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इस पत्र में, एक 220GHz ब्रॉडबैंड उच्च-शक्ति इंटरलीव्ड डबल-ब्लेड ट्रैवलिंग वेव ट्यूब को डिज़ाइन और सत्यापित किया गया है। सबसे पहले, एक प्लानर डबल-बीम कंपित डबल-ब्लेड स्लो-वेव संरचना प्रस्तावित है। दोहरे-मोड ऑपरेशन योजना का उपयोग करके, ट्रांसमिशन प्रदर्शन और बैंडविड्थ लगभग एकल-मोड से दोगुना है। दूसरे, उच्च आउटपुट पावर की आवश्यकताओं को पूरा करने और ट्रैवलिंग वेव ट्यूब की स्थिरता में सुधार करने के लिए, एक डबल पेंसिल के आकार का इलेक्ट्रॉनिक ऑप्टिकल सिस्टम डिज़ाइन किया गया है, ड्राइविंग वोल्टेज 20 ~ 21 केवी है, और वर्तमान 2 × 80 एमए है। डिजाइन लक्ष्य। डबल बीम गन में मास्क भाग और नियंत्रण इलेक्ट्रोड का उपयोग करके, दो पेंसिल बीम को उनके संबंधित केंद्रों के साथ 7 के संपीड़न अनुपात के साथ केंद्रित किया जा सकता है, फोकसिंग दूरी लगभग 0.18 मिमी है, और स्थिरता अच्छी है संपूर्ण उच्च आवृत्ति प्रणाली (HFS) को कवर करने के लिए पर्याप्त है। फिर, इलेक्ट्रॉन-ऑप्टिकल प्रणाली की प्रयोज्यता और धीमी-तरंग संरचना के प्रदर्शन को सत्यापित करने के लिए, पूरे HFS पर कण सेल (PIC) सिमुलेशन भी किए गए थे। परिणाम दिखाते हैं कि बीम-इंटरैक्शन सिस्टम 220 गीगाहर्ट्ज पर लगभग 310 डब्ल्यू की पीक आउटपुट पावर प्राप्त कर सकता है, अनुकूलित बीम वोल्टेज 20.6 केवी है, बीम वर्तमान 2 × 80 एमए है, लाभ 38 डीबी है, और 3-डीबी बैंडविड्थ 70 गीगाहर्ट्ज के बारे में 35 डीबी से अधिक है। अंत में, एचएफएस के प्रदर्शन को सत्यापित करने के लिए उच्च परिशुद्धता माइक्रोस्ट्रक्चर फैब्रिकेशन का प्रदर्शन किया जाता है, और परिणाम दिखाते हैं कि बैंडविड्थ और ट्रांसमिशन विशेषताएं सिमुलेशन परिणामों के साथ अच्छे समझौते में हैं।
पारंपरिक वैक्यूम इलेक्ट्रॉनिक उपकरण के रूप में, ट्रैवलिंग वेव ट्यूब (TWT) कई अनुप्रयोगों में एक अपूरणीय भूमिका निभाता है जैसे कि उच्च-रिज़ॉल्यूशन रडार, उपग्रह संचार प्रणाली और अंतरिक्ष अन्वेषण1,2,3। हालाँकि, जैसे ही ऑपरेटिंग आवृत्ति टेराहर्ट्ज़ बैंड में प्रवेश करती है, पारंपरिक युग्मित-गुहा TWT और हेलिकल TWT अपेक्षाकृत कम आउटपुट पावर, संकीर्ण बैंडविड्थ और कठिन विनिर्माण प्रक्रियाओं के कारण लोगों की ज़रूरतों को पूरा करने में असमर्थ रहे हैं। इसलिए, THz बैंड के प्रदर्शन में व्यापक रूप से सुधार कैसे किया जाए, यह कई वैज्ञानिक अनुसंधान संस्थानों के लिए एक बहुत ही चिंता का विषय बन गया है। हाल के वर्षों में, उपन्यास धीमी-तरंग संरचनाएं (एसडब्ल्यूएस), जैसे कि कंपित दोहरे ब्लेड (एसडीवी) संरचनाएं और फोल्ड वेवगाइड (एफडब्ल्यू) संरचनाएं, UV-LIGA, ऑल-मेटल पैकेज संरचना उच्च आउटपुट पावर और लाभ के साथ बड़ी थर्मल क्षमता प्रदान कर सकती है, और वेवगाइड जैसी संरचना एक व्यापक कार्यशील बैंडविड्थ भी प्रदान कर सकती है। वर्तमान में, यूसी डेविस ने 2017 में पहली बार प्रदर्शित किया कि SDV-TWT 100 W से अधिक उच्च-शक्ति आउटपुट और G-बैंड5 में लगभग 14 GHz बैंडविड्थ सिग्नल उत्पन्न कर सकता है। हालाँकि, इन परिणामों में अभी भी अंतराल हैं जो टेराहर्ट्ज़ बैंड में उच्च शक्ति और विस्तृत बैंडविड्थ की संबंधित आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर सकते हैं। यूसी-डेविस के जी-बैंड एसडीवी-टीडब्ल्यूटी के लिए, शीट इलेक्ट्रॉन बीम का उपयोग किया गया है। यद्यपि यह योजना बीम की