一种渐变同轴连续波太赫兹斜注管的制作方法

本发明属于连续波太赫兹真空电子辐射源技术领域，具体涉及一种工作在连续波状态，能辐射频率大于0.1太赫兹、输出功率大于1瓦的太赫兹波段(太赫兹,Terahertz,1THz＝10¹²Hz)电磁波的渐变同轴连续波太赫兹斜注管。

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。基于太赫兹辐射源的产生机理可以分为三类，一类为基于半导体技术的太赫兹辐射源，如量子级联激光器，该类器件产生的太赫兹频段电磁波的输出功率非常低，并且需要在低温下工作；另外一类为基于光子学原理的太赫兹辐射源，通过将飞秒激光入射到非线性光学晶体产生太赫兹波，这类辐射源需要额外的激光器，并且能量转换效率较低。最后一类为基于真空电子学原理的太赫兹源，该类器件能产生较高的输出功率，因此国内外均大力开展太赫兹真空电子器件的研究，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，日本的福井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，实验得到了频率为0.14THz的太赫兹波输出，实测功率分别达到约2.6MW和5MW。现阶段研制的回旋器件以及表面波振荡器所需的外部引导磁场一般较大，需采用超导线圈产生强磁场对电子束的运动进行约束，导致所研制的太赫兹真空电子器件外部设备非常庞大，不利于太赫兹真空电子器件的广泛应用。

随着太赫兹技术以及微纳加工技术的发展，太赫兹真空电子器件的一个重要发展方向为中等输出功率水平太赫兹源的研制，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，所需要的外部约束磁场采用通常使用的永磁体或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。国内外采用低电压带状电子注，开展了矩形慢波结构的太赫兹波段返波振荡器的研制工作，但由于带状电子注的不稳定性，现阶段对带状电子注的研究还不成熟，因此采用柱状空心电子注成为一个较好的选择，但是由于器件工作频率达到太赫兹波段，高频结构的横截面积变小，导致电子束的电流变小，同时器件的功率容量降低，采用过模比较高的同轴高频结构能够提高器件的输出功率以及电子束的电流大小，但是会导致模式控制比较困难，特别是角向非轴对称模式非常容易被激励。

专利申请号为2015107029166的国家发明专利“一种径向结构连续波太赫兹振荡器”，该发明提出采用轴对称的径向慢波结构以及轴对称的径向电子束产生频率为0.1太赫兹以上的电磁波。

专利申请号为2013104459943的国家发明专利“高功率同轴结构过模表面波振荡器及太赫兹波产生方法”，该发明提出采用高电压以及强的外部引导磁场，并利用同轴慢波结构以及轴向传输电子束产生频率为0.1太赫兹以上的脉冲形式的大功率电磁波。

专利申请号为2015103543131的国家发明专利“一种连续波太赫兹表面波振荡器”，该专利提出采用低电压以及低的外加磁场，并利用同轴慢波结构以及轴向传输电子束产生频率为0.1太赫兹以上的连续波形式的中小功率电磁波。

上述专利中的采用大过模比的同轴高频结构时，使得高频结构中非轴对称模式非常容易被激励；采用径向慢波结构能够抑制非轴对称模式的产生，但是该类器件的电子光学系统的设计以及加工到目前为止还不太成熟，不利于该类器件的广泛使用。

技术实现要素：

为了解决背景技术中的问题，本发明提出了一种在低电压、低磁场的条件下，不仅能够抑制太赫兹波段大过模比的同轴真空电子器件中高频结构内部产生非轴对称模式激励，而且降低了电子光学系统的设计以及加工难度，同时提高了器件的功率容量和输出功率水平的渐变同轴连续波太赫兹斜注管。

本发明的具体技术方案如下：

本发明提供了一种渐变同轴连续波太赫兹斜注管，包括外部磁场产生装置、电子束产生装置、同轴高频结构外筒、同轴高频结构内筒以及同轴输出波导；所述外部磁场产生装置用于产生沿着径向和轴向的静磁场；

