CN105826150B - 一种基于特异Smith‑Purcell效应的太赫兹辐射源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于特异Smith‑Purcell效应的太赫兹辐射源，包括电子枪(1)、金属矩形光栅(3)、收集极(4)、金属平板反射镜(6)和输出端口(8)；电子枪(1)与收集极(4)相对应，金属矩形光栅(3)在电子枪(1)与收集极(4)之间设置，金属平板反射镜(6)位于金属矩形光栅(3)上面，输出端口(8)设置在金属平板反射镜(6)上。本发明可以使电子注起振电流密度显著降低，通过调节反射镜到光栅的距离，可以可控地工作在最低模或者二次模式，结构简单，要求的工作电压低，不需要庞大的外部附加设备，极易实现小型化和集成。
Description
技术领域
本发明属于真空电子学领域，特别涉及一种基于特异史密斯-珀塞尔(Smith-Purcell)效应的太赫兹辐射源。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1-10THz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。
基于线性电子注与慢波结构相互作用的传统真空电子学电磁辐射源在低频太赫兹波段(频率低于0.3THz)可以产生毫瓦量级的连续波电磁辐射。然而，它在产生0.5THz以上的电磁辐射时遇到了两大重要障碍：1)需要极高的起振电流密度。电子注电流密度通常达到几百安培每平方厘米，远远超过了现有阴极的电子注发射能力；2)慢波结构尺寸非常小。0.5THz以上的器件结构尺寸通常在微米量级，给加工和实验带来极大困难。
基于Smith-Purcell辐射效应的奥罗管(Orotron)可以有效克服器件尺寸小的缺点，有望发展成为高频太赫兹波段的重要辐射源。传统奥罗管利用电子注在金属光栅表面产生的Smith-Purcell辐射，然后通过采用凹面反射镜将辐射波反射回来并与电子注相互作用，将电子注动能转化为电磁波的能量，从而使电磁场得到激励并放大。反射镜与金属光栅形成一个开放的谐振腔，通过使谐振腔里面的驻波频率与Smith-Purcell辐射的频率相同，辐射场在谐振腔中储存并被放大，并最终通过端口输出。
然而，传统奥罗管利用的是普通的非相干Smith-Purcell辐射，通常情况下，普通Smith-Purcell辐射的辐射强度极低，且辐射波发散到各个方向，要将开放谐振腔中的驻波场激励并放大，同样需要电流密度极大的电子注，给阴极的发射能力和电子注的聚束带来极大挑战。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：提供一种基于特异Smith-Purcell效应的太赫兹辐射源，克服上述现有技术存在的缺陷。
本发明采用的技术方案为：一种基于特异Smith-Purcell效应的太赫兹辐射源，包括电子枪、金属矩形光栅、收集极、金属平板反射镜和输出端口；电子枪与收集极相对应，金属矩形光栅在电子枪与收集极之间设置，金属平板反射镜位于金属矩形光栅上面，输出端口设置在金属平板反射镜上，电子枪产生的匀速带状的电子注掠过金属矩形光栅的上表面，匀速带状的电子注最后进入收集极，匀速带状的电子注在金属矩形光栅表面产生沿垂直向上的特异Smith-Purcell辐射波，特异Smith-Purcell辐射波被设置的金属矩形光栅上方的金属平面反射镜反射回来形成反射波，反射波反过来与匀速带状的电子注相互作用，匀速带状的电子注能量转化为电磁波能量，电磁波能量被放大并最终通过设置金属平板反射镜上的输出端口输出。
其中，所述的特异Smith-Purcell辐射是由匀速带电粒子与光栅的辐射波相互作用而产生的是相干辐射，其辐射频率与方向是确定的。
其中，所述的特异Smith-Purcell辐射原理上是由光栅的矩形槽中的谐振模式在匀速带电粒子的激发下依次产生的辐射，光栅中的每个矩形槽是一个开放的谐振腔，也即是一个辐射单元，整个光栅构成一系列开放谐振腔形成的阵列。
其中，所述的特异Smith-Purcell辐射的辐射频率是由矩形槽的结构参数决定，该频率就是开放谐振腔的谐振频率。
其中，所述的特异Smith-Purcell辐射的强度比普通Smith-Purcell辐射强度高近一个数量级。
其中，在所述的太赫兹辐射源中，特异Smith-Purcell辐射的方向是垂直向上的。
其中，所述的金属平板反射镜处在矩形光栅的正上方，且水平放置，它将垂直向上的特异Smith-Purcell辐射反射回来。