वर्तमान-वहन क्षमता में काफी सुधार कर सकती है - उत्तेजना और दोलन 6,7. उच्च आउटपुट पावर, विस्तृत बैंडविड्थ और THz TWT की अच्छी स्थिरता की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, इस पेपर में दोहरे मोड ऑपरेशन के साथ एक दोहरे बीम SDV-SWS का प्रस्ताव है। यही है, ऑपरेटिंग बैंडविड्थ को बढ़ाने के लिए, इस संरचना में दोहरे मोड ऑपरेशन का प्रस्ताव और परिचय दिया गया है। और, आउटपुट पावर को बढ़ाने के लिए, डबल पेंसिल बीम का एक प्लानर वितरण भी उपयोग किया जाता है। ऊर्ध्वाधर आकार की बाधाओं के कारण सिंगल पेंसिल बीम रेडियो अपेक्षाकृत छोटे होते हैं। यदि वर्तमान घनत्व बहुत अधिक है, तो बीम करंट को कम किया जाना चाहिए, जिसके परिणामस्वरूप अपेक्षाकृत कम आउटपुट पावर होगी। बीम करंट को बेहतर बनाने के लिए, प्लानर वितरित मल्टीबीम EOS उभरा है, जो SWS के पार्श्व आकार का फायदा उठाता है। स्वतंत्र बीम टनलिंग के कारण, प्लानर वितरित मल्टी-बीम उच्च कुल बीम करंट और प्रति बीम एक छोटा करंट बनाए रखकर उच्च आउटपुट पावर प्राप्त कर सकता है, जो शीट-बीम उपकरणों की तुलना में ओवरमोड बीम टनलिंग से बच सकता है। इसलिए, यात्रा तरंग की स्थिरता बनाए रखना फायदेमंद है ट्यूब। पिछले कार्य 8,9 के आधार पर, यह पत्र एक जी-बैंड समान चुंबकीय क्षेत्र फोकसिंग डबल पेंसिल बीम ईओएस का प्रस्ताव करता है, जो बीम की स्थिर संचरण दूरी में काफी सुधार कर सकता है और बीम इंटरैक्शन क्षेत्र को और बढ़ा सकता है, जिससे आउटपुट पावर में काफी सुधार होता है।
इस पत्र की संरचना इस प्रकार है। सबसे पहले, मापदंडों के साथ SWS सेल डिजाइन, फैलाव विशेषताओं का विश्लेषण और उच्च आवृत्ति सिमुलेशन परिणाम वर्णित हैं। फिर, यूनिट सेल की संरचना के अनुसार, इस पत्र में एक डबल पेंसिल बीम ईओएस और बीम इंटरैक्शन सिस्टम डिज़ाइन किया गया है। ईओएस की प्रयोज्यता और एसडीवी-टीडब्ल्यूटी के प्रदर्शन को सत्यापित करने के लिए इंट्रासेल्युलर कण सिमुलेशन परिणाम भी प्रस्तुत किए गए हैं। इसके अलावा, पेपर पूरे एचएफएस की शुद्धता को सत्यापित करने के लिए निर्माण और ठंड परीक्षण के परिणामों को संक्षेप में प्रस्तुत करता है। अंत में एक सारांश बनाएं।
TWT के सबसे महत्वपूर्ण घटकों में से एक के रूप में, धीमी-तरंग संरचना के फैलाव गुण यह संकेत देते हैं कि क्या इलेक्ट्रॉन वेग SWS के चरण वेग से मेल खाता है, और इस प्रकार बीम-तरंग इंटरैक्शन पर बहुत अधिक प्रभाव पड़ता है। पूरे TWT के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए, एक बेहतर इंटरैक्शन संरचना तैयार की गई है। यूनिट सेल की संरचना चित्र 1 में दिखाई गई है। शीट बीम की अस्थिरता और एकल पेन बीम की शक्ति सीमा को ध्यान में रखते हुए, संरचना आउटपुट पावर और संचालन स्थिरता को और बेहतर बनाने के लिए एक डबल पेन बीम को अपनाती है। इस बीच, कार्यशील बैंडविड्थ को बढ़ाने के लिए, SWS को संचालित करने के लिए एक दोहरे मोड का प्रस्ताव दिया गया है। SDV संरचना की समरूपता के कारण, विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र फैलाव समीकरण के समाधान को विषम और सम मोड में विभाजित किया जा सकता है
बिजली की आवश्यकताओं के अनुसार, पूरे ट्यूब को 20 kV के ड्राइविंग वोल्टेज और 2 × 80 mA के डबल बीम करंट के साथ डिज़ाइन किया गया है। SDV-SWS के ऑपरेटिंग बैंडविड्थ के साथ वोल्टेज को यथासंभव निकटता से मिलाने के लिए, हमें अवधि p की लंबाई की गणना करने की आवश्यकता है। बीम वोल्टेज और अवधि के बीच संबंध समीकरण (1)10 में दिखाया गया है:
220 गीगाहर्ट्ज की केंद्र आवृत्ति पर चरण शिफ्ट को 2.5π पर सेट करके, अवधि पी की गणना 0.46 मिमी की जा सकती है। चित्र 2 ए एसडब्ल्यूएस यूनिट सेल के फैलाव गुणों को दर्शाता है। 20 केवी बीमलाइन बिमोडल वक्र से बहुत अच्छी तरह मेल खाती है। मिलान आवृत्ति बैंड 210-265.3 गीगाहर्ट्ज (विषम मोड) और 265.4-280 गीगाहर्ट्ज (सम मोड) श्रेणियों में लगभग 70 गीगाहर्ट्ज तक पहुंच सकते हैं। चित्र 2 बी औसत युग्मन प्रतिबाधा दिखाता है, जो 210 से 290 गीगाहर्ट्ज तक 0.6 Ω से अधिक है, जो दर्शाता है कि ऑपरेटिंग बैंडविड्थ में मजबूत इंटरैक्शन हो सकता है।
(ए) 20 केवी इलेक्ट्रॉन बीमलाइन के साथ दोहरे मोड एसडीवी-एसडब्ल्यूएस की फैलाव विशेषताएं। (बी) एसडीवी धीमी-तरंग सर्किट की इंटरेक्शन प्रतिबाधा।
हालांकि, यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि विषम और सम मोड के बीच एक बैंड गैप है, और हम आमतौर पर इस बैंड गैप को स्टॉप बैंड के रूप में संदर्भित करते हैं, जैसा कि चित्रा 2 ए में दिखाया गया है। यदि टीडब्ल्यूटी को इस आवृत्ति बैंड के पास संचालित किया जाता है, तो मजबूत बीम युग्मन शक्ति हो सकती है, जो अवांछित दोलनों को जन्म देगी। व्यावहारिक अनुप्रयोगों में, हम आमतौर पर स्टॉपबैंड के पास टीडब्ल्यूटी का उपयोग करने से बचते हैं। हालांकि, यह देखा जा सकता है कि इस धीमी-तरंग संरचना का बैंड गैप केवल 0.1 गीगाहर्ट्ज है। यह निर्धारित करना मुश्किल है कि क्या यह छोटा बैंड गैप दोलनों का कारण बनता है। इसलिए, स्टॉप बैंड के आसपास संचालन की स्थिरता का विश्लेषण करने के लिए निम्नलिखित पीआईसी सिमुलेशन अनुभाग में जांच की जाएगी कि क्या अवांछित दोलन हो सकते हैं।
संपूर्ण HFS का मॉडल चित्र 3 में दिखाया गया है। इसमें SDV-SWS के दो चरण होते हैं, जो ब्रैग रिफ्लेक्टर द्वारा जुड़े होते हैं। रिफ्लेक्टर का कार्य दो चरणों के बीच सिग्नल ट्रांसमिशन को काटना, ऊपरी और निचले ब्लेड के बीच उत्पन्न उच्च-क्रम मोड जैसे गैर-कार्यशील मोड के दोलन और प्रतिबिंब को दबाना है, जिससे पूरे ट्यूब की स्थिरता में काफी सुधार होता है। बाहरी वातावरण से कनेक्शन के लिए, SWS को WR-4 मानक वेवगाइड से जोड़ने के लिए एक रैखिक पतला युग्मक का भी उपयोग किया जाता है। दो-स्तरीय संरचना का संचरण गुणांक 3D सिमुलेशन सॉफ्टवेयर में टाइम डोमेन सॉल्वर द्वारा मापा जाता है। सामग्री पर टेराहर्ट्ज़ बैंड के वास्तविक प्रभाव को ध्यान में रखते हुए,
चित्र 4 में रैखिक टेपर्ड कप्लर्स के साथ और बिना एचएफएस के लिए संचरण परिणाम दिखाए गए हैं। परिणाम दर्शाते हैं कि कप्लर का संपूर्ण एचएफएस के संचरण प्रदर्शन पर बहुत कम प्रभाव पड़ता है। 207~280 गीगाहर्ट्ज ब्रॉडबैंड में संपूर्ण सिस्टम का रिटर्न लॉस (एस11 < - 10 डीबी) और इंसर्शन लॉस (एस21 > - 5 डीबी) दर्शाता है कि एचएफएस में अच्छी संचरण विशेषताएं हैं।
