CN104901145A - 一种连续波太赫兹表面波振荡器 - Google Patents

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王建国
陈再高
王光强
王玥
程国新
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Abstract

本发明属于连续波真空电子学太赫兹源技术领域，具体涉及一种连续波太赫兹表面波振荡器，包括金属内导体、外管体和外部磁体；所述金属内导体为圆柱形，通过支撑装置与所述外管体构成同轴结构；所述外管体包括依次连接的同轴波导结构外筒、金属慢波结构外筒、过渡波导外筒和波导输出端口外筒。本发明提供的同轴结构表面波振荡器，可以产生频率大于0.1太赫兹、功率大于1瓦的太赫兹波段电磁波，填补了同轴结构的切伦科夫器件在低电压、低磁场情况下的太赫兹源器件技术空白。

Description

一种连续波太赫兹表面波振荡器
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，具体涉及一种连续波太赫兹表面波振荡器。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1～10THz范围内的电磁波(太赫兹，Terahertz，1THz＝1012Hz)。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。为了达到千瓦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等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，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。国内外采用低电压带状电子注，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，现阶段对带状电子注的研究还不成熟。
与本发明相似的一类器件为产生高功率微波的同轴结构相对论返波管，工作频率低于0.1太赫兹，电子束采用冷阴极发射，电子束电压为数百千伏，该类器件工作在返波状态，用于产生脉冲形式的高功率微波；这类器件由于产生的输出功率高，需要在脉冲状态下工作，外部设备非常庞大，不利于装置的广泛使用。
发明内容
本发明目的是提供一种新型的同轴结构表面波振荡器，可以在低电压、低磁场条件下产生太赫兹频段连续电磁波，外部设备得以简化，有利于装置的广泛使用。
本发明的技术解决方案是：本发明提供的连续波太赫兹表面波振荡器，包括金属内导体、外管体和外部磁体；所述金属内导体4通过支撑装置与所述外管体构成同轴结构；所述外管体包括依次连接的同轴波导结构外筒1、金属慢波结构外筒2、过渡波导外筒5和波导输出端口外筒6；所述同轴波导结构外筒1和金属内导体4的一端构成注入波端口；所述波导输出端口外筒6和金属内导体4的另一端构成输出端口；所述输出端口采用介质密封；所述注入波端口用于引入环形电子束；所述过渡波导外筒5为内径逐渐扩大的喇叭口状结构，与金属内导体4构成过渡波导段。所述外部磁体7包覆于金属慢波结构外筒2上。本发明能在低电压、低磁场条件下产生频率大于0.1太赫兹、功率大于1瓦的电磁波。
上述外部磁体为常温电磁线圈或永磁体，产生的磁场强度在0.3Tesla至1.4Tesla之间。该引导磁场的幅度较小，克服了高磁场条件下外部磁场产生设备庞大的问题。
注入波端口引入的环形电子束是由热阴极发射的，并经过磁绝缘压缩，电压工作范围在5kV至50kV之间，电子束的密度范围在20A/cm2至300A/cm2之间。进行磁绝缘压缩可提高电子束的电流密度。低的工作电压能够减小表面波振荡器所需初级电压源的体积，有利于本发明的广泛使用。
上述金属内导体4为圆柱形，表面光滑，加工方便。
上述支撑装置包括设置在金属内导体4两端的支撑杆，可以降低重力及加工误差等因素对使用效果的影响；所述支撑杆采用表面覆盖石墨的金属杆，可以减少支撑杆导致的回波损耗以及对电子束传输的影响。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供的同轴结构表面波振荡器，可以产生频率大于0.1太赫兹、功率大于1瓦的太赫兹波段电磁波，填补了同轴结构的切伦科夫器件在低电压、低磁场情况下的太赫兹源器件技术空白。
(2)本发明所用的外加引导磁场低于1.4Tesla，采用普通的电磁线圈或永磁体即可实现，外部设备得到大幅简化，小型化的整体设备应用范围更加广泛。
(3)本发明使用热阴极发射的环形电子束，电子束稳定性高，进行磁绝缘压缩能进一步提高电流密度。电子束电压低于50kV，低的工作电压能够减小表面波振荡器所需初级电压源的体积，进一步提高了本发明的应用范围。
(4)本发明只在外管体内壁开设矩形慢波槽，而内导体为表面光滑的圆柱体，对设备的加工制造要求低，降低了加工成本和难度，有利于本发明的推广应用。
(5)本发明研制的慢波结构系统采用同轴结构，该结构能同时增加同轴线的内外半径，从而提高器件的功率容量，同时使得电子束的横截面变大，有利于提高整个器件的输出功率，也有利于提高慢波结构加工的精度以及器件的装配。
(6)本发明使用支撑装置对金属内导体进行同轴固定，可以降低重力及加工误差等因素对使用效果的影响。同时，支撑杆采用表面包覆石墨的金属杆可以减少支撑杆导致的回波损耗以及对电子束传输的影响。
(7)本发明的外管体和内导体均为铜材质，导电率高，所引入的欧姆损耗较小。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的剖面结构示意图；
图2为本发明较佳实施例慢波结构的剖面示意图；
图3为本发明较佳实施例过渡波导段及输出端口结构剖面示意图；
图4为本发明较佳实施例的工作频率示意图；
图5为本发明较佳实施例的输出功率示意图。
附图标记如下：1-同轴波导结构外筒；2-金属慢波结构外筒；3-环形电子束；4-金属内导体；5-过渡波导外筒；6-波导输出端口外筒；7-外部磁体。
具体实施方式
图1给出了本发明较佳实施例的半剖面结构，它是由金属内导体4、外管体和外部磁体7组成的。金属内导体4为圆柱形，通过支撑装置与外管体构成同轴结构。外管体包括依次连接的同轴波导结构外筒1、金属慢波结构外筒2、过渡波导外筒5和波导输出端口外筒6。同轴波导结构外筒1和金属内导体4的一端构成注入波端口，波导输出端口外筒6和金属内导体4的另一端构成输出端口，输出端口采用介质密封，注入波端口用于引入低能量环形电子束以及从金属慢波结构2区域传输电磁波的反射。金属慢波结构外筒2和金属内导体4构成慢波结构系统。环形电子束3在外部磁体7产生的磁场的引导下，与慢波结构系统发生非线性的波-束相互作用。过渡波导外筒5为内径逐渐扩大的喇叭口状结构，与金属内导体4构成过渡波导段。给出能量的环形电子束3最后打在过渡波导外筒5上被吸收，产生的太赫兹电磁波则由波导输出端口外筒6和金属内导体4构成的输出端口输出。
环形电子束3的电流大小为5A，能量为20千电子伏，电子束的内外半径分别为3.93mm和3.83mm，电子束的外半径距离慢波结构底部的距离为0.07mm，外部电磁线圈(7)产生的引导磁场为0.7Tesla。
参见图2，本发明较佳实施例同轴慢波结构包括金属慢波结构2以及同轴线金属内导体4，金属慢波结构2的周期数目为40个，金属慢波结构2沿着轴线方向的起始位置为4.0mm，每一个周期的长度L1为0.12mm，慢波结构开槽的宽度L2为0.06mm，同轴线金属内导体4距对称轴的距离R1为2.5mm，金属慢波结构2底部距离对称轴的距离R2为4.0mm，开槽的顶部距对称轴的距离R3为4.18mm。
参见图3，本发明较佳实施例的同轴过渡波导外筒5沿轴线方向的起始位置为7.7mm，沿着轴线方向的长度L3为3.9mm，左端口的半径R2为4.0mm，与慢波结构相连接；右端口的半径R4为4.2mm，与同轴波导输出端口外筒6相连接，同轴波导输出端口外筒6的半径R4为4.2mm，沿着轴线方向的长度L4为1.0mm。
图4和图5为采用粒子模拟软件仿真的本发明较佳实施例的计算结果，图4表明本发明较佳实施例的器件结构能产生频率为0.34太赫兹的电磁波，图5表明本发明较佳实施例的器件结构能产生260瓦的输出功率。

