CN101364517A - 一种太赫兹波辐射源 - Google Patents

Abstract

一种太赫兹波辐射源，属于太赫兹波技术领域。基本结构包括微波源、连接波导和太赫兹波发生器。所述的太赫兹波发生器工作在管内真空状态，主要包括发射电子的阴极、聚焦电极、微波输入波导、微波谐振腔、电子束漂移群聚管、引出电极、厚膜电容、薄膜辐射天线、电子束聚焦磁体和极靴。本发明具有结构简单、输出功率和效率远远超过当前已有的太赫兹波辐射源、适合规模化生产，在材料检测、人体成像、成份分析等领域有广泛的应用前景。

Description

一种太赫兹波辐射源

技术领域：

本发明为一种新型太赫兹波辐射源，属于太赫兹波技术领域。

背景技术：

太赫兹波(THz)泛指频率300GHz(300兆吉兹)到10THz范围的电磁波，是一个基本未被利用的频段。THz波的研究开发近年来进展很快，其潜在应用非常广泛，包括雷达、通信、材料检测、毒品探测、人体成像、以及广泛的军事应用等。在材料检测和人体成像方面，与X射线相比有一些独特的优点，如基本无伤害、对人体组织和毒品等有机物的敏感程度与X射线有较大差别，可以得到完全不同的图像，加之体积小、重量轻、功耗小等特点，为便携式探测仪提供了一个很有效的解决方案。THz波成像中，当频率为300GHz到1THz之间时，波长从1mm到0.3mm，探测器像素也可达到这一数值，这显然是一个适合多种场合应用的非常标准的分辨率。

THz波研究包括许多方面，但最难的是发射源的研制。当前THz波的产生包括光学方法和电子学方法两大类，光学方法又包括脉冲THz波和连续THz波两类。光学脉冲型THz波的产生方法是将超短光脉冲转换为相应的电脉冲，主要包括超短光脉冲光导开关、非线性光学材料产生的光整流、超短光脉冲与金属等离子表面波相互作用等。光学连续THz波的产生方法主要包括量子级连激光器和双频激光差频产生。光脉冲产生THz波方法的主要缺点是效率太低，一般低于10^-5，只能产生微瓦级功率，而且所需的激光器体积庞大，价格昂贵。由于功率太小，探测器带宽一般在Hz量级，完成一幅标准VGA图像最长需要数十小时时间，难以用于人体成像。同时超短光脉冲发生器还存在设备复杂、体积大等问题，难以得到广泛的实际应用。量子级连激光器虽然可以产生百毫瓦以上的功率，但需要10K左右的超低温，限制了其广泛应用。同时连续THz波的应用领域远也不如脉冲型THz波。

在电子学方面，已知可能的THz波源包括回旋管器件、反波管器件、自由电子激光和同步辐射环等，都只能用于连续THz波的产生。利用回旋管可以产生较高的功率，但磁场高达数十特斯拉，导致器件庞大，需要超高电压高并伴有射线辐射，应用领域受到限制，到目前为止实际也只有100GHz的器件被研究出来。返波管频率已经达到1THz以上，但输出功率小于2mW，也存在体积重量等问题。自由电子激光和同步辐射环都可以用于THz波的产生，但同样是体积、重量、射线辐射等因素限制了其应用范围。

输出功率百毫瓦到数瓦，重量几千克以内，尺寸厘米到分米范围的辐射源是THz波在材料探测和人体成像方面得到广泛实际应用的前提。

与光学器件相比，产生频率从0.3到1THz的电磁波，真空电子器件有独特的优势，当前存的核心问题是如何实现适合便携设备的高效小功率器件。近年来国外提出了多种真空电子管THz波发生器方案，包括纳米速调管、折叠波导行波管、光子晶体反射速调管、介质慢波行波管等。这些器件都基本停留在方案论证和低频模拟阶段。美国密歇根大学提出的折叠波导行波管，采用X射线深度光刻和电铸方法制备了折叠波导，光洁度在200纳米量级，尚不能满足THz波的需要。类似的结构韩国汉城大学采用深度刻蚀的方法制备了折叠波导，加工精度还达不到电铸水平。韩国汉城大学提出的光子晶体反射速调管也只是制备了相应的光子晶体。至于纳米速调管、介质慢波行波管基本都在概念阶段，没有实质性进展，或只进行了1/10左右频率的模拟管初步研究。

