[发明专利]一种径向结构连续波太赫兹振荡器

说明书

技术领域

本发明属于连续波真空电子学太赫兹源技术领域，具体涉及一种工作在连续波状态，输出频率大于0.1太赫兹、功率大于1瓦的太赫兹波段(太赫兹,Terahertz,1THz＝10¹²Hz)电磁波的真空电子学器件设计方案。

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，导致所研制的真空电子学太赫兹源所需外部设备非常庞大，不利于真空电子学太赫兹源的普遍使用。

随着太赫兹技术以及微纳加工技术的发展，真空电子学太赫兹源的一个重要发展方向为中小输出功率水平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采用通常使用的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。由于真空电子学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，导致电子束的传输尺寸更小，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，研究人员开展了矩形慢波结构的太赫兹波段返波振荡器的数值模拟研究，但由于带状电子注的不稳定性，只能产生宽度较窄、传输距离有限的带状电子注。

在已有文献中提出的电子束沿着径向正方向传输的器件中，采用的电子束电压大于300kV，该器件只能工作在脉冲状态；器件所需要的径向引导磁场强度大于4.0Tesla，不能采用永磁铁实现，需要采用体积庞大的超导线圈，导致外部引导磁场较难设计；同时电子枪与高频互作用区连接在一起，不利于电子枪的单独设计。

发明内容

为了降低太赫兹真空电子器件加工难度，同时提高电子束的稳定性，本发明提供了一种径向结构连续波太赫兹振荡器。

本发明的具体技术方案如下：

一种径向结构连续波太赫兹振荡器，包括引导磁场产生装置、电子束产生装置、高频结构及输出波导，所述引导磁场产生装置用于产生引导磁场，所述输出波导包括内筒和外筒，

其特殊之处在于：所述高频结构包括相对设置的环状金属顶板和环状金属底板，所述环状金属底板靠近环状金属顶板的面上设置有慢波结构，所述输出波导设置在环状金属顶板和环状金属底板的中心处且与环状金属顶板和环状金属底板垂直，输出波导的外筒与环状金属顶板相连接，输出波导的内筒与环状金属底板相连接，环状金属顶板与环状金属底板之间的间隙及输出波导内筒与输出波导外筒之间的间隙形成了束波通道，

所述电子束产生装置用于产生电子束，所产生的电子束在引导磁场的作用下从环状金属顶板和环状金属底板的边缘沿着环状金属顶板和环状金属底板的径向朝环状金属顶板和环状金属底板的中心传输。

以上为本发明的基本结构，基于该基本结构，本发明还做出以下优化限定：

本发明的太赫兹振荡器还包括金属过渡波导外筒与金属过渡波导内筒，所述环状金属顶板与输出波导的外筒通过金属过渡波导外筒连接，所述环状金属底板与输出波导的内筒通过金属过渡波导内筒连接，

所述金属过渡波导外筒与金属过渡波导内筒的内表面为圆锥形，开口大的一端为大端，开口小的一端为小端，金属过渡波导外筒的大端与环状金属顶板连接，金属过渡波导内筒的大端与环状金属底板连接。