一种大回旋渐变复合腔高阶模太赫兹回旋管

技术领域

本发明属于太赫兹技术领域，具体为一种大回旋渐变复合腔高阶模太赫兹回旋管。

背景技术

太赫兹波(THz)处于毫米波与红外光之间，既具有毫米波的特性又具有光的特性。由于太赫兹波的特殊性，它有着非常突出的应用前景和价值。太赫兹源的研究是太赫兹科学技术发展的重中之重，考虑到输出功率、效率等综合因素，太赫兹回旋管已被证实是最有可能实现大功率、高效率的太赫兹辐射源电真空器件。随着对功率和频率的要求进一步提高，为了解决由于尺寸共度效应引起的问题，太赫兹回旋管通常工作于高阶模式，同时考虑到由于频率的提高带来的所需磁场要求增加问题，考虑到现有的磁场规模以及成本问题，通常选取太赫兹回旋管工作在高次谐波状态。但是回旋管工作在高次谐波、高阶模式时具有严重的模式竞争问题，他是影响回旋管实现大功率、高效率太赫兹波源辐射的主要因素。

利用绕轴电子束，也称为大轨道电子束(LOB)，是抑制模式竞争的有效方法。近几十年来，基于LOG的谐波回旋管(特别是s>3)得到了广泛的研究。运行于三次谐波的1THz大轨道回旋管(LOG)在IAP,RAS进行了开发和测试。利用永磁体在五次谐波下工作的LOG已在日本福井建成并进行了实验研究。

渐变复合腔作为一种特殊的高频结构，它通过两单腔连接处的模式互相耦合，锁定两个单腔的工作模式，从而在由两个单腔组成的复合腔中形成稳定的工作模式对，以此达到抑制模式竞争的目的。对于渐变复合腔回旋管的研究在低波段已经取得了突破，其抑制模式竞争的特性得到了很好的印证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大回旋渐变复合腔高阶模太赫兹回旋管，旨达到高频率，高功率太赫兹波的稳定输出。利用大回旋电子发射，避免在高频率下复杂的模式竞争；同时利用渐变复合腔结构，选取指定的工作模式对，进一步避免模式竞争，提高输出效率。通过产生大回旋电子束的大回旋电子枪与渐变式复合谐振腔相结合的方式，有效地避免了模式竞争问题，进而得到优秀的注波互作用效率和输出效果。

为实现上述目的，本发明采用技术方案如下：

一种大回旋渐变复合腔高阶模太赫兹回旋管，其特征在于，包括大回旋电子枪，渐变式复合结构谐振腔，收集极，输出窗片以及磁体等。电子枪包含阴极，第一阳极，第二阳极。渐变式复合结构谐振腔包含输入截止段，模式1注波互作用段，连接段，模式2注波互作用段，输出段和输出过渡段。电子枪第二阳极与渐变式复合谐振腔连接；渐变式复合谐振腔与输出收集极连接；收集极与输出窗连接。

进一步地，大回旋电子枪包含阴极，第一阳极，第二阳极。

进一步地，阴极位于回旋管电子枪部分的中间。

进一步地，阴极产生大轨道电子束。

进一步地，第一阳极位于阴极的外侧。

进一步地，第二阳极与渐变式复合谐振腔连接。

进一步地，渐变式复合谐振腔的结构包含截止段，模式1注波互作用段，连接段，模式2注波互作用段，输出段。模式1注波互作用段和模式2注波互作用在连接段处平滑过渡确保形成工作模式对，抑制模式竞争。

进一步地，截止段、连接段与输出段角度分别为截止段角度a1、连接段角度a2和输出段角度a3，其中截止段角度、连接段角度和输出段角度分别确定为15°、45°和3°，保证太赫兹波的有效传输以及模式对的良好转变。

进一步地，磁体产生的磁场，前端的倒转磁场用于大回旋电子枪的阴极发射大回旋电子束；中间段的平滑直线磁场用于大回旋电子束在渐变式复合谐振腔中注波互作用段1和2之间的稳定传播。后端的下降磁场用于使电子束在收集极接收。

