CN113607757A - 一种用于材料检测的电磁波检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于材料检测的电磁波检测装置，包括，发射高功率微波的磁控管、第一检测装置、反射波耦合装置、衍射放大器、电子分选装置、接收处理器、数据处理单元，数据处理单元用于获取用于鉴定材料的相关信息；本发明提供的电磁波检测装置，主要用于检测通过高功率微波辐照的材料的反射电磁波，以及对材料进行量子化处理后，材料自身发射的量子信息的检测，为材料的鉴定手段提供了科学依据。
Description
技术领域
本申请涉及材料检测技术领域，具体而言，涉及一种用于材料检测的电磁波检测装置。
背景技术
电磁波(Electromagnetic wave)是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的振荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性，其粒子形态称为光子，电磁波与光子不是非黑即白的关系，而是根据实际研究的不同，其性质所体现出的两个侧面。由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。电磁波在真空中速率固定，速度为光速。
电磁波伴随的电场方向，磁场方向，传播方向三者互相垂直，因此电磁波是横波。电磁波实际上分为电波和磁波，是二者的总称，但由于电场和磁场总是同时出现，同时消失，并相互转换，所以通常将二者合称为电磁波，有时可直接简称为电波。
在量子力学角度下，电磁波的能量以一份份的光子呈现，光子本质上来说就是波包，即以局域性能量呈现的波。电磁波的能量是量子化的，当其能级阶跃迁过辐射临界点，便以光子的形式向外辐射，此阶段波体为光子，光子属于玻色子。
一定频率范围的电磁波可以被人眼所看见，称之为可见光，或简称为光，太阳光是电磁波的一种可见的辐射形态。电磁波不依靠介质传播。
电磁辐射通常意义上指所有电磁辐射特性的电磁波，非电离辐射是指无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线。而X射线及γ射线通常被认为是放射性的辐射，称作电离辐射。
目前，材料鉴定方面主要是通过专家鉴定或者C14检测仪器进行辅助鉴定，C14检测仪器通过检测C14等放射性同位素的半衰期数据来进行材料检测，这些手段都无法满足科学、准确、客观的材料检测目标，急需一种通过电磁波辅助材料检测的检测装置，以满足现有的技术需求。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种用于材料检测的电磁波检测装置，包括：
发射高功率微波的磁控管；
第一检测装置，用于检测照射于材料的高功率微波的反射波；
反射波耦合装置，用于根据第一检测装置检测的反射波的第一方向，获取反射波，并将反射波耦合为涡旋电子；
衍射放大器，用于通过对涡旋电子进行衍射，放大扩散涡旋电子的波束尺度；
电子分选装置，用于分离具有不同动量的涡旋电子波束至空间中的不同位置；
接收处理器，用于对分离到不同位置的涡旋电子波束进行接收并处理，获取涡旋电子对应的波形数据；
数据处理单元，用于对波形数据进行数据处理，获取用于鉴定材料的相关信息。
优选地，磁控管包括，
喇叭天线，设置在磁控管的下端；
慢波结构腔，封装于喇叭天线的上端，其中，慢波结构腔为无磁不锈钢材料；
衔接过渡腔，封装于慢波结构腔的上端；
永磁体，嵌套在慢波结构腔和衔接过渡腔之间的磁控管外筒上；
强流二极管，封装于衔接过渡腔的上端，用于生成高功率微波；
气体捕集装置，由分别封装于喇叭天线、慢波结构腔、衔接过渡腔的若干个气体捕集器组成，用于避免电子束在运动过程中受碰撞程度不一，影响电子束均匀发射。
优选地，喇叭天线由封装成一体的陶瓷辐射面和无磁不锈钢喇叭组成；
气体捕集器封装于无磁不锈钢喇叭的上。
优选地，永磁体包括第一永磁体以及与第一永磁体不存在连接关系的第二永磁体；
第一永磁体设置在慢波结构腔和衔接过渡腔之间靠近慢波结构腔的一端；
第二永磁体设置在慢波结构腔和衔接过渡腔之间靠近衔接过渡腔的一端。
