一種基于微脈沖電子槍的太赫茲光源系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于微脈沖電子槍的太赫茲光源系統(tǒng)，其特征在于：它包括微脈沖電子槍、真空容器、加速聚焦單元、Smith-Purcell型回波振蕩器、真空泵組、供電單元以及控制微脈沖電子槍、加速聚焦單元和Smith-Purcell型回波振蕩器協(xié)調(diào)工作的控制單元；微脈沖電子槍與真空容器的頂端連接，加速聚焦單元和Smith-Purcell型回波振蕩器分別固定設(shè)置在真空容器內(nèi)的上部和下部；真空容器上部的側(cè)壁上和底端開設(shè)的上真空口和下真空口分別連接真空泵組；真空泵組和供電單元分別提供真空環(huán)境和電源；微脈沖電子槍產(chǎn)生的微脈沖電子束團(tuán)傳輸至加速聚焦單元進(jìn)行加速和聚焦，加速和聚焦后的微脈沖電子束團(tuán)通過Smith-Purcell型回波振蕩器產(chǎn)生太赫茲光。
【專利說明】-種基于微脈沖電子槍的太赫茲光源系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種太赫茲光源系統(tǒng)，特別是關(guān)于一種基于微脈沖電子槍的太赫茲光 源系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 頻率為0. ΙΤΗζ-ΙΟΤΗζ波段的電磁波稱為太赫茲波，太赫茲技術(shù)作為新興的技術(shù) 熱點，在物理學(xué)、材料科學(xué)、天文學(xué)、信息技術(shù)和國防科學(xué)等多個領(lǐng)域都具有巨大的研究潛 力，近年來引起了很多國家的廣泛關(guān)注。然而，太赫茲技術(shù)的發(fā)展受多個因素的制約，其中 最重要的因素就是太赫茲源。目前，太赫茲源主要通過以下幾種方式產(chǎn)生：半導(dǎo)體瞬間電流 產(chǎn)生、光整流產(chǎn)生、電子加速產(chǎn)生、光電導(dǎo)產(chǎn)生和非線性差頻產(chǎn)生。然而以上幾種太赫茲源 的產(chǎn)生方式自身均存在一定缺陷，例如采用非線性材料差頻的方法和采用光電導(dǎo)天線方法 產(chǎn)生的太赫茲波不僅輻射功率比較小而且產(chǎn)生效率比較低，利用量子級聯(lián)激光器（QCL)雖 然能夠輸出比較高的功率但是其必須工作在低溫環(huán)境下，加速器產(chǎn)生的THz輻射可以達(dá)到 較高的功率但其設(shè)備龐大運行成本高。如何找到運行在常溫條件下、設(shè)備小巧、產(chǎn)生功率高 的太赫茲源一直是科學(xué)研究的重點。
[0003] Smith-Purcell效應(yīng)是1953年由Smith和Purcell發(fā)現(xiàn)的重要物理現(xiàn)象，基于這 一效應(yīng)發(fā)展起來的Smith-Purcell型太赫茲源成為了重要的微波輻射源。研究表明，采用 電子束團(tuán)同表面光柵的表面波模式相互作用的Smith-Purcell型太赫茲源，其工作在室溫 條件下，可以產(chǎn)生瓦級的太赫茲波。這種Smith-Purcell型太赫茲源為太赫茲源的小型化、 室溫化、高功率、可調(diào)節(jié)化提供了一條有效的實現(xiàn)途徑。目前，Smith-Purcell型太赫茲源 一般都是采用連續(xù)電子束團(tuán)的工作方式，這種工作方式產(chǎn)生的太赫茲波相干性差，光的品 質(zhì)較差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種太赫茲波相干性好且功率較大的基于微 脈沖電子槍的Smith-Purcell型太赫茲光源系統(tǒng)。