CN106783476B - 一种双频径向连续波太赫兹斜注管 - Google Patents

一种双频径向连续波太赫兹斜注管 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双频径向连续波太赫兹斜注管，包括轴对称金属顶板、轴对称金属底板、两个扇形电子束、两个扇形金属平板慢波结构、同轴输出波导外筒、同轴输出波导内筒、轴对称收集极和外部磁场产生装置；外部磁场产生装置在高频互作用区产生沿着径向以及轴向的静磁场，两个扇形电子束在静磁场的引导下，沿着径向的反方向传输，并分别与两个结构参数不同的扇形金属平板慢波结构相互作用，将两个扇形电子束的动能转化为两个不同频率的电磁波能量，产生的两个频率的电磁波通过同轴输出波导辐射出去，能够同时产生两个频率电磁波输出，使得器件的整个工作频率调谐范围得到了拓宽。

Description

一种双频径向连续波太赫兹斜注管
技术领域
本发明属于连续波太赫兹真空电子辐射源技术领域，具体涉及一种工作在连续波状态，能同时辐射两个频率均大于0.1太赫兹、输出功率均大于1瓦的太赫兹波段的双频径向连续波太赫兹斜注管。
背景技术
近年来太赫兹技术得到了巨大发展，具有一定功率输出的太赫兹源是太赫兹技术应用的基础。基于真空电子学的太赫兹源能产生较高的输出功率，因此国内外均大力开展真空电子学太赫兹源器件的研究，俄罗斯的应用物理研究所开展了1THz回旋管的实验研究，产生了频率为1.03THz、输出功率为1kW的太赫兹脉冲信号，日本的福田大学开展了太赫兹波段连续波回旋管的实验研究。西北核技术研究所围绕过模表面波振荡器，在太赫兹波产生理论、数值模拟和实验方面也开展了大量的研究工作，在CKP1000和CKP3000加速器上实验得到了频率为0.14THz的太赫兹波输出，利用辐射远场功率密度积分法，实测功率分别达到约2.6MW和5MW，并且初步开展了0.14THz同轴结构表面波振荡器的理论研究工作。为了达到kW量级以上的输出功率，现阶段研制的回旋器件以及表面波振荡器所需的外加引导磁场一般较大，需采用超导线圈产生强磁场对电子束的运动进行约束，导致所研制的太赫兹真空电子器件外部设备非常庞大，不利于太赫兹真空电子器件的广泛应用。
随着太赫兹技术以及微纳加工技术的发展，太赫兹真空电子器件的一个重要发展方向为中小输出功率太赫兹源器件的研制，能用于医学成像以及探测等研究领域。该类型太赫兹源所需要的电子束电压较低、电子束密度较小。随着器件工作电压的降低以及电子束密度的减少，所需的外加约束磁场强度采用永磁体以及常温的螺旋线圈也能达到，因此整个太赫兹源的外部设备得以简化，这对于器件的实用化具有非常重要的意义。由于真空电子器件的工作频率达到太赫兹频段时，器件横截面的电尺寸变小，器件的加工精度较难得到保证，传统的圆柱高频结构是在金属圆柱内部刻周期性的慢波结构，当器件工作频率达到太赫兹波段时，槽的宽度以及深度达到微米量级，较难加工出满足实验条件的高频慢波结构，采用过模形式的高频结构可以降低加工的难度，但同时会导致器件的工作模式较难得到控制；采用平板的慢波结构能降低太赫兹真空电子器件加工难度，同时提高输出功率。
