CN107068518B - 一种扩展互作用速调管及其制作方法 - Google Patents

一种扩展互作用速调管及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于高性能太赫兹辐射源领域，提供一种扩展互作用速调管及其制作方法，包括输入谐振腔、输出谐振腔与N个中间谐振腔，输入谐振腔与输入波导连通，输出谐振腔与输出波导连通，输入谐振腔、输出谐振腔与N个中间谐振腔的中心处设置有互相连通的电子束通道，所述N个中间谐振腔的谐振间隙的周期长度不同或部分不同，所述N为大于1的正整数。解决了现有的扩展互作用速调管工作频带非常窄、腔内功率密度高的问题，这样电子束在通过中间谐振腔的时候，被不同的谐振频率进行调谐，有效地提高整个器件的工作带宽。

Description

一种扩展互作用速调管及其制作方法
技术领域
本发明属于高性能太赫兹辐射源领域，具体涉及产生高功率太赫兹辐射时所用的扩展互作用速调管及其制作方法。
背景技术
太赫兹(THz)波是指频率从0.3THz到3THz(1THz＝1012Hz)，介于毫米波与红外光之间的电磁波，这是最后一个人类尚未完全认知和利用的频段。太赫兹波位于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区域，由于所处的特殊位置，造成其辐射具有渗透性强、分辨率高、非电离传播、谱特征丰富等独特的优点。太赫兹波的这些特征，使其在信息通信、医疗诊断、生物技术、材料科学、天文学、军事等领域具有巨大的应用潜能，引起了世界各国的高度重视。
在太赫兹技术中，太赫兹辐射源是太赫兹应用的基础，但是由于目前现有的大部分太赫兹源在室温环境下工作不稳定以及输出功率不高等因素，太赫兹技术的进一步发展受到了极大的制约，因此研制出性能稳定、具有较高输出性能的太赫兹辐射源是太赫兹技术发展的根本。
目前，利用真空电子学的方法是室温下产生高功率太赫兹辐射的最常用手段。而在真空电子器件中，扩展互作用速调管(Extended Interaction Klystron,EIK)是一种重要的放大器件，它结合了传统行波管和传统速调管这两种器件的优点，以谐振腔为基础，在谐振腔内电子束能够与结构波产生有效的相互作用；同时电子束的调制能够在腔链上进行，使得器件能够获得较宽的工作频带和较高的互作用效率。目前EIK器件已经成为一类重要的大功率毫米波器件，而且正在向更高频率及更高输出功率的方向发展。
如文献“Shuang Li,Jianguo Wang,Guangqiang Wang,et al.Optimization ofthe multi-slot cavity and drift in a 0.34THz extended interaction klystron[J].PHYSICS OF PLASMAS 23,123120(2016)”采用EIK器件，能够在347.7GHz产生143W的输出功率，达到38.1dB的增益结果，如图1所示。
当工作频率到达太赫兹频段，由于共渡效应，扩展互作用器件的结构尺寸已经下降到亚毫米量级，此时高频结构中的谐振腔具有非常高的Q值，腔内过高的功率密度极其容易产生电打火现象。而且由于多个谐振腔连续地振荡在同一个频率上，会造成整个器件的工作频带非常窄，限制了器件的实际应用。如上述文献中所设计的EIK，所有谐振间隙的结构值均相同。虽然该结构能够获得较高的增益，但是其工作带宽只有约200MHz，使其应用范围严重受限。
发明内容
为了解决现有的扩展互作用速调管工作频带非常窄、腔内功率密度高的问题，本发明提出了一种具有非均匀谐振腔结构的扩展互作用速调管及其制作方法，该扩展互作用速调管的工作频带宽，腔内功率密度较低，输出性能高。
