CN108761609A - 一种增强史密斯帕塞尔辐射的光栅 - Google Patents

一种增强史密斯帕塞尔辐射的光栅 Download PDF

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张平
王小松
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Abstract

本发明公开了一种增强史密斯帕塞尔辐射的光栅，属于光栅技术领域。本发明包括电子发射极、光栅齿、光栅槽、金属隔板和电子收集极；电子发射极和电子收集极分别位于光栅结构两端的上方；光栅齿与光栅槽周期性间隔排布；每个光栅槽中均竖直放置有金属隔板。本发明在光栅结构的槽中加金属隔板的结构，形成谐振，使史密斯帕塞尔辐射的方向集中在金属光栅的上半空间，与现有技术的Smith‑Purcell辐射相比，提高Smith‑Purcell的辐射功率。

Description

一种增强史密斯帕塞尔辐射的光栅
技术领域
本发明属于光栅技术领域，具体涉及一种增强史密斯帕塞尔辐射的光栅。
背景技术
电子掠过金属光栅表面激发出Smith-Purcell(史密斯帕赛尔)辐射，其辐射机制可以看作是电子在金属光栅上方运动时，在光栅中诱导出镜像电荷，形成电流，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(奥罗)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，采用一种从物理机制层面提高Smith-Purcell辐射功率的光栅具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种增强史密斯帕塞尔辐射的光栅。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种增强史密斯帕塞尔辐射的光栅，包括电子发射极、光栅齿1、光栅槽2、金属隔板3和电子收集极；电子发射极和电子收集极分别位于光栅结构两端的上方；光栅齿1与光栅槽2周期性间隔排布；每个光栅槽2中均竖直放置有金属隔板3；每个光栅槽2中的金属隔板3的数目与位置均相同；金属隔板3的高度与光栅槽2的深度一致，宽度与光栅槽2的宽度(两个相邻光栅齿之间的间距)一致；
每个光栅槽2中均竖直放置有一个金属隔板；
每个光栅槽2中均竖直放置有多个金属隔板，金属隔板沿光栅槽长度方向的间距可调；多个金属隔板沿光栅槽长度方向呈周期性排布；
电子发射极发射电子团或电子注；
电子发射极的形状为带状、圆形或椭圆形。
本发明的有益效果是：
本发明在光栅结构的槽中加金属隔板的结构，形成谐振，使史密斯帕塞尔辐射的方向集中在金属光栅的上半空间，与现有技术的Smith-Purcell辐射相比，提高Smith-Purcell的辐射功率。
附图说明
图1为本发明所述光栅的结构示意图，其中(a)为俯视图，(b)为正视图；
图2为本发明所述光栅辐射电场的等位图；
图3为本发明所述光栅辐射场的时域波形；
图4为本发明所述加隔板光栅史密斯帕塞尔辐射场与普通光栅史密斯帕塞尔辐射场的时域波形和频谱比较图。
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。
本实施例提供一种增强史密斯帕塞尔辐射的光栅，其结构示意图如图1所示，其中(a)为俯视图，(b)为正视图，包括电子发射极、光栅齿1、光栅槽2、金属隔板3和电子收集极；电子发射极和电子收集极分别位于光栅结构两端(沿Z轴)的上方；光栅齿1与光栅槽2沿Z轴呈周期性间隔排布，周期为600μm，光栅长度为30mm，即50个周期；光栅齿与光栅槽的占空比为1:1，即光栅槽在Z方向的宽度均为300微米，光栅深度为600微米，金属隔板的高度为600微米，金属隔板在Z方向的尺寸与光栅槽的宽度一致，即为300微米；每个光栅槽2中均竖直(平行于YoZ面)放置有金属隔板3，金属隔板的厚度为25-50μm；每个光栅槽2中的金属隔板3的数目与位置均相同；金属隔板3的高度与光栅槽2的深度(沿Y轴)一致，宽度与光栅槽2的宽度(沿Z轴，即两个相邻光栅齿之间的间距)一致；电子发射极发射电子，能量为40keA，电子发射极的形状为带状，其横截面的尺寸为0.5mm*4mm，其中0.5mm指电子注在Z轴方向上的尺寸，4mm指电子注在Y轴方向上的尺寸。
40keV电子掠过结构表面激发的史密斯帕塞尔辐射的频率范围是140-250GHz。
每个光栅槽2中均竖直放置有一个金属隔板；
每个光栅槽2中均竖直放置有多个金属隔板，金属隔板沿光栅槽长度方向的间距可调；多个金属隔板沿光栅槽长度方向呈周期性排布。
光栅齿和金属隔板会在光栅槽中形成一个个光栅井,而电子掠过光栅井上方产生的辐射远高于电子掠过光栅。当电子团从带槽光栅表面经过，在金属中诱导出镜像电荷，从而形成电流，产生的感应电流较现有技术的更大，在周期结构表面产生更强的辐射，激发出Smith-Purcell辐射。而光栅槽中的金属隔板会对史密斯帕塞尔辐射的方向形成约束，从而提高Smith-Purcell辐射的功率。史密斯帕塞尔辐射的频率范围没有改变，即由光栅周期和电子运动速度决定。而本发明的光栅结构辐射总功率提高4倍以上,辐射方向性也更加集中。图2为本发明所述光栅辐射电场的等位图，图3为本发明所述光栅辐射场的时域波形仿真结果，图4为本发明所述加隔板光栅史密斯帕塞尔辐射场与普通光栅史密斯帕塞尔辐射场的时域波形和频谱比较图，表明了史密斯帕塞尔辐射场得到大大增强。

Claims (7)

1.一种增强史密斯帕塞尔辐射的光栅，其特征在于，包括电子发射极、光栅齿(1)、光栅槽(2)、金属隔板(3)和电子收集极；电子发射极和电子收集极分别位于光栅结构两端的上方；光栅齿(1)与光栅槽(2)周期性间隔排布；每个光栅槽(2)中均竖直放置有金属隔板(3)；每个光栅槽(2)中的金属隔板(3)的数目与位置均相同；金属隔板(3)的高度与光栅槽(2)的深度一致，宽度与光栅槽(2)的宽度一致。
2.根据权利要求1所述的增强史密斯帕塞尔辐射的光栅，其特征在于，每个光栅槽(2)中均竖直放置有一个金属隔板，相邻的光栅槽中的金属隔板在同一水平线上。
3.根据权利要求1所述的增强史密斯帕塞尔辐射的光栅，其特征在于，每个光栅槽(2)中均竖直放置有多个金属隔板，金属隔板沿光栅槽长度方向的间距可调；多个金属隔板沿光栅槽长度方向呈周期性排布。
4.根据权利要求1所述的增强史密斯帕塞尔辐射的光栅，其特征在于，电子发射极发射电子团或电子注。
5.根据权利要求1或4所述的增强史密斯帕塞尔辐射的光栅，其特征在于，电子发射极的形状为带状、圆形或椭圆形。
6.根据权利要求3所述的增强史密斯帕塞尔辐射的光栅，其特征在于，光栅齿(1)与光栅槽(2)呈周期性间隔排布，光栅齿与光栅槽的占空比为1:1，周期为600μm，光栅长度为30mm，即50个周期。
7.根据权利要求1所述的增强史密斯帕塞尔辐射的光栅，其特征在于，金属隔板(3)的厚度为25-50μm。
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