CN108807114A - 工作在高次模的太赫兹eio制作方法及该太赫兹eio及谐振腔 - Google Patents

工作在高次模的太赫兹eio制作方法及该太赫兹eio及谐振腔 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种工作在高次模的太赫兹EIO制作方法及该太赫兹EIO及谐振腔，在高次模工作环境下，通过对工作电压、电流的优化，在保证太赫兹扩展互作用振荡器稳定运行的前提下，确定太赫兹扩展互作用振荡器中谐振间隙数目；与传统的工作在基模的扩展互作用振荡器有较大差别。通过选择TM31模作为工作模式，在相同工作频率下，谐振腔的空间得以扩大。这样做，一方面提高了谐振腔内部的功率容量，有助于提升器件的输出功率；另一方面，器件尺寸得到扩大，可以在一定程度上降低微细加工的难度。最终的器件可以实现约85W的功率输出，工作频率为338.4GHz。该工作在高次模的设计方法适用于提高太赫兹扩展互作用振荡器的输出功率和器件的工程可实现性。

Description

工作在高次模的太赫兹EIO制作方法及该太赫兹EIO及谐振腔
技术领域
本发明属于高性能太赫兹源，具体涉及用于提高太赫兹(太赫兹，Terahertz,1THz＝1012Hz)扩展互作用振荡器输出功率和可行性的高频结构。
背景技术
太赫兹(THz)波是指频率从0.3THz到3THz(1THz＝1012Hz)，介于毫米波与红外光之间的电磁波，这是最后一个人类尚未完全认知和利用的频段。太赫兹波位于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区域，由于所处的特殊位置，造成其辐射具有渗透性强、分辨率高、非电离传播、谱特征丰富等独特的优点。太赫兹波的这些特征，使其在信息通信、医疗诊断、生物技术、材料科学、天文学、军事等领域具有巨大的应用潜能，引起了世界各国的高度重视。在太赫兹技术中，太赫兹辐射源是太赫兹应用的基础，但是由于目前现有的大部分太赫兹源在室温环境下工作不稳定以及输出功率不高等因素的影响，太赫兹科学的进一步发展受到了极大的制约，因此研制出性能稳定、具有较高输出性能的太赫兹辐射源是太赫兹技术发展的根本。
到目前为止，真空电子学的方法是室温下产生高功率太赫兹辐射的最常用手段。而在真空电子器件中，扩展互作用器件(Extended Interaction Devices,EIDs)是一类重要的产生器件，它主要包含了振荡器和放大器。尤其是扩展互作用振荡器(EIO)发展非常迅速，目前商用EIO已经发展到了220GHz频段。加拿大的CPI公司是目前世界范围内，开展EIO研制技术最先进、经验最丰富的单位，其生产的220GHz连续波EIO器件，可以在达到10W左右的功率输出，参考文献：http://www.cpii.com/product.cfm/4/40/155，体现了较高的设计和加工水平。
但是随着工作频率的继续上升，由于器件的共渡效应，扩展互作用器件的结构尺寸已经下降到亚毫米量级，此时器件的结构尺寸对加工精度提出了非常高的要求。过于精细的结构特征大大增加了器件的加工难度。同时，由于高频结构中的谐振腔具有非常高的Q值，腔内过高的功率密度极其容易产生电打火现象，严重限制了器件整体的功率容量。
发明内容
为了解决太赫兹波段EIO器件的可实现性和可靠性难题，本发明提出了一种制作工作在高次模式的太赫兹扩展互作用振荡器的方法，并基于该方法设计了0.3THz的扩展互作用振荡器，该器件能够稳定工作，相比工作在相同频率的基模扩展互作用振荡器，该高次模扩展互作用振荡器的结构尺寸扩大了近两倍。本发明振荡器在15kV、160mA的电子束条件下，可以得到约85W的功率输出，器件的工作频率为338.4GHz。
