大功率THz輻射源

真空電子學對太赫茲輻射源的可能貢獻，大功率THz輻射源－－劉盛綱

劉盛綱

電子科技大學

由于THz科學技術迅速發(fā)展，對于THz輻射源的要求日益增強，從2000年以來，THz真空電子學有了很快的發(fā)展并取得了重要的成果，特別是在大功率THz輻射源方面。對于遠距離成像及非破壞高穿透波譜研究等，需要可調(diào)或?qū)拵�瓦級以上功率輸出的THz輻射源。太赫茲與物質(zhì)的非線性作用，探測物質(zhì)內(nèi)部由高功率太赫茲激起的非線性現(xiàn)象需要大功率THz輻射源．到目前為止，僅真空電子學及等離子體電子學的方法，可以產(chǎn)生高功率太赫茲輻射。

因此，真空電子學在THz輻射源方面可能作出很重要的貢獻。但是，存在一些普遍的問題限制了真空器件（包括迥旋管、繞射輻射器件在內(nèi)）的工作頻率，主要是陰極、加工等的限制。圖1中，給出了真空電子和半導體THz輻射源發(fā)展的比較。由圖可見，近幾年來真空電子在THz輻射源方面的發(fā)展是非常迅速的。

返波管是目前唯一能在（0.5一1.2）THz提供頻率可調(diào)，連續(xù)波功率輸出(1000一1)mW的器件。納米速調(diào)管的研制已取得一定的進展。并可組成納米速調(diào)管陣列。預期應用頻率范圍可達0.3—3.0 THz，輸出功率大于50mW CW．

繞射輻射器件機械調(diào)諧頻率，在（0.1－1）THz，連續(xù)波功率在0.1瓦到數(shù)十瓦。

擴展互作用速調(diào)管在0.50TGHz，功率可達1w，預期高頻率可達1THz．

電子廽旋脈塞(廽旋管)在0.17THz，輸出1Mw連續(xù)波。俄國正在研究1THz的迥旋管，脈沖輸出功率10KW。

自由電子激光(FEL)產(chǎn)生THz輻射已成為FEL的一個重要發(fā)展方向。

基于電子加速器的極高功率太赫茲輻射源。等離子體波尾場的Cherernkov輻射可在0.3～3THz，產(chǎn)生3～5uJ／pulse的輻射波；真空電子的Cherenkov尾場輻射可產(chǎn)生MW級THz輸出。

儲存環(huán)型THz輻射源

由于THz輻射的學術價值和巨大應用前景，美國及歐洲已開始用儲存環(huán)來產(chǎn)生THz輻射。這種裝置可產(chǎn)生（0.03—30）THz輻射，．其亮度可超過現(xiàn)有THz輻射源的9個量級。這么強的THz輻射將對科學研究和國家安全等方面起重要作用。

真空電子THz輻射源的關鍵技術問題是：

（1）需要進一步提高陰極的發(fā)射能力和電子光學系統(tǒng)，以提供高電流密度、高質(zhì)量的電子束。

（2）改善加工技術，最好采用微電子加工技術，以得到尺寸很小的精密的THz高頻系統(tǒng)。

納米速調(diào)管將納米技術、微電子加工技術及電子器件技術融合在一起，是一個可望有較大貢獻的新型器件。納米速調(diào)管的工作頻率可能達到(2—3)THz。

電子廽旋脈塞和廽旋管是一種大功率器件，已經(jīng)在研制lTHz的迥旋管。進一步提高頻率都遇到強磁場的限制。

FEL的工作頻率沒有限制，但FEL的成本高、體積大，只適于用作THz研究平臺。大力研究和發(fā)展Smith—Purcell型的FEI和簡化的臺式加速器型的FEL和是THz FEL的一個重要方向。

Cherenkov尾場輻射(等離子體中的或真空電子的)是產(chǎn)生極高功率THz輻射的一個重要領域，值得加以重視。如果采用高介電常數(shù)的介質(zhì)，如金剛石或SiC4等，則可大大降低加速器的能量，從而可研制出低能量的高功率THz輻射源。

儲存環(huán)加速器相干THz輻射，可提供極高亮度的THz輻射，有特殊的應用價值。可是目前我國僅有2臺可同步工作的輻射源。如何安排需要進一步的探討。

真空電子學在THz輻射源上可能有很重要的貢獻。經(jīng)過幾十年的努力，我國在微波毫米波段真空電子學已有很好的基礎，但是在THz波段研究工作才剛剛起步，與國外的差距很大，不能滿足要求。