نشكركم على زيارة موقع Nature.com. يُعاني متصفحكم من محدودية دعم CSS. للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام متصفح مُحدّث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer). في هذه الأثناء، ولضمان استمرار الدعم، سنعرض الموقع بدون أنماط CSS وجافا سكريبت.
في هذه الورقة، تم تصميم أنبوب موجة متحركة مزدوج الشفرات متداخل عالي القدرة وعريض النطاق بتردد 220 جيجاهرتز، وتم التحقق من صحته. أولًا، تم اقتراح بنية موجة بطيئة مستوية مزدوجة الحزمة ومتداخلة مزدوجة الشفرات. باستخدام مخطط تشغيل ثنائي الوضع، يكون أداء الإرسال وعرض النطاق الترددي ضعف ما هو عليه في الوضع الأحادي تقريبًا. ثانيًا، من أجل تلبية متطلبات طاقة الخرج العالية وتحسين استقرار أنبوب الموجة المتحركة، تم تصميم نظام بصري إلكتروني مزدوج على شكل قلم رصاص، بجهد تشغيل يتراوح بين 20 و21 كيلو فولت، وتيار 2 × 80 مللي أمبير. أهداف التصميم: باستخدام جزء القناع وقطب التحكم في مدفع الحزمة المزدوجة، يمكن تركيز شعاعي القلم الرصاص على طول مركزيهما بنسبة ضغط تبلغ 7، ومسافة تركيز تبلغ حوالي 0.18 مم، والاستقرار جيد. كما تم تحسين نظام التركيز المغناطيسي المنتظم. يمكن أن تصل مسافة الإرسال المستقرة لحزمة الإلكترون المزدوجة المستوية إلى 45 مم، ويبلغ مجال التركيز المغناطيسي 0.6 تسلا. يكفي لتغطية نظام الترددات العالية بالكامل. بعد ذلك، وللتحقق من جدوى النظام الإلكتروني البصري وأداء بنية الموجة البطيئة، أُجريت محاكاة باستخدام خلية الجسيمات (PIC) على نظام الترددات العالية بأكمله. تُظهر النتائج أن نظام تفاعل الحزمة يمكنه تحقيق ذروة قدرة خرج تقارب 310 واط عند 220 جيجاهرتز، وأن جهد الحزمة الأمثل هو 20.6 كيلو فولت، وتيار الحزمة هو 2 × 80 مللي أمبير، والكسب هو 38 ديسيبل، وعرض النطاق الترددي 3 ديسيبل يتجاوز 35 ديسيبل عند حوالي 70 جيجاهرتز. أخيرًا، تم تصنيع بنية دقيقة عالية الدقة للتحقق من أداء نظام الترددات العالية، وتُظهر النتائج أن عرض النطاق الترددي وخصائص النقل تتوافق بشكل جيد مع نتائج المحاكاة. لذلك، من المتوقع أن يُسهم المخطط المقترح في هذه الورقة في تطوير مصادر إشعاع عالية القدرة وواسعة النطاق للغاية في نطاق الترددات تيراهيرتز، مع إمكانية استخدامها في تطبيقات مستقبلية.
يلعب أنبوب الموجة المتنقلة (TWT)، باعتباره جهازًا إلكترونيًا تقليديًا يعمل بتقنية الفراغ، دورًا لا غنى عنه في العديد من التطبيقات، مثل الرادار عالي الدقة، وأنظمة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية، واستكشاف الفضاء^1،2،3. ومع ذلك، مع دخول تردد التشغيل نطاق الترددات تيراهيرتز، لم يعد أنبوب الموجة المتنقلة التقليدي ذو التجويف المزدوج وأنبوب الموجة المتنقلة الحلزوني قادرين على تلبية احتياجات المستخدمين نظرًا لانخفاض طاقة الخرج نسبيًا، وضيق نطاق التردد، وصعوبة عمليات التصنيع. لذلك، أصبح تحسين أداء نطاق الترددات تيراهيرتز بشكل شامل قضية بالغة الأهمية للعديد من المؤسسات البحثية العلمية. في السنوات الأخيرة، حظيت هياكل الموجات البطيئة الجديدة (SWSs)، مثل هياكل الشفرات المزدوجة المتداخلة (SDV) وهياكل الموجهات المطوية (FW)، باهتمام واسع النطاق نظرًا لبنيتها المستوية الطبيعية، ولا سيما هياكل SDV-SWSs الجديدة ذات الإمكانات الواعدة. وقد اقترحت جامعة كاليفورنيا في ديفيس هذا الهيكل في عام 2008⁴. ويمكن تصنيع الهيكل المستوي بسهولة باستخدام تقنيات المعالجة الدقيقة والنانوية، مثل التحكم العددي بالحاسوب (CNC). في تقنية UV-LIGA، يوفر هيكل التغليف المعدني بالكامل سعة حرارية أكبر مع قدرة خرج وكسب أعلى، كما يوفر الهيكل الشبيه بالموجه نطاق ترددي أوسع. وقد أثبتت جامعة كاليفورنيا في