專利名稱：一種基于雙負材料產(chǎn)生高功率輻射的實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高頻率、高功率、小型化真空電子器件領(lǐng)域，主要應(yīng)用于基于反向切倫科夫輻射效應(yīng)的高功率、小型化太赫茲輻射源及切倫科夫粒子探測器和發(fā)射器。
背景技術(shù)：
太赫茲輻射廣義上是指頻率在O. I-IOTHz，狹義指頻率在O. 3_3THz的相干電磁輻射，其頻率介于微波的短波段和遠紅外線的長波段之間。太赫茲科學(xué)技術(shù)在世界范圍內(nèi)引起了一場廣泛的研究熱潮，這是因為太赫茲電磁波具有許多新穎的電磁特性和潛在的應(yīng)用價值首先，太赫茲輻射比紅外線與可見光具有更強的穿透性，能夠以很小衰減穿透布料、塑料等，可應(yīng)用于安全監(jiān)控、雷達與通信方面；其次，太赫茲輻射的光子能量遠低于X射線， 因此不會對生物體組織與DNA分子造成很大破壞，可以應(yīng)用在DNA探測、遺傳分析、斷層成像等生物醫(yī)學(xué)方面；再次，太赫茲頻譜可以攜帶化合物的諸多信息，包括生物化學(xué)成分、頻譜特性等，在生物化學(xué)或其他領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用。然而高功率太赫茲輻射源的缺乏阻礙了太赫茲科學(xué)技術(shù)在以上諸多應(yīng)用方面的實現(xiàn)。超常材料(Metamaterials)是人工設(shè)計的具有自然材料所不具備超常物理性質(zhì)的復(fù)合材料。雙負材料(Double-Negative Metamaterials)是超常材料中的一種,其等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的實部均為負，它具有一些不同尋常的電磁特性，例如負的折射率、反向切倫科夫輻射、反向多普勒效應(yīng)、反折射定律等。由于其潛在的理論價值和廣泛的應(yīng)用前景，雙負材料的實現(xiàn)被美國《科學(xué)》雜志評為2003年度十大科技突破之一。2006年利用超常材料制成的“隱身衣”被美國《科學(xué)》雜志再度評為當(dāng)年十大科技突破之一。2010年美國《科學(xué)》雜志將超常材料評為過去十年科學(xué)界“十大卓見”之一。MIT 的 J. Lu 等人發(fā)表的文章《Cerenkov radiation in materials with negativepermittivity and permeability)) (Opt. Express, 11, 723, 2003)介紹了單個帶電粒子通過無限大各向同性雙負材料所產(chǎn)生的反向切倫科夫輻射效應(yīng)，作者對材料在有損耗和色散條件下的反向切倫科夫福射分別作了詳盡的研究；γ. O. Averkov等人在文章《Cherenkovradiation by an electron bunch that moves in a vacuum above a left-handedmaterial)) (Phys. Rev. B，72，205110，2005)中從理論上研究了電子束團通過各向同性雙負材料上方的切倫科夫輻射，結(jié)果表明了在各向同性雙負材料中的切倫科夫輻射具有“反向，，特性；S. N. Galyamin 等人在文章〈〈Reversed Cherenkov-Transition Radiation by aCharge Crossing a Left-Handed Medium Boundary)) (Phys. Rev. Lett.，103，194802，2009)中從理論上分析了單個帶電粒子穿過雙負材料邊界運動所產(chǎn)生的反向切倫科夫輻射以及躍遷福身寸；Ζ· Y. Duan等人在文章《Reversed Cherenkov radiation in a waveguide filledwith anisotropic double-negative metamaterials》(J. Appl.Phys.