基于预群聚结构的多注TM31模太赫兹扩展互作用速调管高频结构

本发明涉及真空电子学太赫兹，尤其涉及一种基于预群聚结构的多注tm31模太赫兹扩展互作用速调管高频结构。

背景技术：

1、太赫兹波(terahertz wave,简称thz)是一种电磁波，其频率介于0.1～10thz，波长范围为3mm～30um。太赫兹波位于远红外和亚毫米波段之间，是电子学和光子学过渡领域。太赫兹波具有独特的电磁波性能，如高透射性、分辨率高、能量小、相干性、频带宽等。thz技术是当前开拓科学新领域的革新手段，其在生物医学、材料科学、无线通讯等方面有着巨大的应用潜力。

2、太赫兹技术的广泛应用离不开太赫兹辐射源，而产生太赫兹波的方法也有多种。其中，基于半导体电子学、光学和光子学、真空电子学等方法都可以产生太赫兹波的辐射源。然而，由于大功率集成化太赫兹辐射源的匮乏，太赫兹波在各个领域中的应用受到了严重制约。传统的扩展互作用速调管虽然是产生高功率太赫兹波的主要方式，但由于高频损耗大、互作用效率低、器件尺寸小等原因，使其难以向太赫兹波段拓展。因此，寻求新的途径来解决太赫兹频段的功率限制和尺寸限制，以产生高功率的太赫兹源。

3、扩展互作用速调管高频结构作为太赫兹辐射源的研究热点之一，2022年，刘文鑫研究员等人进行了一项重要的研究，证实了将“预群聚”结构应用于扩展互作用速调管高频结构可以大幅增强注波互作用效率。2021年，印度s.maity等人将多注电子注应用在扩展互作用速调管高频结构中，2017年，王建国研究员等人采用tm31模设计了太赫兹扩展互作用速调管高频结构，获得了大的物理结构尺寸和而且器件的具备良好的性能。

4、因此，基于预群聚结构增强注波互作用效率、多注电子增强输出功率、tm31模设计增大结构尺寸等特性为基础，本发明采用基于预群聚结构的多注tm31模扩展互作用速调管高频结构高频系统的方案。攻克多注电子与高频结构高效互作用的难题，掌握多注tm31模太赫兹扩展互作用速调管高频结构增大物理尺寸的关键工艺技术，突破真空电子器件向太赫兹波段拓展效率低、功率小、尺寸小的瓶颈。最终实现提高注波互作用效率以及输出功率和增大器件物理尺寸，为太赫兹源的研发制备和应用提供了新的思路和技术支持。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种基于预群聚结构的多注tm31模太赫兹扩展互作用速调管高频结构，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

2、为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了种基于预群聚结构的多注tm31模太赫兹扩展互作用速调管高频结构，包括：

3、外壳(4)、电子枪阴极(1)、高频结构、多电子注通道(2)、输入与输出端口；

4、外壳(4)，用于保护所述太赫兹扩展互作用速调管高频结构并同时提供真空结构；

5、电子枪阴极(1)，其设置在外壳一端，用于发射多电子注；

6、高频结构，其设置在外壳内部包裹的真空结构内，由输入腔、输出腔、聚束腔、预群聚腔统一构成，自电子枪阴极(1)一端向另一端依次设有一个输入腔(3-1)、两个聚束腔(3-3)、一个预群聚腔(3-4)、两个聚束腔(3-3)、一个输出腔(3-2)；上述一个输入腔(3-1)、两个聚束腔(3-3)、一个预群聚腔(3-4)、两个聚束腔(3-3)、一个输出腔(3-2)依次采用多电子注通道(6)连接，用于高频结构与多电子注进行互作用产生太赫兹辐射；

7、输入与输出端口，为输入端口(5-1)与输出端口(5-2)，设置在外壳上，用于输入与输出太赫兹辐射，输入端口(5-1)输入腔(3-1)连接，输出端口(5-2)与输出腔(3-2)连接。