Claims (9)

1.一种连续波太赫兹表面波振荡器，其特征在于：
包括金属内导体(4)、外管体和外部磁体(7)；
所述金属内导体(4)通过支撑装置与所述外管体构成同轴结构；
所述外管体包括依次连接的同轴波导结构外筒(1)、金属慢波结构外筒(2)、过渡波导外筒(5)和波导输出端口外筒(6)；
所述同轴波导结构外筒(1)和金属内导体(4)的一端构成注入波端口；所述波导输出端口外筒(6)和金属内导体(4)的另一端构成输出端口；所述输出端口采用介质密封；所述注入波端口用于引入环形电子束；
所述金属慢波结构外筒(2)、金属内导体(4)构成慢波结构系统；
所述过渡波导外筒(5)为内径逐渐扩大的喇叭口状结构，与金属内导体(4)构成过渡波导段；
所述外部磁体(7)包覆于金属慢波结构外筒(2)上。
2.根据权利要求1所述的连续波太赫兹表面波振荡器，其特征在于：所述外部磁体为常温电磁线圈或永磁体。
3.根据权利要求2所述的连续波太赫兹表面波振荡器，其特征在于：所述外部磁体产生的磁场强度在0.3Tesla至1.4Tesla之间。
4.根据权利要求1或2或3任一所述的连续波太赫兹表面波振荡器，其特征在于：注入波端口引入的环形电子束是由热阴极发射的，并经过磁绝缘压缩。
5.根据权利要求4所述的连续波太赫兹表面波振荡器，其特征在于：所述环形电子束的电压工作范围在5kV至50kV之间，电子束的密度范围在20A/cm2至300A/cm2之间。
6.根据权利要求5所述的连续波太赫兹表面波振荡器，其特征在于：所述金属慢波结构外筒(2)的内壁上开设多个矩形结构的慢波槽。
7.根据权利要求6所述的连续波太赫兹表面波振荡器，其特征在于：所述金属内导体(4)为圆柱形。
8.根据权利要求7所述的连续波太赫兹表面波振荡器，其特征在于：所述支撑装置包括设置在金属内导体(4)两端的支撑杆，所述支撑杆采用表面覆盖石墨的金属杆。
9.根据权利要求8所述的连续波太赫兹表面波振荡器，其特征在于：所述外管体和金属内导体(4)均为铜材质。
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