0.22 THz 回旋管振荡器的研制与实验.doc

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Chinese Science Bulletin, 2009, 54, doi: 10.1007/s11434-009-0172-9 摘要 太赫兹辐射源在太赫兹科学技术中占有重要地位, 基于电子回旋受激辐射机理的回旋管是目前太赫兹频段功率最高的器件, 具有广泛的应用前景. 针对0.22 THz大气窗口, 在理论分析和数值计算的基础上研制出频率0.22 THz, TE03模太赫兹回旋管振荡器, 建立了磁场强度超过8 T的脉冲强磁场系统, 在实验中获得脉冲功率3 kW的太赫兹辐射输出. 关键词 太赫兹 回旋管 脉冲磁场 太赫兹(THz, 1012Hz)电磁波是指频率范围0.1 10 THz, 介于毫米波与红外线之间的电磁辐射. 处于宏观经典理论向微观量子理论、电子学向光子学、波动性向粒子性的过渡区, 是电磁波谱中唯一没有获得充分研究的波段, 太赫兹波具有量子能量低、信噪比高、频带宽, 覆盖各种包括蛋白质在内的大分子转动和振动频率. 在大容量数据传输、材料处理、生物成像、等离子体诊断等方面具有重要应用前景1, 太赫兹科学技术已成为现代科学技术中一个非常活跃的交叉前沿/doc/579959ea998fcc22bcd10dbe.html学科. 由于太赫兹辐射在电磁波谱中的特殊位置, 长期以来太赫兹源问题未得到很好解决, 形成电磁波谱中的太赫兹空隙.太赫兹辐射可用电子学方法产生, 如雪崩二级管、耿氏振荡器等固态器件, 以及返波管、扩展互作用振荡器和回旋管等真空电子学器件. 光子学和光电子学方法也可产生太赫兹辐射, 如太赫兹气体激光器、量子级联激光器、光电导效应、光电晶体中的二阶非线性效应等, 大部分太赫兹源的转换效率很低, 辐射功率多在毫瓦量级 回旋管是目前工作在毫米波及太赫兹频段功率最高的真空电子学器件, 功率可达千瓦以上, 回旋管基于电子在磁场中的回旋谐振受激辐射机理, 是一种快波器件, 不需要传统微波、毫米波真空电子学器件所必需的慢波系统, 可实现高频、大功率输出.在磁约束核聚变研究的推动下, 回旋管研究在毫米波及太赫兹低频段取得了重大进展, 已研制出170 GHz, 1 MW连续波输出的回旋管6,7. 2000年以后, 太赫兹波段的回旋管引起极大的重视, 日本Fukui大学研制出一系列太赫兹回旋管, 最高频率达0.889 THz, 输出功率数千瓦, 已用于生物医学、材料特性研究和高密度等离子体诊断等领域810 俄罗斯国家科学院应用物理研究所正在研究1 THz回旋管, 采用40 T脉冲磁场, 输出功率10 kW11 美国麻省理工学院也研制出太赫兹回旋管并应用于核磁共振成像 根据目前发展情况来看, 回旋管是太赫兹低频段(0.11 THz)最有希望的大功率辐射源, 在远程探测、高分辨雷达和太赫兹辐射与物质非线性相互作用研究方面有重要应用前景.我们针对0.22 THz大气传输窗口, 在理论分析和数值计算基础上研制出频率0.22 THz, TE03模太赫兹回旋管振荡器, 回旋管所需要的强磁场由脉冲磁场系统产生, 实现大功率太赫兹辐射输出, 脉冲输出功率达到3 kW.1 回旋管设计我们所设计的太赫兹回旋管结构如图1如示, 由电子光学系统、谐振腔和输出波导三部分组成, 采用522 /doc/579959ea998fcc22bcd10dbe.html图1 太赫兹回旋管示意图 磁控注入电子枪形成回旋电子注, 在谐振腔中通过注波互作用产生太赫兹振荡, 由输出波导和输出窗输出, 其中输出波导兼作电子注收集系统. 谐振腔采用缓变截面开放式圆柱谐振腔, 结构简单, 功率容量大, 为回旋管振荡器所广泛使用, 由于工作频率高, 如采用TE01, TE11等低阶波导模式, 谐振腔尺寸太小, 加工难度大且功率容量小, 因而必须采用高阶模式以增加高频系统尺寸, 但系统中可能存在多个模式, 带来模式竞争问题, 可能导致回旋管不能正常工作, 因而在满足功率容量前提下尽可能采用较低阶模式. 