از بازدید شما از Nature.com متشکریم. نسخه مرورگری که استفاده می‌کنید پشتیبانی محدودی از CSS دارد. برای بهترین تجربه، توصیه می‌کنیم از یک مرورگر به‌روز استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در Internet Explorer غیرفعال کنید). در عین حال، برای اطمینان از ادامه پشتیبانی، سایت را بدون استایل‌ها و جاوا اسکریپت نمایش خواهیم داد.
در این مقاله، یک لامپ موج رونده دو تیغه‌ای با پهنای باند بالا و توان بالا با فرکانس 220 گیگاهرتز طراحی و تأیید شده است. ابتدا، یک ساختار موج آهسته دو تیغه‌ای دو پرتوی مسطح پیشنهاد شده است. با استفاده از یک طرح عملیاتی دو حالته، عملکرد انتقال و پهنای باند تقریباً دو برابر حالت تک حالته است. ثانیاً، به منظور برآورده کردن الزامات توان خروجی بالا و بهبود پایداری لامپ موج رونده، یک سیستم نوری الکترونیکی دو مدادی شکل طراحی شده است، ولتاژ محرک 20 تا 21 کیلوولت و جریان 2 × 80 میلی‌آمپر است. اهداف طراحی. با استفاده از قسمت ماسک و الکترود کنترل در تفنگ دو پرتویی، دو پرتو مدادی می‌توانند در امتداد مراکز مربوطه خود با نسبت فشرده‌سازی 7 متمرکز شوند، فاصله فوکوس حدود 0.18 میلی‌متر است و پایداری خوب است. سیستم فوکوس مغناطیسی یکنواخت نیز بهینه شده است. فاصله انتقال پایدار پرتو الکترونی دو تیغه‌ای مسطح می‌تواند به 45 میلی‌متر برسد و میدان مغناطیسی متمرکز کننده 0.6 تسلا است که برای پوشش کل سیستم فرکانس بالا کافی است. (HFS). سپس، برای تأیید قابلیت استفاده از سیستم الکترونی-اپتیکی و عملکرد ساختار موج آهسته، شبیه‌سازی‌های سلول ذره‌ای (PIC) نیز بر روی کل HFS انجام شد. نتایج نشان می‌دهد که سیستم برهمکنش پرتو می‌تواند به توان خروجی پیک نزدیک به 310 وات در 220 گیگاهرتز دست یابد، ولتاژ پرتو بهینه شده 20.6 کیلوولت، جریان پرتو 2 × 80 میلی‌آمپر، بهره 38 دسی‌بل و پهنای باند 3 دسی‌بلی بیش از 35 دسی‌بل در حدود 70 گیگاهرتز است. در نهایت، ساخت ریزساختار با دقت بالا برای تأیید عملکرد HFS انجام می‌شود و نتایج نشان می‌دهد که پهنای باند و ویژگی‌های انتقال با نتایج شبیه‌سازی مطابقت خوبی دارند. بنابراین، انتظار می‌رود طرح پیشنهادی در این مقاله، منابع تابشی تراهرتز با توان بالا و پهنای باند فوق العاده بالا را با پتانسیل کاربردهای آینده توسعه دهد.
به عنوان یک دستگاه الکترونیکی خلاء سنتی، لامپ موج رونده (TWT) نقشی غیرقابل جایگزین در بسیاری از کاربردها مانند رادار با وضوح بالا، سیستم‌های ارتباطی ماهواره‌ای و اکتشافات فضایی ایفا می‌کند1،2،3. با این حال، با ورود فرکانس عملیاتی به باند تراهرتز، لامپ موج رونده حفره جفت‌شده سنتی و لامپ موج رونده مارپیچی به دلیل توان خروجی نسبتاً کم، پهنای باند باریک و فرآیندهای تولید دشوار، قادر به پاسخگویی به نیازهای مردم نبوده‌اند. بنابراین، چگونگی بهبود جامع عملکرد باند THz به یک موضوع بسیار نگران‌کننده برای بسیاری از مؤسسات تحقیقاتی علمی تبدیل شده است. در سال‌های اخیر، ساختارهای موج آهسته جدید (SWS)، مانند ساختارهای دو تیغه‌ای پلکانی (SDV) و ساختارهای موجبر تاشو (FW)، به دلیل ساختارهای مسطح طبیعی خود، به ویژه SDV-SWS های جدید با پتانسیل امیدوارکننده، توجه گسترده‌ای را به خود جلب کرده‌اند. این ساختار توسط UC-Davis در سال 2008 پیشنهاد شد. ساختار مسطح را می‌توان به راحتی با تکنیک‌های پردازش میکرو-نانو مانند کنترل عددی رایانه‌ای (CNC) و UV-LIGA، تمام فلزی، ساخت. ساختار بسته‌ای می‌تواند ظرفیت حرارتی بیشتری را با توان خروجی و بهره بالاتر فراهم کند و ساختار شبه موجبر نیز می‌تواند پهنای باند کاری وسیع‌تری را فراهم کند. در حال حاضر، دانشگاه کالیفرنیا، دیویس، برای اولین بار در سال ۲۰۱۷ نشان داد که SDV-TWT می‌تواند خروجی‌های توان بالا بیش از ۱۰۰ وات و سیگنال‌های پهنای باند نزدیک به ۱۴ گیگاهرتز را در باند G5 تولید کند. با این حال، این نتایج هنوز دارای شکاف‌هایی هستند که نمی‌توانند الزامات مربوط به توان بالا و پهنای باند وسیع در باند تراهرتز را برآورده کنند. برای SDV-TWT باند G دانشگاه کالیفرنیا، دیویس، از پرتوهای الکترونی ورقه‌ای استفاده شده است. اگرچه این طرح می‌تواند ظرفیت حمل جریان پرتو را به طور قابل توجهی بهبود بخشد، اما به دلیل ناپایداری سیستم نوری الکترونی پرتو ورقه‌ای (EOS) حفظ فاصله انتقال طولانی دشوار است و یک تونل پرتوی بیش از حد مد وجود دارد که ممکن است باعث خودتنظیمی پرتو نیز شود. – تحریک و نوسان ۶،۷. به منظور برآورده کردن الزامات توان خروجی بالا، پهنای باند وسیع و پایداری خوب TWT تراهرتز، یک SDV-SWS دو پرتوی با عملکرد دو حالته در این مقاله پیشنهاد شده است. به عبارت دیگر، برای افزایش پهنای باند عملیاتی، عملکرد دو حالته در این ساختار پیشنهاد و معرفی شده است. و به منظور افزایش توان خروجی، از توزیع مسطح پرتوهای مدادی دوتایی نیز استفاده می‌شود. رادیوهای پرتو مدادی تکی به دلیل محدودیت‌های اندازه عمودی نسبتاً کوچک هستند. اگر چگالی جریان خیلی زیاد باشد، جریان پرتو باید کاهش یابد که منجر به توان خروجی نسبتاً کم می‌شود. برای بهبود جریان پرتو، EOS چند پرتوی توزیع شده مسطح پدیدار شده است که از اندازه جانبی SWS بهره می‌برد. به دلیل تونل‌زنی پرتو مستقل، چند پرتوی توزیع شده مسطح می‌تواند با حفظ جریان پرتو کل بالا و جریان کم در هر پرتو، به توان خروجی بالایی دست یابد که می‌تواند در مقایسه با دستگاه‌های پرتو ورقه‌ای از تونل‌زنی پرتو بیش از حد جلوگیری کند. بنابراین، حفظ پایداری لوله موج سیار مفید است. بر اساس موارد قبلی در کارهای 8 و 9، این مقاله یک میدان مغناطیسی یکنواخت باند G با تمرکز پرتو مدادی دوتایی EOS پیشنهاد می‌کند که می‌تواند فاصله انتقال پایدار پرتو را تا حد زیادی بهبود بخشد و ناحیه برهمکنش پرتو را بیشتر افزایش دهد و در نتیجه توان خروجی را تا حد زیادی بهبود بخشد.
ساختار این مقاله به شرح زیر است. ابتدا، طراحی سلول SWS با پارامترها، تحلیل ویژگی‌های پراکندگی و نتایج شبیه‌سازی فرکانس بالا شرح داده شده است. سپس، بر اساس ساختار سلول واحد، یک EOS پرتو مدادی دوگانه و سیستم برهمکنش پرتو در این مقاله طراحی شده‌اند. نتایج شبیه‌سازی ذرات درون سلولی نیز برای تأیید قابلیت استفاده EOS و عملکرد SDV-TWT ارائه شده است. علاوه بر این، این مقاله به طور خلاصه نتایج ساخت و آزمایش سرد را برای تأیید صحت کل HFS ارائه می‌دهد. در نهایت خلاصه‌ای ارائه می‌دهد.
به عنوان یکی از مهمترین اجزای TWT، خواص پراکندگی ساختار موج آهسته نشان می‌دهد که آیا سرعت الکترون با سرعت فاز SWS مطابقت دارد یا خیر، و بنابراین تأثیر زیادی بر برهمکنش پرتو-موج دارد. برای بهبود عملکرد کل TWT، یک ساختار برهمکنش بهبود یافته طراحی شده است. ساختار سلول واحد در شکل 1 نشان داده شده است. با توجه به ناپایداری پرتو ورقه‌ای و محدودیت توان پرتو قلمی تکی، این ساختار از یک پرتو قلمی دوتایی برای بهبود بیشتر توان خروجی و پایداری عملکرد استفاده می‌کند. در همین حال، به منظور افزایش پهنای باند کاری، یک حالت دوگانه برای عملکرد SWS پیشنهاد شده است. با توجه به تقارن ساختار SDV، حل معادله پراکندگی میدان الکترومغناطیسی را می‌توان به حالت‌های فرد و زوج تقسیم کرد. در عین حال، حالت فرد اساسی باند فرکانس پایین و حالت زوج اساسی باند فرکانس بالا برای تحقق همزمانی پهنای باند برهمکنش پرتو استفاده می‌شوند و در نتیجه پهنای باند کاری را بیشتر بهبود می‌بخشند.