ديفيس لأول مرة عام 2017 أن أنبوب الموجة المتحركة ذو الطور المتغير (SDV-TWT) قادر على توليد خرج طاقة عالية تتجاوز 100 واط وإشارات بنطاق ترددي يقارب 14 جيجاهرتز في النطاق G. ومع ذلك، لا تزال هذه النتائج تعاني من قصور في تلبية متطلبات الطاقة العالية والنطاق الترددي الواسع في نطاق التيراهيرتز. في أنبوب الموجة المتحركة ذو الطور المتغير (SDV-TWT) في النطاق G بجامعة كاليفورنيا في ديفيس، استُخدمت حزم إلكترونية صفائحية. ورغم أن هذه التقنية تُحسّن بشكل ملحوظ قدرة الحزمة على حمل التيار، إلا أنه من الصعب الحفاظ على مسافة نقل طويلة بسبب عدم استقرار النظام البصري الإلكتروني للحزمة الصفائحية، بالإضافة إلى وجود نفق شعاعي زائد، مما قد يؤدي إلى تنظيم الحزمة ذاتيًا. – الإثارة والتذبذب 6،7. من أجل تلبية متطلبات القدرة العالية للخرج، وعرض النطاق الترددي الواسع، والاستقرار الجيد لأنبوب الموجة المتحركة (TWT) في نطاق الترددات تيراهيرتز، يُقترح في هذه الورقة البحثية نظام SDV-SWS ثنائي الحزمة يعمل بنظام تشغيل ثنائي الوضع. أي أنه لزيادة عرض نطاق التشغيل، يُقترح ويُطبق نظام التشغيل ثنائي الوضع في هذا الهيكل. ولزيادة القدرة للخرج، يُستخدم أيضًا توزيع مستوٍ لحزمتين ضيقتين. تتميز أجهزة الراديو ذات الحزمة الضيقة المفردة بصغر حجمها نسبيًا بسبب قيود الحجم الرأسي. إذا كانت كثافة التيار عالية جدًا، يجب تقليل تيار الحزمة، مما يؤدي إلى قدرة خرج منخفضة نسبيًا. لتحسين تيار الحزمة، ظهر نظام EOS متعدد الحزم الموزعة بشكل مستوٍ، والذي يستغل الحجم الجانبي لنظام SWS. نظرًا لنفق الحزمة المستقل، يمكن لنظام الحزم المتعددة الموزعة بشكل مستوٍ تحقيق قدرة خرج عالية من خلال الحفاظ على تيار حزمة إجمالي عالٍ وتيار منخفض لكل حزمة، مما يتجنب نفق الحزمة الزائد مقارنةً بأجهزة الحزمة المسطحة. لذلك، من المفيد الحفاظ على استقرار الموجة المتحركة. أنبوب. بناءً على العمل السابق 8،9، تقترح هذه الورقة البحثية EOS شعاع قلم مزدوج التركيز ذو مجال مغناطيسي منتظم في النطاق G، والذي يمكنه تحسين مسافة الإرسال المستقرة للشعاع بشكل كبير وزيادة مساحة تفاعل الشعاع، وبالتالي تحسين طاقة الإخراج بشكل كبير.
يتألف هيكل هذه الورقة البحثية مما يلي: أولًا، يتم وصف تصميم خلية SWS مع معاييرها، وتحليل خصائص التشتت، ونتائج محاكاة الترددات العالية. ثم، وفقًا لهيكل الخلية الأساسية، يتم تصميم نظام EOS ذي شعاع مزدوج ونظام تفاعل الشعاع. كما تُعرض نتائج محاكاة الجسيمات داخل الخلايا للتحقق من جدوى نظام EOS وأداء أنبوب الموجة المتحركة SDV-TWT. بالإضافة إلى ذلك، تُقدم الورقة بإيجاز نتائج التصنيع والاختبار البارد للتحقق من صحة نظام الترددات العالية بأكمله. وأخيرًا، تُقدم الورقة ملخصًا.
باعتبارها أحد أهم مكونات أنبوب الموجة المتحركة (TWT)، تُشير خصائص التشتت لبنية الموجة البطيئة إلى ما إذا كانت سرعة الإلكترون تُطابق سرعة طور الموجة البطيئة، وبالتالي تُؤثر بشكل كبير على تفاعل الحزمة مع الموجة. ولتحسين أداء أنبوب الموجة المتحركة ككل، تم تصميم بنية تفاعل مُحسّنة. يوضح الشكل 1 بنية الخلية الأساسية. ونظرًا لعدم استقرار حزمة الصفيحة ومحدودية طاقة حزمة القلم المفردة، تعتمد البنية حزمة قلم مزدوجة لزيادة طاقة الخرج واستقرار التشغيل. في الوقت نفسه، ولزيادة عرض نطاق التشغيل، تم اقتراح نمط مزدوج لتشغيل الموجة البطيئة. وبسبب تناظر بنية الموجة البطيئة، يُمكن تقسيم حل معادلة تشتت المجال الكهرومغناطيسي إلى أنماط فردية وزوجية. في الوقت نفسه، يُستخدم النمط الفردي الأساسي لنطاق التردد المنخفض والنمط الزوجي الأساسي لنطاق التردد العالي لتحقيق تزامن واسع النطاق لتفاعل الحزمة، مما يُحسّن عرض نطاق التشغيل بشكل أكبر.
