Импульсный генератор ТГц - излучения

Предлагаемая полезная модель относится к области создания генераторов субмиллиметрового диапазона электромагнитных волн, конкретно к устройствам и приборам для генерации терагерцового излучения, применяемым как для визуализации скрытых объектов, так и в технологиях по нагреву различных объектов, в том числе плазмы.
Известны генераторы терагерцового излучения на основе взаимодействия излучения фемтосекундного лазера с полупроводниковой фотопроводящей антенной [1]. Данные приборы состоят из импульсно-периодического фемтосекундного лазера, полупроводниковой фотопроводящей антенны с блоком питания, оптических элементов для формирования пучков лазерного и ТГц-излучения. Генерация электромагнитного излучения в диапазоне (0,5-2,5) ТГц возникает при возбуждении тока субпикосекундной длительности в зазоре между электродами, являющимися антенной и расположенными на поверхности полупроводника, например из GaAs, под воздействием электромагнитного излучения с фемтосекундной длительностью импульса.
Однако, не смотря на высокую частоту повторения импульсов, вплоть до 80 МГц, средняя мощность ТГц-излучения лучших образцов матриц из фотопроводящих антенн не превышает (100-200) мкВт, Кроме того, недостатком таких приборов является высокая чувствительность фемтосекундного лазера к вибрационным и климатическим условиям.
Этих недостатков лишено техническое решение, описанное в работе [2], взятое за прототип. Такой импульсный генератор широкополосного терагерцового излучения содержит источник высокого напряжения, импульсный трансформатор, накопительную емкость, высоковольтную емкость, первый разрядник, второй разрядник, заземляющее сопротивление, параболическое ТГц-зеркало, диэлектрическую вакуумную камеру с импульсным соленоидом, служащим в качестве анода, с острийным катодом, с электрическими вводами, с выходным окном ТГц-излучения и с системой откачки. Генерация ТГц-излучения осуществляется при ларморовском вращении электронов, ускоренных из плазмы у острийного катода в магнитном поле импульсного соленоида. Параболическое ТГц-зеркало вместе с оптическим ТГц-окном служат для вывода ТГц-излучения из вакуумной камеры. В прототипе имеется возможность генерации достаточно мощных, но не более 100 Вт импульсов широкополосного ТГц-излучения. Недостатком прототипа является низкая эффективность преобразования энергии электронного пучка в энергию ТГц-излучения, не превышающая, как показали экспериментальные испытания прототипа, выполненные его авторами, ~ 0,01%. Кроме этого верхняя граница спектра ТГц-излучения не превышает частоты в (0,5-1,0) ТГц, поскольку в прототипе она определяется частотой вращения электронов в магнитном поле импульсного соленоида, индукция которого в этой конструкции ограничена.
Техническим результатом импульсного генератора ТГц-излучения является увеличение не менее чем на порядок эффективности генерации ТГц-излучения и верхней границы спектра ТГц-излучения до (2-3) ТГц.
Этот результат достигается тем, что в импульсном генераторе ТГц-излучения, содержащем источник высокого напряжения, импульсный трансформатор, накопительную емкость, высоковольтную емкость, первый разрядник, второй разрядник, заземляющее сопротивление, импульсный соленоид и диэлектрическую вакуумную камеру, внутри которой размещены анод, острийный катод, электрические вводы, выходное ТГц-окно и система откачки, анод выполнен в виде цилиндрической одновитковой катушки Биттера, торец которой, обращенный к выходному ТГц-окну, представляет собой вогнутое пораболическое ТГц-зеркало, а импульсный соленоид размещен снаружи диэлектрической вакуумной камеры, соосно охватывая анод, причем острие острийного катода находится в фокусе вогнутого пораболического ТГц-зеркала, ось которого расположена соосно выходному ТГц-окну и перпендикулярно его плоскости, при этом выходное ТГц-окно изготовлено из материала с коэффициентом отражения (20-30)% для ТГц-излучения.
Изготовление анода в виде цилиндрической одновитковой катушки Биттера вместе с ее размещением соосно внутри импульсного соленоида позволило увеличить в (3-5) раз величину индукции магнитного поля в области острия острийного катода, что, в свою очередь, позволило увеличить верхнюю границу спектра ТГц-излучения, генерируемого при циклотронном вращении электронов, эмитируемых с острийного катода, вплоть до частоты в (2-3) ТГц.
Одновременно, размещение плоскости выходного ТГц-окна, изготовленного из материала с коэффициентом отражения (20-30)% для ТГц-излучения, перпендикулярно оси вогнутого пораболического зеркала, расположенного на торце цилиндрической одновитковой катушки Биттера, позволяет сформировать обратную связь ТГц-излучения от выходного ТГц-окна в область фокуса пораболического зеркала, совпадающего с острием острийного катода. При наличии этой оптической обратной связи возникает эффективная резонансная генерация ТГц-излучения на циклотронных частотах вращения электронов в магнитном поле катушки Биттера, что приводит к резкому, не менее чем на порядок, увеличению эффективности генерации ТГц-излучения.
Таким образом, совокупность всех вышеуказанных существенных признаков, связанных друг с другом причинно-следственными связями, позволяет надежно достичь вышеуказанного технического результата.
