一種漸變同軸連續波太赫茲斜注管制造技術

本發明專利技術涉及一種漸變同軸連續波太赫茲斜注管，該斜注管的同軸輸出波導內筒和同軸輸出波導外筒軸向方向平行設置；同軸高頻結構外筒和同軸高頻結構內筒平行設置且均相對軸向方向傾斜θ；同軸高頻結構外筒在靠近同軸高頻結構內筒的表面上設置有金屬慢波結構，金屬慢波結構與相對設置的同軸高頻結構內筒構成漸變同軸高頻結構；同軸高頻結構外筒與同軸輸出波導外筒連接，同軸高頻結構內筒與同軸輸出波導內筒連接；電子束產生裝置用于產生傾斜傳輸環形電子束，傾斜傳輸環形電子束與同軸高頻結構內筒的內表面之間的夾角為α。該斜注管不僅能夠有效的抑制非軸對稱模式的激勵，而且提高了器件的功率容量和輸出功率水平，同時設計和加工容易實現。

【技術實現步驟摘要】
一種漸變同軸連續波太赫茲斜注管
本專利技術屬于連續波太赫茲真空電子輻射源
，具體涉及一種工作在連續波狀態，能輻射頻率大于0.1太赫茲、輸出功率大于1瓦的太赫茲波段(太赫茲,Terahertz,1THz＝1012Hz)電磁波的漸變同軸連續波太赫茲斜注管。
技術介紹
近年來太赫茲技術得到了巨大發展，具有一定功率輸出的太赫茲源是太赫茲技術應用的基礎。基于太赫茲輻射源的產生機理可以分為三類，一類為基于半導體技術的太赫茲輻射源，如量子級聯激光器，該類器件產生的太赫茲頻段電磁波的輸出功率非常低，并且需要在低溫下工作；另外一類為基于光子學原理的太赫茲輻射源，通過將飛秒激光入射到非線性光學晶體產生太赫茲波，這類輻射源需要額外的激光器，并且能量轉換效率較低。最后一類為基于真空電子學原理的太赫茲源，該類器件能產生較高的輸出功率，因此國內外均大力開展太赫茲真空電子器件的研究，俄羅斯的應用物理研究所開展了1THz回旋管的實驗研究，產生了頻率為1.03THz、輸出功率為1kW的太赫茲脈沖信號，日本的福井大學開展了太赫茲波段連續波回旋管的實驗研究。西北核技術研究所圍繞過模表面波振蕩器，在太赫茲波產生理論、數值模擬和實驗方面也開展了大量的研究工作，實驗得到了頻率為0.14THz的太赫茲波輸出，實測功率分別達到約2.6MW和5MW。現階段研制的回旋器件以及表面波振蕩器所需的外部引導磁場一般較大，需采用超導線圈產生強磁場對電子束的運動進行約束，導致所研制的太赫茲真空電子器件外部設備非常龐大，不利于太赫茲真空電子器件的廣泛應用。隨著太赫茲技術以及微納加工技術的發展，太赫茲真空電子器件的一個重要發展方向為中等輸出功率水平太赫茲源的研制，能用于醫學成像以及探測等研究領域。該類型太赫茲源所需要的電子束電壓較低、電子束密度較小，隨著器件工作電壓的降低以及電子束密度的減少，所需要的外部約束磁場采用通常使用的永磁體或常溫的螺旋線圈也能達到，因此整個太赫茲源的外部設備得以簡化，這對于器件的實用化具有非常重要的意義。國內外采用低電壓帶狀電子注，開展了矩形慢波結構的太赫茲波段返波振蕩器的研制工作，但由于帶狀電子注的不穩定性，現階段對帶狀電子注的研究還不成熟，因此采用柱狀空心電子注成為一個較好的選擇，但是由于器件工作頻率達到太赫茲波段，高頻結構的橫截面積變小，導致電子束的電流變小，同時器件的功率容量降低，采用過模比較高的同軸高頻結構能夠提高器件的輸出功率以及電子束的電流大小，但是會導致模式控制比較困難，特別是角向非軸對稱模式非常容易被激勵。專利申請號為2015107029166的國家專利技術專利“一種徑向結構連續波太赫茲振蕩器”，該專利技術提出采用軸對稱的徑向慢波結構以及軸對稱的徑向電子束產生頻率為0.1太赫茲以上的電磁波。