KR101705113B1

KR101705113B1 - 자유전자 빔을 이용한 ㎔ 방사파 생성 장치

Info

Publication number: KR101705113B1
Application number: KR1020137004908A
Authority: KR
Inventors: 한스 베. 페. 쿱스
Original assignee: 한스 베. 페. 쿱스
Priority date: 2010-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2017-02-09
Also published as: SG187211A1; JP2013533598A; EP2413343B1; KR20130132404A; US20130264500A1; WO2012013658A1; JP5864570B2; EP2599101A1; EP2413343A1; CA2806448A1; US8648319B2

Abstract

본 발명은, 다이나트론 관(22, 99, 130)을 포함하되, 이 다이나트론 관(22, 99, 130)은 전자원(12, 58, 72, 76, 96, 124, 200, 202), 추출 그리드(14, 44, 68, 64, 82, 186, 188), 높은 이차전자 방출을 위한 물질 조성물로 코팅되는 것이 바람직한 애노드(16, 46, 70, 84, 102, 204, 206)를 포함하는데 이들은 진공 속에 배치되고, 또한 다이나트론 관(22, 40)은 추출기 전압과 애노드 전압 - 추출기 전압이 애노드 전압보다 더 높게 설정됨 - 을 공급하는 전압공급장치(24, 52)와, 애노드 전압을 변조하여 애노드 전압이 동작점 전압(30)으로 설정되도록 하는 발진기(26, 47, 66, 194, 196)에 연결되며, 다이나트론 관(22)의 구성요소들은 발진기 전압이 전압 진동의 전반부에는 애노드 쪽으로 양의 일차 전류를 가속하고, 전압 진동의 후반부에는, 이차전자 전류가 상기 일차 전류의 두 배의 값으로 애노드로부터 추출 그리드(14, 44, 68, 64, 82, 186, 188)로 방출되도록 하여 최종 전류와 전하의 흐름이 상기 일차 전류와 역방향으로 흐르도록 상기 높은 일차 전류를 가속할 수 있도록 배치되는, 자유전자 빔(54, 56, 78, 190, 192)을 이용하여 THz급 전자기 방사파를 생성하는 장치(10, 40, 60, 105, 150)에 관한 것이다. 본 발명은, 상기 다이나트론 관(22, 40)이 두 개의 삼극관 구조체(182, 184)에 연결되되, 상기 삼극관 구조체(182, 184)는 다이나트론 관(22, 99, 130)에 의해 추출 전압이 상기 삼극관 구조체(182, 184)의 그리드(186, 188)에 공급되도록 연결되고, 다이나트론 관의 발진기로부터 제공되는 전압의 전반 반파 동안에 제1삼극관 구조체(182)로부터 전자가 자유전자 빔(190)으로서 방출되고, 한편, 제2삼극관 구조체(184)는 제2삼극관의 방출을 제어하는 전압을 역전시키는 커패시터(194)를 통해 다이나트론 관에 연결되어, 이 제2삼극관 구조체(184)의 추출 전압으로 사용되는 발진기 전압의 이제는 음(-)의 전압으로 강하된 후반 반파 동안에 전자가 자유전자 빔(192)으로서 방출되는 것을 특징으로 한다.

Description

자유전자 빔을 이용한 ㎔ 방사파 생성 장치{DEVICE FOR GENERATING THz RADIATION WITH FREE ELECTRON BEAMS}

본 발명은 진공 상태에서 자유 비행하는 전자 빔으로부터의 THz 전자기 방사파 방출을 이용하는 방사원에 관한 것이다.

높은 주파수의 전자기 방사파(electromagnetic radiation)를 이용하여 여러 장점을 얻을 수 있는바, THz 주파수의 방사파를 얻기 위한 여러 가지 접근 방법이 기술계에 공지되어 있다.

분자 및 고체의 분광기술(spectroscopy)에 있어서 중요한 주파수와 파장의 대부분은 100 기가헤르츠 내지 10 테라헤르츠, 즉, 3mm ~ 30μm의 파장 범위 내에 있을 수 있다. 이 파장 범위 내에서 조정가능하며 이 범위의 테라헤르츠 방사를 위하여, 웨이퍼의 반도체칩 상에 구현될 수 있고 1μW ~ 1W의 범위에서 충분한 전력을 출력하는 초소형의 방사파 방사원(radiation source)의 사용은, 환경 보호, 분석 등의 모든 분야에서의 분광기술 응용에 있어서, 그리고 화학과 물리학을 위시한 군사 분야, 의학 및 생물학에서의 재료 특성연구에 있어서, 기술적인 관점에서 볼 때 상당히 중요하다 할 수 있다. 또한, 이러한 소형 방사원은, 신체 스캐너 등의 보안 응용과, THz 방사파를 사용하는 어레이(배열) 스캐너의 응용에 사용되는 방사원 배열(source array)을 구성하는 데 있어서 필요하다.

전자기 스펙트럼의 테라헤르츠 범위는 스펙트럼의 적외선 영역과 무선주파수(radio frequency) 영역 사이에 있다. 최근의 기술적 진보에 의해, 이 스펙트럼 영역 내에서 가능한 응용을 탐구하는 것이 가능해졌다. 테라헤르츠 영역에서의 전자기 방사파는 의료 영상화 및 보안을 포함한 많은 잠재적 응용을 갖는다.

테라헤르츠 분광기술은 생물학적, 화학적, 및 폭발성 물질을 탐지하고 식별하는 데 사용할 수 있다. 전자기 스펙트럼의 테라헤르츠 범위에서의 분광학적 데이터베이스가 현재 전세계적으로 연구실에서 구축되고 있다. 이러한 응용에서의 테라헤르츠 방사원의 안전한 사용을 보장하기 위해, 생물학적 물질의 분광기술에 대해서 그리고 생물학적 물질과 테라헤르츠 주파수의 상호 작용에 대해서 보다 더 깊이 연구해야 할 필요가 있다. 피부와 테라헤르츠 주파수의 상호 작용에 대한 데이터는 현재 0.1 ~ 2THz에 대해서만 존재하고 있을 뿐이다.

테라헤르츠 스펙트럼의 나머지 부분(2 ~ 30THz)은 미개척 영역으로 남아 있다. 많은 혁신적인 응용에 테라헤르츠 방사원을 현장 적용하기 위해서는, 스펙트럼에서의 테라헤르츠 부분을 보다 더 연구해야 할 필요가 있다. 테라헤르츠 방사원 및 분광기가, 생물학적 조직과 테라헤르츠 주파수 간의 상호 작용을 보다 잘 이해하는 데 필요한 생물학적 연구를 활성화시킬 것이다. 요구 조건으로서, 1W의 지속파(CW) 전력 수준에서 0.1 ~ 7THz의 에너지를 생성할 수 있는 조정(tune)가능한 테라헤르츠 방사원이 요구된다. 강력하고 조정가능하고 가격이 적정하며, 또한, 소형화된 방사원을 개발하고 제작하는 것이 중요하다.

원적외선 범위에서의 특정 주파수를 생성하기 위하여, 간섭성 복사파(coherent radiation), 예를 들어, CO₂ 레이저에 의해 펌핑되는 분자 레이저를 이용할 수 있다.

다른 방사원들은 매우 높은 전자 에너지(예를 들어, 수 MeV(milion electron volt))와 위글러(wiggler)를 이용하여 , 고체 상태 자석(solid state magnet)을 교번시켜서 전자가 축을 중심으로 흔들리도록 하여 전자기 방사파가 방출되도록 함으로써, THz 펄스 전력을 생성한다. 이러한 방사원을 자유전자 레이저라고 부르는데, 이는 특수 고에너지 물리학 연구소에서 매우 비싼 시간당 요금을 내고 이용할 수 있다. 소형이며 휴대도 가능한 THz 방사원을 찾는 데 있어서, 이러한 시설은 적절하다고 할 수 없다.

오늘날의 THz 방사파 방사원은 수 GHz의 발진(oscillation) 주파수를 사용하는 반도체 다이오드(이른바, GUNN 다이오드)를 이용하고 있다(참조: "H. Hartnagel et al. "Ballistic electron waves swing (BEWAS) to generate THz signal power", FREQUENZ Vol 63. Vol 3/4 (2009) 60-62"). 그 다음에 이 방사파를, 특수 필터로 여파하여 기본 주파수의 고차 고조파(higher harmonics)를 추출하고 이를 "THz", 즉, 200GHz 방사파로서 사용한다. 이 다이오드에서 추출된 전력은 μWatt 급이다. 다이오드의 사용가능한 주된 전류는 줄열(Joules heating)에 의해 제한된다. 상위 GHz 및 하위 THz 급에서의 강력한 방사원에 대한 요구사항에 대해서 반도체는 목적 달성을 할 수 없다. 고체에서의 전류와, 전류 밀도는 진동(vibration)하는 원자 격자(atomic lattice)로부터의 줄열에 의해 제한된다. 이것이 상기 장치에 대한 난벽이다.

원적외선 범위에서 보다 높은 출력 전력을 갖는 간섭성 방사파를 생성하는 또 다른 방법으로서, 이른바 스미스-퍼셀(Smith Purcell) 효과에 기반을 둔 것이 있다. 이것은 "S. J. Smith, E. M. Purcell, Phys. Rev. 92, 1069 (1953)"을 통해 제안되었다. 이 새로운 원리는 스미스-퍼셀 효과를 기반으로 하며, 금속 격자(grating)를 횡단하는 자유전자 빔을 사용하여 이 격자가 간섭성있게 THz 방사파를 방출하는 진동 표면 전하(vibrating surface charge)로서 작용하도록 한다. 정류 방출된(standing emitted) THz 파와 DC 기본 빔(DC primary beam)의 상호 작용에 의해서, 빔의 결집(bunching)이 일어나고 쌍극자 방사파(dipole radiation)의 방출이 증강된다. 이 방식은 "자유전자 레이저"로 알려진 방법과 유사한 방사파 생성을 제공한다. 거시적인 전자원(electron source)과 100~300μm 주기를 갖는 회절 격자를 사용하여 최대 1mW 전력을 갖는 편극된 방사파(polarized radiation)의 간섭성 방사장(coherent radiaton field)을 생성할 수 있다. 이러한 방사원은 또한, 미국특허 6,909,104 A에서도 소형화된 형태로 제안되어 있다.

참고문헌 "Intensity of Smith-Purcell Radiation in the Relativistic Regime"(J. Walsh, K. Woods, S. Yeager, Department of Physics and Astronomy, Dartmouth College, Hanover, N.H. 03755, U.S., pages 277-279)이 이러한 스미스-퍼셀 방사파 방사원 이론을 논하고 있고, 또한, 실험 결과를 제공하고 있다. 참고문헌 "A New Source of THz-FIR Radiation"(LEOS NEWSLETTER, February, 1999 by J. E. Walsh, J. H. Brownell, J. C. Swartz, Department of Physics and Astronomy, Dartmouth College, Hanover, N.H. 03755-3528, and M. F. Kimmitt, Department of Physics, Essex University, Colchester, UK, Jan. 7, 1999, pages 11-14)이 테라헤르츠 영역에서의 방사파 방사원의 설계 및 동작 모드에 대해 논하고 있다. 실험에 의해 "M. Goldstein, J. E. Walsh, M. F. Kimmit, J. Urata, C. L. Piatt, Appl. Phys. Lett. 71, 452 (1997)"에 개시된 접근방식의 가능성이 보였다. 이들 테라헤르츠 방사파 방사원은 완벽하게 효율적인 것일 수 있지만, 많은 분석 응용의 경우에는 아직 충분치 않고, 아직 충분한 정도로 소형화되지 않았다.

유럽특허 EP 1 186 079 B1의 소형화된 스미스-퍼셀 THz 방사파 방사원에서 이러한 효과를 이용하며, 이를 설명하고 있다. 이 방사원은, DE 10 302 794 A1에 개시된 것과 같이, 전자 방출기 및 소형 집속(focusing) 광학계처럼, EBID(전자 빔 유도 증착) 기술 및 핵심 구조물의 3차원 직접 증착(3-dimensional direct deposition)을 이용한 자기 재현 제작(self reproducing fabrication) 기술을 이용하여 소형화된다.

스미스-퍼셀 효과를 기반으로 하는 THz 방사원은 금속 격자에서 손실되는 문제가 있고, 그 출력 전력은 이론적으로 최대 1mW 까지 얻을 수 있음을 주목해야 한다.

본 발명의 목적은 높은 출력 전력을 갖는 THz 영역에서의 전자기파를 방사하는 장치를 제안하는 것이다.

본 발명은 다이나트론 관(Dynatron tube)이 전자기 방사파를 생성하는 것으로 공지되어 있다는 지식에 기반을 두고 있다.