با توجه به الزامات توان، کل لوله با ولتاژ محرک 20 کیلوولت و جریان پرتو دوگانه 2 × 80 میلی‌آمپر طراحی شده است. برای اینکه ولتاژ تا حد امکان با پهنای باند عملیاتی SDV-SWS مطابقت داشته باشد، باید طول دوره p را محاسبه کنیم. رابطه بین ولتاژ پرتو و دوره در معادله (1)10 نشان داده شده است:
با تنظیم تغییر فاز روی 2.5π در فرکانس مرکزی 220 گیگاهرتز، می‌توان دوره p را 0.46 میلی‌متر محاسبه کرد. شکل 2a خواص پراکندگی سلول واحد SWS را نشان می‌دهد. خط پرتو 20 کیلوولت به خوبی با منحنی دووجهی مطابقت دارد. باندهای فرکانسی تطبیق می‌توانند در محدوده 210 تا 265.3 گیگاهرتز (حالت فرد) و 265.4 تا 280 گیگاهرتز (حالت زوج) به حدود 70 گیگاهرتز برسند. شکل 2b امپدانس کوپلینگ متوسط ​​را نشان می‌دهد که از 210 تا 290 گیگاهرتز بزرگتر از 0.6 اهم است، که نشان می‌دهد ممکن است برهمکنش‌های قوی در پهنای باند عملیاتی رخ دهد.
(الف) ویژگی‌های پراکندگی یک SDV-SWS دو حالته با خط پرتو الکترونی 20 کیلوولت. (ب) امپدانس برهمکنش مدار موج آهسته SDV.
با این حال، توجه به این نکته مهم است که بین مدهای زوج و فرد یک شکاف نواری وجود دارد و ما معمولاً به این شکاف نواری، همانطور که در شکل 2a نشان داده شده است، به عنوان نوار توقف اشاره می‌کنیم. اگر TWT در نزدیکی این باند فرکانسی کار کند، ممکن است قدرت جفت شدن پرتو قوی رخ دهد که منجر به نوسانات ناخواسته خواهد شد. در کاربردهای عملی، ما معمولاً از استفاده از TWT در نزدیکی نوار توقف اجتناب می‌کنیم. با این حال، می‌توان مشاهده کرد که شکاف نواری این ساختار موج آهسته تنها 0.1 گیگاهرتز است. تعیین اینکه آیا این شکاف نواری کوچک باعث نوسانات می‌شود یا خیر، دشوار است. بنابراین، پایداری عملکرد در اطراف نوار توقف در بخش شبیه‌سازی PIC زیر بررسی خواهد شد تا تجزیه و تحلیل شود که آیا نوسانات ناخواسته ممکن است رخ دهد یا خیر.
مدل کل HFS در شکل 3 نشان داده شده است. این مدل شامل دو مرحله SDV-SWS است که توسط بازتابنده‌های براگ به هم متصل شده‌اند. عملکرد بازتابنده قطع انتقال سیگنال بین دو مرحله، سرکوب نوسان و انعکاس مدهای غیرفعال مانند مدهای مرتبه بالا تولید شده بین تیغه‌های بالایی و پایینی است و در نتیجه پایداری کل لوله را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد. برای اتصال به محیط خارجی، از یک کوپلر مخروطی خطی نیز برای اتصال SWS به یک موجبر استاندارد WR-4 استفاده می‌شود. ضریب انتقال ساختار دو ترازه توسط یک حل‌کننده حوزه زمان در نرم‌افزار شبیه‌سازی سه‌بعدی اندازه‌گیری می‌شود. با توجه به اثر واقعی باند تراهرتز بر روی ماده، ماده پوشش خلاء در ابتدا روی مس تنظیم می‌شود و رسانایی به 2.25×107 S/m12 کاهش می‌یابد.
شکل ۴ نتایج انتقال برای HFS با و بدون کوپلر مخروطی خطی را نشان می‌دهد. نتایج نشان می‌دهد که کوپلر تأثیر کمی بر عملکرد انتقال کل HFS دارد. تلفات بازگشتی (S11 < -10 dB) و تلفات عبوری (S21 > -5 dB) کل سیستم در پهنای باند ۲۰۷ تا ۲۸۰ گیگاهرتز نشان می‌دهد که HFS ویژگی‌های انتقال خوبی دارد.
به عنوان منبع تغذیه دستگاه‌های الکترونیکی خلاء، تفنگ الکترونی مستقیماً تعیین می‌کند که آیا دستگاه می‌تواند توان خروجی کافی تولید کند یا خیر. همراه با تجزیه و تحلیل HFS در بخش دوم، یک EOS دو پرتویی باید برای تأمین توان کافی طراحی شود. در این بخش، بر اساس کارهای قبلی در باند W8،9، یک تفنگ الکترونی دو مدادی با استفاده از یک قطعه ماسک مسطح و الکترودهای کنترل طراحی شده است. ابتدا، طبق الزامات طراحی SWS در بخش. همانطور که در شکل نشان داده شده است. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، ولتاژ محرک Ua پرتوهای الکترونی در ابتدا روی 20 کیلوولت تنظیم شده است، جریان‌های I دو پرتو الکترونی هر دو 80 میلی‌آمپر و قطر پرتو dw پرتوهای الکترونی 0.13 میلی‌متر است. در عین حال، برای اطمینان از دستیابی به چگالی جریان پرتو الکترونی و کاتد، نسبت فشرده‌سازی پرتو الکترونی روی 7 تنظیم شده است، بنابراین چگالی جریان پرتو الکترونی 603 ​​آمپر بر سانتی‌متر مربع و چگالی جریان کاتد 86 آمپر بر سانتی‌متر مربع است که با استفاده از مواد کاتدی جدید قابل دستیابی است. طبق نظریه طراحی 14، 15، 16، 17، یک تفنگ الکترونی پیرس معمولی را می‌توان به طور منحصر به فرد شناسایی کرد.
