内容简介
《太赫兹回旋器件原理及应用》围绕一类重要太赫兹辐射源——基于电子回旋受激辐射机理的太赫兹回旋器件的发展现状、相关理论及典型应用进行系统阐述。《太赫兹回旋器件原理及应用》共7章，第1章介绍太赫兹回旋器件的发展现状；第2~6章详细阐述电子光学系统、太赫兹回旋振荡器、太赫兹回旋放大器、输入输出结构和准光模式变换器；第7章介绍太赫兹回旋器件的两个重要应用，即电子回旋共振加热和动态核极化核磁共振波谱技术。
精彩书摘
第1章 绪论
太赫兹(terahertz，THz)波是指频率为0.1～10THz(1THz=1012Hz)的电磁波，相应的波长介于3mm～30?m，处于电子学向光子学过渡的频谱区域，如图1.1所示。太赫兹波具有不同于微波和光波的*特性质，是电磁波谱中尚待全面开发、亟待全面探索，且具有重大科学意义和应用前景的电磁频段。太赫兹波具有载波频率高、通信容量大、穿透性强、光子能量低、不会产生生物电离等特性，同时许多大分子有机物的振动和转动能级与太赫兹频段的光子能量相近。基于这些特性，太赫兹波及相关科学技术有望在远距离成像探测、遥感、大分子生物医学检测、超高速无线通信等领域取得革命性的突破，目前已成为世界发达国家争先抢占的频谱资源和科学制高点。美国把太赫兹科学技术列为改变世界未来的十大技术之一，欧盟将其列为“改变未来世界的六大科学技术之一”，日本将其列为国家十大支柱产业之一。“十三五”期间，我国把太赫兹科学技术列为国防三大颠覆类技术之一。
图1.1 太赫兹波在电磁频谱中的位置
作为一个年轻且具有重大科学意义及应用价值的前沿领域，近三十年来，太赫兹科学技术得到了迅猛发展。太赫兹科学技术已不像发展之初那样局限于天文学和波谱学等少数领域的应用，而是涉及从基础科学到实际应用的诸多方面。尽管国内外科学家在太赫兹科学技术及其交叉领域取得了一系列原创性成果，但当前太赫兹科学技术的发展仍然受制于大功率、高效率太赫兹辐射源的技术瓶颈。目前，产生太赫兹辐射主要有两大技术手段：电子学方法和光子学方法。电子学太赫兹辐射源主要包括电真空器件、固态器件和量子级联激光器(quantum cascade laser，QCL)等；光子学太赫兹辐射源主要包括激光泵浦气体激光器、光学差频太赫兹辐射源以及基于时域光谱(time-domain spectroscopy，TDS)技术的太赫兹辐射源等。对于传统的电真空器件，要使其工作频率提升到太赫兹频段，需要大幅度缩小周期慢波结构至太赫兹波长尺度，面临慢波结构加工难度大、高质量电子注成形困难、注波互作用效率低，以及输出功率与工作频率平方成反比等难题。对于太赫兹固态器件，随着工作频率提高，要求材料迁移率大幅增加、电子输运沟道长度大幅缩小以缩短渡越时间，为了降低寄生电容效应，器件的尺寸需要进一步缩小。太赫兹固态器件输出功率随工作频率的升高迅速降低，且器件的量子效应显著。基于传统天然半导体材料中的电子-空穴复合来产生太赫兹辐射同样遇到了瓶颈，其原因是传统天然半导体材料的禁带宽度在数个电子伏特，而太赫兹的能量仅仅在4.2meV左右，二者相差数百倍，自然界没有如此小禁带宽度的半导体材料。采用人工超晶格方法制造的量子级联激光器虽然可以实现小的子能级宽度，但必须工作在超低温情况下，才能避免热噪声等问题。基于光子学方法，由于量子效率等因素影响，目前只有少数几种气体物质的能级跃迁可以达到太赫兹频段的高频部分。基于光整流的非线性光学方法可产生皮秒量级、脉冲能量数为十微焦、场强超过1MV/cm的强太赫兹脉冲，但由于材料吸收、损伤阈值等因素，器件的工作频率和脉冲能量受到了限制[1]。基于飞秒激光的太赫兹时域光谱技术可以产生宽带太赫兹辐射，但面临大面积光电导器件生产成本高昂和功率谱密度低等问题。因此，大功率、高效率太赫兹辐射源的发展十分迫切。