وفقًا لمتطلبات الطاقة، تم تصميم الأنبوب بالكامل بجهد تشغيل يبلغ 20 كيلو فولت وتيار شعاع مزدوج يبلغ 2 × 80 مللي أمبير. ولمطابقة الجهد قدر الإمكان مع عرض نطاق التشغيل لجهاز SDV-SWS، نحتاج إلى حساب طول الفترة p. العلاقة بين جهد الشعاع والفترة موضحة في المعادلة (1)10:
بضبط إزاحة الطور على 2.5π عند التردد المركزي 220 جيجاهرتز، يمكن حساب الدورة p لتكون 0.46 مم. يوضح الشكل 2أ خصائص التشتت لوحدة الخلية SWS. يتطابق خط شعاع 20 كيلو فولت مع المنحنى ثنائي النمط بشكل جيد للغاية. يمكن أن تصل نطاقات التردد المتطابقة إلى حوالي 70 جيجاهرتز في نطاقي 210-265.3 جيجاهرتز (النمط الفردي) و265.4-280 جيجاهرتز (النمط الزوجي). يوضح الشكل 2ب متوسط ​​معاوقة الاقتران، وهي أكبر من 0.6 أوم من 210 إلى 290 جيجاهرتز، مما يشير إلى احتمال حدوث تفاعلات قوية في نطاق التردد التشغيلي.
(أ) خصائص التشتت لـ SDV-SWS ثنائي الوضع مع خط شعاع إلكتروني 20 كيلو فولت. (ب) معاوقة التفاعل لدائرة الموجة البطيئة SDV.
مع ذلك، من المهم ملاحظة وجود فجوة نطاقية بين الأنماط الفردية والزوجية، ونشير عادةً إلى هذه الفجوة باسم نطاق التوقف، كما هو موضح في الشكل 2أ. إذا تم تشغيل أنبوب الموجة المتحركة (TWT) بالقرب من هذا النطاق الترددي، فقد يحدث اقتران قوي للحزمة، مما يؤدي إلى تذبذبات غير مرغوب فيها. في التطبيقات العملية، نتجنب عمومًا استخدام أنبوب الموجة المتحركة بالقرب من نطاق التوقف. ومع ذلك، يمكن ملاحظة أن الفجوة النطاقية لهذا الهيكل ذي الموجة البطيئة تبلغ 0.1 جيجاهرتز فقط. من الصعب تحديد ما إذا كانت هذه الفجوة النطاقية الصغيرة تسبب تذبذبات. لذلك، سيتم دراسة استقرار التشغيل حول نطاق التوقف في قسم محاكاة PIC التالي لتحليل ما إذا كانت التذبذبات غير المرغوب فيها قد تحدث.
يُظهر الشكل 3 نموذجًا كاملًا لهيكل HFS. يتكون من مرحلتين من SDV-SWS، متصلتين بواسطة عاكسات براغ. تتمثل وظيفة العاكس في قطع انتقال الإشارة بين المرحلتين، وكبح التذبذب وانعكاس الأنماط غير العاملة، مثل الأنماط عالية الرتبة المتولدة بين الشفرات العلوية والسفلية، مما يُحسّن بشكل كبير من استقرار الأنبوب بأكمله. وللتوصيل بالبيئة الخارجية، يُستخدم أيضًا موصل خطي مدبب لتوصيل SWS بموجه WR-4 القياسي. تم قياس معامل النقل للهيكل ثنائي المستوى بواسطة محلل المجال الزمني في برنامج المحاكاة ثلاثية الأبعاد. مع مراعاة التأثير الفعلي لنطاق الترددات تيراهيرتز على المادة، تم ضبط مادة الغلاف الفراغي مبدئيًا على النحاس، وخُفّضت الموصلية إلى 2.25 × 10⁷ سيمنز/متر¹².
يوضح الشكل 4 نتائج الإرسال لنظام HFS مع وبدون موصلات خطية مدببة. تُظهر النتائج أن للموصل تأثيرًا طفيفًا على أداء الإرسال لنظام HFS ككل. كما يُشير فقدان العودة (S11 < − 10 ديسيبل) وفقدان الإدخال (S21 > − 5 ديسيبل) للنظام بأكمله في نطاق التردد العريض 207-280 جيجاهرتز إلى أن نظام HFS يتمتع بخصائص إرسال جيدة.