다이나트론 발진기(oscillator)는 기존 기술, 즉, 자려 발진(self excited oscillation)의 메커니즘을 설명하는 교재 및 음의 기울기를 갖는 전류 전압 특성을 구하는 방법에 관한 원칙으로부터 공지되어 있다. 상기 음(-)의 기울기는 자려 발진기 및 전파 방출관(radio waves emitting tube)을 구성하는 데 사용할 수 있다.

또한, 직접적으로 전자기 방사파를 생성하는 데 다이나트론 관을 사용할 수 있는 종래 기술이 프랑스특허 FR 581 147과 독일특허 DE 69 304 C를 통해 알려져 있다. 이들 장치의 방사파 전력은 THz 주파수로 이들 장치를 구동시킬 수 있을 만큼 높지는 않다.

그러나 2차 세계대전 이전 시대에는 진공관 기술에 의해 10MHz급의 쌍극자 방사파(dipole radiation)의 파장만을 얻을 수 있었고, 그 다음에 이를 추가적인 무선 송신관과 와이어 안테나를 통해 송신할 수 있었을 뿐이다.

따라서 다이나트론 발진기 관은 1930년대부터 알려져 있다. "H. Barkhausen, Dynatron in Elektronenrohren Band 1 (1945) S.75 und Bd.3 (1935), S.73ff, Hirzel Verlag Leipzig"에서는 진공관 제작 기술로 얻을 수 있는 주파수 범위는 < 10MHz로 한정됨이 개시되어 있다. 전자기 방사파는 송출용 증폭관과 와이어 안테나를 사용하여 방출된다. 전자기 방사파의 송출 전력은 안테나 와이어의 가열에 의해 발생하는 저항성의 줄 손실(Joules loss)에 의해 제한된다. Lecher 2 와이어 송신기의 시스템 효율은 5%인 것으로 보고되어 있다(참조: "H. Barkhausen, Elektronenrohren Band 3 (1935) S.109 u Hirzel Verlag Leipzig")

다이나트론은, 캐소드 전위, 강하게 양성(+)인 추출기 그리드(extractor grid) 및 이보다 낮은 양성인 애노드(anode) 전위에서의 전자 방출기(electron emitter)를 갖는 삼극관(triode tube)이다. 다이나트론은, 애노드에 부딪힌 전자가 애노드로부터 특정 개수의 이차전자로서 해방되는(release) 효과를 이용한다. 이 비율은 전자 에너지, 애노드 재료, 그리고 이에 의한 전류에 따라 달라진다. 추출 전위를 높이면, 애노드에서 그리드로 흐르는 이차전자 전류가 증가하여 관의 전류가 감소되며, 이에 따라 관의 전류 전압 특성(I/V 곡선)이 떨어지기 시작하는 것이 관찰되었다. 이 때문에 I/V 곡선의 양의 기울기 대신에 I/V 곡선은 음의 기울기를 갖게 된다. 애노드 회로에 LC-조합(인덕터 및 커패시터 발진 회로)과 같은 공진 회로(resonance circuit)를 사용함으로써 I/V 곡선의 음의 부분에 대한 동작에 있어서 진동을 일으키는 것이 가능해진다. 다이나트론은 따라서, 무선 송신국에서 발진기로서 사용되었다. 무선 관 및 제작 기술에 의해, 1930년대에 이르른 진동 주파수는 상위 MHz급이었다. 트랜지스터와 반도체 회로로의 기술 전환에 따라, 상위 MHz급 및 하위 GHz급으로의 발진기의 성공적인 발전이 가능하였다.

이러한 어려움을 극복하기 위해 1961년에 켄 숄더(Ken Shoulder)는 진공관 내에서 자유롭게 나는 전자를 이용하는 것을 제안했다(참조: Shoulders, K. R. (1961). Microelectronics Using Electron-Beam-Activated Machining Techniques. In: Advances in Computers. Franz Alt, ed., Academic Press, New York, 135-293).

그러나 모든 전자공학 분야에서의 트랜지스터의 승리는 정보 전송용으로서의 진공 전자소자의 개발을 중단시켰다. 그러나, 진공 전자공학은 "마이크로파" 전력원, "자이로트론(Gyrotron)", 기타 오늘날의 위성 전송관의 개발로 이어졌다.

본 발명의 사상은, 두 "자유전자 빔"을 이용하여 테라헤르츠 방사파의 방출을 제어하는 방식으로 다이나트론 발진기를 활용하는 것이다.

본 발명은 "테라헤르츠 방사파 방사원"에 관한 것이다. 위에서 설명한 바와 같이, 본 장치는 신규 방식으로 자유전자 빔과 결합된 다이나트론 발진기 삼극관의 원리를 새로운 방식으로 이용한다.

본 발명에 따르면, 자유전자 빔을 이용하여 THz급 전자기 방사파를 생성하는 장치는, 위에서 설명한 기능을 하는 다이나트론 관을 포함한다. 이 다이나트론 관은 전자원(electron source), 추출기 그리드(extractor grid), 및 높은 이차전자 방출을 위한 물질 조성(예를 들어, Cu-Be 합금)으로 코팅하거나 제작하는 것이 바람직한 애노드(anode)를 포함한다. 다이나트론 관의 모든 구성요소는 진공 내에 설치된다.

또한, 다이나트론 관은 추출기 전압과 애노드 전압(추출기 전압이 애노드 전압보다 더 높도록 설정됨)을 공급하는 전압공급 장치에 연결된다. 본 장치는 또한, 애노드 전압을 변조하여 애노드 전압을 동작점 전압으로 설정되도록 하는 자려식 발진기(self exciting oscillator)를 포함한다. 이 장치의 구성요소들은, 발진기 전압이, 전압 진동(swing)의 전반부에는 양의 일차 전류(primary current)가 애노드로 흐르도록 이를 가속하고, 전압 진동의 후반부에는, 이차전자 전류가 일차 전류의 두 배의 크기로 애노드로부터 추출기로 방출됨으로써 순(net) - 최종(resulting) - 전류와 전하의 흐름이 상기 일차 전류의 역방향으로 흐르도록 상기 높은 일차 전류를 가속할 수 있게 구성된다.

이 장치는 THz 주파수에서의 전자기 쌍극자 방사파의 방출에 필요한 자유롭게 유동하는 전하를 생성한다. 특히, 이 장치는 첨가제 리소그래피(additive lithography), 미소기계적(micromechanical) 리소그래피 및 공정, 나노 리소그래피 방식 중 하나를 사용하여 절연체에 집적되어 진공 캐비티 내에 설치되는 다이나트론 관 및 발진기 회로로써 THz 주파수에서의 전자기 쌍극자 방사파의 방출에 필요한 자유 유동 전하를 생성한다. 각 방사원은 진공 상태의 공진기 내에 설치되며 방사파를 방출하기 위한 적어도 하나의 투명창을 갖추고 있다.

본 발명에 따르면, 다이나트론 관은 적어도 두 개의 삼극관 구조체에 연결된다. 여기서, 이들 삼극관 구조체는 서로 대향하여 위치하며, 해당 방향으로 전자 빔을 전송한다. 이들 삼극관 구조체는, 추출 전압이 다이나트론 관에 의해 삼극관 구조체의 추출 그리드에 공급되도록 연결된다. 다이나트론 관에서 공급되는 전압의 전반 반파(first half-wave) 동안에는 제1삼극관 구조체가 전자를 자유전자 빔으로서 방출한다. 한편, 제2삼극관 구조체는 이 제2삼극관의 방출을 제어하는 전압을 역전시키는 커패시터를 거쳐서 다이나트론 관에 연결되어 있다. 제2삼극관 구조체는, 이 제2삼극관 구조체의 추출 전압으로 사용되는 다이나트론 전압의, 이제는 음(-)의 전압으로 강하된 후반 반파(second half wave) 동안에 전자를 자유전자 빔으로서 방출한다. 이들 자유 빔은 각각, 쌍극자 방사파의 반파를 방출한다.

따라서 이 구성에 따르면, 다이나트론 관은, 두 개의 별도로 설치된 3극 진공관의 그리드에 인가되는 진동하는(oscillating) 그리드 전압용 전원으로서 사용할 수 있다. 두 3극 진공관은, 반대 방향으로 비행하는 두 자유전자 빔을 생성하도록 서로 중첩 설치될 수 있으며, 제2관의 그리드 공급선에 연결된 커패시터에 의해 극성이 역전된, 제2관용 그리드 전압에 의해 스위칭된다. 이로써, 반대 방향으로 비행하는 두 빔이 서로 반대의 위상을 갖는 효과도 또한 발생한다.

방사파는, 원하는 THz 주파수의 방사에 맞게 설계된 크기의 공진기 구조 내로 방출되는 것이 바람직하다.

특히, 이 장치는 발진기 전압의 THz 주파수의 진동을 가능케 하기 위해서 소형화 방식(특히 다이나트론 관)으로 제작된다.

제1의 유익한 실시예에서, 애노드와 추출 그리드 사이의 거리는 생성되는 방사파(진동하는 발진기에 의해 인가되는 주파수)의 반 파장과 일치한다.

본 발명에 따른 "자유전자 빔을 이용한 소형화된 다이나트론 발진기 테라헤르츠 방사원"에 대해서 다음과 같이 설명한다. 구성에 있어서는, 발진기 및 전자기 방사파 방출기로서 하나의 다이나트론 발진관만을 이용한다. 소형화된 전자 전계 방출기와 추출기가 구멍(관통공)의 곁에 설치되도록 전자 빔의 경로가 형성된다. 방출기와 추출기 간의 거리는 < 10μm이다. 빔은 관통공을 가로질러서 날아가 애노드에 부딪힌다. 방출기와 애노드 간의 거리는 생성되는 전자기 방사파의 반 파장(예를 들어, 200GHz에서 750μm)과 일치한다.

방출기로부터 애노드로 날아온 전자들은, 안테나처럼, 1반파의 방사파를 방출한다. 진동의 1반파 동안에는 양(+)의 총 전류가 캐소드에서 애노드로 흐르도록 하고, 후반 반파 동안에는 부딪히는 전자의 전압이 증가해서 캐소드 방출 전류의 2배 값을 갖는 이차전자 전류가 되도록, 애노드 재료와 애노드에 전자가 부딪히는 에너지를 선택한다.

이 결과, 후반 반파 동안에 반대 방향으로 애노드에서 그리드로 흐르는 전체적인(total) 순 전류(net current)가 얻어진다. "H. Matsumoto, 'Development of the C-band (5712 MHz) 50MW Class PM Klystron (II)' Proc. 26th　Linear Accelerator Meeting Japan, 2001"의 문헌에 따르면, 각 반파에서의 이러한 역방향 순 전류에 의해, 자유전자 빔은, 안테나 와이어에서의 저항 손실의 문제가 있는 Lecher 송신기가 그러하듯이, 최대 47%까지의(최소한 5% 이상의) 빔 에너지를 방사파로 방출하는 쌍극자 전자장을 생성한다. 100V의 추출 전압에서 그리고 10mA의 총(total) 전자전류에 의해서, 방출되는 THz 방사파 전력은 470mW(최소한 50mW)가 될 수 있다. 100mA와 200V를 사용하면, 1W의 방출을 기대할 수 있다. 다이나트론 회로에 조정가능한(tuneable) 커패시턴스를 사용하면 발진 주파수를 변경할 수 있다. 따라서 시스템도 조정할 수 있게 된다. 전자 빔은 200GHz에서의 1반파 동안에, 그리드-애노드간 거리(즉, 375μm)를 날아야 한다. 이 거리는 또한, 역전된 순 전류의 비행거리이다. 이렇게 높은 전류를, 예컨대 30μm의(반파장의 1/10에 해당될 것임) 매우 작은 면적에서 얻어야 한다. 캐소드의 면적을 30μm×1μm = 3×10^-7cm²로, 총(total) 전류를 30mA로 가정하면, 캐소드는 10×10⁴= 0.1MA/cm²의 전류밀도를 출력해야 한다. W 와이어에 0.125MA/cm²가 공급되면 이 와이어는 녹는다.