在电子学太赫兹辐射源中，回旋管(gyrotron)是目前产生大功率、高频率太赫兹辐射的主要器件。回旋管是一种基于自由电子在纵向磁场中回旋受激辐射机理的快波器件，不需要传统电真空器件所必需的慢波结构，在太赫兹频段不仅具有大功率而且具有高的能量转换效率，可实现大功率、高频率电磁波输出。1958年，澳大利亚天文学家特韦斯在观察电离层吸收电磁波现象时，发现了电子回旋谐振受激辐射机理。同一时期，苏联学者卡帕若诺夫也发现了回旋电子注与电磁波相互作用时的相对论效应作用。1964年，苏联科学家利用这一机理研制出了**支基于回旋电子注与电磁波相互作用的样管，并命名为回旋管。该回旋管采用矩形谐振腔作为注波互作用腔，工作模式为TE101模式，连续波输出功率为6W[2]。
回旋管由于在毫米波及太赫兹频段的卓越性能，以及在雷达、电子对抗、受控热核聚变、材料、高能物理和生物医学等诸多领域广阔的应用前景，近年来得到了迅猛发展。目前，回旋管已形成了一个庞大的家族，几乎所有传统微波管都有相对应的回旋器件：回旋振荡管(gyro oscillator)、回旋行波管(gyro-TWT)、回旋速调管(gyroklystron)、回旋返波管(gyro-BWO)、回旋磁控管(gyro-magnetron)和回旋行波速调管(gyro twystron)等。上述回旋器件大致可以分为两类：回旋振荡器和回旋放大器。回旋振荡器包括回旋振荡管、回旋磁控管和回旋返波管；回旋放大器包括回旋行波管、回旋速调管和回旋行波速调管。
如果不特别说明，一般所谓的回旋管就是指回旋振荡管。三段腔回旋管是*简单的回旋管，除此之外还有复合腔回旋管、准光回旋管和光子晶体回旋管等。三段腔回旋管的
目录
目录
第1章 绪论 1
1.1 太赫兹回旋管发展现状 3
1.2 太赫兹回旋放大器发展现状 7
参考文献 10
第2章 电子光学系统 13
2.1 小回旋电子枪 15
2.1.1 收敛磁场及其绝热压缩作用 15
2.1.2 电子光学系统中的静电场和静磁场 17
2.1.3 电子注的主要性能参数指标 23
2.2 大回旋电子枪 30
2.2.1 电子运动方程 30
2.2.2 缓变倒向磁场大回旋电子枪 36
2.2.3 速度离散 38
参考文献 40
第3章 太赫兹回旋振荡器 41
3.1 开放回旋谐振腔 41
3.1.1 三段式圆柱开放回旋谐振腔 49
3.1.2 改进型多段式圆柱开放回旋谐振腔 52
3.1.3 三段式同轴开放回旋谐振腔 54
3.1.4 复合开放回旋谐振腔 56
3.1.5 共焦波导开放回旋谐振腔 57
3.1.6 光子晶体回旋谐振腔 65
3.2 回旋管的线性理论 69
3.2.1 色散*线 69
3.2.2 注波耦合系数 70
3.2.3 起振电流 70
3.3 回旋管的稳态非线性理论 78
3.3.1 回旋中心坐标系下的自洽非线性理论 81
3.3.2 波导中心坐标系下的自洽非线性理论 82
3.4 回旋管的时域多模自洽非线性理论 89
参考文献 99
第4章 太赫兹回旋放大器 101
4.1 太赫兹回旋行波管注波互作用结构 101
4.1.1 共焦波导 102
4.1.2 介质加载波导 106
4.1.3 螺旋波纹波导 114