采用径向的高频结构能增加器件的尺寸，在平板结构上加工周期性的慢波结构相对比较容易，同时电子枪产生的电子束沿着径向的反方向传输，电子束的电流密度自动提高，有利于电子束在慢波结构中激励太赫兹频段电磁波，其次电子枪与高频结构分离，因此能够采用辅助磁场设计出性能优良的电子枪。专利申请号为2015107029166的发明专利“一种径向结构连续波太赫兹振荡器”，该专利提出采用轴对称的径向慢波结构以及轴对称的径向电子束产生频率为0.1太赫兹以上的电磁波。该发明专利所提出的器件设计方案只能够在工作频率附近通过调节电子束电压进行频率调谐，频率的调谐范围有限；同时随着频率的调谐，器件的工作性能会有一定程度的降低。
发明内容
本发明的目的是解决在低电压、低磁场的条件下，能同时辐射两个频率均大于0.1太赫兹、输出功率均大于1瓦的太赫兹波，使得器件的整个工作频率调谐范围得到了拓宽的双频径向连续波太赫兹斜注管。
本发明的基本原理是：
外部磁场产生装置产生沿着径向以及轴向的静磁场，两个扇形电子束在静磁场的引导下，沿着径向的反方向传输，并分别与两个结构参数不同的扇形金属平板慢波结构相互作用，将两个扇形电子束的动能转化为两个不同频率的电磁波能量，产生的两个频率的电磁波通过同轴输出波导辐射出去，由于该器件采用了两个参数不同的扇形电子束以及两个结构参数不相同的扇形金属平板慢波结构，因此可以同时产生两个频率的太赫兹波，扇形电子束在传输的过程中不断靠近扇形金属平板慢波结构，提高了扇形电子束的能量转换效率；同时两个扇形金属平板慢波结构在金属平板上加工，降低了器件进行微纳加工的难度；采用该斜注管能够同时产生两个频率均大于0.1太赫兹、输出功率均大于1瓦的太赫兹频段电磁波输出。
本发明的具体技术方案如下：
本发明提供了一种双频径向连续波太赫兹斜注管，包括外部磁场产生装置、电子束产生装置以及同轴输出波导；外部磁场产生装置用于产生沿着径向以及轴向的静磁场；所述同轴输出波导包括同轴输出波导内筒和同轴输出波导外筒；
其改进之处是：所述电子束产生装置用于产生一个左扇形电子束和右扇形电子束；
还包括轴对称金属底板、轴对称金属顶板以及轴对称收集极；轴对称收集极安装在轴对称金属底板和轴对称金属顶板之间，并且轴对称收集极位于轴对称金属底板和轴对称金属顶板的中心处；
所述同轴输出波导外筒与轴对称金属顶板沿着径向的外边缘相连接且与轴对称金属顶板垂直；所述同轴输出波导内筒与轴对称金属底板沿着径向的外边缘相连接且与轴对称金属底板垂直；
轴对称收集极将轴对称金属顶板与轴对称金属底板之间的间隙分成左径向束波通道和右径向束波通道；所述左径向束波通道和右径向束波通道两个相互独立；同轴输出波导内筒与同轴输出波导外筒之间的间隙为轴向束波通道；左径向束波通道和右径向束波通道分别与轴向束波通道连通；
轴对称金属底板在靠近轴对称金属顶板的面上设置有扇形金属平板慢波结构；所述扇形金属平板慢波结构被轴对称收集极分成了结构参数不同左扇形金属平板慢波结构以及右扇形金属平板慢波结构；左扇形金属平板慢波结构与相对设置的轴对称金属顶板构成了左扇形高频结构；
右扇形金属平板慢波结构与相对设置的轴对称金属顶板构成了右扇形高频结构；
同轴输出波导外筒筒壁上以轴对称收集极为中心轴对称开设有两个电子束入射口；
电子束产生装置产生的左扇形电子束和右扇形电子束在外部磁场产生装置产生的外部磁场的引导下分别从两个扇形电子束入射口进入左径向束波通道和右径向束波通道；左扇形电子束和右扇形电子束被轴对称收集极后一部分扇形电子束被吸收，一部分打到扇形金属平板慢波结构表面被吸收。
需要说明的是：左扇形高频结构和右扇形高频结构均产生频率大于0.1太赫兹、输出功率大于1瓦的太赫兹频段电磁波
