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इस शोधपत्र में, 220GHz ब्रॉडबैंड उच्च-शक्ति इंटरलीव्ड डबल-ब्लेड ट्रैवलिंग वेव ट्यूब का डिज़ाइन और सत्यापन किया गया है। सबसे पहले, एक प्लानर डबल-बीम स्टैगर्ड डबल-ब्लेड स्लो-वेव संरचना प्रस्तावित की गई है। ड्यूल-मोड ऑपरेशन स्कीम का उपयोग करके, ट्रांसमिशन प्रदर्शन और बैंडविड्थ सिंगल-मोड की तुलना में लगभग दोगुनी हो जाती है। दूसरे, उच्च आउटपुट पावर की आवश्यकताओं को पूरा करने और ट्रैवलिंग वेव ट्यूब की स्थिरता में सुधार करने के लिए, एक डबल पेंसिल-आकार का इलेक्ट्रॉनिक ऑप्टिकल सिस्टम डिज़ाइन किया गया है, जिसका ड्राइविंग वोल्टेज 20~21 kV और करंट 2 × 80 mA है। डिज़ाइन के लक्ष्य: डबल बीम गन में मास्क पार्ट और कंट्रोल इलेक्ट्रोड का उपयोग करके, दो पेंसिल बीम को उनके संबंधित केंद्रों के साथ 7 के संपीड़न अनुपात पर फोकस किया जा सकता है, फोकसिंग दूरी लगभग 0.18mm है और स्थिरता अच्छी है। यूनिफॉर्म मैग्नेटिक फोकसिंग सिस्टम को भी अनुकूलित किया गया है। प्लानर डबल इलेक्ट्रॉन बीम की स्थिर ट्रांसमिशन दूरी 45 mm तक पहुंच सकती है, और फोकसिंग चुंबकीय क्षेत्र 0.6 T है, जो कवरेज के लिए पर्याप्त है। संपूर्ण उच्च आवृत्ति प्रणाली (एचएफएस) का अध्ययन किया गया। इसके बाद, इलेक्ट्रॉन-ऑप्टिकल प्रणाली की उपयोगिता और धीमी-तरंग संरचना के प्रदर्शन को सत्यापित करने के लिए, संपूर्ण एचएफएस पर कण सेल (पीआईसी) सिमुलेशन भी किए गए। परिणामों से पता चलता है कि बीम-अंतःक्रिया प्रणाली 220 GHz पर लगभग 310 W की अधिकतम आउटपुट शक्ति प्राप्त कर सकती है, अनुकूलित बीम वोल्टेज 20.6 kV है, बीम धारा 2 × 80 mA है, लाभ 38 dB है, और 3-dB बैंडविड्थ लगभग 70 GHz पर 35 dB से अधिक है। अंत में, एचएफएस के प्रदर्शन को सत्यापित करने के लिए उच्च-सटीकता सूक्ष्म संरचना निर्माण किया गया, और परिणामों से पता चलता है कि बैंडविड्थ और संचरण विशेषताएँ सिमुलेशन परिणामों के साथ अच्छी तरह से मेल खाती हैं। इसलिए, इस शोध पत्र में प्रस्तावित योजना से भविष्य के अनुप्रयोगों के लिए संभावित उच्च-शक्ति, अल्ट्रा-ब्रॉडबैंड टेराहर्ट्ज़-बैंड विकिरण स्रोतों के विकास की उम्मीद है।
एक पारंपरिक निर्वात इलेक्ट्रॉनिक उपकरण के रूप में, ट्रैवलिंग वेव ट्यूब (TWT) उच्च-रिज़ॉल्यूशन रडार, उपग्रह संचार प्रणाली और अंतरिक्ष अन्वेषण जैसे कई अनुप्रयोगों में अपरिहार्य भूमिका निभाती है1,2,3। हालांकि, जैसे ही परिचालन आवृत्ति टेराहर्ट्ज़ बैंड में प्रवेश करती है, पारंपरिक युग्मित-गुहा TWT और हेलिकल TWT अपेक्षाकृत कम आउटपुट शक्ति, संकीर्ण बैंडविड्थ और कठिन निर्माण प्रक्रियाओं के कारण लोगों की आवश्यकताओं को पूरा करने में असमर्थ हो गई हैं। इसलिए, टेराहर्ट्ज़ बैंड के प्रदर्शन में व्यापक सुधार कैसे किया जाए, यह कई वैज्ञानिक अनुसंधान संस्थानों के लिए एक बहुत ही महत्वपूर्ण मुद्दा बन गया है। हाल के वर्षों में, नई धीमी-तरंग संरचनाएं (SWS), जैसे कि स्टैगर्ड ड्यूल-ब्लेड (SDV) संरचनाएं और फोल्डेड वेवगाइड (FW) संरचनाएं, अपनी प्राकृतिक समतल संरचनाओं के कारण व्यापक ध्यान आकर्षित कर रही हैं, विशेष रूप से आशाजनक क्षमता वाली नई SDV-SWS। इस संरचना का प्रस्ताव 2008 में UC-डेविस द्वारा दिया गया था4। समतल संरचना को कंप्यूटर न्यूमेरिकल कंट्रोल (CNC) और UV-LIGA जैसी माइक्रो-नैनो प्रोसेसिंग तकनीकों द्वारा आसानी से निर्मित किया जा सकता है। ऑल-मेटल पैकेज संरचना उच्च आउटपुट पावर और गेन के साथ अधिक थर्मल क्षमता प्रदान कर सकती है, और वेवगाइड जैसी संरचना व्यापक कार्यशील बैंडविड्थ भी प्रदान कर सकती है। वर्तमान में, यूसी डेविस ने 2017 में पहली बार प्रदर्शित किया कि एसडीवी-टीडब्ल्यूटी जी-बैंड में 100 डब्ल्यू से अधिक उच्च-शक्ति आउटपुट और लगभग 14 GHz बैंडविड्थ सिग्नल उत्पन्न कर सकता है।5 हालांकि, इन परिणामों में अभी भी कुछ कमियां हैं जो टेराहर्ट्ज़ बैंड में उच्च शक्ति और व्यापक बैंडविड्थ की संबंधित आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर सकती हैं। यूसी-डेविस के जी-बैंड एसडीवी-टीडब्ल्यूटी के लिए, शीट इलेक्ट्रॉन बीम का उपयोग किया गया है। हालांकि यह योजना बीम की वर्तमान-वहन क्षमता में काफी सुधार कर सकती है, शीट बीम इलेक्ट्रॉन ऑप्टिकल सिस्टम (ईओएस) की अस्थिरता के कारण लंबी संचरण दूरी बनाए रखना मुश्किल है, और एक ओवर-मोड बीम टनल है, जो बीम को स्व-विनियमित करने का कारण भी बन सकता 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 दिया गया है। अर्थात्, 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 के एक समतल वितरण का 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 करना होगा, जिसके परिणामस्वरूप अपेक्षाकृत कम आउटपुट पावर प्राप्त होती है। बीम करंट को बेहतर बनाने के लिए, समतल वितरित मल्टीबीम EOS उभरा है, जो SWS के पार्श्व आकार का लाभ उठाता है। स्वतंत्र बीम टनलिंग के कारण, समतल वितरित मल्टी-बीम उच्च कुल बीम करंट और प्रति बीम कम करंट बनाए रखते हुए उच्च आउटपुट पावर प्राप्त कर सकता है, जो शीट-बीम उपकरणों की तुलना में ओवरमोड बीम टनलिंग से बच सकता है। इसलिए, यह ट्रैवलिंग वेव ट्यूब की स्थिरता बनाए रखने के लिए लाभकारी है। पिछले कार्यों के आधार पर8,9, यह पेपर जी-बैंड यूनिफॉर्म मैग्नेटिक फील्ड 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 शोधपत्र की संरचना इस प्रकार है। सर्वप्रथम, मापदंडों सहित एसडब्ल्यूएस सेल डिज़ाइन, प्रकीर्णन विशेषताओं का विश्लेषण और उच्च आवृत्ति सिमुलेशन परिणामों का वर्णन किया गया है। इसके बाद, इकाई सेल की संरचना के अनुसार, इस शोधपत्र में एक डबल पेंसिल बीम ईओएस और बीम इंटरैक्शन सिस्टम डिज़ाइन किया गया है। ईओएस की उपयोगिता और एसडीवी-टीडब्ल्यूटी के प्रदर्शन को सत्यापित करने के लिए अंतःकोशिकीय कण सिमुलेशन परिणाम भी प्रस्तुत किए गए हैं। इसके अतिरिक्त, शोधपत्र में संपूर्ण एचएफएस की शुद्धता को सत्यापित करने के लिए निर्माण और शीत परीक्षण परिणामों का संक्षिप्त विवरण दिया गया है। अंत में, सारांश प्रस्तुत किया गया है।
TWT के सबसे महत्वपूर्ण घटकों में से एक के रूप में, स्लो-वेव संरचना के विक्षेपण गुण यह दर्शाते हैं कि क्या इलेक्ट्रॉन वेग SWS के फेज वेग से मेल खाता है, और इस प्रकार बीम-वेव अंतःक्रिया पर इसका बहुत प्रभाव पड़ता है। संपूर्ण TWT के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए, एक उन्नत अंतःक्रिया संरचना तैयार की गई है। यूनिट सेल की संरचना चित्र 1 में दर्शाई गई है। शीट बीम की अस्थिरता और सिंगल पेन बीम की शक्ति सीमा को ध्यान में रखते हुए, आउटपुट शक्ति