，104，063303，2008)、〈〈Cherenkov radiation in anisotropic double-negative metamaterials)) (Opt.Express, 16，18479，2008)、((Enhanced reversed Cherenkov radiation in a waveguidewith double-negative metamaterials)) (Opt. Express，19，13825，2011)等中詳細研究了在圓波導(dǎo)中全部或 部分填充雙負材料的情形下的反向切倫科夫輻射以及提高輻射強度的有效方法。這種新型的電磁輻射在切倫科夫粒子探測器和發(fā)射器及高頻率、高功率電磁福射源方面有著潛在的應(yīng)用價值；在D. L. Barker等人的美國專利《Smith-Purce 11radiation source using negative-index metamaterial)) (7, 397,055B2 7/2008)中，作者提出一種由負折射率材料(Negative Index Metamaterials)構(gòu)成的周期性光柵結(jié)構(gòu)(圖I)，當(dāng)電子注靠近光柵表面運動時產(chǎn)生了比在常規(guī)金屬光柵情形下更強的Smith-Purcell電磁福射；在Ζ· Y. Duan等人最新發(fā)表的論文《Novel electromagnetic radiation in asemi-infinite space filled with adoub I e-negative metamaterial)) (Phys. Plasmas,19,013112,2012)中，作者論證了單個帶電粒子在靠近各向同性雙負材料與真空的分界面處的真空區(qū)域中運動時，在雙負材料中出現(xiàn)反向切倫科夫輻射(圖2)，并且在真空區(qū)域中的表面等離子激元幅度相對于常規(guī)介質(zhì)材料的情形有明顯增強(圖3)，并于2011年5月27日申請了中國發(fā)明專利(申請?zhí)?01110139754. 1，名稱一種各向同性的雙負人工材料，發(fā)明人段兆云、郭晨、唐濤，目前正在受理中)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于雙負材料產(chǎn)生高功率輻射的實現(xiàn)方法，實現(xiàn)在高頻率情形下，大大提高電子注的電流，從而大大增強輻射強度。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為一種基于雙負材料產(chǎn)生高功率輻射的實現(xiàn)方法，使電子注的電子以某一平均速度在靠近雙負材料與真空的分界面處的真空區(qū)域中運動，從而產(chǎn)生相干的高功率輻射。進一步地，所述某一平均速度大于在雙負材料中的電磁波的相速。進一步地，所述電子注為圓柱形電子注、片狀電子注或橢圓形電子注，其注尺寸小于工作波長。進一步地，通過調(diào)控雙負材料參數(shù)和改變電子注參數(shù)來大大增強表面等離子激元幅度和反向切倫科夫輻射能量。所述調(diào)控雙負材料參數(shù)分為提高填充因子和減小損耗兩種方式，其中，提高填充因子的方法為通過改變雙負材料的金屬開路環(huán)諧振器尺寸來改變其磁諧振強度，減小損耗的方法為通過選用不同介質(zhì)材料和金屬材料改變雙負材料的磁損耗Ym，從而改變其磁諧振性能。所述改變電子注參數(shù)分為增加電子注的電子數(shù)，增大片狀電子注的橫向尺寸，讓電子注貼近雙負材料運動三種方式。改變電子注參數(shù)時必須保證電子注的尺寸小于反向切倫科夫輻射的波長。進一步地，所述雙負材料為由金屬開路環(huán)諧振器、對稱環(huán)、嵌套環(huán)、S形諧振環(huán)或Ω環(huán)諧振結(jié)構(gòu)和金屬細線固定于介質(zhì)基片上，組合形成一個單元，將多個這種單元結(jié)構(gòu)分別沿著空間直角坐標(biāo)系的三維方向周期性排列，構(gòu)成一種各向同性的雙負人工電磁材料。