CN111341630B - 一种光阴极激发的电磁波发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光阴极激发的电磁波发生器，在现有技术基础上，增加二次电子倍增片，二次电子倍增片沿厚度方向(电子传输方向)有多个微米直径微通道，微通道内壁涂敷有二次电子倍增膜，电子会在微通道内壁发生多次碰撞，每次碰撞会产生数个二次电子。所述二次电子倍增片垂直插入到光阴极与慢波结构或谐振腔之间，光阴极发射的电子束进入到二次电子倍增片的微通道中，实现电子数量倍增，倍增的电子束通过慢波结构或谐振腔，产生电磁波输出。本发明中光阴极结合二次电子倍增片只是作为阴极，类似常规真空电子器件的热阴极，持续发射电子，其中通过二次电子倍增实现了电子束电流倍增，即能量倍增，在输出更高太赫兹频率电磁波的同时，提高输出电磁波信号的功率。

Description

一种光阴极激发的电磁波发生器
技术领域
本发明属于微波器件技术领域，涉及速调管、行波管、返波管等真空电子器件，更为具体地讲，涉及一种光阴极激发的电磁波发生器。
背景技术
真空电子器件包括速调管、行波管、返波管等，采用热阴极发射电子束，电子束在谐振腔或慢波结构中进行速度调制，速度调制的电子束在传输过程中，速度快的电子追上速度慢的电子，形成群聚电子束团，群聚电子束团将能量交给电磁波，从而形成放大或振荡的电磁波输出。真空电子器件具有输出功率高，工作频率高、抗辐射、长寿命的优点，因此在无线通信、卫星通信、广播电视、航空航天、气象雷达、全球定位系统（GPS）、深空探索、医用加速器、导弹制导、保密链路、战场监视、及电子对抗等方面有着极其广泛应用，特别是在各类战斗机、轰炸机、无人机、舰船、坦克和卫星系统中更是不可或缺的，它是现代高端电子信息装备的心脏，具有不可替代的作用。
随着社会的发展，科技的进步，真空电子器件在各领域内应用广度和深度也在不断的增加，同时各个领域对真空放大器的体积，增益，功率，频率和带宽等方面也提出越来越高的要求：雷达，电子对抗系统需要更高功率、更宽带宽、及更高增益的放大器；医疗成像及大数据传输需要更高频率、更宽带宽、更小体积的放大器；在太赫兹科技方面，迫切需求能够填补“太赫兹空隙”的高频率、大功率放大器；而卫星通信、深空探索方面，则需要更小体积、更高功率、更高增益的真空放大器；尤其是埃隆马斯克提出星链构想后，数万颗小卫星将今后数年飞向太空，而且每年有近万颗的替代，迫切需要近十万只放大器构成的通讯系统，这不仅要求新型星载真空放大器体积小、质量轻、增益高，而且还要求结构简单，能够批量生产。总之，发展小体积、轻质量、高增益、大功率、宽频带、结构简单、能批量生产的新型真空电子器件具有重要的科学意义和迫切的现实需求。
光阴极是将激光打到阴极材料表面，激光的光子激发阴极材料外层电子，产生电子束发射。高能加速器常用光阴极产生电子束，并在加速腔中迅速加速。
目前激光能够实现连续波、纳秒、皮秒、飞秒量级大功率输出，对应电子束长度也与其一致，产生电磁波的频率和电子束的长度成反比，故而调节激光长度能够获得最高数百太赫兹的电磁波输出。而常规的行波管、速调管等真空电子器件，尚未能够实现高于1太赫兹的输出。
然而，光阴极真空电子器件由于光阴极产生电子效率低，导致其产生电子束的电流密度低，使得光阴极真空电子器件输出功率低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种光阴极激发的电磁波发生器，在输出更高太赫兹频率电磁波的同时，提高输出电磁波信号的功率。
为实现上述发明目的，本发明光阴极激发的电磁波发生器，包括：