वैक्यूम इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की बिजली आपूर्ति के रूप में, इलेक्ट्रॉन गन सीधे यह निर्धारित करती है कि उपकरण पर्याप्त आउटपुट पावर उत्पन्न कर सकता है या नहीं। अनुभाग II में HFS के विश्लेषण के साथ, एक दोहरे बीम EOS को पर्याप्त शक्ति प्रदान करने के लिए डिज़ाइन करने की आवश्यकता है। इस भाग में, W-बैंड 8,9 में पिछले काम के आधार पर, एक डबल पेंसिल इलेक्ट्रॉन गन को प्लानर मास्क भाग और नियंत्रण इलेक्ट्रोड का उपयोग करके डिज़ाइन किया गया है। सबसे पहले, सेक्ट में SWS की डिज़ाइन आवश्यकताओं के अनुसार। जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। 2, इलेक्ट्रॉन बीम के ड्राइविंग वोल्टेज यूए को शुरू में 20 केवी पर सेट किया गया है, दो इलेक्ट्रॉन बीम की धाराएं I दोनों 80 एमए हैं, और इलेक्ट्रॉन बीम का बीम व्यास dw 0.13 मिमी है। उसी समय, यह सुनिश्चित करने के लिए कि इलेक्ट्रॉन बीम और कैथोड की वर्तमान घनत्व प्राप्त की जा सकती है, इलेक्ट्रॉन बीम का संपीड़न अनुपात 7 पर सेट किया गया है, इसलिए इलेक्ट्रॉन बीम की वर्तमान घनत्व 603 ए / सेमी 2 है, और कैथोड की वर्तमान घनत्व 86 ए / सेमी 2 है, जिसे प्राप्त किया जा सकता है यह नई कैथोड सामग्री का उपयोग करके हासिल किया जाता है। डिजाइन सिद्धांत 14, 15, 16, 17 के अनुसार, एक विशिष्ट पियर्स इलेक्ट्रॉन बंदूक को विशिष्ट रूप से पहचाना जा सकता है।
चित्र 5 में क्रमशः गन के क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर योजनाबद्ध आरेख दिखाए गए हैं। यह देखा जा सकता है कि x-दिशा में इलेक्ट्रॉन गन का प्रोफ़ाइल एक सामान्य शीट जैसी इलेक्ट्रॉन गन के लगभग समान है, जबकि y-दिशा में दो इलेक्ट्रॉन बीम आंशिक रूप से मास्क द्वारा अलग किए गए हैं। दो कैथोड की स्थिति क्रमशः x = - 0.155 मिमी, y = 0 मिमी और x = 0.155 मिमी, y = 0 मिमी पर है। संपीड़न अनुपात और इलेक्ट्रॉन इंजेक्शन आकार की डिज़ाइन आवश्यकताओं के अनुसार, दो कैथोड सतहों के आयाम 0.91 मिमी × 0.13 मिमी निर्धारित किए गए हैं।
एक्स-दिशा में प्रत्येक इलेक्ट्रॉन बीम द्वारा प्राप्त फोकस किए गए विद्युत क्षेत्र को अपने केंद्र के बारे में सममित बनाने के लिए, यह पेपर इलेक्ट्रॉन गन पर एक नियंत्रण इलेक्ट्रोड लागू करता है। फोकसिंग इलेक्ट्रोड और नियंत्रण इलेक्ट्रोड के वोल्टेज को -20 केवी पर सेट करके, और एनोड के वोल्टेज को 0 वी पर सेट करके, हम दोहरी बीम गन के प्रक्षेपवक्र वितरण को प्राप्त कर सकते हैं, जैसा कि चित्र 6 में दिखाया गया है। यह देखा जा सकता है कि उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों में वाई-दिशा में अच्छी संपीड़नशीलता है, और प्रत्येक इलेक्ट्रॉन बीम समरूपता के अपने केंद्र के साथ एक्स-दिशा की ओर अभिसरित होता है, जो इंगित करता है कि नियंत्रण इलेक्ट्रोड फोकसिंग इलेक्ट्रोड द्वारा उत्पन्न असमान विद्युत क्षेत्र को संतुलित करता है।
चित्र 7 में x और y दिशाओं में बीम लिफाफा दिखाया गया है। परिणाम दर्शाते हैं कि x-दिशा में इलेक्ट्रॉन बीम की प्रक्षेपण दूरी y-दिशा से भिन्न है। x दिशा में फेंक दूरी लगभग 4 मिमी है, और y दिशा में फेंक दूरी 7 मिमी के करीब है। इसलिए, वास्तविक फेंक दूरी 4 और 7 मिमी के बीच चुनी जानी चाहिए। चित्र 8 में कैथोड सतह से 4.6 मिमी पर इलेक्ट्रॉन बीम का क्रॉस-सेक्शन दिखाया गया है। हम देख सकते हैं कि क्रॉस सेक्शन का आकार एक मानक गोलाकार इलेक्ट्रॉन बीम के सबसे करीब है। दो इलेक्ट्रॉन बीम के बीच की दूरी डिज़ाइन किए गए 0.31 मिमी के करीब है, और त्रिज्या लगभग 0.13 मिमी है, जो डिज़ाइन की आवश्यकताओं को पूरा करती है। चित्र 9 में बीम करंट के सिमुलेशन परिणाम दिखाए गए हैं। यह देखा जा सकता है कि दो बीम करंट 76mA हैं, जो डिज़ाइन किए गए 80mA के साथ अच्छे समझौते में है।