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明米取以下技術(shù)方案：一種基于微脈沖電子槍的太赫茲光 源系統(tǒng)，其特征在于：它包括微脈沖電子槍、真空容器、加速聚焦單元、Smith-Purcell型回 波振蕩器、真空泵組、供電單元和控制單元；所述微脈沖電子槍通過法蘭與所述真空容器 的頂端連接，所述加速聚焦單元和Smith-Purcell型回波振蕩器分別固定設(shè)置在所述真空 容器內(nèi)的上部和下部；所述真空容器上部的側(cè)壁上和底端分別開設(shè)一上真空口和一下真 空口，所述上真空口和下真空口分別連接一所述真空泵組；所述真空泵組和供電單元分別 為所述微脈沖電子槍、加速聚焦單元和Smith-Purcell型回波振蕩器提供真空環(huán)境和電 源；所述控制單元控制所述微脈沖電子槍、加速聚焦單元和Smith-Purcell型回波振蕩器 協(xié)調(diào)工作，所述微脈沖電子槍產(chǎn)生的微脈沖電子束團(tuán)傳輸至所述加速聚焦單元，所述加速 聚焦單元對微脈沖電子束團(tuán)進(jìn)行加速和聚焦，加速和聚焦后的微脈沖電子束團(tuán)通過所述 Smith-Purcell型回波振蕩器產(chǎn)生相干的太赫茲福射。
[0006] 所述微脈沖電子槍包括矩形波導(dǎo)、諧振腔體、柵網(wǎng)、微分直線導(dǎo)入器、陰極片和冷 卻水槽；微波通過所述矩形波導(dǎo)和諧振腔體之間的耦合孔饋入所述諧振腔體內(nèi)，在所述諧 振腔體內(nèi)產(chǎn)生諧振的電磁場；諧振的電磁場使電子在所述諧振腔體內(nèi)振蕩并撞擊到所述柵 網(wǎng)和所述微分直線導(dǎo)入器底端的所述陰極片，電子在所述柵網(wǎng)與陰極片上實現(xiàn)二次電子倍 增，產(chǎn)生縱向長度小于或等于l〇ps且電荷量為1. 6pC?16nC電子束團(tuán)；所述冷卻水槽圍設(shè) 在所述諧振腔體外側(cè)，所述控制單元通過控制流過所述冷卻水槽中水的溫度實現(xiàn)對所述諧 振腔體整體溫度的控制。
[0007] 所述陰極片是由二次電子倍增材料制成的圓形片狀結(jié)構(gòu)，其上不帶有任何網(wǎng)格， 其直徑為2cm，厚度為0. 4_ ;所述陰極片固定在所述微分直線導(dǎo)入器底端，其伸入所述諧 振腔體的距離能夠不斷調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的精度為〇. 〇〇5mm。
[0008] 所述柵網(wǎng)是由二次電子倍增材料制成的圓形片狀結(jié)構(gòu)，其直徑為2cm，厚度為 0. 03mm ;其上設(shè)置有使部分電子溢出的若干圓形網(wǎng)孔。
[0009] 所述圓形網(wǎng)孔的直徑為0· 05mm。
[0010] 所述加速聚焦單元包括一個束流導(dǎo)入管、若干級射頻加速管、一組預(yù)聚焦線圈、一 個束流傳輸管、一個二維偏轉(zhuǎn)二極磁鐵組、兩組上聚焦線圈、一個孔徑變換器、一組掃描線 圈和一組下聚焦線圈；所述微脈沖電子槍的輸出口與所述束流導(dǎo)入管連接，所述微脈沖電 子槍產(chǎn)生的電子束流通過所述束流導(dǎo)入管進(jìn)入所述射頻加速管中進(jìn)行加速，所述預(yù)聚焦線 圈位于所述射頻加速管的兩側(cè)，所述預(yù)聚焦線圈同時對電子束流進(jìn)行預(yù)聚焦；經(jīng)加速和預(yù) 聚焦后的電子束流進(jìn)入所述束流傳輸管中，所述二維偏轉(zhuǎn)二極磁鐵組位于所述束流傳輸 管外側(cè)的上端；所述上聚焦線圈位于所述束流傳輸管外側(cè)，且設(shè)置在所述二維偏轉(zhuǎn)二極磁 鐵組下方，所述上聚焦線圈對進(jìn)入所述束流傳輸管的加速和預(yù)聚焦后的電子束流進(jìn)行第 二次聚焦；經(jīng)加速和第二次聚焦后的電子束流傳輸至所述孔徑變換器，所述孔徑變換器通 過變換其孔徑大小將電子束流中偏離軸向的外圍電子過濾掉，經(jīng)過濾后的電子束流傳輸 至所述掃描線圈內(nèi)；所述下聚焦線圈位于所述掃描線圈兩側(cè)，所述下聚焦線圈對進(jìn)入所述 掃描線圈內(nèi)的電子束流進(jìn)行第三次聚焦；經(jīng)加速和第三次聚焦后的電子束流傳輸至所述 Smith-Purcell型回波振蕩器。