और संचालन स्थिरता को और बेहतर बनाने के लिए संरचना में डबल पेन बीम का उपयोग किया गया है। साथ ही, कार्यशील बैंडविड्थ को बढ़ाने के लिए, SWS संचालन के लिए एक ड्यूल मोड प्रस्तावित किया गया है। SDV संरचना की समरूपता के कारण, विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र विक्षेपण समीकरण के हल को विषम और सम मोड में विभाजित किया जा सकता है। साथ ही, निम्न आवृत्ति बैंड के मूल विषम मोड और उच्च आवृत्ति बैंड के मूल सम मोड का उपयोग बीम अंतःक्रिया के ब्रॉडबैंड सिंक्रोनाइज़ेशन को प्राप्त करने के लिए किया जाता है, जिससे कार्यशील बैंडविड्थ में और सुधार होता है।
बिजली की आवश्यकताओं के अनुसार, पूरी ट्यूब को 20 kV के ड्राइविंग वोल्टेज और 2 × 80 mA के डबल बीम करंट के साथ डिज़ाइन किया गया है। SDV-SWS की ऑपरेटिंग बैंडविड्थ के साथ वोल्टेज को यथासंभव सटीक रूप 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 दर्शाया गया है:
220 GHz की केंद्र आवृत्ति पर फेज शिफ्ट को 2.5π पर सेट करके, आवर्तकाल p की गणना 0.46 mm की जा सकती है। चित्र 2a SWS यूनिट सेल के फैलाव गुणों को दर्शाता है। 20 kV बीमलाइन द्विमोडल वक्र से बहुत अच्छी तरह मेल खाती है। मिलान आवृत्ति बैंड 210–265.3 GHz (विषम मोड) और 265.4–280 GHz (सम मोड) श्रेणियों में लगभग 70 GHz तक पहुँच सकते हैं। चित्र 2b औसत युग्मन प्रतिबाधा को दर्शाता है, जो 210 से 290 GHz तक 0.6 Ω से अधिक है, जो दर्शाता है कि परिचालन बैंडविड्थ में मजबूत अंतःक्रियाएं हो सकती हैं।
(a) 20 kV इलेक्ट्रॉन बीमलाइन के साथ ड्यूल-मोड SDV-SWS की फैलाव विशेषताएँ। (b) SDV स्लो-वेव सर्किट की अंतःक्रिया प्रतिबाधा।
हालांकि, यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि विषम और सम मोड के बीच एक बैंड गैप होता है, और हम आमतौर पर इस बैंड गैप को स्टॉप बैंड कहते हैं, जैसा कि चित्र 2a में दिखाया गया है। यदि TWT को इस आवृत्ति बैंड के निकट संचालित किया जाता है, तो मजबूत बीम कपलिंग शक्ति उत्पन्न हो सकती है, जिससे अवांछित दोलन हो सकते हैं। व्यावहारिक अनुप्रयोगों में, हम आमतौर पर स्टॉप बैंड के निकट TWT का उपयोग करने से बचते हैं। हालांकि, यह देखा जा सकता है कि इस स्लो-वेव संरचना का बैंड गैप केवल 0.1 GHz है। यह निर्धारित करना कठिन है कि क्या यह छोटा बैंड गैप दोलन का कारण बनता है। इसलिए, अवांछित दोलन हो सकते हैं या नहीं, इसका विश्लेषण करने के लिए निम्नलिखित PIC सिमुलेशन अनुभाग में स्टॉप बैंड के आसपास संचालन की स्थिरता की जांच की जाएगी।
संपूर्ण एचएफएस का मॉडल चित्र 3 में दर्शाया गया है। इसमें ब्रैग रिफ्लेक्टर द्वारा जुड़े एसडीवी-एसडब्ल्यूएस के दो चरण शामिल हैं। रिफ्लेक्टर का कार्य दोनों चरणों के बीच सिग्नल संचरण को रोकना, ऊपरी और निचले ब्लेड के बीच उत्पन्न उच्च-क्रम मोड जैसे गैर-कार्यशील मोड के दोलन और परावर्तन को दबाना है, जिससे संपूर्ण ट्यूब की स्थिरता में काफी सुधार होता है। बाहरी वातावरण से कनेक्शन के लिए, एसडब्ल्यूएस को WR-4 मानक वेवगाइड से जोड़ने के लिए एक रैखिक टेपर्ड कपलर का भी उपयोग किया जाता है। दो-स्तरीय संरचना के संचरण गुणांक को 3डी सिमुलेशन सॉफ्टवेयर में टाइम डोमेन सॉल्वर द्वारा मापा जाता है। टेराहर्ट्ज़ बैंड के पदार्थ पर वास्तविक प्रभाव को ध्यान में रखते हुए, वैक्यूम लिफाफे की सामग्री को प्रारंभ में तांबा निर्धारित किया गया है, और चालकता को 2.25×10⁷ S/m¹² तक कम किया गया है।