两个电子束入射口均为弧形；弧形所对应的角度大小为0°至360°；所述左扇形电子束和右扇形电子束的起止角度范围与两个电子束入射口弧形大小相适配。即就是说，当左扇形电子束的电子束入射口所对应的弧度为10°，那么左扇形电子束的起止角度就是10°；同理，当右扇形电子束的电子束入射口所对应的弧度为330°，那么右扇形电子束的起止角度就是330°。
上述左扇形电子束与左扇形金属平板慢波结构均为扇形结构；所对应的张角的起止角度相同；右扇形电子束与右扇形金属平板慢波结构均为扇形结构；所对应的张角的起止角度相同。
上述外部磁场产生装置在扇形高频结构产生的径向磁场的幅值在0.1Tesla到1.4Tesla之间，轴向磁场的幅值在-0.01Tesla到0Tesla之间。
上述左扇形电子束和右扇形电子束的电压范围均在1.0kV至50kV之间，电流密度范围均在5A/cm2至300A/cm2之间。电子束产生装置为电子枪。
具体的来说，左扇形金属平板慢波结构中每一个周期的长度范围为0.02mm到4.0mm之间，慢波结构开槽的宽度范围为0.01mm到3.0mm之间，慢波结构开槽的深度范围为0.02mm到4.0mm之间，左扇形金属平板慢波结构的顶部距轴对称金属顶板的长度范围为0.1mm到10mm之间；
右扇形金属平板慢波结构中每一个周期的长度范围为0.02mm到4.0mm之间，慢波结构开槽的宽度范围为0.01mm到3.0mm之间，慢波结构开槽的深度范围为0.02mm到4.0mm之间，左扇形金属平板慢波结构的顶部距轴对称金属顶板的长度范围为0.1mm到10.0mm之间。
本发明具有的技术效果如下：
1、本发明采用热阴极产生两个沿着径向反方向传输的扇形电子束，与沿着径向的扇形金属平板慢波结构发生非线性相互作用，将扇形电子束的动能转化为太赫兹频段的电磁波能量，该器件能同时产生两个频率均大于0.1太赫兹、输出功率均大于1瓦的电磁波。
2、本发明采用两个扇形金属平板慢波结构以及两个扇形电子束，能够同时产生两个频率的太赫兹频段电磁波，使得器件的整个工作频率调谐范围得到了拓宽。
3、本发明采用的外部磁场产生装置不仅能够产生沿着径向的引导磁场，并且还能够产生沿着轴向的引导磁场，两个扇形电子束在沿着径向反方向传输的过程中，不断的靠近扇形金属平板慢波结构，增强了扇形电子束与扇形金属平板慢波结构的耦合系数，从而能提高器件的输出功率。
4、本发明采用两个扇形电子束沿着径向反方向传输，在扇形电子束传输的过程中，扇形电子束的密度不断自动增加，从而克服扇形电子束的密度较低时斜注管无法输出电磁波的缺点，同时可以单独的调节每一个扇形电子束的工作电压，独立地实现频率的快速调谐。
5、本发明采用沿着两个径向反方向传输的扇形电子束，热阴极的两个电子枪位于慢波结构的外部，可以独立的的进行设计，方便电子枪结构的设计以及整个器件的组装。
6、本发明所采用的两个扇形电子束的电压均不高于50kV，低的工作电压能够减小斜注管所需初级电压源的体积，有利于本发明的广泛使用。
7、本发明所采用的外部磁场产生装置产生的磁场的幅值小于1.4Tesla，该引导磁场的幅值较小，采用普通的线圈或永磁铁就能实现，从而克服产生强磁场所需庞大外部设备的问题。
8、本发明的扇形电子束从同轴输出波导的外筒筒壁输入至扇形高频结构内，同轴输出波导的横截面增加，使得输出结构的功率容量提高，具有更大的设计空间，有利于器件的散热以及辅助磁场的设计。
