CN103632908A - 太赫兹回旋管 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太赫兹回旋管。该太赫兹回旋管包括：电子枪阴极；导引磁场，设置于所述带状电子注传输空间的外围；板状互作用结构，设置于所述导引磁场的内侧，为横向板状结构，其垂直于z轴方向的两侧开口；以及收集极，与带状电子枪的阴极相对设置；其中，所述电子枪阴极产生x轴方向的带状电子注，该带状电子注在所述导引磁场所产生的z轴方向磁场的作用下，沿z轴方向传输；该带状电子注在所述板状互作用结构中实现注-波互作用，产生THz电磁辐射，并从所述板状互作用结构的两侧开口向外辐射。本发明采用开放式板状互作用结构，不仅互作用结构尺寸可以增大，而且还可以兼顾带状注电子枪的优点，从而使太赫兹回旋管的输出功率大大增加。

Description

太赫兹回旋管

技术领域

本发明涉及太赫兹(THz)源技术领域，尤其涉及一种太赫兹回旋管。

背景技术

太赫兹(Terahertz，THz)辐射波是频率处在0.1THz-10THz(1THz＝10¹²Hz)之间的电磁波，位于发展相对成熟的微波毫米波与远红外光波之间，其独特的波长特性使得该波段在生物、环境、化学、医疗等民用领域和高精度雷达、探测等军事领域有重要的应用价值，THz技术也成为研究的热点，目前最大的困难是THz辐射源功率太低，难以满足要求。因此寻求有效方法、探索新机理发展高性能的THz波辐射源是十分必要的，对促进THz波在军事和民用两方面的应用具有重要的战略意义。

电子回旋脉塞是基于相对论效应，经由在静磁场中回旋的电子注所产生的受激辐射现象。基于电子回旋脉射原理发展的回旋管，利用电子在磁场中回旋频率的变化以及电子的相对论质量效应产生相对论角向群聚，实现电子与电磁波的能量交换，从而在毫米波段产生高功率电磁波辐射，可广泛应用在等离子体加热、先进雷达、粒子加速、材料处理、太空碎片探测等方面。

图1为现有技术基于电子回旋脉塞原理的回旋管的结构示意图。如图1所示，电子枪阴极1产生的回旋电子注5，在磁场系统6导引下在互作用高频结构即谐振腔2相互作用产生毫米波，并由于电子枪阴极1相对设置的输出窗3输出，作用后的电子注被电子注传播方向两侧的收集极4收集。该器件的特点是由噪声起振产生毫米波，工作频率与磁感应强度和高频结构参数有关，优点是不需要外加激励信号，能够在毫米波产生高功率输出。然而，如图1所示的回旋管在1THz输出功率在几个kW量级，远远不能满足应用的需要。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种太赫兹回旋管，以提高电子管在THz波段的输出功率。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种太赫兹回旋管。该太赫兹回旋管包括：电子枪阴极；导引磁场，设置于所述带状电子注传输空间的外围；板状互作用结构，设置于所述导引磁场的内侧，为横向板状结构，其垂直于z轴方向的两侧开口；以及收集极，与带状电子枪的阴极相对设置；其中，所述电子枪阴极产生沿x轴方向延伸的带状电子注，该带状电子注在所述导引磁场所产生的z轴方向磁场的作用下，沿z轴方向传输；该带状电子注在所述板状互作用结构中实现注-波互作用，产生THz电磁辐射，并从所述板状互作用结构的两侧开口向外辐射；进行注-波互作用后的带状电子注被所述收集极(4)收集俘获。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明太赫兹回旋管具有以下有益效果：

(1)采用开放式板状互作用结构，不仅互作用结构尺寸可以增大，而且还可以兼顾带状注电子枪的优点，从而使太赫兹回旋管的输出功率大大增加；

(2)在平板结构互作电路前增加了输入结构，该输入结构可以对电子束进行预调制，还可进行模式选择，使工作模式通过，抑制竞争模式，使它不起振，从而使太赫兹回旋管的输出功率进一步增大。

附图说明

图1为现有技术回旋管的结构示意图；

图2为本发明第一实施例太赫兹回旋管的结构示意图；

图3为图2所示太赫兹回旋管中高频互作用结构的示意图；

图4为本发明第二实施例太赫兹回旋管的结构示意图。

【符号说明】

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

本发明提供了一种太赫兹回旋管，其互作用结构有别于常规的互作用结构(一般是圆柱型开放腔、同轴腔)，而是一种板状结构。这种板状互作用结构在X轴上是开路的，以方便电磁辐射能量横向提取；在z方向上板状结构两端截止。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种太赫兹回旋管。如图2所示，本实施例太赫兹回旋管包括：电子枪阴极1，其产生z方向的带状电子注8，该带状电子注8从阳极7中部的阳极孔射出，向前方射出；导引磁场6，设置于带状电子注传输空间的外围，用于产生沿z轴方向的磁场，如图3中12所示，对该带状电子注8的传输方向进行导引，使其沿z轴方向传输，如图3中13所示；板状互作用结构9，设置于导引磁场的内侧，为横向板状结构，其垂直于z轴方向的两侧(沿x轴方向)开口，受导引磁场作用的带状电子注8，在该板状互作用结构9中基于电子回旋脉塞原理实现注-波互作用，产生THz电磁辐射，并从该板状互作用结构9的两侧开口向外辐射；收集极4，与带状电子枪的阴极相对设置，用于收集俘获与板状互作用结构9中进行注-波互作用后的电子注。