[0011] 所述Smith-Purcell型回波振蕩器包括光柵、光柵導(dǎo)軌、光柵螺旋導(dǎo)入桿、太赫茲 光收集器、光輸出管路和束流收集靶；所述光柵與光柵導(dǎo)軌均設(shè)置在所述掃描線圈下方，所 述光柵帶柵格的一側(cè)面與弧形所述光柵導(dǎo)軌的內(nèi)表面之間的空間構(gòu)成電子束流的傳輸通 路，所述光柵另一側(cè)面上連接所述光柵螺旋導(dǎo)入桿，通過旋轉(zhuǎn)所述光柵螺旋導(dǎo)入桿調(diào)節(jié)所 述光柵與傳輸通路中電子束流之間的距離；所述太赫茲光收集器的一端滑設(shè)在所述光柵 導(dǎo)軌上，所述太赫茲光收集器的另一端與所述光輸出管路的一端連接，所述光輸出管路的 另一端穿過所述真空容器的外壁，且所述光輸出管路穿設(shè)在所述真空容器外壁中的部位與 所述真空容器外的環(huán)境真空隔絕；所述束流收集靶設(shè)置在所述光柵與光柵導(dǎo)軌構(gòu)成的傳 輸通路的底端；經(jīng)加速和第三次聚焦后的電子束流傳輸至所述光柵與光柵導(dǎo)軌構(gòu)成的傳 輸通路中，電子束流經(jīng)過所述光柵時發(fā)生Smith-Purcell輻射，所述太赫茲光收集器收集 Smith-Purcell輻射產(chǎn)生的太赫茲光并傳輸至所述光輸出管路，通過所述光輸出管路向所 述真空容器外輸出輻射產(chǎn)生的太赫茲光；經(jīng)過所述光柵輻射后的電子束流被所述束流收集 靶收集。
[0012] 所述光柵采用矩形光柵，其總長度為120mm，柵格寬度為1. 5mm，深度為2mm ;所述 光柵的周期大于或等于電子束團(tuán)的縱向長度。
[0013] 所述光柵導(dǎo)軌是由聚四氟乙烯材料制成的半橢圓型結(jié)構(gòu)，其長軸為120mm，短軸為 60mm，所述光柵導(dǎo)軌所在的橢圓平面在XZ平面內(nèi)，橢圓平面的長軸平行于Z軸方向，橢圓長 軸與所述光柵上表面的距離為60mm ;其中X方向表不垂直于光柵表面的方向，Y方向表不平 行于光柵柵格的方向，Z方向表不電子束團(tuán)的運動方向。
[0014] 所述太赫茲光收集器是由純銅制成的溫斯頓錐（Winston cone)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)徑為 5. 81mm，張角為26. 57°，其內(nèi)部采用聚四氟乙烯填充。
[0015] 本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明由于采用微脈沖電子 槍作為Smith-Purcell型回波振蕩器的電子源，可以直接產(chǎn)生超快電子束而后與光柵相互 作用，相對于其他電子源產(chǎn)生的直流電子束與光柵相互作用，以上方式省去了預(yù)聚束的過 程，有效地增強(qiáng)了輻射的效率。2、本發(fā)明由于采用微脈沖電子槍產(chǎn)生較高流強(qiáng)的皮秒級電 子束團(tuán)，因此本發(fā)明能夠極大地改善電子束流的品質(zhì)，從而為改善輻射出的太赫茲光的品 質(zhì)提供基礎(chǔ)。3、本發(fā)明由于采用高諧振頻率、常溫的微脈沖電子槍做為電子源，采用緊湊的 加速聚焦系統(tǒng)對電子束流進(jìn)行加速和聚焦，采用總長度只有120mm的光柵與電子束流相互 作用，因此本發(fā)明整體尺寸較小，與現(xiàn)有技術(shù)中其他類型的太赫茲光源系統(tǒng)相比更加小型 化。