CN115332028B - 一种同轴耦合输出的太赫兹多波切伦科夫发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同轴耦合输出的太赫兹多波切伦科夫发生器，包括环形阴极和磁场线圈；环形阴极用于在高压脉冲作用下向外发射环形相对论电子束；磁场线圈用于为环形相对论电子束提供导引磁场；还包括依次设置于环形阴极后侧的双预调制腔、第一段非均匀慢波结构、漂移段、第二段非均匀慢波结构以及同轴耦合输出波导；同轴耦合输出波导一端同轴套装于漂移段和第二段非均匀慢波结构内，另一端连接于第二段非均匀慢波结构的后侧。本发明能够增强束波相互作用，同时缩短整个器件的长度，降低能量损耗，提高束波转换效率。还能够提高耦合输出效率，同时简化输出模式，有利于后续的模式转换和应用。

Description

一种同轴耦合输出的太赫兹多波切伦科夫发生器
技术领域
本发明属于太赫兹辐射产生技术领域，涉及一种同轴耦合输出的太赫兹多波切伦科夫发生器。
背景技术
高功率太赫兹辐射在成像、雷达、通信、深空探测和高梯度加速等方面具有广泛的应用前景。由于真空电子器件具有相对较高的输出功率，是一种非常理想的太赫兹辐射源，因此得到了大量关注及研究。其中，太赫兹过模表面波振荡器被广泛用于产生太赫兹辐射。然而，由于将慢波结构附近的表面波转换成规则输出波导中的体波较为困难，太赫兹过模表面波振荡器的效率通常较低。
现有的太赫兹过模表面波振荡器如图1所示(Relativistic surface waveoscillator in Y-band with large oversized structures modulated by dualreflectors[J],S.Li,J.G.Wang,and D.Y.Wang,Scientific Reports,2020,10:336,https://doi.org/10.1038/s41598-019-55525-9)。它包括环形阴极01、双反射器02、慢波结构03、输出波导04和磁场线圈05。环形阴极01位于结构前端，在高压脉冲作用下发射环形相对论电子束；双反射器02、慢波结构03和输出波导04依次置于环形阴极01后侧；磁场线圈05安装在整个结构的外围，用于产生约束环形相对论电子束的导引磁场。
工作时，环形阴极1发射环形相对论电子束，在磁场线圈5产生的磁场引导下，经过双反射器2，获得一定的预调制，进一步与慢波结构3中的TM01模表面波相互作用，表面波转化成体波从输出波导4输出。利用该技术，粒子模拟中，在二极管电压为382kV，电流为2.2kA时，如果采用理想导体，则输出功率为138MW，频率为337.7GHz，效率为16.2％，如果采用铜作为结构材料，则输出功率为41MW，效率为4.8％。
该技术采用了单段慢波结构，慢波结构周期数较多，一般为30个，这样不但会导致电磁场能量损耗较大，而且还不利于提高效率；同时，由于采用了较大的过模比，还会导致输出波导中模式较为复杂。
发明内容
本发明提供了一种同轴耦合输出的太赫兹多波切伦科夫发生器，解决了现有技术中存在的单段慢波结构的慢波结构周期数多，导致电磁场能量损耗大且效率低的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种同轴耦合输出的太赫兹多波切伦科夫发生器，包括环形阴极和设置在所述环形阴极外围的磁场线圈；环形阴极用于在高压脉冲作用下向外发射环形相对论电子束；磁场线圈用于为所述环形相对论电子束提供导引磁场；
其特殊之处在于：
还包括双预调制腔、第一段非均匀慢波结构、漂移段、第二段非均匀慢波结构以及同轴耦合输出波导；
所述双预调制腔、所述第一段非均匀慢波结构、所述漂移段以及所述第二段非均匀慢波结构依次设置在所述环形阴极的后侧；
所述同轴耦合输出波导包括导体内筒和第一导体外筒；所述导体内筒一端同轴套装于所述漂移段和所述第二段非均匀慢波结构内；所述第一导体外筒同轴套装于所述导体内筒的外侧，且连接于所述第二段非均匀慢波结构的后侧。
在一种可能的实现方式中，所述第一导体外筒与所述第二段非均匀慢波结构之间设有锥形导体筒；
所述锥形导体筒同轴套装于所述导体内筒的外侧，其大端与所述第二段非均匀慢波结构连接，其小端与所述第一导体外筒连接。
在一种可能的实现方式中，所述漂移段与所述导体内筒之间设置有第二导体外筒；
