基于真空电子学方法的太赫兹源

孟凡亮，余厉阳

（杭州电子科技大学 射频电路与系统省部共建教育部重点实验室，浙江 杭州 310018）

0 引 言

太赫兹（THz）波一般是指频率处在 0.1 ～ 10 THz 范围 的电磁波（1 THz=1012 Hz）。在太赫兹技术和应用中，太赫兹 辐射源是太赫兹技术发展的关键技术。目前对于太赫兹源的 研究方法主要包括基于光子学的太赫兹源以及基于真空电子 学的太赫兹源 [1,2]。本文这里主要其中利用微波管的分布作用 原理而产生太赫兹波的真空电子器件，主要包括行波管、回 旋管、返波管和速调管等。

1 基于真空电子学方法的太赫兹源

基于真空电子学方法的太赫兹源可以用在毫米波和太赫兹频域，主要采用阴极发射高能电子束，经过慢波结构，和高频场相互作用，产生速度调制和密度调制，以致电子产生群聚。由于每一个电子都作如上的群聚，从而使整个电子注与场有净的能量交换，辐射出太赫兹波。

1.1 行波管

行波管是 20 世纪 40 年代早期发明的用于射频能量放大的真空电子器件[3]。由于其高功率、宽频带、高效率，不需强磁场等优点，加上现代加工技术的不断发展，行波管的研究近年来倍受各国研究机构的关注。美国的诺斯洛普· 格鲁门公司（NGC）提出的折叠波导慢波结构是唯一可以输出太赫兹波的方法，如图 1 所示，是利用电子注与沿慢波电路系统行进的输入电磁波间的连续相互作用而放大超高频电磁波，为了使电子注同电磁波产生有效的相互作用，电子的直流运动速度应比沿慢波电路行进的电磁波的相位传播速度略高。图中磁导体聚焦系统的作用是用电磁场力来约束电子注的扩散。

NGC 根据 DARPA 的太赫兹电子项目计划， 目前正在研究一个在 670 GHz 的，旨在提供 92 mW，带宽为 52 GHz折叠波导行波管 [4]。DARPA 计划的最终目标是在频率为 670 GHz、850 GHz、1 030 GHz 时，输出功率分别为 63 mW， 25 mW，10 mW，最小瞬时带宽为 15 GHz。

折叠慢波电路是一种平面结构的全金属慢波电路，高频损耗较小，解决了行波管在高频电路加工过程中的困难。由于它具有一系列优点，易于加工和散热，功率容量比较大，所以在许多微加工的行波管中采用了这种慢波结构。

1.2 返波管

返波管（BWO）是在行波管、磁电管等真空管微波器件的基础上发展起来的真空电子管，是一种能满足毫瓦级输出， 结构紧凑，具有高迁移率等优点，尤其在 0.1 ～1.5 THz 频率范围可以产生连续波功率。其结构示意图如图 2 所示。在返波管中，原理与行波管基本相同，但在返波管中，输出端是靠近电子枪的一端，电磁波的相速度方向与电子注运动方向相同， 但群速度却与电子注方向相反，当满足下列相位条件时，

（β0－ βe）l=2πCNb（2n+1）（n=0，1…）（1）

其中，C为增益参量，b为非同步参量，此时返波与电子注相互作用构成正反馈效应，通过这种正反馈，高速电子被电势场减速，产生群聚，而太赫兹波沿电子运动相反的方向传播并得到不断放大，由靠近阴极的波导耦合输出。返波管可以发射单一频率的太赫兹辐射，并具有一定的调谐范围（大约 50%），功率可以达到毫瓦以上。但是当频率大于 1 THz 时，其工作效率和输出功率会迅速下降，仍需进一步提高[5]。如图 3 所示[6]，是近年来返波管在太赫兹频率和低于太赫兹频率时的连续能量输出结果示意图。

