一種擴展互作用速調管及其製作方法與流程

2023-09-12 20:52:15 1

本發明屬於高性能太赫茲輻射源領域，具體涉及產生高功率太赫茲輻射時所用的擴展互作用速調管及其製作方法。

背景技術：

太赫茲(thz)波是指頻率從0.3thz到3thz(1thz＝1012hz)，介於毫米波與紅外光之間的電磁波，這是最後一個人類尚未完全認知和利用的頻段。太赫茲波位於宏觀經典理論向微觀量子理論的過渡區域，由於所處的特殊位置，造成其輻射具有滲透性強、解析度高、非電離傳播、譜特徵豐富等獨特的優點。太赫茲波的這些特徵，使其在信息通信、醫療診斷、生物技術、材料科學、天文學、軍事等領域具有巨大的應用潛能，引起了世界各國的高度重視。

在太赫茲技術中，太赫茲輻射源是太赫茲應用的基礎，但是由於目前現有的大部分太赫茲源在室溫環境下工作不穩定以及輸出功率不高等因素，太赫茲技術的進一步發展受到了極大的制約，因此研製出性能穩定、具有較高輸出性能的太赫茲輻射源是太赫茲技術發展的根本。

目前，利用真空電子學的方法是室溫下產生高功率太赫茲輻射的最常用手段。而在真空電子器件中，擴展互作用速調管(extendedinteractionklystron,eik)是一種重要的放大器件，它結合了傳統行波管和傳統速調管這兩種器件的優點，以諧振腔為基礎，在諧振腔內電子束能夠與結構波產生有效的相互作用；同時電子束的調製能夠在腔鏈上進行，使得器件能夠獲得較寬的工作頻帶和較高的互作用效率。目前eik器件已經成為一類重要的大功率毫米波器件，而且正在向更高頻率及更高輸出功率的方向發展。

如文獻「shuangli,jianguowang,guangqiangwang,etal.optimizationofthemulti-slotcavityanddriftina0.34thzextendedinteractionklystron[j].physicsofplasmas23,123120(2016)」採用eik器件，能夠在347.7ghz產生143w的輸出功率，達到38.1db的增益結果，如圖1所示。

當工作頻率到達太赫茲頻段，由於共渡效應，擴展互作用器件的結構尺寸已經下降到亞毫米量級，此時高頻結構中的諧振腔具有非常高的q值，腔內過高的功率密度極其容易產生電打火現象。而且由於多個諧振腔連續地振蕩在同一個頻率上，會造成整個器件的工作頻帶非常窄，限制了器件的實際應用。如上述文獻中所設計的eik，所有諧振間隙的結構值均相同。雖然該結構能夠獲得較高的增益，但是其工作帶寬只有約200mhz，使其應用範圍嚴重受限。

技術實現要素：

為了解決現有的擴展互作用速調管工作頻帶非常窄、腔內功率密度高的問題，本發明提出了一種具有非均勻諧振腔結構的擴展互作用速調管及其製作方法，該擴展互作用速調管的工作頻帶寬，腔內功率密度較低，輸出性能高。

本發明的技術方案是提供一種擴展互作用速調管，包括輸入諧振腔、輸出諧振腔與n個中間諧振腔，輸入諧振腔與輸入波導連通，輸出諧振腔與輸出波導連通，輸入諧振腔、輸出諧振腔與n個中間諧振腔的中心處設置有互相連通的電子束通道，其特殊之處在於：上述n個中間諧振腔的諧振間隙的周期長度不同或部分不同，上述n為大於1的正整數。

優選地，上述n≥3，相鄰兩個中間諧振腔的諧振間隙的周期長度不同，相間兩個中間諧振腔的諧振間隙的周期長度相同。

優選地，與輸入諧振腔及輸出諧振腔相鄰的中間諧振腔的諧振間隙的周期長度大於其餘中間諧振腔的諧振間隙的周期長度。

優選地，上述輸入諧振腔、輸出諧振腔與n個中間諧振腔的橫截面均為面積相等的啞鈴型結構。

當為0.34thz的擴展互作用速調管時，上述n等於3，中間諧振腔從左至右依次包括中間諧振腔b、中間諧振腔c及中間諧振腔d，中間諧振腔c的諧振間隙的周期長度確保中間諧振腔c的諧振頻率與該擴展互作用速調管工作的中心頻率一致；中間諧振腔b與中間諧振腔d的諧振間隙的周期長度大於中間諧振腔c的諧振間隙的周期長度，且中間諧振腔b與中間諧振腔d諧振頻率小於等於該擴展互作用速調管工作帶寬。