9、本发明提出的低电压径向斜注管还可以用于同时产生两个其它频率的太赫兹斜注管的研制。
附图说明
图1为本发明在x-z平面的剖面示意图；
图2为本发明在y-z平面的剖面示意图；
图3为本发明在x-y平面的结构示意图；
图4为本发明左扇形金属平板慢波结构的示意图；
图5为本发明左扇形电子束的宽度及位置示意图；
图6为本发明右扇形金属平板慢波结构的示意图；
图7为本发明右扇形电子束的宽度及位置示意图；
图8为本发明同轴输出波导示意图；
图9为本发明以同时产生两个频率为0.305太赫兹与0.34太赫兹电磁波的双频径向连续波太赫兹斜注管为实施例所产生的0.305太赫兹电磁波的频谱图；
图10为本发明以同时产生两个频率为0.305太赫兹与0.34太赫兹电磁波的双频径向连续波太赫兹斜注管为实施例所产生的0.305太赫兹电磁波的输出功率图；
图11为本发明以同时产生两个频率为0.305太赫兹与0.34太赫兹电磁波的双频径向连续波太赫兹斜注管为实施例所产生0.34太赫兹电磁波的频谱图；
图12为本发明以同时产生两个频率为0.305太赫兹与0.34太赫兹电磁波的双频径向连续波太赫兹斜注管为实施例所产生的0.34太赫兹电磁波的输出功率图。
附图标记如下：
1、左扇形电子束A；2、右扇形电子束B；3、左扇形金属平板慢波结构A；4、右扇形金属平板慢波结构B；5、轴对称金属顶板；6、同轴输出波导内筒；7、同轴输出波导外筒；8、外部磁场产生装置；9、轴对称金属底板；10、轴对称收集极。
具体实施方式
本发明涉及一种低电压情况下能同时产生两个频率电磁波的双频径向连续波太赫兹斜注管，在器件采用两个沿着径向反方向传输的扇形电子束以及两个不同尺寸的扇形金属平板慢波结构，器件能够在太赫兹波段以连续波工作状态同时产生两个频率均大于0.1太赫兹、输出功率大于1瓦的电磁波。
下面本发明以同时产生0.305太赫兹和0.34太赫兹电磁波为实施例，对该本发明进行详述：
该器件能够在径向引导磁场幅值为0.6Tesla、轴向引导磁场幅值为负0.002Tesla时，同时产生0.305太赫兹和0.34太赫兹的电磁波，这两个频率电磁波的输出功率分别为9.1瓦和23.8瓦。
如图1-3所示，该器件由左扇形电子束A1、右扇形电子束B2、左扇形金属平板慢波结构A3、右扇形金属平板慢波结构B4、轴对称金属顶板5、同轴输出波导内筒6、同轴输出波导外筒7、外部磁场产生装置8、轴对称金属底板9和轴对称收集极10组成；所有金属材料的材质均为电导率较高的铜，所引入的欧姆损耗较小。
左扇形电子束A1与左扇形金属平板慢波结构A3呈扇形分布，所对应的角度范围均从120度到240度，左扇形电子束A1在外部磁场产生装置8所产生的径向以及轴向静磁场的引导下，在沿着径向反方向传输的过程中，不断的靠近左扇形金属平板慢波结构A3，与左扇形金属平板慢波结构A3与轴对称金属顶板5构成的扇形高频结构产生相互作用，将左扇形电子束A1的动能转化为电磁波的能量，产生0.305太赫兹的电磁波，通过同轴输出波导内筒6与同轴输出波导外筒7构成的轴向束波通道输出；左扇形电子束A1的部分电子束打到扇形金属平板慢波结构A3上吸收，其余的电子束打到轴对称收集极10上被吸收。
