一種徑向結(jié)構(gòu)連續(xù)波太赫茲振蕩器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于連續(xù)波真空電子學(xué)太赫茲源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種工作在連續(xù)波狀態(tài)，輸出頻率大于ο.1太赫茲、功率大于1瓦的太赫茲波段(太赫茲，Terahertz, ITHz =1012Hz)電磁波的真空電子學(xué)器件設(shè)計方案。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來太赫茲技術(shù)得到了巨大發(fā)展，具有一定功率輸出的太赫茲源是太赫茲技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)?；谡婵针娮訉W(xué)的太赫茲源能產(chǎn)生較高的輸出功率，因此國內(nèi)外均大力開展真空電子學(xué)太赫茲源器件的研究，俄羅斯的應(yīng)用物理研究所開展了 ITHz回旋管的實驗研究，產(chǎn)生了頻率為1.03THZ、輸出功率為lkW的太赫茲脈沖信號，日本的福田大學(xué)開展了太赫茲波段連續(xù)波回旋管的實驗研究。西北核技術(shù)研究所圍繞過模表面波振蕩器，在太赫茲波產(chǎn)生理論、數(shù)值模擬和實驗方面也開展了大量的研究工作，在CKP1000和CKP3000加速器上實驗得到了頻率為0.14THz的太赫茲波輸出，利用輻射遠(yuǎn)場功率密度積分法，實測功率分別達(dá)到約2.6MW和5MW，并且初步開展了 0.14THz同軸結(jié)構(gòu)表面波振蕩器的理論研究工作。為了達(dá)到kW量級以上的輸出功率，現(xiàn)階段研制的回旋器件以及表面波振蕩器所需的外加引導(dǎo)磁場一般較大，需采用超導(dǎo)線圈產(chǎn)生強(qiáng)磁場對電子束的運(yùn)動進(jìn)行約束，導(dǎo)致所研制的真空電子學(xué)太赫茲源所需外部設(shè)備非常龐大，不利于真空電子學(xué)太赫茲源的普遍使用。
[0003]隨著太赫茲技術(shù)以及微納加工技術(shù)的發(fā)展，真空電子學(xué)太赫茲源的一個重要發(fā)展方向為中小輸出功率水平太赫茲源器件的研制，能用于醫(yī)學(xué)成像以及探測等研究領(lǐng)域。該類型太赫茲源所需要的電子束電壓較低、電子束密度較小，隨著器件工作電壓的降低以及電子束密度的減少，所需的外加約束磁場采用通常使用的永磁體以及常溫的螺旋線圈也能達(dá)到，因此整個太赫茲源的外部設(shè)備得以簡化，這對于器件的實用化具有非常重要的意義。由于真空電子學(xué)器件的工作頻率達(dá)到太赫茲頻段時，器件橫截面的電尺寸變小，導(dǎo)致電子束的傳輸尺寸更小，器件的加工精度較難得到保證，傳統(tǒng)的圓柱高頻結(jié)構(gòu)是在金屬圓柱內(nèi)部刻周期性的慢波結(jié)構(gòu)，當(dāng)器件工作頻率達(dá)到太赫茲波段時，槽的寬度以及深度達(dá)到微米量級，較難加工出滿足實驗條件的高頻慢波結(jié)構(gòu)，采用過模形式的高頻結(jié)構(gòu)可以降低加工的難度，但同時會導(dǎo)致器件的工作模式較難得到控制；采用平板的慢波結(jié)構(gòu)能降低太赫茲真空電子器件加工難度，同時提高輸出功率，研究人員開展了矩形慢波結(jié)構(gòu)的太赫茲波段返波振蕩器的數(shù)值模擬研究，但由于帶狀電子注的不穩(wěn)定性，只能產(chǎn)生寬度較窄、傳輸距離有限的帶狀電子注。