本发明的技术方案是提供一种扩展互作用速调管，包括输入谐振腔、输出谐振腔与N个中间谐振腔，输入谐振腔与输入波导连通，输出谐振腔与输出波导连通，输入谐振腔、输出谐振腔与N个中间谐振腔的中心处设置有互相连通的电子束通道，其特殊之处在于：上述N个中间谐振腔的谐振间隙的周期长度不同或部分不同，上述N为大于1的正整数。
优选地，上述N≥3，相邻两个中间谐振腔的谐振间隙的周期长度不同，相间两个中间谐振腔的谐振间隙的周期长度相同。
优选地，与输入谐振腔及输出谐振腔相邻的中间谐振腔的谐振间隙的周期长度大于其余中间谐振腔的谐振间隙的周期长度。
优选地，上述输入谐振腔、输出谐振腔与N个中间谐振腔的横截面均为面积相等的哑铃型结构。
当为0.34THz的扩展互作用速调管时，上述N等于3，中间谐振腔从左至右依次包括中间谐振腔B、中间谐振腔C及中间谐振腔D，中间谐振腔C的谐振间隙的周期长度确保中间谐振腔C的谐振频率与该扩展互作用速调管工作的中心频率一致；中间谐振腔B与中间谐振腔D的谐振间隙的周期长度大于中间谐振腔C的谐振间隙的周期长度，且中间谐振腔B与中间谐振腔D谐振频率小于等于该扩展互作用速调管工作带宽。
优选地，上述输入谐振腔的谐振间隙周期长度为0.2mm，其中真空部分的长度为0.1mm；所述中间谐振腔B与中间谐振腔D的谐振间隙周期长度均为0.21mm，其中真空部分的长度均为0.1mm；所述中间谐振腔C的谐振间隙周期长度为0.2mm，其中真空部分的长度为0.1mm；所述输出谐振腔的谐振间隙周期长度为0.2mm，其中真空部分的长度为0.1mm；输出谐振腔的谐振间隙为多个。
优选地，上述输入谐振腔的谐振间隙为4个，中间谐振腔B、中间谐振腔C及中间谐振腔D的谐振间隙均为6个，输出谐振腔的谐振间隙为12个。
优选地，输入谐振腔、中间谐振腔及输出谐振腔的谐振间隙的总高度均为1.5mm，重入部分的高度均为0.6mm。
优选地，输入谐振腔、中间谐振腔及输出谐振腔的上部谐振腔的宽度为0.7mm，中间重入部分的谐振腔宽度为0.4mm；电子束通道直径为0.24mm；连接相邻两个谐振腔的漂移段长度为0.6mm。
本发明还提供一种上述的一种扩展互作用速调管的制作方法，
包括以下步骤：
1)根据扩展互作用速调管工作的谐振频率确定输入谐振腔及输出谐振腔的谐振间隙周期长度；
具体包括：
首先，建立束波互作用的同步关系ve≈vp，其中ve是电子的直流速度，vp是电磁波的相速度。
然后根据可以计算出电子的直流速度ve。其中e是电子的电荷，m是电子的质量，U是电子束的加速电压。
接下来根据可以得到：这样就可以得到在不同谐振频率f下，对应的间隙周期长度值l。
2)根据结构参数对谐振频率的影响特征，对各个中间腔的周期长度进行优化选择，达到非均匀调谐的效果；
分析起振电流，确定输出谐振腔的谐振间隙数目；
起振电流为：
根据谐振腔内的能量守恒定律PL＝P0+Pext+Pbeam(PL代表了整个腔体内损失的功率水平；P0代表谐振腔壁上的欧姆损耗,Pext代表谐振腔向外部电路耦合出去的功率,Pbeam代表电子束和电磁场之间交换的功率水平)，经过推算，可以得到下面的关于电流的公式：
其中U0是电子束的直流电压，R/Q0是谐振腔的特征阻抗，Qload是输出腔的外Q值，ge是电子束电导。这些值都是设计过程中需要优化设计的结果。
该公式代表了谐振模式能够稳定存在于谐振腔内所需的最小电流值。在谐振腔内，谐振腔的本征模式能够被正常激励起来，所需要的最低电流值就是它的起振电流。
3)通过步骤1)与步骤2)得到的参数制作扩展互作用速调管。
本发明的工作原理为：
热阴极电子枪产生的直流电子束通过电子束通道进入输入谐振腔，同时种子信号通过输入波导进入输入谐振腔，在输入谐振腔内对电子束进行初步调制，形成一定的速度群聚。然后电子束经过中间谐振腔，被连续地调制，并且在谐振腔之间的漂移段逐渐地将速度调制转化成为密度调制，形成了群聚束团。最终群聚束团与输出谐振腔内的间隙电场发生更加强烈的束-波互作用，将能量转交给电磁波，最终通过输出波导将产生的输出信号辐射出去。