光阴极，激光打在光阴极上，产生光电效应发射电子，形成电子束；
慢波结构（主要针对行波管、返波管）或谐振腔（主要针对速调管、回旋管），用于对电子束进行速度调制，形成群聚电子束团，群聚电子束团将能量交给电磁波，从而形成振荡的电磁波输出；
其特征在于，还包括：
二次电子倍增片，沿厚度方向（电子传输方向）有多个微米直径微通道，微通道内壁涂敷有二次电子倍增膜，电子会在微通道内壁发生多次碰撞，每次碰撞会产生数个二次电子（二次电子发射系数，一般δ>3）；
二次电子倍增片垂直插入到光阴极与慢波结构或谐振腔之间，光阴极发射的电子束进入到二次电子倍增片的微通道中，实现电子数量倍增，倍增的电子束通过慢波结构或谐振腔，产生电磁波输出。
本发明的目的是这样实现的。
本发明光阴极激发的电磁波发生器，在现有技术基础上，增加二次电子倍增片，二次电子倍增片沿厚度方向（电子传输方向）有多个微米直径微通道，微通道内壁涂敷有二次电子倍增膜，电子会在微通道内壁发生多次碰撞，每次碰撞会产生数个二次电子。所述二次电子倍增片垂直插入到光阴极与慢波结构或谐振腔之间，光阴极发射的电子束进入到二次电子倍增片的微通道中，实现电子数量倍增，倍增的电子束通过慢波结构或谐振腔，产生电磁波输出。本发明中光阴极结合二次电子倍增片只是作为阴极，类似常规真空电子器件的热阴极，持续发射电子，其中通过二次电子倍增实现了电子束电流倍增，即能量倍增，在输出更高太赫兹频率电磁波的同时，提高输出电磁波信号的功率。
本发明中电子束时间长度和激光时间长度相同，而目前激光能够实现连续波、纳秒、皮秒、飞秒量级大功率输出，对应电子束长度也与其一致，产生电磁波的频率和电子束的长度成反比，故而调节激光长度能够获得最高数百太赫兹的电磁波输出。而常规的行波管、速调管等真空电子器件，尚未能够实现高于1太赫兹的输出。
此外，（1）、与常规的行波管、速调管等真空电子器件对比，本发明提出的结构，当采用连续激光时能够覆盖常规真空电子器件的工作状态。而采用脉冲激光时，能够直接产生电子束团，辐射电磁波，常规的真空电子器件，无法实现纳秒以下短脉冲工作；（2）、光阴极真空电子器件对比，目前光阴极产生电子束的电流密度低，同时输出功率低。而本发明提出的结构，通过二次电子倍增能够实现高电流密度，大输出功率。与此同时，由于不需要外加聚焦磁场以及输出电磁波功率提高，电磁波发生器体积、质量都可以大幅度减小。其体积与现有电磁波发生器相比，缩小了至原有的一半、增益也将扩大至原来的2倍，并且结构也更简单，可以满足小卫星，相控阵系统等对小体积、轻质量、高增益、可批量生产的新型真空电子器件的迫切需求。
附图说明
图1是本发明光阴极激发的电磁波发生器一种具体实施方式（螺旋线）的结构示意图；
图2是本发明光阴极激发的电磁波发生器另一种具体实施方式（矩形交错双栅）的结构示意图；
图3是本发明光阴极激发的电磁波发生器另一种具体实施方式（椭圆谐振腔）的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图1是本发明光阴极激发的电磁波发生器一种具体实施方式（螺旋线）的结构示意图。
在本实施例中，如图 1所示，本发明光阴极激发的电磁波发生器包括光阴极1、二次电子倍增片2以及慢波线3。在本实施例中，采用慢波结构来进行电子束速度调制，具体为慢波线。
二次电子倍增片2垂直插入到光阴极1与慢波线3之间。二次电子倍增片2沿厚度方向（电子传输方向）有多个微米直径微通道，微通道内壁涂敷有二次电子倍增膜，电子会在微通道内壁发生多次碰撞，每次碰撞会产生数个二次电子（二次电子发射系数，一般δ>3）。