优选地，强流二极管由陶瓷真空界面、无磁不锈钢阳极、无磁不锈钢中空阴极杆组成；
无磁不锈钢阳极封装于衔接过渡腔的上端，无磁不锈钢阳极的中心设置有用于连接无磁不锈钢中空阴极杆的连接孔；
无磁不锈钢中空阴极杆靠近连接孔的一端的外部连接有陶瓷真空界面；
无磁不锈钢中空阴极杆设置在磁控管的内部的中心轴上。
优选地，无磁不锈钢中空阴极杆与无磁不锈钢阳极同轴连接。
优选地，电磁波检测装置还包括第二检测装置，第二检测装置设置于相对于第一检测装置的第一方向不同的第二方向上，第二检测装置具有根据照射位置检测反射波的若干个检测元件。
优选地，电磁波检测装置还包括行波控制装置，用于根据照射于对象的电磁波的照射位置，来切换该电磁波的反射波的反射到第一检测装置和/或第二检测装置的反射位置，并更新相关信息；
行波控制装置还用于将更新后的相关信息传输到反射波耦合装置。
优选地，反射波耦合装置，包括依次连接的高压电源、高速电子枪、电子回旋模块、耦合器；
高速电子枪，用于产生自由电子；
高压电源，用于提供直流高压，对自由电子进行加速，形成高速运动的电子；
电子回旋模块，用于将高速运动的电子转变为高速回旋电子；
耦合器，用于将反射波耦合到高速回旋电子，形成涡旋电子。
优选地，耦合器还包括量子耦合器，量子耦合器用于将材料发出的量子耦合到高速回旋电子；
数据处理单元，用于对材料的量子信息进行数据处理，获取用于鉴定材料的相关信息。
本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的技术方案设计的电磁波检测装置，主要用于检测通过高功率微波辐照的材料的反射电磁波，以及对材料进行量子化处理后，材料自身发射的量子信息的检测，为材料的鉴定手段提供了科学依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的装置示意图；
图2为本发明所述的磁控管示意图；
图3为本发明所述的反射波耦合装置示意图。
具体实施方式
下为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1-3所示，本发明提供了一种用于材料检测的电磁波检测装置，包括：
发射高功率微波的磁控管；
第一检测装置，用于检测照射于材料的高功率微波的反射波；
反射波耦合装置，用于根据第一检测装置检测的反射波的第一方向，获取反射波，并将反射波耦合为涡旋电子；
衍射放大器，用于通过对涡旋电子进行衍射，放大扩散涡旋电子的波束尺度；
电子分选装置，用于分离具有不同动量的涡旋电子波束至空间中的不同位置；
接收处理器，用于对分离到不同位置的涡旋电子波束进行接收并处理，获取涡旋电子对应的波形数据；
数据处理单元，用于对波形数据进行数据处理，获取用于鉴定材料的相关信息。
高功率微波是指微波脉冲峰值功率在GW级、频率在1GHz到300GHz之间、定向发射的电磁波，其在定向能武器、等离子体加热、高能雷达、粒子射频加速以及未来空间能源利用等诸多方面有着广泛的应用需求。高功率微波源是高功率微波***的核心，用于将高功率电脉冲转换为可辐射的高功率微波脉冲。
进一步地，磁控管包括，
喇叭天线，设置在磁控管的下端；
慢波结构腔，封装于喇叭天线的上端，其中，慢波结构腔为无磁不锈钢材料；
衔接过渡腔，封装于慢波结构腔的上端；
永磁体，嵌套在慢波结构腔和衔接过渡腔之间的磁控管外筒上；
强流二极管，封装于衔接过渡腔的上端，用于生成高功率微波；
气体捕集装置，由分别封装于喇叭天线、慢波结构腔、衔接过渡腔的若干个气体捕集器组成，用于避免电子束在运动过程中受碰撞程度不一，影响电子束均匀发射。
本申请提供的磁控管属于一体式封装结构，本发明提供的强流二极管上电压500kV，电流10kA，永磁磁场0.35T的激励下，输出微波平均功率1.5GW，效率达40％，频率为2.1GHz。
进一步地，喇叭天线由封装成一体的陶瓷辐射面和无磁不锈钢喇叭组成；
气体捕集器封装于无磁不锈钢喇叭的上。
进一步地，永磁体包括第一永磁体以及与第一永磁体不存在连接关系的第二永磁体；
第一永磁体设置在慢波结构腔和衔接过渡腔之间靠近慢波结构腔的一端；
第二永磁体设置在慢波结构腔和衔接过渡腔之间靠近衔接过渡腔的一端。