本发明的有益效果是：

(1)本发明利用大回旋电子枪结构，进而有效地抑制了高频率下回旋管的模式竞争。

(2)本发明利用渐变式复合谐振腔结构，在注波互作用段通过激励一个特殊的模式对，有效地抑制了了其他模式的模式竞争。

(3)通过大回旋电子枪与渐变式复合谐振腔相结合的形式，产生高频率高功率太赫兹波。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种大回旋渐变复合腔高阶模太赫兹回旋管结构示意图；

图2为大回旋电子枪结构示意图；

图3为渐变式复合谐振腔结构示意图；

图4为外加磁场分布图；

图5为工作模式TE

图6为工作模式TE

图7为工作模式TE

图8为渐变式复合谐振腔中工作模式对的场分布图片；

图9为渐变式复合谐振腔中工作模式注波互作用效率图片；

图10为注波互作用效率随电压、电流和横纵速度比的变化图片；

附图标记：

1.大回旋电子枪；2.渐变式复合谐振腔；3.收集极；4.输出窗；5.阴极；6.第一阳极；7.第二阳极；8.截止段；9.模式1注波互作用段；10.连接段；11.模式2注波互作用段；12.输出段；13.前端的倒转磁场；14.前端的上升磁场；15.中间段的平滑直线磁场；16.后端的下降磁场；a

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

一种大回旋渐变复合腔高阶模太赫兹回旋管结构示意图，如图1所示。该回旋管具体包括大回旋电子枪1，渐变式复合谐振腔2，收集极3以及输出窗4等。大回旋电子枪与渐变式复合谐振腔连接；渐变式复合谐振腔与输出收集极连接；收集极与输出窗连接。

大回旋电子枪结构示意图，如图2所示。电子枪包含阴极5，第一阳极6，第二阳极7。阴极位于回旋管电子枪部分的中间，产生大轨道电子束。第一阳极位于阴极的外侧。第二阳极与渐变式复合谐振腔连接。

渐变式复合谐振腔结构示意图，如图3所示。渐变式复合谐振腔的结构包含截止段8，模式1注波互作用段9，连接段10，模式2注波互作用段11，输出段12。模式1注波互作用段和模式2注波互作用段在连接段处平滑过渡确保形成工作模式对，抑制模式竞争。截止段、连接段与输出段角度分别为截止段角度a

外加磁场分布图，如图4所示。磁体产生的磁场，前端的倒转磁场13用于大回旋电子枪的阴极发射大回旋电子束；前端的上升磁场14用于电子束电子枪中的传播；中间段的平滑直线磁场15用于大回旋电子束在渐变式复合谐振腔中注波互作用段1和2之间的稳定传播。后端的下降磁场16用于使电子束在收集极接收。

工作模式TE

工作模式TE

工作模式TE

渐变式复合谐振腔中工作模式对的场分布，如图8所示。黑色曲线代表渐变式复合谐振腔激励起的第一个模式TE

渐变式复合谐振腔中工作模式注波互作用效率，如图9所示。黑色曲线代表大回旋渐变复合腔高阶模太赫兹回旋管注波互作用效率，效率曲线在输出段保持稳定，注波互作用约为7％。在4次谐波太赫兹回旋管中保持先进水平。

注波互作用效率随电压、电流和横纵速度比的变化，如图10所示。为了得到注波互作用效率的最优解，需要考虑电压、电流横纵速度比等影响因素。其中图10-1为注波互作用效率随电压的变化关系，由曲线可以确定最优的工作电压为59kV；图10-2为注波互作用效率随电流的变化关系，由曲线可以确定最优的工作电流为0.8A；图10-3为注波互作用效率随横纵速度比的变化关系，由曲线可以确定最优的电子横纵速度比为1.3。

综上可见，本发明提供的一种大回旋渐变复合腔高阶模太赫兹回旋管，通过产生大回旋电子束的大回旋电子枪与渐变式复合谐振腔相结合的方式，在高次谐波太赫兹的频率范围内激励起一个特殊的模式对得到最终的工作模式，有效地避免了模式竞争问题，进而得到优秀的注波互作用效率和输出效果。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。