其改进之处是：

所述同轴输出波导包括沿着轴向方向平行设置的同轴输出波导内筒和同轴输出波导外筒；同轴高频结构外筒和同轴高频结构内筒平行设置且均相对轴向方向倾斜θ；0°＜θ＜90°；优选的是：所述θ＝30°

同轴高频结构外筒在靠近同轴高频结构内筒的表面上设置有金属慢波结构，同轴高频结构分别由金属慢波结构与相对设置的同轴高频结构内筒构成渐变同轴高频结构；同轴高频结构外筒与同轴输出波导外筒连接，同轴高频结构内筒与同轴输出波导内筒连接；进一步说，同轴高频结构外筒的内半径与同轴高频结构内筒的外半径从远离同轴输出波导一端到靠近同轴输出波导一端逐渐减小，采用渐变金属慢波结构，使得慢波结构的横截面尺寸增加，有效地提高了渐变同轴高频结构的功率容量。同时每一个慢波周期结构所对应的半径不相同，导致器件的非轴对称模式无法被激励，能够较好的控制渐变同轴高频结构内部的电磁场模式。

金属慢波结构在同轴高频结构外筒靠近同轴高频结构内筒的表面加工完成，所加工的金属慢波结构槽深的方向与同轴高频结构外筒内表面的法线方向相同；

同轴高频结构外筒与同轴高频结构内筒之间的间隙及同轴输出波导内筒与同轴输出波导外筒之间的间隙形成了束波通道；

电子束产生装置用于产生倾斜传输环形电子束，所产生的传输环形电子束在外部引导磁场的作用下从金属慢波结构和同轴高频结构内筒的外边缘沿着金属慢波结构和同轴高频结构内筒的倾斜方向朝金属慢波结构和同轴高频结构内筒的中心传输，同时在传输的过程中不断靠近金属慢波结构；倾斜传输环形电子束与同轴高频结构内筒的内表面之间的夹角为α，1°≤α≤5°，倾斜传输环形电子束在传输的过程中，倾斜传输环形电子束的密度会不断地自动增加，从而克服了电子束密度较低时太赫兹真空电子器件无法正常起振产生电磁波输出的缺点，同时电子束在传输的过程中不断的靠近渐变金属慢波结构表面，使得倾斜传输环形电子束的能量转换效率提高。

外部磁场产生装置在金属慢波结构与同轴高频结构内筒构成的渐变同轴高频结构内产生的径向磁场的幅值在0.1Tesla到1.4Tesla之间，轴向磁场的幅值也在0.1Tesla到1.4Tesla之间。外部磁场产生装置采用电磁线圈或永磁铁。

倾斜传输环形电子束的电压范围在1.0kV至50kV之间，电流密度范围在5A/cm²至300A/cm²之间，低的工作电压能够减小斜注管所需初级电压源的体积，有利于本发明的广泛使用。

金属慢波结构中每一个周期长度的范围在0.02mm到4.0mm之间，开槽的宽度范围在0.01mm到3.0mm之间，金属慢波结构开槽的深度范围在0.02mm到4.0mm之间，金属慢波结构的底部距渐变同轴高频结构内筒的长度范围在0.1mm到10.0mm之间。

本发明具有的技术效果如下：

1、本发明采用渐变同轴高频结构能够增加器件的横截面尺寸，使得器件的功率容量变大，电子束产生装置的电子束沿着径向方向以及轴向传输，电子束的电流密度自动增加，并且电子束在传输的过程中不断的靠近慢波结构表面，有利于提高电子束的能量转换效率，同时本发明的高频结构以及同轴输出波导设计和加工均比较容易实现。

2、本发明采用金属慢波结构，使得慢波结构的横截面尺寸增加，有效地提高了渐变同轴高频结构的功率容量。同时每一个慢波周期结构所对应的半径不相同，导致器件的非轴对称模式无法被激励，能够较好的控制渐变同轴高频结构内部的电磁场模式。

