一种谐振腔及交叉结构的太赫兹扩展互作用振荡器制造技术

本发明专利技术提供一种谐振腔及交叉结构的太赫兹扩展互作用振荡器，交叉结构太赫兹扩展互作用振荡器，与传统的太赫兹扩展互作用振荡器有较大差别。在传统器件中，纵向电场集中沿某一个方向分布(如x或y方向)，而在该交叉型结构的器件中，纵向电场同时分布在两个方向上(即x和y方向)。因而在该型结构中，纵向电场与圆柱形电子束的能量交换效率可以得到有效增强，输出功率可以得到有效提高。通过对工作在0.3THz的交叉型扩展互作用振荡器进行优化设计，最终器件可以在14kV、0.1A的工作条件下，实现约51.5W的功率输出。该交叉型结构适用于提高太赫兹扩展互作用振荡器的输出功率，尤其适合在较低的工作电流下提高器件的工程可实现性与工作稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种谐振腔及交叉结构的太赫兹扩展互作用振荡器
本专利技术属于高性能太赫兹源的设计方案，具体涉及用于提高太赫兹(太赫兹，Terahertz,1THz＝1012Hz)扩展互作用振荡器输出功率和可行性的高频结构。
技术介绍
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的影响，太赫兹科学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。到目前为止，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，扩展互作用器件(ExtendedInteractionDevices,EIDs)是一类重要的产生器件，它主要包含了振荡器和放大器。尤其是扩展互作用振荡器(EIO)发展非常迅速，目前商用EIO已经发展到了220GHz频段。加拿大的CPI公司是目前世界范围内，开展EIO研制技术最先进、经验最丰富的单位，其生产的220GHz连续波EIO器件，可以在达到10W左右的功率输出，具体可参见www.cpii.com，体现了较高的设计和加工水平。但是随着工作频率的继续上升，器件的结构尺寸大幅减小，器件内的功率容量受到了严重的限制。同时，束波互作用过程对工作电流强度提出了较高的要求，甚至超出了目前电子枪能够实现的工作电流能力。
技术实现思路
为了解决太赫兹频段EIO器件功率容量有限且可实现性差的问题，本专利技术提出一种交叉结构的太赫兹扩展互作用振荡器，通过设计交叉型结构，可以在电子束的整个周向进行束波互作用过程，充分地提高束波互作用效率。该结构尤其适用于在较低的电流条件下工作，因而可以有效地提高太赫兹EIO器件的可实现性。同时本专利技术以该结构为基础，优化设计了工作在0.3THz的扩展互作用振荡器，该器件能够稳定工作。在14kV、0.1A的电子束条件下，可以得到约51.5W的功率输出。本专利技术的技术解决方案是提供一种谐振腔，定义谐振腔的长度方向为Z向，谐振腔的高度方向为Y向；上述谐振腔包括沿Z向排列的n个间隙单元；其特殊之处在于：每个间隙单元为两个相同的哑铃状谐振间隙垂直相交，包括“十”字型的重入部分及位于重入部分端部的四个真空部分；4n个真空部分与n个重入部分构成谐振腔的真空腔室；n个重入部分的中心设有连通的电子束通道。进一步地，n等于16。进一步地，每个谐振单元的真空部分的宽度GWA为0.7mm，重入部分端部的宽度GWB为0.4mm；真空部分的高度GHA为0.35mm，重入部分的高度GHB为0.8mm；电子束通道的直径D为0.24mm；真空部分的厚度GLA为0.2mm，重入部分的厚度GLB为0.1mm。本专利技术还提供一种交叉结构的太赫兹扩展互作用振荡器，包括谐振腔及设置在谐振腔上的输出波导；定义谐振腔的长度方向为Z向，谐振腔的高度方向为Y向；上述谐振腔包括沿Z向排列的n个间隙单元；其特殊之处在于：每个间隙单元为两个相同的哑铃状谐振间隙垂直相交，包括“十”字型的重入部分及位于重入部分端部的四个真空部分；4n个真空部分与n个重入部分构成谐振腔的真空腔室；n个重入部分的中心设有连通的电子束通道；上述输出波导包括耦合孔、渐变段及标准波导，耦合孔的XZ面截面尺寸小于标准波导的XZ面截面尺寸，渐变段由耦合孔和标准波导相邻两个面直接平滑连接而成；耦合孔与谐振腔真空腔室的腔体耦合。进一步地，耦合孔及标准波导均为矩形波导。进一步地，n等于16。进一步地，每个谐振单元的真空部分的宽度GWA为0.7mm，重入部分端部的宽度GWB为0.4mm；真空部分的高度GHA为0.35mm，重入部分的高度GHB为0.8mm；电子束通道的直径D为0.24mm；真空部分的厚度GLA为0.2mm，重入部分的厚度GLB为0.1mm。其中厚度方向为Z向。进一步地，耦合孔的宽度OCW为0.5mm，标准波导的宽度OWW为0.7mm；耦合孔的长度OCL为0.2mm，耦合孔的高度OCH为0.1mm，标准波导的长度OWL为0.35mm，标准波导的高度OWH为0.4mm，渐变段的高度OTH为1.0mm。与传统EIO结构不同的是，本交叉型EIO结构的间隙单元是由两个间隙结构垂直交叉构成的。交叉型EIO和传统EIO在横截面上的纵向电场分布对比如图6a及图6b所示。在该结构中，电子束的周向均分布有纵向电场，因而电子束能够得到更加充分的调制，可以有效地提高器件工作效率。相同间隙尺寸和相同间隙数目的条件下，交叉型EIO与传统EIO的特性阻抗对比如图7所示。可以看到，通过采用交叉型结构，整个结构的特性阻抗得到了大幅提升，这对提高束波互作用效率是非常有利的。本专利技术的有益效果是：1、能有效提高太赫兹EIO的输出功率。本专利技术提出的交叉型高频结构，通过在横截面的x和y方向同时布置间隙结构，充分利用圆柱形电子束的能量，能够有效地增大束波互作用效率，使器件的输出功率得到提高。在该EIO中，输出功率可以达到约51.5W。2、能够降低对工作电流的要求。由于交叉型结构可以有效地提高束波互作用效率，器件在较低的电流下也能够获得较高的输出功率。因为可以降低对工作电流的要求，提高制备电子枪的可行性。3、器件能够稳定工作。在该结构中，通过对工作电压、电流的优化，使器件能够在较低电流下有效工作，这样有利于避免杂模的自激振荡，保证器件能够稳定运行。附图说明图1为交叉型扩展互作用振荡器整体结构示意图；图中，1-电子束通道，2-间隙单元，3-输出波导；图2为间隙单元的横截面示意图；图3为间隙单元的轴侧示意图；图4为输出波导横截面示意图；图中：4-耦合孔，5-渐变段，6-标准波导；图5为输出波导纵截面示意图；图6a为交叉型EIO在横截面上的纵向电场分布；图6b为传统EIO在横截面上的纵向电场分布；图7为交叉型EIO与传统型EIO特性阻抗的对比；图8a为交叉型EIO的输出功率；图8b为交叉型EIO的输出信号频率；图9为交叉型EIO与传统EIO在不同工作电流下的输出功率对比。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步描述。从图1可以看出，本实施例交叉型扩展互作用振荡器主要由电子束通道1、16个相同的间隙单元2和输出波导3组成。输出波导3与其中一个间隙单元2耦合，电子束通道1穿过间隙单元2的中心位置，使电子束与间隙电场发生相互作用输出波导3。直流电子束进入电子束通道1，并与各个间隙单元2处的电场发生束波相互作用，将能量转交给电磁波，最终通过输出波导3将产生的太赫兹波辐射出去。在这里，电子枪采用的是理想电子注注入，工作电压14kV，工作电流为0.1A，引导磁场采用均匀磁场，强度为1.0T。从图2及图3可以看出，本实施例间隙单元由两个相同的哑铃状间隙结构垂直交叉构成，包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种谐振腔，定义谐振腔的长度方向为Z向，谐振腔的高度方向为Y向；所述谐振腔包括沿Z向排列的n个间隙单元；其特征在于：每个间隙单元为两个相同的哑铃状谐振间隙垂直相交，包括“十”字型的重入部分及位于重入部分端部的四个真空部分；4n个真空部分与n个重入部分构成谐振腔的真空腔室；n个重入部分的中心设有连通的电子束通道。

