本发明涉及电磁学技术领域，更具体的说，涉及一种产生反向切伦科夫辐射的装置以及方法。
背景技术：
切伦科夫辐射(cherenkovradiation)是指当带电粒子的运动速度超过周围媒质中的光速的情况下产生的一种电磁辐射现象，它在高能粒子物理学、宇宙射线物理、电磁辐射源等领域具有重要的应用，自发现之日起即为全球热点研究课题。
当介质为非色散介质时，切伦科夫辐射场的方向集中在特定的方向(即θ方向)，且满足切伦科夫辐射角公式：
公式(1)中θ是辐射方向与粒子运动方向的夹角，v是粒子运动速度，c是真空中的光速，
理论和实验表明，当媒质的相对介电常数和相对磁导率均为负数(此时折射率也为负数)的情况下，切伦科夫辐射的方向角θ将大于90度，辐射方向在带电粒子运动方向的反向，即反向切伦科夫辐射。反向切伦科夫辐射在发展电磁辐射源以及新型光学器件具有重要的应用前景。现有技术中，只有通过相对介电常数和相对磁导率均为负数的双负介质才能实现反向切伦科夫辐射。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种产生反向切伦科夫辐射的装置以及方法，无需相对介电常数和相对磁导率均为负数的双负介质层即可实现反向切伦科夫辐射。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种产生反向切伦科夫辐射的装置，所述装置包括：
基底；
位于基底表面的介质层，所述介质层的相对介电常数为负数，且相对磁导率为正数；
带电粒子发射器，所述带电粒子发射器用于产生预设初速度的带电粒子；
当所述装置用于产生反向切伦科夫辐射时，所述带电粒子发射器用于使得带电粒子平行入射所述介质层的表面，使得所述初速度的方向平行于所述介质层的表面，且使得所述带电粒子与所述介质层的表面具有小于预设高度的间隙；所述带电粒子激励起沿所述介质层表面平行传输的表面电磁波；通过调节所述初速度、所述介质层的厚度以及所述介质层的电磁参数，使得所述表面波为速度小于所述初速度的反向波，形成反向切伦科夫辐射。
优选的，在上述装置中，所述间隙的高度小于0.1μm。
优选的，在上述装置中，所述介质层为人工超材料薄膜，所述表面电磁波的频率包括0.1thz-10th，包括端点值。
优选的，在上述装置中，所述介质层的厚度为0.01mm-0.1mm，包括端点值。
优选的，在上述装置中，所述介质层为金薄膜、或是银薄膜，所述表面电磁波的频率包括可见光频率。
优选的，在上述装置中，所述介质层的厚度为10nm-30nm，包括端点值。
优选的，在上述装置中，所述基底为绝缘材料，所述基底的相对介电常数范围为2-5，包括端点值。
优选的，在上述装置中，所述基底为玻璃基底、或是陶瓷基底。
本发明还提供了一种产生反向切伦科夫辐射的方法，所述方法包括：
使得带电粒子以预设的初速度经过表面设置有介质层的上方，所述带电粒子平行入射所述介质层的表面，所述初速度的方向平行于所述介质层的表面，且所述带电粒子与所述介质层的表面具有小于预设高度的间隙；所述带电粒子激励起沿所述介质层表面平行传输的表面电磁波；通过调节所述初速度、所述介质层的厚度以及所述介质层的电磁参数，使得所述表面波为速度小于所述初速度的反向波，形成反向切伦科夫辐射。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的产生反向切伦科夫辐射的装置和方法中，采用相对介电常数为辐射且相对磁导率为正数的介质层，通过调节所述初速度、所述间隙的高度以及所述介质层的电磁参数，使得所述表面波为速度小于所述初速度的反向波，形成反向切伦科夫辐射，无需相对介电常数和相对磁导率均为负数的双负介质即可实现反向切伦科夫辐射。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种产生反向切伦科夫辐射的装置；
