一种径向结构连续波太赫兹振荡器

摘要

本发明涉及一种径向结构连续波太赫兹振荡器，包括环状金属顶板、径向传输电子束、慢波结构、金属过渡波导内筒、金属过渡波导外筒、同轴输出波导和电磁线圈；径向传输电子束在沿着径向的均匀静磁场的引导下，通过与由环状金属顶板和慢波结构构成的高频互作用区发生相互作用，将电子束的动能转化为太赫兹频段的电磁波，最后径向传输电子束打到金属过渡波导内筒上被吸收，太赫兹频段电磁波通过由同轴波导传输出去。由于该器件采用径向结构，电子束的尺寸以及器件的整体结构尺寸变大，提高了器件的输出功率，降低了器件进行精细加工的难度。

说明书

技术领域

本发明属于连续波真空电子学太赫兹源技术领域，具体涉及一种工作在连 续波状态，输出频率大于0.1太赫兹、功率大于1瓦的太赫兹波段(太赫 兹,Terahertz,1THz＝10¹²Hz)电磁波的真空电子学器件设计方案。

背景技术

近年来太赫兹技术得到了巨大发展，具有一定功率输出的太赫兹源是太赫 兹技术应用的基础。基于真空电子学的太赫兹源能产生较高的输出功率，因此 国内外均大力开展真空电子学太赫兹源器件的研究，俄罗斯的应用物理研究所 开展了1THz回旋管的实验研究，产生了频率为1.03THz、输出功率为1kW的太 赫兹脉冲信号，日本的福田大学开展了太赫兹波段连续波回旋管的实验研究。 西北核技术研究所围绕过模表面波振荡器，在太赫兹波产生理论、数值模拟和 实验方面也开展了大量的研究工作，在CKP1000和CKP3000加速器上实验得到 了频率为0.14THz的太赫兹波输出，利用辐射远场功率密度积分法，实测功率 分别达到约2.6MW和5MW，并且初步开展了0.14THz同轴结构表面波振荡器的理 论研究工作。为了达到kW量级以上的输出功率，现阶段研制的回旋器件以及表 面波振荡器所需的外加引导磁场一般较大，需采用超导线圈产生强磁场对电子 束的运动进行约束，导致所研制的真空电子学太赫兹源所需外部设备非常庞大， 不利于真空电子学太赫兹源的普遍使用。

随着太赫兹技术以及微纳加工技术的发展，真空电子学太赫兹源的一个重 要发展方向为中小输出功率水平太赫兹源器件的研制，能用于医学成像以及探 测等研究领域。该类型太赫兹源所需要的电子束电压较低、电子束密度较小， 随着器件工作电压的降低以及电子束密度的减少，所需的外加约束磁场采用通 常使用的永磁体以及常温的螺旋线圈也能达到，因此整个太赫兹源的外部设备 得以简化，这对于器件的实用化具有非常重要的意义。由于真空电子学器件的 工作频率达到太赫兹频段时，器件横截面的电尺寸变小，导致电子束的传输尺 寸更小，器件的加工精度较难得到保证，传统的圆柱高频结构是在金属圆柱内 部刻周期性的慢波结构，当器件工作频率达到太赫兹波段时，槽的宽度以及深 度达到微米量级，较难加工出满足实验条件的高频慢波结构，采用过模形式的 高频结构可以降低加工的难度，但同时会导致器件的工作模式较难得到控制； 采用平板的慢波结构能降低太赫兹真空电子器件加工难度，同时提高输出功率， 研究人员开展了矩形慢波结构的太赫兹波段返波振荡器的数值模拟研究，但由 于带状电子注的不稳定性，只能产生宽度较窄、传输距离有限的带状电子注。

在已有文献中提出的电子束沿着径向正方向传输的器件中，采用的电子束 电压大于300kV，该器件只能工作在脉冲状态；器件所需要的径向引导磁场强度 大于4.0Tesla，不能采用永磁铁实现，需要采用体积庞大的超导线圈，导致外 部引导磁场较难设计；同时电子枪与高频互作用区连接在一起，不利于电子枪 的单独设计。

发明内容

为了降低太赫兹真空电子器件加工难度，同时提高电子束的稳定性，本发 明提供了一种径向结构连续波太赫兹振荡器。

本发明的具体技术方案如下：

一种径向结构连续波太赫兹振荡器，包括引导磁场产生装置、电子束产生 装置、高频结构及输出波导，所述引导磁场产生装置用于产生引导磁场，所述 输出波导包括内筒和外筒，

其特殊之处在于：所述高频结构包括相对设置的环状金属顶板和环状金属 底板，所述环状金属底板靠近环状金属顶板的面上设置有慢波结构，所述输出 波导设置在环状金属顶板和环状金属底板的中心处且与环状金属顶板和环状金 属底板垂直，输出波导的外筒与环状金属顶板相连接，输出波导的内筒与环状 金属底板相连接，环状金属顶板与环状金属底板之间的间隙及输出波导内筒与 输出波导外筒之间的间隙形成了束波通道，