4.2 回旋行波管的动力学理论 120
4.3 回旋行波管的非线性理论 140
参考文献 145
第5章 输入输出结构 147
5.1 低损耗传输线 147
5.1.1 TE10-HE11模式变换器 151
5.1.2 过模圆柱波纹波导 152
5.1.3 斜角弯头 156
5.2 太赫兹回旋行波管输入窗 158
5.3 太赫兹回旋行波管输入耦合器 158
5.3.1 圆柱波导回旋行波管输入耦合器 161
5.3.2 单共焦波导回旋行波管输入耦合器 163
5.3.3 双共焦波导回旋行波管输入耦合器 164
5.4 太赫兹回旋器件输出窗 165
5.4.1 单层结构输出窗 166
5.4.2 多层结构输出窗 168
5.4.3 超材料输出窗 170
5.4.4 布鲁斯特输出窗 171
参考文献 173
第6章 准光模式变换器 175
6.1 准光模式变换器的基本理论 177
6.1.1 几何光学理论 177
6.1.2 标量衍射理论 183
6.1.3 矢量绕射理论 185
6.2 辐射器 191
6.2.1 Valsov型辐射器 191
6.2.2 Denisov型辐射器 193
6.2.3 混合型辐射器 207
6.3 反射镜 210
6.3.1 准椭圆型反射镜 210
6.3.2 抛物型反射镜 212
6.3.3 相位校正镜 214
参考文献 216
第7章 太赫兹回旋器件的应用 218
7.1 电子回旋共振加热 218
7.1.1 ITER装置 224
7.1.2 JET电子回旋加热系统 226
7.1.3 Tore Supra电子回旋加热系统 226
7.1.4 DIII-D电子回旋加热系统 227
7.1.5 FTU电子回旋加热系统 228
7.1.6 HL-2A电子回旋加热系统 228
7.1.7 EAST电子回旋加热系统 229
7.1.8 CFETR电子回旋加热系统 229
7.2 动态核极化核磁共振波谱技术 230
参考文献 240
附录 241
试读
第1章 绪论
太赫兹(terahertz，THz)波是指频率为0.1～10THz(1THz=1012Hz)的电磁波，相应的波长介于3mm～30?m，处于电子学向光子学过渡的频谱区域，如图1.1所示。太赫兹波具有不同于微波和光波的*特性质，是电磁波谱中尚待全面开发、亟待全面探索，且具有重大科学意义和应用前景的电磁频段。太赫兹波具有载波频率高、通信容量大、穿透性强、光子能量低、不会产生生物电离等特性，同时许多大分子有机物的振动和转动能级与太赫兹频段的光子能量相近。基于这些特性，太赫兹波及相关科学技术有望在远距离成像探测、遥感、大分子生物医学检测、超高速无线通信等领域取得革命性的突破，目前已成为世界发达国家争先抢占的频谱资源和科学制高点。美国把太赫兹科学技术列为改变世界未来的十大技术之一，欧盟将其列为“改变未来世界的六大科学技术之一”，日本将其列为国家十大支柱产业之一。“十三五”期间，我国把太赫兹科学技术列为国防三大颠覆类技术之一。
图1.1 太赫兹波在电磁频谱中的位置