【技术特征摘要】
1.一种谐振腔，定义谐振腔的长度方向为Z向，谐振腔的高度方向为Y向；所述谐振腔包括沿Z向排列的n个间隙单元；其特征在于：每个间隙单元为两个相同的哑铃状谐振间隙垂直相交，包括“十”字型的重入部分及位于重入部分端部的四个真空部分；4n个真空部分与n个重入部分构成谐振腔的真空腔室；n个重入部分的中心设有连通的电子束通道。2.根据权利要求1所述的谐振腔，其特征在于：n等于16。3.根据权利要求2所述的谐振腔，其特征在于：每个谐振单元的真空部分的宽度GWA为0.7mm，重入部分端部的宽度GWB为0.4mm；真空部分的高度GHA为0.35mm，重入部分的高度GHB为0.8mm；电子束通道的直径D为0.24mm；真空部分的厚度GLA为0.2mm，重入部分的厚度GLB为0.1mm。4.一种交叉结构的太赫兹扩展互作用振荡器，包括谐振腔及设置在谐振腔上的输出波导；定义谐振腔的长度方向为Z向，谐振腔的高度方向为Y向；所述谐振腔包括沿Z向排列的n个间隙单元；其特征在于：每个间隙单元为两个相同的哑铃状谐振间隙垂直相交，包括“十”字型的重入部分及位于重入部分端部的四个真空部分；4n个真空部分与n个重入部分构成谐振腔的真空腔室；n个重入...

【专利技术属性】
技术研发人员：李爽，滕雁，王东阳，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61