进一步地，强流二极管由陶瓷真空界面、无磁不锈钢阳极、无磁不锈钢中空阴极杆组成；
无磁不锈钢阳极封装于衔接过渡腔的上端，无磁不锈钢阳极的中心设置有用于连接无磁不锈钢中空阴极杆的连接孔；
无磁不锈钢中空阴极杆靠近连接孔的一端的外部连接有陶瓷真空界面；
无磁不锈钢中空阴极杆设置在磁控管的内部的中心轴上。
进一步地，无磁不锈钢中空阴极杆与无磁不锈钢阳极同轴连接。
进一步地，电磁波检测装置还包括第二检测装置，第二检测装置设置于相对于第一检测装置的第一方向不同的第二方向上，第二检测装置具有根据照射位置检测反射波的若干个检测元件。
进一步地，电磁波检测装置还包括行波控制装置，用于根据照射于对象的电磁波的照射位置，来切换该电磁波的反射波的反射到第一检测装置和/或第二检测装置的反射位置，并更新相关信息。
进一步地，反射波耦合装置，包括依次连接的高压电源、高速电子枪、电子回旋模块、耦合器；
高速电子枪，用于产生自由电子；
高压电源，用于提供直流高压，对自由电子进行加速，形成高速运动的电子；
电子回旋模块，用于将高速运动的电子转变为高速回旋电子；
耦合器，用于将反射波耦合到高速回旋电子，形成涡旋电子。
进一步地，耦合器还包括量子耦合器，量子耦合器用于将材料发出的量子耦合到高速回旋电子；
数据处理单元，用于对材料的量子信息进行数据处理，获取用于鉴定材料的相关信息。
本发明在电磁波检测中，还包括电磁波传感器，主要用于偏振方向及强度的检测，采用碳纳米管结构或碳纳米管复合结构作为电磁波传感器，该碳纳米管结构或碳纳米管复合结构中的碳纳米管有序排列，导电性良好，可进一步提高该电磁波检测装置的响应速度；所述碳纳米管结构或碳纳米管复合结构可自支撑，强度较好，结构稳定，提高了该电磁波检测装置的使用寿命及稳定性；由于所述电磁波传感器的碳纳米管结构或碳纳米管复合结构中的碳纳米管或碳纳米管线沿同一方向排列，因此该电磁波检测装置不仅可以测量电磁波的强度，还可以测量电磁波的偏振方向；所述电磁波信号偏振方向的检测只需转动碳纳米管结构，使碳纳米管结构中碳纳米管的长度延伸方向与电磁波的偏振方向之间的夹角发生变化即可，方法简单：
步骤一：提供一电磁波检测装置，该电磁波检测装置包括电磁波传感器、第一电极、第二电极及测量装置，所述电磁波传感器包括碳纳米管结构，该碳纳米管结构包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管沿同一方向从第一电极延伸至第二电极。
所述碳纳米管结构包括多个沿相同方向平行排列的碳纳米管、碳纳米管线状结构或其组合，即该碳纳米管结构中碳纳米管的长度方向大致相同，并且该碳纳米管基本平行于碳纳米管结构的表面。
步骤二：用待测偏振方向的电磁波照射所述电磁波检测装置的电磁波传感器，从而引起所述碳纳米管结构电阻的变化。
用待测偏振方向的电磁波垂直入射至上述碳纳米管结构的表面，当该电磁波的偏振方向平行于所述碳纳米管的长度方向，则该碳纳米管结构对该电磁波的吸收最强烈，当该电磁波的偏振方向垂直于所述碳纳米管的长度方向，则该碳纳米管结构对该电磁波的吸收最微弱，而碳纳米管结构对电磁波的吸收强弱的不同也会引起碳纳米管结构本身电阻变化的不同。可见当电磁波的偏振方向与碳纳米管结构中碳纳米管的长度方向之间的夹角发生改变时，所述碳纳米管结构的电阻也发生相应变化。
步骤三：转动该电磁波检测装置的电磁波传感器，使碳纳米管结构中碳纳米管的长度方向与电磁波偏振方向的夹角发生变化，测量在该变化过程中碳纳米管结构的电阻，根据该所测电阻的变化判断待测电磁波的偏振方向。
本发明提供的电磁波检测装置及电磁波检测方法具有以下优点：由于电磁波检测装置的电磁波传感器包括碳纳米管结构，碳纳米管结构包括多个沿一个固定方向延伸的碳纳米管，通过转动该碳纳米管结构，使碳纳米管结构中碳纳米管的长度延伸方向与电磁波的偏振方向之间的夹角发生变化，便可以检测电磁波的偏振方向。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。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所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种用于材料检测的电磁波检测装置，其特征在于，包括：
