太赫兹真空器件的重要组成部件

太赫兹波处于电磁波谱中电子学与光子学之间的空隙区域，具有不同于低频微波和高频光学的独特属性，在无线通信、生物医学、公共安全等军事和民用领域具有广泛的应用前景。太赫兹技术重点是对太赫兹波的产生和传输进行研究，当前所面临问题是在不产生额外传输损耗下保证高效率传输太赫兹信号。太赫兹行波管输能窗是典型的结构功能一体化器件，主要起着行波管内外信号传递的作用，同时还要保证器件内部的真空度以及对太赫兹波表现出高度“透明”。

本文通过对近年来文献总结整理，综述了国内外太赫兹行波管的应用和研究进展，揭示了未来发展大功率、高效率和宽频带传输是实现太赫兹真空器件实际应用的重点，这将对输能窗材料本身以及超精密加工提出了巨大挑战。纵观近几年国内外输能窗材料的发展历程，笔者们认为，与传统输能窗材料相比，单晶金刚石强度高，导热好，微波损耗小，没有晶界，气密性好，是最理想的太赫兹行波管输能窗口材料，也是目前研究发展的主流趋势。

引  言

太赫兹(Terahertz, THz)的概念最早在 1974 年由 Fleming 提出。太赫兹波在电磁波谱中位于 0.1~10THz 区域内（波长为 3~30μm），其位置正好位于电磁谱中宏观电子学向微观光子学过渡区域（如图 1 所示），具有对非极性物质强穿透性、光子能量低、特征性等特殊的物理属性，在国防军工、生物医学、无线通信以及公共安全等方面有广泛的应用，引起了国内外学者的高度重视。

图 1 THz 频段的特殊位置以及该频段的应用

太赫兹技术是对太赫兹波的产生、传输和控制进行研究，其中包含太赫兹源和太赫兹检测。太赫兹源是产生太赫兹波的装置，主要有半导体太赫兹辐射源、光学太赫兹辐射源、真空电子太赫兹器件等。不同的太赫兹源装置所产生的太赫兹波方式不同，如半导体太赫兹源通过半导体中量子阱超晶格的电子能级跃迁产生太赫兹波，具有较小尺寸、宽的光谱覆盖范围和高输出功率等特点，但也存在光束质量差、宽带窄以及不能在室温下工作等缺点；光学太赫兹辐射源是将光学信号变频转换为太赫兹频段的技术，主要优点是通过光纤电缆可实现太赫兹信号的低损耗远距离传输，而转换效率低是目前所面临的难题；真空电子器件是利用在强磁场中运动的聚束电子发射太赫兹波，具有高输出功率以及宽调谐范围的优点，是国内外实验室中最常用、最重要的太赫兹源，也是未来研究重点。

太赫兹检测分为太赫兹光谱检测和直接检测两类，前者是对产生的脉冲信号进行检测，而后者是对辐射能量进行检测。太赫兹探测器的主要原理：被检测对象中的电子会吸收电磁波，引起电子分布状态的变化，捕获所产生的电信号，从而达到检测目的。太赫兹技术凭借着穿透性强、高输出功率、低光子能量、宽带宽、波束窄以及指纹谱峰等特性，能够在雷达通信、无损检测、安全检查、天文物理以及生物医学等领域广泛应用。如：太赫兹雷达与传统红外和激光雷达相比，具有更高的成像分辨率和时间检测精度，超宽带宽也能使隐形战机“显形”；同时，强穿透性可以保证在混乱战场上信息高效、稳定的传达；低光子能量可确保检测对象不受破坏，适用于无损检测和安检领域；利用对极性液体的高敏感度和大多数生物大分子形成相对应的“指纹峰”等优势，可确定不同生物组织的差异，从而进一步分析病理情况。但生物组织以及空气中的水分都会对太赫兹波传输造成很大影响，导致检测距离变短、成像模糊，对太赫兹技术应用有很大的约束。

随着太赫兹技术在各个领域快速发展，对太赫兹源提出了高功率、高效率传输要求。其中太赫兹真空电子器件在众多太赫兹源中凭借着高功率可调控优势脱颖而出，并成为目前研究主流。在今后，真空电子太赫兹器件会迈向小型化、高功率、低造价的应用，但该类器件会受到尺寸共渡效应等影响，在迈向更高频段过程中材料研制方面有着不小的阻碍。输能窗作为其中典型的结构功能一体化器件，其结构和尺寸会受到真空电子器件尺寸结构的约束，自身性能也会受到窗口材料和装配加工工艺等因素的制约。下一部分将对真空电子器件中输能窗进行详细介绍。

太赫兹真空器件的重要组成部件——输能窗

输能窗的作用及研制要求

太赫兹真空器件是通过真空中的电子束和电磁波的交互作用产生高频段的太赫兹波，此类器件的辐射功率可以做到毫瓦级到兆瓦级的全面覆盖。高转换效率和输出功率等特点，使得太赫兹真空器件在无损检测、远距离成像和通信领域有着很好的发展前景。但当前所面临的主要问题是如何设计出合适的太赫兹辐射源以及确保产生的太赫兹波能够高效率传输。如图 2 所示，行波管主要由电子枪、聚焦系统、输能装置、高频结构以及收集极组成，通过慢波电路使电子与微波场进行能量交换，实现对微波信号的放大。其中输能窗位于行波管中电磁波输入和输出位置，是行波管内部高度真空与管外大气之间的介质窗片，同时输能窗与慢波电路之间应具有良好的阻抗匹配，来减少由电磁波反射所引起的振荡情况。