4、本發(fā)明由于光柵的尺寸和電子束的能量都是可以改變的，因此由Smith-Purcell輻 射公式可知，本發(fā)明所產(chǎn)生的太赫茲輻射光頻率也是連續(xù)可調(diào)的?；谝陨蟽?yōu)點，本發(fā)明可 以廣泛應(yīng)用于太赫茲輻射成像、分子生物學(xué)研究和天體物理研究等領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明基于微脈沖電子槍的太赫茲光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖2是本發(fā)明基于微脈沖電子槍的太赫茲光源系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖3是微脈沖電子槍的剖視圖；
[0019] 圖4是加速聚焦系統(tǒng)和Smith-Purcell型回波振蕩器的剖視圖；
[0020] 圖5是本發(fā)明的電子束團(tuán)經(jīng)過光柵結(jié)構(gòu)的不意圖；其中，X方向表不垂直于光柵表 面的方向，Y方向表不平行于光柵柵格的方向，Z方向表不電子束團(tuán)的運動方向；1表不光柵 周期，L表示光柵的總長度，d表示電子束團(tuán)中心與光柵上表面之間的距離，Θ表示XZ平面 內(nèi)某一特定輻射方向與Z軸所成的夾角。

【具體實施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0022] 如圖1和圖2所示，本發(fā)明基于微脈沖電子槍的太赫茲光源系統(tǒng)包括微脈沖電子 槍1、真空容器2、加速聚焦單元3、Smith-Purcell型回波振蕩器4、真空泵組5、供電單元 6和控制單元7。微脈沖電子槍1通過法蘭與真空容器2的頂端連接，加速聚焦單元3和 Smith-Purcell型回波振蕩器4分別位于真空容器2的上部和下部，并均固定設(shè)置在真空容 器2內(nèi)。真空容器2上部的側(cè)壁上和底端分別開設(shè)一上真空口 21和一下真空口 22,上真空 口 21和下真空口 22分別連接一真空泵組5。真空泵組5和供電單元6分別為微脈沖電子 槍1、加速聚焦單元3和Smith-Purcell型回波振蕩器4提供真空環(huán)境和電源?？刂茊卧? 控制微脈沖電子槍1、加速聚焦單元3和Smith-Purcell型回波振蕩器4協(xié)調(diào)工作，微脈沖 電子槍1產(chǎn)生的微脈沖電子束團(tuán)傳輸至加速聚焦單元3,加速聚焦單元3對微脈沖電子束團(tuán) 進(jìn)行加速和聚焦，加速和聚焦后的微脈沖電子束團(tuán)通過Smith-Purcell型回波振蕩器4產(chǎn) 生相干的太赫茲輻射。
[0023] 上述實施例中，如圖3所示，微脈沖電子槍1包括矩形波導(dǎo)11、諧振腔體12、柵網(wǎng) 13、微分直線導(dǎo)入器14、陰極片15和冷卻水槽16。微波通過矩形波導(dǎo)11和諧振腔體12之 間的耦合孔17饋入諧振腔體12內(nèi)，在諧振腔體12內(nèi)產(chǎn)生諧振的電磁場。諧振的電磁場使 電子在諧振腔體12內(nèi)不斷地來回振蕩，從而撞擊到柵網(wǎng)13和微分直線導(dǎo)入器14底端的陰 極片15,電子在柵網(wǎng)13與陰極片15上都可以實現(xiàn)二次電子倍增，一個脈沖周期完成一次電 子溢出，即輸出一次電子束團(tuán)。冷卻水槽16圍設(shè)在諧振腔體12外側(cè)，冷卻水槽16中的冷 卻水吸收微脈沖電子槍1工作過程中產(chǎn)生的熱量，控制單元7通過控制流過冷卻水槽16中 水的溫度可以實現(xiàn)對諧振腔體12整體溫度的控制。
