[发明专利]一种谐振腔及交叉结构的太赫兹扩展互作用振荡器

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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(Extended Interaction Devices,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。

发明内容

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，本发明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。

同时本发明以该结构为基础，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。

本发明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。