经综合考虑, 选取TE03模作为工作模式, 其主要竞争模式只有TE23模, 对于克服模式竞争有利, 而且它还是角向对称的模式, 便于进行计算机模拟和 设计.为方便加工, 选取结构较为简单的三段式单腔结构, 其中L2为主要注波互作用区域, L1段半径逐渐缩小, 与电子枪区域相接, 波被截止, L3段半径逐渐扩大, 与输出段相接, 波由此输出, 腔体结构如图2所示, 谐振腔的谐振频率主要由波导半径a确定, 一般在波导截止频率附近, 根据波导理论, a的初值按下式选取:ack03/2f, (1)其中c为光速, k03为零阶贝塞尔函数导数的第3个根, f为工作频率(0.22 THz), 腔体内的场分布和品质因数由L1, L2, L3及倾角1, 2决定, 谐振腔的各个尺寸根据回旋管自洽非线性理论程序计算并反复优化确定, 最后得到如下参数: a = 2.2 mm, L1 = 9 mm, L2 = 13 mm, L3 = 17 mm, 1 = 3, 2 = 1, 腔体品质因数Q = 1799, 工作电压U = 20 kV, 电流I = 2 A, 磁场B0 = 8.05 T, 电子横向速度与纵向速度比 = 1.5, 互作用效率为37%.为检验设计方案, 采用更完善的MAGIC粒子模拟软件16进行模拟, 结果图3所示, 图3(a)为谐振腔中场的频谱/doc/579959ea998fcc22bcd10dbe.html, 频率为220.76 GHz, 图3(b)为输出功率随时间变化情况, 由图可以看出回旋管起振时间约为25 ns, 随后进入饱和状态, 平均输出功率为15 kW, 互作用效率到达38%, 与自洽非线性计算结果一致. 论 文 图2 腔体结构 图3 粒子模拟结果(a) 频谱图; (b) 输出功率图 电子枪产生回旋管工作所需要的回旋电子注, 对回旋管性能有很大影响, 我们采用回旋管研究中普遍使用的磁控注入枪.由环状阴极产生的空心电子注在倾斜电场与纵向磁场共同作用下, 产生一个初始的回旋运动, 电子横向能量较小, 经过一段磁场缓慢上升的过渡区, 回旋电子注受到绝热压缩, 电流密度增大, 电子注半径减小, 横向能量增加, 电子注中的电子既有纵向速度, 又有横向速度, 当电子注参量达到要求时, 进入谐振腔, 与电磁波交换能量.磁控注入枪有单阳极结构和双阳极结构, 单阳极磁控注入枪没有控制极, 只能通过阴极处的磁场来改变电子注的横向能量, 双阳极磁控注入枪中电子横向动523 2009年2月 第54卷 第4期量可以方便地利用控制极、阳极电压和阴极区的外部磁场进行调整, 因此选用双阳极磁控注入枪, 电子枪设计参数有电压、电流、引导中心半径和电子横向纵向速度之比, 上述参数根据自洽非线性程序计算确定, 速度比较大有利于提高互作用效率, 但对加工、装配误差及磁场分布敏感, 不容易实现, 根据经验设计为1.5. 电子枪设计采用电子光学设计软件EGUN, 经过反复优化, 获得了满足要求的电子枪, 电子注引导中心半径为1.147 mm, 电子注厚度0.1 mm, 速度离散3.1%.回旋管需要8 T左右强磁场, 需要采用超导磁场, 由于超导磁场系统加工尚未完成, 目前的实验采用脉冲放电磁场达到需要的磁场强度. 脉冲磁场线包由3个线圈组成, 第一和第三个线圈相同, 均为9层, 每层8匝, 位/doc/579959ea998fcc22bcd10dbe.html于两端, 第二个线圈位于1, 3线圈之间, 为7层, 每层26匝, 磁场线圈由高压电容器组驱动, 电容器组容量21000 F, 经测试当放电电压为1100 V时, 脉冲电流可达2980 A, 磁场强度即可达到8 T. 磁场分布对回旋管电子枪性能影响很大, 为保证电子枪区域磁场分布, 设计了一个具有较少匝数的阴极线圈, 通过磁场分布测量调整该线圈的匝数和位置, 逼近理论分布, 然后根据实际磁场分布对电子枪尺寸进行少量调整, 完成电子枪设计, 图4为高斯计测量的脉冲磁场系统轴线上的磁场分布. 