与现有的0.34THz的均匀EIK结构不同的是，本发明0.34THz的非均匀EIK的三个中间谐振腔(腔B、腔C和腔D)，谐振间隙的周期长度(BL1、CL1和DL1)取值不同，使这三个谐振腔的谐振频率不同，因而会对电子束产生不同相位的调制效果。其中第二个中间谐振腔(腔C)的谐振频率与EIK工作的中心频率保持一致。而第一个中间谐振腔(腔B)和第三个中间谐振腔(腔D)的周期长度被适当地扩大，使其谐振频率得到提高，因此这两个谐振腔对电子束能够表现出感性电路特征，其内部的间隙电压相位落后电流相位90度。此时间隙电压能使整个电子束的群聚效应增强，同时还能令电子束获得更宽频带的调制。经过三个中间谐振腔的宽带调制之后，电子束到达输出谐振腔。同时，将输出谐振腔内的间隙数目优化为12个，可以有效提高输出谐振腔的特征阻抗，并且能够保证器件的稳定工作。最终使群聚束团与间隙电场发生更加强烈的束-波互作用，将能量转交给电磁波，最终通过输出波导将产生的输出信号辐射出去。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用非均匀谐振腔结构，合理设计各个中间谐振腔的尺寸，使之具有调谐性的谐振频率，避免所有腔体在一个频点上强烈振荡。这样电子束在通过中间谐振腔的时候，被不同的谐振频率进行调谐，有效地提高整个器件的工作带宽；
2、本发明在输出谐振腔内引入更多的间隙数目，在保证工作稳定性的同时降低击穿风险，提高束波能量交换效率，获得更高的输出性能；
3、本发明通过调谐0.34THz的扩展互作用速调管的三个中间谐振腔的谐振频率，-3dB瞬时带宽可以达到0.4GHz，增益大于20dB的带宽可以达到1GHz。
4、在0.34THz扩展互作用速调管结构中，提高第三个中间谐振腔的谐振频率，使电子束在达到输出谐振腔时获得更高的调制效率，同时在输出谐振腔内采用较多的间隙数目，增强了束-波互作用强度，使得器件的输出增益有所提高，中心频率处的增益可以达到34.8dB；
5、扩展互作用速调管能够稳定工作。在提高输出谐振腔间隙数目的过程中，通过对输出谐振腔内起振电流的分析，合理选择间隙数目。既有效地提高了束-波互作用强度，又避免自激振荡的发生，保证器件能够稳定运行。
附图说明
图1为已有EIK的输出增益与带宽结果折线图；
图2为本发明实施例EIK整体模型示意图；
图3为本发明实施例EIK所有谐振腔横截面示意图；
图4为本发明实施例EIK输入谐振腔纵向截面示意图；
图5为本发明实施例EIK中间谐振腔(腔B)纵向截面示意图；
图6为本发明实施例EIK中间谐振腔(腔C)纵向截面示意图；
图7为本发明实施例EIK中间谐振腔(腔D)纵向截面示意图；
图8为本发明实施例EIK输出谐振腔纵向截面示意图；
图9为本发明实施例EIK谐振间隙的周期长度与谐振频率的关系折线图；
图10为本发明实施例EIK输出谐振腔间隙数目与谐振特征的关系折线图；
图11为本发明实施例EIK间隙数目与起振电流的关系折线图；
图12为本发明实施例EIK的输出性能与现有的EIK输出性能比较的折线图。
图中附图标记为：1-输入谐振腔，2-中间谐振腔，21-中间谐振腔B，22-中间谐振腔C，23-中间谐振腔D，3-输出谐振腔，4-电子束通道，5-输入波导，6-输出波导，7-漂移段，8-谐振间隙，9-谐振间隙真空部分，10-重入部分。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。
本实施例以0.34THz的扩展互作用速调管为例，从图2可以看出，本实施例的扩展互作用速调管包括5个谐振腔，分别为输入谐振腔1、三个中间谐振腔2及输出谐振腔3，所有谐振腔的横截面均为面积相等的哑铃型结构(图3)，纵截面尺寸在图4至图8中给出。连接相邻两个谐振腔的漂移段7的长度为0.6mm，电子束的工作电压为16kV，工作电流为0.4A，引导磁场采用均匀磁场，强度为0.8T。