優選地，上述輸入諧振腔的諧振間隙周期長度為0.2mm，其中真空部分的長度為0.1mm；所述中間諧振腔b與中間諧振腔d的諧振間隙周期長度均為0.21mm，其中真空部分的長度均為0.1mm；所述中間諧振腔c的諧振間隙周期長度為0.2mm，其中真空部分的長度為0.1mm；所述輸出諧振腔的諧振間隙周期長度為0.2mm，其中真空部分的長度為0.1mm；輸出諧振腔的諧振間隙為多個。

優選地，上述輸入諧振腔的諧振間隙為4個，中間諧振腔b、中間諧振腔c及中間諧振腔d的諧振間隙均為6個，輸出諧振腔的諧振間隙為12個。

優選地，輸入諧振腔、中間諧振腔及輸出諧振腔的諧振間隙的總高度均為1.5mm，重入部分的高度均為0.6mm。

優選地，輸入諧振腔、中間諧振腔及輸出諧振腔的上部諧振腔的寬度為0.7mm，中間重入部分的諧振腔寬度為0.4mm；電子束通道直徑為0.24mm；連接相鄰兩個諧振腔的漂移段長度為0.6mm。

本發明還提供一種上述的一種擴展互作用速調管的製作方法，

包括以下步驟：

1)根據擴展互作用速調管工作的諧振頻率確定輸入諧振腔、中間諧振腔及輸出諧振腔的諧振間隙周期長度；

具體包括：

首先，建立束波互作用的同步關係ve≈vp，其中ve是電子的直流速度，vp是電磁波的相速度。

然後根據可以計算出電子的直流速度ve。其中e是電子的電荷，m是電子的質量，u是電子束的加速電壓。

接下來根據可以得到：這樣就可以得到在不同諧振頻率f下，對應的間隙周期長度值l。

2)分析起振電流，確定輸出諧振腔的諧振間隙數目；

起振電流為：

根據諧振腔內的能量守恆定律pl＝p0+pext+pbeam(pl代表了整個腔體內損失的功率水平；p0代表諧振腔壁上的歐姆損耗,pext代表諧振腔向外部電路耦合出去的功率,pbeam代表電子束和電磁場之間交換的功率水平)，經過推算，可以得到下面的關於電流的公式：

其中u0是電子束的直流電壓，r/q0是諧振腔的特徵阻抗，qload是輸出腔的外q值，ge是電子束電導。這些值都是設計過程中需要優化設計的結果。

該公式代表了諧振模式能夠穩定存在於諧振腔內所需的最小電流值。在諧振腔內，諧振腔的本徵模式能夠被正常激勵起來，所需要的最低電流值就是它的起振電流。

3)通過步驟1)與步驟2)得到的參數製作擴展互作用速調管。

本發明的工作原理為：

熱陰極電子槍產生的直流電子束通過電子束通道進入輸入諧振腔，同時種子信號通過輸入波導進入輸入諧振腔，在輸入諧振腔內對電子束進行初步調製，形成一定的速度群聚。然後電子束經過中間諧振腔，被連續地調製，並且在諧振腔之間的漂移段逐漸地將速度調製轉化成為密度調製，形成了群聚束團。最終群聚束團與輸出諧振腔內的間隙電場發生更加強烈的束-波互作用，將能量轉交給電磁波，最終通過輸出波導將產生的輸出信號輻射出去。

與現有的0.34thz的均勻eik結構不同的是，本發明0.34thz的非均勻eik的三個中間諧振腔(腔b、腔c和腔d)，諧振間隙的周期長度(bl1、cl1和dl1)取值不同，使這三個諧振腔的諧振頻率不同，因而會對電子束產生不同相位的調製效果。其中第二個中間諧振腔(腔c)的諧振頻率與eik工作的中心頻率保持一致。而第一個中間諧振腔(腔b)和第三個中間諧振腔(腔d)的周期長度被適當地擴大，使其諧振頻率得到提高，因此這兩個諧振腔對電子束能夠表現出感性電路特徵，其內部的間隙電壓相位落後電流相位90度。此時間隙電壓能使整個電子束的群聚效應增強，同時還能令電子束獲得更寬頻帶的調製。經過三個中間諧振腔的寬帶調製之後，電子束到達輸出諧振腔。同時，將輸出諧振腔內的間隙數目優化為12個，可以有效提高輸出諧振腔的特徵阻抗，並且能夠保證器件的穩定工作。最終使群聚束團與間隙電場發生更加強烈的束-波互作用，將能量轉交給電磁波，最終通過輸出波導將產生的輸出信號輻射出去。