[0004]在已有文獻(xiàn)中提出的電子束沿著徑向正方向傳輸?shù)钠骷?，米用的電子束電壓大?00kV，該器件只能工作在脈沖狀態(tài)；器件所需要的徑向引導(dǎo)磁場強(qiáng)度大于4.0Tesla，不能采用永磁鐵實現(xiàn)，需要采用體積龐大的超導(dǎo)線圈，導(dǎo)致外部引導(dǎo)磁場較難設(shè)計；同時電子槍與高頻互作用區(qū)連接在一起，不利于電子槍的單獨(dú)設(shè)計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了降低太赫茲真空電子器件加工難度，同時提高電子束的穩(wěn)定性，本發(fā)明提供了一種徑向結(jié)構(gòu)連續(xù)波太赫茲振蕩器。
[0006]本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下:
[0007]—種徑向結(jié)構(gòu)連續(xù)波太赫茲振蕩器，包括引導(dǎo)磁場產(chǎn)生裝置、電子束產(chǎn)生裝置、高頻結(jié)構(gòu)及輸出波導(dǎo)，所述引導(dǎo)磁場產(chǎn)生裝置用于產(chǎn)生引導(dǎo)磁場，所述輸出波導(dǎo)包括內(nèi)筒和外筒，
[0008]其特殊之處在于:所述高頻結(jié)構(gòu)包括相對設(shè)置的環(huán)狀金屬頂板和環(huán)狀金屬底板，所述環(huán)狀金屬底板靠近環(huán)狀金屬頂板的面上設(shè)置有慢波結(jié)構(gòu)，所述輸出波導(dǎo)設(shè)置在環(huán)狀金屬頂板和環(huán)狀金屬底板的中心處且與環(huán)狀金屬頂板和環(huán)狀金屬底板垂直，輸出波導(dǎo)的外筒與環(huán)狀金屬頂板相連接，輸出波導(dǎo)的內(nèi)筒與環(huán)狀金屬底板相連接，環(huán)狀金屬頂板與環(huán)狀金屬底板之間的間隙及輸出波導(dǎo)內(nèi)筒與輸出波導(dǎo)外筒之間的間隙形成了束波通道，
[0009]所述電子束產(chǎn)生裝置用于產(chǎn)生電子束，所產(chǎn)生的電子束在引導(dǎo)磁場的作用下從環(huán)狀金屬頂板和環(huán)狀金屬底板的邊緣沿著環(huán)狀金屬頂板和環(huán)狀金屬底板的徑向朝環(huán)狀金屬頂板和環(huán)狀金屬底板的中心傳輸。
[0010]以上為本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，基于該基本結(jié)構(gòu)，本發(fā)明還做出以下優(yōu)化限定:
[0011]本發(fā)明的太赫茲振蕩器還包括金屬過渡波導(dǎo)外筒與金屬過渡波導(dǎo)內(nèi)筒，所述環(huán)狀金屬頂板與輸出波導(dǎo)的外筒通過金屬過渡波導(dǎo)外筒連接，所述環(huán)狀金屬底板與輸出波導(dǎo)的內(nèi)筒通過金屬過渡波導(dǎo)內(nèi)筒連接，
[0012]所述金屬過渡波導(dǎo)外筒與金屬過渡波導(dǎo)內(nèi)筒的內(nèi)表面為圓錐形，開口大的一端為大端，開口小的一端為小端，金屬過渡波導(dǎo)外筒的大端與環(huán)狀金屬頂板連接，金屬過渡波導(dǎo)內(nèi)筒的大端與環(huán)狀金屬底板連接。
[0013]本發(fā)明過渡波導(dǎo)的內(nèi)筒作為電子束收集極，將動能轉(zhuǎn)化為電磁波能量后的電子束進(jìn)行收集，同時將電子束在慢波結(jié)構(gòu)區(qū)域激勵的沿著徑向傳播的電磁波轉(zhuǎn)化為沿著軸線方向傳播的電磁波，同時還起著連接高頻結(jié)構(gòu)以及輸出波導(dǎo)的作用。
[0014]由于高頻結(jié)構(gòu)是由金屬底板和頂板構(gòu)成，采用同軸結(jié)構(gòu)的輸出波導(dǎo)，內(nèi)筒與金屬底板連接，外筒與金屬頂板連接，方便器件的固定以及集成。
[0015]本發(fā)明引導(dǎo)磁場產(chǎn)生裝置設(shè)置在高頻結(jié)構(gòu)的外側(cè)，所述引導(dǎo)磁場產(chǎn)生裝置為電磁線圈或永磁鐵。電磁線圈或永磁鐵在慢波結(jié)構(gòu)與環(huán)狀金屬頂板構(gòu)成的高頻互作用區(qū)產(chǎn)生的沿徑向磁場幅度在0.1Tesla到1.4Tesla之間。