从图3可以看出，所有谐振腔的宽度W1为0.7mm，中间重入部分10的宽度W2为0.4mm。电子束通道4的直径D1为0.24mm，电子束通道穿过谐振腔的中心位置，使电子束与间隙电场发生相互作用。
从图4可以看出，输入谐振腔1共有4个谐振间隙8，谐振间隙8的周期长度AL1为0.2mm，谐振间隙的真空部分9长度AL2为0.1mm。谐振腔的总高度AH1为1.5mm，重入部分10的高度AH2为0.6mm。
从图5可以看出，中间谐振腔B21腔内共有6个谐振间隙8，谐振间隙8的周期长度BL1为0.21mm，谐振间隙的真空部分9长度BL2为0.1mm。谐振腔的总高度BH1为1.5mm，重入部分10的高度BH2为0.6mm。
从图6可以看出，中间谐振腔C22腔内共有6个谐振间隙8，谐振间隙8的周期长度CL1为0.2mm，谐振间隙的真空部分9长度CL2为0.1mm。谐振腔的总高度CH1为1.5mm，重入部分10的高度CH2为0.6mm。
从图7可以看出，中间谐振腔D23共有6个谐振间隙8，谐振间隙8的周期长度DL1为0.21mm，谐振间隙的真空部分9长度DL2为0.1mm。谐振腔的总高度DH1为1.5mm，重入部分10的高度DH2为0.6mm。
从图8可以看出，输出谐振腔3腔内共有12个谐振间隙8，谐振间隙8的周期长度EL1为0.21mm，谐振间隙的真空部分9长度EL2为0.1mm。谐振腔的总高度EH1为1.5mm，重入部分10的高度EH2为0.6mm。
图5、图7中的中间谐振腔的谐振间隙的周期长度BL1和DL1取值定为0.21mm，以提高这两个腔的谐振频率，能够对电子束进行更宽范围地调谐。
其基本工作过程是：前端的电子枪产生0.4A的直流电子束，直流电压为16kV。单频的种子信号，通过输入波导注入输入谐振腔，在输入谐振腔内形成TM11分布的电磁模式。输入信号的平均功率约为23mW，在输入谐振腔间隙处的纵向电场会对电子束进行一定频率的预调制。然后电子束在0.8T的均匀磁场的引导下，通过电子束通道进入后续的中间谐振腔，被三个不同的中间谐振腔频率连续调制，获得较宽的调制特征，最终形成群聚束团到达输出谐振腔。在12个间隙的输出谐振腔内，电子束与结构波发生强相互作用，将能量传递给电磁波，使电磁波在较宽的频带上得到有效地放大，并沿着输出波导向外辐射。
由于间隙结构的尺寸参数众多，EIK器件的谐振特性对间隙结构的参数非常敏感，所以合理地选择间隙结构的尺寸调谐参数的范围，对谐振腔的谐振频率选择非常重要。
从图9可以看出，谐振间隙的周期长度对谐振腔特性的影响，扩展互作用速调管工作时，中心频率所对应的谐振间隙周期长度为0.20mm，为了能够调高中间谐振腔的谐振频率且不超出扩展互作用速调管的工作带宽，选定谐振间隙的周期长度的调谐值为0.21mm，这样就能将电子束的动态调谐范围有效地扩大。
同时，谐振腔内的间隙数目对谐振特征影响非常大，过多的间隙数目会造成谐振腔内自激振荡的产生，干扰器件的正常工作，所以通过对起振电流的分析来优化间隙数目是非常重要的，具体选择结果见图10和图11所示。
输出谐振腔间隙数目对谐振特性的影响从图10可以看出，M2(R/Q)反映谐振腔的带宽特性，而ge反应的是谐振腔内电子束向外放出能量的能力。可以看到，在输出谐振腔内选择12个间隙数目，可以获得非常高的M2(R/Q)结果，意味着输出谐振腔具有较高的带宽特性。而且当间隙数目取12时，电子束在该结构内具有非常强的能量交换能力，所以在输出谐振腔为12个间隙时，能够保证具有较高的带宽特征和增益结果。
输出谐振腔间隙数目对谐振腔内起振电流的影响可以从图11看出，当间隙数目为12时候，谐振腔内自激振荡的起振电流约为0.5A。而此时的工作电流为0.4A，低于起振电流值，所以输出谐振腔内不会发生自激振荡。但是如果继续增加间隙数目，会使起振电流继续下降，那么就极易激发自激振荡，造成谐振腔的不稳定。