باعتبارها مصدر الطاقة للأجهزة الإلكترونية الفراغية، تحدد مدفع الإلكترونات بشكل مباشر قدرة الجهاز على توليد طاقة خرج كافية. وبالاقتران مع تحليل HFS في القسم الثاني، يلزم تصميم مدفع إلكتروني ثنائي الحزمة لتوفير الطاقة الكافية. في هذا الجزء، واستنادًا إلى أعمال سابقة في نطاق W، تم تصميم مدفع إلكتروني مزدوج القلم باستخدام جزء قناع مستوٍ وأقطاب تحكم. أولًا، وفقًا لمتطلبات تصميم SWS في القسم، كما هو موضح في الشكل. ٢- تم ضبط جهد التشغيل Ua لحزم الإلكترونات مبدئيًا على ٢٠ كيلو فولت، وتيارات I لكل من حزمتي الإلكترونات هي ٨٠ مللي أمبير، وقطر حزمة الإلكترونات dw هو ٠٫١٣ مم. في الوقت نفسه، ولضمان تحقيق كثافة التيار لحزمة الإلكترونات والكاثود، تم ضبط نسبة ضغط حزمة الإلكترونات على ٧، بحيث تكون كثافة تيار حزمة الإلكترونات ٦٠٣ أمبير/سم²، وكثافة تيار الكاثود ٨٦ أمبير/سم²، وهو ما يمكن تحقيقه باستخدام مواد كاثودية جديدة. وفقًا لنظرية التصميم ١٤، ١٥، ١٦، ١٧، يمكن تحديد مدفع إلكتروني نموذجي من نوع بيرس بشكل فريد.
يوضح الشكل 5 المخططين الأفقي والرأسي للمدفع الإلكتروني، على التوالي. يتضح أن شكل المدفع الإلكتروني في الاتجاه السيني يكاد يكون مطابقًا لشكل المدفع الإلكتروني التقليدي ذي الشكل الصفيحي، بينما في الاتجاه الصادي، يفصل القناع جزئيًا بين حزمتي الإلكترونات. تقع مواضع الكاثودين عند x = -0.155 مم، y = 0 مم و x = 0.155 مم، y = 0 مم، على التوالي. وبناءً على متطلبات التصميم لنسبة الضغط وحجم حقن الإلكترونات، تم تحديد أبعاد سطحي الكاثودين لتكون 0.91 مم × 0.13 مم.
لتحقيق تناظر المجال الكهربائي المُركّز الذي تتلقاه كل حزمة إلكترونية في الاتجاه السيني حول مركزها، تستخدم هذه الورقة البحثية قطب تحكم في مدفع الإلكترونات. بضبط جهد قطب التركيز وقطب التحكم على -20 كيلو فولت، وجهد المصعد على 0 فولت، نحصل على توزيع مسار مدفع الحزمتين، كما هو موضح في الشكل 6. يتضح أن الإلكترونات المنبعثة تتمتع بانضغاطية جيدة في الاتجاه الصادي، وأن كل حزمة إلكترونية تتقارب نحو الاتجاه السيني على طول مركز تناظرها، مما يدل على أن قطب التحكم يُوازن المجال الكهربائي غير المتساوي الناتج عن قطب التركيز.
يوضح الشكل 7 غلاف الحزمة في الاتجاهين السيني والصادي. تُظهر النتائج أن مسافة إسقاط حزمة الإلكترونات في الاتجاه السيني تختلف عن تلك في الاتجاه الصادي. تبلغ مسافة الإسقاط في الاتجاه السيني حوالي 4 مم، بينما تقترب مسافة الإسقاط في الاتجاه الصادي من 7 مم. لذلك، يجب اختيار مسافة الإسقاط الفعلية بين 4 و7 مم. يوضح الشكل 8 المقطع العرضي لحزمة الإلكترونات على بُعد 4.6 مم من سطح الكاثود. نلاحظ أن شكل المقطع العرضي أقرب ما يكون إلى شكل حزمة إلكترونية دائرية قياسية. المسافة بين حزمتي الإلكترونات قريبة من القيمة المصممة البالغة 0.31 مم، ونصف القطر حوالي 0.13 مم، وهو ما يفي بمتطلبات التصميم. يوضح الشكل 9 نتائج محاكاة تيار الحزمة. يتضح أن تياري الحزمتين يبلغان 76 مللي أمبير، وهو ما يتوافق جيدًا مع القيمة المصممة البالغة 80 مللي أمبير.
نظراً لتقلبات جهد التشغيل في التطبيقات العملية، من الضروري دراسة حساسية هذا النموذج للجهد. في نطاق الجهد من 19.8 إلى 20.6 كيلوفولت، تم الحصول على غلافَي التيار وتيار الحزمة، كما هو موضح في الشكل 1 والشكلين 1.10 و11. من النتائج، يتضح أن تغير جهد التشغيل لا يؤثر على غلاف حزمة الإلكترونات، وأن تيار حزمة الإلكترونات يتغير فقط من 0.74 إلى 0.78 أمبير. لذلك، يمكن اعتبار أن مدفع الإلكترونات المصمم في هذه الورقة يتمتع بحساسية جيدة للجهد.
تأثير تقلبات جهد التشغيل على غلاف الشعاع في الاتجاهين x و y.