以下分别对本实施例太赫兹回旋管的各个组成部分进行详细说明。

本实施例中，电子枪为带状注电子枪，可以采用小轨道(电子回旋半径远远小于互作用结构半径)磁控式注入电子枪和大轨道(电子回旋半径等于互作用半径)CUSP(会切)电子枪，只要满足相应的发射条件即可。

图3为图2所示太赫兹回旋管中板状互作用结构的示意图。请参照图3，板状互作用结构包括相对设置的两块板状物。每一板状物由金属材料，如无氧铜、不锈钢构成，包括：中间本体部、前缓冲部和后缓冲部。

其中，本体部为一平板。前缓冲部连接于本体部沿z方向的前端，为一朝向内侧的平板。后缓冲部连接于中间本体部沿z方向的后端，为一朝向内侧的平板。所述两板状物的前缓冲部的间距d由工作模式THz波的波长λ决定。

0.5λ≤d≤50λ    (1)

本实施例中，该中间本体部、前缓冲部和后缓冲部为一整块平板经弯折而形成。本领域技术人员应当清楚，该三部分也可以通过焊接连接在一起。并且，本体部和前/后缓冲部之间也可以呈弧状平滑连接，后缓冲部并不是本发明所必须的。

由于两板状物的间距d满足上述条件，电子注通过方向即z向对高频THz波截止，而产生的高频THz波11从垂直于电子注行进方向即x轴方向输出，并且工作模式之外的竞争模式抑制。而注-波互作用后的电子注沿磁场方向12行进，最终被收集极收集俘获。

本实施例中，板状物为z方向的渐变结构，但本发明并不以此为限。在本发明的其他实施例中，该板状物也可以为平板，但两平板之间的距离仍应当满足公式(1)。

至此，本实施例太赫兹回旋管介绍完毕。

在本发明的另一个示例性实施例中，还提供了另一种太赫兹回旋管。请参照图4，该太赫兹回旋管与实施例一大体类似，区别仅在于在电子枪阴极的后端设置输入结构10。

该输入结构10由输入信号控制，用于对电子枪阴极1发射的带状电子注的相位进行调制，使该带状电子注的相位处于输出THz波的减速相位，使两者能够更好相互作用，提高能量转换效率。

本实施例中，通过该输入结构调制后的电子注群聚更好，其通过平板高频结构进行注-波互作用后，将大部分能量交给THz波，从而使输出THz的功率更大。

至此，本实施例太赫兹回旋管介绍完毕。

上文已经结合附图对本发明两实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明太赫兹回旋管有了清楚的认识。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。

综上所述，本发明提供一种太赫兹回旋管。该太赫兹回旋管由于采用开放式平板结构的互作用结构，板状互作用结构可以增大，从而可以大幅度提高其输出功率，在亚毫米波段乃至太赫兹波段获得百/千瓦量级的功率水平。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太赫兹回旋管，其特征在于，包括：

电子枪阴极(1)；

导引磁场(6)，设置于所述带状电子注传输空间的外围；

板状互作用结构(9)，设置于所述导引磁场的内侧，为横向板状结构，其垂直于z轴方向的两侧开口；以及

收集极(4)，与带状电子枪的阴极相对设置；

其中，所述电子枪阴极(1)产生沿x轴方向延伸的带状电子注，该带状电子注在所述导引磁场(6)所产生的z轴方向磁场的作用下，沿z轴方向传输；该带状电子注在所述板状互作用结构(9)中实现注-波互作用，产生THz电磁辐射，并从所述板状互作用结构(9)的两侧开口向外辐射；进行注-波互作用后的带状电子注被所述收集极(4)收集俘获。

2.根据权利要求1所述的太赫兹回旋管，其特征在于，所述板状互作用结构(9)包括相对设置的两板状物，该板状物的材料为金属材料。

3.根据权利要求2所述的太赫兹回旋管，其特征在于，所述板状物为平板或z方向渐变结构。

4.根据权利要求3所述的太赫兹回旋管，其特征在于，两所述平板的间距d满足：

0.5λ≤d≤50λ

其中，λ为工作模式THz波的波长。

5.根据权利要求3所述的太赫兹回旋管，其特征在于，所述板状物为z方向渐变结构，包括：

中间本体部，为一平板；以及

前缓冲部，连接于所述中间本体部沿z方向的前端，为朝向内侧的平板；

两板状物的所述前缓冲部沿z方向前端的间距d满足：0.5λ≤d≤50λ，其中，λ为工作模式THz波的波长。

6.根据权利要求5所述的太赫兹回旋管，其特征在于，所述板状物还包括：

后缓冲部，连接于所述中间本体部沿z方向的后端，为朝向内侧的平板。

7.根据权利要求6所述的太赫兹回旋管，其特征在于，所述中间本体部、前缓冲部和后缓冲部为一整块平板经弯折而形成。

8.根据权利要求6所述的太赫兹回旋管，其特征在于，所述前/后缓冲部与所述中间本体部焊接固定。

9.根据权利要求2所述的太赫兹回旋管，其特征在于，所述金属材料为无氧铜或不锈钢。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的太赫兹回旋管，其特征在于，还包括：

输入结构(10)，对电子枪阴极(1)发射的带状电子注的相位进行调制，使该带状电子注的相位处于输出THz波的减速相位。

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