Импульсный генератор широкополосного терагерцового излучения

Полезная модель относится к области генераторов субмиллиметрового диапазона электромагнитных волн, конкретно, к устройствам для генерации терагерцового излучения.
Известны широкополосные источники терагерцового излучения на основе взаимодействия излучения фемтосекундного лазера с полупроводниковой фотопроводящей антенной [1]. Данный источник состоит из фемтосекундного лазера, полупроводниковой фотопроводящей антенны с блоком питания, оптических элементов для лазерного и ТГц излучения.
Однако, мощность ТГц излучения лучших образцов фотопроводящих антенн не превышает 100-200 мкВт, также недостатком установки является высокая чувствительность фемтосекундного лазера к вибрационным и климатическим условиям.
Этих недостатков лишено техническое решение, описанное в работе [2], взятое за прототип. Устройство содержит электронную пушку, сверхпроводящую катушку, зеркало-резонатор в форме кольца и множество квазиоптических зеркал. Источником электронов является магнетронная инжекционная пушка, генерация излучения осуществляется за счет колебаний испущенных пушкой электронов, проходящих сквозь силовые линии магнитного поля, создаваемого сверхпроводящими катушками. Кольцевое зеркало резонатор служит для отражения излучения, а система квазиоптических зеркал для отражения волн и формирования прямо направленного излучения вдоль оси гиротрона. Однако, недостатком данного устройства является низкая частота>100 ГГц, а также возможность генерировать излучение лишь в узком спектре, что ограничивает использование данного устройства в установках терагерцового радиовидения.
Технический результат направлен на расширение функциональных возможностей за счет способности устройства генерировать излучение в широком спектральном диапазоне частот 0,1-1,5 ТГц.
3
1
2
2
2
2
3
1
1
Этот результат достигается тем, что в устройство, содержащее источник высокого напряжения, соленоид, вакуумную камеру с катодом, электрическими вводами, выходным окном ТГц излучения и системой откачки, дополнительно введены импульсный трансформатор, накопительная емкость, подключенная к источнику высокого напряжения, высоковольтная емкость, первый разрядник, второй разрядник, заземляющее сопротивление, параболическое ТГц зеркало, расположенное внутри вакуумной камеры, при этом катод выполнен острийным, а накопительная емкость подключена также к первичной обмотке импульсного трансформатора и к соленоиду, вторичная обмотка импульсного трансформатора подключена к высоковольтной емкости, высоковольтный вывод вторичной обмотки подключен к первому выводу второго разрядника, а второй вывод второго разрядника подключен к заземляющему сопротивлению и острийному катоду, причем острийный катод расположен в точке фокуса параболического зеркала и в центре соленоида перпендикулярно его оси, выходное окно ТГЦ излучения расположено напротив параболического зеркала в вакуумной камере, соленоид выполнен в виде катушки с прозрачностью для ТГц излучения 50%≤k<100%, при этом выполняется соотношение LC≈LC, которое позволяет синхронизировать во времени импульс с источника высокого напряжения на соленоид и разряд высоковольтной емкости на катод, а  - для того, чтобы постоянная времени разряда через заземляющее сопротивление была больше времени разряда высоковольтной емкости, а, следовательно, через катод протекал больший ток по сравнению с заземляющим сопротивлением. L - индуктивность высоковольтной обмотки импульсного трансформатора, С - высоковольтная емкость, L - индуктивность соленоида, С - накопительная емкость,R - заземляющее сопротивление.
Сущность полезной модели заключается в том, что данная совокупность элементов: импульсный трансформатор, накопительная емкость, высоковольтная емкость, первый разрядник, заземляющее сопротивление, второй разрядник и острийный катод позволяют сформировать импульсный электронный пучок, направляемый внутрь вакуумной камеры в центр соленоида. За счет того, что электроны в магнитном поле обращаются с различными частотами, электромагнитные волны излучаются в широком диапазоне терагерцовых частот. Параболическое зеркало позволяет направить коллимированное ТГц излучение в сторону выходного окна.
Конкретный пример устройства поясняется фигурой, где представлены схемы расположения основных элементов источника широкополосного терагерцового излучения: 1 - источник высоковольтного напряжения, 2 - вакуумная камера, 3 - система откачки, 4 - первый разрядник, 5 - накопительная емкость, 6 - первичная обмотка импульсного трансформатора, 7 - вторичная обмотка импульсного трансформатора, 8 - высоковольтная емкость, 9 - второй разрядник, 10 - острийный катод, 11 - параболическое зеркало, 12 - соленоид, 13 - направление распространения терагерцового излучения, 14 - заземляющее сопротивление, 15 - земляная шина, 16 - выходное окно ТГЦ излучения.
-4
Устройство работает следующим образом. Согласно схеме, представленной на фигуре, вакуумная камера 2 откачивается системой откачки 3 до давления ≤10 Торр, источник высоковольтного напряжения 1 заряжает накопительную емкость 5 до определенного напряжения, после чего происходит пробой первого разрядника 4, и накопительная емкость 5 разряжается на первичную обмотку импульсного трансформатора 6 и на соленоид 12. При этом на вторичной обмотке импульсного трансформатора 7 появляется высокое напряжение, которое заряжает высоковольтную емкость 8. По достижении на высоковольтной емкости 8 определенного значения напряжения, происходит пробой второго разрядника 9 в момент максимума тока в соленоиде 12, после чего высоковольтная емкость 8 разряжается через острийный катод 10 на земляную шину 15 и также через заземляющее сопротивление 14. С острийного катода 10, расположенного в точке фокуса параболического зеркала 11, происходит эмиссия электронов в область с максимальной индукцией магнитного поля ~50 Тл, создаваемого соленоидом 8. Электроны начинают двигаться в неоднородном магнитном поле по круговым траекториям с характерным радиусом ~10 мкм и с циклическими частотами в диапазоне 0,1÷1,5 ТГц. Излучение, генерируемое в ходе ускоренного движения электронов в магнитном поле, формируется в параллельный пучок параболическим зеркалом 11 и выводится через выходное окно ТГЦ излучения 16 в направлении распространения терагерцового излучения 13, указанного стрелками.
Таким образом данная полезная модель позволяет расширить функциональные возможности за счет способности генерировать излучение в широком спектральном диапазоне частот 0,1-1,5 ТГц, что делает возможным использовать устройство в стендах терагерцового радиовидения, предназначенных для обнаружения и досмотра опасных предметов.
Источники информации
1. A.A. Chistyakov, К.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. United States Patent [19], Patent Number: 4,636,688. Date of Patent: Jan. 13, 1987