根據(jù)反向切倫科夫輻射的物理機理，電子注的電子以大于在雙負材料中的電磁波相速的某一平均速度在靠近雙負材料與真空的分界面處的真空區(qū)域中運動，并與雙負材料相互作用，從而產(chǎn)生高功率反向切倫科夫輻射(輻射方向如圖4中的6)，同時在真空中由于不滿足切倫科夫輻射條件，產(chǎn)生了一種表面等離子激元(可以通過時間平均坡印廷矢量幅度1<f >1來表征，方向如圖4中的4和5)，當(dāng)離開真空和雙負材料的邊界時，它就會按指數(shù)規(guī)律衰減。由于雙負材料具有顯著的諧振特性，從而導(dǎo)致表面等離子激元幅度相對常規(guī)介質(zhì)材料情形時大大增強，這是采用雙負材料的明顯優(yōu)勢。同時，由于可以調(diào)控雙負材料參數(shù)，從而可以大大減小在雙負材料中傳輸?shù)碾姶挪ㄏ嗨伲鶕?jù)切倫科夫輻射機理，就會大大降低加速電壓，從而使得器件小型化。為了實現(xiàn)雙負材料中具有負實部的等效介電常數(shù)與磁導(dǎo)率，雙負材料可以采用周期性排列的由金屬開路環(huán)諧振器、對稱環(huán)、嵌套環(huán)、S形諧振環(huán)或Ω環(huán)諧振結(jié)構(gòu)和金屬細線構(gòu)成的多個單元結(jié)構(gòu)。其中開路環(huán)諧振器等環(huán)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負實部的等效磁導(dǎo)率；金屬細線等桿狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負實部的等效介電常數(shù)。一種典型的雙負材料是這樣構(gòu)成的由金屬開路環(huán)諧振器(圖5(a)中的I)和金屬細線(圖5(a)中的2)固定于介質(zhì)基片(圖5 (a)中的3)的兩側(cè)，組合形成一個單元(圖4中的I);將多個這種單元結(jié)構(gòu)分別沿著空間直角坐標(biāo)系的三維方向周期性排列，從而形成一種各向同性的雙負人工材料(圖4中的2，具體結(jié)構(gòu)見圖5(b))，所述雙負人工材料具有三維結(jié)構(gòu)、各向同性的特點，其結(jié)構(gòu)尺寸可根據(jù)工作頻段、加工工藝進行靈活設(shè)計。雙負材料在申請?zhí)?01110139754. I的中國專利申請中具有詳細介紹。采用電子槍(圖4中的7)產(chǎn)生一種高電流密度、大電流的電子注(圖4中的3，這里的電子注可以是圓柱形電子注、片狀電子注、橢圓形電子注等)，對于產(chǎn)生脈沖的電磁波，其注尺寸小于工作波長才能產(chǎn)生相干輻射，例如要采用片狀電子注產(chǎn)生ITHz的電磁波，那么片狀電子注的尺寸(如圖6所示)2Χ(ιΧ27(ιΧ2Ζ(ι均應(yīng)小于300 μ m ;對于產(chǎn)生連續(xù)的電磁波，其電子注的電子平均速度略大于在雙負材料中的電磁波相速，才能產(chǎn)生相干輻射。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點本發(fā)明以高電流密度、大電流的電子注代替單個帶電粒子，使其在靠近雙負材料與真空的分界面處的真空區(qū)域中運動，從而產(chǎn)生相干高功率輻射(圖4)，此方法可適用于高功率、小型化太赫茲輻射源和切倫科夫輻射粒子探測器和發(fā)射器。本發(fā)明提出了一種基于各向同性的雙負材料和大電流片狀電子注來產(chǎn)生高功率可調(diào)諧太赫茲輻射的新方法。


圖I是基于負折射率材料周期性光柵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生Smith-Purcell福射的示意圖(現(xiàn)有技術(shù))，其中20是Smith-Purcell福射源,22是帶電粒子源,24是帶電粒子束,26是兩種不同媒質(zhì)周期性柵格狀的分界面，28是負折射率材料，30是一種常規(guī)介質(zhì)材料，32是基于負折射率材料所產(chǎn)生的Smith-Purcell福射,33是基于常規(guī)介質(zhì)材料所產(chǎn)生的Smith-Purcell福射,34是負折射率材料光柵結(jié)構(gòu),36是由多個負折射率材料單元構(