右扇形电子束B2与右扇形金属平板慢波结构B4呈扇形分布，所对应的角度范围均从负60度到60度，右扇形电子束B2在外部磁场产生装置8产生的轴向以及径向磁场的引导下，在沿着径向反方向传输的过程中，不断靠近右扇形金属平板慢波结构B4，与右扇形金属平板慢波结构B4与轴对称金属顶板5所构成扇形高频结构产生相互作用，将右扇形金属平板慢波结构B4的动能转化为电磁波的能量，产生0.34太赫兹的电磁波，通过同轴输出波导内筒6与同轴输出波导外筒7构成的轴向束波通道输出；右扇形电子束B2的部分电子束打到右扇形金属平板慢波结构B4上吸收，其余的电子束打到轴对称收集极10上被吸收。轴对称金属底板9是一块轴对称的平板金属结构，左扇形金属平板慢波结构A3和右扇形金属平板慢波结构B4通过微纳加工技术在轴对称金属底板9的上表面制造。
如图4所示，该左扇形高频结构包括左扇形金属平板慢波结构A3以及轴对称金属顶板5，左扇形金属平板慢波结构A3的周期数目为60个，左扇形金属平板慢波结构A3中每一个周期的长度R2为0.1mm，慢波结构开槽的宽度R1为0.06mm，慢波结构开槽的深度L2为0.2mm，扇形金属平板慢波结构A3的顶部距轴对称金属顶板5的长度L1为0.42mm。
图5所示，左扇形电子束A1的电流密度为16.8A/cm2，能量为5千电子伏，左扇形电子束A1的宽度h2为0.1mm，电子束底部位置距左扇形金属平板慢波结构A3顶部的长度h1为0.01mm，在该高频互作用区外部磁场产生装置8产生沿着径向磁场的幅值为0.6Tesla，沿着轴向的磁场幅值为负0.002Tesla。
图6所示，右扇形高频结构包括右扇形金属平板慢波结构B4以及轴对称金属顶板5，右扇形金属平板慢波结构B4的周期数目为60个，右扇形金属平板慢波结构B4中每一个周期的长度R4为0.1mm，慢波结构开槽的宽度R3为0.06mm，慢波结构开槽的深度L4为0.18mm，右扇形金属平板慢波结构B4的顶部距轴对称金属顶板5的长度L3为0.42mm。
图7所示，右扇形电子束B2的电流密度为16.8A/cm2，能量为7千电子伏，右扇形电子束B2的宽度h4为0.1mm，电子束底部位置距右扇形金属平板慢波结构B4顶部的长度h3为0.01mm，在该高频互作用区外部磁场产生装置8产生沿着径向磁场的幅值为0.6Tesla，沿着轴向磁场的幅值为负0.002Tesla。
图8为本发明的同轴输出波导的示意图。轴对称金属底板9距轴对称金属顶板5的长度L5为0.42mm，并且轴对称金属底板9与同轴输出波导内筒6连接，同轴输出波导内筒6的长度L6为1.08mm，距对称轴的长度R5为9.0mm；同轴输出波导外筒7与轴对称金属顶板5连接，且同轴输出波导外筒7沿着轴线方向的长度L7为1.5mm，距对称轴的长度R6为9.5mm
图9-图12为采用粒子模拟软件仿真的本发明实施例的计算结果，本发明实施例的计算模型如图1-图3所示，图9表明本发明实施例的器件结构能产生频率为0.305太赫兹的电磁波，图10表明本发明实施例的器件结构产生的0.305太赫兹电磁波的输出功率为9.1瓦；图11表明本发明实施例的器件结构能产生频率为0.34太赫兹的电磁波，图12表明本发明实施例的器件结构产生的0.34太赫兹电磁波的输出功率为23.8瓦。

Claims (7)

1.一种双频径向连续波太赫兹斜注管，包括外部磁场产生装置、电子束产生装置以及同轴输出波导；所述外部磁场产生装置用于产生沿着径向以及轴向的静磁场；所述同轴输出波导包括同轴输出波导内筒和同轴输出波导外筒；
其特征在于：所述电子束产生装置用于产生一个左扇形电子束和右扇形电子束；