발진기는 적어도 하나의 저항과 적어도 하나의 인덕터와 적어도 하나의 커패시터를 포함하는 변경가능한 복합 저항으로서 구현하거나, 또는, 이상 거론한 세 가지 구성요소들 중 한 가지 유형 또는 두 가지 유형만을 사용할 수 있다. 이들 요소들은, 기본적인 전자기술 교육을 통해 공지되어 있는 것과 같은 병렬 공진기 또는 직렬 공진기를 구성할 수 있다. 유익한 방식으로서, 커패시터 또는 인덕터는 조정가능하다. 이 방식, 즉, 방사원의 미세 조정은 발진기 커패시터를 외부에서 변경시킴으로써 실시된다. 또한 다른 경우에는 발진기 인덕터의 변경을 이용할 수 있다. 어느 경우라도, 커패시터의 크기, 또는 인덕터에 의한 자기장을 전압 제어에 의해 추가적으로 변경시키는 것은, 예컨대, 추가 전극을 커패시터 근처로 이동시키거나, 예를 들어 선로 길이를 병렬로 추가 연결하여 인덕터를 추가적으로 변경시킴으로써 취해진다.

높은 주파수를 얻기 위해 필요한 짧은 거리를 만들기 위해, 다이나트론 관과 발진기 회로는 초소형 구조(microstructure)로 구현하는 것이 유익하다. 즉, 애노드, 추출기 그리드, 및 전자원을 높은 열 전도성과 낮은 저항의 와이어에 연결하고, 이들을 첨가제 리소그래피, 미소기계적 리소그래피 및 공정, 나노리소그래피 방법 중 하나를 사용하여 붕소 질화물(BN)이나 다이아몬드와 같은 양호한 열 전도성의 절연체 위에 집적하여 진공 상태의 공동 내에 설치한다.

본 발명에 따르면, 다이나트론 관은 열전자원 또는 냉전자원을 갖는 소형화된 형태로 제작될 수 있다.

특히, 전자원은 점 형태의 설계 및 재료와 낮은 일 함수를 가지며, 최소한, 비교적 낮은 전압에 응답하여 전자를 방출하며, 첨가제 나노리소그래피를 이용하여 전계 방출기(field emitter)의 어느 팁에라도 증착된다. 전자원은 첨가제 나노리소그래피를 이용하여, 안정용 직렬 저항(stabilizing series resistance)을 갖는 양호한 전도성 재료로부터 형성되는, 0.1μm 미만 반경의 팁을 갖는 와이어 형태의 냉 전계 방출기인 것이 유익하다. 여기서, 와이어는 컴퓨터 제어식 증착 리소그래피를 이용하여 직선형 설계와 곡선형 설계 중 적어도 하나의 형식으로, 전계 방출기의 임의의 팁에 있는 여하한 전기 단자(terminal) 및 연결부(connection)를 위한 도체 선로 구조체의 표면 상에서 자유롭게(닿지 않게) 끝나도록 배치된다.

다른 실시예에서, 전자원은 냉 전계 전자를 방출하는 측면 방출기(edge emitter)의 형태로 금속으로 제작된다. 방출 측면(edge)의 길이는 THz 방사 파장의 < 0.25이며, 표준 방출기 재료(탄소, 텅스텐, 금, 백금, 이리듐 또는 기타 내화성 또는 일반 금속과 이들의 혼합물 및 합금)가 갖는 것과 같은 대략 4 eV의 일함수를 갖거나, 또는 반도체(예를 들어, 실리콘, GaN(갈륨질화물))의 경우와 같은 2.4 eV의 낮은 일함수를 갖고, 안정용 직렬 저항과, 측면 방출기로부터 짧은 거리에 있으며 측면 방출기 날(blade)의 위와 아래에 위치하는 두 개의 금속날 형태로 제작된 애노드에 빔을 집속시키는 집속용 원통형 렌즈(focusing cylinder lens) 형태로 구성되는 추출기를 갖되, 이는 동일한 추출 전위를 가지며 광학 빔/전자 빔 리소그래피에 의한 패턴형성 및 그 후속으로 미소기계적 에칭과 증착 공정을 이용하여 제작되며, 그리고 방출기, 추출기 및 애노드 제작 공정단계와 별도의 공정단계에 의해 또는 이와 병행하여, 절연 기재에 형성된 금속 도체선을 통해서 외부의 전원장치에 연결되는 애노드 금속 영역, 및 방출기와 추출기 전극을 갖는다.

테라헤르츠 방사파 방사원은 또한, 전기 단자와 연결부 중 적어도 하나를 통해서 소형 전자원에 연결되어 전자원으로부터의 방사를 안정화시키는 제어가능한 전압원을 포함할 수 있는데, 이때 전계 방출기의 임의의 팁에서 나오는 전자 빔은 애노드의 전극에 모인다.

다른 유익한 실시예에서 다이나트론 관은 출력 효율을 향상시키는 도파관 공진기(wave guide resonator)의 벽으로 둘러싸여 있다. 도파관 공진기에는 렌즈가 덮여질 수 있다. 예를 들어서, 실리콘 등의 THz 방사파에 대해 투명한 재료로 만든 집속 렌즈를 공동의 창에 사용함으로써, 목표 영역으로의 빔의 유도 및 집속이 이루어진다.

또다른 실시예에서, 소형화된 다이나트론 관 및 발진기는, 전계 전자 방출기(field electron emitter), 정전기식 추출기(electrostatic extractor) 또는 추출 렌즈, 애노드, 발진기 회로, 전위 공급 분배기, 및 금속선들로 구성되며, THz급의 전자기파를 구속(confine)하는 공동 공진기(cavity resonator)를 이루는 직사각형 형태의 전도성 하우징으로 둘러싸여 있다. 이 하우징의 규격(dimension)은 THz 방사원에서 방출될 방사파의 주파수와 파장에 맞춰지고, 미소기계적 방식으로 제작된 전도성이 높은 금속제 내벽을 갖고, 방사파를 반사하는 바닥의 상부에 있는 절연성 저부와, THz 방사파에 대해 투명한 소재로 만들어지며 생성된 전자기 방사파를 기술적인 사용을 위하여 주변 압력이 작용되는 외부로 투과시키는 천장 창을 갖는 막음 구조(covering structure)에 의해서 접합 기술을 사용하여 진공 상태로 캡슐화된다.

본 발명의 추가적 개선사항은, 추출기와 애노드 사이에 개방된 관통공을 갖는 절연성의 중앙에 배치된 기재(base)의 상부와 하부에 설치된 두 개의 소형화된 다이나트론 관 구조 및 발진기에 의해 달성될 수 있는데, 이로써 두 개의 자유전자 빔이 방출기에서 방출되되 공시적으로(in synchrony) 방출되며, 두 개의 집속 렌즈가 공동 공진기의 각 측에 설치되어 단일 빔 시스템에 비해 두 배의 전자기 방사 전력을 출력하게 된다.

또다른 실시예는, 도파관 공진기 또는 공동 공진기 내에 모두 집적 설치되는 발진기 회로를 갖는 소형화된 구조로서, 이에 따르면 0.1 ~ 2THz의 주파수 범위에서 최대 1W 전력을 내는 높은 효율의 전자기 방사파를 방출할 수 있다.

오늘날의 보안 문제와 화학 탐지 및 분석 시스템은 0.1 ~ 2THz 급의 강력하고, 소형이며, 조정가능하고, 가능하면 휴대할 수 있는 방사파 방사원을 필요로 한다. 보안 응용에서는 4×4×4mm³ 보다 작은 크기의 방사원 배열(array) 제품이 요구된다. 이 시스템의 가격은 적정해야 하며 그 출력 전력은 1W까지 나와야 한다.

또한, 방사원의 전체 부피가 작아야 한다. 더 높은 차수의 고조파를 추출하는 도파관 망이 특별히 필요하지는 않다. 오늘날의 미소기계 기술에 따라, 배열체의 제작 비용이 낮아져서 THz 스캐너를 사용하는 보안 시스템을 보다 더 소형화하는 것이 가능하다.

지금 여기에 소개하는 발명에서는, 진공 공진기 내부에서 자유 비행하는 전자 빔을 생성하기 위해 다이나트론 관을 소형화된 형태로 사용한다. 이는 > 5%의 에너지를 방사하는데, 이는, 스미스-퍼셀 방사기의 능력(< 0.1%) 보다 훨씬 더 큰 양이다.

다이나트론 관의 구성요소들이 진공 환경 내에 있어야 하기 때문에, 다른 실시예에서는 전체 장치, 즉, "자유전자 빔을 이용한 소형화된 다이나트론 발진기 테라헤르츠 방사원"을, 펌핑실에 연결된 진공실 내에 구성할 것을 제안한다. 펌핑실에는 접합에 의해 구조물을 밀봉한 다음에 진공을 유지하기 위해 게터(getter) 물질이 구비된다. 다른 방식으로서, 다이나트론 관이 들어있는 공동 근처의 진공실 내에, DE 10 241 549 B4에 개시된 것과 같은 능동형의 소형 오비트론(Orbitron) 펌프를 배치하고 제작할 수 있다.

유익한 실시예에서, 펌핑실을 본 장치에, 특히 공동 공진기에 부착할 수 있고, 전자기 방사파는 반사시키되 펌핑실의 진공은 통과시키는 그리드 또는 메쉬 구조를 통해서 그 체적에 연결할 수 있다.

진공은 기존의 고진공 펌프 시스템에 의해 제공될 수 있고, 그리고/또는 예컨대 소형 "오비트론" 펌프와 같은 소형 진공 펌프 및/또는 증착해놓은 이온성 게터 물질이 고진공을 형성한다.

일반적으로 게터 물질은, 전계 방출 방사원의 동작이 오랫동안 제대로 이루어지도록 요구되는 압력(예컨대 <10^-5Pa)으로 공동 내의 공기를 제거하기 위한 것이다. 게터 물질은 전극에 의해 활성화되어 캡슐화 밀봉 구조 내에 필요한 진공을 형성하고 유지할 수 있다.

또한, 다이나트론 발진기의 진공실은 THz 전자기 방사를 위한 공진기로서의 역할을 하도록 설계 및 구성된다. 공진기 구조는 1 파장의 선택에 고정되어 제작된다.

다른 실시예에서는, 파장을 조절(adjust)할 수 있다. 즉, 다이나트론 방사원을 조정(tune)할 수 있다. 조정가능한 다이나트론 발진기는, 발진기 회로의 커패시터를 미세 조정함으로써, 그리고 벽(또는 벽들)을 이동시켜서 공진기를 조정함과 병행하여, 애노드 상의 일차전자 빔의 충돌 위치를 이동시킴으로써 전자 빔의 길이를 제어하기 위하여 추출기 근방에서의 정전기 또는 자기적 빔의 편향 자계를 이용하여 전자 빔의 도착점을 미세 조정함으로써 구현할 수 있다.

설계상의 또다른 바람직한 실시예에서, 공진기 구조는, 공진기를 적응시킴으로써 조정가능 방사원에 대해 THz 방사파를 선정하고 조정하는 적어도 하나의 이동식 벽을 갖도록 설계하고 가공한다. 이 벽은 공진기의 외부에 위치하는 정전기 액츄에이터를 통해 이동하는 미소기계적으로 제작된 전도성 날을 이용하거나, 그 밖의 다른 기계적 전기적 수단(가령, 형상기억 금속인 NiTiNOL을 사용한 액츄에이터)을 이용하여 이동가능하게 제작할 수 있다. 상기 액츄에이터는 전류 흐름에 의해 열이 가해지면 휘어지거나 수축될 수 있다.

또다른 설계에 있어서는, 그리드와 애노드 사이의 다이나트론 빔 경로 영역이 개방형 구조이며, 제2의 "다이나트론 발진기 삼극관"이 제1 구조 아래에 구성 및 배치된다. 빔들은 서로 평행하게 그리고 동상(in phase)으로 비행한다. 이로써 방출되는 방사파의 전력이 두 배로 된다.

유익한 실시예에서 본 시스템의 진공 용기 내의 캡슐화는, 예컨대 실리콘이나 기타 THz에 대해 투명한 소재로 만들어진 하나 또는 두 개의 THz 방사파 투과 렌즈를 공진기 벽에 접합함으로써 달성된다. 방출되는 THz 방사파 빔은 상기 렌즈에 인접하여 외부에, 전자 빔의 중간 평면에 대해 소정 각도로 기울어진 미러를 설치함으로써 안내될 수 있다. 이 방식에 따르면, 방출되는 방사파를 보다 더 광폭의 빔으로 형성하여, 두 개의 발진기 구조의 중간 평면에 대해 평행하게 생성 및 안내될 수 있다.

특별한 방법으로서, 본 장치를 방사원 셀의 양쪽에서부터 THz 방사파를 방출하는 "THz 방출기 셀"로서 구성할 수 있으며, 이는 기울어진 THz 방사 미러를, 평행한 방향으로 방사파를 안내하는, 예컨대, 조밀한 금속 메쉬 면의 형태로 이용하고 있으며, 스캐너 선형 방사원 배열의 구성요소로서 보안 시스템에 요구되는 것과 같이, 떨어진 거리에 있는 탐색 대상 물체에 방사파를 조사하여 집속하기 위한 적어도 하나의 THz 방사파 집속 렌즈를 사용한다.