3、本发明是对同轴高频结构的一种变形，外部磁场产生装置产生的磁场在沿着轴线方向具有较大的幅值，因此可以采用研究的较为成熟的同轴或圆柱真空电子器件的外部磁场产生装置的设计方案。

4、本发明采用倾斜传输环形电子束的速度具有沿着径向反方向的分量，倾斜传输环形电子束在传输的过程中，倾斜传输环形电子束的密度会不断地自动增加，从而克服了电子束密度较低时太赫兹真空电子器件无法正常起振产生电磁波输出的缺点，同时电子束在传输的过程中不断的靠近渐变金属慢波结构表面，使得倾斜传输环形电子束的能量转换效率提高。

5、本发明用于产生电子束产生装置位于金属慢波结构的外部，可以独立的的进行设计，因此有利于电子束产生装置的设计以及整个器件的组装。

6、本发明所采用的倾斜传输环形电子束的电压不高于50kV，低的工作电压能够减小斜注管所需初级电压源的体积，有利于本发明的广泛使用。

7、本发明所采用的外部磁场产生装置产生的磁场的幅值小于1.4Tesla，该引导磁场的幅度较小，采用普通的线圈或永磁铁就能实现，从而克服产生强磁场所需庞大外部设备的问题。

8、本发明提出的同轴高频结构外筒内表面以及同轴高频结构内筒外表面的倾斜角能够进行变化，通过改变倾斜角度能够改变器件的结构尺寸，使得器件更加易于设计与加工。

附图说明：

图1为本发明的剖面示意图；

图2为本发明为用于产生0.338太赫兹电磁波的渐变同轴高频结构的剖面示意图；

图3为本发明为用于产生0.338太赫兹电磁波的倾斜传输环形电子束的剖面示意图；

图4为本发明为用于产生0.338太赫兹电磁波的同轴输出波导的剖面示意图；

图5A为本发明以产生频率为0.338太赫兹渐变同轴连续波太赫兹斜注管为实施例所产生太赫兹波的频谱分布图；

图5B为本发明以产生频率为0.338太赫兹的渐变同轴连续波太赫兹斜注管为实施例产生太赫兹波的输出功率图；

附图标记如下：

1、渐变同轴高频结构外筒；2、渐变金属慢波结构；3、倾斜传输环形电子束；4、渐变同轴高频结构内筒；5、同轴输出波导外筒；6、同轴输出波导内筒；7、外部磁场产生装置。

具体实施方式

本发明涉及一种低电压情况下能产生太赫兹频段电磁波的渐变同轴连续波太赫兹斜注管，在器件中采用倾斜传输环形电子束3以及金属慢波结构2，器件能够在太赫兹波段以连续波工作状态产生频率大于0.1太赫兹、输出功率大于1瓦的电磁波。以产生0.338太赫兹电磁波为本发明的实施例，采用本方案设计了低电压、低磁场情况下产生0.338太赫兹的渐变同轴连续波太赫兹斜注管，该器件能够在轴向引导磁场幅值为0.896Tesla、径向引导磁场幅值为负0.5Tesla时，产生0.338太赫兹的电磁波，输出功率能够达到572瓦。

如图1所示，本发明以产生频率为0.338太赫兹电磁波的渐变同轴连续波太赫兹斜注管为实施例的示意图，它由同轴高频结构外筒1、金属慢波结构2、倾斜传输环形电子束3、同轴高频结构内筒4、同轴输出波导外筒5、同轴输出波导内筒6、和外部磁场产生装置7组成；图中r表示径向方向，z表示轴向方向。

该斜注管所有金属材料的材质均为电导率较高的铜，所引入的欧姆损耗较小。

同轴输出波导内筒和同轴输出波导外筒沿着轴向方向平行；同轴高频结构外筒和同轴高频结构内筒平行设置且相对轴向方向倾斜θ；0°＜θ＜90°；(本实施例中倾斜角度θ为30°)；同轴高频结构外筒在靠近同轴高频结构内筒的表面上设置有金属慢波结构，同轴高频结构分别由金属慢波结构与相对设置的同轴高频结构内筒构成渐变同轴高频结构；同轴高频结构外筒与同轴输出波导外筒连接，同轴高频结构内筒与同轴输出波导内筒连接；同轴高频结构外筒的内半径与同轴高频结构内筒的外半径从远离同轴输出波导一端到靠近同轴输出波导一端逐渐减小。

