太赫兹反射速调管及微米太赫兹反射速调管阵列

摘要

本发明涉及一种太赫兹反射速调管，包括一电子发射单元、一谐振单元、一输出单元，所述电子发射单元用于发射电子；所述谐振单元包括一谐振腔体，该谐振腔体与所述电子发射单元相通，该电子发射单元发射的电子进入所述谐振腔体，所述谐振腔体与所述电子发射单元相对的另一腔体壁具有一耦合输出孔，所述输出单元通过所述耦合输出孔与所述谐振单元相通，所述谐振单元中产生的太赫兹波通过所述耦合输出孔传输到所述输出单元。本发明进一步涉及一种微米太赫兹反射速调管阵列。

说明书

技术领域

本发明涉及一种太赫兹反射速调管及一种微米太赫兹反射速调管阵列。

背景技术

一般而言，太赫兹波是指频率从0.3THz-3THz或者0.1THz-10THz范围的电磁波。太赫兹波的波段处于红外波段与毫米波段之间，具有优异的特性，比如：太赫兹波具有一定的穿透能力，且光子能量小，不会对物体造成损坏；同时很多材料对太赫兹波具有一定的吸收作用。因而，对太赫兹波的研究具有重要的意义。

反射速调管是一种电磁波输出的器件。为了扩大能产生太赫兹波信号的反射速调管的实际应用范围，需要调整这种反射式速调管的结构尺寸。然而，现有的太赫兹反射速调管由于耦合输出孔设置于谐振腔体的腔体侧壁上，故输出单元也设置于腔体侧壁，从而使该太赫兹反射速调管很难达到较小的横向结构尺寸，且难以集成阵列。

发明内容

因此，确有必要提供一种横向结构尺寸较小且容易集成阵列的太赫兹反射速调管及应用该太赫兹反射速调管形成的微米反射速调管阵列。

一种太赫兹反射速调管，包括一电子发射单元、一谐振单元、一输出单元，所述电子发射单元用于发射电子；所述谐振单元包括一谐振腔体，该谐振腔体与所述电子发射单元相通，该电子发射单元发射的电子进入所述谐振腔体，所述谐振腔体与所述电子发射单元相对的另一腔体壁具有一耦合输出孔，所述输出单元通过所述耦合输出孔与所述谐振单元相通，所述谐振单元中产生的太赫兹波通过所述耦合输出孔传输到所述输出单元。

一种微米太赫兹反射速调管阵列，包括基板、多个反射速调管、多根行线及多根列线，所述多根行线平行间隔设置于所述基板，所述多根列线平行间隔且垂直多根行线设置，所述多根行线与多根列线相交处电绝缘，每相邻两根行线与相邻两根列线定义一格子单元，每一格子单元至少设置一反射速调管，该反射速调管阵列每一行所述反射速调管与同一根行线电连接，每一列所述反射速调管与同一根列线电连接，该反射速调管包括一电子发射单元、一谐振单元、一输出单元，所述电子发射单元用于发射电子；所述谐振单元包括一谐振腔体，该谐振腔体与所述电子发射单元相通，该电子发射单元发射的电子进入所述谐振腔体，所述谐振腔体与所述电子发射单元相对的另一腔体壁具有一耦合输出孔，所述输出单元通过所述耦合输出孔与所述谐振单元相通，所述谐振单元中产生的太赫兹波通过所述耦合输出孔传输到所述输出单元。

与现有技术相比，本发明提供的太赫兹反射速调管及微米太赫兹反射速调管阵列通过将输出单元设置于谐振单元与电子发射单元相对的另一腔体壁，输出单元通过耦合输出孔与谐振腔体相通，不仅使该太赫兹反射速调管横向结构尺寸减小，而且该太赫兹反射速调管容易集成阵列，该集成的太赫兹反射速调管阵列的横向结构尺寸也减小。

