一种径向结构连续波太赫兹振荡器的制造方法
【技术领域】
[0001]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ο.1太赫兹、功率大于1瓦的太赫兹波段(太赫兹，Terahertz, ITHz =1012Hz)电磁波的真空电子学器件设计方案。
【背景技术】
[0002]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 ITHz回旋管的实验研究，产生了频率为1.03THZ、输出功率为lkW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。
[0003]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。
[0004]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，米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】
[0005]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。
[0006]本发明的具体技术方案如下:
[0007]—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，
[0008]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，
[0009]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。
[0010]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:
[0011]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，
[0012]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。
[0013]本发明过渡波导的内筒作为电子束收集极，将动能转化为电磁波能量后的电子束进行收集，同时将电子束在慢波结构区域激励的沿着径向传播的电磁波转化为沿着轴线方向传播的电磁波，同时还起着连接高频结构以及输出波导的作用。
[0014]由于高频结构是由金属底板和顶板构成，采用同轴结构的输出波导，内筒与金属底板连接，外筒与金属顶板连接，方便器件的固定以及集成。
[0015]本发明引导磁场产生装置设置在高频结构的外侧，所述引导磁场产生装置为电磁线圈或永磁铁。电磁线圈或永磁铁在慢波结构与环状金属顶板构成的高频互作用区产生的沿径向磁场幅度在0.1Tesla到1.4Tesla之间。
[0016]外加引导磁场小于0.1Tesla时，不能很好的约束电子束，电子束会打到金属底板的慢波结构上，造成装置的损坏，无法正常工作产生太赫兹波；引导磁场大于1.4Tesla时，导致外部磁场的产生装置体积庞大，无法使得该装置得到广泛使用，因此，本发明的磁场幅度在 0.1Tesla 到 1.4Tesla 之间
[0017]本发明电子束电压范围在l.0kV至50kV之间，电子束的电流密度范围在5A/cm2至300A/cm2之间。电子束产生装置为电子枪。
[0018]本发明的太赫兹振荡器在正常工作时，电子束密度需要大于装置能产生太赫兹波的电流阈值，当电子束密度小于5A/cm2时，装置无法正常工作产生太赫兹波；而当电子束密度大于300A/cm2时，产生这样高密度的电子束，需要对电子枪发射的电子束密度进行较大幅度的密度压缩，以提高电子束的密度，导致电子枪的设计困难，同时电子束的束流品质变差，不利于降低装置的加工难度以及提高装置的整体可靠性。
[0019]本发明高频结构及输出波导的材质为铜。
[0020]本发明具有的技术效果如下:
[0021]1、本发明径向结构连续波太赫兹振荡器，采用径向的高频结构能增加器件的尺寸，在平板结构上加工周期性的慢波结构相对比较容易，同时电子枪产生的电子束沿着径向反方向传输，电子束电流密度自动提高，有利于电子束在慢波结构中激励太赫兹频段电磁波，其次电子枪与高频互作用结构分离，因此能够采用辅助磁场设计出性能优良的电子枪。
[0022]2、本发明采用由热阴极产生的沿着径向反方向传输的电子束，与沿着径向的高频互作用区发生非线性互作用，将电子地动能转化为太赫兹频段的电磁波能量，该类器件能产生频率大于0.1太赫兹、输出功率大于1瓦的电磁波。
[0023]3、本发明研制的慢波结构采用径向结构，该结构能增加整个器件的结构尺寸，从而提高器件的功率容量。
[0024]4、本发明研制的慢波结构采用平板金属上加工周期慢波结构，有利于提高慢波结构的加工精度以及器件的装配。
[0025]5、本发明米用沿着径向反方向传输的电子束，在电子束传输的过程中，电子束的密度不断的自动增加，从而克服电子束的密度较低时振荡器无法输出电磁波的缺点。
[0026]6、本发明米用沿着径向反方向传输的电子束，热阴极的电子枪位于慢波结构的外部，可以单独的进行设计，方便电子枪结构的设计以及整个器件的组装。
[0027]7、本发明所采用的电子束电压不高于50kV，低的工作电压能够减小振荡器所需初级电压源的体积，有利于本发明的广泛使用。
[0028]8、本发明所采用的外加引导磁场不高于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，从而克服产生高磁场所需庞大外部设备的问题。
[0029]9、本发明提出的低电压径向振荡器还可以应用于其它太赫兹波频段的器件研制。
【附图说明】
[0030]图1A为本发明太赫兹径向结构连续波振荡器的结构