波的相互作用实现输入电磁波的频率提升，从而在更高频率上产生电磁波；包括步骤：a、其阴极为提供一个合适的电子注，加在第一阳极和阴极之间的方波脉冲电压，使电子注形成具有相同速度的电子簇；b、加在其第一阳极和第二阳极之间的锯齿波脉冲，使电子簇前沿的电子具有慢速度，而使电子簇后沿的电子具有快速度；c、其速度调制间隙对电子注进行速度调制，在电子注的每一个电子簇中建立空间电荷波；d、在其漂移段中，电子簇中的电子同时发生高频群聚效应和脉冲压缩效应，由于脉冲压缩效应，电子簇所携带的空间电荷波的波长得到压缩，相当于频率得到提升，同时由于高频群聚效应，电磁波的能量得到放大；e、其高频提取间隙提取电子注所携带的经过升频放大的电磁波能量；f、其收集极回收并释放高频能量的电子注，即为电磁波源。

所述的升频为高频率电磁波源的方法，其所述f步中释放的高频能量电子注，为THz电磁波源。

所述的升频为高频率电磁波源的方法，其所述更高频率，为输入频率的几倍至几百倍的高频率。

一种所述的方法所使用的装置，是产生THz电磁波源的升频放大器，它包括外壳、电脉冲发生器、阴极、第一阳极、第二阳极、速度调制间隙、磁聚焦系统、高频提取间隙、收集极；其还包括一长形圆筒状漂移段；由阴极、第一阳极和第二阳极组成的电子枪对准圆筒状漂移段的进口，圆筒状漂移段的出口对准收集极的中心，电子枪口与漂移段进口间设有速度调制间隙，漂移段出口与收集极间设有高频提取间隙，电子枪口、漂移段的轴线和收集极的中心都在同一条直线上；

长形圆筒状漂移段外周圆套以磁聚焦系统；

阴极、第一阳极和第二阳极分别与电脉冲发生器电连接；各部件按常规固装于外壳中。

所述的装置，其所述电子枪的导流系数为≤0.05微朴；漂移段的长度≥0.3m；脉冲压缩比为≥100；输入调制信号在2～40GHz之间；阴极和第一阳极之间、第一阳极和第二阳极之间的极间电容＜0.5nF；聚焦系统能同时聚焦速度零散为0.85c～0.1c之间的电子束；电脉冲发生器，采用MOSFET开关的Blemlein放电式脉冲发生器。

本发明的方法及装置，可以产生高频电磁波源，特别是THz电磁波源，该装置成本低、体积小、操作简便。

附图说明

图1是本发明空间电荷波波长压缩升频为电磁波源的方法所使用的升频放大器结构原理示意图；

图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)、图2(e)、图2(f)是本发明各电极的电压波形和电子速度波形示意图。

具体实施方式

本发明方法使用的一种空间电荷波波长压缩升频为THz电磁波源的升频放大器，其结构示意图如图1所示。从结构上看，它与普通的行波管类似，只是行波管的慢波线已经由一段相当长的漂移段(图1中的5)所取代。当然，同行波管一样，它具有由阴极1、第一阳极2和第二阳极3组成的电子枪，并具有收集极8。至于速度调节间隙4和高频提取间隙7，则可以同速调管类似。是采用普通的行波管与速调管中的部分结构组合而成。

具体的说，本发明中产生THz电磁波源的升频放大器，它包括外壳(图中没示出)、电脉冲发生器(图中没示出)、阴极1、第一阳极2、第二阳极3、速度调制间隙4、漂移段5、磁聚焦系统6、高频提取间隙7、收集极8；由阴极1、第一阳极2和第二阳极3组成的电子枪对准圆筒状漂移段5的进口，圆筒状漂移段5的出口对准收集极8的中心，电子枪口与漂移段5进口间设有速度调制间隙4，漂移段5出口与收集极8间设有高频提取间隙7，电子枪口、漂移段5的轴线和收集极8的中心都在同一条直线上；