激光打在光阴极1上，产生光电效应发射电子，形成电子束。光阴极1发射的电子束进入到二次电子倍增片2的微通道中，实现电子数量倍增，倍增的电子束4通过慢波线3产生电磁波输出：慢波线3对电子束4进行速度调制，形成群聚电子束团，群聚电子束团将能量交给电磁波，从而形成振荡的电磁波输出。
光阴极1为圆形片，半径为0.1mm，厚度为0.2mm，二次电子倍增片半径为0.1mm，厚度为0.1mm，激光为脉冲激光，从前端进入，产生脉冲电子束，倍增后形成脉冲二次电子注，通过螺旋线3，能够产生0.8-1.5THz电磁波。
图2是本发明光阴极激发的电磁波发生器另一种具体实施方式（矩形双栅）的结构示意图。
在本实施例中，如图 2所示，光阴极激发的电磁波发生器与图1所示结构类似，只是光阴极1为矩形片，长宽为5mm*1mm，厚度为0.5mm，二次电子倍增片2略大于光阴极1，长宽为5mm*1.2mm，厚度为1mm。采用慢波结构来进行电子束速度调制，具体为矩形交错双栅5。光阴极1在激光的激发下产生的脉冲电子束，在二次电子倍增片2的微通道中，实现电子数量倍增，倍增的电子束4通过矩形交错双栅5产生32-40GHz电磁波输出。
图3是本发明光阴极激发的电磁波发生器另一种具体实施方式（椭圆谐振腔）的结构示意图。
在本实施例中，如图 3所示，光阴极激发的电磁波发生器与图1所示结构类似，只是光阴极1为椭圆形片，长轴为0.2mm，短轴为0.1mm，厚度为0.3mm，二次电子倍增片2与光阴极1大小相同，只是增加厚度为0.2mm。采用谐振腔来进行电子束速度调制，具体为椭圆谐振腔6。激光工作于连续波，光阴极1在激光的激发下产生的连续电子束，在二次电子倍增片2的微通道中，实现电子数量倍增，倍增的电子束4通过椭圆谐振腔6对小信号放大，从而产生0.8-1.0THz电磁波输出，实现大功率输出。
以上为三个实例，实际应用过程中，根据设计不同，光阴极、二次电子倍增片及慢波结构材质可以采用无氧铜、不锈钢、钨等金属材料或氮化镓、砷化镓等半导体材料。而发射激光时间长度和电子束的时间长度一致，所以根据不同的应用，可以采用脉冲激光器和连续波激光器产生脉冲激光或连续激光。慢波结构（主要针对行波管、返波管）或谐振腔（主要针对速调管、回旋管）根据设计和应用的不同，可以是螺旋线、折叠波导、矩形双栅，矩形单栅、单谐振腔、多谐振腔、矩形腔、椭圆腔等，并不影响本发明的适用性。相对应的电子束可以为圆柱形，矩形，高椭圆形、环形，就要求光阴极和二次电子倍增片是圆柱形，矩形，高椭圆形、环形。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种光阴极激发的电磁波发生器，包括：
光阴极，激光打在光阴极上，产生光电效应发射电子，形成电子束；
慢波结构或谐振腔，用于对电子束进行速度调制，形成群聚电子束团，群聚电子束团将能量交给电磁波，从而形成振荡的电磁波输出；
其特征在于，还包括：
二次电子倍增片，沿厚度方向即电子传输方向有多个微米直径微通道，微通道内壁涂敷有二次电子倍增膜，电子会在微通道内壁发生多次碰撞，每次碰撞会产生数个二次电子，二次电子发射系数δ>3；
二次电子倍增片垂直插入到光阴极与慢波结构或谐振腔之间，光阴极发射的电子束进入到二次电子倍增片的微通道中，实现电子数量倍增，倍增的电子束通过慢波结构或谐振腔，产生电磁波输出。
2.根据权利要求1所述的光阴极激发的电磁波发生器，其特征在于，所述光阴极、二次电子倍增片及慢波结构材质采用无氧铜、不锈钢、钨、氮化镓或砷化镓。
3.根据权利要求1所述的光阴极激发的电磁波发生器，其特征在于，所述激光为脉冲激光或连续激光。
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