本發明的有益效果是：

1、本發明採用非均勻諧振腔結構，合理設計各個中間諧振腔的尺寸，使之具有調諧性的諧振頻率，避免所有腔體在一個頻點上強烈振蕩。這樣電子束在通過中間諧振腔的時候，被不同的諧振頻率進行調諧，有效地提高整個器件的工作帶寬；

2、本發明在輸出諧振腔內引入更多的間隙數目，在保證工作穩定性的同時降低擊穿風險，提高束波能量交換效率，獲得更高的輸出性能；

3、本發明通過調諧0.34thz的擴展互作用速調管的三個中間諧振腔的諧振頻率，-3db瞬時帶寬可以達到0.4ghz，增益大於20db的帶寬可以達到1ghz。

4、在0.34thz擴展互作用速調管結構中，提高第三個中間諧振腔的諧振頻率，使電子束在達到輸出諧振腔時獲得更高的調製效率，同時在輸出諧振腔內採用較多的間隙數目，增強了束-波互作用強度，使得器件的輸出增益有所提高，中心頻率處的增益可以達到34.8db；

5、擴展互作用速調管能夠穩定工作。在提高輸出諧振腔間隙數目的過程中，通過對輸出諧振腔內起振電流的分析，合理選擇間隙數目。既有效地提高了束-波互作用強度，又避免自激振蕩的發生，保證器件能夠穩定運行。

附圖說明

圖1為已有eik的輸出增益與帶寬結果折線圖；

圖2為本發明實施例eik整體模型示意圖；

圖3為本發明實施例eik所有諧振腔橫截面示意圖；

圖4為本發明實施例eik輸入諧振腔縱向截面示意圖；

圖5為本發明實施例eik中間諧振腔(腔b)縱向截面示意圖；

圖6為本發明實施例eik中間諧振腔(腔c)縱向截面示意圖；

圖7為本發明實施例eik中間諧振腔(腔d)縱向截面示意圖；

圖8為本發明實施例eik輸出諧振腔縱向截面示意圖；

圖9為本發明實施例eik諧振間隙的周期長度與諧振頻率的關係折線圖；

圖10為本發明實施例eik輸出諧振腔間隙數目與諧振特徵的關係折線圖；

圖11為本發明實施例eik間隙數目與起振電流的關係折線圖；

圖12為本發明實施例eik的輸出性能與現有的eik輸出性能比較的折線圖。

圖中附圖標記為：1-輸入諧振腔，2-中間諧振腔，21-中間諧振腔b，22-中間諧振腔c，23-中間諧振腔d，3-輸出諧振腔，4-電子束通道，5-輸入波導，6-輸出波導，7-漂移段，8-諧振間隙，9-諧振間隙真空部分，10-重入部分。

具體實施方式

以下結合附圖及具體實施例對本發明做進一步的描述。

本實施例以0.34thz的擴展互作用速調管為例，從圖2可以看出，本實施例的擴展互作用速調管包括5個諧振腔，分別為輸入諧振腔1、三個中間諧振腔2及輸出諧振腔3，所有諧振腔的橫截面均為面積相等的啞鈴型結構(圖3)，縱截面尺寸在圖4至圖8中給出。連接相鄰兩個諧振腔的漂移段7的長度為0.6mm，電子束的工作電壓為16kv，工作電流為0.4a，引導磁場採用均勻磁場，強度為0.8t。

從圖3可以看出，所有諧振腔的寬度w1為0.7mm，中間重入部分10的寬度w2為0.4mm。電子束通道4的直徑d1為0.24mm，電子束通道穿過諧振腔的中心位置，使電子束與間隙電場發生相互作用。

從圖4可以看出，輸入諧振腔1共有4個諧振間隙8，諧振間隙8的周期長度al1為0.2mm，諧振間隙的真空部分9長度al2為0.1mm。諧振腔的總高度ah1為1.5mm，重入部分10的高度ah2為0.6mm。

從圖5可以看出，中間諧振腔b21腔內共有6個諧振間隙8，諧振間隙8的周期長度bl1為0.21mm，諧振間隙的真空部分9長度bl2為0.1mm。諧振腔的總高度bh1為1.5mm，重入部分10的高度bh2為0.6mm。