通过粒子模拟软件得到本实施例EIK器件的输出性能，如图12所示，与现有的采用均匀高频结构的EIK器件的输出性能进行对比，现有的均匀结构的EIK器件在-3dB(-3dB对应的就是Y轴增益结果降低到一半)工作带宽约为0.2GHz，而采用本发明EIK器件，可以将-3dB工作带宽提高至0.4GHz，扩大了一倍。同时，现有的均匀结构的带宽增益乘积约为7.7(GHz■dB)，而采用本发明非均匀结构之后的结果约为13.9(GHz■dB)，证明该结构能够在保证输出增益的基础上，获得更高的工作带宽，保证器件能够稳定地工作，大大提高了EIK器件在太赫兹频段的应用潜力。

Claims (9)

1.一种扩展互作用速调管，包括输入谐振腔(1)、输出谐振腔(3)与N个中间谐振腔(2)，输入谐振腔(1)与输入波导(5)连通，输出谐振腔(3)与输出波导(6)连通，输入谐振腔(1)、输出谐振腔(3)与N个中间谐振腔(2)的中心处设置有互相连通的电子束通道(4)，其特征在于：所述N个中间谐振腔(2)的谐振间隙的周期长度不同或部分不同，所述N为大于1的正整数；所述N≥3，相邻两个中间谐振腔(2)的谐振间隙的周期长度不同，相间两个中间谐振腔(2)的谐振间隙的周期长度相同。
2.根据权利要求1所述的一种扩展互作用速调管，其特征在于：与输入谐振腔(1)及输出谐振腔(3)相邻的中间谐振腔(2)的谐振间隙的周期长度大于其余中间谐振腔(2)的谐振间隙的周期长度。
3.根据权利要求1至2任一所述的一种扩展互作用速调管，其特征在于：所述输入谐振腔(1)、输出谐振腔(3)与N个中间谐振腔(2)的横截面均为面积相等的哑铃型结构。
4.根据权利要求1所述的一种扩展互作用速调管，其特征在于：所述N等于3，中间谐振腔(2)从左至右依次包括中间谐振腔B(21)、中间谐振腔C(22)及中间谐振腔D(23)，中间谐振腔C(22)的谐振间隙的周期长度确保中间谐振腔C(22)的谐振频率与该扩展互作用速调管工作的中心频率一致；中间谐振腔B(21)与中间谐振腔D(23)的谐振间隙的周期长度大于中间谐振腔C(22)的谐振间隙的周期长度，且中间谐振腔B(21)与中间谐振腔D(23)谐振频率小于等于该扩展互作用速调管工作带宽。
5.根据权利要求4所述的一种扩展互作用速调管，其特征在于：所述输入谐振腔(1)的谐振间隙周期长度为0.2mm，其中真空部分的长度为0.1mm；所述中间谐振腔B(21)与中间谐振腔D(23)的谐振间隙周期长度均为0.21mm，其中真空部分的长度均为0.1mm；所述中间谐振腔C(22)的谐振间隙周期长度为0.2mm，其中真空部分的长度为0.1mm；所述输出谐振腔(3)的谐振间隙周期长度为0.2mm，其中真空部分的长度为0.1mm；输出谐振腔的谐振间隙为多个。
6.根据权利要求5所述的一种扩展互作用速调管，其特征在于：所述输入谐振腔的谐振间隙为4个，中间谐振腔B(21)、中间谐振腔C(22)及中间谐振腔D(23)的谐振间隙均为6个，输出谐振腔的谐振间隙为12个。
7.根据权利要求6所述的一种扩展互作用速调管，其特征在于：输入谐振腔(1)、中间谐振腔(2)及输出谐振腔(3)的谐振间隙的总高度均为1.5mm，重入部分(10)的高度均为0.6mm。
8.根据权利要求7所述的一种扩展互作用速调管，其特征在于：输入谐振腔(1)、中间谐振腔(2)及输出谐振腔(3)的上部谐振腔的宽度为0.7mm，中间重入部分的谐振腔宽度为0.4mm；电子束通道直径为0.24mm；连接相邻两个谐振腔的漂移段长度为0.6mm。
9.一种权利要求1至8任一所述的一种扩展互作用速调管的制作方法，其特征在于：
包括以下步骤：
1)根据扩展互作用速调管工作的谐振频率确定输入谐振腔(1)及输出谐振腔(3)的谐振间隙周期长度；
2)根据结构参数对谐振频率的影响特征，对各个中间腔(2)的周期长度进行优化选择，达到非均匀调谐的效果；
3)通过步骤1)与步骤2)得到的参数制作扩展互作用速调管。
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