一种基于双负材料产生高功率辐射的实现方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双负材料产生高功率辐射的实现方法，使电子注的电子以大于在双负材料中的电磁波相速的某一平均速度在靠近双负材料与真空的分界面处的真空区域中运动，从而产生相干的高功率辐射。此方法可适用于高功率、小型化太赫兹辐射源和切伦科夫粒子探测器和发射器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高频率、高功率、小型化真空电子器件领域，主要应用于基于反向切伦科夫辐射效应的高功率、小型化太赫兹辐射源及切伦科夫粒子探测器和发射器。
技术介绍
太赫兹辐射广义上是指频率在O. I-IOTHz，狭义指频率在O. 3_3THz的相干电磁辐射，其频率介于微波的短波段和远红外线的长波段之间。太赫兹科学技术在世界范围内引起了一场广泛的研究热潮，这是因为太赫兹电磁波具有许多新颖的电磁特性和潜在的应用价值首先，太赫兹辐射比红外线与可见光具有更强的穿透性，能够以很小衰减穿透布料、塑料等，可应用于安全监控、雷达与通信方面；其次，太赫兹辐射的光子能量远低于X射线， 因此不会对生物体组织与DNA分子造成很大破坏，可以应用在DNA探测、遗传分析、断层成像等生物医学方面；再次，太赫兹频谱可以携带化合物的诸多信息，包括生物化学成分、频谱特性等，在生物化学或其他领域发挥着极其重要的作用。然而高功率太赫兹辐射源的缺乏阻碍了太赫兹科学技术在以上诸多应用方面的实现。超常材料(Metamaterials)是人工设计的具有自然材料所不具备超常物理性质的复合材料。双负材料(Double-Negative Metamaterials)是超常材料中的一种,其等效介电常数和磁导率的实部均为负，它具有一些不同寻常的电磁特性，例如负的折射率、反向切伦科夫辐射、反向多普勒效应、反折射定律等。由于其潜在的理论价值和广泛的应用前景，双负材料的实现被美国《科学》杂志评为2003年度十大科技突破之一。2006年利用超常材料制成的“隐身衣”被美国《科学》杂志再度评为当年十大科技突破之一。2010年美国《科学》杂志将超常材料评为过去十年科学界“十大卓见”之一。MIT 的 J. Lu 等人发表的文章《Cerenkov radiation in materials with negativepermittivity and permeability)) (Opt. Express, 11, 723, 2003)介绍了单个带电粒子通过无限大各向同性双负材料所产生的反向切伦科夫辐射效应，作者对材料在有损耗和色散条件下的反向切伦科夫福射分别作了详尽的研究；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)中从理论上研究了电子束团通过各向同性双负材料上方的切伦科夫辐射，结果表明了在各向同性双负材料中的切伦科夫辐射具有“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)中从理论上分析了单个带电粒子穿过双负材料边界运动所产生的反向切伦科夫辐射以及跃迁福身寸；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)等中详细研究了在圆波导中全部或 部分填充双负材料的情形下的反向切伦科夫辐射以及提高辐射强度的有效方法。这种新型的电磁辐射在切伦科夫粒子探测器和发射器及高频率、高功率电磁福射源方面有着潜在的应用价值；在D. L. Barker等人的美国专利《Smith-Purce 11radiation source using negative-index metamaterial)) (7, 397,055B2 7/2008)中，作者提出一种由负折射率材料(Negative Index Metamaterials)构成的周期性光栅结构(图I)，当电子注靠近光栅表面运动时产生了比在常规金属光栅情形下更强的Smith-Purcell电磁福射；在Ζ· Y. Duan等人最新发表的论文《Novel electromagnetic radiation in asemi-infinite space filled with adoub I e-negative metamaterial)) (Phys. Plasmas,19,013112,2012)中，作者论证了单个带电粒子在靠近各向同性双负材料与真空的分界面处的真空区域中运动时，在双负材料中出现反向切伦科夫辐射(图2)，并且在真空区域中的表面等离子激元幅度相对于常规介质材料的情形有明显增强(图3)，并于2011年5月27日申请了中国专利技术专利(申请号201110139754. 1，名称一种各向同性的双负人工材料，专利技术人段兆云、郭晨、唐涛，目前正在受理中)。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供，实现在高频率情形下，大大提高电子注的电流，从而大大增强辐射强度。本专利技术所采用的技术方案为，使电子注的电子以某一平均速度在靠近双负材料与真空的分界面处的真空区域中运动，从而产生相干的高功率辐射。进一步地，所述某一平均速度大于在双负材料中的电磁波的相速。进一步地，所述电子注为圆柱形电子注、片状电子注或椭圆形电子注，其注尺寸小于工作波长。进一步地，通过调控双负材料参数和改变电子注参数来大大增强表面等离子激元幅度和反向切伦科夫辐射能量。所述调控双负材料参数分为提高填充因子和减小损耗两种方式，其中，提高填充因子的方法为通过改变双负材料的金属开路环谐振器尺寸来改变其磁谐振强度，减小损耗的方法为通过选用不同介质材料和金属材料改变双负材料的磁损耗Ym，从而改变其磁谐振性能。所述改变电子注参数分为增加电子注的电子数，增大片状电子注的横向尺寸，让电子注贴近双负材料运动三种方式。改变电子注参数时必须保证电子注的尺寸小于反向切伦科夫辐射的波长。进一步地，所述双负材料为由金属开路环谐振器、对称环、嵌套环、S形谐振环或Ω环谐振结构和金属细线固定于介质基片上，组合形成一个单元，将多个这种单元结构分别沿着空间直角坐标系的三维方向周期性排列，构成一种各向同性的双负人工电磁材料。根据反向切伦科夫辐射的物理机理，电子注的电子以大于在双负材料中的电磁波相速的某一平均速度在靠近双负材料与真空的分界面处的真空区域中运动，并与双负材料相互作用，从而产生高功率反向切伦科夫辐射(辐射方向如图4中的6)，同时在真空中由于不满足切伦科夫辐射条件，产生了一种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：段兆云，郭鑫，郭晨，宫玉彬，陈敏，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：