شکل 5 به ترتیب نمودارهای شماتیک افقی و عمودی تفنگ را نشان می‌دهد. مشاهده می‌شود که پروفیل تفنگ الکترونی در جهت x تقریباً مشابه یک تفنگ الکترونی ورق مانند معمولی است، در حالی که در جهت y دو پرتو الکترونی تا حدی توسط ماسک از هم جدا شده‌اند. موقعیت دو کاتد به ترتیب در x = -0.155 میلی‌متر، y = 0 میلی‌متر و x = 0.155 میلی‌متر، y = 0 میلی‌متر است. طبق الزامات طراحی نسبت فشرده‌سازی و اندازه تزریق الکترون، ابعاد دو سطح کاتد 0.91 میلی‌متر × 0.13 میلی‌متر تعیین شده است.
برای اینکه میدان الکتریکی متمرکز دریافتی توسط هر پرتو الکترونی در جهت x حول مرکز خودش متقارن شود، در این مقاله یک الکترود کنترل به تفنگ الکترونی اعمال می‌شود. با تنظیم ولتاژ الکترود فوکوس کننده و الکترود کنترل روی -20 کیلوولت و ولتاژ آند روی 0 ولت، می‌توانیم توزیع مسیر تفنگ پرتو دوگانه را همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است، بدست آوریم. مشاهده می‌شود که الکترون‌های ساطع شده در جهت y تراکم‌پذیری خوبی دارند و هر پرتو الکترونی در امتداد مرکز تقارن خود به سمت جهت x همگرا می‌شود، که نشان می‌دهد الکترود کنترل میدان الکتریکی نابرابر تولید شده توسط الکترود فوکوس کننده را متعادل می‌کند.
شکل 7 پوشش پرتو را در جهت‌های x و y نشان می‌دهد. نتایج نشان می‌دهد که فاصله پرتاب پرتو الکترونی در جهت x با فاصله پرتاب در جهت y متفاوت است. فاصله پرتاب در جهت x حدود 4 میلی‌متر و فاصله پرتاب در جهت y نزدیک به 7 میلی‌متر است. بنابراین، فاصله پرتاب واقعی باید بین 4 تا 7 میلی‌متر انتخاب شود. شکل 8 سطح مقطع پرتو الکترونی را در 4.6 میلی‌متر از سطح کاتد نشان می‌دهد. می‌توانیم ببینیم که شکل سطح مقطع نزدیکترین شکل به یک پرتو الکترونی دایره‌ای استاندارد است. فاصله بین دو پرتو الکترونی نزدیک به 0.31 میلی‌متر طراحی شده و شعاع حدود 0.13 میلی‌متر است که الزامات طراحی را برآورده می‌کند. شکل 9 نتایج شبیه‌سازی جریان پرتو را نشان می‌دهد. مشاهده می‌شود که جریان دو پرتو 76 میلی‌آمپر است که با 80 میلی‌آمپر طراحی شده مطابقت خوبی دارد.
با توجه به نوسان ولتاژ محرک در کاربردهای عملی، بررسی حساسیت ولتاژ این مدل ضروری است. در محدوده ولتاژ 19.8 تا 20.6 کیلوولت، پوشش جریان و جریان پرتو، همانطور که در شکل 1 و شکل‌های 1.10 و 11 نشان داده شده است، به دست می‌آیند. از نتایج می‌توان دریافت که تغییر ولتاژ محرک هیچ تاثیری بر پوشش پرتو الکترونی ندارد و جریان پرتو الکترونی فقط از 0.74 تا 0.78 آمپر تغییر می‌کند. بنابراین، می‌توان در نظر گرفت که تفنگ الکترونی طراحی شده در این مقاله حساسیت خوبی به ولتاژ دارد.
تأثیر نوسانات ولتاژ محرک بر روی پوشش‌های پرتو در جهت x و y.
میدان مغناطیسی متمرکز یکنواخت، یک سیستم متمرکزکننده آهنربای دائمی رایج است. به دلیل توزیع میدان مغناطیسی یکنواخت در سراسر کانال پرتو، برای پرتوهای الکترونی متقارن محوری بسیار مناسب است. در این بخش، یک سیستم متمرکزکننده مغناطیسی یکنواخت برای حفظ انتقال دوربرد پرتوهای مدادی دوتایی پیشنهاد شده است. با تجزیه و تحلیل میدان مغناطیسی تولید شده و پوشش پرتو، طرح طراحی سیستم متمرکزکننده پیشنهاد شده و مسئله حساسیت مورد مطالعه قرار گرفته است. طبق نظریه انتقال پایدار یک پرتو مدادی تکی18،19، مقدار میدان مغناطیسی بریلوئن را می‌توان با معادله (2) محاسبه کرد. در این مقاله، ما همچنین از این معادل‌سازی برای تخمین میدان مغناطیسی یک پرتو مدادی دوتایی با توزیع جانبی استفاده می‌کنیم. در ترکیب با تفنگ الکترونی طراحی شده در این مقاله، مقدار میدان مغناطیسی محاسبه شده حدود 4000 ژیوسان است. طبق مرجع 20، معمولاً در طرح‌های عملی 1.5 تا 2 برابر مقدار محاسبه شده انتخاب می‌شود.