이 설계는 보안의 목적으로 스캐너에 사용되는 선형 배열 방사원과 THz 방사원을 조합한 제작에 유익하다. 이 설계는 또한, 예컨대 바코드를 이용한, 예컨대 상용 제품 특성화에서의 이러한 보안용 스캐너 응용을 위한 소형화된 방사원 배열체에 유익하다.

상업적으로 입수가능한 게터 물질을 사용하여 mm 내지 cm 크기의 공동 내부를 진공으로 만들 수 있고, 집속 렌즈와 와이어 격자 반사판 등, THz 방사파에 대해서 투명한 실리콘 제품을 사용하여 공진기를 막을 수 있다는 사실로, 요구되는 진공 체적을 보다 더 소형화할 수 있고 많은 소형화된 THz 방사원을 열(row) 형태로 제작할 수 있다. 그 다음에 이러한 열을 사용해서 개별적으로 스위칭가능하고 제어가능한 THz 방사파 방출기를 조립할 수 있어서, 이는, "단층 촬영(tomography)" 및, 분석 및 보안 응용에 있어서의 위상 및 반사 강도 분포(phase and reflected intensity distribution) 분석 시스템에 유익하게 활용된다.

다른 바람직한 실시예에서, 이러한 방사원 배열은, 공정 조사(process survey) 또는 특수 현장 응용(예컨대 마약/폭발물 탐색) 시에 분석되는 분자 진동 최대치(molecule vibration maxima)에 따라 선택된 다양한 파장을 방출하도록 제작될 수 있다.

본 발명의 또다른 바람직한 실시예에서, 방사원과 방사원 배열은 조정가능하게 만들 수 있다. 하나 이상의 NiTiNOL 기계장치를 사용하여 애노드를 이동시키고, 회로에 커패시터나 인덕터를 연결하여 발진기 주파수를 변경함으로써, 방사원은 조정가능하게 되며 외부에서 제어할 수 있게 된다. 두 개 이상의 이러한 NiTiNOL 기계장치를 활용하여 공진기 벽을 수직 방향으로 이동시킬 수 있다. 조정가능한 방사원은 분광 분석 작업에 대한 전치 사항이며, 상기 수단으로 구현될 수 있다. 소형화되고 조정가능한 "자유전자 빔을 이용한 다이나트론 발진기 테라헤르츠 방사원"에 대한 이 실시예는 범죄, 약학, 의료 및 기타 반응 대조 및 분석을 위한 THz 지문 분석을 위한 고해상도 분광계와 조합할 때 특히 유익하다. 또한, 폭발물 및 마약 탐지에 있어서, 지문 흡수 특성의 분석은 1THz 내지 6THz 사이에서 필요하다(참조: M. R. Leahy-Hoppa et al./Chemical Physics Letters 434(2007) 227-230(John Hopkins Univ. Laurel MD, Baltimore MD, USA)). 소형화된 시스템을 통해서, 다양한 산업계에서의 그리고 국가 안보를 위한 화학적 기술에 의한 반응 조사 및 대조를 위한 이러한 분석 기술을 구현하는 것이 가능해진다.

본 발명의 특징은, MEMS 기술 중에서, 광학 빔 및 전자 빔 리소그래피와 다층 구조 제작(예컨대, 리프트오프 및 증착, 심층 트렌치 에칭(예컨대 BOSCH 공정에 의한), 및 방사원을 밀봉하기 위한 접합 기술 등)과 같은 현대적인 작업 공정을 이용하여 소형화 및 제작되는 THz 방사원에 있다. 즉, "집속된 전자" 빔 또는 "이온" 빔 유도 증착 및 에칭 기술을 이용하여, 전자원, 추출기 그리드, 그리고 높은 이차전자 방출 수율을 갖는 물질이 코팅된 애노드를 제작하는 것이 바람직하다. 그러나 표준적인 미소구조 제작 및 증착 기술도 또한 상기 구조를 제작하는 데 사용할 수 있다. 애노드 코팅을 위한 상기 재료는, 예컨대, 마그네슘 산화물 MgO, 티타늄 산화물, 다이아몬드, 실리콘 산화물 또는 실리콘 탄화물, 및 실리콘 질화물 Si₃N₄ 또는 그 밖의 무기물 또는 유기물 절연층이다. 충돌하는 일차전자 빔은 애노드 코팅층을 변형시키지 않으며 안정적인 2차 방출 계수를 가지고 있어야 함을 주의해야 한다.

이러한 상황에서 본 발명은 THz 주파수를 얻을 수 있을 정도로 발진기 회로를 소형화하는 현대적인 상기 미소기계적 제작 기술을 채용해야 한다. 예를 들어 2THz의 발진기 주파수는, C=10^-16 패러드(F)의 커패시터 및 L=10^-11헨리(H)의 인덕터로 구성된 진동 회로를 사용하여 고전적인 전자적 원리에 따라 얻을 수 있다. 상기 커패시터는, 예를 들어, 3×10μm²의 면적을 덮는 1μm 간격의 두 개의 10μm 길이의 금속선을 사용하여 얻을 수 있다. 필요한 크기의 인덕터는 5μm 폭과 6μm 길이의 면적을 둘러싸는 1회 감은 와이어 루프에 의해 얻어진다. THz급 발진기를 갖는 다이나트론 발진기 삼극관 전체는, 예를 들어, 10×20=200μm²의 점유 면적 상에서 제작할 수 있다. 이러한 회로는 THz급 전자회로에서 클럭으로서 활용할 수 있다.

따라서, 본 발명의 다른 목적은, 소형화되고 조정가능한 "자유전자 빔을 이용한 다이나트론 발진기 테라헤르츠 방사원" 및 이에 조합되는 공진기 그리고 빔 집속 렌즈(이 역시 소형화된 형태로 선형 및 2차원 배열로 제작가능함)에 관한 솔루션을 제안하는 것이다. 따라서 본 발명은, 보다 더 소형화되고 배열 형태로 제작가능하며, 방사파 투과 및 집속 렌즈로 막힌 공진기의 내부에 다수의 평행 및 역팽행 빔이 포함되며, 분석, 군사, 및 보안 응용을 위한 보다 강력한 방사원 또는 방사원 배열로 구성될 수 있는 테라헤르츠 방사파를 방출하는 자유전자 빔 시스템을 제공하는 것에 관한 것이다.

다른 유익한 실시예에서, 매우 밝은 전자원이 다이나트론 관의 전자원으로서 사용된다. 이러한 매우 밝은 전자원은, J. Kretz et al., Microelectronic Engineering(23(1994) 477-481)에서 나타낸 것과 같이, 매우 밝은 THz 방사파 방사원의 제작을 가능케 하는 전자 빔 유도 증착(EBID) 기술을 이용하여 신규 물질로 제작된 소형화된 냉 전계 방출기 및 추출기와 같은 진공 전자공학 개발품으로 공지되어 있다.

본 발명의 또다른 주제는, "자유전자" 레이저에 사용되는 위글러(wiggler)와 같은 결집(bunching) 구조, 또는 스미스-퍼셀(Smith-Purcell) THz 방사원에 사용되는 다수의 격자 주기 또는 이동파용 관(traveling wave tube)에 있는 많은 공동(cavity)을 추가할 필요없이 준결집(quasi-bunching) 방식으로, 자유 비행 전자 및 이차전자 빔이 THz 방사파를 방출하도록 전자 빔 시스템을 제작할 수 있다는 것이다. 이 송출 시스템은 또한, 증폭기와 송출용 와이어 안테나를 사용하지 않고, 다만, 모든 기능이 다이나트론 삼극관 자체에 의해 수행된다. 이는, 조정가능한 방사원에서 수 μm 내지 1mm의 파장을 갖는 THz 방사파를 생성한다는 목표에 의해 특히 가능하다. 방출기와 추출기로 구성되는 전자원은 THz 방사파의 0.1λ보다 훨씬 작은 크기로 제작된다. 애노드 재료와, 순 전류(net current)가 흐르지 않을 때의 전압 E를 정의하는 애노드의 이차전자 방출 특성, 그리고 발진기 회로의 구성요소를, 예를 들어, 방출된 이차전자가 원하는 주파수의 반 주기 내에서 애노드로부터 그리드로 역방향으로 비행할 수 있도록 선택함으로써, 전진방향 및 역방향으로 흐르는 전류가, 진동 주파수에서 비행하는 전자의 전하에 의해 방출되는 IR 방사파의 파장에 맞게 조절된 공진기 내로 THz 방사파를 방출할 수 있게 된다.

이러한 목표는 현재, 미소전자공학적 광학 빔 및 전자 빔 리소그래피, 단층 또는 다층 구조화 및 증착 기술을 활용하고 미소기계적 구성 원리 및 공정, 그리고, 높은 전류밀도를 흘릴 수 있는 신규의 전도성 나노입상 물질과 컴퓨터 제어 EBID 공정을 이용하여 성취할 수 있다.

본 발명자들은, 보안 시스템에서의 강력한 요구는, 고휘도의 소형화된 THz 방사파 방사원을 적정한 비용으로 대량 생산하는 것, 방사원에 필요한 공간을 소형화하는 것, 그리고 보안 시스템에서 신장이 < 3m인 사람의 스캐닝 영상을 얻기 위한 방사원의 수를 늘리는 것임을 알게 되었다. 보다 높은 휘도의 방사원에 의해, 해상도 또한, 4mm에서 < 1mm로 향상될 수 있어서, 검사 결과의 안전성이 향상된다. 또한 조정가능한 소형의 방사원은 연구실에서 그리고 일상 생활 및 군사 분야에서 작은 화학물질 시료의 분광학적 조사에 필요하다.

본 발명의 특히 바람직한 실시예에 따르면, 공진 공동 내부에서 날아가는 자유전자 빔은 기재 기판에 형성된 관통공을 가로질러 날며, 따라서, 위에서 인용한 "자유전자 레이저" 및 스미스-퍼셀 방사기에서와 같이, 표면을 영상 전하로 대전시킴에 의해서 지연(retard)시킬 수 없다. 또한 이들 빔은 안테나 선에서 전하처럼 작용하여 전자기 방사파를 방출한다. 자유 비행 전자의 특별한 특징은, 격자 진동(lattice vibration) 상태로 여기되고 이 여기에 의해서 줄열로 소비되는 에너지를 발생시키는 원자 격자(atomic lattice)가 없다는 것이다. 왜냐하면 이 안테나는 자유 비행하는 전자 빔에 의해서 실체가 없이 존재하기 때문이다. 이는, 전진방향 및 역방향으로 비행하는 전자 또는 이차전자 전류의 근거가 된다. 두 번째 측면에서, 본 발명은 나노입상 재료의 EBID를 이용한 컴퓨터 제어식 3차원 증착 기술을 사용하여 정교하게 제작된 매우 높은 휘도의 소형 전자 방출 시스템을 한 개 및 다수 개 사용하는 것에 바탕을 두고 있다.

다른 유익한 실시예에서, 휴대형의 조정가능한 소형화된 "THz 다이나트론 방사원"은, 적어도 하나의 다이나트론 관에 충분한 전력과 전압을 공급하는 배터리를 포함하며, 아울러, 시스템의 조정가능한 장치-부품(커패시터, 애노드에서의 빔 충돌 위치, 애노드의 위치, 그리고 적어도 하나의 전자 방출기-추출기 시스템)을 위한 전원장치 및 전자 제어장치를 포함하는 휴대용 팩에서 모든 전압/전류와 제어를 공급하도록 함으로써 구현할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면 소형화된 다이나트론 관은 발진기로서의 역할을 하며 그 진동 애노드 전압을 이용하여 두 삼극관을 제어한다(두 삼극관의 그리드는 다이나트론 관의 애노드에 연결되고, 그 캐소드는 전압 E(다이나트론 관 삼극관의 순 전류를 영으로 만드는 전압)에 연결됨). 여기서, 제1삼극관은 발진기 전압 진동의 전반 반파 동안에 삼극관 애노드로 전류를 방출하고, 커패시터에 의해 신호의 역전이 일어나서 제2삼극관은 발진기의 후반 반파 동안에 (-)로 떨어진 전압을 방출하게 된다. 이 실시예에서 전자 빔은, 공진기 벽을 이루며 충돌이 일어날 가능성이 있는 지점에 구멍을 갖는 애노드로 가는 도중에 추출기 전압에 의해 해방된 후에 가속될 수 있으며, 전자 빔은 주어진 애노드 전압 에너지에 의해 애노드 전위에서 공진기를 통해, 또는 적어도, 공진기 바닥에 있는 관을 통해서 날아갈 수 있다. 여기에는, 빔이 날아가는 축에 수직한 개구부가 있는데, 이는 날아가는 전하 펄스로 하여금 공진기 내로 IR THz 방사파를 방출하도록 하고, 전자 빔에 의해 생성된 전자기장으로부터 온 이 IR 방사파의 적정한 파장을 선택하도록 구성 및 조정되어 있다. 제2의 전자 빔 발생 삼극관 - 동일한 애노드 전압으로 가속된 빔을 관의 반대 방향으로 비춤 - 을 이용해, 공진기의 중앙에 있는 관통공을 지나가는 전하 펄스가 IR 방사를 위해 전자기파의 후반 반파를 방출한다. 이는 공진기 내로 안내된다.