附图说明

图1为本发明第一实施例所提供的太赫兹反射速调管的剖面结构示意图。

图2为本发明第一实施例太赫兹反射速调管中电子发射单元的结构示意图。

图3为图2电子发射单元中的电子发射体采用的碳纳米管线状结构的扫描电镜照片。

图4为图2电子发射单元中引出栅的结构示意图。

图5为本发明第二实施例微米太赫兹反射速调管阵列的俯视结构示意图。

主要元件符号说明

反射速调管10，240电子发射单元11输出单元14谐振单元12基板110,210阴极层111电子注入层113绝缘层116电子发射孔道1130引出栅115电子发射体114子电子发射体1140第一端11401第二端11402碳纳米管层24介质层23栅孔28空隙25空腔121凹部122耦合输出孔123第一栅网124第二栅网125绝缘支撑体126反射层127腔体壁128输出波导140吸气剂141透镜142反射速调管阵列20行线220列线230

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图1，本发明提供一种太赫兹反射速调管10，该太赫兹反射速调管10包括一电子发射单元11、一谐振单元12、一输出单元14。所述电子发射单元11用于发射电子；所述谐振单元12包括一谐振腔体120，该谐振腔体120与所述电子发射单元11相通，该电子发射单元11发射的电子进入所述谐振腔体120，所述谐振腔体120与所述电子发射单元11相对的一腔体壁128具有一耦合输出孔123，所述输出单元14通过所述耦合输出孔123与所述谐振单元12相通，所述谐振单元12中产生的太赫兹波通过所述耦合输出孔123传输到所述输出单元14，从而输出到负载。

所述电子发射单元11包括一基板110、一阴极层111、一电子注入层113、一引出栅115。请参阅图2，所述基板110具有一表面，所述阴极层111设置于所述基板110的表面，所述电子注入层113设置于所述阴极层111远离所述基板110的表面。所述电子注入层1113具有一垂直贯穿上下表面的电子发射孔道1130，所述阴极层111部分表面通过该电子发射孔道1130暴露，所述电子发射孔道1130中设有电子发射体114，且该电子发射体114与所述暴露的阴极层111电连接。所述引出栅115设置于所述电子注入层113远离所述阴极层111的表面，且至少覆盖所述电子发射孔道1130，所述引出栅115与所述电子发射体114间隔一段距离。

所述基板110可以为硅、玻璃、陶瓷等绝缘材料，所述基板110的形状与厚度不限，可以根据实际需要选择。本实施例中，所述基板110为一圆形玻璃板。

所述阴极层111为一导电层，其材料可以为纯金属、合金、半导体、氧化铟锡或导电浆料等，且其厚度和大小可以根据实际需要选择。可以理解，当基板110为硅片时，该阴极111可以为一硅掺杂层。本实施例中，所述阴极111为一厚度为20微米的铝膜，该铝膜通过磁控溅射法沉积于基板110的表面。

所述电子发射孔道1130具有预定倾斜度的倾斜侧壁，该电子发射孔道1130的孔径随着远离阴极层111的方向逐渐变窄，所述电子发射孔道1130的侧壁的表面可以为平面、凹面或凸面。所述电子注入层113可以为一具有电子发射孔道1130的层状结构，也可以为多个相隔一定距离设置的条状结构，且所述相隔一定距离设置的条状结构之间的间隔即为所述电子发射孔道1130。本实施例中，所述电子发射孔道1130呈现倒漏斗的形状，对电子发射体所发射的电子束具有一定的聚焦作用，进一步提高了电子发射体的电流发射密度。

所述电子发射孔道1130内设有电子发射体114，该电子发射体114包括多个子电子发射体1140，每一个子电子发射体1140包括第一端11401和与该第一端11402相对的第二端11402，所述第一端11401即为电子发射端。每一个子电子发射体1140的第二端11402电连接于所述阴极层111暴露处。优选地，所述每个子电子发射体1140远离阴极层111的第一端11401位于电子注入层113的电子发射孔道1130内。

所述电子发射体114的整体形状与所述电子发射孔道1130侧壁的形状一致。也就是说，每一个子电子发射体1140的第一端11401的连线与所述电子发射孔道1130侧壁的形状一致或吻合，即，所述子电子发射体1140的第一端11401至所述电子发射孔道1130的侧壁的最短距离基本一致。具体地，所述电子发射体114为山丘状，中间高，周围低。可以理解，所述电子发射体114不限于上述结构，如图3所示，所述电子发射体114也可以为一碳纳米管线状结构，该碳纳米管线状结构为多个碳纳米管线相互扭转而成的绞线结构，或者由多个碳纳米管线并排组成的一束状结构。