從圖6可以看出，中間諧振腔c22腔內共有6個諧振間隙8，諧振間隙8的周期長度cl1為0.2mm，諧振間隙的真空部分9長度cl2為0.1mm。諧振腔的總高度ch1為1.5mm，重入部分10的高度ch2為0.6mm。

從圖7可以看出，中間諧振腔d23共有6個諧振間隙8，諧振間隙8的周期長度dl1為0.21mm，諧振間隙的真空部分9長度dl2為0.1mm。諧振腔的總高度dh1為1.5mm，重入部分10的高度dh2為0.6mm。

從圖8可以看出，輸出諧振腔3腔內共有12個諧振間隙8，諧振間隙8的周期長度el1為0.21mm，諧振間隙的真空部分9長度el2為0.1mm。諧振腔的總高度eh1為1.5mm，重入部分10的高度eh2為0.6mm。

圖5、圖7中的中間諧振腔的諧振間隙的周期長度bl1和dl1取值定為0.21mm，以提高這兩個腔的諧振頻率，能夠對電子束進行更寬範圍地調諧。

其基本工作過程是：前端的電子槍產生0.4a的直流電子束，直流電壓為16kv。單頻的種子信號，通過輸入波導注入輸入諧振腔，在輸入諧振腔內形成tm11分布的電磁模式。輸入信號的平均功率約為23mw，在輸入諧振腔間隙處的縱向電場會對電子束進行一定頻率的預調製。然後電子束在0.8t的均勻磁場的引導下，通過電子束通道進入後續的中間諧振腔，被三個不同的中間諧振腔頻率連續調製，獲得較寬的調製特徵，最終形成群聚束團到達輸出諧振腔。在12個間隙的輸出諧振腔內，電子束與結構波發生強相互作用，將能量傳遞給電磁波，使電磁波在較寬的頻帶上得到有效地放大，並沿著輸出波導向外輻射。

由於間隙結構的尺寸參數眾多，eik器件的諧振特性對間隙結構的參數非常敏感，所以合理地選擇間隙結構的尺寸調諧參數的範圍，對諧振腔的諧振頻率選擇非常重要。

從圖9可以看出，諧振間隙的周期長度對諧振腔特性的影響，擴展互作用速調管工作時，中心頻率所對應的諧振間隙周期長度為0.20mm，為了能夠調高中間諧振腔的諧振頻率且不超出擴展互作用速調管的工作帶寬，選定諧振間隙的周期長度的調諧值為0.21mm，這樣就能將電子束的動態調諧範圍有效地擴大。

同時，諧振腔內的間隙數目對諧振特徵影響非常大，過多的間隙數目會造成諧振腔內自激振蕩的產生，幹擾器件的正常工作，所以通過對起振電流的分析來優化間隙數目是非常重要的，具體選擇結果見圖10和圖11所示。

輸出諧振腔間隙數目對諧振特性的影響從圖10可以看出，m2(r/q)反映諧振腔的帶寬特性，而ge反應的是諧振腔內電子束向外放出能量的能力。可以看到，在輸出諧振腔內選擇12個間隙數目，可以獲得非常高的m2(r/q)結果，意味著輸出諧振腔具有較高的帶寬特性。而且當間隙數目取12時，電子束在該結構內具有非常強的能量交換能力，所以在輸出諧振腔為12個間隙時，能夠保證具有較高的帶寬特徵和增益結果。

輸出諧振腔間隙數目對諧振腔內起振電流的影響可以從圖11看出，當間隙數目為12時候，諧振腔內自激振蕩的起振電流約為0.5a。而此時的工作電流為0.4a，低於起振電流值，所以輸出諧振腔內不會發生自激振蕩。但是如果繼續增加間隙數目，會使起振電流繼續下降，那麼就極易激發自激振蕩，造成諧振腔的不穩定。

通過粒子模擬軟體得到本實施例eik器件的輸出性能，如圖12所示，與現有的採用均勻高頻結構的eik器件的輸出性能進行對比，現有的均勻結構的eik器件在-3db(-3db對應的就是y軸增益結果降低到一半)工作帶寬約為0.2ghz，而採用本發明eik器件，可以將-3db工作帶寬提高至0.4ghz，擴大了一倍。同時，現有的均勻結構的帶寬增益乘積約為7.7(ghz·db)，而採用本發明非均勻結構之後的結果約為13.9(ghz·db)，證明該結構能夠在保證輸出增益的基礎上，獲得更高的工作帶寬，保證器件能夠穩定地工作，大大提高了eik器件在太赫茲頻段的應用潛力。