内容简介
《太赫兹真空电子器件原理与技术》主要阐述真空电子学太赫兹源基本原理及相关技术，内容分为两部分共九章：**部分是第1章至第7章，主要阐述太赫兹史密斯-珀塞尔辐射源、超短电子束团的太赫兹辐射源、行波管、返波管、扩展互作用速调管、回旋管的基本原理，以及新型太赫兹辐射源的方法和相关研制成果、实验等，在此基础上，阐述了太赫兹源的基本应用。第二部分是第8章和第9章太赫兹真空电子器件相关技术，主要是阴极技术和微纳加工技术，分别介绍太赫兹阴极高发射机理及太赫兹微纳结构制备方法。
目录
目录
第1章 太赫兹波的基本特性 1
1.1 引言 1
1.2 太赫兹波的特性 1
1.3 太赫兹波的应用 3
1.3.1 太赫兹时域光谱技术 3
1.3.2 太赫兹成像技术 3
1.3.3 太赫兹无线通信 7
1.3.4 其他应用 8
1.4 太赫兹辐射源技术 8
1.4.1 简介 8
1.4.2 低功率真空电子学太赫兹源 8
1.4.3 大尺寸高功率真空电子学太赫兹源 19
参考文献 24
第2章 太赫兹史密斯--珀塞尔辐射源 28
2.1 引言 28
2.1.1 简介 28
2.1.2 史密斯–珀塞尔辐射基本原理 28
2.2 电子束团史密斯–珀塞尔辐射 29
2.2.1 简介 29
2.2.2 单电子束团辐射能量特征 30
2.2.3 辐射效率因子 31
2.2.4 电子束团的史密斯–珀塞尔辐射特性分析 34
2.2.5 超短电子团产生史密斯–珀塞尔辐射的PIC模拟分析 43
2.3 有限厚度电子注在任意光栅形状中的色散方程 49
2.3.1 物理模型 49
2.3.2 任意光栅形状的色散方程 49
2.4 任意形状深槽光栅的色散方程 62
2.4.1 理论模型 62
2.4.2 色散特性分析 72
2.5 双电子注太赫兹史密斯–珀塞尔辐射 74
2.5.1 物理模型 74
2.5.2 光栅各个区域的场 76
2.5.3 色散方程 77
2.5.4 太赫兹波段双电子注史密斯–珀塞尔器件的色散特性 79
2.5.5 太赫兹波段双电子注史密斯–珀塞尔辐射特性 80
2.6 介质加载史密斯–珀塞尔光栅的二维理论 87
2.6.1 二维物理模型与色散方程的推导.87
2.6.2 介质加载光栅的二维色散方程.87
2.6.3 增长率求解 90
2.6.4 介质加载光栅的色散特性分析.93
2.6.5 介质填充周期光栅的史密斯–珀塞尔辐射模拟分析 97
2.6.6 小结 100
2.7 介质加载史密斯–珀塞尔光栅的三维理论 100
2.7.1 三维物理模型与色散方程 100
2.7.2 三维情况下一阶与二阶增长率的比较.104
2.7.3 介质加载光栅的色散特性分析 107
2.7.4 小结 112
2.8 太赫兹史密斯–珀塞尔实验系统设计 112
2.8.1 简介 112
2.8.2 太赫兹波频率测量 M-P 干涉仪 112
2.8.3 实验参数 114
2.8.4 实验装置 115
参考文献 116
第3章 超短电子束团的太赫兹辐射源 118
3.1 引言 118
3.2 相干渡越辐射的基本原理 118
3.2.1 基本理论 118
3.2.2 渡越辐射的太赫兹能量 124
3.2.3 渡越辐射的太赫兹波辐射特征 127
3.3 有限尺寸束靶相干渡越的太赫兹波辐射 133
3.3.1 有限尺寸束靶的物理模型 133
3.3.2 有限尺寸束靶产生CTR的辐射特征 138
3.4 超短电子束团产生的太赫兹辐射 145
3.4.1 加速后超短电子束团产生太赫兹辐射的理论分析 145
3.4.2 加速后超短电子束团的动力学特性 147
3.4.3 超短电子束团产生 CTR 的太赫兹辐射 156
3.5 超短电子束团的太赫兹自由电子激光 166
3.5.1 简介 166
3.5.2 基本原理 168
3.5.3 自由电子激光的线性理论 171
3.5.4 太赫兹自由电子激光 178
3.5.5 太赫兹自由电子激光的应用 182
参考文献 183
第4章 太赫兹折叠波导行波管 187
4.1 引言 187
4.1.1 行波管发展历史 187
4.1.2 行波管工作原理 191
4.1.3 主要参量 193
4.2 行波管互作用方程 194
4.2.1 电路理论 194
4.2.2 电子学理论 197
4.2.3 特征方程 197
4.2.4 忽略截止模的纵向场求解 198
4.3 太赫兹折叠波导行波管线性理论 200
4.3.1 简介 200
4.3.2 折叠波导简单电路 201
4.3.3 折叠波导等效电路 204
4.3.4 折叠波导高频特性理论计算 209
4.4 太赫兹折叠波导行波管非线性理论 211
4.4.1 简介 211
4.4.2 折叠波导行波放大器的非线性理论 212
4.4.3 空间电荷场求解 217
4.4.4 电子运动方程 218
4.4.5 电子对波的反作用 219
4.4.6 初始化条件 220
4.4.7 理论与仿真结果的对比 221
4.5 双电子注折叠波导行波管线性理论 226
4.5.1 简介 226
4.5.2 双注折叠波导行波管的小信号理论 227
4.5.3 双注折叠波导行波管的传输特性 232
