一种太赫兹波辐射源，属于太赫兹波技术领域。基本结构包括微波源、连接波导和太赫兹波发生器。所述的太赫兹波发生器工作在管内真空状态，主要包括发射电子的阴极、聚焦电极、微波输入波导、微波谐振腔、电子束漂移群聚管、引出电极、厚膜电容、薄膜辐射天线、电子束聚焦磁体和极靴。本发明专利技术具有结构简单、输出功率和效率远远超过当前已有的太赫兹波辐射源、适合规模化生产，在材料检测、人体成像、成份分析等领域有广泛的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术为 一种新型太赫兹波辐射源，属于太赫兹波
技术介绍
太赫兹波(THz)泛指频率300GHz (300兆吉兹)到lOTHz范围的电磁波，是一个基本未被利用的 频段。THz波的研究开发近年来进展很快，其潜在应用非常广泛，包括雷达、通信、材料检测、毒品探测、 人体成像、以及广泛的军事应用等。在材料检测和人体成像方面，与X射线相比有一些独特的优点，如基 本无伤害、对人体组织和毒品等有机物的敏感程度与X射线有较大差别，可以得到完全不同的图像，加之 体积小、重量轻、功耗小等特点，为便携式探测仪提供了一个很有效的解决方案。THz波成像中，当频率 为300GHz到lTHz之间时，波长从lmm到0.3mm，探测器像素也可达到这一数值，这显然是一个适合多 种场合应用的非常标准的分辨率。THz波研究包括许多方面，但最难的是发射源的研制。当前THz波的产生包括光学方法和电子学方 法两大类，光学方法又包括脉冲THz波和连续THz波两类。光学脉冲型THz波的产生方法是将超短光脉 冲转换为相应的电脉冲，主要包括超短光脉冲光导开关、非线性光学材料产生的光整流、超短光脉冲与金 属等离子表面波相互作用等。光学连续THz波的产生方法主要包括量子级连激光器和双频激光差频产生。 光脉冲产生THz波方法的主要缺点是效率太低， 一般低于10—5，只能产生微瓦级功率，而且所需的激光器 体积庞大，价格昂贵。由于功率太小，探测器带宽一般在Hz量级，完成一幅标准VGA图像最长需要数十 小时时间，难以用于人体成像。同时超短光脉冲发生器还存在设备复杂、体积大等问题，难以得到广泛的 实际应用。量于级连激光器虽然可以产生百毫瓦以上的功率，但需要IOK左右的超低温，限制了其广泛应 用。同时连续THz波的应用领域远也不如脉冲型THz波。在电子学方面，已知可能的THz波源包括冋旋管器件、反波管器件、自由屯子激光和同歩辐射环等， 都只能用于连续THz波的产生。利用冋旋管可以产生较高的功率，但磁场高达数十特斯拉，导致器件庞大， 需耍超高电压高并伴有射线辐射，应用领域受到限制，到目前为止实际也只有lOOGHz的器件被研究出来。 返波管频率已经达到1THz以上，但输出功率小于2mW，也存在体积重量等问题。自由电子激光和同步辐 射环都可以用于THz波的产生，但同样是体积、重量、射线辐射等因素限制了其应用范围。输出功率百毫瓦到数瓦，重量几千克以内，尺寸厘米到分米范围的辐射源是THz波在材料探测和人 体成像方面得到广泛实际应用的前提。与光学器件相比，产生频率从0.3至'j lTHz的电磁波，真空电子器件有独特的优势，当前存的核心问 题是如何实现适合便携设备的高效小功率器件。近年来国外提出了多种真空电子管THz波发生器方案，包 括纳米速调管、折叠波导行波管、光子晶体反射速调管、介质慢波行波管等。这些器件都基本停留在方案 论证和低频模拟阶段。美国密歇根大学提出的折叠波导行波管，采用X射线深度光刻和电铸方法制备了折 叠波导，光洁度在200纳米量级，尚不能满足THz波的需要。类似的结构韩国汉城大学采用深度刻蚀的方 法制备了折叠波导，加工精度还达不到电铸水平。韩国汉城大学提出的光于晶体反射速调管也只是制备了 相应的光子晶体。至于纳米速调管、介质慢波行波管基本都在概念阶段，没有实质性进展，或只进行了 1/10 左右频率的模拟管初步研究。对已经提出的各类真空电子管方案，我们进行了全面分析，得出的结论是上述各类方案都存在致 命问题而无法真正实现。对于反射速调管，简单的计算可知，当频率达到lTHz，腔电压500伏特时，谐 振腔中电极间距最大只允许为6微米，导致加工极其困难，而要实现23/4模工作，反射电场却需要高达4 X 104伏特/毫米，即使是反射电极和谐振腔体之间间距只有50微米，电压也要高达2000伏特。