CN105742141A - 一种太赫兹磁辐射源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太赫兹磁辐射源，包括电子枪、电子注收集极；位于电子枪和电子注收集极之间的第一慢波结构，电子注与第一慢波结构相互作用产生群聚，第一慢波结构对电子注进行速度和密度调制形成初始电子团串；位于第一慢波结构与电子注收集极之间的漂移段，对初始电子团串进一步群聚形成调制后的电子团串；位于漂移段与电子注收集极之间的第二慢波结构，调制后的电子团串与第二慢波结构相互作用产生电磁振荡；电磁振荡的频率为第一慢波结构对电子注进行调制时的调制频率的整数倍。调制后的电子团串的相干入射场与第二慢波结构中的高频场相互耦合的强度相对于连续电子注的非相干入射场与高频场的耦合强度高，从而降低了太赫兹源的起振电流密度。

Description

一种太赫兹磁辐射源

技术领域

本发明涉及真空电子学领域，尤其涉及一种太赫兹磁辐射源。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1THz-10THz之间的电磁波，是电磁波谱中迄今唯一尚未被完全开发的波段。因其在生命科学、材料科学、通信技术以及国家安全等多个领域具有广阔的应用前景受到国内外科学家的普遍关注，太赫兹科学与技术作为一门新兴的学科正在逐步成型。太赫兹磁辐射源的发展是太赫兹科学技术发展的基础，也是当前制约太赫兹科学技术发展的主要瓶颈。

基于传统真空电子学方法的返波振荡器(BackwardWaveOscillator，简称BWO)是一种被普遍应用在低频太赫兹波段的辐射源，也是能够够产生较高功率输出的太赫兹辐射源。如图1所示，现有的太赫兹辐射源包括电子枪11、慢波结构(包括矩形光栅12和平板14)、电子注收集极13。带状连续电子注15从电子枪11发射出来后，进入慢波结构，电子注15在慢波结构内激励起高频场，电子注15与激励起的高频场发生注波互作用，产生太赫兹波，并通过平板14将辐射到开放空间的能量汇聚，在矩形光栅结构末端通过耦合结构实现输出，实现频率可调与能量汇聚，作用后的电子注被收集极13收集。

但目前返波振荡器的实际应用仍然局限在低频太赫兹波段(频率低于0.3THz)，制约其产生更高频率电磁辐射的主要因素之一是：极高的起振电流密度，如产生频率超过0.5THz的电磁辐射所要求的电子注电流密度通常达到几百安培每平方厘米，远远超过了现有电子枪的电子注发射能力。

因此，寻找一种降低起振电流密度的太赫兹磁辐射源，对太赫兹科学技术的发展具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种太赫兹磁辐射源，以解决现有技术中起振电流密度较大，无法满足产生较高频率太赫兹波要求的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种太赫兹磁辐射源，包括：用于产生电子注的电子枪；电子注收集极，设置于所述电子枪的正对位置，用于接收所述电子枪发射的电子注；第一慢波结构，设置于所述电子枪和所述电子注收集极之间，所述电子注与所述第一慢波结构相互作用产生群聚，所述第一慢波结构对所述电子注进行速度和密度调制，形成初始电子团串；漂移段，设置于所述第一慢波结构与所述电子注收集极之间，用于对所述初始电子团串进一步群聚形成调制后的电子团串；第二慢波结构，设置于所述漂移段与所述电子注收集极之间，所述调制后的电子团串与所述第二慢波结构相互作用，产生电磁振荡；其中，所述电磁振荡的频率为所述第一慢波结构对所述电子注进行调制时的调制频率的整数倍。

优选地，所述第一慢波结构包括光栅结构和平板，所述平板设置于光栅结构的正对位置，且与所述光栅结构的沟槽开口平行。

优选地，所述光栅结构为周期性结构。

优选地，所述光栅结构为矩形光栅结构或正弦光栅结构。

优选地，所述第二慢波结构的形状与所述第一慢波结构的形状相同。

优选地，所述第一慢波结构与所述第二慢波结构均为矩形光栅结构的矩形波导。

优选地，所述第一慢波结构的光栅结构表面到第一慢波结构的平板的距离为0.6mm，第一慢波结构的光栅结构周期为0.2mm，第一慢波结构的光栅结构沿电子枪指向电子注收集极方向上的沟槽开口宽度为0.1mm，第一慢波结构的光栅结构的沟槽深度为0.5mm，第一慢波结构的宽度为1.2mm；所述第二慢波结构的光栅结构表面到第二慢波结构的平板的距离为0.2mm，第二慢波结构的光栅结构周期为0.1mm，第二慢波结构的光栅结构沿电子枪指向电子注收集极方向上的沟槽开口宽度为0.05mm，第二慢波结构的光栅结构的沟槽深度为0.16mm，第二慢波结构的宽度为0.4mm。