本发明的技术解决方案为提供一种太赫兹扩展互作用振荡器的制作方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤一：在高次模工作环境下，通过对工作电压、电流的优化，在保证太赫兹扩展互作用振荡器稳定运行的前提下，确定太赫兹扩展互作用振荡器中谐振间隙数目；
步骤二：根据束波互作用的同步条件，确定工作在高次模的太赫兹扩展互作用振荡器中每个谐振间隙的尺寸；
步骤三：根据输出端口反射系数，确定梯形输出波导结构尺寸；
步骤四：根据步骤一至步骤三得出的参数制作太赫兹扩展互作用振荡器。
本发明还提供一种利用上述的方法制作的工作在高次模的太赫兹扩展互作用振荡器，其特殊之处在于：包括谐振腔及梯形输出波导；
上述谐振腔包括沿Z向排列的n个谐振间隙，每个谐振间隙沿XY及YZ面的截面均为哑铃状，谐振间隙包括重入部分及位于重入部分两端的真空部分，2n个真空部分与重入部分构成谐振腔的真空腔室；
n个重入部分的中心设有连通的电子束通道；定义谐振腔的长度方向为Z向，谐振腔的高度方向为Y向；
上述梯形输出波导包括耦合孔、渐变段及标准波导，耦合孔的xz向截面尺寸小于标准波导的xz向截面尺寸，渐变段由耦合孔和标准波导相邻两个面直接平滑连接而成；耦合孔与谐振腔真空腔室的腔体耦合。
进一步地，耦合孔及标准波导均为矩形波导。
进一步地，谐振间隙的总宽度W1为0.8mm，重入部分的宽度W2为0.5mm，电子束通道的直径D1为0.3mm。
进一步地，n等于24。
进一步地，每个谐振间隙的总高度BH1为2.2mm，重入部分的高度BH2为1.1mm；谐振间隙的周期长度BL1为0.2mm，其中真空部分的长度BL2为0.1mm。
进一步地，耦合孔的宽度OCW为0.5mm，标准波导的宽度OWW为0.7mm；
耦合孔的长度OCL为0.2mm，耦合孔的高度OCH为0.1mm，标准波导的长度OWL为0.35mm，标准波导的高度OWH为0.4mm，渐变段的高度OTH为1.0mm。
本发明还提供一种谐振腔，其特殊之处在于：包括沿Z向排列的n个谐振间隙，每个谐振间隙沿XY及YZ面的截面均为哑铃状，包括重入部分及位于重入部分两端的真空部分，2n个真空部分与重入部分构成谐振腔的真空腔室；
n个重入部分的中心设有连通的电子束通道；定义谐振腔的长度方向为Z向，谐振腔的高度方向为Y向。
进一步地，谐振间隙的总宽度W1为0.8mm，重入部分的宽度W2为0.5mm，电子束通道的直径D1为0.3mm。
进一步地，n等于24；谐振间隙的总高度BH1为2.2mm，重入部分的高度BH2为1.1mm；谐振间隙的周期长度BL1为0.2mm，其中真空部分的长度BL2为0.1mm。
与传统工作在基模的EIO不同的是，本EIO器件工作在TM31模式，两种模式的工作频率基本一致，而对应的结构参数是不一样的。TM31结构的尺寸参数比TM11结构的尺寸扩大近1倍，其内部空间容量也扩大了近1倍。
本发明的优点：
1、能有效提高太赫兹EIO的输出功率。本发明提出的高频结构，通过使其工作在TM31模，能够有效地扩大谐振间隙的内部空间，增大谐振腔内部的功率容量，使器件的输出功率得到提高。在该EIO中，输出功率可以达到约85W。
2、能够降低精细结构的加工难度。由于采用的是高次模工作，器件的谐振特性使得该间隙结构的尺寸得到扩大。在谐振间隙处，间隙的高度增大近1倍，在同等加工精度的条件下，器件的加工实现难度得到一定缓解。