本发明区别于传统奥罗管太赫兹源的关键是：本发明利用了电子注在光栅表面产生的特异Smith-Purcell辐射，而传统奥罗管利用的是普通Smith-Purcell辐射。特异Smith-Purcell辐射与普通Smith-Purcell辐射的核心区别在于：对于普通Smith-Purcell辐射，电子注主要激励起光栅表面的慢电磁波并与之相互作用，激发的辐射波是非相干的，辐射波发散到光栅上半空间的各个方向(如附图2)，且每个方向的辐射频率不同；而对于特异Smith-Purcell辐射，电子注只能激励起辐射波并与之相互作用，产生的是相干辐射，其辐射频率与方向是确定的(如附图3)。特异Smith-Purcell辐射的辐射强度比普通Smith-Purcell辐射强度高近一个数量级。本发明通过调节电子注能量和光栅结构尺寸，使得特异Smith-Purcell辐射的辐射方向垂直向上，然后利用金属平面反射镜将垂直辐射场反射回来，反射波与电子注相互作用，将电子注能量转化为电磁波能量，使得电磁波得到放大。由于特异Smith-Purcell辐射强度比较普通Smith-Purcell辐射强度高，因此在光栅和反射镜之间将激励起更强的高频场，这些高频场与电子注相互作用加强，从而降低了电子注起振电流，同时增大了输出功率。
本发明具有如下优点：
1.起振电流密度低
利用本发明可以使起振电流密度显著降低。粒子模拟结果表明，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接近1THz的电磁辐射。
2.辐射功率高
该发明在0.32THz频率的平均辐射功率超过4W，在0.96THz的平均输出功率超过800mW，远远超过工作在该频段的大多数现有电磁辐射源。
3.可多模工作
通过调节反射镜到光栅的距离，该发明可以可控地工作在最低模或者二次模式，频率分别在0.32THz左右和0.96THz左右。
4.结构紧凑且易实现
该发明结构简单，要求的工作电压低，不需要庞大的外部附加设备，极易实现小型化和集成。
附图说明
图1为本发明的太赫兹辐射源的二维剖视图，其中，1.电子枪，2.匀速带状电子注，3.金属矩形光栅，4.收集极，5.特异Smith-Purcell辐射波，6.金属平板反射镜，7.反射波，8.输出端口；
图2为普通Smith-Purcell辐射场分布的仿真图，其中，9.表面波，10.辐射波，11.电荷位置；
图3为特异Smith-Purcell辐射场分布的仿真图，其中，5.特异Smith-Purcell辐射波，11.电荷位置；
图4为仿真得到特异Smith-Purcell辐射和普通Smith-Purcell辐射的频谱图其中，12.普通Smith-Purcell辐射，13.特异Smith-Purcell辐射；
图5为仿真得到0.32THz的辐射功率时域图；
图6为仿真得到0.96THz的辐射功率时域图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
本发明提供一种基于特异Smith-Purcell辐射效应的太赫兹辐射源(奥罗管)。其原理图如附图1所示，包括电子枪1、金属矩形光栅3、收集极4、金属平板反射镜6和输出端口8；电子枪1与收集极4相对应，金属矩形光栅3在电子枪1与收集极4之间设置，金属平板反射镜6位于金属矩形光栅3上面，输出端口8设置在金属平板反射镜6上，电子枪1产生的匀速带状电子注2掠过金属矩形光栅3的上表面，匀速带状电子注最后进入收集极4，匀速带状电子注在光栅表面产生沿垂直向上的特异Smith-Purcell辐射波5，辐射波5被设置的光栅上方的金属平面反射镜6反射回来，反射波7反过来与匀速带状电子注相互作用，匀速带状电子注能量转化为电磁波能量，电磁波能量被放大并最终通过设置反射镜上的输出端口8输出。
其中，所述的特异Smith-Purcell辐射是由匀速带电粒子与光栅的辐射波相互作用而产生的是相干辐射，其辐射频率与方向是确定的。
其中，所述的特异Smith-Purcell辐射原理上是由光栅的矩形槽中的谐振模式在匀速带电粒子的激发下依次产生的辐射，光栅中的每个矩形槽是一个开放的谐振腔，也即是一个辐射单元，整个光栅构成一系列开放谐振腔形成的阵列。
其中，所述的特异Smith-Purcell辐射的辐射频率是由矩形槽的结构参数决定，该频率就是开放谐振腔的谐振频率。
其中，所述的特异Smith-Purcell辐射的强度比普通Smith-Purcell辐射强度高近一个数量级。
其中，在所述的太赫兹辐射源中，特异Smith-Purcell辐射的方向是垂直向上的。