شکل ۱۲ ساختار یک سیستم میدان متمرکزکننده میدان مغناطیسی یکنواخت را نشان می‌دهد. قسمت آبی، آهنربای دائمی مغناطیسی شده در جهت محوری است. انتخاب مواد NdFeB یا FeCoNi است. مقدار پسماند Br تنظیم شده در مدل شبیه‌سازی ۱.۳ تسلا و نفوذپذیری ۱.۰۵ است. به منظور اطمینان از انتقال پایدار پرتو در کل مدار، طول آهنربا در ابتدا روی ۷۰ میلی‌متر تنظیم شده است. علاوه بر این، اندازه آهنربا در جهت x تعیین می‌کند که آیا میدان مغناطیسی عرضی در کانال پرتو یکنواخت است یا خیر، که مستلزم آن است که اندازه در جهت x نتواند خیلی کوچک باشد. در عین حال، با توجه به هزینه و وزن کل لوله، اندازه آهنربا نباید خیلی بزرگ باشد. بنابراین، آهنرباها در ابتدا روی ۱۵۰ میلی‌متر × ۱۵۰ میلی‌متر × ۷۰ میلی‌متر تنظیم شده‌اند. در همین حال، برای اطمینان از اینکه کل مدار موج آهسته می‌تواند در سیستم متمرکزکننده قرار گیرد، فاصله بین آهنرباها روی ۲۰ میلی‌متر تنظیم شده است.
در سال ۲۰۱۵، پورنا چاندرا پاندا۲۱ یک قطعه قطبی با یک سوراخ پله‌ای جدید در یک سیستم فوکوس مغناطیسی یکنواخت پیشنهاد داد که می‌تواند میزان نشت شار به کاتد و میدان مغناطیسی عرضی تولید شده در سوراخ قطعه قطبی را بیشتر کاهش دهد. در این مقاله، ما یک ساختار پله‌ای به قطعه قطبی سیستم فوکوس اضافه می‌کنیم. ضخامت قطعه قطبی در ابتدا ۱.۵ میلی‌متر، ارتفاع و عرض سه پله ۰.۵ میلی‌متر و فاصله بین سوراخ‌های قطعه قطبی ۲ میلی‌متر است، همانطور که در شکل ۱۳ نشان داده شده است.
شکل 14a توزیع میدان مغناطیسی محوری را در امتداد خطوط مرکزی دو پرتو الکترونی نشان می‌دهد. می‌توان مشاهده کرد که نیروهای میدان مغناطیسی در امتداد دو پرتو الکترونی برابر هستند. مقدار میدان مغناطیسی حدود 6000 Gs است که 1.5 برابر میدان بریلوئن نظری برای افزایش عملکرد انتقال و تمرکز است. در عین حال، میدان مغناطیسی در کاتد تقریباً 0 است، که نشان می‌دهد قطعه قطب تأثیر خوبی در جلوگیری از نشت شار مغناطیسی دارد. شکل 14b توزیع میدان مغناطیسی عرضی را در جهت z در لبه بالایی دو پرتو الکترونی نشان می‌دهد. می‌توان مشاهده کرد که میدان مغناطیسی عرضی فقط در سوراخ قطعه قطب کمتر از 200 Gs است، در حالی که در مدار موج آهسته، میدان مغناطیسی عرضی تقریباً صفر است، که ثابت می‌کند تأثیر میدان مغناطیسی عرضی بر پرتو الکترونی ناچیز است. برای جلوگیری از اشباع مغناطیسی قطعات قطب، لازم است قدرت میدان مغناطیسی داخل قطعات قطب مطالعه شود. شکل 14c مقدار مطلق توزیع میدان مغناطیسی داخل قطعه قطب را نشان می‌دهد. می‌توان مشاهده کرد که مقدار مطلق شدت میدان مغناطیسی کمتر از ۱.۲T است، که نشان می‌دهد اشباع مغناطیسی قطعه قطب رخ نخواهد داد.
توزیع قدرت میدان مغناطیسی برای Br = 1.3 T. (الف) توزیع میدان محوری. (ب) توزیع میدان جانبی By در جهت z. (ج) مقدار مطلق توزیع میدان در قطعه قطب.
بر اساس ماژول CST PS، موقعیت نسبی محوری تفنگ پرتو دوگانه و سیستم فوکوس بهینه شده است. طبق مرجع 9 و شبیه‌سازی‌ها، مکان بهینه جایی است که قطعه آند با قطعه قطب از آهنربا همپوشانی داشته باشد. با این حال، مشخص شد که اگر پسماند روی 1.3 تسلا تنظیم شود، عبور پرتو الکترونی نمی‌تواند به 99٪ برسد. با افزایش پسماند به 1.4 تسلا، میدان مغناطیسی متمرکز به 6500 گیگا ثانیه افزایش می‌یابد. مسیرهای پرتو روی صفحات xoz و yoz در شکل 15 نشان داده شده است. مشاهده می‌شود که پرتو عبور خوبی دارد، نوسان کمی دارد و فاصله عبور آن بیش از 45 میلی‌متر است.