يُعدّ مجال التركيز المغناطيسي المنتظم نظام تركيز شائعًا للمغناطيس الدائم. ونظرًا لتوزيع المجال المغناطيسي المنتظم في جميع أنحاء قناة الحزمة، فهو مناسب جدًا لحزم الإلكترونات المتناظرة محوريًا. في هذا القسم، نقترح نظام تركيز مغناطيسي منتظم للحفاظ على النقل لمسافات طويلة لحزم الإلكترونات المزدوجة. من خلال تحليل المجال المغناطيسي المتولد وغلاف الحزمة، نقترح مخطط تصميم نظام التركيز، وندرس مشكلة الحساسية. وفقًا لنظرية النقل المستقر لحزمة الإلكترونات المفردة، يمكن حساب قيمة مجال بريلوين المغناطيسي باستخدام المعادلة (2). في هذه الورقة، نستخدم أيضًا هذا التكافؤ لتقدير المجال المغناطيسي لحزمة الإلكترونات المزدوجة الموزعة جانبيًا. بالاقتران مع مدفع الإلكترونات المصمم في هذه الورقة، تبلغ قيمة المجال المغناطيسي المحسوبة حوالي 4000 غاوس. وفقًا للمرجع 20، عادةً ما يتم اختيار قيمة تتراوح بين 1.5 و2 ضعف القيمة المحسوبة في التصاميم العملية.
يوضح الشكل 12 بنية نظام تركيز مجال مغناطيسي منتظم. الجزء الأزرق هو المغناطيس الدائم الممغنط في الاتجاه المحوري. المادة المختارة هي NdFeB أو FeCoNi. تم ضبط المغناطيسية المتبقية Br في نموذج المحاكاة على 1.3 تسلا، والنفاذية المغناطيسية على 1.05. لضمان استقرار نقل الشعاع في الدائرة بأكملها، تم ضبط طول المغناطيس مبدئيًا على 70 مم. بالإضافة إلى ذلك، يحدد حجم المغناطيس في الاتجاه x ما إذا كان المجال المغناطيسي المستعرض في قناة الشعاع منتظمًا، مما يتطلب ألا يكون حجمه في الاتجاه x صغيرًا جدًا. في الوقت نفسه، مع مراعاة تكلفة ووزن الأنبوب بأكمله، يجب ألا يكون حجم المغناطيس كبيرًا جدًا. لذلك، تم ضبط أبعاد المغناطيس مبدئيًا على 150 مم × 150 مم × 70 مم. في الوقت نفسه، ولضمان إمكانية وضع دائرة الموجة البطيئة بأكملها في نظام التركيز، تم ضبط المسافة بين المغناطيسات على 20 مم.
في عام 2015، اقترح بورنا تشاندرا باندا (21) قطعة قطبية ذات فتحة متدرجة جديدة في نظام تركيز مغناطيسي منتظم، مما يقلل من مقدار تسرب التدفق إلى المهبط والمجال المغناطيسي المستعرض المتولد عند فتحة القطعة القطبية. في هذه الورقة، نضيف بنية متدرجة إلى القطعة القطبية لنظام التركيز. تم ضبط سمك القطعة القطبية مبدئيًا على 1.5 مم، وارتفاع وعرض الدرجات الثلاث على 0.5 مم، والمسافة بين فتحات القطعة القطبية على 2 مم، كما هو موضح في الشكل 13.
يوضح الشكل 14أ توزيع المجال المغناطيسي المحوري على طول المحور المركزي لحزمتي الإلكترونات. يتضح أن قوى المجال المغناطيسي متساوية على طول الحزمتين. تبلغ قيمة المجال المغناطيسي حوالي 6000 غاوس، أي ما يعادل 1.5 ضعف مجال بريلوين النظري لزيادة كفاءة النقل والتركيز. في الوقت نفسه، يكاد المجال المغناطيسي عند المهبط أن يكون معدومًا، مما يشير إلى فعالية قطعة القطب في منع تسرب التدفق المغناطيسي. يوضح الشكل 14ب توزيع المجال المغناطيسي المستعرض في الاتجاه z عند الحافة العلوية لحزمتي الإلكترونات. يتضح أن المجال المغناطيسي المستعرض أقل من 200 غاوس فقط عند فتحة قطعة القطب، بينما يكاد يكون معدومًا في دائرة الموجة البطيئة، مما يثبت أن تأثيره على حزمة الإلكترونات ضئيل. لمنع التشبع المغناطيسي لقطع القطب، من الضروري دراسة شدة المجال المغناطيسي داخلها. يوضح الشكل 14ج القيمة المطلقة للمجال المغناطيسي. توزيع المجال داخل قطعة القطب. يمكن ملاحظة أن القيمة المطلقة لشدة المجال المغناطيسي أقل من 1.2 تسلا، مما يشير إلى أن التشبع المغناطيسي لقطعة القطب لن يحدث.
توزيع شدة المجال المغناطيسي لـ Br = 1.3 T. (أ) توزيع المجال المحوري. (ب) توزيع المجال الجانبي By في اتجاه z. (ج) القيمة المطلقة لتوزيع المجال داخل قطعة القطب.
استنادًا إلى وحدة CST PS، تم تحسين الوضع النسبي المحوري لمدفع الشعاع المزدوج ونظام التركيز. وفقًا للمرجع 9 والمحاكاة، يقع الموقع الأمثل عند نقطة تداخل قطعة الأنود مع قطعة القطب بعيدًا عن المغناطيس. مع ذلك، وُجد أنه عند ضبط التمغنط المتبقي على 1.3 تسلا، لا يمكن أن تصل نفاذية حزمة الإلكترونات إلى 99%. بزيادة التمغنط المتبقي إلى 1.4 تسلا، سيزداد المجال المغناطيسي المُركِّز إلى 6500 غاوس. تُظهر الصورة 15 مسارات الحزمة على المستويين xoz وyoz. يتضح أن الحزمة تتمتع بنفاذية جيدة، وتذبذب طفيف، ومسافة انتقال أكبر من 45 مم.