所述第二导体外筒同轴套装于所述导体内筒外，且与所述导体内筒固定连接。
在一种可能的实现方式中，所述第一段非均匀慢波结构由N1个周期构成，N1≥5；
所述第二段非均匀慢波结构由N2个周期构成，1≤N2≤10；
定义所述周期长为d，微波波长为λ；
所述第一段非均匀慢波结构的内半径为rsws，外半径为Rsws，rsws＞2.5λ，Rsws≈rsws+λ/8，0.3λ≤d≤0.5λ；
所述漂移段半径为Rdr，长度为Ldr，Rsws≤Rdr≤Rsws+λ，d/2≤Ldr≤λ；
所述导体内筒的内径为r1，所述第一导体外筒的内径为r4，所述第二导体外筒的外径为r2，第二导体外筒的内径为r3，所述第二导体外筒与第一导体外筒之间的耦合缝隙长度为L，r1≈rsws－λ，rsws＞r2＞r3≈r4＞r1，d＜L＜N2d+Ldr。
在一种可能的实现方式中，所述导体内筒和所述第一导体外筒之间设有M个支撑块，M≥13；
所述M个支撑块绕所述导体内筒周向均匀分布。
本发明的有益效果是：
1.本发明采用了第一段非均匀慢波结构、漂移段以及第二段非均匀慢波结构相结合的慢波结构，能够增强束波相互作用，同时缩短整个器件的长度，降低能量损耗，提高束波转换效率。
2.本发明采用同轴耦合输出波导进行能量输出，能够提高耦合输出效率，同时简化输出模式，有利于后续的模式转换和应用。
附图说明
图1为现有技术的太赫兹过模表面波振荡器的结构示意图；
图2为本发明提供的一种同轴耦合输出的太赫兹多波切伦科夫发生器的结构示意图；
图3为本发明中第一段非均匀慢波结构、漂移段、第二段非均匀慢波结构和同轴耦合输出波导结构示意图；
图4为本发明中导体内筒与第一导体外筒的径向截面图。
附图说明：
01-环形阴极，02-双反射器，03-慢波结构，04-输出波导，05-磁场线圈；
1-环形阴极，2-双预调制腔，31-第一段非均匀慢波结构，32-漂移段，33-第二段非均匀慢波结构，4-同轴耦合输出波导，41-导体内筒，42-第一导体外筒，43-锥形导体筒，44-第二导体外筒，45-支撑块，5-磁场线圈。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图2是本发明提供的一种同轴耦合输出的太赫兹多波切伦科夫发生器的结构示意图，如图2所示，包括环形阴极1、双预调制腔2、第一段非均匀慢波结构31、漂移段32、第二段非均匀慢波结构33、同轴耦合输出波导4和磁场线圈5。
环形阴极1位于结构前端，在高压脉冲作用下向外发射环形相对论电子束；双预调制腔2、第一段非均匀慢波结构31、漂移段32、第二段非均匀慢波结构33依次设置于环形阴极1后侧；同轴耦合输出波导4包括导体内筒41、第一导体外筒42、锥形导体筒43以及第二导体外筒44；导体内筒41一端同轴套装于漂移段32和第二段非均匀慢波结构33内；第一导体外筒42同轴套装于导体内筒41的另一端外，且位于第二段非均匀慢波结构33的后侧。锥形导体筒43设置于第一导体外筒42与第二段非均匀慢波结构33之间，锥形导体筒43同轴套装于导体内筒41的另一端外，其大端与第二段非均匀慢波结构33连接，其小端与第一导体外筒42连接。第二导体外筒44设置于漂移段32与导体内筒41之间，第二导体外筒44同轴套装于导体内筒41外，且与导体内筒41固定连接。图4为本发明中导体内筒与第一导体外筒的径向截面图，如图4所示，导体内筒41和第一导体外筒42之间设有M个支撑块45，M≥13；M个支撑块绕导体内筒41周向均匀分布。支撑块45沿导体内筒41周向的厚度越小越好。磁场线圈5安装在整个结构的外围，用于产生约束环形相对论电子束的导引磁场。
图3本发明中第一段非均匀慢波结构、漂移段、第二段非均匀慢波结构和同轴耦合输出波导结构示意图，如图3所示，第一段非均匀慢波结构31由N1个周期构成，第二段非均匀慢波结构33由N2个周期构成，满足N1≥5，N2≤10；定义周期长为d，微波波长为λ；第一段非均匀慢波结构31的内半径为rsws，外半径为Rsws，满足rsws＞2.5λ，Rsws≈rsws+λ/8，0.3λ≤d≤0.5λ；漂移段32半径为Rdr，长度为Ldr，满足Rsws≤Rdr≤Rsws+λ，长度d/2≤Ldr≤λ；导体内筒41的内径为r1，第二导体外筒44的外径为r2，第二导体外筒44的内径为r3，第一导体外筒42的内径(即半径)为r4，耦合缝隙长度为L，满足r1≈rsws－λ，rsws＞r2＞r3≈r4＞r1，d＜L＜N2d+Ldr。