3、器件能够稳定工作。在高次模工作环境下，通过对工作电压、电流的优化，合理选择间隙数目，既有效地提高了束-波互作用强度，又避免杂模震荡，保证器件能够稳定运行。
附图说明
图1、扩展互作用振荡器整体结构示意图及谐振腔沿YZ面的截面示意图；
图2、谐振间隙沿XY面的截面示意图；
图3、梯形输出波导沿XY面的截面示意图；
图4、梯形输出波导沿YZ面的截面示意图；
图5a、TM11模的电场分布及结构尺寸；
图5b、TM31模的电场分布及结构尺寸；
图6、以TM31模工作的EIO的输出性能；
图7、EIO内的电场分布；
图8、谐振间隙数目对EIO输出性能的影响。
图中附图标记为：1-电子枪，2-电子束通道，3-谐振间隙，4-梯形输出波导，31-耦合孔，32-标准波导，33-渐变段。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步描述。需要说明的是，本实施例中所有的宽度反向为X向，长度方向为Z向，高度方向为Y向。
从图1可以看出，本实施例扩展互作用振荡器整个高频结构由24个谐振间隙3和一个梯形输出波导4组成。热阴极电子枪1产生的直流电子束进入电子束通道2，并与各个谐振间隙3处的电场发生束波相互作用，将能量转交给电磁波，最终通过梯形输出波导4将产生的太赫兹波辐射出去。在这里，电子枪1采用的是理想电子注注入，工作电压15kV，电流160mA。电子枪1产生的电子束工作电压为15kV，工作电流为160mA，引导磁场采用均匀磁场，强度为1.0T。另外，谐振间隙3的总高度BH1为2.2mm，重入部分的高度BH2为1.1mm。谐振间隙3的周期长度BL1为0.2mm，其中真空部分的长度BL2为0.1mm。
从图2可以看出，本实施例中谐振间隙3的横截面(即沿XY面的截面)为哑铃状，中间段为重入部分，中间段的宽度小于谐振间隙的总宽度，重入部分的中心设有电子束通道2，电子束通道2穿过谐振间隙的中心位置，使电子束与间隙电场发生相互作用。谐振间隙3的总宽度W1，为0.8mm，重入部分的宽度W2为0.5mm，电子束通道2的直径D1为0.3mm。
从图3可以看出，梯形输出波导4由耦合孔31、渐变段33和标准波导32三部分组成，渐变段33由耦合孔31和标准波导32相邻两个面直接平滑连接而成。其中耦合孔31的宽度OCW为0.5mm，标准波导32的宽度OWW为0.7mm，通过耦合孔31与谐振腔体耦合。
图4为梯形输出波导4的纵向截面示意图。其中耦合孔31的长度OCL为0.2mm，耦合孔31的高度OCH为0.1mm，标准波导32的长度OWL为0.35mm，标准波导32的高度OWH为0.4mm，渐变段33的高度OTH为1.0mm。
图5a与图5b分别为工作在该TM31模式与同频的TM11模式的谐振间隙结构尺寸和电场分布的对比。这里TM31模的结构尺寸与图1和图2标注的尺寸一致。在相同的工作频率下，TM31结构尺寸比TM11的结构尺寸扩大近1倍。
其基本工作过程是：
以采用本TM31模工作的高频结构的0.3THz扩展互作用振荡器为本发明的实施例，前端的电子枪结构产生160mA的直流电子束，直流电压为15kV。
电子束在1.0T的均匀磁场的引导下，通过电子束通道进入高频结构中，在谐振间隙处被间隙电场进行连续调制，最终形成群聚束团。同时，群聚电子束与TM31模的电场发生强相互作用，将能量传递给电磁波，使电磁波的能量得到有效地放大，并沿着输出耦合孔向外辐射。采用三维粒子模拟软件UNIPIC的计算结果如图6所示，在15kV、160mA的电子束流的驱动下，该EIO器件能够稳定工作，输出功率达到近85W，工作频点为338.4GHz。器件内部的工作电场分布如图7所示，在该EIO中，稳定工作时谐振腔内的电场分布模式为标准的TM31模，与理论设计一致，保证了器件的工作不受杂模震荡的影响。腔内间隙数目对输出功率的影响见图8所示。通过对谐振间隙数目影响的分析，选定间隙数目为24，可以保证器件的输出功率达到最高。