[0016]外加引導(dǎo)磁場小于0.1Tesla時，不能很好的約束電子束，電子束會打到金屬底板的慢波結(jié)構(gòu)上，造成裝置的損壞，無法正常工作產(chǎn)生太赫茲波；引導(dǎo)磁場大于1.4Tesla時，導(dǎo)致外部磁場的產(chǎn)生裝置體積龐大，無法使得該裝置得到廣泛使用，因此，本發(fā)明的磁場幅度在 0.1Tesla 到 1.4Tesla 之間
[0017]本發(fā)明電子束電壓范圍在l.0kV至50kV之間，電子束的電流密度范圍在5A/cm2至300A/cm2之間。電子束產(chǎn)生裝置為電子槍。
[0018]本發(fā)明的太赫茲振蕩器在正常工作時，電子束密度需要大于裝置能產(chǎn)生太赫茲波的電流閾值，當(dāng)電子束密度小于5A/cm2時，裝置無法正常工作產(chǎn)生太赫茲波；而當(dāng)電子束密度大于300A/cm2時，產(chǎn)生這樣高密度的電子束，需要對電子槍發(fā)射的電子束密度進(jìn)行較大幅度的密度壓縮，以提高電子束的密度，導(dǎo)致電子槍的設(shè)計困難，同時電子束的束流品質(zhì)變差，不利于降低裝置的加工難度以及提高裝置的整體可靠性。
[0019]本發(fā)明高頻結(jié)構(gòu)及輸出波導(dǎo)的材質(zhì)為銅。
[0020]本發(fā)明具有的技術(shù)效果如下:
[0021]1、本發(fā)明徑向結(jié)構(gòu)連續(xù)波太赫茲振蕩器，采用徑向的高頻結(jié)構(gòu)能增加器件的尺寸，在平板結(jié)構(gòu)上加工周期性的慢波結(jié)構(gòu)相對比較容易，同時電子槍產(chǎn)生的電子束沿著徑向反方向傳輸，電子束電流密度自動提高，有利于電子束在慢波結(jié)構(gòu)中激勵太赫茲頻段電磁波，其次電子槍與高頻互作用結(jié)構(gòu)分離，因此能夠采用輔助磁場設(shè)計出性能優(yōu)良的電子槍。
[0022]2、本發(fā)明采用由熱陰極產(chǎn)生的沿著徑向反方向傳輸?shù)碾娮邮?，與沿著徑向的高頻互作用區(qū)發(fā)生非線性互作用，將電子地動能轉(zhuǎn)化為太赫茲頻段的電磁波能量，該類器件能產(chǎn)生頻率大于0.1太赫茲、輸出功率大于1瓦的電磁波。
[0023]3、本發(fā)明研制的慢波結(jié)構(gòu)采用徑向結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能增加整個器件的結(jié)構(gòu)尺寸，從而提高器件的功率容量。
[0024]4、本發(fā)明研制的慢波結(jié)構(gòu)采用平板金屬上加工周期慢波結(jié)構(gòu)，有利于提高慢波結(jié)構(gòu)的加工精度以及器件的裝配。
[0025]5、本發(fā)明米用沿著徑向反方向傳輸?shù)碾娮邮陔娮邮鴤鬏數(shù)倪^程中，電子束的密度不斷的自動增加，從而克服電子束的密度較低時振蕩器無法輸出電磁波的缺點(diǎn)。
[0026]6、本發(fā)明米用沿著徑向反方向傳輸?shù)碾娮邮?，熱陰極的電子槍位于慢波結(jié)構(gòu)的外部，可以單獨(dú)的進(jìn)行設(shè)計，方便電子槍結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及整個器件的組裝。
[0027]7、本發(fā)明所采用的電子束電壓不高于50kV，低的工作電壓能夠減小振蕩器所需初級電壓源的體積，有利于本發(fā)明的廣泛使用。
[0028]8、本發(fā)明所采用的外加引導(dǎo)磁場不高于1.4Tesla，該引導(dǎo)磁場的幅度較小，采用普通的線圈或永磁鐵就能實現(xiàn)，從而克服產(chǎn)生高磁場所需龐大外部設(shè)備的問題。
[0029]9、本發(fā)明提出的低電壓徑向振蕩器還可以應(yīng)用于其它太赫茲波頻段的器件研制。
【附圖說明】
[0030]圖1A為本發(fā)明太赫茲徑向結(jié)構(gòu)連續(xù)波振蕩器的結(jié)構(gòu)