作为一个年轻且具有重大科学意义及应用价值的前沿领域，近三十年来，太赫兹科学技术得到了迅猛发展。太赫兹科学技术已不像发展之初那样局限于天文学和波谱学等少数领域的应用，而是涉及从基础科学到实际应用的诸多方面。尽管国内外科学家在太赫兹科学技术及其交叉领域取得了一系列原创性成果，但当前太赫兹科学技术的发展仍然受制于大功率、高效率太赫兹辐射源的技术瓶颈。目前，产生太赫兹辐射主要有两大技术手段：电子学方法和光子学方法。电子学太赫兹辐射源主要包括电真空器件、固态器件和量子级联激光器(quantum cascade laser，QCL)等；光子学太赫兹辐射源主要包括激光泵浦气体激光器、光学差频太赫兹辐射源以及基于时域光谱(time-domain spectroscopy，TDS)技术的太赫兹辐射源等。对于传统的电真空器件，要使其工作频率提升到太赫兹频段，需要大幅度缩小周期慢波结构至太赫兹波长尺度，面临慢波结构加工难度大、高质量电子注成形困难、注波互作用效率低，以及输出功率与工作频率平方成反比等难题。对于太赫兹固态器件，随着工作频率提高，要求材料迁移率大幅增加、电子输运沟道长度大幅缩小以缩短渡越时间，为了降低寄生电容效应，器件的尺寸需要进一步缩小。太赫兹固态器件输出功率随工作频率的升高迅速降低，且器件的量子效应显著。基于传统天然半导体材料中的电子-空穴复合来产生太赫兹辐射同样遇到了瓶颈，其原因是传统天然半导体材料的禁带宽度在数个电子伏特，而太赫兹的能量仅仅在4.2meV左右，二者相差数百倍，自然界没有如此小禁带宽度的半导体材料。采用人工超晶格方法制造的量子级联激光器虽然可以实现小的子能级宽度，但必须工作在超低温情况下，才能避免热噪声等问题。基于光子学方法，由于量子效率等因素影响，目前只有少数几种气体物质的能级跃迁可以达到太赫兹频段的高频部分。基于光整流的非线性光学方法可产生皮秒量级、脉冲能量数为十微焦、场强超过1MV/cm的强太赫兹脉冲，但由于材料吸收、损伤阈值等因素，器件的工作频率和脉冲能量受到了限制[1]。基于飞秒激光的太赫兹时域光谱技术可以产生宽带太赫兹辐射，但面临大面积光电导器件生产成本高昂和功率谱密度低等问题。因此，大功率、高效率太赫兹辐射源的发展十分迫切。
在电子学太赫兹辐射源中，回旋管(gyrotron)是目前产生大功率、高频率太赫兹辐射的主要器件。回旋管是一种基于自由电子在纵向磁场中回旋受激辐射机理的快波器件，不需要传统电真空器件所必需的慢波结构，在太赫兹频段不仅具有大功率而且具有高的能量转换效率，可实现大功率、高频率电磁波输出。1958年，澳大利亚天文学家特韦斯在观察电离层吸收电磁波现象时，发现了电子回旋谐振受激辐射机理。同一时期，苏联学者卡帕若诺夫也发现了回旋电子注与电磁波相互作用时的相对论效应作用。1964年，苏联科学家利用这一机理研制出了**支基于回旋电子注与电磁波相互作用的样管，并命名为回旋管。该回旋管采用矩形谐振腔作为注波互作用腔，工作模式为TE101模式，连续波输出功率为6W[2]。
回旋管由于在毫米波及太赫兹频段的卓越性能，以及在雷达、电子对抗、受控热核聚变、材料、高能物理和生物医学等诸多领域广阔的应用前景，近年来得到了迅猛发展。目前，回旋管已形成了一个庞大的家族，几乎所有传统微波管都有相对应的回旋器件：回旋振荡管(gyro oscillator)、回旋行波管(gyro-TWT)、回旋速调管(gyroklystron)、回旋返波管(gyro-BWO)、回旋磁控管(gyro-magnetron)和回旋行波速调管(gyro twystron)等。上述回旋器件大致可以分为两类：回旋振荡器和回旋放大器。回旋振荡器包括回旋振荡管、回旋磁控管和回旋返波管；回旋放大器包括回旋行波管、回旋速调管和回旋行波速调管。
如果不特别说明，一般所谓的回旋管就是指回旋振荡管。三段腔回旋管是*简单的回旋管，除此之外还有复合腔回旋管、准光回旋管和光子晶体回旋管等。三段腔回旋管的
