一种应用于回旋管的人工局域表面等离激元谐振腔及方法技术

本发明专利技术公开了一种应用于回旋管的人工局域表面等离激元谐振腔及方法。本发明专利技术将人工局域表面等离激元谐振腔应用于回旋管的互作用腔体，人工局域表面等离激元谐振腔为内开圆对称光栅，当内开圆对称光栅的结构参数确定时，通过计算解出谐振频率；根据谐振频率得到阻带和准通带，使得高阶电磁工作模式的频率处于准通带内，同时使得高次谐波状态的频率处于阻带内，从而能够从根本上消除模式竞争问题；并且，根据实际需要的谐振频率设定内开圆对称光栅的尺寸和选择谐波次数。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于回旋管的人工局域表面等离激元谐振腔及方法
本专利技术涉及回旋管技术，具体涉及一种应用于回旋管的人工局域表面等离激元谐振腔及其控制方法。
技术介绍
回旋管基于相对论电子回旋脉塞原理工作，采用快波模式与回旋电子注互作用，可在毫米波乃至太赫兹频段产生高稳定性的相干电磁辐射，可应用于可控热核反应的加热、动态核极化核磁共振的成像、以及无线通信。回旋管能够产生高功率的高频电磁波的原因在于，外加的强磁场为电子注提供了固有回旋频率，使得回旋电子注能够与互作用结构中的电磁波互作用，实现能量转换。回旋管包括发射枪、互作用腔体、收集极和能量输出结构，设置在外加磁场下。电子注在外加磁场的作用下在互作用腔体中螺旋运动，如果回旋管的工作频率足够高，则电子注与电磁场相互作用在互作用腔体中形成的电磁场是高阶电磁工作模式。回旋管的工作状态是指电子注在互作用腔体中旋转一圈，如果电磁场谐振一次，电子注在互作用腔体中旋转一圈，则回旋管的工作状态为基波工作状态；如果电磁场谐振多次，电子注在互作用腔体中旋转一圈，则回旋管的工作状态为高次谐波工作状态。现有的回旋管本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于回旋管的人工局域表面等离激元谐振腔，其特征在于，所述人工局域表面等离激元谐振腔作为回旋管的互作用腔体，所述人工局域表面等离激元谐振腔包括：在金属基底内形成的内开圆对称光栅；其中，金属基底的材料为理想电导体PEC；在金属基底的中心开设半径为r的通孔形成空气腔；在空气腔的周围沿着圆周径向开设深度为h的周期性的扇形凹槽，h＝R-r，形成内开圆对称光栅；内开圆对称光栅的内半径为r，外半径为R，光栅常数为d，光栅厚度为a，光栅占空比为a/d，光栅数量为N，满足数量关系Nd＝2πr；光栅常数满足亚波长限制d＜＜λ

【技术特征摘要】
1.一种应用于回旋管的人工局域表面等离激元谐振腔，其特征在于，所述人工局域表面等离激元谐振腔作为回旋管的互作用腔体，所述人工局域表面等离激元谐振腔包括：在金属基底内形成的内开圆对称光栅；其中，金属基底的材料为理想电导体PEC；在金属基底的中心开设半径为r的通孔形成空气腔；在空气腔的周围沿着圆周径向开设深度为h的周期性的扇形凹槽，h＝R-r，形成内开圆对称光栅；内开圆对称光栅的内半径为r，外半径为R，光栅常数为d，光栅厚度为a，光栅占空比为a/d，光栅数量为N，满足数量关系Nd＝2πr；光栅常数满足亚波长限制d＜＜λ0，λ0为人工局域表面等离激元谐振腔的本征频率对应的波长；沿着人工局域表面等离激元谐振腔的径向外加匀强的磁场，电子注沿着径向入射至人工局域表面等离激元谐振腔，电子注在磁场的作用下在人工局域表面等离激元谐振腔中螺旋运动，电子注与磁场相互作用形成的电磁场的模式沿轴向均匀分布；人工局域表面等离激元谐振腔的本征方程如下：



其中，Jm为第一类贝塞尔函数的m阶形式，J′m为第一类贝塞尔函数导数的m阶形式，m为角向模式数，k0为人工局域表面等离激元谐振腔中的波数，ng为空气的折射率，c为光速，函数f和g分别表示如下：
f＝Y1(k0ngr)J1(k0ngR)-Y1(k0ngR)J1(k0ngr)(2)
g＝Y1(k0ngR)J0(k0ngr)-Y0(k0ngr)J1(k0ngR)(3)
其中，Y0为第二类贝塞尔函数的零阶形式，Y1为第二类贝塞尔函数的一阶形式，J0为第一类贝塞尔函数的零阶形式，J1为第一类贝塞尔函数的一阶形式；
方程(1)为超越方程，当内开圆对称光栅的结构参数确定时，通过计算解出人工局域表面等离激元谐振腔的每种模式的谐振频率；根据人工局域表面等离激元谐振腔的谐振频率得到回旋管的阻带和准通带，使得回旋管的工作频率处于准通带内，同时使得谐波竞争频率处于阻带内，从而能够从根本上消除模式竞争问题；并且，当内开圆对称光栅的内半径r不变时，外半径R越大，即光栅深度h越深，每种模式的谐振频率就越低；当内开圆对称光栅的内外半径保持不变时，占空比a/d越大，每种模式的谐振频率就越高；因此，根据实际需要的谐振频率设定内开圆对称光栅的尺寸。


2.如权利要求1所述的人工局域表面等离激元谐振腔，其特征在于，所述金属基底的材料为理想电导体。


3.如权利要求2所述的人工局域表面等离激元谐振腔，其特征在于，所述金属基底的材料采用铜。


4.如权利要求1所述的人工局域表面等离激元谐振腔，其特征在于，所述圆对称光栅的内半径为r为0.1～1mm，外半径为R为0.3～3mm，光栅占空比a/d为0.3～0.7，光栅数量为60＜N＜200。


5.一种如权利要求1所述的应用于回旋管的人工局域表面等离激元谐振腔的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
1)提供金属基底，金属基底的材料为理想电导体PEC；
2)在金属基底的中心开设半径为r的通孔形成空气腔；在空气腔的周围沿着圆周径向内开设深度为h的周期性的扇形凹槽，h＝R-r，形成内开圆对称光栅；内开圆对称光栅的内半径为r，外半径为R，光栅常数为d，光栅占空比为a/d，光栅数量为N，满足数量关系Nd＝2πr；光栅常数满足亚波长限制d＜＜λ0，λ0为人工局域表面等离激元谐振腔的本征频率对应的波长；
3)沿着人工局域表面等离激元谐振腔的径向外加匀强的磁场，电子注沿着径向入射至人工局域表面等离激元谐振腔，电子注在磁场的作用下在人工局域表面等离激元谐振腔中螺旋运动，电子注与磁场相互作用形成的电磁场的模式沿轴向均匀分布；人工局域表面等离激元谐振腔的本征方程如下：



其中，Jm为第一类贝塞尔函数的m阶形式，J′m为第一类贝塞尔函数导数的m阶形式，m为角向模式数，k0为人工局域表面等离激元谐振腔中的波数，c为光速，ng为空气的折射率，函数f和g分别表示如下：
f＝Y1(k0ngr)J1(k0ngR)-Y1...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜朝海，李思琦，朱娟峰，张子文，李繁弘，刘濮鲲，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11