مسیر پرتوهای مدادی دوتایی تحت یک سیستم مغناطیسی همگن با Br = 1.4 T. (الف) صفحه xoz. (ب) هواپیمای yoz.
شکل ۱۶ سطح مقطع پرتو را در موقعیت‌های مختلف دور از کاتد نشان می‌دهد. مشاهده می‌شود که شکل مقطع پرتو در سیستم کانونی به خوبی حفظ شده است و قطر مقطع تغییر چندانی نمی‌کند. شکل ۱۷ به ترتیب پوشش‌های پرتو را در جهت‌های x و y نشان می‌دهد. مشاهده می‌شود که نوسان پرتو در هر دو جهت بسیار کم است. شکل ۱۸ نتایج شبیه‌سازی جریان پرتو را نشان می‌دهد. نتایج نشان می‌دهد که جریان حدود ۲ × ۸۰ میلی‌آمپر است که با مقدار محاسبه شده در طراحی تفنگ الکترونی سازگار است.
سطح مقطع پرتو الکترونی (با سیستم کانونی) در موقعیت‌های مختلف و دور از کاتد.
با توجه به مجموعه‌ای از مشکلات مانند خطاهای مونتاژ، نوسانات ولتاژ و تغییرات در قدرت میدان مغناطیسی در کاربردهای پردازش عملی، تجزیه و تحلیل حساسیت سیستم فوکوس ضروری است. از آنجا که در پردازش واقعی بین قطعه آند و قطعه قطب فاصله وجود دارد، این فاصله باید در شبیه‌سازی تنظیم شود. مقدار فاصله روی 0.2 میلی‌متر تنظیم شده است و شکل 19a پوشش پرتو و جریان پرتو را در جهت y نشان می‌دهد. این نتیجه نشان می‌دهد که تغییر در پوشش پرتو قابل توجه نیست و جریان پرتو به سختی تغییر می‌کند. بنابراین، سیستم نسبت به خطاهای مونتاژ حساس نیست. برای نوسان ولتاژ محرک، محدوده خطا روی ±0.5 کیلوولت تنظیم شده است. شکل 19b نتایج مقایسه را نشان می‌دهد. مشاهده می‌شود که تغییر ولتاژ تأثیر کمی بر پوشش پرتو دارد. محدوده خطا برای تغییرات در قدرت میدان مغناطیسی از -0.02 تا +0.03 T تنظیم شده است. نتایج مقایسه در شکل 20 نشان داده شده است. مشاهده می‌شود که پوشش پرتو به سختی تغییر می‌کند، به این معنی که کل EOS نسبت به تغییرات در قدرت میدان مغناطیسی حساس نیست.
نتایج پوشش پرتو و جریان تحت یک سیستم فوکوس مغناطیسی یکنواخت. (الف) تلرانس مونتاژ 0.2 میلی‌متر است. (ب) نوسان ولتاژ محرک ±0.5 کیلوولت است.
پوشش پرتو تحت یک سیستم کانونی مغناطیسی یکنواخت با نوسانات قدرت میدان مغناطیسی محوری از 0.63 تا 0.68 تسلا.
برای اطمینان از اینکه سیستم فوکوس طراحی شده در این مقاله می‌تواند با HFS مطابقت داشته باشد، لازم است سیستم فوکوس و HFS برای تحقیق ترکیب شوند. شکل 21 مقایسه‌ای از پوشش پرتو با و بدون بارگذاری HFS را نشان می‌دهد. نتایج نشان می‌دهد که پوشش پرتو هنگام بارگذاری کل HFS تغییر زیادی نمی‌کند. بنابراین، سیستم فوکوس برای HFS لوله موج رونده طرح فوق مناسب است.
برای تأیید صحت EOS پیشنهادی در بخش سوم و بررسی عملکرد SDV-TWT با فرکانس 220 گیگاهرتز، یک شبیه‌سازی سه‌بعدی PIC از برهمکنش پرتو-موج انجام می‌شود. به دلیل محدودیت‌های نرم‌افزار شبیه‌سازی، ما نتوانستیم کل EOS را به HFS اضافه کنیم. بنابراین، تفنگ الکترونی با یک سطح ساطع‌کننده معادل با قطر 0.13 میلی‌متر و فاصله بین دو سطح 0.31 میلی‌متر جایگزین شد، همان پارامترهای تفنگ الکترونی طراحی شده در بالا. به دلیل عدم حساسیت و پایداری خوب EOS، ولتاژ محرک را می‌توان به درستی بهینه کرد تا به بهترین توان خروجی در شبیه‌سازی PIC دست یافت. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که توان خروجی اشباع و بهره را می‌توان در ولتاژ محرک 20.6 کیلوولت، جریان پرتو 2 × 80 میلی‌آمپر (603 آمپر بر سانتی‌متر مربع) و توان ورودی 0.05 وات به دست آورد.