專利申請號為2013104459943的國家專利技術專利“高功率同軸結構過模表面波振蕩器及太赫茲波產生方法”，該專利技術提出采用高電壓以及強的外部引導磁場，并利用同軸慢波結構以及軸向傳輸電子束產生頻率為0.1太赫茲以上的脈沖形式的大功率電磁波。專利申請號為2015103543131的國家專利技術專利“一種連續波太赫茲表面波振蕩器”，該專利提出采用低電壓以及低的外加磁場，并利用同軸慢波結構以及軸向傳輸電子束產生頻率為0.1太赫茲以上的連續波形式的中小功率電磁波。上述專利中的采用大過模比的同軸高頻結構時，使得高頻結構中非軸對稱模式非常容易被激勵；采用徑向慢波結構能夠抑制非軸對稱模式的產生，但是該類器件的電子光學系統的設計以及加工到目前為止還不太成熟，不利于該類器件的廣泛使用。
技術實現思路
為了解決
技術介紹
中的問題，本專利技術提出了一種在低電壓、低磁場的條件下，不僅能夠抑制太赫茲波段大過模比的同軸真空電子器件中高頻結構內部產生非軸對稱模式激勵，而且降低了電子光學系統的設計以及加工難度，同時提高了器件的功率容量和輸出功率水平的漸變同軸連續波太赫茲斜注管。本專利技術的具體技術方案如下：本專利技術提供了一種漸變同軸連續波太赫茲斜注管，包括外部磁場產生裝置、電子束產生裝置、同軸高頻結構外筒、同軸高頻結構內筒以及同軸輸出波導；所述外部磁場產生裝置用于產生沿著徑向和軸向的靜磁場；其改進之處是：所述同軸輸出波導包括沿著軸向方向平行設置的同軸輸出波導內筒和同軸輸出波導外筒；同軸高頻結構外筒和同軸高頻結構內筒平行設置且均相對軸向方向傾斜θ；0°＜θ＜90°；優選的是：所述θ＝30°同軸高頻結構外筒在靠近同軸高頻結構內筒的表面上設置有金屬慢波結構，同軸高頻結構分別由金屬慢波結構與相對設置的同軸高頻結構內筒構成漸變同軸高頻結構；同軸高頻結構外筒與同軸輸出波導外筒連接，同軸高頻結構內筒與同軸輸出波導內筒連接；進一步說，同軸高頻結構外筒的內半徑與同軸高頻結構內筒的外半徑從遠離同軸輸出波導一端到靠近同軸輸出波導一端逐漸減小，采用漸變金屬慢波結構，使得慢波結構的橫截面尺寸增加，有效地提高了漸變同軸高頻結構的功率容量。同時每一個慢波周期結構所對應的半徑不相同，導致器件的非軸對稱模式無法被激勵，能夠較好的控制漸變同軸高頻結構內部的電磁場模式。金屬慢波結構在同軸高頻結構外筒靠近同軸高頻結構內筒的表面加工完成，所加工的金屬慢波結構槽深的方向與同軸高頻結構外筒內表面的法線方向相同；同軸高頻結構外筒與同軸高頻結構內筒之間的間隙及同軸輸出波導內筒與同軸輸出波導外筒之間的間隙形成了束波通道；電子束產生裝置用于產生傾斜傳輸環形電子束，所產生的傳輸環形電子束在外部引導磁場的作用下從金屬慢波結構和同軸高頻結構內筒的外邊緣沿著金屬慢波結構和同軸高頻結構內筒的傾斜方向朝金屬慢波結構和同軸高頻結構內筒的中心傳輸，同時在傳輸的過程中不斷靠近金屬慢波結構；傾斜傳輸環形電子束與同軸高頻結構內筒的內表面之間的夾角為α，1°≤α≤5°，傾斜傳輸環形電子束在傳輸的過程中，傾斜傳輸環形電子束的密度會不斷地自動增加，從而克服了電子束密度較低時太赫茲真空電子器件無法正常起振產生電磁波輸出的缺點，同時電子束在傳輸的過程中不斷的靠近漸變金屬慢波結構表面，使得傾斜傳輸環形電子束的能量轉換效率提高。外部磁場產生裝置在金屬慢波結構與同軸高頻結構內筒構成的漸變同軸高頻結構內產生的徑向磁場的幅值在0.1Tesla到1.4Tesla之間，軸向磁場的幅值也在0.1Tesla到1.4Tesla之間。外部磁場產生裝置采用電磁線圈或永磁鐵。傾斜傳輸環形電子束的電壓范圍在1.0kV至50kV之間，電流密度范圍在5A/cm2至300A/cm2之間，低的工作電壓能夠減小斜注管所需初級電壓源的體積，有利于本專利技術的廣泛使用。