[发明专利]一种扩展互作用速调管及其制作方法

说明书

本发明属于高性能太赫兹辐射源领域，提供一种扩展互作用速调管及其制作方法，包括输入谐振腔、输出谐振腔与N个中间谐振腔，输入谐振腔与输入波导连通，输出谐振腔与输出波导连通，输入谐振腔、输出谐振腔与N个中间谐振腔的中心处设置有互相连通的电子束通道，所述N个中间谐振腔的谐振间隙的周期长度不同或部分不同，所述N为大于1的正整数。解决了现有的扩展互作用速调管工作频带非常窄、腔内功率密度高的问题，这样电子束在通过中间谐振腔的时候，被不同的谐振频率进行调谐，有效地提高整个器件的工作带宽。

技术领域

本发明属于高性能太赫兹辐射源领域，具体涉及产生高功率太赫兹辐射时所用的扩展互作用速调管及其制作方法。

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，太赫兹技术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。

目前，利用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，扩展互作用速调管(Extended Interaction Klystron,EIK)是一种重要的放大器件，它结合了传统行波管和传统速调管这两种器件的优点，以谐振腔为基础，在谐振腔内电子束能够与结构波产生有效的相互作用；同时电子束的调制能够在腔链上进行，使得器件能够获得较宽的工作频带和较高的互作用效率。目前EIK器件已经成为一类重要的大功率毫米波器件，而且正在向更高频率及更高输出功率的方向发展。

如文献“Shuang Li,Jianguo Wang,Guangqiang Wang,et al.Optimization ofthe multi-slot cavity and drift in a 0.34THz extended interaction klystron[J].PHYSICS OF PLASMAS 23,123120(2016)”采用EIK器件，能够在347.7GHz产生143W的输出功率，达到38.1dB的增益结果，如图1所示。

当工作频率到达太赫兹频段，由于共渡效应，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。而且由于多个谐振腔连续地振荡在同一个频率上，会造成整个器件的工作频带非常窄，限制了器件的实际应用。如上述文献中所设计的EIK，所有谐振间隙的结构值均相同。虽然该结构能够获得较高的增益，但是其工作带宽只有约200MHz，使其应用范围严重受限。

发明内容

为了解决现有的扩展互作用速调管工作频带非常窄、腔内功率密度高的问题，本发明提出了一种具有非均匀谐振腔结构的扩展互作用速调管及其制作方法，该扩展互作用速调管的工作频带宽，腔内功率密度较低，输出性能高。

本发明的技术方案是提供一种扩展互作用速调管，包括输入谐振腔、输出谐振腔与N个中间谐振腔，输入谐振腔与输入波导连通，输出谐振腔与输出波导连通，输入谐振腔、输出谐振腔与N个中间谐振腔的中心处设置有互相连通的电子束通道，其特殊之处在于：上述N个中间谐振腔的谐振间隙的周期长度不同或部分不同，上述N为大于1的正整数。

优选地，上述N≥3，相邻两个中间谐振腔的谐振间隙的周期长度不同，相间两个中间谐振腔的谐振间隙的周期长度相同。