برای به دست آوردن بهترین سیگنال خروجی، تعداد سیکل‌ها نیز باید بهینه شود. بهترین توان خروجی زمانی حاصل می‌شود که تعداد دو مرحله ۴۲ + ۴۸ سیکل باشد، همانطور که در شکل ۲۲a نشان داده شده است. یک سیگنال ورودی ۰.۰۵ وات با بهره ۳۸ دسی‌بل به ۳۱۴ وات تقویت می‌شود. طیف توان خروجی به دست آمده از تبدیل سریع فوریه (FFT) خالص است و در ۲۲۰ گیگاهرتز به اوج خود می‌رسد. شکل ۲۲b توزیع موقعیت محوری انرژی الکترون در SWS را نشان می‌دهد، که در آن بیشتر الکترون‌ها انرژی از دست می‌دهند. این نتیجه نشان می‌دهد که SDV-SWS می‌تواند انرژی جنبشی الکترون‌ها را به سیگنال‌های RF تبدیل کند و در نتیجه تقویت سیگنال را محقق سازد.
سیگنال خروجی SDV-SWS در فرکانس ۲۲۰ گیگاهرتز. (الف) توان خروجی با طیف گنجانده شده. (ب) توزیع انرژی الکترون‌ها با پرتو الکترونی در انتهای تصویر الحاقی SWS.
شکل ۲۳ پهنای باند توان خروجی و بهره یک SDV-TWT دو پرتوی دو حالته را نشان می‌دهد. عملکرد خروجی را می‌توان با تغییر فرکانس‌ها از ۲۰۰ تا ۲۷۵ گیگاهرتز و بهینه‌سازی ولتاژ درایو، بیشتر بهبود بخشید. این نتیجه نشان می‌دهد که پهنای باند ۳ دسی‌بل می‌تواند ۲۰۵ تا ۲۷۵ گیگاهرتز را پوشش دهد، به این معنی که عملکرد دو حالته می‌تواند پهنای باند عملیاتی را تا حد زیادی گسترش دهد.
با این حال، طبق شکل 2a، می‌دانیم که یک باند توقف بین حالت‌های زوج و فرد وجود دارد که ممکن است منجر به نوسانات ناخواسته شود. بنابراین، پایداری کار در اطراف این باندها باید مورد مطالعه قرار گیرد. شکل‌های 24a-c نتایج شبیه‌سازی 20 نانوثانیه‌ای به ترتیب در 265.3 گیگاهرتز، 265.35 گیگاهرتز و 265.4 گیگاهرتز هستند. مشاهده می‌شود که اگرچه نتایج شبیه‌سازی دارای برخی نوسانات هستند، اما توان خروجی نسبتاً پایدار است. طیف نیز به ترتیب در شکل 24 نشان داده شده است، طیف خالص است. این نتایج نشان می‌دهد که هیچ نوسان خودکاری در نزدیکی باند توقف وجود ندارد.
ساخت و اندازه‌گیری برای تأیید صحت کل HFS ضروری است. در این بخش، HFS با استفاده از فناوری کنترل عددی کامپیوتری (CNC) با قطر ابزار 0.1 میلی‌متر و دقت ماشینکاری 10 میکرومتر ساخته شده است. ماده مورد نیاز برای ساختار فرکانس بالا از مس با رسانایی بالا (OFHC) بدون اکسیژن تأمین می‌شود. شکل 25a ساختار ساخته شده را نشان می‌دهد. کل ساختار دارای طول 66.00 میلی‌متر، عرض 20.00 میلی‌متر و ارتفاع 8.66 میلی‌متر است. هشت سوراخ پین در اطراف ساختار توزیع شده‌اند. شکل 25b ساختار را با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) نشان می‌دهد. تیغه‌های این ساختار به طور یکنواخت تولید شده‌اند و زبری سطح خوبی دارند. پس از اندازه‌گیری دقیق، خطای کلی ماشینکاری کمتر از 5٪ و زبری سطح حدود 0.4 میکرومتر است. ساختار ماشینکاری الزامات طراحی و دقت را برآورده می‌کند.
شکل ۲۶ مقایسه بین نتایج آزمایش واقعی و شبیه‌سازی عملکرد انتقال را نشان می‌دهد. پورت ۱ و پورت ۲ در شکل ۲۶a به ترتیب مربوط به پورت‌های ورودی و خروجی HFS هستند و معادل پورت ۱ و پورت ۴ در شکل ۳ می‌باشند. نتایج اندازه‌گیری واقعی S11 کمی بهتر از نتایج شبیه‌سازی است. در عین حال، نتایج اندازه‌گیری شده S21 کمی بدتر است. دلیل آن ممکن است این باشد که رسانایی ماده تنظیم شده در شبیه‌سازی بسیار بالا است و زبری سطح پس از ماشینکاری واقعی ضعیف است. به طور کلی، نتایج اندازه‌گیری شده با نتایج شبیه‌سازی مطابقت خوبی دارند و پهنای باند انتقال، الزام ۷۰ گیگاهرتز را برآورده می‌کند که امکان‌سنجی و صحت SDV-TWT دو حالته پیشنهادی را تأیید می‌کند. بنابراین، همراه با فرآیند ساخت واقعی و نتایج آزمایش، طرح SDV-TWT دو پرتوی فوق پهن باند پیشنهادی در این مقاله می‌تواند برای ساخت و کاربردهای بعدی مورد استفاده قرار گیرد.