长形圆筒状漂移段5外周圆套以磁聚焦系统6；

阴极1、第一阳极2和第二阳极3分别与电脉冲发生器电连接；各部件按常规固装于外壳中。

本发明升频放大器的工作原理可以结合图2进行说明。设在t₁时刻在阴极1与第一阳极2之间加上一个约10ns的正脉冲电压信号，峰值电压约为4000V，如图2(a)所示。从而从阴极1支取峰值电流约10mA的脉冲电流，电流脉冲宽度也约为10ns，电子枪的导流系数约为0.05微朴。该电流脉冲刚透过第一阳极2时，脉冲内的所有电子均取得约0.1c(c为光速)的速度，脉冲内电子速度与脉冲位置的关系见图2(d)。

当电流脉冲进入第一阳极2与第二阳极3之间时，由于第一阳极2与第二阳极3之间加有如图2(b)所示的锯齿脉冲，电流脉冲中的电子受到不同程度的加速，脉冲前沿的加速度小，脉冲后沿的加速度大。因此，在电流脉冲离开第二阳极3的时候，脉冲后沿电子速度已经比脉冲前沿的速度大，如图2(e)。

随后电流脉冲进入速度调制间隙4，速度调制间隙4中存在频率为f₀的微波信号，其波形见图2(c)，因此电流脉冲中的电子受到速度调制，当电流脉冲离开速度调制间隙4的瞬间，电子速度在脉冲中的分布如图2(f)。

然后电流脉冲进入漂移段5，在漂移段5中同时进行电子群聚和电流脉冲压缩。所胃群聚是由速度调制引起的，其物理过程与速调管或行波管中完全类似。同样，由于在电流脉冲进入漂移段5前具有如图2(f)所示的速度分布，脉冲后沿电子的平均速度大于脉冲前沿电子的平均速度，这就意味着脉冲后沿将追赶脉冲前沿，从而造成电流脉冲的压缩。如果不同时发生脉冲压缩，那么电子群聚产生的空间电荷波的波面没有受到压缩，因此其频率与速度调制信号f₀相同。但现在同时存在脉冲压缩，电流脉冲中的空间电荷波的波面也受到压缩，而波面受到压缩意味着空间电荷波的频率得到提升，而且脉冲压缩比就是升频比。这就是本发明把这种装置器件称作升频器的原因。

如果升频比能达到100倍，由于脉冲压缩造成的升频效应，那么频率为mm波或微波的空间电荷波就升频为THz的空间电荷波。电流脉冲透过漂移段5后，THz的空间电荷波在高频提取间隙7中激励THz电磁波。随后电流脉冲进入收集极8而被收集。

如果加在阴极1与第一阳极2之间的方波脉冲及加在第一阳极2与第二阳极3之间的锯齿脉冲信号以一定的重复频率进行，则将以此重复频率产生THz电磁波。

本发明空间电荷波波长压缩升频为THz电磁波源的方法：

用运动学原理，容易理解利用电流脉冲前后沿速度差进行脉冲压缩。这种方法在X射线源用的脉冲电子注上得到研究，不过那里是用加速器产生电流脉冲前后沿的速度差罢了。不过，需要多长的漂移段5才能产生足够的脉冲压缩却是一个值得进一步研究的问题。

如果暂不考虑电子空间电荷的作用，这种脉冲压缩仅仅是一个追赶问题，经过简单的推导，可以得到如下公式：

$>>L>=>>>>V>1>>T>>(>1>->>T>1>>/>T>)>>>>>>V>2>>>V>1>\; >->1>\; >->->->>(>1>)>>>s>$

其中，V₁是脉冲前沿平均速度，V₂是脉冲后沿平均速度，T是压缩前电流脉冲宽度，T¹是压缩后电流脉冲宽度，L是所需要的漂移段5的长度。如果V₁＝0.1c，V₁＝0.2c，T＝10ns，T¹/T＝0.01，由上式可得L＝0.3m。这一长度与一个较长的行波管的长度差不多。从这种简单核算来看，上述空间电荷波波长压缩升频器件不算太庞大，在体积上基本可以接受。考虑到人们不惜以庞大的加速器来产生THz电磁波，那么上述空间电荷波波长压缩升频器件还是最具优势的。

