真空电子学对太赫兹辐射源的可能贡献，大功率THz辐射源

刘盛纲

电子科技大学

 
        由于THz科学技术迅速发展，对于THz辐射源的要求日益增强，从2000年以来，THz真空电子学有了很快的发展并取得了重要的成果，特别是在大功率THz辐射源方面。对于远距离成像及非破坏高穿透波谱研究等，需要可调或宽带瓦级以上功率输出的THz辐射源。太赫兹与物质的非线性作用，探测物质内部由高功率太赫兹激起的非线性现象需要大功率THz辐射源．到目前为止，仅真空电子学及等离子体电子学的方法，可以产生高功率太赫兹辐射。
 
    因此，真空电子学在THz辐射源方面可能作出很重要的贡献。但是，存在一些普遍的问题限制了真空器件（包括迥旋管、绕射辐射器件在内）的工作频率，主要是阴极、加工等的限制。图1中，给出了真空电子和半导体THz辐射源发展的比较。由图可见，近几年来真空电子在THz辐射源方面的发展是非常迅速的。
 
   返波管是目前唯一能在（0.5一1.2）THz提供频率可调，连续波功率输出(1000一1)mW的器件。纳米速调管的研制已取得一定的进展。并可组成纳米速调管阵列。预期应用频率范围可达0.3—3.0 THz，输出功率大于50mW CW．
       绕射辐射器件机械调谐频率，在（0.1－1）THz，连续波功率在0.1瓦到数十瓦。
       扩展互作用速调管在0.50TGHz，功率可达1w，预期高频率可达1THz．
       电子廽旋脉塞(廽旋管)在0.17THz，输出1Mw连续波。俄国正在研究1THz的迥旋管，脉冲输出功率10KW。
       自由电子激光(FEL)产生THz辐射已成为FEL的一个重要发展方向。
       基于电子加速器的极高功率太赫兹辐射源。等离子体波尾场的Cherernkov辐射可在0.3～3THz，产生3～5uJ／pulse的辐射波；真空电子的Cherenkov尾场辐射可产生MW级THz输出。
       储存环型THz辐射源
       由于THz辐射的学术价值和巨大应用前景，美国及欧洲已开始用储存环来产生THz辐射。这种装置可产生（0.03—30）THz辐射，．其亮度可超过现有THz辐射源的9个量级。这么强的THz辐射将对科学研究和国家安全等方面起重要作用。
       真空电子THz辐射源的关键技术问题是：
    （1）需要进一步提高阴极的发射能力和电子光学系统，以提供高电流密度、高质量的电子束。
    （2）改善加工技术，最好采用微电子加工技术，以得到尺寸很小的精密的THz高频系统。
      纳米速调管将纳米技术、微电子加工技术及电子器件技术融合在一起，是一个可望有较大贡献的新型器件。纳米速调管的工作频率可能达到(2—3)THz。
      电子廽旋脉塞和廽旋管是一种大功率器件，已经在研制lTHz的迥旋管。进一步提高频率都遇到强磁场的限制。
      FEL的工作频率没有限制，但FEL的成本高、体积大，只适于用作THz研究平台。大力研究和发展Smith—Purcell型的FEI和简化的台式加速器型的FEL和是THz FEL的一个重要方向。
      Cherenkov尾场辐射(等离子体中的或真空电子的)是产生极高功率THz辐射的一个重要领域，值得加以重视。如果采用高介电常数的介质，如金刚石或SiC₄等，则可大大降低加速器的能量，从而可研制出低能量的高功率THz辐射源。
      储存环加速器相干THz辐射，可提供极高亮度的THz辐射，有特殊的应用价值。可是目前我国仅有2台可同步工作的辐射源。如何安排需要进一步的探讨。
      真空电子学在THz辐射源上可能有很重要的贡献。经过几十年的努力，我国在微波毫米波段真空电子学已有很好的基础，但是在THz波段研究工作才刚刚起步，与国外的差距很大，不能满足要求。
 
参考文献：
1．Plenary talk，IEEE Int．Conf．On PS，2003
2．Physics of Plasmas，8，4995，2001
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