所述电子束产生装置用于产生电子束，所产生的电子束在引导磁场的作用 下从环状金属顶板和环状金属底板的边缘沿着环状金属顶板和环状金属底板的 径向朝环状金属顶板和环状金属底板的中心传输。

以上为本发明的基本结构，基于该基本结构，本发明还做出以下优化限定：

本发明的太赫兹振荡器还包括金属过渡波导外筒与金属过渡波导内筒，所 述环状金属顶板与输出波导的外筒通过金属过渡波导外筒连接，所述环状金属 底板与输出波导的内筒通过金属过渡波导内筒连接，

所述金属过渡波导外筒与金属过渡波导内筒的内表面为圆锥形，开口大的 一端为大端，开口小的一端为小端，金属过渡波导外筒的大端与环状金属顶板 连接，金属过渡波导内筒的大端与环状金属底板连接。

本发明过渡波导的内筒作为电子束收集极，将动能转化为电磁波能量后的 电子束进行收集，同时将电子束在慢波结构区域激励的沿着径向传播的电磁波 转化为沿着轴线方向传播的电磁波，同时还起着连接高频结构以及输出波导的 作用。

由于高频结构是由金属底板和顶板构成，采用同轴结构的输出波导，内筒 与金属底板连接，外筒与金属顶板连接，方便器件的固定以及集成。

本发明引导磁场产生装置设置在高频结构的外侧，所述引导磁场产生装置 为电磁线圈或永磁铁。电磁线圈或永磁铁在慢波结构与环状金属顶板构成的高 频互作用区产生的沿径向磁场幅度在0.1Tesla到1.4Tesla之间。

外加引导磁场小于0.1Tesla时，不能很好的约束电子束，电子束会打到金 属底板的慢波结构上，造成装置的损坏，无法正常工作产生太赫兹波；引导磁 场大于1.4Tesla时，导致外部磁场的产生装置体积庞大，无法使得该装置得到 广泛使用，因此，本发明的磁场幅度在0.1Tesla到1.4Tesla之间

本发明电子束电压范围在1.0kV至50kV之间，电子束的电流密度范围在 5A/cm2至300A/cm2之间。电子束产生装置为电子枪。

本发明的太赫兹振荡器在正常工作时，电子束密度需要大于装置能产生太 赫兹波的电流阈值，当电子束密度小于5A/cm2时，装置无法正常工作产生太赫 兹波；而当电子束密度大于300A/cm2时，产生这样高密度的电子束，需要对 电子枪发射的电子束密度进行较大幅度的密度压缩，以提高电子束的密度，导 致电子枪的设计困难，同时电子束的束流品质变差，不利于降低装置的加工难 度以及提高装置的整体可靠性。

本发明高频结构及输出波导的材质为铜。

本发明具有的技术效果如下：

1、本发明径向结构连续波太赫兹振荡器，采用径向的高频结构能增加器件 的尺寸，在平板结构上加工周期性的慢波结构相对比较容易，同时电子枪产生 的电子束沿着径向反方向传输，电子束电流密度自动提高，有利于电子束在慢 波结构中激励太赫兹频段电磁波，其次电子枪与高频互作用结构分离，因此能 够采用辅助磁场设计出性能优良的电子枪。

2、本发明采用由热阴极产生的沿着径向反方向传输的电子束，与沿着径向 的高频互作用区发生非线性互作用，将电子地动能转化为太赫兹频段的电磁波 能量，该类器件能产生频率大于0.1太赫兹、输出功率大于1瓦的电磁波。