从原理上 讲，增大工作模式，反射电场会按比例降低。对于只有6微米电极间距的谐振腔，模式数增大将导致大部 分电子返回不到谐振腔里，效率和输出功率将大为降低。对于折叠波导行波管方案，由于银的趋肤深度在 lTHz时只有64纳米，光洁度必需要高于该值，当前的加工方法基本不可能实现。当阴极电压为一10000 伏特时，为了使得电子在半个周期内穿过波导，波导窄边必需小于30微米，而波导的宽边一般为200微 米左右，即使使用绝对光洁的银作为波导壁，这样的宽窄边比也将导致波导损耗高达0.33dB/mm，考虑加工光洁度问题，损耗至少达到0.5犯/mm，对于5厘米的波导长度，损耗至少25dB，与增益相当，基本没有放大。至于介质慢波行波管，加工和电荷积累等问题都将成为难以克服的障碍。
技术实现思路
针对己有THz辐射源存在的问题，在分析已经提出的各种THz波真空管结构的基础上，本专利技术提出 一种全新方案。该方案的基本原理是，釆用工作在较低频率卜'的微波谐振腔上的电压调制电子束，经过适 当的群聚得到短电流脉冲，再用该脉冲电子束激发微波天线，得到短脉冲电磁波输出。适当的调整器件结构和施加的电压，使电子束中的电流脉冲宽度小丁"谐振腔中微波周期的1/10。 lOOGHz的微波，就可以产生lps的电流脉冲，得到相应的电磁波辐射，进入THz波段。由于微波谐振腔是r作在较低的频率下，因此器件的尺寸相应增人，加i:精度降低，当前的机械加工精度就可以满足要求。 本专利技术的太赫兹波辐射源，由微波源、连接波导和太赫兹波发生器组成。所述的太赫兹波发生器i: 作在管内真空状态，是由发射电子的阴极、聚焦电极、微波输入波导、微波谐振腔、电子束漂移群聚管、 引出电极、薄膜辐射天线、厚膜电容、电子束聚焦磁体和极靴等组成。发射电子的阴极可以是热阴极、光 阴极和场发射冷阴极等。厚膜电容和薄膜辐射天线设置在太赫兹波发生器真空封装金属壳体外面，引出电极连接到薄膜辐射天线的中心点上，艽内表面还可以沉积二次电于发射材料，利用—次电子增大THz波辐射。厚膜电容的一个电极为太赫兹波发生器金属外壳，另一个电极为辐射天线，电容中的极间介质-般采用介电常数低的有机材料。厚膜电容和薄膜辐射天线应该在THz波发生器腔体封装和排气后制备，以免封接高温导致其被破坏。微波谐振腔采用重入腔结构，尺寸与输入微波频率直接相关。工作时谐振腔体接地 电位，阴极和聚焦极加负电压，辐射天线接地或施加高于阴极电压低的负电压。本专利技术中所用的微波源输出功率1瓦左右，因此可以采用固态微波源。微波源与THz波发生器之间 的连接波导可以采用空心金属波导，也可采用同轴线。本专利技术中涉及到的名词对于真空电子学领域的技术人员应该是非常熟悉的，没冇特殊难以理解的， 也无需特殊说明。本专利技术中的各种尺寸'j丄作时的微波频率有关，这点对从亊真空屯子学的技术人员米说， 是基本常识，因此除/实施例外，不必给出A.体尺寸。以下详细解释本专利技术与已有技术相比的突出技术效果。从本质上讲，本专利技术属于电于学THz波发生器，但产生的波为短脉冲形式，这点乂与光学方法类似， 因此是非常独特的。在电子学方法中， 一般产生的是连续波或宽脉冲调制的正旋波，到目前为止只有返波 管可以产生进入THz范围的波，而输出功率不到2毫瓦，用途非常有限。由于-般的屯子学方法尚不能产 生真正的THz波，因此根本无法与本专利技术进行比较。与己有的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种太赫兹波辐射源，其特征在于：该器件由微波源１０、连接波导１１和太赫兹波发生器１２组成，所述的太赫兹波发生器工作在管内真空状态，主要包括发射电子的阴极２０、聚焦电极２１、微波输入波导２２、微波谐振腔２３、电子束漂移群聚管２４、引出电极２５、厚膜电容２６、薄膜辐射天线２７、电子束聚焦磁体和极靴２８。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李德杰，
申请(专利权)人：李德杰，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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