基于真空電子學(xué)方法的太赫茲源

孟凡亮++余厲陽(yáng)

摘 要：太赫茲技術(shù)因其在醫(yī)療診斷，安全檢查等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用價(jià)值，使其成為當(dāng)前各國(guó)爭(zhēng)先研究的領(lǐng)域。太赫茲源則是太赫茲技術(shù)研究中極為關(guān)鍵的器件之一，而基于真空電子學(xué)方法的太赫茲源又是當(dāng)前太赫茲源研究領(lǐng)域的重要分支之一。綜述行波管、返波管以及回旋管這幾類真空電子太赫茲源的結(jié)構(gòu)、原理，結(jié)合器件的頻率、功率等問題進(jìn)行了重點(diǎn)講解，同時(shí)對(duì)納米速調(diào)管這一極具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：太赫茲源；真空電子學(xué)；微加工技術(shù)；慢波結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：O462，O441.4，TN11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）02-00-02

0 引 言

太赫茲（THz）波一般是指頻率處在0.1～10 THz范圍的電磁波（1 THz=1012 Hz）。在太赫茲技術(shù)和應(yīng)用中，太赫茲輻射源是太赫茲技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。目前對(duì)于太赫茲源的研究方法主要包括基于光子學(xué)的太赫茲源以及基于真空電子學(xué)的太赫茲源[1，2]。本文這里主要其中利用微波管的分布作用原理而產(chǎn)生太赫茲波的真空電子器件，主要包括行波管、回旋管、返波管和速調(diào)管等。

1 基于真空電子學(xué)方法的太赫茲源

基于真空電子學(xué)方法的太赫茲源可以用在毫米波和太赫茲頻域，主要采用陰極發(fā)射高能電子束，經(jīng)過慢波結(jié)構(gòu)，和高頻場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生速度調(diào)制和密度調(diào)制，以致電子產(chǎn)生群聚。由于每一個(gè)電子都作如上的群聚，從而使整個(gè)電子注與場(chǎng)有凈的能量交換，輻射出太赫茲波。

1.1 行波管

行波管是20世紀(jì)40年代早期發(fā)明的用于射頻能量放大的真空電子器件[3]。由于其高功率、寬頻帶、高效率，不需強(qiáng)磁場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)，加上現(xiàn)代加工技術(shù)的不斷發(fā)展，行波管的研究近年來(lái)倍受各國(guó)研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。美國(guó)的諾斯洛普·格魯門公司（NGC）提出的折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)是唯一可以輸出太赫茲波的方法，如圖1所示，是利用電子注與沿慢波電路系統(tǒng)行進(jìn)的輸入電磁波間的連續(xù)相互作用而放大超高頻電磁波，為了使電子注同電磁波產(chǎn)生有效的相互作用，電子的直流運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)比沿慢波電路行進(jìn)的電磁波的相位傳播速度略高。圖中磁導(dǎo)體聚焦系統(tǒng)的作用是用電磁場(chǎng)力來(lái)約束電子注的擴(kuò)散。

NGC根據(jù)DARPA的太赫茲電子項(xiàng)目計(jì)劃，目前正在研究一個(gè)在670 GHz的，旨在提供92 mW，帶寬為52 GHz折疊波導(dǎo)行波管[4]。DARPA計(jì)劃的最終目標(biāo)是在頻率為670GHz、850 GHz、1 030 GHz時(shí)，輸出功率分別為63 mW，25 mW，10 mW，最小瞬時(shí)帶寬為15 GHz。

圖1 折疊波導(dǎo)太赫茲行波管

折疊慢波電路是一種平面結(jié)構(gòu)的全金屬慢波電路，高頻損耗較小，解決了行波管在高頻電路加工過程中的困難。由于它具有一系列優(yōu)點(diǎn)，易于加工和散熱，功率容量比較大，所以在許多微加工的行波管中采用了這種慢波結(jié)構(gòu)。

1.2 返波管

返波管（BWO）是在行波管、磁電管等真空管微波器件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的真空電子管，是一種能滿足毫瓦級(jí)輸出，結(jié)構(gòu)緊湊，具有高遷移率等優(yōu)點(diǎn)，尤其在0.1～1.5 THz頻率范圍可以產(chǎn)生連續(xù)波功率。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。在返波管中，原理與行波管基本相同，但在返波管中，輸出端是靠近電子槍的一端，電磁波的相速度方向與電子注運(yùn)動(dòng)方向相同，但群速度卻與電子注方向相反，當(dāng)滿足下列相位條件時(shí)，

（β0-βe）l=2πCNb（2n+1）（n=0，1…） （1）

其中，C為增益參量，b為非同步參量，此時(shí)返波與電子注相互作用構(gòu)成正反饋效應(yīng)，通過這種正反饋，高速電子被電勢(shì)場(chǎng)減速，產(chǎn)生群聚，而太赫茲波沿電子運(yùn)動(dòng)相反的方向傳播并得到不斷放大，由靠近陰極的波導(dǎo)耦合輸出。返波管可以發(fā)射單一頻率的太赫茲輻射，并具有一定的調(diào)諧范圍（大約50%），功率可以達(dá)到毫瓦以上。但是當(dāng)頻率大于1 THz時(shí)，其工作效率和輸出功率會(huì)迅速下降，仍需進(jìn)一步提高[5]。如圖3所示[6]，是近年來(lái)返波管在太赫茲頻率和低于太赫茲頻率時(shí)的連續(xù)能量輸出結(jié)果示意圖。