gòu)成的一種諧振結(jié)構(gòu)，38是開路環(huán)諧振器，40是金屬細線；圖2是雙負材料以及真空中時間平均坡印廷矢量方向的示意圖(現(xiàn)有技術(shù))；圖3是雙負材料和常規(guī)介質(zhì)材料情形下的表面波幅值大小比較的示意圖(現(xiàn)有技術(shù))；圖4是電子注的產(chǎn)生并與雙負材料相互作用，產(chǎn)生高功率輻射的示意圖，其中I為組成雙負材料的基本單元，2為由多個周期排列的基本單元構(gòu)成的各向同性雙負材料，3為電子注，4、5表示等離子激元的輻射方向，6表示反向切倫科夫輻射方向，7為電子槍；圖5(a)是金屬開路環(huán)諧振器(圖中的I)和金屬細線(圖中的2)固定于介質(zhì)基片(圖中的3)的兩側(cè)所形成的雙負材料単元結(jié)構(gòu)示意圖，圖5(b)是在ー個實心長方體的聚酰亞胺材料上開孔后放入帶有金屬開路環(huán)諧振器和金屬細線的介質(zhì)基片所形成的各向同性雙負材料示意圖；圖6是片狀電子注通過雙負材料區(qū)域(2區(qū))上方的真空區(qū)域(I區(qū))產(chǎn)生太赫茲輻射的物理模型；圖7(a)是相對磁導(dǎo)率與相對介電常數(shù)隨頻率的變化關(guān)系圖，圖7(b)是在開路環(huán)諧振器取三種不同填充因子Ftl的情形下，X = -d/2處時間平均坡印廷矢量的幅度和反向切倫科夫輻射能量隨頻率的變化關(guān)系圖。所采用的參數(shù)為電子等離子體頻率《p =2 Ji X 3. 5 X 1012rad/s，磁諧振頻率co Q = 2 Ji X I X 1012rad/s，代表材料電磁損耗(為了分析的方便，假定磁損耗Ym等于電損耗Ye)的碰撞頻率Ye= Ym = Y = 5X 10lclrad/s,片狀 電子注參數(shù) X。= I u m, y0 = 5 u m, z0 = 10 u m, N = 5X IO9, u = 0. lc, d = 50 y m,注諧振頻率在任何需要的太赫茲頻段內(nèi)進行控制，c為真空中的光速；圖8(a)是相對磁導(dǎo)率與相對介電常數(shù)隨雙負材料損耗的變化關(guān)系圖，圖8(b)是在X =-d/2處，時間平均坡印廷矢量的幅度和反向切倫科夫輻射能量隨Y的變化關(guān)系圖(其中 W。= 231 XlX1012rad/s, wp = 2 n X 3. 5X1012rad/s, y e = 5 X 1010rad/s，片狀電子注參數(shù) x0 = I u m, y0 = 5 u m, z0 = 10 u m, N = 5 X IO9, u = 0. lc, d = 50 u m)；圖9(a)是片狀電子注的電子數(shù)對真空中的時間平均坡印廷矢量的幅度和雙負材料中的反向切倫科夫福射能量的影響(其中Wci = 2 31 X IX 1012rad/s, wp =2 X3. 5X 1012rad/s, y e = Ym= y = 5X 1010rad/s,片狀電子注參數(shù) xQ = I u m, y0 =5 u m, z0 = 10 u m, u = 0. lc, d = 50 ii m),圖9 (b)是片狀電子注橫截面尺寸yQ對真空中的時間平均坡印廷矢量的幅度和雙負材料中的反向切倫科夫輻射能量的影響(其中《0 =2 31 XlX1012rad/s, w p = 2 n X 3. 5 X 1012rad/s，y e = ym = y = 5X 10lclrad/s，片狀電子注參數(shù) x。= I u m, z0 = 10 u m, N = 5 X IO9, u = 0. lc, d = 50 u m)；圖10是片狀電子注與雙負材料分界面之間的距離d對真空中的時間平均坡印廷矢量的幅度和雙負材料中的反向切倫科夫輻射能量的影響(其中Wtl = 2 31 X I X 1012rad/s，wp = 23iX3. 5X 1012rad/s, y e = Ym= y = 5 X 101Qrad/s,片狀電子注參數(shù)為 x0 =I U m, y0 = 5 u m, z0 = 10 u m, N = 5 X IO9, u = 0. lc)；