还包括轴对称金属底板、轴对称金属顶板以及轴对称收集极；轴对称收集极安装在轴对称金属底板和轴对称金属顶板之间，并且轴对称收集极位于轴对称金属底板和轴对称金属顶板的中心处；
所述同轴输出波导外筒与轴对称金属顶板沿着径向的外边缘相连接且与轴对称金属顶板垂直；所述同轴输出波导内筒与轴对称金属底板沿着径向的外边缘相连接且与轴对称金属底板垂直；
轴对称收集极将轴对称金属顶板与轴对称金属底板之间的间隙分成左径向束波通道和右径向束波通道；所述左径向束波通道和右径向束波通道两个相互独立；同轴输出波导内筒与同轴输出波导外筒之间的间隙为轴向束波通道；左径向束波通道和右径向束波通道分别与轴向束波通道连通；
轴对称金属底板在靠近轴对称金属顶板的面上设置有扇形金属平板慢波结构；所述扇形金属平板慢波结构被轴对称收集极分成了结构参数不同左扇形金属平板慢波结构以及右扇形金属平板慢波结构；左扇形金属平板慢波结构与相对设置的轴对称金属顶板构成了左扇形高频结构；
右扇形金属平板慢波结构与相对设置的轴对称金属顶板构成了右扇形高频结构；
同轴输出波导外筒筒壁上以轴对称收集极为中心轴对称开设有两个电子束入射口；
电子束产生装置产生的左扇形电子束和右扇形电子束在外部磁场产生装置的作用下分别从两个扇形电子束入射口进入左径向束波通道和右径向束波通道；左扇形电子束和右扇形电子束打到轴对称收集极后一部分扇形电子束被吸收，一部分打到扇形金属平板慢波结构表面被吸收。
2.根据权利要求1所述的双频径向连续波太赫兹斜注管，其特征在于：所述左扇形高频结构和右扇形高频结构均产生频率大于0.1太赫兹、输出功率大于1瓦的太赫兹频段电磁波。
3.根据权利要求1或2所述的双频径向连续波太赫兹斜注管，其特征在于：所述两个电子束入射口均为弧形；弧形所对应的角度大小为0°至360°；所述左扇形电子束和右扇形电子束的起止角度范围与两个电子束入射口弧形所对应的角度大小相适配。
4.根据权利要求3所述的双频径向连续波太赫兹斜注管，其特征在于：所述左扇形电子束与左扇形金属平板慢波结构均为扇形结构；所对应的张角的起止角度相同；右扇形电子束与右扇形金属平板慢波结构均为扇形结构；所对应的张角的起止角度相同。
5.根据权利要求4所述的双频径向连续波太赫兹斜注管，其特征在于：所述外部磁场产生装置在扇形高频结构产生的径向磁场的幅值在0.1Tesla到1.4Tesla之间，轴向磁场的幅值在-0.01Tesla到0Tesla之间。
6.根据权利要求5所述的双频径向连续波太赫兹斜注管，其特征在于：所述左扇形电子束和右扇形电子束的电压范围均在1.0kV至50kV之间，电流密度范围均在5A/cm2至300A/cm2之间。
7.根据权利要求6所述的双频径向连续波太赫兹斜注管，其特征在于：所述左扇形金属平板慢波结构中每一个周期的长度范围为0.02mm到4.0mm之间，慢波结构开槽的宽度范围为0.01mm到3.0mm之间，慢波结构开槽的深度为0.02mm到4.0mm之间，左扇形金属平板慢波结构的顶部距轴对称金属顶板的长度的范围为0.1mm到10.0mm之间；
右扇形金属平板慢波结构中每一个周期的长度的范围为0.02mm到4.0mm之间，慢波结构开槽的宽度范围为为0.01mm到3.0mm之间，慢波结构开槽的深度范围为0.02mm到4.0mm之间，左扇形金属平板慢波结构的顶部距轴对称金属顶板的长度范围为0.1mm到10.0mm之间。
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