CN110416041A - 一种嵌入式双电子注太赫兹返波振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种嵌入式双电子注太赫兹返波振荡器，包括：一金属波导，一端为注入端，用于电子注输入，另一端为输出端，用于电子注输出；一电子枪双电子注阴极，设置于所述金属波导注入端，与所述金属波导内部空间构成注波互作用区；多个双半圆槽光栅结构，等距间隔排列于金属波导内；一漂移区，设置于所述金属波导注入端与该金属波导中间部位之间，用于将所述多个双半圆槽光栅结构分为第一段双半圆槽光栅结构和第二段双半圆槽光栅结构；输出端口，设置于所述金属波导注入端，用于注‑波互作用后的输出功率，双电子注收集极，设置于金属波导输出端，用来回收注‑波互作用后的电子注。

Description

一种嵌入式双电子注太赫兹返波振荡器

技术领域

本发明涉及真空电子学太赫兹技术领域，尤其涉及一种嵌入式双电子注太赫兹返波振荡器。

背景技术

太赫兹波(Terahertz wave，简称THz)是指波长范围为3mm～30um，频率介于0.1～10THz的电磁波。从频率上划分，太赫兹波位于远红外和亚毫米波段之间，边界部分区域与两个波段有所重叠，但严格意义上来讲属于远红外波段，还称作T射线；从能量上划分，太赫兹波是电子学和光子学过渡领域，是电磁波谱中一个非常特殊的波段，具有独特的电磁波性能。太赫兹波的特性推动了其在反恐安检、环境检测、医疗卫生、农业、生物样品检测和通信领域的研究发展，具有广泛的应用前景。因此发展高功率、紧凑的、便携式小型化太赫兹源一直是国内外研究的目标。

太赫兹波辐射源的产生方法多种多样，主要包括以下几类：基于半导体产生的太赫兹源；基于光子学太赫兹辐射源；基于电真空器件的太赫兹辐射源；基于高能加速器的太赫兹波辐射源等。其中，真空电子器件在过去的几十年中发展迅速，是产生太赫兹波的重要手段之一。电真空器件种类繁多，已经繁衍为一个大家族，如回旋管、返波管、速调管、行波管等，这些电真空器件产生的太赫兹源能工作于常温，效率高、输出功率大、体积小、成本低，具有无可比拟的优势，适合雷达成像、远距离通信、大气探测等有高功率需求的应用。

返波振荡器是一类经典的线性注真空电子注器件，它利用慢波结构上传播的返波与电子注的相互作用实现自激振荡，电磁波的相速与电子注速度方向相反，返波振荡器的最大特点是能够快速宽频带电子调谐，且具有频谱纯度高相位稳定性好的优点，近年来，基于矩形光栅的行波管与返波管的研究成为热点。

本世纪初，意大利学者研究并加工了基于单排栅带状注返波管，经过模拟计算得出该返波管工作频率为0.9-1.1THz，电子效率大于0.16％，输出功率约为100mW。电子科技大学利用对称双栅作为慢波结构，结合带状电子注制成的31.1GHz返波管，实测输出功率超过35mW，互作用效率达14.7％。可以看到，传统的矩形光栅返波管是基于带状注结构的研究，带状注确实在一定程度上能够改善由于尺寸共渡效应带来的限制输出功率的影响，但带状注的电子光学系统、磁聚焦系统较圆形注复杂的多，且难以实现稳定传输，不利用工程上的实际制管。另一方面，当电子注在光栅表面时，由于光栅表面场是衰减场，互作用效率较低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出了一种嵌入式双电子注太赫兹返波振荡器，主要解决高频段太赫兹器件输出功率低、电流密度大，难以实现连续波工作的注-波互作用系统。

(二)技术方案

根据本发明的一方面，提供了一种嵌入式双电子注太赫兹返波振荡器，包括：一金属波导，一端为注入端，用于电子注输入，另一端为输出端，用于电子注输出；一电子枪双电子注阴极，设置于所述金属波导注入端，与所述金属波导内部空间构成注波互作用区，用于发射设定电压的电子注；多个双半圆槽光栅结构，等距间隔排列于金属波导内，与所述电子枪双电子注阴极位于同一条直线，其中每个双半圆槽光栅结构包括两个半圆槽，所述两个半圆槽与所述电子枪双电子注阴极发射电子注方向垂直且位于电子注方向的延长线上，构成双电子注通道；一漂移区，设置于所述金属波导注入端与该金属波导中间部位之间，用于将所述多个双半圆槽光栅结构分为第一段双半圆槽光栅结构和第二段双半圆槽光栅结构；输出端口，设置于所述金属波导注入端，用于收集输出功率，双电子注收集极，设置于金属波导输出端，用于收集注-波互作用后的电子注。

在进一步的方案中，所述双半圆槽光栅结构的两个半圆槽为平行槽，其制备材料为无氧铜，且结构具有周期性。

在进一步的方案中，所述漂移区长度大于所述双半圆槽光栅结构的单周期长度。

在进一步的方案中，所述的输出端口在金属波导注入端第一个双半圆槽光栅结构的下方。

在进一步的方案中，所述电子枪双电子注阴极发射的电子注经过双电子注通道，与第一段双半圆槽光栅结构相互作用产生预群聚的电子束团，在第二段双半圆槽光栅结构内迅速激励起返波振荡，发生超辐射现象，进而通过输出端口输出产生功率放大的太赫兹波。

该结构增强了注波互作用效率并显著提高了输出功率。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明提供的嵌入式双电子注太赫兹返波振荡器具有以下有益效果：