金屬慢波結構中每一個周期長度的范圍在0.02mm到4.0mm之間，開槽的寬度范圍在0.01mm到3.0mm之間，金屬慢波結構開槽的深度范圍在0.02mm到4.0mm之間，金屬慢波結構的底部距漸變同軸高頻結構內筒的長度范圍在0.1mm到10.0mm之間。本專利技術具有的技術效果如下：1、本專利技術采用漸變同軸高頻結構能夠增加器件的橫截面尺寸，使得器件的功率容量變大，電子束產生裝置的電子束沿著徑向方向以及軸向傳輸，電子束的電流密度自動增加，并且電子束在傳輸的過程中不斷的靠近慢波結構表面，有利于提高電子束的能量轉換效率，同時本專利技術的高頻結構以及同軸輸出波導設計和本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種漸變同軸連續波太赫茲斜注管，包括外部磁場產生裝置、電子束產生裝置、同軸高頻結構外筒、同軸高頻結構內筒以及同軸輸出波導；所述外部磁場產生裝置用于產生沿著徑向和軸向的靜磁場；其特征在于：同軸輸出波導包括沿著軸向方向平行設置的同軸輸出波導內筒和同軸輸出波導外筒；同軸高頻結構外筒和同軸高頻結構內筒平行設置且均相對軸向方向傾斜θ；0°＜θ＜90°；同軸高頻結構外筒在靠近同軸高頻結構內筒的表面上設置有金屬慢波結構，同軸高頻結構分別由金屬慢波結構與相對設置的同軸高頻結構內筒構成漸變同軸高頻結構；同軸高頻結構外筒與同軸輸出波導外筒連接，同軸高頻結構內筒與同軸輸出波導內筒連接；金屬慢波結構在同軸高頻結構外筒靠近同軸高頻結構內筒的表面加工完成，所加工的金屬慢波結構槽深的方向與同軸高頻結構外筒內表面的法線方向相同；同軸高頻結構外筒與同軸高頻結構內筒之間的間隙及同軸輸出波導內筒與同軸輸出波導外筒之間的間隙形成了束波通道；電子束產生裝置用于產生傾斜傳輸環形電子束，所產生的傳輸環形電子束在外部引導磁場的作用下從金屬慢波結構和同軸高頻結構內筒的外邊緣沿著金屬慢波結構和同軸高頻結構內筒的傾斜方向朝金屬慢波結構和同軸高頻結構內筒的中心傳輸，同時在傳輸的過程中不斷靠近金屬慢波結構；傾斜傳輸環形電子束與同軸高頻結構內筒的內表面之間的夾角為α，1°≤α≤5°。...

【技術特征摘要】
1.一種漸變同軸連續波太赫茲斜注管，包括外部磁場產生裝置、電子束產生裝置、同軸高頻結構外筒、同軸高頻結構內筒以及同軸輸出波導；所述外部磁場產生裝置用于產生沿著徑向和軸向的靜磁場；其特征在于：同軸輸出波導包括沿著軸向方向平行設置的同軸輸出波導內筒和同軸輸出波導外筒；同軸高頻結構外筒和同軸高頻結構內筒平行設置且均相對軸向方向傾斜θ；0°＜θ＜90°；同軸高頻結構外筒在靠近同軸高頻結構內筒的表面上設置有金屬慢波結構，同軸高頻結構分別由金屬慢波結構與相對設置的同軸高頻結構內筒構成漸變同軸高頻結構；同軸高頻結構外筒與同軸輸出波導外筒連接，同軸高頻結構內筒與同軸輸出波導內筒連接；金屬慢波結構在同軸高頻結構外筒靠近同軸高頻結構內筒的表面加工完成，所加工的金屬慢波結構槽深的方向與同軸高頻結構外筒內表面的法線方向相同；同軸高頻結構外筒與同軸高頻結構內筒之間的間隙及同軸輸出波導內筒與同軸輸出波導外筒之間的間隙形成了束波通道；電子束產生裝置用于產生傾斜傳輸環形電子束，所產生的傳輸環形電子束在外部引導磁場的作用下從金屬慢波結構和同軸高頻結構內筒的外邊緣沿著金屬慢波結構和同軸高頻結構內筒的傾斜方向朝金屬慢波結構和同軸高頻結構內筒的中心傳輸，同時在傳輸的過程中不斷靠近金屬慢波結構；傾斜傳...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳再高，王建國，王玥，
申請(專利權)人：西北核技術研究所，
類型：發明
國別省市：陜西,61