图 2  行波管结构示意图以及输能窗所处位置

输能窗介质材料选取会对器件结构、功率容量和整管性能有很大的影响。如图 3 所示选用金刚石材料作为行波管输能窗，一方面金刚石介质材料具有良好的匹配性，能确保真空器件中振荡的电磁波低损耗进入慢波结构，与电子束相互作用后放大并输出太赫兹波；另一方面，它具备优异的密封性能，保证真空电子器件内部结构可靠性以及内部高度真空性。随着工作频率达到高频段的太赫兹频段，输出窗的特征尺寸变的很小，对输出窗材料本身、后续加工和装配是一个很大的挑战。由于输能窗所处的特殊位置以及在整个器件中的关键作用，为保证输能窗能更好的发挥应有的功能，所选介质材料必须具备有以下几点要求：

图 3  输能窗在行波管中的作用

1、高机械强度和良好的密封性：为保证太赫兹真空器件的真空度，输能窗必须具备很好的密封性，同时能够承担真空过程中的压强而不产生裂纹。

2、对太赫兹波段表现出高度“透明”：为提高太赫兹在通过输能窗的透射率并减少损耗，需要输能窗材料有低的介电常数，在工作频段有低的介电损耗，以此提升输能窗与各结构之间的阻抗匹配度，降低由于匹配不佳引起的电磁波反射所造成的行波管内出现的寄生振荡，保证传输过程中信号的高效传输。

3、具有高的热导率：输能窗要有良好的散热性，耐高温，能够很好的适应温度、冲击、压力等一些环境条件的变化。

典型输能窗的发展

随着太赫兹行波管的迅猛发展，对输能窗提出了高要求与迫切需求，首先输能窗材料选取方面是至关重要的一点。

目前常用的几种微波输能窗片有：

蓝宝石(单晶 Al2O3 )窗片：机械强度大，加工后表面结构均匀致密，不易产生熔融击穿效应，熔5/19点高工作温度高；制备成本较低，工艺较为成熟。Nayek 等在 2008 年采用蓝宝石作为 S波段微波窗口介质材料，平均功率达到 25 kW，同时蓝宝石的无缺陷表能够保证其具有高的抗弯强度。在 2020 年，徐望炬等研究发现，当工作频率达到 94 GHz 时，蓝宝石输出窗性能最好。同年，沈景轩等提出了一种基于超硬材料的 W 波段行波管窗口，是以蓝宝石作为电介质，两边由两片结构铜板组成的盒型窗，其工作频段能达到 94.95 GHz，测试得到驻波比(VSWR) 为 1.0029，以及 3 GHz 的带宽。之后在 2021 年提出一种在 Ka 波段下应用于行波管的低驻波比，宽带宽的超材料盒型窗。进行冷测发现，在 VSWR<1.2 下带宽达到 31.5 GHz，在 VSWR<1.1 下带宽达到了 18 GHz。

图 4  BeO 与Al2O3 材料的热导率在不同温度下的变化

氧化铍窗片：在室温下 BeO 陶瓷窗片具有较低的介电常数和介电损耗，在工作波段为X 波段时，BeO 陶瓷与 Al2O3 相比有更高的输出功率。美国海军实验室在 2013 年使用BeO 陶瓷作为 220GHz 行波管的输能窗片，冷测实验的结果为，在 200GHz~225GHz 共25GHz 的带宽上，回波损耗优于 20dB，符合行波管的使用需求，而目前在国内没有关于 BeO窗口在太赫兹频段下应用的报道。如图4是BeO与 Al2O3材料的热导率在不同温度下的关系。表示的是 BeO 与 Al2O3 的热导率在不同温度下的变化趋势。左图可以看出 BeO 陶瓷是低温高导热材料（100℃以下），而 Al2O3 材料的热导率较低。但随着温度的升高，两者的热导率都呈现出下降趋势，而 Al2O3材料更加稳定，这对在选材时非常重要。右图表示两者在高于 200℃之后的热导率变化趋势，虽然 BeO 陶瓷在高温下的热导率与Al2O3 材料相比始终较高，但 BeO 陶瓷的下降趋势剧烈，不适宜用于太赫兹频段下输能窗材料。此外，BeO陶瓷在生产过程中也会对操作人员和环境造成很大的危害和污染，目前已经被许多国家限制使用。

多晶金刚石(PCD)窗片：金刚石薄膜具有众多优异性能，如：极高硬度、低介电常数、极低介电损耗、宽光学透明性和高热导率，这使得在光学窗口和行波管的输能窗方面有着优越的应用前景。在近十年，中电十二所丁明清等对多晶金刚石以及复合多层金刚石薄膜制备太赫兹行波管输能窗方面进行研究，通过采用超纳米晶金刚石(UNCD) 与传统 PCD、微晶金刚石(MCD)进行复合生长出多层复合金刚石薄膜，对复合薄膜的机械强度和密封性进行改性和机理分析。使的复合薄膜拥有更高的机械强度满足在太赫兹波段下的使用。表 1是 对传统蓝宝石、氧化铍和金刚石输能窗材料的力学性能、热学性能、介电性能以及6 / 197 / 19光学性能进行对比。对比发现，金刚石材料具有更高的抗弯强度和热导率，同时具有低的介电常数和介电损耗值，也具有极宽的光谱透过范围，能够适用于太赫兹输能窗的应用。而蓝宝石和 BeO 材料的机械强度小，后续加工过程中易产生破损现象。在金刚石材料中，多晶金刚石与单晶金刚石相比具有大量的晶界，在输能窗的应用时不易保证真空器件的密封性，也会导致材料的介电损耗大大增加。因此，单晶金刚石材料是“太赫兹输能窗最理想的材料”。

审核编辑：汤梓红