На Фиг. 1 представлен пример конкретной реализации импульсного генератора ТГц-излучения, содержащего источник высокого напряжения 1, подключенный к первому разряднику 2 и накопительной емкости 3, импульсный трансформатор 4, подсоединенный к высоковольтной емкости 5 и ко второму разряднику 6, заземляющее сопротивление 7 острийного катода 8 с острием 9, цилиндрическую одновитковую катушку Биттера 10, вместе с вогнутым пораболическим ТГц-зеркало 11, размещенные соосно внутри импульсного соленоида 12, охватывающего диэлектрическую вакуумную камеру 13, включающую выходное ТГц-окно 14 и систему откачки 15.
При этом цилиндрическая одновитковая катушка Биттера 10 соосно охватывает острийный катод 8 с острием 9, которые находятся в точке фокусе вогнутого пораболического ТГц-зеркала 11, выполненного на торце цилиндрической одновитковой катушки Биттера 10, а ось этого вогнутого пораболического ТГц-зеркала 11 расположена перпендикулярно плоскости выходного ТГц-окна 14, изготовленного из материала с коэффициентом отражения (20-30)% для ТГц-излучения. Вогнутое пораболическое ТГц-зеркало 11, изготовлено из металла, выполняет также функцию анода и заземлено вместе с одним из выводов импульсного соленоида 12. Второй вывод импульсного соленоида 12 соединен с накопительной емкостью 3 и, одновременно, с высоковольтным выводом первичной обмотки импульсного трансформатора 4. Высоковольтный вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора 4 соединен с высоковольтным выводом высоковольтной емкости 5 и с одним из выводов второго разрядника 6. Другой вывод второго разрядника 6 соединен с острийным катодом и с высоковольтным выводом заземляющего сопротивления 7. Диэлектрическая вакуумная камера 13 включает систему откачки 15.
-4
Импульсный генератор ТГц-излучения работает следующим образом. Вакуумная камера 13 откачивается системой откачки 15 до давления ≤10 Торр, источник высоковольтного напряжения 1 заряжает накопительную емкость 3 до определенного напряжения, при котором инициируется пробой первого разрядника 2. В этом случае накопительная емкость 3 разряжается на первичную обмотку импульсного трансформатора 4 и, одновременно, на импульсный соленоид 12. При этом на вторичной обмотке импульсного трансформатора 4 возникает высокое напряжение, которое заряжает высоковольтную емкость 5. По достижении на высоковольтной емкости 5 определенного значения высоковольтного напряжения, происходит пробой второго разрядника 6. В этот же момент достигается максимум производной тока в импульсном соленоиде 12, максимум тока в одновитковой катушке Биттера 10 и, соответственно максимум магнитного индукции вокруг острия 9 острийного катода 8. Одновременно с острия 9 острийного катода 8 возникает поток электронов, например с энергией (100-200) кэВ, которые движутся к аноду 11 в сильном магнитном поле, например с индукцией (30-50) Тл, через область фокуса пораболического ТГц-зеркала 11. Электроны начинают двигаться в этом сильном магнитном поле одновитковой катушки Биттера 10 по винтовым круговым траекториям с характерным ларморовским радиусом ~ 100 мкм и генерируют ТГц-излучение, с характерными частотами в диапазоне (0,5÷1,5) ТГц. Электромагнитное ТГц-излучение ускоренных электронов, исходящее из области фокуса вогнутого пораболического ТГц-зеркала 11, формируется этим вогнутым параболическим зеркалом 11 в параллельный пучок и выводится вдоль его оси через выходное ТГЦ-окно 13 в направление распространения ТГц-излучения, указанного на Фиг. 1 стрелками. Часть ТГц-излучения, (20-30)%, отражается выходным ТГЦ-окном обратно к параболическому зеркалу 11 и, далее, направляется в область фокуса параболического зеркала 11, где располагается острие 9 острийного катода 8 и происходит генерация циклотронного излучения электронов. Тем самым создается обратная оптическая связь для ТГц-излучения и условия для эффективного усиления генерации ТГц-излучения по принципу мазера (генератора) на циклотронном резонансе на несколько порядков по сравнению с устройством прототипа.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет увеличить не менее чем на порядок эффективность генерации ТГц-излучения и верхнюю границу спектра ТГц-излучения до (2-3) ТГц, т.е. создать и внедрить образец компактного импульсного генератора ТГц-излучения в расширенном диапазоне частот (0,3-3,0) ТГц и с увеличенной не менее чем на порядок импульсной мощностью по сравнению с имеющимися устройствами. Такие генераторы существенно расширят технические возможности их применения в системах безопасности для обнаружения опасных предметов с увеличенной дальностью действия.
Источники информации
1. A.A. Chistyakov, K.I. Kozlovskii, G.Е. Kotkovskii, Yu.A. Kuzishchin, V.A. Krivenkov, Yu.A. Mityaginl, I.N. Piryazev. The study of photocurrent and power of THz radiation photoconductive antennas based on GaAs dependence on geometry of focusing and radiation parametres of femtosecond laser. Journal of Physics: Conference Series 737 (2016) 012020
2. Патент РФ на полезную модель №170865. Приоритет от 20.12.2016 г, зарегистрировано 11.05.2017, опубликовано 11.05.2017, Бюл. №14.