该工作在高次模的高频结构不仅能够提高EIO器件的输出功率，而且能够在一定程度上降低间隙结构的加工难度。该方法能够保证器件稳定工作，可以有效地提高器件的输出性能，并大大提高器件的工程可行性。

Claims (9)

1.一种工作在高次模的太赫兹EIO的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在高次模工作环境下，通过对工作电压、电流的优化，在保证太赫兹扩展互作用振荡器稳定运行的前提下，确定太赫兹扩展互作用振荡器中谐振间隙数目；
步骤二：根据束波互作用的同步条件，确定工作在高次模的太赫兹扩展互作用振荡器中每个谐振间隙的尺寸；
步骤三：根据输出端口反射系数，确定梯形输出波导结构尺寸；
步骤四：根据步骤一至步骤三得出的参数制作太赫兹扩展互作用振荡器。
2.一种利用权利要求1所述的方法制作的工作在高次模的太赫兹EIO，其特征在于：包括谐振腔及梯形输出波导；
所述谐振腔包括沿Z向排列的n个谐振间隙，每个谐振间隙沿XY及YZ面的截面均为哑铃状，谐振间隙包括重入部分及位于重入部分两端的真空部分，2n个真空部分与重入部分构成谐振腔的真空腔室；
n个重入部分的中心设有连通的电子束通道；定义谐振腔的长度方向为Z向，谐振腔的高度方向为Y向；
所述梯形输出波导包括耦合孔、渐变段及标准波导，耦合孔的XZ向截面尺寸小于标准波导的XZ向截面尺寸，渐变段由耦合孔和标准波导相邻两个面直接平滑连接而成；耦合孔与谐振腔真空腔室的腔体耦合。
3.根据权利要求2所述的工作在高次模的太赫兹EIO，其特征在于：谐振间隙的总宽度W1为0.8mm，重入部分的宽度W2为0.5mm，电子束通道的直径D1为0.3mm。
4.根据权利要求3所述的工作在高次模的太赫兹EIO，其特征在于：n等于24。
5.根据权利要求4所述的工作在高次模的太赫兹EIO，其特征在于：每个谐振间隙的总高度BH1为2.2mm，重入部分的高度BH2为1.1mm；谐振间隙的周期长度BL1为0.2mm，其中真空部分的长度BL2为0.1mm。
6.根据权利要求5所述的工作在高次模的太赫兹EIO，其特征在于：耦合孔的宽度OCW为0.5mm，标准波导的宽度OWW为0.7mm；
耦合孔的长度OCL为0.2mm，耦合孔的高度OCH为0.1mm，标准波导的长度OWL为0.35mm，标准波导的高度OWH为0.4mm，渐变段的高度OTH为1.0mm。
7.一种谐振腔，其特征在于：包括沿Z向排列的n个谐振间隙，每个谐振间隙沿XY及YZ面的截面均为哑铃状，包括重入部分及位于重入部分两端的真空部分，2n个真空部分与重入部分构成谐振腔的真空腔室；
n个重入部分的中心设有连通的电子束通道；定义谐振腔的长度方向为Z向，谐振腔的高度方向为Y向。
8.根据权利要求7所述的谐振腔，其特征在于：谐振间隙的总宽度W1为0.8mm，重入部分的宽度W2为0.5mm，电子束通道的直径D1为0.3mm。
9.根据权利要求7或8所述的谐振腔，其特征在于：n等于24；谐振间隙的总高度BH1为2.2mm，重入部分的高度BH2为1.1mm；谐振间隙的周期长度BL1为0.2mm，其中真空部分的长度BL2为0.1mm。
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