특히, 두 삼극관은 동일한 표면에 제작되지만, 각 캐소드, 그리드, 애노드의 위치가 반대가 되도록 제작된다. 그리고 애노드와 그리드 사이의 거리는 생성될 THz 방사파의 반 파장에 해당되는데, 여기서, 전자 빔들은 반대 방향으로 방출되며 각 반주기 동안에 전자기파가 방출된다. 이 회로는 보다 큰 공진기의 중앙에 장착할 수 있는데, 이는 도파관 규모 및 원리에 따라 필요한 파장을 선택한다.

다른 실시예에서, 다이나트론 관을 쌍극자 방사파를 방출하는 두 개의 표준 삼극관과 결합시킬 수도 있을 것이다. 쌍극자 방사파를 방출하기 위해서, 전자 빔은 매 반 파장마다 그 방향을 변경해야 한다. 이는, 두 표준 삼극관 구조체를 서로 반대로 배치하고 반 파장 동안에 양(+)의 추출 전압(전원 - 발진관 -, 가령 소형화된 다이나트론으로부터 삼극관으로 공급되는 전압)에 의해 전자 방출을 트리거시킨다면 실행할 수 있다. 이 회로는 높은 전력과 높은 밀도의 전자 방출기를 필요로 한다. 장점은, L/C 발진기를 가변시킴으로써, 가령, 동일한 칩 상에 제작된 미소기계적으로 변형된 커패시터를 이용하여 파장의 미세 조정이 가능하다는 것이다. THz급 발진을 위해서는 아주 작은 커패시터와 인덕터가 필요한데, 이는 마이크로리소그래피를 이용하여, 예컨대, 알루미나(Al₂O₃) 또는 그 밖에 k가 낮은 물질의 절연 기판에 표준 광학 리소그래피에 의해 설계된 금속선을 통해 얻을 수 있다. 이 회로에서 다이나트론은 "발진기" 증폭기로서 고전적인 방법으로 활용된다.

다른 유익한 실시예에서, 본 장치는 추출 그리드와 삼극관 구조체의 애노드 사이에 위치하는 공진기를 포함할 수 있다. 공진기는 또한, 애노드와 함께 구조적 단위가 될 수 있다.

공진기 또는 삼극관 구조체의 각 애노드는, 전자 빔의 입구와 출구에, 개구부, 바람직하게는 파장의 1/10 직경의 구멍을 포함할 수 있다. 개구부의 개수는 삼극관의 개수와 일치한다. 이들 개구부는 서로 대향하여 위치한다. 이들 개구부에 의해 펄스는 대향하는 전자원에서 반사되고 지연되며, 그에 따라, 공진기 외부에서 모인다. 이에 따라, 전자가 반사되어 개구부로 거꾸로 들어가는 것(이에 의해 펄스 전하 및 전자기 반파의 생성이 감소될 수 있음)이 방지된다.

다른 개선사항으로서, 공진기는, 이 공진기가 방출 방향으로 공진기 영역을 덮고, 공진기의 중심에만 THz 방사파를 방출하기 위한 개구부가 있도록 설계할 수 있다.

다른 설계로서, 그리드와 애노드 사이의 다이나트론 빔 경로 영역은 개방형 구조이며, 제2의 "다이나트론 발진기 삼극관"은 제1의 구조 아래에 제작 및 배치된다. 빔은 서로 평행하게 그리고 동상으로 비행한다. 이로써, 방출되는 방사파의 전력이 두 배가 되고, 이 때 두 개의 소형 삼극관은 자유 빔 생성기로서, 각자의 그리드는 발진기의 공진 회로의 전압으로 제어되고, 각자는 다른 것에 대해서 180도의 위상차를 갖게 된다.

이상의 설명에 따르면, 이러한 관점에 있어서 본 발명은, 공동 공진기 내에서 자유 비행하는 전자 빔이 안테나 와이어(또는 송출 안테나에 진동 전력을 공급하는 선)가 가열됨에 따른 에너지 손실 없이 즉각 전자기 쌍극자 방사파를 방출하기 때문에, 모든 고체 상태(solid state) THz 방출기보다 우월함이 분명해진다.

나노기술에 기반한 제작 기술에 의해 각 면이 THz급 방사파의 파장 이하의 크기 이내에 드는 수 개의 전자 빔을 만드는 것이 가능하기 때문에, 동상의 방사파를 방출하는 수개의 방출기를 평행하게 동작시킬 수 있으며, 이러한 구성에 의해서 전체 방출 전력이 크게 향상된다. 상부 및 하부 빔을 이용함으로써, 또는 상부 및 하부에 있는 동상으로 동작하는 다중 평행 빔 시스템과 공진기 내에 구성된 방사원의 다른 바람직한 구성상 실시예에 있어서, 출력 전력이 배가 되며 또한 증배될 수 있다.

본 발명의 더 많은 장점, 특징, 및 잠재적 응용은, 도면에 도시한 실시예를 참조하는 상세한 설명으로부터 취합될 수 있다.

명세서에 걸쳐서, 특허청구범위와 도면, 해당 용어 및 관련 참조부호들은 추후 첨부된 참조부호 목록을 참고해서 사용할 것이다. 도면은 다음과 같다.
도 1a는 본 발명에 따른 소형화된 장치의 개략도이다.
도 1b는 도 1에 따른 다이나트론 관의 애노드의 전류/전압 특성을 나타낸다.
도 1c는 도 1에 따른 장치의 구조 배치도이다.
도 2는 "자유전자 빔을 이용한 소형화된 다이나트론 발진기 테라헤르츠 방사원"의 EBID 방출기, 추출기, 및 애노드가 형성된 금속화 패턴의 개략 배치도이다.
도 3은 "자유전자 빔을 이용한 소형화된 다이나트론 발진기 테라헤르츠 방사원"의 다수의 EBID 방출기, 추출기, 및 애노드가 형성된 금속화 패턴의 개략 배치도이다.
도 4는 공동 공진기 내에 통합된 소형화된 장치의 개략적인 측면도이다.
도 5는 공동 공진기 내에 설치된 "두 자유전자 빔을 이용한 소형화된 다이나트론 발진기 테라헤르츠 방사원"의 개략 측면도이다.
도 6은 "게터를 포함하는 소형화된 다이나트론 발진기 테라헤르츠 방사원"의 개략도이다.
도 7은 미러와 집속 렌즈를 포함하는 "다이나트론 발진기 테라헤르츠 방사원"의 개략적 단면도이다.
도 8은 칼날 형상의 금속 측면 방출기를 포함하는 "소형화된 다이나트론 발진기 테라헤르츠 방사원"의 개략적 측면도이다.
도 9는 공동 공진기 내에 두 개의 칼날 형상의 금속 측면 방출기를 갖는 "소형화된 다이나트론 발진기 테라헤르츠 방사원"의 개략적 측면도이다.
도 10은 THz 방사원의 조정가능한 구성의 개략적 평면도이다.
도 11a는 자유전자 빔 방사파를 생성하는 삼극관을 사용하는 다이나트론 관의 개략도이다.
도 11b는 반대 위상 및 빔 방향을 갖는 자유전자 빔 삼극관 2개가 하나의 평면에 형성된 것을 나타내는 측면도이다.
도 11c는 방사용 삼극관과 연결된 다이나트론 관의 금속화 패턴의 개략적인 배치도이다.
도 11d는 두 삼극관에 대한 시간 대 다이나트론 관의 방출 전류의 그래프이다.
도 12는 적어도 하나의 증폭단에서 전압이 증폭되는, THz 전압 진동을 위한 "다이나트론 발진기"를 갖는 "소형화된 다이나트론 발진기 테라헤르츠 방사원"의 세 가지 구성요소의 개략적인 회로 배치도이다.
도 12a는 두 삼극관의 전자원와 함께 직렬 공진기로서 설치된, THz 전압 진동을 위한 "다이나트론 발진기"를 갖는 "소형화된 다이나트론 발진기 테라헤르츠 방사원"의 세 가지 구성요소의 개략적인 회로 배치도이다.

도 1a는 본 발명에 따른, 테라헤르츠(THz)급 방사파를 생성하기 위한 소형화된 장치(10)의 개략도를 보여준다. 이 장치(10)는 다이나트론 관(22), 배터리(24), 그리고 발진기(26)를 포함한다.

다이나트론 관은 냉 전계 방출기 캐소드(12), 이 전계 방출기 캐소드(12)와 대향하여 위치하며 전자에 대해서 투명한 그리드(14) 형태로 된 정전기식 추출기, 그리고 애노드(16)로 구성되어 있다. 다이나트론 관의 모든 구성요소는 진공 속에 들어 있다.

애노드(16)에는 이차전자의 강한 방출을 허용하는 물질 층이 코팅되어 있다. 상기 투명한 추출기 그리드(14)는 두 개의 금속제 보(beam)로 형성된다.

또한, 발진기(26)는 인덕턴스(18), 커패시터(20), 그리고 그리드 전압용 배터리(24)의 전압 연결점(28)에 발진기 회로(26)를 연결하는 금속 배선으로 구성되는 회로로 구현되어, 애노드(16)에 교류 전압을 공급한다. 배터리(24)는 높은 그리드 전압과 이보다 낮은 애노드 전압을 공급한다.

도 1b는 애노드의 전류(l_anode)/전압(U_anode) 특성을 나타내는데, 이 특성은 특정 크기의 애노드 전압에서, 애노드에서 생성되는 이차전자들의 수가 증가되어, 이들이 더 높은 그리드 전위로 거꾸로 날아가고(fly back), 결과적으로, 심지어 음의 값으로도 될 수 있는 최종 애노드 전류를 생성하는 효과에 의해 얻어진다. 애노드 전류가 영(0)이 되는 곳에 동작전위점(30)이 위치하고 있다. 이 동작전위점에서는 방출 전류가 애노드에서 방출되는 이차전자에 의해 균등해진다.

도 1c는 다이나트론 발진기와, 그 구성요소들의 배선을 나타내는데, 이들은 광학 빔 또는 전자 빔 리소그래피 및 표준 리프트오프 공정을 이용하여 절연 기판 위에 배선 패턴으로서 형성되며, 그 위에 캐소드를 위해서 컴퓨터 제어 EBID를 이용하여 헤어핀 형태의 전자 방출기(히터 전류에 의해 가열될 수 있음)가 제작되고, 또한 컴퓨터 제어 EBID 기술을 이용하여 추출봉(rod)과 애노드 봉이 제작된다. 또한, 가열되지 않는 단일 봉의 EBID 전자 방출기도 사용할 수 있다.

도 1c는 본 장치의 가능 배치도를 보여준다. 여기서, 캐소드(12)와 추출기 그리드(14)는, 전자 빔 유도 증착(EBID)에 의해 직경 200nm, 길이 1μm의 봉으로서 형성되는 것으로 도시되어 있는데, 둘 다 모두, 리소그래피 및 리프트오프(lift-off) 기술을 이용해 절연 기판(도시하지 않았음) 상에 사전 형성된 금속선 위에 증착된다. 또한 애노드(16)는, 높은 SE(이차) 방출 물질이 코팅된, 예컨대 1μm 높이의 증착된 봉 구조인 것으로 도시되어 있다. 아울러, 발진기는 평행판 커패시터(20)와, 단순히 선형이면 되고 원형 루프일 필요는 없는 적절한 크기의 인덕턴스(18)를 포함한다.

이 장치(10)는 또한, 역시 EBID 기술에 의해 저항으로 구성되는 전위분할식 전압 취득기(potential divider voltage pickup)(32)을 포함하는데, 발진기에 필요한 전압을 배터리(24)의 중간 전압점에 설정한다.

이 소형화된 장치의 전체 크기는 < 20×20μm인 것으로 기대된다. 이는 THz급 방사파의 기대 방출 파장보다 훨씬 작은 값이다.