其中，所述的金属平板反射镜处在矩形光栅的正上方，且水平放置，它将垂直向上的特异Smith-Purcell辐射反射回来。
以下给出优化得到的本发明的具体实施参数和仿真结果。
光栅周期0.13mm，光栅梳齿间缝隙宽度0.013mm，光栅梳齿深度0.215mm，电子注横截面尺寸为1mm*0.1mm，加速电压5千伏，电流密度50安培每平方厘米。图5为当光栅结构表面到平面反射镜之间的距离为2.2mm时仿真得到的辐射功率时域图，可以看到平均辐射功率约4W，此时辐射频率为0.32THz。
图6为当光栅结构表面到平面反射镜之间的距离为2.4mm时仿真得到的辐射功率时域图，可以看到平均辐射功率约800mW，此时辐射频率为0.96THz。
Claims (1)
1.一种基于特异Smith-Purcell效应的太赫兹辐射源，其特征在于：包括电子枪(1)、金属矩形光栅(3)、收集极(4)、金属平板反射镜(6)和输出端口(8)；电子枪(1)与收集极(4)相对应，金属矩形光栅(3)在电子枪(1)与收集极(4)之间设置，金属平板反射镜(6)位于金属矩形光栅(3)上面，输出端口(8)设置在金属平板反射镜(6)上，电子枪(1)产生的匀速带状的电子注(2)掠过金属矩形光栅(3)的上表面，匀速带状的电子注(2)最后进入收集极(4)，匀速带状的电子注(2)在金属矩形光栅(3)表面产生沿垂直向上的特异Smith-Purcell辐射波(5)，特异Smith-Purcell辐射波(5)被设置的金属矩形光栅(3)上方的金属平面反射镜(6)反射回来形成反射波(7)，反射波(7)反过来与匀速带状的电子注(2)相互作用，匀速带状的电子注(2)能量转化为电磁波能量，电磁波能量被放大并最终通过设置金属平板反射镜(6)上的输出端口(8)输出；
所述的特异Smith-Purcell辐射是由匀速带电粒子与光栅的辐射波相互作用而产生的是相干辐射，其辐射频率与方向是确定的；
所述的特异Smith-Purcell辐射原理上是由光栅的矩形槽中的谐振模式在匀速带电粒子的激发下依次产生的辐射，光栅中的每个矩形槽是一个开放的谐振腔，也即是一个辐射单元，整个光栅构成一系列开放谐振腔形成的阵列；
所述的特异Smith-Purcell辐射的辐射频率是由矩形槽的结构参数决定，该频率就是开放谐振腔的谐振频率；
所述的特异Smith-Purcell辐射的强度比普通Smith-Purcell辐射强度高近一个数量级；
在所述的太赫兹辐射源中，特异Smith-Purcell辐射的方向是垂直向上的；
所述的金属平板反射镜处在矩形光栅的正上方，且水平放置，它将垂直向上的特异Smith-Purcell辐射反射回来；
该基于特异Smith-Purcell效应的太赫兹辐射源利用了电子注在光栅表面产生的特异Smith-Purcell辐射，特异Smith-Purcell辐射与普通Smith-Purcell辐射的核心区别在于：对于普通Smith-Purcell辐射，电子注主要激励起光栅表面的慢电磁波并与之相互作用，激发的辐射波是非相干的，辐射波发散到光栅上半空间的各个方向，且每个方向的辐射频率不同；而对于特异Smith-Purcell辐射，电子注只能激励起辐射波并与之相互作用，产生的是相干辐射，其辐射频率与方向是确定的，特异Smith-Purcell辐射的辐射强度比普通Smith-Purcell辐射强度高近一个数量级，通过调节电子注能量和光栅结构尺寸，使得特异Smith-Purcell辐射的辐射方向垂直向上，然后利用金属平面反射镜将垂直辐射场反射回来，反射波与电子注相互作用，将电子注能量转化为电磁波能量，使得电磁波得到放大，由于特异Smith-Purcell辐射强度比较普通Smith-Purcell辐射强度高，因此在光栅和反射镜之间将激励起更强的高频场，这些高频场与电子注相互作用加强，从而降低了电子注起振电流，同时增大了输出功率；
该基于特异Smith-Purcell效应的太赫兹辐射源起振电流密度低，利用该基于特异Smith-Purcell效应的太赫兹辐射源可以使起振电流密度显著降低，粒子模拟结果表明，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接近1THz的电磁辐射；
该基于特异Smith-Purcell效应的太赫兹辐射源辐射功率高，该基于特异Smith-Purcell效应的太赫兹辐射源在0.32THz频率的平均辐射功率超过4W，在0.96THz的平均输出功率超过800mW，远远超过工作在该频段的大多数现有电磁辐射源；
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