所述电子注入层113为硅、铬等导电材料时，所述电子注入层113与所述阴极111电绝缘，所述电子发射孔道1130的侧壁及所述电子注入层与所述阴极之间均设有一绝缘层116，所述电子发射孔道1130的侧壁的绝缘层表面涂覆有次级电子倍增材料，该次级电子倍增材料可以由氧化物形成，例如氧化镁、氧化铍等，也可以由金刚石等形成。所述电子注入层也可以为玻璃、陶瓷等绝缘材料，此时所述电子发射孔道1130的侧壁直接涂覆所述次级电子倍增材料。当所述电子发射体114发射的电子碰撞到所述电子发射孔道1130的侧壁时，次级电子倍增材料使电子数量倍增，最终提高电流发射密度。本实施例中，所述电子注入层113为硅，所述电子注入层113与所述阴极111之间和电子发射孔道1130的侧壁均设有一绝缘层116。

所述子电子发射体1140可以为碳纳米管、纳米碳纤维、硅纳米线或硅尖等任何可以发射电子的结构。进一步，所述子电子发射体1140的表面可以设置一层抗离子轰击材料，该抗离子轰击材料可以为碳化铪、碳化锆等中的一种或几种。

所述引出栅115用于引出所述电子发射体114发射的电子，所述引出栅115为碳纳米管复合层、碳纳米管层、石墨烯层，该石墨烯层的电子透过率达到98%。请参阅图4，所述引出栅115为碳纳米管复合层，至少，所述引出栅115与所述电子发射体115正对的部分为碳纳米管复合层。该碳纳米管复合层是由多个碳纳米管构成的碳纳米管层24和包覆于该碳纳米管层的介质层23形成的一网状结构体，即，所述碳纳米管复合层在厚度方向上具有多个贯穿的孔，即为栅孔28。所述栅孔28在所述引出栅115中均匀分布。所述栅孔28的尺寸为1纳米~200微米。优选地，所述栅孔28的尺寸为1纳米~10微米，这有利于进一步提高所述引出栅115的栅孔28内外的空间电场均匀性，从而进一步改善电子发射单元11发射电子的速度的均匀性。

所述碳纳米管层24具有多个空隙25，该多个空隙25从所述碳纳米管层24的厚度方向贯穿所述碳纳米管层24。所述空隙25可以为多个相邻的碳纳米管围成的微孔或者沿碳纳米管轴向延伸方向延伸呈条形的相邻碳纳米管之间的间隙。所述空隙25的尺寸为10纳米~300微米。可以理解，所述碳纳米管层24也可以为多个平行设置的碳纳米管线，相邻两个碳纳米管线之间的空间构成所述碳纳米管层24的空隙25。

所述碳纳米管层24中有部分碳纳米管相互交叉或重叠时，相互交叉或重叠在一起的碳纳米管表面的介质层23连成一体，进一步将该相邻的碳纳米管固定在一起，从而可提高整个引出栅115的结构稳定性，使得碳纳米管层24不易脱落。

所述介质层23包括多个纳米颗粒。所述介质层23包覆于该碳纳米管层24的表面，具体地，所述介质层23包覆于所述碳纳米管层24中碳纳米管的表面，至少使所述碳纳米管层24中被所述电子发射体114发射的电子直接轰击到的碳纳米管的表面被介质层23包覆。优选地，所述介质层23包覆于所述碳纳米管层24的整个表面。由于所述介质层23厚度较薄，仍具有导电性，以使发射的电子不会在介质层23累积，有效地避免了电弧放电，从而保护了所述引出栅114。

所述介质层23的材料为具有一定化学稳定性的材料，为类金刚石、硅、碳化硅、二氧化硅、氮化硼、氧化铝以及氮化硅等中的一种或多种。所述介质层23的厚度为1纳米~100微米，优选地，厚度为5纳米~100纳米。

所述电子发射单元11进一步包括一电阻层(图未示)。该电阻层设置于所述电子发射体114与阴极层112之间，并与所述电子发射体114接触设置。所述电阻层的材料为镍、铜、钴等金属合金，掺杂磷等元素的金属合金，金属氧化物，无机化合物等，只要所述电阻层的电阻大于10GΩ，保证通过所述阴极层111加载于所述电子发射体114上的电流均匀，从而可以实现所述电子发射体具有均匀的发射电流密度，电子发射性能稳定。