8、多电子注通道(2)用于多电子注通过；每一个通道容纳一个电子注。

9、高频结构各腔体的横向延伸方向与所述电子注方向垂直，电子注可根据需要以及各腔体的横向延伸设置多个如3-20等，多电子注及对应的多电子注通道(6)等间距平行；

10、作为本发明的另一个方面，提供了一种如上所述的太赫兹扩展互作用速调管高频结构在太赫兹技术领域的应用。

11、基于上述技术方案可知，本发明的基于预群聚结构的多注tm31模太赫兹扩展互作用速调管高频结构相对于现有技术至少具有以下优势之一：

12、(1)本发明提出了一种基于预群聚结构的高频设计新方法，旨在解决太赫兹波段真空电子器件注波互作用效率低的问题。

13、(2)本发明利用高频系统中的tm31模和多注电子注，增大互作用结构的物理尺寸，提高输出功率，实现辐射源制备和大功率输出。

14、(3)本发明从根本上增强电子注与高频系统中的电磁波的相互作用，提高注-波互作用效率，解决真空电子器件向太赫兹波段发展时所面临的互作用效率低和输出功率小的问题，同时大幅度提高太赫兹扩展互作用速调管高频结构的输出功率，有利于工程制管的加工和高功率太赫兹源的实现。

15、(4)本发明攻克了多注电子与高频结构高效互作用的难题，掌握了多注tm31模太赫兹扩展互作用速调管高频结构增大物理尺寸的关键工艺技术，突破了真空电子器件向太赫兹波段拓展效率低、功率小、尺寸小的瓶颈。此太赫兹扩展互作用速调管高频结构在生物医学、材料科学、无线通讯等领域具有巨大的应用潜力。

技术特征：

1.一种基于预群聚结构的多注tm31模太赫兹扩展互作用速调管高频结构，其特征在于，包括：外壳(4)、电子枪阴极(1)、高频结构、多电子注通道(2)、输入与输出端口；

2.按照权利要求1所述的一种基于预群聚结构的多注tm31模太赫兹扩展互作用速调管高频结构，其特征在于，高频结构各腔体的横向延伸方向与所述电子注方向垂直，电子注可根据需要以及各腔体的横向延伸设置多个如3-20等，多电子注及对应的多电子注通道(6)等间距平行。

3.按照权利要求1所述的一种基于预群聚结构的多注tm31模太赫兹扩展互作用速调管高频结构，其特征在于，多电子注通道(2)平行设置于高频结构中心，与从输入端口进入高频结构中的太赫兹波相互作用将太赫兹波放大，通过输出端口实现太赫兹波输出，进而实现太赫兹波的应用。

4.按照权利要求1所述的一种基于预群聚结构的多注tm31模太赫兹扩展互作用速调管高频结构，其特征在于，预群聚腔，是位于高频结构的中间腔体，其单腔间隙周期数少于其余腔体。

5.按照权利要求1所述的一种基于预群聚结构的多注tm31模太赫兹扩展互作用速调管高频结构，其特征在于，电子枪阴极形状为：矩形、椭圆或圆形。

6.按照权利要求1所述的一种基于预群聚结构的多注tm31模太赫兹扩展互作用速调管高频结构，其特征在于，所述多电子注的电压为15-25kv，优选所述多电子注为圆形的。

7.按照权利要求1所述的一种基于预群聚结构的多注tm31模太赫兹扩展互作用速调管高频结构，其特征在于，所述外壳结构采用的材料为金属。

8.按照权利要求1所述的一种基于预群聚结构的多注tm31模太赫兹扩展互作用速调管高频结构，其特征在于，通过调节多电子注通道及对应的多电子注之间的距离，以及调节聚束腔、预群聚腔的间隙周期数，得到此结构的最优输出功率。

9.按照权利要求1所述的一种基于预群聚结构的多注tm31模太赫兹扩展互作用速调管高频结构，其特征在于，工作模式为tm31模式。

10.按照权利要求1-9任一项所述的一种基于预群聚结构的多注tm31模太赫兹扩展互作用速调管高频结构在太赫兹技术领域的应用。

技术总结基于预群聚结构的多注TM31模太赫兹扩展互作用速调管高频结构，属于太赫兹技术领域。包括外壳、电子枪阴极、聚束腔和输入与输出端口。该太赫兹扩展互作用速调管高频结构的外壳用于保护其内部结构，电子枪阴极设置在外壳开口的一侧，用于发射多电子注。高频结构设置在外壳内部包裹的真空结构中，输入与输出端口设置在外壳上，用于输出太赫兹辐射。本发明解决了真空电子器件向太赫兹波段发展时所面临的互作用效率低和输出功率不足的难题，同时增大了太赫兹频段器件的尺寸，有利于工程制管的加工和高功率太赫兹源的实现。技术研发人员：刘湘鹏,王金淑,杨韵斐受保护的技术使用者：北京工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29