工作时，环形阴极1产生环形相对论电子束，在磁场线圈5产生的磁场引导下，经过双预调制腔2和第一段非均匀慢波结构31，电子束获得一定的速度调制，经过漂移段32后，速度调制进一步转换成密度调制，群聚增强，良好群聚的电子束在第二段非均匀慢波结构33中与轴向电场相互作用，将能量交给电磁场，电磁场通过同轴耦合波导4实现有效的耦合输出。
实施例：
各主要结构参数如下：N1＝6，N2＝7，rsws＝2.38mm，Rsws＝2.492mm，d＝0.336mm，Rdr＝2.548mm，Ldr＝0.476mm，r1＝1.568mm，r2＝2.1mm，r3＝2.072mm，r4＝2.072mm，L＝2.562mm。
在Y波段，向外加磁场6.9T，二极管电压200kV，电流1.1kA时，产生太赫兹辐射频率为338GHz，输出模式包含TEM模和TM01模，如果采用理想导体，输出功率为67.3MW，效率30.6％；如果采用铜作结构材料，输出功率为53.4MW，效率24.3％。
与已有技术相比，本实施例输出模式由6个减少为2个；采用理想导体时，本实施例效率从16.2％增至30.6％；采用铜作结构材料时，本实施例效率由4.8％提高到24.3％。
本发明提供的一种同轴耦合输出的太赫兹多波切伦科夫发生器，同时简化输出波导中的模式成分，便于后续的模式转换和应用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种同轴耦合输出的太赫兹多波切伦科夫发生器，其特征在于：包括环形阴极(1)和设置在所述环形阴极(1)外围的磁场线圈(5)；环形阴极(1)用于在高压脉冲作用下向外发射环形相对论电子束；磁场线圈(5)用于为所述环形相对论电子束提供导引磁场；
其特征在于：
还包括双预调制腔(2)、第一段非均匀慢波结构(31)、漂移段(32)、第二段非均匀慢波结构(33)以及同轴耦合输出波导(4)；
所述双预调制腔(2)、所述第一段非均匀慢波结构(31)、所述漂移段(32)以及所述第二段非均匀慢波结构(33)依次设置在所述环形阴极(1)的后侧；
所述同轴耦合输出波导(4)包括导体内筒(41)和第一导体外筒(42)；所述导体内筒(41)一端同轴套装于所述漂移段(32)和所述第二段非均匀慢波结构(33)内；所述第一导体外筒(42)同轴套装于所述导体内筒(41)的外侧，且连接于所述第二段非均匀慢波结构(33)的后侧；
所述漂移段(32)与所述导体内筒(41)之间设置有第二导体外筒(44)；
所述第二导体外筒(44)同轴套装于所述导体内筒(41)外，且与所述导体内筒(41)固定连接；
所述第一段非均匀慢波结构(31)由N1个周期构成，N1≥5；
所述第二段非均匀慢波结构(33)由N2个周期构成，1≤N2≤10；
定义所述周期长为d，微波波长为λ；
所述第一段非均匀慢波结构(31)的内半径为rsws，外半径为Rsws，rsws＞2.5λ，Rsws≈rsws+λ/8，0.3λ≤d≤0.5λ；
所述漂移段(32)半径为Rdr，长度为Ldr，Rsws≤Rdr≤Rsws+λ，d/2≤Ldr≤λ；
所述导体内筒(41)的内径为r1，所述第一导体外筒(42)的内径为r4，所述第二导体外筒(44)的外径为r2，第二导体外筒(44)的内径为r3，所述第二导体外筒(44)与第一导体外筒(42)之间的耦合缝隙长度为L，r1≈rsws－λ，rsws＞r2＞r3≈r4＞r1，d＜L＜N2d+Ldr。
2.根据权利要求1所述的一种同轴耦合输出的太赫兹多波切伦科夫发生器，其特征在于：所述第一导体外筒(42)与所述第二段非均匀慢波结构(33)之间设有锥形导体筒(43)；
所述锥形导体筒(43)同轴套装于所述导体内筒(41)的外侧，其大端与所述第二段非均匀慢波结构(33)连接，其小端与所述第一导体外筒(42)连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种同轴耦合输出的太赫兹多波切伦科夫发生器，其特征在于：
所述导体内筒(41)和所述第一导体外筒(42)之间设有M个支撑块(45)，M≥13；
所述M个支撑块(45)绕所述导体内筒(41)周向均匀分布。
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