CN108471039A - 一种用于产生毫米波和太赫兹辐射的光栅结构 - Google Patents

一种用于产生毫米波和太赫兹辐射的光栅结构 Download PDF

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张平
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Abstract

本发明公开了一种用于产生毫米波和太赫兹辐射的光栅结构，属于真空电子技术领域。本发明包括电子发射极、周期金属脊结构、矩形金属块、电子收集级、介质块和反射镜；电子发射极发射电子团或电子注，当电子经过光栅齿和矩形金属块之间时，在周期金属脊结构和矩形金属块中诱导出两个镜像电荷，可视为两个偶极子；当电子运动到周期金属脊结构的槽的上方时，两个镜像电荷与电子之间的距离将发生变化，电子周期性的经过光栅齿和槽，镜像电荷和电子形成的电偶极子将发生振荡，从而激发出电磁辐射。本发明中两个电偶极子同时振荡，因此极大的提高了Smith‑Purcell辐射的效率。

Description

一种用于产生毫米波和太赫兹辐射的光栅结构
技术领域
本发明属于真空电子技术领域，具体涉及一种用于产生毫米波和太赫兹辐射的光栅结构。
背景技术
传统的金属光栅结构示意图如图1所示，电子掠过金属光栅表面激发出Smith-Purcell辐射，其辐射机制是电子在金属光栅上方运动时，在光栅中诱导出镜像电荷，而当电子从周期出现的光栅齿和光栅槽上方经过时，电子与镜像电荷的距离将发生周期改变，所形成的电偶极子的距离将周期变化，从而形成振荡，激发出辐射，其辐射的频率范围与光栅的周期和电子运动速度相关。基于Smith-Purcell的辐射机制，后来发展了orotron和Smith-Purcell自由电子激光等辐射源。其中，orotron是光栅镶嵌在一个反射镜上，而光栅的正上方加载一个反射镜，光栅和反射镜构成一个准光谐振腔，该谐振腔能对其中某些辐射频率进行谐振，然后输出。传统电真空器件，如返波管、速调管，其一般工作在封闭的金属腔，要求结构尺寸与波长共度，即工作波长越短时，要求的结构尺寸越小，因此这也成为电真空器件向高频发展的瓶颈之一。对于Orotron采用准光谐振腔，可以工作在更高的频率，如毫米波、太赫兹波段。
提高Smith-Purcell辐射的功率，将有助于基于Smith-Purcell辐射的辐射源(例如Orotron)研究。因此，采用一种新的形式的光栅，从物理机制层面提高Smith-Purcell辐射的功率具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种用于产生毫米波和太赫兹辐射的光栅结构。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种用于产生毫米波和太赫兹辐射的光栅结构，包括电子发射极11、周期金属脊结构12、矩形金属块13、电子收集级15、介质块16和反射镜；反射镜包括上反射镜46和下反射镜；矩形金属块13位于周期金属脊结构12的光栅齿的正上方并留有空隙，矩形金属块13与光栅齿均呈直线型周期性排布；每个矩形金属块13和相应的光栅齿中间采用两个介质块16作为支撑，两个介质块16分别位于周期金属脊结构宽度的两端；电子发射极11和电子收集级15分别位于周期金属脊结构长度方向的对侧；上反射镜46位于周期金属脊结构12的正上方并留有空隙；周期金属脊结构12镶嵌在下发射镜上；
电子发射极11发射电子团或电子注，当电子经过光栅齿和矩形金属块13之间时，在周期金属脊结构12和矩形金属块13中诱导出两个镜像电荷，可视为两个偶极子；当电子运动到周期金属脊结构12的槽的上方时，两个镜像电荷与电子之间的距离将发生变化，电子周期性的经过光栅齿和槽，镜像电荷和电子形成的电偶极子将发生振荡，从而激发出电磁辐射。
电子发射极11的形状为带状、圆形或椭圆形等；
上反射镜46与周期金属脊结构中的空隙大小为工作半波长的整数倍；
介质块16的材料选用低介电常数的介质材料，如SiO2。
本发明的有益效果是：
与现有技术的传统金属光栅相比，本发明中两个电偶极子同时振荡，因此极大的提高了Smith-Purcell辐射的效率。
附图说明
图1为传统的金属光栅结构示意图；
图2为本发明所述光栅结构示意图；
图3为本发明所述光栅结构中介质块的位置示意图；
图4为本发明所述光栅结构的Smith-Purcell辐射示意图；
图5为实施例所述光栅结构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种用于产生毫米波和太赫兹辐射的光栅结构，其结构示意图如图2所示，包括电子发射极11、周期金属脊结构12、矩形金属块13、电子收集级15、介质块16和反射镜；反射镜包括上反射镜46和下反射镜；矩形金属块13位于周期金属脊结构12的光栅齿的正上方并留有空隙，矩形金属块13与光栅齿均呈直线型周期性排布；每个矩形金属块13和相应的光栅齿中间采用两个介质块16作为支撑，两个介质块16分别位于周期金属脊结构宽度的两端，周期金属脊结构中介质块的位置示意图如图3所示；电子发射极11和电子收集级15分别位于周期金属脊结构长度方向的对侧；上反射镜46位于周期金属脊结构的正上方并留有空隙，空隙大小为工作半波长的整数倍；周期金属脊结构12镶嵌在下发射镜上；
光栅结构的Smith-Purcell辐射示意图如图4所示，电子发射极11发射电子团或电子注，当电子经过光栅齿和矩形金属块13之间时，在周期金属脊结构12和矩形金属块13中诱导出两个镜像电荷，可视为两个偶极子；当电子运动到周期金属脊结构12的槽的上方时，两个镜像电荷与电子之间的距离将发生变化，电子周期性的经过光栅齿和槽，镜像电荷和电子形成的电偶极子将发生振荡，从而激发出电磁辐射。
电子发射极的形状为带状、圆形或椭圆形，用于发射电子团或电子注；本实施例选择带状注，其横截面的尺寸为0.5mm*4mm，其中0.5mm为电子注在Z轴方向上的尺寸，4mm为电子注在Y轴方向上的尺寸。
周期金属脊结构12的周期为500μm，光栅长度为25mm，即为50个周期，光栅齿与光栅槽的占空比为1:1，即光栅齿在X方向的尺寸均为250μm，光栅深度为1200μm，金属块的高度为300μm，金属块位于光栅齿的正上方，其X方向的尺寸与光栅齿一致，即为250μm。
本实施例中用于支撑金属块的两个介质块为SiO2，分别位于光栅Y方向的两端。
当电子团从该新型光栅中穿过时，等效于两个电偶极子同时振荡，将激发出增强的Smith-Purcell辐射。
本实施例采用电子注激励光栅，首先电子注被光栅附近的局域场所相互作用，然后电子注被调制，形成周期的电子团；这些电子团都会在光栅表面激发出Smith-Purcell辐射，而这些辐射中的某些频率将会在谐振腔中谐振，然后最后从输出口输出；最后，这些电子团将会被电子收集极所吸收。
Smith-Purcell在不同的辐射角度，具有不同的频率，本实施例的上反射镜主要用于收集90度方向的辐射，因此可以得到电子的运动速度，即辐射源工作的电压U0，其满足关系：
其中，L为光栅周期,这里选择为500μm，n为Smith-Purcell辐射的谐波次数，λ为设计辐射源的工作波长。当设计工作波长为2mm时，所需辐射源工作电压16kV。
本实施例中上反射镜的设计，其高度H为工作半波长的整数倍，以保证其在Smith-Purcell的-1次辐射范围内是单模工作，谐振腔的谐振波长与结构的尺寸的满足以下关系：
其中H为上反射镜与光栅上表面的距离，L为光栅周期，d为光栅槽宽，b为光栅槽底部到金属块上表面的高度。根据公式，本实施例设计的上反射镜的高度H为7.9mm，约为半波长的8倍。
通过粒子模拟仿真，与传统orotron相比，采用本发明所述光栅的类orotron结构可以极大的增强辐射功率，约为10倍，同时，由于本发明中电子是从两块金属间穿过，因此与电子注互作用的局域场增大，从而减小了器件的起振电流密度。