所述谐振单元12包括一谐振腔体120，该谐振腔体120设置于所述电子注入层113远离阴极层112的表面，所述谐振腔体120具有一空腔121、一凹部122、一腔体壁128，该空腔121与所述电子发射孔道1130相通，所述凹部122与所述空腔121相通；所述谐振腔体120与所述电子发射孔道1130相对的腔体壁128设有一耦合输出孔123，所述空腔121通过所述耦合输出孔123与所述输出单元14相通。

所述谐振腔体120为硅、铬等导电材料，其横向尺寸为几十微米到几百微米，其形状可以根据实际需要选择，当谐振腔体的特征尺寸不同时，相应的谐振频率也会不同，优选的，所述谐振腔体120的特征尺寸为70微米～300微米。所述谐振腔体120内壁上均涂覆有高电导率的金属材料，如铜、铝等金属材料，用于阻止谐振腔体120内产生的太赫兹波透射出去。本实施例中，所述谐振腔体120为一中空圆柱体结构，该圆柱体结构直径为300微米，相应的输出频率为0.8THz。

所述空腔121内部设有一第一栅网124，该第一栅网124通过绝缘支撑体126支撑，且所述第一栅网124的至少部分表面与所述覆盖电子发射孔道1130的引出栅114相对且间隔设置，所述绝缘支撑体126设置于所述空腔121内靠近所述电子注入层113的一侧，且位于所述电子发射孔道1130边缘处。该绝缘支撑体126的形状、大小及数量可以根据实际需要选择，只要能够支撑所述第一栅网124且使该第一栅网124至少部分表面平行且间隔设置于所述引出栅114正上方即可。

所述凹部122具有一底面、一侧面及一开口。所述凹部122与所述空腔121相通处设有一第二栅网125。也就是说，所述凹部122的开口处设有一第二栅网125，且覆盖所述凹部122的开口。该第二栅网125与所述第一栅网124相对且间隔设置。所述凹部122的底面设置一反射层127，且与所述第二栅网125相对。该反射层可以为一平面、凸面等。所述反射层127用来反射电子，同时可在该反射层127施加一定的电压，而与所述阴极层112形成一电场，以使发射出的电子减速向反射层127运动。

所述谐振腔体120远离所述电子注入层113的腔体壁128上设有一耦合输出孔123，该耦合输出孔123与所述空腔121相通，所述空腔121内产生的太赫兹波通过该耦合输出孔123进入至所述输出单元14。所述耦合输出孔的位置、大小、数目根据实际所需耦合量来确定，优选地，所述耦合输出孔123设置于所述谐振腔体120内磁场极大值附近的腔体壁上。

所述耦合输出孔123的数量至少1个，当所述耦合输出孔123为多孔时，该多个耦合输出孔123可以围绕所述谐振腔120的中心轴对称排列、非对称排列、环形排列等，该耦合输出孔123的形状不限，如圆形、方形、椭圆形、扇形、多边形。本实施例中，所述耦合输出孔123为4个分段且对称设置的环形结构。

所述第一栅网124和第二栅网125结构可以与所述引出栅114结构相同，也可以不同。第一栅网124和第二栅网125具有多个微孔，以便于通过所述引出栅114的电子由多个微孔穿过。所述第一栅网124的微孔与第二栅网125的微孔基本相对应设置。所述微孔的尺寸为1纳米至500微米。所述第一栅网124和第二栅网125的厚度大于等于10微米，优选地，第一栅网124和第二栅网125的厚度为30微米至60微米，以使得该第一栅网124及第二栅网125具有一定的机械强度，从而提高所述反射速调管10的使用寿命。

本实施例中，所述第一栅网124和第二栅网125均采用两个交叉设置的碳纳米管膜。所述第一栅网124中的微孔和第二栅网125中的微孔的大小相同，均为10微米至100微米,因而降低了第一栅网124及第二栅网125对电子的截获率，并且由于碳纳米管膜具有较好的力学性能，因而第一栅网124及第二栅网125具有较好的机械强度。另外，由于碳纳米管膜的导电性能优异，当在该碳纳米管膜分别作为第一栅网124及第二栅网125施加较小的电压时，就可实现较好的电子群聚效果。

