真空电子太赫兹器件研究进展

太赫兹波因其具有电子学与光子学的特性,所以在深空探测、无损检测、通信及安检等领域有巨大应用潜力。近些年,太赫兹技术的迅猛发展离不开太赫兹真空电子器件的不断进步。由于尺寸共度效应及电子束发射性能的限制,这类器件在迈向更高频段过程中遇到了不小的困难。针对这些问题,研究人员通过改良高频结构、控制加工精度、制备更优性能的材料、更精准的计算手段等一系列措施进行解决。本文介绍几种主流小型化太赫兹器件研究过程中的解决方案及最新进展,最后根据现阶段发展情况总结未来可能会遇到的问题及解决方法。

太赫兹技术在医学科学中的应用及研究进展

近年来太赫兹(0.1 THz^10 THz)因其良好的探测能力和非电离特性受到研究者们的关注。根据不同的检测方式和信号处理方法,可分为太赫兹成像技术和太赫兹光谱技术两大类。太赫兹技术在医学科学中发展迅速,其中生物大分子检测和组织成像令人印象深刻。水含量和结构差异是太赫兹成像技术的理论基础,据此可对生物组织进行检测识别。不同的生物组织具有不同的太赫兹特征谱,太赫兹光谱技术通过检测吸收系数、折射系数和反射系数来识别不同的生物分子、细胞或组织。实时、无标记的检测方式有望在临床实践中发挥重要作用,但仍需克服生物安全性不明等困难。综述介绍了太赫兹技术在医学科学中的应用及研究进展,同时探讨了太赫兹技术目前需要克服的难题和潜在的生物安全性问题。

石墨烯双曲超材料中的太赫兹渡越辐射

本文理论预期了一种中心频率可调、高功率密度的宽频太赫兹辐射。研究表明,该辐射来源于自由电子垂直穿过多层石墨烯-介质复合结构时激发的表面等离子体激元的相互耦合。数值计算结果表明,该辐射所需自由电子能量极低;辐射频率几乎覆盖了整个太赫兹频段,其中心频率可通过调节石墨烯化学势进行调谐;且由于表面激元的场增强作用,该辐射场强较普通渡越辐射大两个数量级以上。因此,本文所提出的机理有利于开发小型化的宽频可调片上太赫兹辐射源。

基于狄拉克半金属光栅中表面等离子体波的史密斯-珀塞尔相干多频太赫兹辐射

本文提出一种产生相干多频太赫兹辐射的物理机制,即利用电子注激发狄拉克半金属光栅加载介质基底结构中表面等离子体波并通过史密斯-珀塞尔效应和切伦科夫效应转化为辐射场。电子注可以同时激发起两种完全不同的表面等离子体波模式,分别是光栅缝隙内的腔体表面等离子体波模式和光栅表面的常规表面等离子体波模式,它们具有完全不同的激发条件和辐射特性,本文对其中的物理机制进行了详细分析。腔体表面等离子体波模式的色散决定于光栅材料和结构,调节光栅结构和电子注参数能够大范围调节辐射频率。两种表面等离子体波模式对辐射场均有极大的增强。因此,本文提出了一种产生相干、可调、高功率密度、覆盖整个波段的太赫兹辐射的物理机制。

基于Geant4-CST联合仿真的条纹变像管光电子产生与控制

碘化铯(CsI)光电阴极广泛应用于超快诊断中,光电子的空间分布、能量分布、时间分布等与条纹变像管的整体性能有着密切的关联。本文联合粒子仿真软件Geant4和三维电磁软件CST实现了对CsI光电阴极的光电子产生与控制过程的全动态模拟。采用Geant4软件对CsI光电阴极的光电转换过程进行建模,分析了二次电子出射能量、时间、位置、角度等发射特性;通过数据交互,统计了出射光电子的分布规律,然后将其应用于CST中建立阴极发射模型,并在CST中设计出一款弧矢、子午方向上放大倍率皆为2的各向异性聚焦条纹变像管。

基于石墨烯可调和增强太赫兹渡越辐射研究

太赫兹辐射具有量子能量低、信噪比高、频率宽等一系列特殊性质,在各个领域都具有相当重要的应用前景,随着太赫兹技术的发展以及应用领域的拓展,迫切需要性能各异的太赫兹辐射源.基于光子学和电子学相结合产生辐射的方法弥补了传统电子学方法产生的辐射功率高但频率低和传统光子学方法频率高但功率低的缺点,解决了太赫兹源遇到的难题.本文根据石墨烯表面等离子体波位于太赫兹波段的独特性,采用经典电磁理论,研究电子注以任意角入射石墨烯时产生太赫兹渡越辐射的场分布和光谱角分布;通过MATLAB数值计算,分析了渡越辐射的辐射特性,以及入射角度、介质和石墨烯电导率对所产生的渡越辐射的影响,利用光谱角分布更直观地展现了渡越辐射能量的特点.石墨烯电导率的可调节特性和这种特殊的边界条件,为研究可调太赫兹辐射源提供了灵活的选择和便捷的处理方式.

W波段高功率回旋管输出窗的热分析

输出窗是回旋管的重要部件之一,直接决定回旋管的工作效率与使用寿命。选用高阶模作为高功率回旋管的工作模式,并采用蓝宝石作为回旋管输出窗的窗片。应用电磁波传输理论计算蓝宝石在高阶模下的结构参数,并在HFSS中对回旋管输出窗进行建模,对高阶模的角向对称处理方法的准确性进行验证。采用HFSS与ANSYS Workbench联合仿真对输出窗进行稳态热分析,并利用Comsol软件对输出窗进行瞬态热分析。对于工作频率94 GHz和传输功率100 kW的高功率回旋管,在稳态热分析时,窗片会炸裂;而在瞬态热分析时,窗片能持续工作接近20 s。