Claims (6)

1.一种用于产生毫米波和太赫兹辐射的光栅结构，其特征在于，包括电子发射极(11)、周期金属脊结构(12)、矩形金属块(13)、电子收集级(15)、介质块(16)和反射镜；反射镜包括上反射镜(46)和下反射镜；矩形金属块(13)位于周期金属脊结构(12)的光栅齿的正上方并留有空隙，矩形金属块(13)与光栅齿均呈直线型周期性排布；每个矩形金属块(13)和相应的光栅齿中间采用两个介质块(16)作为支撑，两个介质块(16)分别位于周期金属脊结构宽度的两端；电子发射极(11)和电子收集级(15)分别位于周期金属脊结构长度方向的对侧；上反射镜(46)位于周期金属脊结构(12)的正上方并留有空隙；周期金属脊结构(12)镶嵌在下发射镜上。
2.根据权利要求1所述的用于产生毫米波和太赫兹辐射的光栅结构，其特征在于，电子发射极(11)发射电子团或电子注，当电子经过光栅齿和矩形金属块(13)之间时，在周期金属脊结构(12)和矩形金属块(13)中诱导出两个镜像电荷，可视为两个偶极子；当电子运动到周期金属脊结构(12)的槽的上方时，两个镜像电荷与电子之间的距离将发生变化，电子周期性的经过光栅齿和槽，镜像电荷和电子形成的电偶极子将发生振荡，从而激发出电磁辐射。
3.根据权利要求1所述的用于产生毫米波和太赫兹辐射的光栅结构，其特征在于，电子发射极(11)的形状为带状、圆形或椭圆形。
4.根据权利要求1所述的用于产生毫米波和太赫兹辐射的光栅结构，其特征在于，上反射镜(46)与周期金属脊结构中的空隙大小为工作半波长的整数倍。
5.根据权利要求1所述的用于产生毫米波和太赫兹辐射的光栅结构，其特征在于，介质块(16)的材料选用低介电常数的介质材料。
6.根据权利要求5所述的用于产生毫米波和太赫兹辐射的光栅结构，其特征在于，所述介质材料为SiO2。
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