圖2 返波管示意圖

圖3 返波管在太赫茲附近頻段連續(xù)能量輸出

2010年，Mineo等人利用波形矩形波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)在中心頻率為1 THz，20%可調(diào)帶寬時(shí)，產(chǎn)生了大于100 mW的輸出功率，后來(lái)，他們采用雙波形矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生650 GHz，輸出功率為75 mW[7]。2011年，電子科技大學(xué)真空電子科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室[8]采用簡(jiǎn)單的正弦波導(dǎo)的慢波結(jié)構(gòu)結(jié)合片材電子強(qiáng)，用于太赫茲波輸出。研究結(jié)果表明，當(dāng)工作電壓在27 kV，電子束電流在5 mA時(shí)，中心工作頻率為1 THz時(shí)，可以達(dá)到1.9 W的峰值功率輸出，在1 THz的效率為1.4%以上，但電路的長(zhǎng)度僅為7.2 mm。

目前返波管中的研究難題主要包括電路中的高能歐姆損耗以及急需對(duì)強(qiáng)反射的慢波結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，這些損耗和強(qiáng)反射主要發(fā)生在結(jié)構(gòu)中的不連續(xù)點(diǎn)。近年來(lái)，利用場(chǎng)發(fā)射陣列和擁有高電流密度的片狀電子槍對(duì)于返波管性能的改善，逐漸走進(jìn)各國(guó)研究人員的視野。

1.3 太赫茲回旋管

回旋管是一種在毫米波長(zhǎng)范圍可以產(chǎn)生連續(xù)能量在兆瓦量級(jí)，同時(shí)在太赫茲范圍也可以產(chǎn)生數(shù)十千瓦量級(jí)的高能相干輻射源，是目前工作在毫米波及太赫茲頻段產(chǎn)生功率最高的真空電子學(xué)器件，如圖4所示。在回旋管中產(chǎn)生的電磁輻射是由于弱相對(duì)論回旋電子束和在諧振腔中近于截止的TE波相互作用的結(jié)果。回旋管原理示意圖如圖所示，它有電子槍、高頻諧振腔，以及由束流收集器和輸出窗組成的輸出波導(dǎo)三部分組成，由電子槍發(fā)射的高能電子在諧振腔中的靜磁場(chǎng)B0中，當(dāng)滿足條件：

ω-Kv0≈sωc時(shí)， （2）

其中，ωc和ν0是電子的回旋頻率和漂移速度，ω和K是電磁波的頻率和波矢量，電子的速度與回旋頻率成反比，把能量交給波場(chǎng)的電子，電子能量減小，速度減小，回旋頻率增大，回旋半徑減小；反之，電子速度增大，回旋頻率減小，回旋半徑增大。其次，如果電磁波的頻率等于電子的回旋頻率，此時(shí)一個(gè)周期內(nèi)電子注整體上失去和得到的能量是相等的，與電磁場(chǎng)沒有能量?jī)艚粨Q；如果電磁波的頻率略小于電子的回旋頻率，電子群聚塊逐漸向加速區(qū)移動(dòng)，電子將從電磁場(chǎng)吸收能量；如果電磁波的頻率略大于電子的回旋頻率，電子群聚塊逐漸向減速區(qū)移動(dòng)，電子將向電磁場(chǎng)釋放能量，從而使場(chǎng)的信號(hào)幅度持續(xù)增強(qiáng)。

圖4 回旋管示意圖

回旋管在強(qiáng)磁場(chǎng)研究的推動(dòng)下，已經(jīng)可以在太赫茲頻段獲得高能量的相干輻射。2008年， Glyavin等人[9]首次報(bào)道了回旋管功率達(dá)到了1 THz以上，利用40 T脈沖電磁鐵工作。當(dāng)電磁場(chǎng)強(qiáng)度在38.5 T時(shí)，輸出頻率在1.022 THz時(shí)功率為1.5 kW。2010年，他們又利用48.7 T強(qiáng)磁場(chǎng)，已經(jīng)取得1.3THz的頻率輸出[10]。2011年日本福岡大學(xué)（FU）[11]利用二次諧波振蕩的方法在TE1，8模式下，盡可能地遠(yuǎn)離基次諧波的TE4，3工作模式的干擾，產(chǎn)生了388 GHz，功率62 kW的新紀(jì)錄。按照輸出62 kW的結(jié)果，通過改變回旋管的電子槍，以使電子束耦合到另一個(gè)振蕩模式TE17，2，輸出結(jié)果為389GHz，83 kW。

進(jìn)一步提高頻率要遇到強(qiáng)磁場(chǎng)的限制，甚至采用超導(dǎo)磁鐵，這樣的磁場(chǎng)系統(tǒng)過于龐大、造價(jià)昂貴，不利于實(shí)際應(yīng)用。因此，降低磁場(chǎng)是太赫茲回旋管研究重點(diǎn)之一。

2 結(jié) 語(yǔ)

除了上面所述的三個(gè)真空電子太赫茲源外，還有速調(diào)管，也是在太赫茲領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。速調(diào)管是一種靠周期性地調(diào)制電子注的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)放大或振蕩功能的微波真空電子器件。目前納米速調(diào)管己成為太赫茲領(lǐng)域的一個(gè)很熱門的研究課題，美國(guó)加州理工學(xué)院（CIT）的JPL實(shí)驗(yàn)室等研制的納米速調(diào)管可望在1～3 THz頻率上工作。由于它使用了微加工技術(shù)，可以保證每個(gè)納米速調(diào)管的頻率和相位一致，因此可以組成納米速調(diào)管陣列，大大提高輸出功率，預(yù)期應(yīng)用頻率范圍在0.3～3.0 THz，輸出功率大于50 mW。

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