مسارات حزمتين قلميتين تحت نظام مغناطيسي متجانس مع Br = 1.4 T. (أ) طائرة xoz. (ب) طائرة yoz.
يوضح الشكل 16 المقطع العرضي للشعاع عند مواقع مختلفة بعيدًا عن المهبط. ويتضح أن شكل مقطع الشعاع في نظام التركيز يحافظ على شكله جيدًا، وأن قطر المقطع لا يتغير كثيرًا. يوضح الشكل 17 غلاف الشعاع في الاتجاهين السيني والصادي على التوالي. ويتضح أن تذبذب الشعاع في كلا الاتجاهين ضئيل جدًا. يوضح الشكل 18 نتائج محاكاة تيار الشعاع. وتشير النتائج إلى أن التيار يبلغ حوالي 2 × 80 مللي أمبير، وهو ما يتوافق مع القيمة المحسوبة في تصميم مدفع الإلكترونات.
المقطع العرضي لحزمة الإلكترون (مع نظام التركيز) في مواقع مختلفة بعيدًا عن الكاثود.
بالنظر إلى سلسلة من المشكلات، مثل أخطاء التجميع وتقلبات الجهد وتغيرات شدة المجال المغناطيسي في تطبيقات المعالجة العملية، من الضروري تحليل حساسية نظام التركيز. نظرًا لوجود فجوة بين قطعة الأنود وقطعة القطب في المعالجة الفعلية، يجب تحديد هذه الفجوة في المحاكاة. تم ضبط قيمة الفجوة على 0.2 مم، ويُظهر الشكل 19أ غلاف الشعاع وتيار الشعاع في الاتجاه y. تُظهر هذه النتيجة أن التغير في غلاف الشعاع ليس كبيرًا، وأن تيار الشعاع يكاد لا يتغير. لذلك، فإن النظام غير حساس لأخطاء التجميع. بالنسبة لتقلبات جهد التشغيل، تم ضبط نطاق الخطأ على ±0.5 كيلو فولت. يُظهر الشكل 19ب نتائج المقارنة. يمكن ملاحظة أن تغير الجهد له تأثير ضئيل على غلاف الشعاع. تم ضبط نطاق الخطأ من -0.02 إلى +0.03 تسلا لتغيرات شدة المجال المغناطيسي. تظهر نتائج المقارنة في الشكل 20. يمكن ملاحظة أن غلاف الشعاع يكاد لا يتغير، مما يعني أن نظام EOS بأكمله غير حساس للتغيرات. في شدة المجال المغناطيسي.
غلاف الشعاع ونتائج التيار تحت نظام تركيز مغناطيسي موحد. (أ) تفاوت التجميع هو 0.2 مم. (ب) تذبذب جهد التشغيل هو ±0.5 كيلو فولت.
غلاف الشعاع تحت نظام تركيز مغناطيسي منتظم مع تقلبات في شدة المجال المغناطيسي المحوري تتراوح من 0.63 إلى 0.68 تسلا.
لضمان توافق نظام التركيز المصمم في هذه الورقة مع نظام HFS، من الضروري دمج نظام التركيز مع نظام HFS لأغراض البحث. يوضح الشكل 21 مقارنة بين غلاف الحزمة مع نظام HFS وبدونه. تُظهر النتائج أن غلاف الحزمة لا يتغير كثيرًا عند تحميل نظام HFS بالكامل. لذلك، يُعد نظام التركيز مناسبًا لأنبوب الموجة المتحركة HFS المصمم أعلاه.
للتحقق من صحة معادلة الحالة المقترحة في القسم الثالث، ودراسة أداء أنبوب الموجة المتحركة ذي الشعاع المفرد بتردد 220 جيجاهرتز، أُجريت محاكاة ثلاثية الأبعاد باستخدام برنامج PIC لتفاعل الشعاع مع الموجة. ونظرًا لقيود برنامج المحاكاة، لم نتمكن من إضافة معادلة الحالة كاملةً إلى نظام HFS. لذلك، استُبدل مدفع الإلكترونات بسطح باعث مكافئ بقطر 0.13 مم ومسافة بين السطحين 0.31 مم، وهي نفس معايير مدفع الإلكترونات المصمم سابقًا. وبفضل عدم حساسية معادلة الحالة واستقرارها الجيد، يمكن تحسين جهد التشغيل بشكل مناسب لتحقيق أفضل قدرة خرج في محاكاة PIC. تُظهر نتائج المحاكاة أنه يمكن الحصول على قدرة خرج مشبعة وكسب عالٍ عند جهد تشغيل 20.6 كيلو فولت، وتيار شعاع 2 × 80 مللي أمبير (603 أمبير/سم²)، وقدرة دخل 0.05 واط.