[0024] 上述各實施例中，矩形波導(dǎo)11由不銹鋼材料制成。
[0025] 上述各實施例中，諧振腔體12的諧振頻率為1. 3GHz，其中電場在諧振腔體12中心 部分最強(qiáng)，磁場在諧振腔體12外圍部分最強(qiáng)。
[0026] 上述各實施例中，陰極片15是由二次電子倍增材料制成。陰極片15為圓形片狀結(jié) 構(gòu)，其直徑為2cm，厚度為0.4mm，其上不帶有任何網(wǎng)格，被固定在微分直線導(dǎo)入器14底端， 其伸入諧振腔體12的距離可以通過調(diào)節(jié)微分直線導(dǎo)入器14導(dǎo)入桿的長度不斷地調(diào)節(jié)，調(diào) 節(jié)的精度為〇. 〇〇5mm，在調(diào)節(jié)的過程中諧振腔體12的諧振頻率也隨之改變。
[0027] 上述各實施例中，柵網(wǎng)13由二次電子倍增材料制成，柵網(wǎng)13為圓形片狀結(jié)構(gòu)，其 直徑為2cm，厚度為0. 03mm，其上設(shè)置有若干可以使部分電子溢出的圓形網(wǎng)孔，網(wǎng)孔的大小 和數(shù)目都是可以改變的，通過改變網(wǎng)孔的大小和數(shù)目可以改變從網(wǎng)孔中穿過的電子數(shù)目與 撞擊到柵網(wǎng)13上實現(xiàn)二次電子倍增的電子數(shù)目的比值。
[0028] 上述各實施例中，輸出的電子束團(tuán)縱向長度小于或等于10ps，電子束團(tuán)的電荷量 為 1. 6pC ?16nC。
[0029] 上述各實施例中，如圖4所示，加速聚焦單元3包括一個束流導(dǎo)入管30、若干級射 頻加速管31、一組預(yù)聚焦線圈32、一個束流傳輸管33、一個二維偏轉(zhuǎn)二極磁鐵組34、兩組上 聚焦線圈35、一個孔徑變換器36、一組掃描線圈37和一組下聚焦線圈38。微脈沖電子槍1 的輸出口與束流導(dǎo)入管30連接，微脈沖電子槍1產(chǎn)生的電子束流通過束流導(dǎo)入管30進(jìn)入 射頻加速管31中進(jìn)行加速，預(yù)聚焦線圈32位于射頻加速管31的外側(cè)，預(yù)聚焦線圈32同時 對電子束流進(jìn)行預(yù)聚焦。經(jīng)加速和預(yù)聚焦后的電子束流進(jìn)入束流傳輸管33中，二維偏轉(zhuǎn)二 極磁鐵組34位于束流傳輸管33外側(cè)的上端，對加速和預(yù)聚焦后的電子束流的傳輸位置進(jìn) 行調(diào)整，使加速和預(yù)聚焦后的電子束流在束流傳輸管33的軸向運動。上聚焦線圈35位于束 流傳輸管33外側(cè)，且設(shè)置在二維偏轉(zhuǎn)二極磁鐵組34下方，上聚焦線圈35對進(jìn)入束流傳輸 管33的加速和預(yù)聚焦后的電子束流進(jìn)行第二次聚焦，使電子束流在束流傳輸管33中傳輸 時不至于散開。經(jīng)加速和第二次聚焦后的電子束流傳輸至孔徑變換器36,孔徑變換器36通 過變換其孔徑大小將電子束流中偏離軸向的外圍電子過濾掉，經(jīng)過濾后的電子束流傳輸至 掃描線圈37內(nèi)。下聚焦線圈38位于掃描線圈37外側(cè)，下聚焦線圈38對進(jìn)入掃描線圈37 內(nèi)的電子束流進(jìn)行第三次聚焦。經(jīng)加速和第三次聚焦后的電子束流傳輸至Smith-Purcell 型回波振蕩器4。
[0030] 上述各實施例中，束流導(dǎo)入管30的內(nèi)徑為30mm，其由不銹鋼材料制成。
[0031] 上述各實施例中，預(yù)聚焦線圈32由直徑3mm的銅質(zhì)漆包線繞制而成，可以產(chǎn)生 0?1. 5T的聚焦磁場。