도 2는, 인덕턴스(48)와 커패시터(50)를 포함하는 LC 발진기(47)와 결합된 소형화된 다이나트론 관의 EBID 방출기(42), 추출기 그리드(44), 및 애노드(46)를 포함하는, "자유전자 빔을 이용한 테라헤르츠 방사원"을 구성하는 장치(40)의 금속화 패턴의 개략적 배치를 보여준다. 이 바람직한 실시예에서, 관의 전자 방출기(42)와 추출기 그리드(44) 사이의 거리는, 방출될 THz 방사파의 0.1*λ/2보다 크지 않도록 소형으로 구성된다. 추출기 그리드(44)까지의 0.1λ(최대 λ/2)의 거리에 애노드(46)가 배치된다. 이 거리는 해방된 이차전자의 비행 시간 및 발진기의 전압 진동(voltage swing)에 의해 제한된다.

배터리(52)에 의해 공급되는 발진기 기본 전압(base voltage)은, 일차 전류 및 결과로서 생성되는 역방향 전류가 균형잡힌 전하를 가지게 되어, 이에 따라 동상으로(in phase) 그리고 동일한 진폭으로 THz 방사파를 방출할 크기로 선정된다. 이 다이나트론 THz 방사파의 방사원은 하나의 전자 빔 방사원(58)만을 필요로 하지만, 발진기 회로가 포함되기 때문에 다이나트론 관 자체보다는 더 큰 점유면적을 필요로 한다. 일차전자 빔(54)(실선으로 표시)은 이 전자 빔 방사원로부터 방출된다. 이차전자 빔(56)(점선)은, 2차 빔 전류가 1차 빔 전류의 2배가 되도록 설정된 후반 반파 동안에 애노드(46)에서 생성된다.

2차 빔 전류는, 일차전자의 충돌에 의해 여기됨으로써 애노드에서 발생되며 애노드의 특수 코팅에 의해 증배된다. 두 전자 빔은 모두 자유전자 빔이며, 따라서 많은 양의 방사파를 방출한다.

도 3은 도 2와 유사한 "소형화된 다이나트론 발진기 테라헤르츠 방사원"(60)의 가능 배선패턴의 배치도를 보여준다. 단, THz 주파수의 애노드 전압을 공급하는 하나의 진동 발진기를 갖는 하나의 회로에서, 다수의 캐소드 방출기 팁(62)으로부터 다수의 평행 자유전자 빔이 방출된다. 여기서, 각각이 추출기(68)를 갖고 있으며, 이 그리드에서 애노드(70)까지의 비행 거리는, 전반 반파 동안에 일차전자에 의한 THz 전자기 방사파의 반파장을 방출하고 진동 회로(66)에서 전압이 발생됨에 따라 후반 반파 동안에 추출기 그리드(68)에 의해 끌려가는 높은 이차전자 빔의 결과인 역방향 비행 전하에 소요되는, 진동의 1/2의 시간 동안에 이차전자가 비행하는 시간과 맞춰져 있다. IR 방사파는 파장보다도 작은 면적에서 생성되지만, λ/2 크기의 공진기에 의해 선택 및 가이드될 수 있다.

하나의 평면에서 빔의 수를 증가시키면 방출되는 전자기 방사파의 전력이 커진다. 이 실시예에서는 다수의 평행한 자유전자 빔이 다수의 소형화된 EBID 전계 방출기 팁(62)에서 방출되고, 각 전계 방출기 팁(62)에 대해서 각각 하나씩 있는 다수의 EBID 추출봉(64)에 의해 제어된다. 애노드(70)도 또한, 일차 전류의 두 배 크기를 갖는 역방향 전류에 대한 적절한 SE 방출 계수와 특성을 갖는 물질을 써서 EBID를 이용하여 평행하게 형성한 이보다 많은 수의 EBID 봉을 포함한다. 도 3에서 설명한 바와 같이, 실선은 일차전자 빔을 나타내고, 점선은 1차 빔 전류의 2배인 이차전자 빔을 생성하는 전압으로 설정된, 후반 반파 동안의 자유 빔을 나타낸다.

도 4는 공동 공진기(80) 내에 설치된, 하나의 자유전자 빔을 이용하는 "소형화된 다이나트론 발진기 테라헤르츠 방사원"을 개략적으로 도시한 측면도이다. 이 장치의 모든 구성요소는 공동 공진기(80)의 측벽 속으로 들어가 있는, 방사파 반사 기재를 갖는 절연 기판(88)에 탑재된다. 공동은 집속 렌즈(74)에 의해 캡슐화된다(encapsulate). 집속 렌즈(74)는 THz 방사파를 집속하기 위한 형태로, 실리콘 또는 기타, THz에 대해 투명한 소재로 만들어진다.

추출기 그리드(82)와 애노드(84) 사이의 거리는 THz 방사파의 파장의 0.01~0.5이다. 기재 소재(90)와 절연 기판(88)은 SiO₂, 다이아몬드, 또는 붕소 질화물로 된 절연 코팅이다. 공동 공진기 구조(80)의 진공화된 자유 공간은, 공진기의 규모가, 안정된 전자기 파장을 선택하고 이를 증폭하여 그 축 방향으로 전송하는 한에 있어서는 분광계처럼 동작한다. 공동 공진기(80)는 THz 방사파 에너지에 대한 전도체로서 마이크로파 기술 분야에서 오래 전부터 공지되어 있다. 공동 공진기에 있어서, 그 벽은 양호한 전도성을 가져야 하며 그 축 주위의 4면이 전체적으로 막혀 있어야 한다.

도 5는 중앙 기재(100)의 상부와 하부에 있는, 전도성 측벽을 갖는 공동 공진기(94) 내에 설치되어 두 "자유전자 빔"을 생성하기 위한 두 개의 다이나트론 관(99)을 포함하는 "THz 방출기 셀"(105)의 개략적인 측면도로서, 상기 중앙 기재(100)에는 파장의 0.01~0.5 크기의 관통공(98)이 뚫려 있고 방사파 투과 및 집속 렌즈(104)가 각 면을 덮고 있는 공동이 있다. 두 동일한 다이나트론 관(99)은 각각 전자원(96), 추출기 그리드(97), 및 애노드(102)를 포함한다.

자유전자 빔들은 공시적으로(in synchrony) 기재(100)의 상부와 하부에서 전자원(96)으로부터 기재(100)의 관통공(98)을 가로질러서 애노드(102)까지 방출된다. 기재(100)는 절연 재료로 만들어지며 공동 공진기 내에 형성된다. 이 바람직한 실시예는 단일 빔 시스템에 비해 두 배의 방사파 전력을 출력한다.

도 6은 게터 물질을 포함하는 소형화된 "다이나트론 발진기 테라헤르츠 방사원"의 도 5와 같은 개략도이다. 본 발명의 이 유익한 실시예에서, 소형화된 "다이나트론 발진기 테라헤르츠 방사원"의 진공 형성은, 소형화된 "다이나트론 발진기 THz 방사원"에 부착된 펌핑실(92)에 의해 이루어진다. 이 펌핑실(92)에는 H.Koops의 DE000010241549B4에 개시된 'Miniaturized Orbiton Pump'와 같은 소형 오비트론 펌프와 같은 진공 펌프(본 도면에 도시하지 않았음)가, THz 공진기에 연결된 공동(110) 내에 포함된다.

도 5의 실시예와 다른 점은, 공동 공진기의 한쪽 벽이, 진공에 대해서 투명한 펌핑실 벽(106)으로 대체되고 양호한 전도성의 THz 반사기(예컨대, THz 방사파 파장보다 훨씬 짧은 피치(<<λ)를 갖는 경금속 그리드 측벽)로서 설계되었다는 점이다.

공동 공진기(80)에서부터 펌핑실(92)까지 연장되어 있는 기재(100)에는 그 상부 및 하부 표면에 게터 물질(108)이 코팅되어 있다. 이는 게터 물질의 조성에 의한 화학적 펌핑력과 가열에 의한 활동성을 제공하여, 기체 원자를 흡수하고 이를 고체 침전물 속에 화학적으로 결합(bind)시키도록 한다. 이러한 방법으로 기체 분자로부터 기체의 용적이 급감하고, 공동은 매우 긴 시간 동안(예를 들어, 수 년간) 높은 진공 상태로 펌핑된다.

도 7은 소형화된 "다이나트론 발진기 테라헤르츠 방사원"의 단면도이다. 이 소형화된 "다이나트론 발진기 테라헤르츠 방사원"은 도 6에서와 같이 부착된 펌핑실(92)을 갖는다. THz 공동 공진기(94, 106) 내에서 자유롭게 나는 전자 빔들은 렌즈(104)들을 통해 방사파를 방출하고, 이 방사파 빔은 미러(112)에 의해 그리고 빔을 형성하고 집속시키는 집속 렌즈(114)에 의해 유도된다.

미러(112)를 사용함으로써, 렌즈(104)들을 통해 서로 반대쪽 방향으로 방출되는 빔들이 렌즈(114)에 의해 집속될 수 있어서 두 배로 증강된 강도의 빔이 형성된다.

도 8은 자유전자 빔을 방출하는 칼날(blade) 형상의 금속제 측면 방출기(124)를 갖는 "소형화된 다이나트론 발진기 테라헤르츠 방사원"의 개략적인 측면도이다. 방출되는 전자 빔은 추출기의 원통형 렌즈 구조(126)에 의해 집속되는데, 이는 두 개의 금속 칼날 형상의 전극으로 이루어지며 그 사이에는 슬롯이 형성되고 이를 통과하여, 추출된 냉 전계 전자에 의해 방출된 전자 빔이 애노드(132)에 집속된다. 금속제 측면 방출기(124), 원통형 렌즈 구조(126), 그리고 애노드(132)가, 투명한 THz 방사파 집속 렌즈(128)로 막혀 있는 공동 공진기(134) 내에 설치되는 다이나트론 관(130)을 구성한다. 애노드(132)와 그리드(126) 간의 거리는 파장의 0.01~0.5이다. 기재(120)의 재료와 공진기 하부(122)는 기재(120)를 덮고 있는, 예컨대, SiO₂ 절연체이다. 진동 회로(136)가 또한, 애노드(132) 인근에 형성되는데, 여기에도 역시, 후반 반파 동안에 역방향 비행 순전하를 생성할 수 있는 높은 2차 방출 계수를 갖는 물질이 코팅되거나 또는 이러한 물질로 제작된다(도시하지 않았음). 이 장치는 추가적으로, 높은 전도성의 공진기 측벽(134)과, THz 방사파를 집속하기 위한 실리콘 또는 그 밖의 THz에 대해 투명한 재료로 만든 렌즈(128)를 포함한다.

THz 방사원의 이러한 바람직한 실시예는, 금속 증착 공정에서 생성되는 결정의 가장자리(edge)를 돌출시키는 수 nm 크기의 금속선 표면으로 인해 단일 점형 전계 방출기 방사원보다 훨씬 더 큰 일차 전류를 이용하며, 표준 광학 빔 및 전자 빔 리소그래피와 모든 MEMS 제작에 호환되는 제작 공정을 이용해 제작할 수 있는 장점이 있고, 고가의 FEBIP(Focused Electron Beam Induced Processing Technology: 초점 전자빔 유도 공정기술)를 필요로 하지 않는다. 양호한 쌍극자 방사파 방출 특성을 얻기 위해서 캐소드와 집속 렌즈의 확장은, 방출되는 방사파의 반파장의 < 0.5, 바람직하게는 < 0.1으로 제한되어야 한다. 측면 방출기(124)로 바람직한 재료는 귀금속, 및 10nm급의 고유 결정 크기를 갖는 합금이다.

도 9는 두 개의 금속제 측면 방출기(124)를 갖는 소형화된 "다이나트론 발진기 테라헤르츠 방사원"의 개략도인데, 각 방출기가 방출하는 자유전자 선형 빔이 추출기 원통형 렌즈(126)에 의해서 추출된다. 자유전자 빔은, THz 방사파를 위한 두 집속 렌즈(128)가 각 면에 있는 공동 공진기(144) 내에 설치된 기재의 상부 및 하부에 동일한 발진기 구조가 설치되어 있는 절연 기재(140)에 형성된 관통공(142)을 가로질러서 전자원(124)들로부터 애노드(132)들로 기재(140)의 상부와 하부에서 공시적으로 방출된다. 이 바람직한 실시예는 단일 빔 시스템에 비해 두 배의 방사파 전력을 낸다. 측면 방출기(124)로 바람직한 재료는 귀금속, 및 10~100nm급의 고유 결정 구조를 갖는 합금이다.