للحصول على أفضل إشارة خرج، يجب تحسين عدد الدورات. تُحقق أفضل قدرة خرج عندما يكون عدد دورات المرحلتين 42 + 48، كما هو موضح في الشكل 22أ. يتم تضخيم إشارة دخل 0.05 واط إلى 314 واط بكسب 38 ديسيبل. طيف قدرة الخرج الناتج عن تحويل فورييه السريع (FFT) نقي، ويبلغ ذروته عند 220 جيجاهرتز. يُظهر الشكل 22ب توزيع طاقة الإلكترونات على المحور في الموجة السطحية، حيث تفقد معظم الإلكترونات طاقتها. تشير هذه النتيجة إلى أن الموجة السطحية ذات الجهد المنخفض (SDV-SWS) قادرة على تحويل الطاقة الحركية للإلكترونات إلى إشارات ترددات لاسلكية، وبالتالي تحقيق تضخيم الإشارة.
إشارة خرج SDV-SWS عند 220 جيجاهرتز. (أ) قدرة الخرج مع الطيف المضمن. (ب) توزيع طاقة الإلكترونات مع حزمة الإلكترونات في نهاية SWS المضمنة.
يوضح الشكل 23 نطاق تردد القدرة الخارجة وكسب أنبوب الموجة المتحركة ثنائي الحزمة ثنائي الوضع SDV-TWT. ويمكن تحسين أداء الخرج بشكل أكبر من خلال مسح الترددات من 200 إلى 275 جيجاهرتز وتحسين جهد التشغيل. وتُظهر هذه النتيجة أن نطاق التردد 3 ديسيبل يغطي من 205 إلى 275 جيجاهرتز، مما يعني أن التشغيل ثنائي الوضع يُمكن أن يُوسع نطاق تردد التشغيل بشكل كبير.
مع ذلك، وفقًا للشكل 2أ، نعلم بوجود نطاق توقف بين الأنماط الفردية والزوجية، مما قد يؤدي إلى تذبذبات غير مرغوب فيها. لذا، يلزم دراسة استقرار التشغيل حول نطاق التوقف. تُظهر الأشكال 24أ-ج نتائج محاكاة لمدة 20 نانوثانية عند الترددات 265.3 جيجاهرتز، و265.35 جيجاهرتز، و265.4 جيجاهرتز على التوالي. يُلاحظ أنه على الرغم من وجود بعض التقلبات في نتائج المحاكاة، إلا أن قدرة الخرج مستقرة نسبيًا. كما يُظهر الشكل 24 الطيف، وهو طيف نقي. تشير هذه النتائج إلى عدم وجود تذبذب ذاتي بالقرب من نطاق التوقف.
يُعدّ التصنيع والقياس ضروريين للتحقق من صحة هيكل التردد العالي (HFS) بالكامل. في هذا الجزء، تم تصنيع الهيكل باستخدام تقنية التحكم الرقمي الحاسوبي (CNC) بقطر أداة يبلغ 0.1 مم ودقة تشغيل تصل إلى 10 ميكرومتر. تم استخدام النحاس عالي التوصيل الخالي من الأكسجين (OFHC) كمادة أساسية لهيكل التردد العالي. يوضح الشكل 25أ الهيكل المصنّع، والذي يبلغ طوله 66.00 مم، وعرضه 20.00 مم، وارتفاعه 8.66 مم. تتوزع ثمانية ثقوب دقيقة حول الهيكل. يوضح الشكل 25ب الهيكل بعد تصويره بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM). تتميز شفرات هذا الهيكل بتجانسها وسطحها الأملس. بعد القياس الدقيق، بلغ خطأ التشغيل الإجمالي أقل من 5%، وبلغت خشونة السطح حوالي 0.4 ميكرومتر. يلبي الهيكل المصنّع متطلبات التصميم والدقة.
يوضح الشكل 26 مقارنة بين نتائج الاختبارات الفعلية ومحاكاة أداء الإرسال. يُمثل المنفذان 1 و2 في الشكل 26أ منفذي الإدخال والإخراج لجهاز HFS على التوالي، وهما يُعادلان المنفذين 1 و4 في الشكل 3. نتائج القياس الفعلية للوحدة S11 أفضل قليلاً من نتائج المحاكاة، بينما نتائج قياس الوحدة S21 أسوأ قليلاً. قد يعود السبب إلى أن قيمة موصلية المادة المُحددة في المحاكاة عالية جدًا، وأن خشونة السطح بعد التصنيع الفعلي ضعيفة. عمومًا، تتوافق نتائج القياس بشكل جيد مع نتائج المحاكاة، ويلبي عرض نطاق الإرسال متطلبات 70 جيجاهرتز، مما يُؤكد جدوى وصحة تصميم أنبوب الموجة المتحركة ثنائي الوضع SDV-TWT المقترح. لذلك، وبالاستناد إلى عملية التصنيع الفعلية ونتائج الاختبار، يُمكن استخدام تصميم أنبوب الموجة المتحركة ثنائي الحزمة SDV-TWT فائق العرض النطاق المقترح في هذه الورقة في عمليات التصنيع والتطبيقات اللاحقة.