[0032] 上述各實施例中，射頻加速管31是由純銅材料制成的圓管，其內(nèi)徑為40mm，外徑 為46mm。每個射頻加速管31的長度由電子束流進(jìn)入該射頻加速管31之前的速度除以 1. 3GHz再除以2之后的值來決定。每個射頻加速管31的長度范圍為lcm?10cm。所使用 射頻加速管31的數(shù)量根據(jù)實際應(yīng)用過程中所需要的電子能量選取，不同數(shù)量的射頻加速 管31可以使加速后電子束流的能量從幾千電子伏特變化到幾兆電子伏特，通過射頻加速 管31的數(shù)量可以控制加速后電子束流的速度。
[0033] 上述各實施例中，二維偏轉(zhuǎn)二極磁鐵組34包括兩組二維偏轉(zhuǎn)二極磁鐵，每組二維 偏轉(zhuǎn)二極磁鐵是通過將直徑為2mm的銅質(zhì)漆包線繞制在直徑為50mm的鐵芯上制成的，一組 二維偏轉(zhuǎn)二極磁鐵所產(chǎn)生的磁場方向與XZ平面垂直，另一組二維偏轉(zhuǎn)二極磁鐵所產(chǎn)生的 磁場方向與YZ平面垂直。
[0034] 上述各實施例中，上聚焦線圈35分為上、下兩部分，每部分可以產(chǎn)生0?1.5T的 磁場。
[0035] 上述各實施例中，孔徑變換器36的孔徑大小變換范圍為0?60mm。
[0036] 上述各實施例中，掃描線圈37的結(jié)構(gòu)、放置方式與二維偏轉(zhuǎn)二極磁鐵組34相似， 不同的是掃描線圈37由直徑為0. 5mm的銅線圈在直徑為20mm的鐵芯上繞制而成。
[0037] 上述各實施例中，下聚焦線圈38可以產(chǎn)生0?1. 5T的磁場。
[0038] 上述各實施例中，如圖4所示，Smith-Purcell型回波振蕩器4包括光柵41、光柵 導(dǎo)軌42、光柵螺旋導(dǎo)入桿43、太赫茲光收集器44、光輸出管路45和束流收集靶46。光柵41 與光柵導(dǎo)軌42均設(shè)置在掃描線圈37下方，光柵41帶柵格的一側(cè)面與弧形光柵導(dǎo)軌42的 內(nèi)表面之間的空間構(gòu)成電子束流在Smith-Purcell型回波振蕩器4中的傳輸通路，光柵41 另一側(cè)面上連接光柵螺旋導(dǎo)入桿43,通過旋轉(zhuǎn)光柵螺旋導(dǎo)入桿43可以調(diào)節(jié)光柵41與傳輸 通路中電子束流之間的距離，一般光柵41與電子束流中心之間的距離小于4mm。太赫茲光 收集器44的一端設(shè)置在光柵導(dǎo)軌42上，并可以在光柵導(dǎo)軌42上移動，太赫茲光收集器44 的另一端與光輸出管路45的一端連接，光輸出管路45的另一端穿過真空容器2的外壁，且 光輸出管路45穿設(shè)在真空容器2外壁中的部位與真空容器2外的環(huán)境真空隔絕。束流收 集靶46設(shè)置在光柵41與光柵導(dǎo)軌42構(gòu)成的傳輸通路的底端。經(jīng)加速和第三次聚焦后的 電子束流傳輸至光柵41與光柵導(dǎo)軌42構(gòu)成的傳輸通路中，電子束流經(jīng)過光柵41時發(fā)生 Smith-Purcell福射，太赫茲光收集器44收集Smith-Purcell福射產(chǎn)生的太赫茲光并傳輸 至光輸出管路45,通過光輸出管路45向真空容器2外輸出福射產(chǎn)生的太赫茲光。經(jīng)過光柵 41福射后的電子束流繼續(xù)向如運動最終被束流收集革巴46收集。
[0039] Smith-Purcell型回波振蕩器4是利用Smith-Purcell效應(yīng)而設(shè)計的福射光產(chǎn)生 裝置，其工作原理為：當(dāng)電子經(jīng)過光柵41表面時會產(chǎn)生背向的輻射，該輻射波的波長滿足 以下Smith-Purcell福射公式：