金属慢波结构在同轴高频结构外筒靠近同轴高频结构内筒的表面加工完成，所加工的金属慢波结构槽深的方向与同轴高频结构外筒内表面的法线方向相同；

同轴高频结构外筒与同轴高频结构内筒之间的间隙及同轴输出波导内筒与同轴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倾斜传输环形电子束，所产生的传输环形电子束在外部引导磁场的作用下从金属慢波结构和同轴高频结构内筒的外边缘沿着金属慢波结构和同轴高频结构内筒的倾斜方向朝金属慢波结构和同轴高频结构内筒的中心传输，同时在传输的过程中不断靠近金属慢波结构；倾斜传输环形电子束与同轴高频结构内筒的内表面之间的夹角为α，1°≤α≤5°。

金属慢波结构2通过微纳加工技术在同轴高频结构外筒1的内表面制造，金属慢波结构2槽深的方向与同轴高频结构外筒1的内表面的法线方向相同。倾斜传输环形电子束3从同轴高频结构外筒1开口大的一端注入，在外部磁场产生装置8所产生的径向以及轴向静磁场的引导下，沿着金属慢波结构2的表面传输，并不断的靠近金属慢波结构2，与由金属慢波结构2和同轴高频结构内筒4构成的渐变同轴高频结构产生相互作用，将倾斜传输环形电子束3的动能转化为电磁波的能量，产生0.338太赫兹的电磁波，通过同轴输出波导内筒6与同轴输出波导外筒5构成的同轴波导输出；给出能量的倾斜传输环形电子束3打到同轴高频结构外筒1的内表面上被吸收。

图2是本发明是用于产生0.338太赫兹电磁波的同轴高频结构示意图。该渐变同轴高频结构包括金属慢波结构2以及同轴高频结构内筒4，渐变金属慢波结构2的周期数目为48个，金属慢波结构2中每一个周期的长度L2为0.1mm，慢波结构开槽的宽度L1为0.06mm，金属慢波结构开槽的深度R1为0.18mm，金属慢波结构2的底部距同轴高频结构内筒4的长度R2为1.0mm。

图3是本发明用于产生0.338太赫兹电磁波的倾斜传输环形电子束3在进入渐变同轴高频结构时的宽度以及位置示意图。倾斜传输环形电子束3的电流密度为41A/cm²，能量为7千电子伏，倾斜传输环形电子束3的宽度h2为0.1mm，倾斜传输环形电子束3顶部位置距渐变金属慢波结构2底部的长度h1为0.01mm，外部磁场产生装置8在该渐变同轴高频结构互作用区产生沿着径向磁场的幅值为负0.5Tesla，产生沿着轴向的磁场幅值为0.896Tesla。

图4为本发明的同轴输出波导的示意图。同轴输出波导外筒5与同轴高频结构外筒1开口小的一端连接，并且同轴输出波导外筒5的内表面半径与渐变同轴高频结构外筒1开口小的一端的内表面半径相同；同轴输出波导外筒5沿着轴线方向的长度L3为4.0mm，距对称轴的高度R3为3.0mm。同轴输出波导内筒6与渐变同轴高频结构内筒4开口小的一端连接，并且同轴输出波导内筒6的外表面半径与变同轴高频结构内筒4开口小的一端的外表面半径相同；且同轴输出波导内筒6沿着轴线方向的长度L4为4.5mm，距对称轴的高度R4为2.14mm。

图5A和图5B为采用粒子模拟软件计算本发明实施例的仿真结果，本发明实施例的计算模型如图1所示，图5A表明本发明实施例的器件结构能产生频率为0.338太赫兹的电磁波，图5B表明本发明实施例的器件结构能产生572瓦的电磁波输出。