4.5.4 双注折叠波导的模式与电场研究 235
4.5.5 TE10模双注折叠波导行波放大器的注–波互作用模拟 237
4.5.6 TE20模双注折叠波导行波放大器的注–波互作用模拟 239
4.5.7 级联TE20模双注折叠波导行波放大器的注–波互作用模拟 243
4.6 双注折叠波导行波管注–波互作用非线性理论 246
4.6.1 基本假设及物理模型的建立 246
4.6.2 高频场方程求解 247
4.6
试读
第1章太赫兹波的基本特性
1.1引言
太赫兹（terahertz，ITHz=1012Hz）波[1，2]是指频率在0.1～lOTHz波段内的电磁波，位于微波毫米波和红外线之间，处于宏观电子学向微观光子学的过渡区域。早期太赫兹波在不同的领域有不同的名称，在光学领域被称为远红外波；而在电子学领域，则称其为亚毫米波[3]。其在电磁波谱中位置如图1.1.1所示。
近年来，太赫兹科学技术在世界各国受到了高度重视。2004年，美国将太赫兹列为“改变未来世界的十大技术”之一，日本在2005年1月将太赫兹技术确立为未来十年重点开发的“国家支柱技术十大重点战略目标”之*。我国政府在2005年11月专门召开了第270次“香山科学会议”，邀请了国内太赫兹研究领域有影响的院士和专家学者，专题讨论了国内外太赫兹科学技术的发展现状与趋势，并制定了我国太赫兹技术的发展战略。
1.2太赫兹波的特性
对于电磁波谱中处于微波与光波之间的太赫兹波，其具有以下特点[4]。
（1）良好的透射性。
太赫兹对许多介电材料和非极性物质具有良好的透射性，具备对隐匿物品实现透视成像的能力，与X射线成像和超声波成像技术形成有效互补，在安检或质检过程中可实现高分辨的无损检测（图1.2.1）。
（2）安全性。
太赫兹光子能量为4.1meV，只是X射线光子能量的1/108～1/107。太赫兹辐射不会导致光致电离而破坏被检物质，适用于人体或其他生物样品的活体检查，进而能方便地提取样品的折射率和吸收系数等光谱信息。
（3）吸水性。
水对太赫兹辐射有极强的吸收性。由于肿瘤组织中水分含量与正常组织明显不同，所以可通过分析组织中的水分含量来确定正常组织与肿瘤的分界面位置。
（4）瞬态性。
太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒数量级，可以方便地对各种材料包括液体、气体、半导体、高温超导体、铁磁体等进行时间分辨光谱的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。
（5）相干性。
太赫兹的相干性源于其相干产生机制。太赫兹相干测量技术能够直接测量电场的振幅和相位，从而方便地提取样品的折射率、吸收系数、消光系数、介电常量等光学参数。
（6）指纹光谱。
大多数极性分子和生物大分子的振动和转动能级跃迁都处在太赫兹波段，因此在太赫兹波段呈现出丰富的物理和化学信息。根据其指纹光谱，太赫兹光谱成像技术不仅能够分辨物体的形貌，而且可以获得物质的物理化学性质，为缉毒、反恐、排爆等提供相关的理论依据和探测技术。
（7）大带宽。
相比于微波和毫米波，太赫兹波波长更短带宽更宽，具有更高的图像分辨率和更大容量的数据传输能力，可以获得目标更清晰的轮廊及微动特性，也是未来6G无线通信*选频段。
1.3太赫兹波的应用
太赫兹波的*特性能给通信、雷达、电子对抗、天文学、医学成像、安全检查等领域带来深远的影响，在以下几个方面具有重要的应用。
1.3.1太赫兹时域光谱技术
太赫兹时域光谱技术是利用飞秒脉冲产生并探测时间分辨的太赫兹电场，通过傅里叶变换获得被测物品的光谱信息，由于大分子的振动和转动能级大多在太赫兹波段，而大分子，特别是生物和化学大分子是具有本身物性的物质集团，进而可以通过特征频率对物质结构、物性进行分析和鉴定。
太赫兹光谱技术不仅信噪比高，能够迅速地对样品组成的细微变化进行分析和鉴别，而且是一种非接触测量技术，这使它能够对半导体、电介质薄膜及物体材料的物理信息进行快速准确的测量。以上这些特点决定了太赫兹技术在很多领域，如基础研究、工业应用、军事及生物医学等具有重要的应用前景。
1.3.2太赫兹成像技术
1.扫描成像技术
太赫兹成像技术是利用太赫兹射线照射被测物，通过物品的透射或反射获得样品的信息，进而成像。太赫兹波成像技术相对于可见光和X射线有非常强的互补特征，其穿透能力介于两者之间，又不会对人体或生物组织造成伤害。目前，国外对太赫兹波在反恐、安检和危险品检测等各种成像方面的应用进行了广泛的研究。如图1.3.1为一种太赫兹安检系统，图1.3.2为携带武器者的太赫兹图像。自1995年美国的Hu和Nuss建立了国际上**套太赫兹成像装置以来，许多科学家相继开展了电光取样成像、层析成像、太赫兹单脉冲时域场成像、近
场成像、暗场成像、三维成像等的研究。2003年，日本利用太赫兹成像设计了一套能快速高效地分类筛查邮件的装置，该装置可以区分信封内的毒品等可疑物的种类，现已投入日本邮局试用。
太赫兹成像技术与其他波段的成像技术相比，探测图像的分辨率和景深都有明显的增加。另外太赫兹技术还有许多*特的特性，能够探测和测量水汽含量等。
2.太赫兹安全检查
利用太赫兹波实现隐匿危险