व्यावहारिक अनुप्रयोगों में ड्राइविंग वोल्टेज के उतार-चढ़ाव को ध्यान में रखते हुए, इस मॉडल की वोल्टेज संवेदनशीलता का अध्ययन करना आवश्यक है। 19.8 ~ 20.6 केवी की वोल्टेज रेंज में, वर्तमान और बीम वर्तमान लिफाफे प्राप्त होते हैं, जैसा कि चित्रा 1 और चित्रा 1.10 और 11 में दिखाया गया है। परिणामों से, यह देखा जा सकता है कि ड्राइविंग वोल्टेज के परिवर्तन का इलेक्ट्रॉन बीम लिफाफे पर कोई प्रभाव नहीं पड़ता है, और इलेक्ट्रॉन बीम वर्तमान केवल 0.74 से 0.78 ए तक बदलता है। इसलिए, यह माना जा सकता है कि इस पेपर में डिज़ाइन की गई इलेक्ट्रॉन गन में वोल्टेज के प्रति अच्छी संवेदनशीलता है।
एक्स- और वाई-दिशा बीम लिफाफे पर ड्राइविंग वोल्टेज उतार-चढ़ाव का प्रभाव।
एक समान चुंबकीय फ़ोकसिंग क्षेत्र एक सामान्य स्थायी चुंबक फ़ोकसिंग प्रणाली है। पूरे बीम चैनल में एक समान चुंबकीय क्षेत्र वितरण के कारण, यह अक्षीय सममित इलेक्ट्रॉन बीम के लिए बहुत उपयुक्त है। इस खंड में, डबल पेंसिल बीम के लंबी दूरी के संचरण को बनाए रखने के लिए एक समान चुंबकीय फ़ोकसिंग प्रणाली प्रस्तावित है। उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र और बीम लिफ़ाफ़े का विश्लेषण करके, फ़ोकसिंग प्रणाली की डिज़ाइन योजना प्रस्तावित है, और संवेदनशीलता की समस्या का अध्ययन किया गया है। एकल पेंसिल बीम 18,19 के स्थिर संचरण सिद्धांत के अनुसार, ब्रिलॉइन चुंबकीय क्षेत्र का मान समीकरण (2) द्वारा गणना की जा सकती है। इस पत्र में, हम इस तुल्यता का उपयोग पार्श्व रूप से वितरित डबल पेंसिल बीम के चुंबकीय क्षेत्र का अनुमान लगाने के लिए भी करते हैं
चित्र 12 एक समान चुंबकीय क्षेत्र फ़ोकसिंग फ़ील्ड सिस्टम की संरचना को दर्शाता है। नीला भाग अक्षीय दिशा में चुंबकित स्थायी चुंबक है। सामग्री का चयन NdFeB या FeCoNi है। सिमुलेशन मॉडल में सेट किया गया अवशेष Br 1.3 T है और पारगम्यता 1.05 है। पूरे सर्किट में बीम के स्थिर संचरण को सुनिश्चित करने के लिए, चुंबक की लंबाई शुरू में 70 मिमी पर सेट की गई है। इसके अलावा, एक्स दिशा में चुंबक का आकार यह निर्धारित करता है कि बीम चैनल में अनुप्रस्थ चुंबकीय क्षेत्र एक समान है या नहीं, जिसके लिए आवश्यक है कि एक्स दिशा में आकार बहुत छोटा नहीं हो सकता है। इसी समय, पूरे ट्यूब की लागत और वजन पर विचार करते हुए, चुंबक का आकार बहुत बड़ा नहीं होना चाहिए। इसलिए, चुंबक को शुरू में 150 मिमी × 150 मिमी × 70 मिमी पर सेट किया जाता है
2015 में, पूर्ण चंद्र पांडा21 ने एक समान चुंबकीय फोकसिंग सिस्टम में एक नए स्टेप्ड होल के साथ एक पोल पीस का प्रस्ताव रखा, जो कैथोड में फ्लक्स लीकेज की मात्रा और पोल पीस होल पर उत्पन्न अनुप्रस्थ चुंबकीय क्षेत्र को और कम कर सकता है। इस पत्र में, हम फोकसिंग सिस्टम के पोल पीस में एक स्टेप्ड संरचना जोड़ते हैं। पोल पीस की मोटाई शुरू में 1.5 मिमी पर सेट की जाती है, तीन चरणों की ऊंचाई और चौड़ाई 0.5 मिमी होती है, और पोल पीस होल के बीच की दूरी 2 मिमी होती है, जैसा कि चित्र 13 में दिखाया गया है।