发射高功率微波的磁控管；
第一检测装置，用于检测照射于材料的所述高功率微波的反射波；
反射波耦合装置，用于根据所述第一检测装置检测的所述反射波的第一方向，获取所述反射波，并将所述反射波耦合为涡旋电子；
衍射放大器，用于通过对所述涡旋电子进行衍射，放大扩散所述涡旋电子的波束尺度；
电子分选装置，用于分离具有不同动量的涡旋电子波束至空间中的不同位置；
接收处理器，用于对分离到不同位置的所述涡旋电子波束进行接收并处理，获取所述涡旋电子对应的波形数据；
数据处理单元，用于对所述波形数据进行数据处理，获取用于鉴定所述材料的相关信息。
2.根据权利要求1所述一种用于材料检测的电磁波检测装置，其特征在于：
所述磁控管包括，
喇叭天线，设置在所述磁控管的下端；
慢波结构腔，封装于所述喇叭天线的上端，其中，所述慢波结构腔为无磁不锈钢材料；
衔接过渡腔，封装于所述慢波结构腔的上端；
永磁体，嵌套在所述慢波结构腔和所述衔接过渡腔之间的磁控管外筒上；
强流二极管，封装于衔接过渡腔的上端，用于生成所述高功率微波；
气体捕集装置，由分别封装于所述喇叭天线、所述慢波结构腔、所述衔接过渡腔的若干个气体捕集器组成，用于避免电子束在运动过程中受碰撞程度不一，影响电子束均匀发射。
3.根据权利要求2所述一种用于材料检测的电磁波检测装置，其特征在于：
所述喇叭天线由封装成一体的陶瓷辐射面和无磁不锈钢喇叭组成；
所述气体捕集器封装于所述无磁不锈钢喇叭的上。
4.根据权利要求3所述一种用于材料检测的电磁波检测装置，其特征在于：
所述永磁体包括第一永磁体以及与所述第一永磁体不存在连接关系的第二永磁体；
所述第一永磁体设置在所述慢波结构腔和所述衔接过渡腔之间靠近所述慢波结构腔的一端；
所述第二永磁体设置在所述慢波结构腔和所述衔接过渡腔之间靠近所述衔接过渡腔的一端。
5.根据权利要求4所述一种用于材料检测的电磁波检测装置，其特征在于：
所述强流二极管由陶瓷真空界面、无磁不锈钢阳极、无磁不锈钢中空阴极杆组成；
所述无磁不锈钢阳极封装于所述衔接过渡腔的所述上端，所述无磁不锈钢阳极的中心设置有用于连接所述无磁不锈钢中空阴极杆的连接孔；
所述无磁不锈钢中空阴极杆靠近所述连接孔的一端的外部连接有所述陶瓷真空界面；
所述无磁不锈钢中空阴极杆设置在所述磁控管的内部的中心轴上。
6.根据权利要求5所述一种用于材料检测的电磁波检测装置，其特征在于：
所述无磁不锈钢中空阴极杆与所述无磁不锈钢阳极同轴连接。
7.根据权利要求1所述一种用于材料检测的电磁波检测装置，其特征在于：
所述电磁波检测装置还包括第二检测装置，所述第二检测装置设置于相对于所述第一检测装置的第一方向不同的第二方向上，所述第二检测装置具有根据照射位置检测所述反射波的若干个检测元件。
8.根据权利要求7所述一种用于材料检测的电磁波检测装置，其特征在于：
所述电磁波检测装置还包括行波控制装置，用于根据照射于所述材料的所述电磁波的照射位置，来切换该电磁波的反射波的反射到所述第一检测装置和/或第二检测装置的反射位置，并更新相关信息；
所述行波控制装置还用于将更新后的所述相关信息传输到所述反射波耦合装置。
9.根据权利要求7所述一种用于材料检测的电磁波检测装置，其特征在于：
所述反射波耦合装置，包括依次连接的高压电源、高速电子枪、电子回旋模块、耦合器；
所述高速电子枪，用于产生自由电子；
所述高压电源，用于提供直流高压，对所述自由电子进行加速，形成高速运动的电子；
所述电子回旋模块，用于将所述高速运动的电子转变为高速回旋电子；
所述耦合器，用于将所述反射波耦合到所述高速回旋电子，形成所述涡旋电子。
10.根据权利要求9所述一种用于材料检测的电磁波检测装置，其特征在于：
所述耦合器还包括量子耦合器，所述量子耦合器用于将所述材料发出的量子耦合到所述高速回旋电子；
所述数据处理单元，用于对所述材料的量子信息进行数据处理，获取用于鉴定所述材料的相关信息。
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