优选地，所述电子注的形状为带状。

优选地，所述电子注的截面尺寸为0.3mm*0.1mm，其中0.3mm为在所述电子注截面平面内平行于所述平板方向的尺寸，0.1mm为在所述电子注截面平面内垂直于所述平板方向的尺寸。

优选地，所述漂移段为矩形波导，所述漂移段沿电子枪指向电子注收集极方向上的长度为2mm。

经由上述的技术方案可知，本发明采用两段慢波结构实现电子注的预调制以降低起振电流密度。具体地，本发明提供的太赫兹磁辐射源，增加设置第一慢波结构和漂移段，连续的电子注经过第一慢波结构后，其运动速度和电流密度均被调制，直流电子注变成包含一系列谐波分量的初始电子团串，初始电子团串经过漂移段的群聚形成调制后的电子团串，进入到第二慢波结构中，在第二慢波结构中激励出电磁振荡。当电磁振荡的频率正好为第一慢波结构对电子注进行调制时的调制频率的整数倍时，调制后的电子团串的入射场形成相干，相干的入射场与第二慢波结构里面激励起的高频场相互耦合，其耦合强度相对于现有技术中连续电子注的非相干入射场与慢波结构中激励起的高频场的耦合强度更高，从而降低了第二慢波结构中太赫兹波的起振电流密度。相对于现有技术，本发明在相同的辐射频率情况下显著的降低了起振电子注的电流密度，或者，在相同电子注电流密度情况下可以得到更高频率的电磁辐射。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的太赫兹磁辐射源的二维剖视图；

图2为本发明提供的两段慢波结构太赫兹磁辐射源的二维剖视图；

图3为本发明实施例提供的用于模拟的太赫兹辐射源的尺寸图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的一个实施例中，提供一种太赫兹磁辐射源，如图2所示，为太赫兹磁辐射源的二维剖视图，所述太赫兹磁辐射源包括：电子枪21、第一慢波结构、漂移段23、第二慢波结构和电子注收集极26。为方便下面描述，定义电子注的运动方向，即电子枪指向电子注收集极的方向为太赫兹磁辐射源的z轴方向，定义垂直纸面向外为太赫兹磁辐射源的y轴方向，定义与所述z轴方向和所述y轴方向均垂直的方向为太赫兹磁辐射源的x轴方向。

电子枪21用于发射电子注25，其中电子枪的形状可以是带状、圆形及椭圆形中的任意一种，与其对应的，电子注的截面形状也可以是带状(即平面状)、圆形及椭圆形中的任意一种。本实施例中优选地，所述电子枪与所述电子注的截面形状为带状。更为优选的，电子注25的截面(xy平面)尺寸为0.3mm*0.1mm，其中0.3mm指电子注在y轴方向(也即位于电子注截面平面内，平行于平板的方向)上的尺寸，0.1mm指电子注在x轴方向(也即位于电子注截面平面内，垂直于平板的方向)上的尺寸。

电子注收集极26，设置于电子枪21的正对位置，用于收集与所述第二慢波结构的光栅结构表面发生互作用后的电子团串。

第一慢波结构包括第一光栅结构22和第一平板27，所述第一慢波结构设置在电子枪21和电子注收集极26之间，当电子注进入到第一慢波结构时，在第一慢波结构中激励起高频场，电子注与所述高频场之间相互作用，电子注的运动速度及电流密度均被调制，电子注发生群聚形成初始电子团串。具体过程为：一部分电子被加速，另一部分电子被减速，也即实现电子注的速度调制，电子注运动过程中被加速的电子追上被减速的电子，发生电子注的群聚，也即电流密度的调制。由于电子注的密度被调制，直流电子注变成包含一系列谐波分量的初始电子团串。

需要说明的是，第一光栅结构22为周期性光栅结构，且第一光栅结构22的光栅槽的截面可以为矩形、正弦形或椭圆形，即光栅结构可以为矩形光栅结构、正弦形光栅结构或椭圆形光栅结构，本实施例对此不做限定，优选的，第一光栅结构22为矩形光栅结构。还需要说明的是第一光栅结构的沟槽可以是真空槽也可以是有一定介电常数的介质槽，本实施例中对此不做限定。

第一平板27设置在第一光栅结构22的正下方的正对位置，且与第一光栅结构22的沟槽开口平行，与所述第一光栅结构形成波导，当所述第一光栅结构为矩形光栅结构时，第一慢波结构为单边矩形光栅加载的矩形波导。第一平板27可以是金属板或具有一定介电常数的介质板，用于使辐射到开放空间的能量汇集。