[0040]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于微脈沖電子槍的太赫茲光源系統(tǒng)，其特征在于：它包括微脈沖電子槍、 真空容器、加速聚焦單元、Smith-Purcell型回波振蕩器、真空泵組、供電單元和控制 單元；所述微脈沖電子槍通過法蘭與所述真空容器的頂端連接，所述加速聚焦單元和 Smith-Purcell型回波振蕩器分別固定設(shè)置在所述真空容器內(nèi)的上部和下部；所述真空容 器上部的側(cè)壁上和底端分別開設(shè)一上真空口和一下真空口，所述上真空口和下真空口分別 連接一所述真空泵組；所述真空泵組和供電單元分別為所述微脈沖電子槍、加速聚焦單元 和Smith-Purcell型回波振蕩器提供真空環(huán)境和電源；所述控制單元控制所述微脈沖電子 槍、加速聚焦單元和Smith-Purcell型回波振蕩器協(xié)調(diào)工作，所述微脈沖電子槍產(chǎn)生的微 脈沖電子束團(tuán)傳輸至所述加速聚焦單元，所述加速聚焦單元對微脈沖電子束團(tuán)進(jìn)行加速和 聚焦，加速和聚焦后的微脈沖電子束團(tuán)通過所述Smith-Purcell型回波振蕩器產(chǎn)生相干的 太赫茲輻射。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于微脈沖電子槍的太赫茲光源系統(tǒng)，其特征在于：所述 微脈沖電子槍包括矩形波導(dǎo)、諧振腔體、柵網(wǎng)、微分直線導(dǎo)入器、陰極片和冷卻水槽；微波通 過所述矩形波導(dǎo)和諧振腔體之間的耦合孔饋入所述諧振腔體內(nèi)，在所述諧振腔體內(nèi)產(chǎn)生諧 振的電磁場；諧振的電磁場使電子在所述諧振腔體內(nèi)振蕩并撞擊到所述柵網(wǎng)和所述微分直 線導(dǎo)入器底端的所述陰極片，電子在所述柵網(wǎng)與陰極片上實現(xiàn)二次電子倍增，產(chǎn)生縱向長 度小于或等于l〇ps且電荷量為1. 6pC?16nC電子束團(tuán)；所述冷卻水槽圍設(shè)在所述諧振腔 體外側(cè)，所述控制單元通過控制流過所述冷卻水槽中水的溫度實現(xiàn)對所述諧振腔體整體溫 度的控制。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種基于微脈沖電子槍的太赫茲光源系統(tǒng)，其特征在于：所述 陰極片是由二次電子倍增材料制成的圓形片狀結(jié)構(gòu)，其上不帶有任何網(wǎng)格，其直徑為2cm， 厚度為0. 4mm ;所述陰極片固定在所述微分直線導(dǎo)入器底端，其伸入所述諧振腔體的距離 能夠不斷調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的精度為0. 005mm。
4. 如權(quán)利要求2或3所述的一種基于微脈沖電子槍的太赫茲光源系統(tǒng)，其特征在于： 所述柵網(wǎng)是由二次電子倍增材料制成的圓形片狀結(jié)構(gòu)，其直徑為2cm，厚度為0. 03mm ;其上 設(shè)置有使部分電子溢出的若干圓形網(wǎng)孔。
5. 如權(quán)利要求4所述的一種基于微脈沖電子槍的太赫茲光源系統(tǒng)，其特征在于：所述 圓形網(wǎng)孔的直徑為〇· 〇5mm。
6. 如權(quán)利要求1或2或3所述的一種基于微脈沖電子槍的太赫茲光源系統(tǒng)，其特征 在于：所述加速聚焦單元包括一個束流導(dǎo)入管、若干級射頻加速管、一組預(yù)聚焦線圈、一個 束流傳輸管、一個二維偏轉(zhuǎn)二極磁鐵組、兩組上聚焦線圈、一個孔徑變換器、一組掃描線圈 和一組下聚焦線圈；所述微脈沖電子槍的輸出口與所述束流導(dǎo)入管連接，所述微脈沖電子 槍產(chǎn)生的電子束流通過所述束流導(dǎo)入管進(jìn)入所述射頻加速管中進(jìn)行加速，所述預(yù)聚焦線 圈位于所述射頻加速管的兩側(cè)，所述預(yù)聚焦線圈同時對電子束流進(jìn)行預(yù)聚焦；經(jīng)加速和預(yù) 聚焦后的電子束流進(jìn)入所述束流傳輸管中，所述二維偏轉(zhuǎn)二極磁鐵組位于所述束流傳輸 