作为本发明在一些具体方面的实施例，下面继续从真空电子学的观点考察一下本发明的各个方面。

首先，作为本发明电子枪一个具体的实施例，可以把本发明的电子枪设计成具有0.05微朴的导流系数。而就目前电真空技术水平而言，电子枪以0.05微朴的导流系数从阴极1支取约10mA的峰值电流是轻而易举的事，而这么小的电流意味这电荷密度不大，空间电荷力的影响不大，有利于用本发明方法进行脉冲压缩。

其次，作为本发明压缩比设计的一个实施例，可以把本发明的压缩比定为100，则峰值电流已经变为1A，以4000V电压估计，则直流峰值功率已经达到4kW。

第三，作为本发明的概念设计的实例，可以以电子效率为1％作保守估计，则本发明的输出THz电磁波峰值功率已经达到40W，已经满足目前THz电磁波应用领域的大部分需要。而由于本发明与利用非线性器件的倍频方法不同，在高频提取间隙7里激励THz电磁波的空间电荷波仍然是基波，因此本发明放大器电子效率应该与行波管或速调管等器件在一个数量级上。现在已知行波管或速调管等器件的电子效率在5％以上，因此我们的上述估计是完全合理的。

第四，作为本发明选择输入调制信号的一个实施例，可以选择输入调制信号在2～40GHz之间，同时相应改变上述放大器的结构或电气参数，并恒以压缩比为100估计，则上述放大器的工作能力可能覆盖0.2～4THz频带。

第五，作为本发明结构设计的一个实施例，本发明结构设计以不造成阴极1、第一阳极2和第二阳极3之间的极间电容过大为原则，则加在它们上面的脉冲信号不会变形，从而保证上述工作方式的实现。

第六，作为本发明聚焦系统6设计的一个实施例，本发明的设计以能够同时具有较大零散速度的电子束为目标。过去行波管和速调管的聚焦系统都是针对速度基本为相同的电子束设计的，但本发明放大器中的电子速度具有2倍甚至多倍数的分布，这对聚焦系统6的设计是个考验。根据现有技术，经过精心设计，同一个PPM聚焦系统可以同时聚焦速度零散0.85c～0.1c之间的电子束。但本发明需要能够对更大速度零散电子束进行聚焦的聚焦系统6。因此，若仅在现有技术条件下设计本发明所需的聚焦系统6，那么由于电子簇前后沿的速度差异不大，需要漂移段5的长度较长，致使本发明的尺寸较大。但是，这不影响本发明方法的可行性。本发明的尺寸的小型化可以依赖进一步的技术进步来实现。

最后需要说明一下，本发明需要高压脉冲电源为其供电，而这种电源在现有的技术条件下是可以获得的。根据我们的调查，目前高压脉冲发生器的种类及所达到的水平如表2。根据调查可知，采用MOSFET开关的Blemlein放电式脉冲发生技术可以用作本发明中加在阴极1与第一阳极2之间的短方波脉冲发生器以及加在第一阳极2和第二阳极3之间的短锯齿波脉冲发生器。

               表2  高压脉冲发生器的种类及目前所达到的水平

  发生器种  类  最大输出峰  值功率  最大平均  功率  输出脉冲宽  度  最大输出电  压  最高重复频  率  磁压缩式  100GW  100kW  10ns～1μs  400kV  200Hz  采用  20MW  20kW  10ns～100ns  100kV  10kHz  MOSFET开  关的  Blemlein  放电式  脉冲变压  器式  10MW  20kW  1μs～100μ  s  100kV  1kHz  级联式  10MW  20kW  1μs～1ms  100kV  20kHz