漂移段23设置在第一慢波结构和第二慢波结构之间，为一段波导。优选的，本实施例中漂移段23为矩形波导。第一电子团串在进入漂移段后，由于惯性原因，群聚在漂移段继续进行，因此，漂移段用于对从第一慢波结构出射的初始电子团串进行进一步的群聚，形成调制后的电子团串。

另外，漂移段23位于第一慢波结构和第二慢波结构中间，其还能起到防止第一慢波结构中的高频场进入到第二慢波结构中，扰乱第二慢波结构中的电磁振荡的作用，同时，还能起到防止第二慢波结构中电磁振荡进入到第一慢波结构中，扰乱第一慢波结构中的高频场的作用。

第二慢波结构包括第二光栅结构24和第二平板26，第二慢波结构设置在漂移段23与电子注收集极26之间。需要说明的是，第二慢波结构的形状可以与第一慢波结构的形状相同，也可以与第一慢波结构的形状不相同，本实施例中对此不做限定，只要能够实现在第二慢波结构中产生的电磁振荡的频率为第一慢波结构对电子注进行调制时的调制频率的整数倍即可。本实施例中优选地，所述第二慢波结构的形状与第一慢波结构的形状相同，且更为优选地，所述第二慢波结构也为单边矩形光栅加载的矩形波导。第二光栅结构的沟槽可以是真空槽也可以是有一定介电常数的介质槽，本实施例中对此也不做限定。

第二平板28设置在第二光栅结构24的正下方的正对位置，且与第二光栅结构24的沟槽开口平行。第二平板28可以是金属板或具有一定介电常数的介质板，用于使辐射到开放空间的能量汇集。

与第一慢波结构接收的电子注不同的是，第二慢波结构接收的是经过第一慢波结构预调制和漂移段进一步群聚调制过频率的调制后的电子团串，在调制后的电子团串的激励下第二慢波结构中形成电磁振荡，第二慢波结构中的电磁振荡与调制后的电子团串相互作用，产生太赫兹波，并对所产生的太赫兹波进行功率放大。

具体地，调制后的电子团串从漂移段出射后，进入第二慢波结构中，由于调制后的电子团串的电流密度中包含了丰富的高次谐波分量，产生的调制后的电子团串入射场也包含有丰富的谐波分量，这些调制后的电子团串的入射场在第二慢波结构中激励起电磁振荡，所述电磁振荡反过来作用于调制后的电子团串，并对调制后的电子团串再次进行调制，当电磁振荡的频率刚好等于第一慢波结构对电子注进行调制时的调制频率(即基波频率)的整数倍，也即为调制频率的某次谐波频率时，调制后的电子团串的入射场在第二慢波结构中形成相干。

而调制后的电子团串的相干入射场再次激励起第二慢波结构中的高频场时，相干的入射场与该高频场相互耦合，其耦合强度相对于现有技术中采用连续电子注的非相干入射场与其在慢波结构中激励起的高频场的耦合强度高，因此，本实施例中相干入射场辐射的太赫兹波具有更高频率。即采用了经过第一慢波结构和漂移段进行预调制的电子团串作为入射场，能够激励起第二慢波结构中的更高频振荡。因此，在辐射相同频率太赫兹波时，采用本实施例中提供的太赫兹磁辐射源，能够降低起振电流密度。

以下给出具体的模拟参数，说明本发明的有益效果：

本实施例中，第一慢波结构和第二慢波结构形状相同，均为矩形波导，采用单边矩形光栅，如图3所示，第一慢波结构的光栅结构表面到第一慢波结构的平板的距离L1为0.6mm，第一慢波结构的光栅结构周期T1为0.2mm，第一慢波结构的光栅结构沿电子枪指向电子注收集极方向上的沟槽开口宽度s1为0.1mm，第一慢波结构的光栅结构的沟槽深度d1为0.5mm，第一慢波结构的波导横向(y方向)宽度为1.2mm；第二慢波结构的光栅结构表面到第二慢波结构的平板的距离L2为0.2mm，第二慢波结构的光栅结构周期T2为0.1mm，第二慢波结构的光栅结构沿电子枪指向电子注收集极方向上的沟槽开口宽度s2为0.05mm，第二慢波结构的光栅结构的沟槽深度d2为0.16mm，第二慢波结构的波导横向(y方向)宽度为0.4mm。

漂移段的长度(z轴方向，也即沿电子枪指向电子注收集极的方向)s3为2mm。

加速电压5千伏，电流密度50安培每平方厘米。模拟显示，第一慢波结构激励的高频场频率为0.17THz，第二慢波结构中激励的电磁辐射频率为0.51THz，辐射功率约12mW。