در این مقاله، طراحی دقیقی از یک SDV-TWT دو پرتوی با توزیع مسطح ۲۲۰ گیگاهرتز ارائه شده است. ترکیب عملکرد دو حالته و تحریک دو پرتو، پهنای باند عملیاتی و توان خروجی را بیشتر افزایش می‌دهد. ساخت و آزمایش سرد نیز برای تأیید صحت کل HFS انجام شده است. نتایج اندازه‌گیری واقعی با نتایج شبیه‌سازی مطابقت خوبی دارند. برای EOS دو پرتوی طراحی شده، از یک بخش ماسک و الکترودهای کنترل برای تولید یک پرتو دو مدادی با هم استفاده شده است. تحت میدان مغناطیسی متمرکز یکنواخت طراحی شده، پرتو الکترونی می‌تواند به طور پایدار در فواصل طولانی با شکل خوب منتقل شود. در آینده، تولید و آزمایش EOS انجام خواهد شد و آزمایش حرارتی کل TWT نیز انجام خواهد شد. این طرح طراحی SDV-TWT که در این مقاله پیشنهاد شده است، فناوری پردازش صفحه‌ای بالغ فعلی را به طور کامل ترکیب می‌کند و پتانسیل بالایی را در شاخص‌های عملکرد و پردازش و مونتاژ نشان می‌دهد. بنابراین، این مقاله معتقد است که ساختار مسطح به احتمال زیاد به روند توسعه دستگاه‌های الکترونیکی خلاء در باند تراهرتز تبدیل خواهد شد.
بیشتر داده‌های خام و مدل‌های تحلیلی این مطالعه در این مقاله گنجانده شده است. اطلاعات مرتبط بیشتر را می‌توان بنا به درخواست معقول از نویسنده مسئول دریافت کرد.
گامزینا، دی. و همکاران. ماشینکاری CNC نانومقیاس الکترونیک خلاء زیر تراهرتز. IEEE Trans.electronic devices.63، 4067–4073 (2016).
ملک آبادی، ا. و پائولونی، س. میکروساخت موجبرهای زیر تراهرتز با استفاده از فتورزیست چندلایه SU-8 با استفاده از UV-LIGA. مجله میکرومکانیک.میکروالکترونیک.26، 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
دیلون، اس اس و همکاران. نقشه راه فناوری تراهرتز ۲۰۱۷. مجله فیزیک. دی برای اعمال.فیزیک. ۵۰، ۰۴۳۰۰۱. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (۲۰۱۷).
شین، وای.ام، بارنت، ال.آر. و لومان، کارولینای شمالی، محصورسازی قوی انتشار موج پلاسمونیک از طریق موجبرهای دوگانه توری پلکانی فوق‌العاده پهن‌باند.application.physics.Wright.93، 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
بیگ، آ. و همکاران. عملکرد یک تقویت‌کننده لوله موج رونده ۲۲۰ گیگاهرتزی ماشینکاری شده با نانو CNC. IEEE Trans.electronic devices.64، ۵۹۰–۵۹۲ (۲۰۱۷).
هان، ی. و روآن، سی. جی. بررسی ناپایداری دیوکوترون پرتوهای الکترونی با صفحه بی‌نهایت پهن با استفاده از نظریه مدل سیال سرد ماکروسکوپی. Chin Phys B. 20، 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy، AV در مورد فرصت افزایش پهنای باند با طرح مسطح پرتو در یک کلایسترون چند پرتوی. در دوازدهمین کنفرانس بین‌المللی IEEE در مورد الکترونیک خلاء، بنگلور، هند، 5747003، 317-318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
نگوین، سی‌جی و همکاران. طراحی تفنگ‌های الکترونی سه پرتویی با توزیع صفحه تقسیم باریک پرتو در لامپ موج رونده دو تیغه‌ای متناوب باند W [J]. Science.Rep. 11، 940. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
وانگ، پی پی، سو، وای وای، ژانگ، زد.، وانگ، دبلیو بی و روآن، سی جی. سیستم نوری الکترونی سه پرتوی توزیع‌شده مسطح با جداسازی باریک پرتو برای حالت بنیادی باند W. TWT.IEEE Trans.electronic devices.68، 5215–5219 (2021).
ژان، م. تحقیق روی لوله موج سیار دو تیغه‌ای درهم‌تنیده با تیرهای ورقه‌ای موج میلی‌متری ۲۰-۲۲ (دکترا، دانشگاه بیهانگ، ۲۰۱۸).
روان، سی‌جی، ژانگ، اچ‌اف، تائو، جی. و هی، وای. مطالعه پایداری برهمکنش پرتو-موج یک لوله موج رونده دو تیغه‌ای درهم‌تنیده باند جی. چهل و سومین کنفرانس بین‌المللی امواج میلی‌متری و تراهرتز مادون قرمز، ناگویا. 2018، 8510263، https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).