이러한 유형의 소형화된 "다이나트론 발진기 테라헤르츠 방사원"은 또한, 도 6 또는 도 7에 도시된 것과 같은 진공실과 결합시킬 수 있다.

도 10은 조정가능한 "THz 다이나트론 방사원"(150)의 개략 평면도로서, 공동 공진기의 일 벽(156)을 이동시키고 레버(154)를 사용해서 애노드(158)를 이동시켜 미세 조정을 하기 위하여, 두 개의 와이어(160)와 전류 흐름에 의해 구동되는 NiTiNOL 단(stage)이 구비된다.

이 시스템은 기재판(153)에 고정된 프레임(152)의 모든 주위 벽에 의해 캡슐화되어 있다. 공동은 NiTiNOL 단이 설치된 영역 내에 있는 "게터" 물질(162)을 이용한 "게터" 펌핑에 의해 진공화된다.

우측 또는 좌측으로 당기기 위한 NiTiNOL 와이어(160)가 있다. 이 와이어는 전류 흐름에 의해 가열될 경우 최대 5%까지 수축한다. 반복적인 수축을 위해서, 레버(154)의 위치에 충분히 도달하도록 수축된 이후에 와이어는 스프링(164)에 의해서 늘려진다. 이들 와이어는 프레임(152)과 기재판(153)에 대해서 움직이지 않도록 설치된 블록(166)에 대항하여 작용한다. 스프링(164)은 더 이상 수축이 일어나면 안 될 경우에 와이어를 늘리기 위해 사용된다. 두 와이어는 레버(154)에 대해 작용한다. 이는 축(168)을 중심으로 회전한다. 레버 위치는 레버(154)와 기재판(153)(둘 다 고운 접지면을 가짐) 사이의 마찰에 의해서 안정화되며, 축(168)은 판스프링에 의해 가압되어 레버(154)를 기재판(153) 쪽으로 누르고 있다. 레버(154)의 위치는, 예컨대, 한쪽 끝이 기재판(153) 상에 설치되어 레버의 움직임에 의해서 휘어지는, 보(beam)에 설치된 스트레인 게이지를 사용하여 높은 정밀도로 모니터할 수 있다.

애노드(158)가 설치된 절연체 판(168)이 밂/당김 봉(170)을 통해 레버(154)에 연결된다. 레버를 회전시킴으로써, 절연체 판(168)에 또한 고정되어 있는 공진기 벽(172)이 애노드(158)와 함께, 캐소드 조립체(174)와 프레임(152)에 대해서 이동할 수 있게 된다. 절연체 판(168)의 위치는 원하는 파장에 따라 조절된다.

두 개 이상의 이러한 기계장치를 사용하여, 수직 방향으로 공진기 벽을 이동시키고, 또한 애노드를 1회 이동시킬 수 있다.

도 11a는 THz 방사파를 생성하는 두 개의 자유전자 빔 삼극관(182, 184)에 연결된 다이나트론 관(180)을 포함하는 구성의 개략적인 회로도이다.

이 구성에 따르면 다이나트론 관(180)은, 두 개의 별도로 구비된 3극 진공관(182, 184)의 그리드(186, 188)에 인가되는 진동 그리드 전압의 전원으로서 사용된다. 두 삼극관은, 반대방향으로 비행하며 제2삼극관의 그리드 공급선에 있는 커패시터(194)에 의해 극성이 반대인, 제2삼극관용 그리드 전압에 의해 스위칭되는 두 자유전자 빔(190, 192)을 발생시키기 위해 서로 중첩되어 설치된다. 이 결과, 반대 방향으로 비행하는 두 빔은 또한, 서로 반대의 위상으로 비행하게 되는 효과가 일어난다.

제1 자유 빔 관(182)의 캐소드(200)와 제2 자유 빔 관(182)의 캐소드(202)는 반대의 위상 및 반대의 빔 방향을 갖는다. THz 방사파를 공시적으로 그리고 동일한 위치에서 방출하기 위하여, 이들 관은 도 11b에 도시된 것과 같이 동일한 기판 위에서 서로의 위에 제작된다.

두 관(182, 184) 사이에는, 캐소드(200, 202)의 전자 방출 전류를 제어하는 그리드(186, 188)의 제어 전압을 역전시키는 커패시터(194)가 있다.

도 11b는 한 평면에 구성된, 반대의 위상과 빔 방향을 갖는 두 개의 자유 빔 삼극관(182,184)의 상세 측면도이다. 도 11a에서 설명한 것과 같이, 삼극관(182, 184)은 각각 캐소드(200, 202)와 애노드(204, 206)를 포함한다.

도 11c는 "THz 다이나트론" 발진관(180)과, 진동 전압인 그리드 전압에 의해서 제어되는 반대 위상과 방향을 갖는 두 개의 자유 빔 삼극관(182, 184)의 배치 평면이 될, 금속선 배선 패턴을 형성하기 위한 마스크 배치도이다. 삼극관(182, 184)은, 동상으로 교번적으로 연결되어 전자를 방출하는 두 자유 빔 삼극관(182, 184)의 동일한 방사파 방출 라인을 보장하기 위해 중첩식으로 설계된다. 제1 자유 빔 관(182)의 애노드(204)와 제2 자유 빔 관(184)의 애노드(206)는 동일한 평면에 배치된다. 애노드를 위한 전압 공급 장치는 도시하지 않았지만, 전압을, 소형화 설계시에 있어서 전기적으로 가능한 한도에서 높게 선정함으로써 방출되는 IR 방사파의 전력을 증가시킬 수 있다. 위상 변경 커패시터(194)는 역방향 빔을 만들기 위한 것이며, 이 역방향 빔에 대한 전압의 부호를 변경한다. 진동하는 전류가 THz 방사파를 방출시킨다.

상기 삼극관은 광학 빔 또는 전자 빔 리소그래피에 의해 그리고 리프트오프 금속화(이는 전계 전자 캐소드(200, 202) 및 추출기 그리드(186, 188)의 증착을 위해 부분적으로 사용됨)를 이용하여 절연 기판 상에 제작가능하다.

도 11d는 두 삼극관에 대해서 시간에 대한 관 방출 전류를 하나의 그래프로 나타낸 것이다.

도 12는 본 장치의 다른 실시예로서, THz 전압 진동을 위한 "다이나트론 발진기"를 갖는 "소형화된 다이나트론 발진기 테라헤르츠 방사원"의 세 구성요소를 개략적으로 보여준다. 이 전압은, 필요한 경우에, 적어도 1단의 증폭기에 의해 증폭되는데, 이 증폭기는 THz 전압 신호를 증폭하기 위한 마이크로 삼극관으로서 EBID 기술에 의해 제작되며, 각 빔을 공진기(204, 206) 내로, 그리고 공진기를 지나도록 보내는 두 개의 자유 빔 전자원의 추출기(186, 188)를 제어하기 위해 사용된다. 두 개의 강력한 전계 방출용 마이크로 삼극관은, 공진기(204, 206)를 통해 자유 비행 전자 빔으로서 빔을 전송하기 위한 구멍을 갖는, 애노드의 역할을 하는 공진기 공동(204, 206)에 있는 구멍을 통해 빔을 보낸다. 출구 구멍에서의 추출기 전압이 제1빔의 비행의 종료시에 마이너스(-)이기 때문에 빔은 최종적으로 공진기 벽에 부딪히게 되고, 커패시터(194)에 의해 신호 역전이 일어나기 때문에, 제1추출기(186)가 마이너스 전압을 가질 때에, 진동 전압 주기의 후반부 동안에 전자 빔을 얻게 된다.

증폭된 발진기 전압이 하나의 전자원에 공급되어, 진동의 전반부 동안에, 캐소드(200)에 대해서 (+)의 값으로 방출 전자 빔을 제어하고, 결합 커패시터(194)에 의해서 이 신호가 역전되면, 진동의 후반부 동안에, 두 번째 전자 빔 방사원에 대해서 추출기(186, 188)를 제어하여 우측으로부터 공진기(204, 206) 내로 전자를 보내도록 하여, 헤르츠 쌍극자 방사파의 후반 반파를 발생시킨다. 증폭단(208)은 전자 빔 방사원(200, 202)에 대한 추출 전압을, 높은 전계방출 전류를 위한 동작점까지 높일 수 있다. 공진기(204, 206)에 애노드 전압으로서 공급되는 별도의 전압은 빔 에너지를 상승시키며, 따라서, IR 방사원의 방사파 전력을 공진기 내부의 펄스 빔 전력의 47%까지 증가시킨다.

따라서 다이나트론(180)에 의해 제공된 THz 주파수로 진동하는 증폭된 전압이 THz 방사파 생성기에 공급된다.

증폭단(208)은, 사전 형성된 금속선 위에 EBID를 이용해 다이나트론 삼극관 및 전자 방출 삼극관의 경우처럼 제작된다. 높은 전자 빔을 얻고 그에 따라 "THz급의 IR 헤르츠 쌍극자" 방사파를 방출하도록 하기 위해서 높은 추출 전압을 제공하기 위한 중간 증폭이 유용하다. 현존의 무선신호 증폭기 기술에 따라 이러한 1단, 또는 여기서 제시한 것과 같은 2단 증폭기의 배치가 설계되지만, 무선 주파 증폭관과는 달리 여기서는, THz 신호 증폭용 소형 전계방출 삼극관이 사용된다. 이 삼극관은 < 10μm×10μm의 배치 면적을 점유한다.

도 12a는 THz 진동 전압을 생성하는 다이나트론 발진기를 갖는 "소형화된 다이나트론 발진기 테라헤르츠 방사원"의 세 구성요소에 대한 개략 회로 배치도로서, 두 개의 삼극관 전자원(200, 202)을 갖는 직렬 공진기로서 설치되며, 그 방출량에 있어서는 진동 전압에 의해 제어되고, 그 에너지에 있어서는 공진기의 애노드 전압에 의해 제어된다. 두 삼극관 빔(192)은 관을 통해 공진기(204, 206)의 저부에서 비행하는데, 여기서는 구멍(212)이 전하 펄스로부터의 전자기 방사파를 공진기(204, 206)로 연결하는데, 하나의 전진 비행 펄스와 또하나의 후진 비행 펄스가 IR 방사파의 1파장을 여기시킨다.

도 12a에 도시한 구성은 도 5 및 도 9와 유사한 하우징 내에 설치할 수 있다.

10: 소형화된 장치
12: 방출기 캐소드
14: 그리드
16: 애노드
18: 인덕턴스
20: 커패시터
22: 다이나트론 관
24: 배터리
26: 발진기
28: 전압 연결점
30: 동작점
32: 전압 픽업
40: 장치
42: EBID 방출기
44: 추출기 그리드
46: 애노드
47: 발진기
48: 인덕터
50: 커패시터
52: 배터리
54: 일차전자 빔
56: 이차전자 빔
58: 빔 방사원
60: "소형화된 다이나트론 발진기 테라헤르츠 방사원"
62: 방출기 팁
64: 추출봉
66: 발진기 회로
68: 추출기
70: 애노드
72: 캐소드
74: 집속 렌즈
76: 방출기 팁
78: 일차전자 빔
80: 공동 공진기
82: 추출기 그리드
84: 애노드
86: 공동
88: 절연 기판
90: 기재 재료
92: 펌핑실 벽
94: 공동 공진기
96: 전자원
97: 추출기 그리드
98: 공동
99: 다이나트론 관
100: 중앙 기재
102: 애노드
104: 집속 렌즈
105: THz 방출기 셀
106: 펌핑실 벽
108: 게터 물질
110: 공동
112: 미러
114: 집속 렌즈
120: 기재
122: 절연 공진기 하부
124: 금속 측면 방출기
126: 원통형 렌즈 구조
128: 집속 렌즈
130: 다이나트론 관
132: 애노드
134: 공동 공진기
136: 발진기
140: 기재
142: 구멍
150: 다이나트론 방사원
152: 프레임
153: 기재판
154: 레버
156: 이동식 벽
158: 애노드
160: 와이어
164: 스프링
166: 블록
168: 축
170: 당김 봉
172: 공진기 벽
174: 캐소드 조립체
180: 다이나트론 관
182: 자유전자 빔 삼극관
184: 자유전자 빔 삼극관
186: 추출기 그리드
188: 추출기 그리드
190: 자유전자 빔
192: 자유전자 빔
194: 커패시터
196: 발진기
200: 캐소드
202: 캐소드
204: 애노드
206: 애노드
208: 증폭단
210: 개구부