理论和模拟实验表明，经过第一慢波结构的速度调制以及漂移段密度调制的电子团串，其电流密度包含丰富的谐波分量(谐波频率为调制频率的整数倍)。利用经过调制的电子团串激励第二慢波结构的电磁振荡，当振荡频率正好为调制频率的整数倍时，预调制电子团串的入射场形成相干，其场强远远大于连续电子注产生的非相干入射场强。因此，相比较连续电子注激励的情况，预调制电子团串更容易激励起高频振荡，从而降低起振电流密度。

如利用电流密度小于50安培每平方厘米的电子注就可以激发频率超过0.5THz的电磁辐射，远远低于连续电子注激励所需要的高于300安培每平方厘米的起振电流密度。

另外，本发明还具有如下优点：1、辐射功率高，本发明太赫兹磁辐射源可以在较小起振电流密度的情况下，产生辐射功率超过10mW的太赫兹(频率>0.5THz)电磁辐射。2、小型化，由于本发明的太赫兹磁辐射源结构简单，要求的工作电压低，不需要庞大的外部附加设备，能够实现小型化和集成。

需要重点说明的是，以上数据仅为模拟实验数据，对本发明中的太赫兹磁辐射源的结构并不起限定作用，以上太赫兹磁辐射源的各个结构的尺寸，还可以根据实际需求，进行匹配设计，只要能够实现调制后电子团串与第二慢波结构相互作用产生的电磁振荡的频率为调制电子团串时的调制频率的整数倍即可，本发明对此不做限定。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种太赫兹磁辐射源，其特征在于，包括：

用于产生电子注的电子枪；

电子注收集极，设置于所述电子枪的正对位置，用于接收所述电子枪发射的电子注；

第一慢波结构，设置于所述电子枪和所述电子注收集极之间，所述电子注与所述第一慢波结构相互作用产生群聚，所述第一慢波结构对所述电子注进行速度和频率调制，形成初始电子团串；

漂移段，设置于所述第一慢波结构与所述电子注收集极之间，用于对所述初始电子团串进一步群聚形成调制后的电子团串；

第二慢波结构，设置于所述漂移段与所述电子注收集极之间，所述调制后的电子团串与所述第二慢波结构相互作用，产生电磁振荡；

其中，所述电磁振荡的频率为所述第一慢波结构对所述电子注进行调制时的调制频率的整数倍。

2.根据权利要求1所述的太赫兹磁辐射源，其特征在于，所述第一慢波结构包括光栅结构和平板，所述平板设置于光栅结构的正对位置，且与所述光栅结构的沟槽开口平行。

3.根据权利要求2所述的太赫兹磁辐射源，其特征在于，所述光栅结构为周期性结构。

4.根据权利要求3所述的太赫兹磁辐射源，其特征在于，所述光栅结构为矩形光栅结构或正弦光栅结构。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的太赫兹磁辐射源，其特征在于，所述第二慢波结构的形状与所述第一慢波结构的形状相同。

6.根据权利要求5所述的太赫兹磁辐射源，其特征在于，所述第一慢波结构与所述第二慢波结构均为矩形光栅结构的矩形波导。

7.根据权利要求6所述的太赫兹磁辐射源，其特征在于，所述第一慢波结构的光栅结构表面到第一慢波结构的平板的距离为0.6mm，第一慢波结构的光栅结构周期为0.2mm，第一慢波结构的光栅结构沿电子枪指向电子注收集极方向上的沟槽开口宽度为0.1mm，第一慢波结构的光栅结构的沟槽深度为0.5mm，第一慢波结构的宽度为1.2mm；所述第二慢波结构的光栅结构表面到第二慢波结构的平板的距离为0.2mm，第二慢波结构的光栅结构周期为0.1mm，第二慢波结构的光栅结构沿电子枪指向电子注收集极方向上的沟槽开口宽度为0.05mm，第二慢波结构的光栅结构的沟槽深度为0.16mm，第二慢波结构的宽度为0.4mm。

8.根据权利要求2所述的太赫兹磁辐射源，其特征在于，所述电子注的形状为带状。

9.根据权利要求8所述的太赫兹磁辐射源，其特征在于，所述电子注的截面尺寸为0.3mm*0.1mm，其中0.3mm为在所述电子注截面平面内平行于所述平板方向的尺寸，0.1mm为在所述电子注截面平面内垂直于所述平板方向的尺寸。

10.根据权利要求1所述的太赫兹磁辐射源，其特征在于，所述漂移段为矩形波导，所述漂移段沿电子枪指向电子注收集极方向上的长度为2mm。