चित्र 14a दो इलेक्ट्रॉन बीम की केंद्र रेखाओं के साथ अक्षीय चुंबकीय क्षेत्र वितरण को दर्शाता है। यह देखा जा सकता है कि दो इलेक्ट्रॉन बीम के साथ चुंबकीय क्षेत्र बल बराबर हैं। चुंबकीय क्षेत्र का मान लगभग 6000 Gs है, जो ट्रांसमिशन और फ़ोकसिंग प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए सैद्धांतिक ब्रिलॉइन क्षेत्र का 1.5 गुना है। इसी समय, कैथोड पर चुंबकीय क्षेत्र लगभग 0 है, यह दर्शाता है कि चुंबकीय प्रवाह रिसाव को रोकने पर पोल पीस का अच्छा प्रभाव है। चित्र 14b दो इलेक्ट्रॉन बीम के ऊपरी किनारे पर z दिशा में अनुप्रस्थ चुंबकीय क्षेत्र वितरण को दर्शाता है। यह देखा जा सकता है कि अनुप्रस्थ चुंबकीय क्षेत्र केवल पोल पीस होल पर 200 Gs से कम है, जबकि धीमी-तरंग सर्किट में, अनुप्रस्थ चुंबकीय क्षेत्र लगभग शून्य है, जो साबित करता है कि इलेक्ट्रॉन बीम पर अनुप्रस्थ चुंबकीय क्षेत्र का प्रभाव नगण्य है। टुकड़ा.यह देखा जा सकता है कि चुंबकीय क्षेत्र की ताकत का पूर्ण मूल्य 1.2T से कम है, यह दर्शाता है कि ध्रुव टुकड़े की चुंबकीय संतृप्ति नहीं होगी।
Br = 1.3 T के लिए चुंबकीय क्षेत्र शक्ति वितरण। (a) अक्षीय क्षेत्र वितरण। (b) पार्श्व क्षेत्र वितरण z दिशा में By। (c) ध्रुव टुकड़े के भीतर क्षेत्र वितरण का निरपेक्ष मान।
सीएसटी पीएस मॉड्यूल के आधार पर, दोहरी बीम गन और फोकसिंग सिस्टम की अक्षीय सापेक्ष स्थिति को अनुकूलित किया गया है। संदर्भ 9 और सिमुलेशन के अनुसार, इष्टतम स्थान वह है जहां एनोड टुकड़ा चुंबक से दूर ध्रुव टुकड़े को ओवरलैप करता है। हालांकि, यह पाया गया कि यदि अवशेष 1.3T पर सेट किया गया था, तो इलेक्ट्रॉन बीम का संप्रेषण 99% तक नहीं पहुंच सकता था। अवशेष को 1.4 T तक बढ़ाकर, फोकसिंग चुंबकीय क्षेत्र को 6500 Gs तक बढ़ाया जाएगा। xoz और yoz विमानों पर बीम प्रक्षेप पथ चित्रा 15 में दिखाए गए हैं। यह देखा जा सकता है कि बीम में अच्छा संचरण, छोटा उतार-चढ़ाव और 45 मिमी से अधिक संचरण दूरी है।
Br = 1.4 T के साथ एक समरूप चुंबकीय प्रणाली के अंतर्गत डबल पेंसिल बीम के प्रक्षेप पथ। (a) xoz समतल। (b) yoz वायुयान।
चित्र 16 कैथोड से दूर विभिन्न स्थितियों पर बीम के क्रॉस-सेक्शन को दर्शाता है। यह देखा जा सकता है कि फोकसिंग सिस्टम में बीम सेक्शन का आकार अच्छी तरह से बनाए रखा गया है, और सेक्शन व्यास में ज्यादा बदलाव नहीं हुआ है। चित्र 17 क्रमशः x और y दिशाओं में बीम लिफाफे को दर्शाता है। यह देखा जा सकता है कि दोनों दिशाओं में बीम का उतार-चढ़ाव बहुत छोटा है। चित्र 18 बीम करंट के सिमुलेशन परिणाम दिखाता है। परिणाम बताते हैं कि करंट लगभग 2 × 80 mA है, जो इलेक्ट्रॉन गन डिज़ाइन में गणना किए गए मान के अनुरूप है।
कैथोड से दूर विभिन्न स्थितियों पर इलेक्ट्रॉन बीम क्रॉस सेक्शन (फोकसिंग सिस्टम के साथ)।
व्यावहारिक प्रसंस्करण अनुप्रयोगों में असेंबली त्रुटियों, वोल्टेज में उतार-चढ़ाव और चुंबकीय क्षेत्र की ताकत में परिवर्तन जैसी समस्याओं की एक श्रृंखला को ध्यान में रखते हुए, फोकसिंग सिस्टम की संवेदनशीलता का विश्लेषण करना आवश्यक है। क्योंकि वास्तविक प्रसंस्करण में एनोड टुकड़े और ध्रुव टुकड़े के बीच एक अंतर होता है, इस अंतर को सिमुलेशन में सेट करने की आवश्यकता होती है। अंतर मान 0.2 मिमी पर सेट किया गया था और चित्र 19 ए y दिशा में बीम लिफाफा और बीम वर्तमान दिखाता है। यह परिणाम दिखाता है कि बीम लिफाफे में परिवर्तन महत्वपूर्ण नहीं है और बीम वर्तमान शायद ही बदलता है। इसलिए, सिस्टम असेंबली त्रुटियों के प्रति असंवेदनशील है। ड्राइविंग वोल्टेज के उतार-चढ़ाव के लिए, त्रुटि सीमा ± 0.5 केवी पर सेट है। चित्र 19 बी तुलना परिणाम दिखाता है। यह देखा जा सकता है कि वोल्टेज परिवर्तन का बीम लिफाफे पर बहुत कम प्रभाव पड़ता है क्षेत्र की ताकत.