通过将双电子注通道部分嵌入光栅结构中，减小了电子注到光栅的距离，增强了注-波互作用，增强了太赫兹波的输出功率，有利于实现太赫兹源的高功率、小型化以及便携化；

双电子注使结构的输入电流提高一倍，减少了起振时间，减少了阴极电流密度，降低了加工阴极的难度，并能大幅度提高太赫兹返波管的输出功率，有利于工程制管的加工和高功率太赫兹波源的实现；

采用引入漂移段的周期性双半圆槽光栅作为注-波互作用结构，有利于电子注群聚和更好的注波互作用并迅速产生高功率的太赫兹波源，从而有利于太赫兹波辐射源的广泛应用。

附图说明

图1为本发明实施例的嵌入式双电子注太赫兹返波振荡器正面结构示意图。

图2为图1所述振荡器的双电子注通道截面示意图。

图3为图1所述振荡器的输出端口结构示意图。

【附图标记说明】

1-电子枪双电子注阴极； 2-双半圆槽光栅结构；

3-漂移区；4-金属波导； 5-双电子注收集极

6-双电子注通道； 7-输出端口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种嵌入式双电子注太赫兹返波振荡器，如图1至图3所示，包括：一金属波导4，一端为注入端，用于电子注输入，另一端为输出端，用于电子注输出；一电子枪双电子注阴极1，设置于所述金属波导4注入端，与所述金属波导4内部空间构成注波互作用区，用于发射设定电压的电子注；多个双半圆槽光栅结构2，等距间隔排列于金属波导4内，与所述电子枪双电子注阴极1位于同一条直线，其中每个双半圆槽光栅结构2包括两个半圆槽，所述两个半圆槽与所述电子枪双电子注阴极1发射电子注方向垂直且位于电子注方向的延长线上，构成双电子注通道6；一漂移区3，设置于所述金属波导4注入端与该金属波导4中间部位之间，用于将所述多个双半圆槽光栅结构2分为第一段双半圆槽光栅结构和第二段双半圆槽光栅结构；双电子注收集极5，设置于金属波导输出端，用于收集注-波互作用后的电子注；输出端口7，设置于所述金属波导4注入端，用于收集输出功率。

图2为图1所述振荡器的双电子注通道截面示意图，在本发明的示例实施例中，如图2所示，所述双半圆槽光栅结构2的两个半圆槽为平行槽，与所述电子枪双电子注阴极1发射电子注方向垂直且位于电子注方向的延长线上，构成双电子注通道6。

在本发明的示例实施例中，所述双半圆槽光栅结构2制备材料为无氧铜，其结构具有周期性。

图3为图1所述振荡器的输出端口结构示意图，本发明的示例实施例中，如图3所示，所述输出端口7设置于金属波导4注入端，位于在金属波导4注入端第一个双半圆槽光栅结构2的下方。

在本发明的示例实施例中，所述的电子枪双电子注阴极1用于发射设定电压的电子注，该电子枪可以是由圆形或者椭圆形任意一种阴极形状构成，与其相对应的，电子注形状也可以是圆形或者椭圆形中任意一种形状。

所述的多个双半圆槽光栅结构2，位于所述电子枪双电子注阴极1与所述金属波导4构成的注波互作用区中，其内部包括的两个半圆槽为平行真空槽，该结构可以减弱色散的影响，当其工作在返波状态时，可以有效降低该结构的起振电流。

所述的漂移区3设置于所述金属波导4注入端与该金属波导4中间部位之间，用于提高输出功率，该漂移区3将所述多个双半圆槽光栅结构2分为第一段双半圆槽光栅结构和第二段双半圆槽光栅结构两部分，所述电子枪双电子注阴极1发射的电子注经过双电子注通道6，在第一段双半圆槽光栅结构中发生预群聚的电子束团，然后经过该漂移区3，并在第二段双半圆槽光栅结构中产生超辐射现象，从而提高太赫兹返波管的输出功率，使电子注交还给波更多的能量。

所述金属波导4为双端开口的包围结构，用于构成注-波互作用系统的边界，在本发明的示例实施例中，该金属波导4由于加工上的原因会具有一定的损耗。

在本发明的其他实施例中，还可以通过调节外部加载在电子枪双电子注阴极1上的工作电流和漂移区3的长度，得到此结构的较佳输出功率，漂移区3长度比所述双半圆槽光栅结构2的单周期长度要长。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种嵌入式双电子注太赫兹返波振荡器，包括：

一金属波导，一端为注入段，用于电子注输入，另一端为输出端，用于电子注输出；

一电子枪双电子注阴极，设置于所述金属波导注入端，与所述金属波导内部空间构成注波互作用区；

多个双半圆槽光栅结构，等距间隔排列于金属波导内，与所述电子枪双电子注阴极位于同一条直线，其中每个双半圆槽光栅结构包括两个半圆槽，所述两个半圆槽与所述电子枪双电子注阴极发射电子注方向垂直且位于电子注方向的延长线上，构成双电子注通道；

一漂移区，设置于所述金属波导注入端与该金属波导中间部位之间，用于将所述多个双半圆槽光栅结构分为第一段双半圆槽光栅结构和第二段双半圆槽光栅结构；

输出端口，设置于所述金属波导注入端，用于输出功率；

双电子注收集极，设置于金属波导输出端，用于收集注-波互作用后的电子注。

2.根据权利要求1所述的振荡器，所述的多个双半圆槽光栅结构的材料为无氧铜。

3.根据权利要求1所述的振荡器，所述的多个双半圆槽光栅结构具有周期性。

4.根据权利要求1所述的振荡器，所述双半圆槽光栅结构的两个半圆槽为平行槽。

5.根据权利要求1所述的振荡器，所述漂移区长度大于所述双半圆槽光栅结构的单周期长度。

6.根据权利要求1所述的振荡器，所述的输出端口在金属波导注入端第一个双半圆槽光栅结构的下方。