所述输出单元14设置于所述谐振腔体120且与所述电子注入层113相对的一表面。所述输出单元14通过所述耦合输出孔123与所述空腔121相通。所述输出单元14包括一输出波导140，该输出波导140使太赫兹波实现定向输出，其形状不限于中空圆柱形，可根据实际情况设置。

所述输出单元14进一步包括一吸气剂141和一透镜142，所述吸气剂141设置于输出波导140侧壁靠近所述耦合输出孔123处，也可以设置于所述基板远离阴极层111的一侧，用于减少电磁波输出过程中空气对其能量的副作用，该吸气剂可以为锆铝、锆钒铁或锆石墨等。所述透镜142设置于所述输出波导140的输出端，用于改善所述谐振腔体120输出的太赫兹波的聚焦和准直特性。

本实施例所提供的太赫兹反射速调管10输出单元的位置设置不仅使所述太赫兹反射速调管10的横向结构尺寸减小，而且使该太赫兹反射速调管易于集成阵列。该太赫兹反射速调管10中所述电子发射体115发射出电子，由于装置内的压强小于100帕，且，电子发射体中每一个子电子发射体远离阴极的一端至电子注入基板通孔的侧壁的最短距离基本一致，使得每一个子电子发射体具有大致相等的场强，因而电子在所述第一栅网124以及第二栅网125的作用下加速形成具有足够电流密度的电子注，并依次穿过所述第一栅网124与第二栅网125之间的空腔，此时电子注受到谐振腔体的微波电场的速度调制，然后进入所述第二栅网125与所述反射层127形成的减速电场（反射层127的电位负于所述阴极111)。在减速电场作用下，所有电子都将被反射回来。此时受到速度调制的电子注，在减速电场内返转运动过程中受到密度调制。该经过密度调制后的电子注再次穿过谐振腔体时在谐振腔体内与耦合输出孔附近的微波场交换能量，电子注把动能交给微波场，完成放大或振荡的功能，最后经耦合输出孔进入输出单元输出。

请参阅图5，本发明第二实施例提供一种微米太赫兹反射速调管阵列20，该微米太赫兹反射速调管阵列20包括一基板210、多根行线220、多根列线230、多个太赫兹反射速调管240。该多个太赫兹反射速调管240结构与本发明第一实施例中的太赫兹反射速调管10结构基本一致，在此不一一叙述。

所述基板210的形状不限，优选地，所述基板210为一长条状长方体。基板210的材料为玻璃、陶瓷、二氧化硅等绝缘材料。本实施例中，所述基板210优选为一陶瓷板。

所述多根行线220平行间隔铺设于所述基板110，所述多根列线230平行间隔且垂直多根行线220设置，所述多根行线220与多根列线230相交处电绝缘，每相邻两根行线与相邻两根列线定义一格子单元，每一格子单元至少设置一太赫兹反射速调管240，所述每一太赫兹反射速调管240的阴极与引出栅114分别连接于行线和列线。优选的，所述太赫兹反射速调管阵列中每一行太赫兹反射速调管240与同一根行线220电连接，每一列太赫兹反射速调管240与同一根列线230电连接。当所述太赫兹反射速调管阵列20中的某一太赫兹反射速调管240所在的行线和列线通电之后，该太赫兹反射速调管240中的电子发射体114发射电子。

所述太赫兹反射速调管阵列20中多个反射速调管240排列方式不限于矩阵状，也可以为六角形排列，在此不一一列举，根据需要自行设置。本实施例中，所述反射速调管240以矩阵状排列垂直设置于基板210，所述反射速调管240数量为16个。

本发明实施例所提供的太赫兹反射速调管10由于输出单元设置于所述谐振单元与电子发射单元相对的另一表面，且通过耦合输出孔与所述谐振单元连通，所以容易集成阵列。所述微米太赫兹反射速调管阵列20包括多个太赫兹反射速调管240，能够提高耦合输出效率；其次，所述单个太赫兹反射速调管240的横向结构尺寸减小，从而微米太赫兹反射速调管阵列20的横向结构尺寸、体积也减小；另外，如果该微米太赫兹反射速调管阵列20中的某一太赫兹反射速调管不能动作，可仅将个别坏掉的太赫兹反射速调管换掉即可，因此该微米太赫兹反射速调管阵列具有易于维修的优点。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。