3、本发明研制的慢波结构采用径向结构，该结构能增加整个器件的结构尺 寸，从而提高器件的功率容量。

4、本发明研制的慢波结构采用平板金属上加工周期慢波结构，有利于提高 慢波结构的加工精度以及器件的装配。

5、本发明采用沿着径向反方向传输的电子束，在电子束传输的过程中，电 子束的密度不断的自动增加，从而克服电子束的密度较低时振荡器无法输出电 磁波的缺点。

6、本发明采用沿着径向反方向传输的电子束，热阴极的电子枪位于慢波结 构的外部，可以单独的进行设计，方便电子枪结构的设计以及整个器件的组装。

7、本发明所采用的电子束电压不高于50kV，低的工作电压能够减小振荡 器所需初级电压源的体积，有利于本发明的广泛使用。

8、本发明所采用的外加引导磁场不高于1.4Tesla，该引导磁场的幅度较 小，采用普通的线圈或永磁铁就能实现，从而克服产生高磁场所需庞大外部设 备的问题。

9、本发明提出的低电压径向振荡器还可以应用于其它太赫兹波频段的器件 研制。

附图说明

图1A为本发明太赫兹径向结构连续波振荡器的结构组成示意图；

图1B为本发明高频结构及输出波导部分的结构示意图；

图2为电子束宽度及位置示意图；

图3为本发明以0.34太赫兹径向结构连续波振荡器为实施例的结构慢波结 构示意图；

图4为本发明以0.34太赫兹径向结构连续波振荡器为实施例的过渡波段以 及输出端口的示意图；

图5为本发明以0.34太赫兹径向结构连续波振荡器为实施例的工作频率示 意图；

图6为本发明以0.34太赫兹径向结构连续波振荡器为实施例的输出功率示 意图；

附图标记为：1、环状金属顶板；2、径向传输电子束；3、环状金属底板、 31-慢波结构；4、金属过渡波导内筒；5、金属过渡波导外筒；6、同轴输出波 导外筒；7、同轴输出波导内筒；8、外部电磁线圈。

具体实施方式

本发明设计了一种低电压情况下工作的径向结构连续波太赫兹振荡器，在 器件中采用沿着径向反方向传输的电子注以及沿着径向的轴对称平板高频结 构，器件能在太赫兹波段以连续波工作状态产生频率大于0.1太赫兹、输出功 率大于1瓦的电磁波。以0.34太赫兹连续电磁波的产生为本发明的实施例，采 用本方案设计了低电压、低磁场情况下工作频率为0.34太赫兹的径向结构振荡 器，该器件能在外加引导磁场为0.7Tesla时，产生40瓦的输出功率。

如图1A-1B所示，本发明以0.34太赫兹径向结构连续波振荡器由环状金属 顶板1、径向传输电子束2、环状金属底板3、慢波结构31、金属过渡波导内筒 4、金属过渡波导外筒5、同轴输出波导外筒6、同轴输出波导内筒7和外部电 磁线圈8组成，所有金属材料的材质均为电导率较高的铜，所引入的欧姆损耗 较小，高频金属顶板1与慢波结构31构成径向振荡器的高频互作用区，外部电 磁线圈8产生沿着径向的均匀磁场，径向传输电子束2在该外部磁场的引导下 与高频慢波结构发生非线性的波-束相互作用，产生0.34太赫兹的电磁波，产 生的太赫兹频段电磁波经由同轴输出波导外筒6和同轴输出波导内筒7构成的 传输波导沿着轴向输出，给出能量的径向传输电子束2最后打在金属过渡波导 内筒4上被吸收，

图2所示为电子束宽度及位置示意图；径向传输电子束3的电流大小为5A， 能量为20千电子伏，电子束沿着轴向的宽度h2为0.1mm，电子束左边的位置距 离慢波结构31顶部的长度h1为0.5mm，电子束沿轴线方向的中心位置距环状金 属顶板1的长度为1.27mm，外部电磁线圈8产生沿径向的均匀磁场为0.7Tesla。

图3为本发明的径向高频互作用区的示意图，径向高频互作用区包括慢波 结构31以及环状金属顶板1，慢波结构31的周期数目为40个，慢波结构31中 每一个周期的长度R2为0.12mm，慢波结构开槽的宽度R1为0.06mm，慢波结构 开槽的深度L1为0.18mm，慢波结构31的顶部距离环状金属顶板1的长度L2 为1.92mm，慢波结构31的底部距离对环状金属顶板1的长度L3为2.0mm。

图4为本发明的过渡波导以及输出波导的示意图，过渡波导外筒5沿轴线 方向的长度L5为7.7mm，沿着径向方向的长度R3为3.9mm，左端口与环状金属 顶板1相连接；右端口与同轴输出波导外筒6相连接，同轴波导输出端口外筒6 的半径R6为1.0mm，沿着轴线方向的长度L6为1.5mm。过渡波导内筒4沿轴线 方向的长度L4为0.82mm，沿着径向方向的长度R4为0.6mm，左端口与环状金 属底板3相连接；右端口与同轴输出波导内筒7相连接，同轴波导输出端口内 筒7的半径R5为0.2mm，沿着轴线方向的长度L7为3.0mm。

图5和图6为采用粒子模拟软件仿真的本发明实施例的计算结果，本发明实 施例的计算模型如图1所示，图5表明本发明实施例的器件结构能产生频率为 0.34太赫兹的电磁波，图6表明本发明实施例的器件结构能产生40瓦的输出功 率。