对已经提出的各类真空电子管方案，我们进行了全面分析，得出的结论是：上述各类方案都存在致命问题而无法真正实现。对于反射速调管，简单的计算可知，当频率达到1THz，腔电压500伏特时，谐振腔中电极间距最大只允许为6微米，导致加工极其困难，而要实现2^3/4模工作，反射电场却需要高达4×10⁴伏特/毫米，即使是反射电极和谐振腔体之间间距只有50微米，电压也要高达2000伏特。从原理上讲，增大工作模式，反射电场会按比例降低。对于只有6微米电极间距的谐振腔，模式数增大将导致大部分电子返回不到谐振腔里，效率和输出功率将大为降低。对于折叠波导行波管方案，由于银的趋肤深度在1THz时只有64纳米，光洁度必需要高于该值，当前的加工方法基本不可能实现。当阴极电压为—10000伏特时，为了使得电子在半个周期内穿过波导，波导窄边必需小于30微米，而波导的宽边一般为200微米左右，即使使用绝对光洁的银作为波导壁，这样的宽窄边比也将导致波导损耗高达0.33dB/mm，考虑加工光洁度问题，损耗至少达到0.5dB/mm，对于5厘米的波导长度，损耗至少25dB，与增益相当，基本没有放大。至于介质慢波行波管，加工和电荷积累等问题都将成为难以克服的障碍。

发明内容：

针对已有THz辐射源存在的问题，在分析已经提出的各种THz波真空管结构的基础上，本发明提出一种全新方案。该方案的基本原理是，采用工作在较低频率下的微波谐振腔上的电压调制电子束，经过适当的群聚得到短电流脉冲，再用该脉冲电子束激发微波天线，得到短脉冲电磁波输出。

适当的调整器件结构和施加的电压，使电子束中的电流脉冲宽度小于谐振腔中微波周期的1/10。100GHz的微波，就可以产生1ps的电流脉冲，得到相应的电磁波辐射，进入THz波段。由于微波谐振腔是工作在较低的频率下，因此器件的尺寸相应增大，加工精度降低，当前的机械加工精度就可以满足要求。

本发明的太赫兹波辐射源，由微波源、连接波导和太赫兹波发生器组成。所述的太赫兹波发生器工作在管内真空状态，是由发射电子的阴极、聚焦电极、微波输入波导、微波谐振腔、电子束漂移群聚管、引出电极、薄膜辐射天线、厚膜电容、电子束聚焦磁体和极靴等组成。发射电子的阴极可以是热阴极、光阴极和场发射冷阴极等。厚膜电容和薄膜辐射天线设置在太赫兹波发生器真空封装金属壳体外面，引出电极连接到薄膜辐射天线的中心点上，其内表面还可以沉积二次电子发射材料，利用二次电子增大THz波辐射。厚膜电容的一个电极为太赫兹波发生器金属外壳，另一个电极为辐射天线，电容中的极间介质一般采用介电常数低的有机材料。厚膜电容和薄膜辐射天线应该在THz波发生器腔体封装和排气后制备，以免封接高温导致其被破坏。微波谐振腔采用重入腔结构，尺寸与输入微波频率直接相关。工作时谐振腔体接地电位，阴极和聚焦极加负电压，辐射天线接地或施加高于阴极电压低的负电压。

本发明中所用的微波源输出功率1瓦左右，因此可以采用固态微波源。微波源与THz波发生器之间的连接波导可以采用空心金属波导，也可采用同轴线。

本发明中涉及到的名词对于真空电子学领域的技术人员应该是非常熟悉的，没有特殊难以理解的，也无需特殊说明。本发明中的各种尺寸与工作时的微波频率有关，这点对从事真空电子学的技术人员来说，是基本常识，因此除了实施例外，不必给出具体尺寸。

以下详细解释本发明与已有技术相比的突出技术效果。

从本质上讲，本发明属于电子学THz波发生器，但产生的波为短脉冲形式，这点又与光学方法类似，因此是非常独特的。在电子学方法中，一般产生的是连续波或宽脉冲调制的正旋波，到目前为止只有返波管可以产生进入THz范围的波，而输出功率不到2毫瓦，用途非常有限。由于一般的电子学方法尚不能产生真正的THz波，因此根本无法与本发明进行比较。

与已有的光学方法相比，本发明的最突出特点是产生的THz波功率大，平均功率最大可以达到瓦级。已有的光学方法产生的THz短脉冲平均功率不过40微瓦，不到本发明的万分之一。就产生效率而言，本发明整体效率超过0.1％，甚至超过1％，而一般光学方法为百万分之一左右，最高不到十万分之一。用光学方法产生脉冲THz波，需要飞秒激光器，体积非常庞大，长度甚至超过1米，基本不能用于便携设备，加之飞秒激光器价格非常昂贵，严重限制了其实际应用。当用于成像时，采用光学方法THz辐射源，扫描一幅图像需要几乎一天时间，即使输出功率达到40微瓦，扫描一幅图像也需要近半小时。而采用本发明的THz辐射源，一幅图像只需要不到1/25秒，因此可以实现实时动态成像。实际上，平均输出功率只要达到100毫瓦，就可以实现动态实时成像，因此本发明的功率冗余是非常大的。