图2为图1所示装置产生反向切伦科夫辐射时的侧视图；
图3为图1所示装置产生反向切伦科夫辐射时的俯视图；
图4为本发明实施例提供的一种理论计算得到的相对相对介电常数和相对相对磁导率随频率的变化关系曲线图；
图5为本发明实施例提供的一种理论计算和试验模拟得到的切伦科夫辐射的频率随辐射角度的变化关系曲线图；
图6为本发明实施例提供的另一种理论计算得到的相对相对介电常数和相对相对磁导率随频率的变化关系曲线图；
图7为本发明实施例提供的另一种理论计算和试验模拟得到的切伦科夫辐射的频率随辐射角度的变化关系曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1-图3，图1为本发明实施例提供的一种产生反向切伦科夫辐射的装置，图2为图1所示装置产生反向切伦科夫辐射时的侧视图，图3为图1所示装置产生反向切伦科夫辐射时的俯视图。
该装置包括：基底2；位于基底2表面的介质层1，所述介质层1的相对介电常数为负数，且相对磁导率为正数；带电粒子发射器5，所述带电粒子发射器5用于产生预设初速度的带电粒子3。
当所述装置用于产生反向切伦科夫辐射时，所述带电粒子发射器5用于使得带电粒子3平行入射所述介质层1的表面，使得所述初速度的方向平行于所述介质层1的表面，且使得所述带电粒子3与所述介质层1的表面具有小于预设高度h的间隙；所述带电粒子3激励起沿所述介质层表面平行传输的表面电磁波；通过调节所述初速度、所述介质层1的厚度以及所述介质层1的电磁参数，使得所述表面波为速度小于所述初速度的反向波，形成反向切伦科夫辐射。
带电粒子3平行掠过介质层1的表面。预设高度h小于0.1μm。可选的，所述基底2为绝缘材料，所述基底的相对介电常数范围为2-5，包括端点值。具体的，所述基底为玻璃基底、或是陶瓷基底。
本发明实施例所述装置中，所述介质层1为具有等离子体激元特性的介质薄膜。通过一层具有等离子体激元特性的介质薄膜覆盖在普通的介质基底2上面，匀速带电粒子3平行掠过所述介质薄膜的上表面，可以形成反向切伦科夫辐射。所述介质层1的相对介电常数为负数，相对磁导率为正数。克服了现有技术中只能采用双负介质(相对磁导率以及相对介电常数均为负数的介质)形成反向切伦科夫辐射的问题。
带电粒子3在介质层1表面激励起沿介质层1表面平行传输的电磁波，也就是表面电磁波，当表面电磁波随介质层1传输的相速度低于电子注的运动速度时，表面电磁波将带电粒子3的运动方向而向其他方向传播，此时，表面电磁波的传播方向4与带电粒子3的传播方向具有夹角θ，进而形成切伦科夫辐射。
对于等离子体激元特性的介质层1，产生的表面电磁波可以是前向波也可以是反向波，所述前向波指的是相速度方向与群速度方向相同的电磁波，所述反向波指的是相速度方向与群速度方向相反的电磁波。当带电粒子3激励起速度带电粒子3运动速度的反向波时，就形成了反向切伦科夫辐射。
本发明实施例中，所述装置形成切伦科夫辐射时，可以用于生成太赫兹频率的电磁波。具有等离子体激元特性的介质薄膜用于产生太赫兹频率的电磁波时，可以通过人工超材料实现。此时，所述介质层1为人工超材料薄膜，所述表面电磁波的频率为0.1thz-10th，包括端点值；所述介质层1的厚度为0.01mm-0.1mm，包括端点值。
当采用人工超材料作为介质层1以产生太赫兹频率的电磁波时，人工超材料的相对相对介电常数εγ以及相对相对磁导率μγ可以分别由下述公式(2)和公式(3)表示。
公式(2)中，ωpe表示等效等离子体电角频率，ω表示工作角频率。γe表示电碰撞频率。i为复数单位。
公式(3)中，f为比例常数，ωpm表示等效等离子体磁角频率。γm表示磁碰撞频率。