एक समान चुंबकीय फोकसिंग प्रणाली के तहत बीम लिफाफा और वर्तमान परिणाम। (ए) असेंबली सहिष्णुता 0.2 मिमी है। (बी) ड्राइविंग वोल्टेज उतार-चढ़ाव ± 0.5 केवी है।
एकसमान चुंबकीय फोकसिंग प्रणाली के अंतर्गत बीम लिफाफा, जिसमें अक्षीय चुंबकीय क्षेत्र की ताकत में उतार-चढ़ाव 0.63 से 0.68 T तक होता है।
यह सुनिश्चित करने के लिए कि इस पत्र में डिज़ाइन किया गया फोकसिंग सिस्टम एचएफएस के साथ मेल खा सकता है, अनुसंधान के लिए फोकसिंग सिस्टम और एचएफएस को संयोजित करना आवश्यक है। चित्र 21 में एचएफएस लोड के साथ और बिना बीम लिफाफे की तुलना दिखाई गई है। परिणाम बताते हैं कि जब संपूर्ण एचएफएस लोड होता है तो बीम लिफाफा ज्यादा नहीं बदलता है। इसलिए, फोकसिंग सिस्टम उपरोक्त डिजाइन के ट्रैवलिंग वेव ट्यूब एचएफएस के लिए उपयुक्त है।
खंड III में प्रस्तावित EOS की सत्यता को सत्यापित करने और 220 GHz SDV-TWT के प्रदर्शन की जांच करने के लिए, बीम-वेव इंटरैक्शन का 3D-PIC सिमुलेशन किया जाता है। सिमुलेशन सॉफ्टवेयर की सीमाओं के कारण, हम संपूर्ण EOS को HFS में जोड़ने में असमर्थ थे। इसलिए, इलेक्ट्रॉन गन को 0.13 मिमी व्यास और 0.31 मिमी की दो सतहों के बीच की दूरी के साथ एक समतुल्य उत्सर्जक सतह के साथ बदल दिया गया था, जो ऊपर डिज़ाइन किए गए इलेक्ट्रॉन गन के समान पैरामीटर हैं। EOS की असंवेदनशीलता और अच्छी स्थिरता के कारण, PIC सिमुलेशन में सर्वोत्तम आउटपुट पावर प्राप्त करने के लिए ड्राइविंग वोल्टेज को ठीक से अनुकूलित किया जा सकता है।
सर्वोत्तम आउटपुट सिग्नल प्राप्त करने के लिए, चक्रों की संख्या को भी अनुकूलित करने की आवश्यकता है। सर्वोत्तम आउटपुट पावर तब प्राप्त होती है जब दो चरणों की संख्या 42 + 48 चक्र होती है, जैसा कि चित्र 22a में दिखाया गया है। 0.05 W इनपुट सिग्नल को 38 dB के लाभ के साथ 314 W तक प्रवर्धित किया जाता है। फास्ट फूरियर ट्रांसफॉर्म (FFT) द्वारा प्राप्त आउटपुट पावर स्पेक्ट्रम शुद्ध होता है, जो 220 GHz पर चरम पर होता है। चित्र 22b SWS में इलेक्ट्रॉन ऊर्जा के अक्षीय स्थिति वितरण को दर्शाता है, जिसमें अधिकांश इलेक्ट्रॉन ऊर्जा खोते हैं। यह परिणाम दर्शाता है कि SDV-SWS इलेक्ट्रॉनों की गतिज ऊर्जा को RF संकेतों में परिवर्तित कर सकता है, जिससे संकेत प्रवर्धन प्राप्त होता है।
220 गीगाहर्ट्ज पर एसडीवी-एसडब्ल्यूएस आउटपुट सिग्नल। (ए) सम्मिलित स्पेक्ट्रम के साथ आउटपुट पावर। (बी) एसडब्ल्यूएस इनसेट के अंत में इलेक्ट्रॉन बीम के साथ इलेक्ट्रॉनों का ऊर्जा वितरण।
चित्र 23 में दोहरे मोड वाले दोहरे बीम SDV-TWT के आउटपुट पावर बैंडविड्थ और लाभ को दर्शाया गया है। 200 से 275 GHz तक की आवृत्तियों को स्वीप करके और ड्राइव वोल्टेज को अनुकूलित करके आउटपुट प्रदर्शन को और बेहतर बनाया जा सकता है। यह परिणाम दर्शाता है कि 3-dB बैंडविड्थ 205 से 275 GHz को कवर कर सकता है, जिसका अर्थ है कि दोहरे मोड संचालन से ऑपरेटिंग बैंडविड्थ का विस्तार हो सकता है।
हालांकि, चित्र 2a के अनुसार, हम जानते हैं कि विषम और सम मोड के बीच एक स्टॉप बैंड है, जो अवांछित दोलनों को जन्म दे सकता है। इसलिए, स्टॉप के आसपास कार्य स्थिरता का अध्ययन करने की आवश्यकता है। आंकड़े 24a-c क्रमशः 265.3 GHz, 265.35 GHz और 265.4 GHz पर 20 ns सिमुलेशन परिणाम हैं। यह देखा जा सकता है कि हालांकि सिमुलेशन परिणामों में कुछ उतार-चढ़ाव हैं, आउटपुट पावर अपेक्षाकृत स्थिर है। स्पेक्ट्रम को चित्र 24 में भी क्रमशः दिखाया गया है, स्पेक्ट्रम शुद्ध है। ये परिणाम संकेत देते हैं कि स्टॉपबैंड के पास कोई स्व-दोलन नहीं है।