附图说明：

图1为本发明的总体结构图。

图2为本发明的THz波发生器沿轴线的剖面结构图。

图3为一种薄膜辐射天线结构。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的实施方式。

图2表示本发明中核心部分的THz波发生器剖面结构图，主要包括发射电子的阴极20、聚焦电极21、微波输入波导22、微波谐振腔23、电子束漂移群聚管24、引出电极25、厚膜电容26、薄膜辐射天线27、电子束聚焦磁体和极靴28。其中厚膜电容的一个电极为接地的THz波发射器金属外壳，另一个电极为薄膜辐射天线。有一些附件，如微型真空泵、消气剂等真空电子器件中的必备零件都没有表示在图中，同时为了不过分繁杂，图中有些部分也未标识出，这些对于从事真空电子学的技术人员来说，很容易理解。

以下以具体例子进一步阐述本发明。

实施例1：微波源输出功率为1瓦，频率为30GHz，通过空心金属波导输入到THz波发生器的谐振腔中。阴极采用氧化物热阴极，聚焦极电位相对于阴极为负。微波谐振腔采用重入腔结构，由无氧铜加工而成。电子束漂移群聚孔直径0.4毫米，鼻锥间距为0.4毫米，鼻锥后面的漂移管长度为3毫米。薄膜辐射天线用钛—金复合薄膜制成，厚度为300纳米。厚膜电容中介质层为聚酰亚胺，厚度为50微米。阴极加—1500伏特的电压，阴极发射的总电流为3毫安，天线上加—750伏特电压，得到THz波辐射平均功率300毫瓦。

实施例2：微波源功率为1瓦，频率为30GHz，通过同轴线输入到THz波发生器的谐振腔中。阴极采用覆膜钡钨热阴极，聚焦极电位相对于阴极为负。微波谐振腔采用重入腔结构，由无氧铜加工而成。电子束漂移群聚孔直径0.4毫米，鼻锥间距为0.4毫米，鼻锥后面的漂移管长度为4毫米。薄膜辐射天线用钛—金复合薄膜制成，厚度为300纳米。厚膜电容中介质层为聚酰亚胺，厚度为50微米。阴极加—1500伏特的电压，阴极发射的总电流为3毫安，天线上加—750伏特电压，得到THz波辐射平均功率300毫瓦。

实施例3：微波源输出功率为0.8瓦，频率为40GHz，通过空心波导输入到THz波发生器的谐振腔中。阴极采用微尖型场发射冷阴极，聚焦极电位相对于阴极为负。微波谐振腔采用重入腔结构，由无氧铜加工而成。电子束漂移群聚孔直径0.3毫米，鼻锥间距为0.3毫米，鼻锥后面的漂移管长度为2.5毫米。薄膜辐射天线用钛—金复合薄膜制成，厚度为300纳米。厚膜电容中介质层为聚酰亚胺，厚度为40微米。阴极加—1500伏特的电压，阴极发射的总电流为2毫安，天线上加—750伏特电压，得到THz波辐射平均功率120毫瓦。

Claims (6)

1.一种太赫兹波辐射源，其特征在于：该器件由微波源10、连接波导11和太赫兹波发生器12组成，所述的太赫兹波发生器工作在管内真空状态，主要包括发射电子的阴极20、聚焦电极21、微波输入波导22、微波谐振腔23、电子束漂移群聚管24、引出电极25、厚膜电容26、薄膜辐射天线27、电子束聚焦磁体和极靴28。

2.根据权利要求1所述的太赫兹波发生器，其特征在于：厚膜电容和薄膜辐射天线设置在太赫兹发生器真空封装金属壳体外面，薄膜辐射天线中心点与引出电极相连。

3.根据权利要求1所述的太赫兹波发生器，其特征在于：所述的引出电极内表面沉积有二次电子发射薄膜材料。

4.根据权利要求1所述的太赫兹波发生器，其特征在于：所述的厚膜电容中一个电极为太赫兹波发生器金属外壳，另一个电极为薄膜辐射天线。

5.根据权利要求1所述的太赫兹波发生器，其特征在于：微波输入波导可采用金属空心波导，也可采用同轴线。

6.根据权利要求1所述的太赫兹波发生器，其特征在于：工作时微波谐振腔的腔体接地电位，阴极和聚焦极加负电压，薄膜辐射天线接地或施加高于阴极电压的负电压。

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