本发明实施例中，所述装置形成切伦科夫辐射时，可以用于生成可见光频率的电磁波。具有等离子体激元特性的介质薄膜用于产生太赫兹频率的电磁波时，可以通过普通的贵金属材料实现。此时，所述介质层1为金薄膜、或是银薄膜，所述表面电磁波的频率包括可见光频率；所述介质层1的厚度为10nm-30nm，包括端点值。
当采用金属材料作为介质层1以产生可见光频率的电磁波时，金属材料的介质层1的相对相对介电常数可以下述公式(4)表示。
公式(4)中，ωp表示金属等离子体角频率，ω表示工作角频率。γ表示金属自由电子磁碰撞频率。ε∞为常数。
金属材料的介质层1的相对相对磁导率为1。
无论是人工超材料，还是金属材料作为介质层1，通过选择工作频段，可以使介质层1的相对相对介电常数为负数，相对相对磁导率为正数，这样介质层1就工作在等离子体激元状态。
下面结合具体的实验例说明本发明实施例所述装置可以实现反向切伦科夫辐射。
当介质层1为人工超材料时，设定如下参数：ωpe＝2π×500×109，ωpm＝2π×219×109，γe＝1010，γm＝1010，f＝0.5，介质层1的厚度为0.05mm，基底2的相对介电常数为2.25，带电粒子3的能量为80千电子伏，通过控制带电粒子3的能量控制其出射的初速度。此时，理论计算得到的相对相对介电常数和相对相对磁导率随频率的变化关系如图4所示，理论计算和试验模拟得到的切伦科夫辐射的频率随辐射角度的变化关系如图5所示。
图4中，曲线11表示相对相对介电常数，曲线12表示相对相对磁导率。由图4可知，在频率从300ghz-500ghz范围内，介质层1的相对相对介电常数为负数，相对相对磁导率为正数，此时介质层1是等离子体激元薄膜。
由图5可知，夹角θ大于90°发生反向切伦科夫辐射，当频率大于400ghz时，实现反向切伦科夫辐射。
当介质层为金属材料时，设定如下参数：ε∞＝4.5，ωp＝1.39×1016，γ＝3.2×1013，介质层1的厚度为20nm，基底2的相对介电常数为2.25，带电粒子3的能量为40千电子伏。此时，理论计算得到的相对相对介电常数和相对相对磁导率随频率的变化关系如图6所示，理论计算和试验模拟得到的切伦科夫辐射的频率随辐射角度的变化关系如图7所示。
由图6可知，在频率低于950thz范围内，介质层1的相对相对介电常数为负数，此时介质层1是等离子体激元薄膜。
由图7可知，夹角θ大于90°发生反向切伦科夫辐射，当频率为900thz-950thz时，实现反向切伦科夫辐射。
本发明实施例所述装置中，通过调节带电粒子3的初速度、所述介质层1的电磁参数以及所述介质层1的厚度中的至少一个，实现对表面电磁波频率、辐射方向的调节，实现反向切伦科夫辐射。所述介质层1的电磁参数包括介质层1的相对介电常数以及相对磁导率。可见，所述装置结构简单，控制方法简单，便于实现反向切伦科夫辐射。
基于上述实施例，本发明另一实施例还提供了一种产生反向切伦科夫辐射的方法，采用上述装置实现反向切伦科夫辐射，该方法包括：
使得带电粒子以预设的初速度经过表面设置有介质层的上方，所述带电粒子平行入射所述介质层的表面，所述初速度的方向平行于所述介质层表面，且所述带电粒子与所述介质层的表面具有小于预设高度的间隙；所述带电粒子激励起沿所述介质层表面平行传输的表面电磁波；通过调节所述初速度、所述介质层的厚度以及所述介质层的电磁参数，使得所述表面波为速度小于所述初速度的反向波，形成反向切伦科夫辐射。
本发明实施例所述方法采用上述装置实现反向切伦科夫辐射，操作简单，便于实现，且无需双负介质材料。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装置部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。