管外側(cè)的上端；所述上聚焦線圈位于所述束流傳輸管外側(cè)，且設(shè)置在所述二維偏轉(zhuǎn)二極磁 鐵組下方，所述上聚焦線圈對進(jìn)入所述束流傳輸管的加速和預(yù)聚焦后的電子束流進(jìn)行第 二次聚焦；經(jīng)加速和第二次聚焦后的電子束流傳輸至所述孔徑變換器，所述孔徑變換器通 過變換其孔徑大小將電子束流中偏離軸向的外圍電子過濾掉，經(jīng)過濾后的電子束流傳輸 至所述掃描線圈內(nèi)；所述下聚焦線圈位于所述掃描線圈兩側(cè)，所述下聚焦線圈對進(jìn)入所述 掃描線圈內(nèi)的電子束流進(jìn)行第三次聚焦；經(jīng)加速和第三次聚焦后的電子束流傳輸至所述 Smith-Purcell型回波振蕩器。
7. 如權(quán)利要求1或2或3所述的一種基于微脈沖電子槍的太赫茲光源系統(tǒng)，其特征 在于：所述Smith-Purcell型回波振蕩器包括光柵、光柵導(dǎo)軌、光柵螺旋導(dǎo)入桿、太赫茲光 收集器、光輸出管路和束流收集靶；所述光柵與光柵導(dǎo)軌均設(shè)置在所述掃描線圈下方，所 述光柵帶柵格的一側(cè)面與弧形所述光柵導(dǎo)軌的內(nèi)表面之間的空間構(gòu)成電子束流的傳輸通 路，所述光柵另一側(cè)面上連接所述光柵螺旋導(dǎo)入桿，通過旋轉(zhuǎn)所述光柵螺旋導(dǎo)入桿調(diào)節(jié)所 述光柵與傳輸通路中電子束流之間的距離；所述太赫茲光收集器的一端滑設(shè)在所述光柵 導(dǎo)軌上，所述太赫茲光收集器的另一端與所述光輸出管路的一端連接，所述光輸出管路的 另一端穿過所述真空容器的外壁，且所述光輸出管路穿設(shè)在所述真空容器外壁中的部位與 所述真空容器外的環(huán)境真空隔絕；所述束流收集靶設(shè)置在所述光柵與光柵導(dǎo)軌構(gòu)成的傳 輸通路的底端；經(jīng)加速和第三次聚焦后的電子束流傳輸至所述光柵與光柵導(dǎo)軌構(gòu)成的傳 輸通路中，電子束流經(jīng)過所述光柵時發(fā)生Smith-Purcell輻射，所述太赫茲光收集器收集 Smith-Purcell輻射產(chǎn)生的太赫茲光并傳輸至所述光輸出管路，通過所述光輸出管路向所 述真空容器外輸出輻射產(chǎn)生的太赫茲光；經(jīng)過所述光柵輻射后的電子束流被所述束流收集 革巴收集。
8. 如權(quán)利要求7所述的一種基于微脈沖電子槍的太赫茲光源系統(tǒng)，其特征在于：所述 光柵采用矩形光柵，其總長度為120mm，柵格寬度為1.5mm，深度為2mm;所述光柵的周期大 于或等于電子束團(tuán)的縱向長度。
9. 如權(quán)利要求7所述的一種基于微脈沖電子槍的太赫茲光源系統(tǒng)，其特征在于：所述 光柵導(dǎo)軌是由聚四氟乙烯材料制成的半橢圓型結(jié)構(gòu)，其長軸為120mm，短軸為60mm，所述光 柵導(dǎo)軌所在的橢圓平面在XZ平面內(nèi)，橢圓平面的長軸平行于Z軸方向，橢圓長軸與所述光 柵上表面的距離為60mm ;其中X方向表不垂直于光柵表面的方向，Y方向表不平行于光柵柵 格的方向，Z方向表示電子束團(tuán)的運動方向。
10. 如權(quán)利要求7所述的一種基于微脈沖電子槍的太赫茲光源系統(tǒng)，其特征在于：所述 太赫茲光收集器是由純銅制成的溫斯頓錐結(jié)構(gòu)，其內(nèi)徑為5. 81mm，張角為26. 57°，其內(nèi)部 采用聚四氟乙烯填充。
【文檔編號】H01J25/00GK104103476SQ201410349975
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月22日
【發(fā)明者】趙繼飛, 魯向陽, 周奎, 全勝文, 羅星, 楊自欽 申請人:北京大學(xué)