具體實施例方式采用ー種雙負材料的具體結(jié)構(gòu)如圖5所示；在高頻率、小型化的條件下，采用片狀電子注能夠提供大電流。通過改變雙負材料參數(shù)和片狀電子注參數(shù)來大大增強真空中的表面等離子激元幅度(可以通過時間平均坡印廷矢量幅度|<す>|來表征)和雙負材料中的反向切倫科夫輻射能量。片狀電子注可由片狀電子槍產(chǎn)生，片狀電子注在周期聚焦磁場作用下能穩(wěn)定傳輸。下面采用圖6所示的物理模型，我們分別列舉5個主要的方法來大大增強表面等離子激元幅度和反向切倫科夫輻射能量。前兩個方法是通過改變雙負材料參數(shù)來實現(xiàn)，后三個方法是通過改變片狀電子注參數(shù)來實現(xiàn)。1.提1 填充因子
在片狀電子注參數(shù)X。= I u m, y0 = 5 U m, Z0 = 10 U m, N = 5X IO9, u = 0. Ic (c為真空中的光速)和d = 50 y m保持不變的前提下，對于以下給定的雙負材料參數(shù)電子等離子體頻率《p = 23iX3.5X 1012rad/s,磁諧振頻率co。= 2 n X I X 1012rad/s,代表材料電磁損耗(為了分析的方便，假定磁損耗Ym等于電損耗Ye)的碰撞頻率Ye= Ym= Y= 5X101(lrad/S，通過改變雙負材料的金屬開路環(huán)諧振器尺寸可以改變其磁諧振強度，如圖7(a)所示。真空區(qū)域中的時間平均坡印廷矢量幅度和雙負材料中的反向切倫科夫輻射能量隨著填充因子Ftl(介于0到I之間)的增加而増大，如圖7(b)所示。
2.減小損耗在片狀電子注參數(shù)為X。= I u m, y0 = 5 U m, Z0 = 10 U m, N = 5X IO9, u = 0. Ic和d = 50 ii m保持不變的前提下,對于以下給定的雙負材料參數(shù)= 2 X I X 1012rad/s, wp = 2 X3. 5X 1012rad/s, Y e = 5X 101Qrad/s,通過選用不同介質(zhì)材料和金屬材料改變雙負材料的磁損耗Ym，可以改變其磁諧振性能，如圖8(a)所示。當(dāng)Y減小時，真空區(qū)域中的時間平均坡印廷矢量和雙負材料中的反向切倫科夫輻射能量隨之増大，如圖8(b)所
/Jn o3.增加電子注的電子數(shù)在雙負材料參數(shù)=2JI XlX1012rad/s，Wp = 2 31 X3. 5X1012rad/s，y e =Ym=Y = 5X 10lclrad/s不變的前提下,對于以下給定的片狀電子注參數(shù)X。= I ii m,yQ =5 u m, z0 = 10 u m, u = () Ic和d = 50 y m,通過改變片狀電子注的電子數(shù)目N,從而改變福射性能。值得注意的是，必須保證電子注的尺寸小于反向切倫科夫輻射的波長。當(dāng)N増加時，真空區(qū)域中的時間平均坡印廷矢量幅值和雙負材料中的反向切倫科夫輻射能量隨之明顯增強，并且反向切倫科夫輻射能量會隨N的増大而產(chǎn)生平方數(shù)量級的增加，如圖9(a)所
/Jn o4.增大片狀電子注的橫向尺寸在雙負材料參數(shù)《。=2JI XlX1012rad/s，Op = 2 31 X3. 5X1012rad/s，Ye = ym=Y =5X101(lrad/S不變，且片狀電子注電流密度保持恒定的前提下，對于以下片狀電子注參數(shù)xQ = I U m, z0 = 10 u m, N = 5X IO9, u = 0. Ic 和 d = 50 y m,通過改變電子注橫向尺寸I0來改變福射性能。例如當(dāng)y0增加10倍時,真空區(qū)域當(dāng)中的時間平均坡印廷矢量幅值和雙負材料中的反向切倫科夫輻射能量分別增大大約10倍和100倍，如圖9(b)所示。5.盡量讓片狀電子注貼近雙負材料運動在雙負材料參數(shù)《。=2JI XlX1012rad/s，Op = 2 31 X3. 5X1012rad/s，Ye = ym=Y = 5X 10lclrad/s不變的前提下,對于以下片狀電子注參數(shù)X。= I ii m, yQ = 5 ii m, z。=IOum, N = 5X109和u=0. lc，通過改變片狀電子注與雙負材料和真空之間分界面的距離山可以改變輻射性能。當(dāng)d減小時，真空中的時間平均坡印廷矢量幅值增強，同時雙負材料中的反向切倫科夫輻射能量亦隨之大大增強，如圖10所示。通過進ー步對比分析發(fā)現(xiàn)，采用雙負材料代替常規(guī)介質(zhì)材料并增加片狀電子注的電子數(shù)目N是大大增強真空中的表面等離子激元幅度和雙負材料中的反向切倫科夫輻射能量最為有效的手段，基于此方法可研制出小型化、高功率太赫茲輻射源和切倫科夫粒子探測器和發(fā)射器。