Claims

자유전자 빔(54, 56, 78, 190, 192)을 이용하여 THz급 전자기 방사파를 생성하는 장치(10, 40, 60, 105, 150)로서, 상기 장치는 300μm 내지 3μm의 파장에 상응하는 0.1THz 내지 10THz의 주파수를 갖는 교류 발진기 전압을 공급하는 발진기(26, 47, 66, 196) 및 다이나트론 관(22, 99, 130, 180)을 포함하고, 상기 다이나트론 관(22, 99, 130)은 전자원(12, 58, 72, 76, 96, 124), 추출 그리드(14, 44, 68, 64, 82), 고 이차전자를 방출하기 위한 물질 조성물로 코팅되는 것이 바람직한 애노드(16, 46, 70, 84, 102)를 포함하며; 상기 다이나트론 관(22, 99, 130, 180)은 진공 속에 배치되고; 상기 장치는 전압공급장치를 포함하고, 상기 다이나트론 관(22, 99, 130, 180)은 전자원(12, 58, 72, 76, 96, 124)와 추출기 그리드(14, 44, 68, 64, 82) 사이에 추출기 전압을 공급하는 상기 전압공급장치(22, 52)에 연결되고; 상기 장치는 전압 분배기를 포함하여 전압 분배기로부터 동작점 전압을 추출하고, 상기 동작점 전압은 발진기 전압과 함께 애노드 전압에 결합되어, 전자원(12, 58, 72, 76, 96, 124)과 애노드(16, 46, 70, 84, 102) 사이의 전위차를 형성하고; 애노드 전압은 추출기 전압보다 낮게 설정되고, 상기 전압 분배기는 동작점 전압이 애노드 전류가 0이 되는 전압으로 설정되도록 구현되고, 상기 다이나트론 관(22, 99, 130, 180)의 애노드(16, 46, 70, 84, 120) 및 추출기 그리드(14, 44, 68, 64, 82)는 방출되는 전자기 방사파의 파장의 절반보다 작은 거리로 배치되고, 상기 발진기 전압은 발진기 전압의 전압 진동의 전반부에는 전자원으로부터 애노드(16, 46, 70, 84, 102) 쪽으로 양의 일차 자유전자 빔을 가속하고, 발진기 전압의 전압 진동의 후반부에는 일차 자유전자 빔이 가속되어 애노드(16, 46, 70, 84, 102)로부터 추출기 그리드(14, 44, 68, 64, 82, 186, 188)쪽으로 방출되는 애노드에서 이차 자유전자 빔을 생성하도록 가속되며, 이차 자유전자 빔은 일차 자유전자 빔의 전자수의 두배가 되어 일차 자유전자 빔의 역방향으로 전하가 흐르고, 교류 발진기 전압이 방향이 교번되면서 비행하는 자유전자 빔이 되어, 주파수가 0.1THz 내지 10THz인 전자기 방사파를 방출하는, 장치에 있어서,
상기 장치는 두 개의 삼극관 구조체를 포함하고, 다이나트론 관(22, 99, 130, 180)은 두 삼극관 구조체(182, 184)에 연결되고, 삼극관 추출기 전압이 삼극관 구조체(182, 184)의 추출기 그리드(186, 188)에 공급되도록 삼극관 구조체(182, 184)는 발진기에 연결되고, 추출기 전압은 발진기 전압에 일치되어, 다이나트론의 발진기(196)가 공급하는 발진기 전압의 전반 반파 동안에 전자가 제1삼극관 구조체(182)로부터 삼극관 자유전자 빔(190)으로 방출되고, 제2삼극관 구조체(184)가 커패시터(194)를 통해 발진기(26, 47, 66, 194, 196)에 연결되어, 제2삼극관의 방출을 제어하는 발진기 전압을 역전시키고, 제2삼극관 구조체(184)에서 추출기 전압으로 사용되는 발진기 전압의 후반 반파의 음(-)의 전압 강하 동안에 커패시터(194)에 의해 삼극관 자유전자 빔은 제2삼극관 구조체(182, 184)에 의해 방출되고, 상기 장치는 삼극관 구조체(182, 184)의 추출기 그리드 사이에 배치된 공진기(204, 206)를 포함하고, 상기 공진기는 삼극관 자유전자 빔이 공진기(204, 208)를 통과하는 하나 이상의 구멍을 포함하고, 상기 공진기(204, 206)는 삼극관의 애노드로 구현되고, 애노드 전압은 삼극관 추출기 전압 보다 높은 것을 특징으로 하는 THz급 전자기 방사파를 생성하는 장치.
제1항에 있어서,
상기 삼극관 구조체(182, 184)는 서로 대향하여 위치하며, 서로 반대 방향으로 전자 빔을 전송하는 것을 특징으로 하는 장치.
자유전자 빔(54, 56, 78, 190, 192)을 이용하여 THz급 전자기 방사파를 생성하는 장치(10, 40, 60, 105, 150)로서, 상기 장치는 300μm 내지 3μm의 파장에 상응하는 0.1THz 내지 10THz의 주파수를 갖는 교류 발진기 전압을 공급하는 발진기(26, 47, 66, 194, 196) 및 다이나트론 관(22, 99, 130, 180)을 포함하고, 상기 다이나트론 관(22, 99, 130, 180)은 전자원(12, 58, 72, 76, 96, 124), 추출 그리드(14, 44, 68, 64, 82), 고 이차전자를 방출하기 위한 물질 조성물로 코팅되는 것이 바람직한 애노드(16, 46, 70, 84, 102)를 포함하며; 상기 다이나트론 관(22, 99, 130, 180)은 진공 속에 배치되고; 상기 장치는 전압공급장치를 포함하고, 상기 다이나트론 관(22, 99, 130, 180)은 전자원(12, 58, 72, 76, 96, 124)와 추출기 그리드(14, 44, 68, 64, 82) 사이에 추출기 전압을 공급하는 상기 전압공급장치(22, 52)에 연결되고; 상기 장치는 전압 분배기를 포함하여 전압 분배기로부터 동작점 전압을 추출하고, 상기 동작점 전압은 발진기 전압과 함께 애노드 전압에 결합되어, 전자원(12, 58, 72, 76, 96, 124)과 애노드(16, 46, 70, 84, 102) 사이의 전위차를 형성하고; 애노드 전압은 추출기 전압보다 낮게 설정되고, 상기 전압 분배기는 동작점 전압이 애노드 전류가 0이 되는 전압으로 설정되도록 구현되는, 장치에 있어서,
상기 다이나트론 관(22, 99, 130, 180)의 애노드(16, 46, 70, 84, 120) 및 추출기 그리드(14, 44, 68, 64, 82)는 방출되는 전자기 방사파의 파장의 절반보다 작은 거리로 배치되고, 상기 발진기 전압은 발진기 전압의 전압 진동의 전반부에는 전자원(12, 58, 72, 76, 96, 124))으로부터 애노드(16, 46, 70, 84, 102) 쪽으로 양의 일차 자유전자 빔을 가속하고, 발진기 전압의 전압 진동의 후반부에는 일차 자유전자 빔이 가속되어 애노드(16, 46, 70, 84, 102)로부터 추출기 그리드(14, 44, 68, 64, 82, 186, 188)쪽으로 방출되는 애노드(16, 46, 70, 84, 102)에서 이차 자유전자 빔을 생성하도록 가속되며, 이차 자유전자 빔은 일차 자유전자 빔의 전자수의 두배가 되어 일차 자유전자 빔의 역방향으로 전하가 흐르고, 교류 발진기 전압이 방향이 교번되는 자유전자 빔이 되어, 주파수가 0.1THz 내지 10THz인 전자기 방사파를 방출하는 것을 특징으로 하는 THz급 전자기 방사파를 생성하는 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 소형화 방법으로 제작되고, 적어도 다이나트론 관(22, 99, 130, 180)과 발진기(26, 47,66, 194, 196)는 미소구조 또는 나노구조로 제조되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발진기(26)는 저항, 인덕터(18, 48) 및 커패시터(20, 50)를 포함하는 조정가능한 복합 저항으로서 구성되고, 커패시터(20, 50) 및/또는 인덕터(18, 48)는 조정가능한 것을 특징으로 하는 장치.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 다이나트론 관(22, 99, 130, 180)은 가열되거나 냉각된 전자원(12, 58, 72, 76, 96, 124, 200, 202)과 함께 절연체(88, 122, 140, 153)에 집적되는 미소 구조로서 구현되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전자원은 반경이 1μm 미만인 팁(76)을 갖는 와이어 형태의 냉 전계 방출기인 것을 특징으로 하는 장치.
제7항에 있어서,
상기 전자원은 미소구조 또는 나노구조로 제작되며, 낮은 일 함수를 가지며 적어도 추출 전압에 응답하여 전자를 방출하는 물질이 전계 방출기의 팁에 증착되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전자원은 미소구조 또는 나노구조로 제작되며, 금속, 금속 산화물, 탄소, 탄소 화합물, 다른 반도체 재료 또는 나노입상 화합물 재료로 형성된 냉 전계 방출 측면 방출기(124)의 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
전자원(12, 58, 72, 76, 96, 124, 200, 202)으로부터의 방사파를 안정화시키도록 상기 장치는 미소구조 또는 나노구조의 전계 방출기로 제작된 전자원에 하나 이상의 전기 단자와 연결부를 통해서 연결되는 제어가능한 전압원을 포함하고, 전계 방출기의 하나 이상의 팁에서 나오는 전자 빔은 애노드에 모이는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 방사파를 투과시키고 진공인 하나 이상의 렌즈를 갖는 적어도 전도성을 갖는 하우징을 포함하고, 미소구조 또는 나노구조로 제작된 두 개의 다이나트론 관(99, 130) 및 발진기(86, 136)가 THz 전자기파를 구속하는 공동 공진기를 이루는 직사각형 형태의 전도성 하우징(80, 134)으로 둘러싸여 있고, 상기 전도성 하우징의 규격은 방출되는 방사파의 주파수와 파장에 맞춰지는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 방사파를 투과시키고 진공인 하나 이상의 렌즈(74, 99, 98, 104, 128)를 구비한 전도성 하우징을 포함하고, 추출 그리드와 애노드 사이에 개방된 관통공을 가지며 전도성 하우징 내의 중앙에 위치한 절연 기재의 상부와 하부에 설치되는 발진기와 미소구조 또는 나노구조 제작된 두 개의 다이나트론 관(99, 130)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 펌핑실(92)을 포함하고, 상기 펌핑실은 진공을 제공하는 펌핑 장치(108)를 포함하고, 상기 펌핑실(92)은 적어도 다이나트론 관(22, 99, 130, 180)에 연결되고 특히 공동 공진기(94)에 연결되며, 전자기 방사파는 반사시키되 기체는 적어도 다이나트론 관(22, 99, 130, 180)으로부터 펌핑실(92)로 통과시키는 그리드 또는 메쉬 구조(106)를 통해서 체적에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 기존의 고진공 펌핑 시스템으로 구현되는 펌핑 장치, 및/또는 특히 소형 오비트론 펌프 및/또는 증착된 게터 물질(108)과 같은 고진공을 형성하는 소형 진공 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 THz 방출기 셀(105)의 양쪽에서부터 THz 방사파를 방출하는 THz 방출기 셀(105)로서 구성되며, 평행한 방향으로 방사파를 안내하도록 예컨대, 조밀한 금속 메쉬 면의 형태로 방출되는 방사파의 방향에 대해 기울어진 THz 방사 미러(112)를 이용하고, 물체에 방사파가 집속하도록 조사하는 하나 이상의 THz 방사파 집속 렌즈(114)를 사용하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 네 개 이상의 벽을 갖는 공진기를 포함하여 방출된 파장을 조정하고, 하나 이상의 벽(156) 및 하나 이상의 애노드(158)가 상기 장치를 조정하도록 이동가능하며, 애노드는 벽에 대해 정적인 거리에 떨어져 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
제5항에 있어서,
상기 장치는 기존의 고진공 펌핑 시스템으로 구현되는 펌핑 장치, 및/또는 특히 소형 오비트론 펌프 및/또는 증착된 게터 물질(108)과 같은 고진공을 형성하는 소형 진공 펌프를 포함하며,
발진기 회로의 조절가능한 커패시터에 의해서 그리고 공진기 벽과 애노드의 위치에 의해 조정이 이루어지고, 애노드 및 하나 이상의 이동가능한 공진기 벽은 NiTiNOL 단(stage)과 같은 기계적 수단에 연결되고, 상기 기계적 수단은 압전효과에 의해 구동되는 마이크로 액츄에이터 또는 NiTiNOL 와이어의 전류를 이용하여, 이동가능한 공진기 벽과 애노드를 이동시켜 방출될 THz 방사파의 파장을 형성하고 선택하는 것을 특징으로 하는 장치.
THz 주파수로 전자기 방사파를 생성하기 위한 제1항에 따른 장치의 사용방법.