图4 脉冲磁场分布 2 实验实验系统由高压调制器、脉冲磁场、同步信号发生器、多通道示波器和数据采集系统组成, 实验系统示意图5如下: R1, R2为高压分压电阻, 为第一阳极和阳极提供电压, 第一阳极电流、阳极电流和高压脉冲通过示波器检测, 如图6所示, 高压通过10000:1 524 图5 太赫兹回旋管实验系统示意图 电阻分压器取样, 阳极电流通过串入阳极回路的1电阻取样, 该图中高压为20 kV, 脉冲宽度2 s, 阳极电流3 A, 第一阳极电流很小, 说明第一阳极基本没有截获电子, 电子枪工作正常. 图6 电压、电流波形 脉冲磁场测量方法如下: 先用直流稳压电源和高斯计对磁场线圈进行标定, 得到电流与磁场强度关系, 然后将电流测量电阻串入放电回路, 通过测量电阻两端电压即可测出放电电流, 根据电流和磁场的标定关系得到磁场强度, 图7为LabView软件和数据采集卡获得的脉冲磁场电流波形, 实验中通过高精度同步机进行同步, 在脉冲磁场电流的顶部触发高压调制器, 此时磁场强度最大, 且电流变化率接近于零, 脉冲磁场产生的涡流对回旋管工作产生的影响最小.实验中高压为20 kV/doc/579959ea998fcc22bcd10dbe.html, 电子注电流通过改变阴极灯丝加热功率进行调节, 由于采用脉冲磁场, 系统只能工作在单次脉冲状态, 当前国内外太赫兹检测手 论文 图7 脉冲磁场电流波形 图8 回旋管输出热响应波形段不成熟, 要准确测量单脉冲太赫兹波的功率和频率非常困难, 我们采用热敏探测方法测量功率, 用波导将回旋管输出信号引出至热探测器, 记录热响应波形, 用已知功率的小功率源进行脉冲标定, 调节小功率源的脉宽, 当某一脉冲宽度所对应的热响应波形与实验波形一致时, 近似认为两者具有同样的能量, 该能量除以回旋管输出脉宽(2 s)即可测出输出功率. 太赫兹脉冲的频率目前还无法直接测量, 只能根据脉冲磁场的测量结果间接估计, 按照回旋管的工作机理, 在已知磁场强度和电子注电压的情况下,回旋管输出频率略高于电子回旋频率, 故有以下关系:1eB0, (2)2m式中f为太赫兹辐射频率, fc为电子在磁场中的回旋f=fc=频率, e为电子电荷, m为电子质量, 为电子相对论因子, 为磁场系数, 即电子回旋频率与回旋管输出频率之比, 其范围一般为0.950.98, 对于图8的结果, 在20 kV高压情况下, 7.96 T磁场对应的电子回旋频率为214 GHz, 按(2)式进行估计, 回旋管工作频率约为218225 GHz, 即0.2180.225 THz.3 实验结果与分析图8为回旋管输出脉冲的热响应波形, 电子注电流2.6 A, 磁场7.96 T, 当太赫兹脉冲进入热敏探测器时, 其能量被探测器吸收, 温度迅速上升, 因而该波形的前沿陡峭, 当脉冲结束以后, 热量逐渐流失造成缓慢下降的后沿, 时间超过20 s. 因0.22 TH/doc/579959ea998fcc22bcd10dbe.htmlz的小功率源国内难以找到, 考虑到热探测器响应与辐射频率关系较小, 故采用3 mm固态源进行标定, 标定所用功率8 mV, 频率108 GHz, 经标定图8对应的输出功率为3 kW, 与理论计算结果有较大的差距, 我们分析其主要原因是脉冲磁场的稳定性不够好, 回旋管对磁场非常敏感, 磁场稳定度要求很高(误差0.5%以下), 基于电容器组放电的脉冲磁场很难达到这样的稳定度, 此外脉冲磁场还会产生涡流磁场, 系统的加工、装配误差都会影响回旋管的输出功率.参考文献1 2 3 4 5 64 总结从实验结果来看采用的研究方案和技术路线是正确的, 实验存在的主要问题之一是脉冲磁场的稳定性不够好, 影响了输出功率, 测量中功率标定采用3 mm源, 频率的确定建立在回旋管工作机理、数值模拟及脉冲磁场的测量基础上, 因而功率和频率测量存在一定误差, 目前我们正在建立超导磁场系统, 下一步实验将采用0.22 THz固态源和0.22 THz谐波混频器对功率和频率进行测量, 上述问题将可得到较好解决.Siegel P H. 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