權(quán)利要求
1.一種基于雙負材料產(chǎn)生高功率輻射的實現(xiàn)方法，其特征在于，使電子注的電子以某一平均速度在靠近雙負材料與真空的分界面處的真空區(qū)域中運動，從而產(chǎn)生相干的高功率輻射。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于雙負材料產(chǎn)生高功率輻射的實現(xiàn)方法，其特征在于，所述某一平均速度大于在雙負材料中的電磁波相速。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于雙負材料產(chǎn)生高功率輻射的實現(xiàn)方法，其特征在于，所述電子注為圓柱形電子注、片狀電子注或橢圓形電子注。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于雙負材料產(chǎn)生高功率輻射的實現(xiàn)方法，其特征在于，通過調(diào)控雙負材料參數(shù)和改變電子注參數(shù)來大大增強表面等離子激元幅度和反向切倫科夫福射能量。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于雙負材料產(chǎn)生高功率輻射的實現(xiàn)方法，其特征在于，所述調(diào)控雙負材料參數(shù)分為提高填充因子和減小損耗兩種方式，其中，提高填充因子的方法為通過改變雙負材料的金屬開路環(huán)諧振器尺寸來改變其磁諧振強度，減小損耗的方法為通過選用不同介質(zhì)材料和金屬材料改變雙負材料的磁損耗，從而改變其磁諧振性能。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于雙負材料產(chǎn)生高功率輻射的實現(xiàn)方法，其特征在于，所述改變電子注參數(shù)分為增加電子注的電子數(shù)，增大電子注的橫向尺寸，讓電子注貼近雙負材料運動三種方式。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于雙負材料產(chǎn)生高功率輻射的實現(xiàn)方法，其特征在于，改變電子注參數(shù)時必須保證電子注的尺寸小于反向切倫科夫輻射的波長。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于雙負材料產(chǎn)生高功率輻射的實現(xiàn)方法，其特征在于，所述雙負材料為由金屬開路環(huán)諧振器、對稱環(huán)、嵌套環(huán)、S形諧振環(huán)或Ω環(huán)諧振結(jié)構(gòu)和金屬細線固定于介質(zhì)基片上，組合形成一個單元，將多個這種單元結(jié)構(gòu)分別沿著空間直角坐標(biāo)系的三維方向周期性排列，構(gòu)成一種各向同性的雙負人工電磁材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于雙負材料產(chǎn)生高功率輻射的實現(xiàn)方法，使電子注的電子以大于在雙負材料中的電磁波相速的某一平均速度在靠近雙負材料與真空的分界面處的真空區(qū)域中運動，從而產(chǎn)生相干的高功率輻射。此方法可適用于高功率、小型化太赫茲輻射源和切倫科夫粒子探測器和發(fā)射器。
文檔編號H01S1/02GK102623873SQ201210108030
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月13日
發(fā)明者宮玉彬, 段兆云, 郭晨, 郭鑫, 陳敏 申請人:電子科技大學(xué)