تُقدّم هذه الورقة تصميمًا تفصيليًا لأنبوب الموجة المتحركة ثنائي الحزمة ذي التوزيع المستوي بتردد 220 جيجاهرتز. ويؤدي الجمع بين التشغيل ثنائي الوضع والإثارة ثنائية الحزمة إلى زيادة عرض نطاق التشغيل وقدرة الخرج. كما تم إجراء عمليات التصنيع والاختبار البارد للتحقق من صحة تصميم نظام التردد العالي بالكامل. تتوافق نتائج القياسات الفعلية بشكل جيد مع نتائج المحاكاة. بالنسبة لشعاع الإلكترونات ثنائي الحزمة المصمم، تم استخدام قسم قناع وأقطاب تحكم معًا لإنتاج حزمة ثنائية الشكل. في ظل مجال مغناطيسي مركز منتظم مصمم، يمكن نقل حزمة الإلكترونات بثبات لمسافات طويلة مع الحفاظ على شكلها الجيد. في المستقبل، سيتم إنتاج واختبار شعاع الإلكترونات، بالإضافة إلى إجراء اختبار حراري لأنبوب الموجة المتحركة بالكامل. يجمع تصميم أنبوب الموجة المتحركة المفرغ من الهواء المقترح في هذه الورقة البحثية بشكل كامل بين تقنية المعالجة المستوية الناضجة الحالية، ويُظهر إمكانات كبيرة في مؤشرات الأداء والمعالجة والتجميع. لذلك، تعتقد هذه الورقة البحثية أن البنية المستوية هي الأرجح أن تصبح اتجاه التطوير للأجهزة الإلكترونية الفراغية في نطاق الترددات تيراهيرتز.
تم تضمين معظم البيانات الأولية والنماذج التحليلية في هذه الدراسة في هذه الورقة. ويمكن الحصول على مزيد من المعلومات ذات الصلة من المؤلف المسؤول عند تقديم طلب معقول.
Gamzina, D. et al. Nanoscale CNC machining of sub-terahertz vacuum electronics.IEEE Trans.electronic devices.63, 4067–4073 (2016).
مالكابادي، أ. وباولوني، ج. التصنيع الدقيق للموجات تحت التيراهيرتزية باستخدام تقنية UV-LIGA باستخدام طبقة متعددة من مادة SU-8 المقاومة للضوء. مجلة الميكانيكا الدقيقة والإلكترونيات الدقيقة. 26، 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
ديلون، إس إس وآخرون. خارطة طريق تكنولوجيا تيراهيرتز 2017. مجلة الفيزياء. د. إلى تطبيق الفيزياء. 50، 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
شين، واي إم، بارنيت، إل آر ولوهمان، إن سي. الحصر القوي لانتشار الموجات البلازمونية عبر الموجهات ذات النطاق العريض للغاية ذات الشبكة المزدوجة المتداخلة. تطبيق. فيزياء. رايت. 93، 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
بايج، أ. وآخرون. أداء مكبر صوت أنبوب الموجة المتنقلة 220 جيجاهرتز المصنّع بتقنية CNC النانوية. معاملات IEEE للأجهزة الإلكترونية. 64، 590-592 (2017).
هان، واي. وروان، سي جيه. دراسة عدم استقرار الديوكوترون لحزم الإلكترونات ذات العرض اللانهائي باستخدام نظرية نموذج السائل البارد الماكروسكوبي. مجلة الفيزياء الصينية ب. 20، 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
غالدتسكي، أ.ف. حول فرصة زيادة عرض النطاق الترددي من خلال التخطيط المستوي للشعاع في كليسترون متعدد الحزم. في المؤتمر الدولي الثاني عشر لـ IEEE حول إلكترونيات الفراغ، بنغالور، الهند، 5747003، 317-318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
نغوين، سي جيه وآخرون. تصميم مدافع إلكترونية ثلاثية الحزم مع توزيع مستوى تقسيم الحزمة الضيق في أنبوب الموجة المتنقلة ذي الشفرتين المتداخلتين في نطاق W[J]. تقارير العلوم 11، 940. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
وانغ، بي بي، سو، واي واي، تشانغ، زد، وانغ، دبليو بي وروان، سي جيه. نظام بصري إلكتروني ثلاثي الحزم موزع مستويًا مع فصل حزمة ضيق لنمط الموجة المتحركة الأساسي في النطاق W. IEEE Trans. الأجهزة الإلكترونية. 68، 5215-5219 (2021).
Zhan, M. بحث حول أنبوب الموجة المتنقلة ذو الشفرتين المتداخلتين مع حزم الموجات المليمترية 20-22 (دكتوراه، جامعة بيهانغ، 2018).
روان، سي جيه، تشانغ، إتش إف، تاو، جيه، وهي، واي. دراسة حول استقرار تفاعل الحزمة والموجة لأنبوب الموجة المتنقلة ثنائي الشفرات المتداخل في نطاق G. المؤتمر الدولي الثالث والأربعون للأشعة تحت الحمراء والموجات المليمترية والتيراهيرتزية، ناغويا. 8510263، https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).