संपूर्ण HFS की शुद्धता को सत्यापित करने के लिए निर्माण और माप आवश्यक हैं। इस भाग में, HFS को कंप्यूटर संख्यात्मक नियंत्रण (सीएनसी) तकनीक का उपयोग करके 0.1 मिमी के उपकरण व्यास और 10 माइक्रोन की मशीनिंग सटीकता के साथ निर्मित किया जाता है। उच्च आवृत्ति संरचना के लिए सामग्री ऑक्सीजन मुक्त उच्च चालकता (ओएफएचसी) तांबे द्वारा प्रदान की जाती है। चित्र 25a निर्मित संरचना को दर्शाता है। संपूर्ण संरचना की लंबाई 66.00 मिमी, चौड़ाई 20.00 मिमी और ऊंचाई 8.66 मिमी है। संरचना के चारों ओर आठ पिन छेद वितरित किए गए हैं। चित्र 25b स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) द्वारा संरचना को दर्शाता है। इस संरचना के ब्लेड समान रूप से निर्मित होते हैं और इनमें अच्छी सतह खुरदरापन होती है।
चित्र 26 वास्तविक परीक्षण परिणामों और संचरण प्रदर्शन के सिमुलेशन के बीच तुलना दर्शाता है। चित्र 26a में पोर्ट 1 और पोर्ट 2 क्रमशः HFS के इनपुट और आउटपुट पोर्ट के अनुरूप हैं, और चित्र 3 में पोर्ट 1 और पोर्ट 4 के बराबर हैं। S11 के वास्तविक माप परिणाम सिमुलेशन परिणामों की तुलना में थोड़े बेहतर हैं। इसी समय, S21 के मापे गए परिणाम थोड़े खराब हैं। इसका कारण यह हो सकता है कि सिमुलेशन में सेट की गई सामग्री चालकता बहुत अधिक है और वास्तविक मशीनिंग के बाद सतह खुरदरापन खराब है। कुल मिलाकर, मापे गए परिणाम सिमुलेशन परिणामों के साथ अच्छे समझौते में हैं, और संचरण बैंडविड्थ 70 गीगाहर्ट्ज की आवश्यकता को पूरा करता है, जो प्रस्तावित दोहरे मोड SDV-TWT की व्यवहार्यता और शुद्धता को सत्यापित करता है।
इस पत्र में, प्लानर वितरण 220 गीगाहर्ट्ज दोहरे बीम एसडीवी-टीडब्ल्यूटी का एक विस्तृत डिजाइन प्रस्तुत किया गया है। दोहरे मोड ऑपरेशन और दोहरे बीम उत्तेजना का संयोजन ऑपरेटिंग बैंडविड्थ और आउटपुट पावर को और बढ़ाता है। पूरे एचएफएस की शुद्धता को सत्यापित करने के लिए निर्माण और शीत परीक्षण भी किया जाता है। वास्तविक माप परिणाम सिमुलेशन परिणामों के साथ अच्छे समझौते में हैं। डिज़ाइन किए गए दो-बीम ईओएस के लिए, एक मुखौटा अनुभाग और नियंत्रण इलेक्ट्रोड का उपयोग दो-पेंसिल बीम का उत्पादन करने के लिए एक साथ किया गया है। डिज़ाइन किए गए समान फ़ोकसिंग चुंबकीय क्षेत्र के तहत, इलेक्ट्रॉन बीम को अच्छी आकृति के साथ लंबी दूरी पर स्थिर रूप से प्रसारित किया जा सकता है। भविष्य में, ईओएस का उत्पादन और परीक्षण किया जाएगा, और पूरे टीडब्ल्यूटी का थर्मल परीक्षण भी किया जाएगा। इस पत्र में प्रस्तावित यह एसडीवी-टीडब्ल्यूटी डिजाइन योजना वर्तमान परिपक्व विमान प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी को पूरी तरह से जोड़ती है, और प्रदर्शन संकेतकों और प्रसंस्करण और विधानसभा में काफी संभावनाएं दिखाती है। इसलिए, इस पत्र का मानना ​​​​है कि प्लानर संरचना टेराहर्ट्ज़ बैंड में वैक्यूम इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के विकास की प्रवृत्ति बनने की सबसे अधिक संभावना है।
इस अध्ययन में अधिकांश कच्चे डेटा और विश्लेषणात्मक मॉडल इस पेपर में शामिल किए गए हैं। उचित अनुरोध पर संबंधित लेखक से आगे की प्रासंगिक जानकारी प्राप्त की जा सकती है।
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