2010 年，Mineo 等人利用波形矩形波导慢波结构在中心频率为 1 THz，20% 可调带宽时，产生了大于100 mW 的输出功率，后来，他们采用双波形矩形波导结构产生 650 GHz，输出功率为 75 mW[7]。2011 年，电子科技大学真空电子科学与技术国家重点实验室 [8] 采用简单的正弦波导的慢波结构结合片材电子强，用于太赫兹波输出。研究结果表明，当工作电压在27 kV，电子束电流在 5 mA 时，中心工作频率为1 THz 时，可以达到 1.9 W 的峰值功率输出，在 1 THz 的效率为1.4% 以上，但电路的长度仅为 7.2 mm。

目前返波管中的研究难题主要包括电路中的高能欧姆损耗以及急需对强反射的慢波结构的改进，这些损耗和强反射主要发生在结构中的不连续点。近年来，利用场发射阵列和拥有高电流密度的片状电子枪对于返波管性能的改善，逐渐走进各国研究人员的视野。

1.3 太赫兹回旋管

回旋管是一种在毫米波长范围可以产生连续能量在兆瓦量级，同时在太赫兹范围也可以产生数十千瓦量级的高能相干辐射源，是目前工作在毫米波及太赫兹频段产生功率最高的真空电子学器件，如图 4 所示。在回旋管中产生的电磁辐射是由于弱相对论回旋电子束和在谐振腔中近于截止的 TE 波相互作用的结果。回旋管原理示意图如图所示，它有电子枪、高频谐振腔，以及由束流收集器和输出窗组成的输出波导三部分组成，由电子枪发射的高能电子在谐振腔中的静磁场 B0 中，当 满足条件 ：

ω － Kv0 ≈ sωc 时， （2）

其中，ωc 和 ν0 是电子的回旋频率和漂移速度，ω 和 K 是电磁 波的频率和波矢量，电子的速度与回旋频率成反比，把能量 交给波场的电子，电子能量减小，速度减小，回旋频率增大， 回旋半径减小 ；反之，电子速度增大，回旋频率减小，回旋 半径增大。其次，如果电磁波的频率等于电子的回旋频率， 此时一个周期内电子注整体上失去和得到的能量是相等的，与 电磁场没有能量净交换 ；如果电磁波的频率略小于电子的回旋 频率，电子群聚块逐渐向加速区移动，电子将从电磁场吸收能 量 ；如果电磁波的频率略大于电子的回旋频率，电子群聚块 逐渐向减速区移动，电子将向电磁场释放能量，从而使场的信 号幅度持续增强。

回旋管在强磁场研究的推动下，已经可以在太赫兹频段获得高能量的相干辐射。2008 年，Glyavin 等人 [9] 首次报道了回旋管功率达到了 1 THz 以上，利用 40 T 脉冲电磁铁工作。当电磁场强度在 38.5 T 时，输出频率在 1.022 THz 时功率为 1.5 kW。2010 年，他们又利用 48.7 T 强磁场，已经取得1.3 THz 的频率输出[10]。2011 年日本福冈大学（FU）[11]利用二次谐波振荡的方法在 TE1，8 模式下，尽可能地远离基次谐波的 TE4，3 工作模式的干扰，产生了 388 GHz，功率 62 kW 的新纪录。按照输出 62 kW 的结果，通过改变回旋管的电子枪，以使电子束耦合到另一个振荡模式 TE17，2，输出结果为389 GHz，83 kW 。

进一步提高频率要遇到强磁场的限制，甚至采用超导磁铁，这样的磁场系统过于庞大、造价昂贵，不利于实际应用。因此，降低磁场是太赫兹回旋管研究重点之一。

结 语

除了上面所述的三个真空电子太赫兹源外，还有速调管， 也是在太赫兹领域研究的热点。速调管是一种靠周期性地调制电子注的速度来实现放大或振荡功能的微波真空电子器件。目前纳米速调管己成为太赫兹领域的一个很热门的研究课题，美国加州理工学院（CIT）的 JPL 实验室等研制的纳米速调 管可望在 1 ～ 3 THz 频率上工作。由于它使用了微加工技术， 可以保证每个纳米速调管的频率和相位一致，因此可以组成 纳米速调管阵列，大大提高输出功率，预期应用频率范围在 0.3 ～ 3.0 THz，输出功率大于 50 mW。