चित्र 4 में लीनियर टेपर्ड कपलर के साथ और उसके बिना HFS के ट्रांसमिशन परिणाम दिखाए गए हैं। परिणामों से पता चलता है कि कपलर का पूरे HFS के ट्रांसमिशन प्रदर्शन पर बहुत कम प्रभाव पड़ता है। 207~280 GHz ब्रॉडबैंड में पूरे सिस्टम का रिटर्न लॉस (S11 < − 10 dB) और इंसर्शन लॉस (S21 > − 5 dB) दर्शाता है कि HFS में अच्छे ट्रांसमिशन गुण हैं।
वैक्यूम इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की बिजली आपूर्ति के रूप में, इलेक्ट्रॉन गन सीधे निर्धारित करती है कि उपकरण पर्याप्त आउटपुट पावर उत्पन्न कर सकता है या नहीं। खंड II में HFS के विश्लेषण के साथ, पर्याप्त शक्ति प्रदान करने के लिए एक दोहरी-बीम EOS को डिज़ाइन करने की आवश्यकता है। इस भाग में, W-बैंड8,9 में पिछले कार्यों के आधार पर, एक समतल मास्क भाग और नियंत्रण इलेक्ट्रोड का उपयोग करके एक डबल पेंसिल इलेक्ट्रॉन गन डिज़ाइन की गई है। सबसे पहले, खंड में SWS की डिज़ाइन आवश्यकताओं के अनुसार, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। चित्र 2 में, इलेक्ट्रॉन बीमों का ड्राइविंग वोल्टेज Ua प्रारंभ में 20 kV निर्धारित किया गया है, दोनों इलेक्ट्रॉन बीमों की धाराएँ I 80 mA हैं, और इलेक्ट्रॉन बीमों का व्यास dw 0.13 mm है। साथ ही, इलेक्ट्रॉन बीम और कैथोड की धारा घनत्व को सुनिश्चित करने के लिए, इलेक्ट्रॉन बीम का संपीड़न अनुपात 7 निर्धारित किया गया है, जिससे इलेक्ट्रॉन बीम की धारा घनत्व 603 A/cm² और कैथोड की धारा घनत्व 86 A/cm² हो जाती है, जो नए कैथोड पदार्थों के उपयोग से प्राप्त की जा सकती है। डिज़ाइन सिद्धांत 14, 15, 16, 17 के अनुसार, एक विशिष्ट पियर्स इलेक्ट्रॉन गन की विशिष्ट पहचान की जा सकती है।
चित्र 5 में क्रमशः गन के क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर आरेख दिखाए गए हैं। यह देखा जा सकता है कि x-दिशा में इलेक्ट्रॉन गन का आकार लगभग एक विशिष्ट शीट-जैसे इलेक्ट्रॉन गन के समान है, जबकि y-दिशा में दो इलेक्ट्रॉन किरणें मास्क द्वारा आंशिक रूप से अलग होती हैं। दोनों कैथोड की स्थिति क्रमशः x = – 0.155 mm, y = 0 mm और x = 0.155 mm, y = 0 mm पर है। संपीड़न अनुपात और इलेक्ट्रॉन इंजेक्शन आकार की डिज़ाइन आवश्यकताओं के अनुसार, दोनों कैथोड सतहों के आयाम 0.91 mm × 0.13 mm निर्धारित किए गए हैं।
प्रत्येक इलेक्ट्रॉन किरणक द्वारा x-दिशा में प्राप्त केंद्रित विद्युत क्षेत्र को उसके केंद्र के सापेक्ष सममित बनाने के लिए, इस शोधपत्र में इलेक्ट्रॉन गन पर एक नियंत्रण इलेक्ट्रोड लगाया गया है। फोकसिंग इलेक्ट्रोड और नियंत्रण इलेक्ट्रोड के वोल्टेज को -20 kV और एनोड के वोल्टेज को 0 V पर सेट करके, हम दोहरी किरणक गन के प्रक्षेप पथ वितरण को प्राप्त कर सकते हैं, जैसा कि चित्र 6 में दिखाया गया है। यह देखा जा सकता है कि उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों में y-दिशा में अच्छी संपीड्यता होती है, और प्रत्येक इलेक्ट्रॉन किरणक अपने समरूपता केंद्र के अनुदिश x-दिशा की ओर अभिसरित होती है, जो दर्शाता है कि नियंत्रण इलेक्ट्रोड फोकसिंग इलेक्ट्रोड द्वारा उत्पन्न असमान विद्युत क्षेत्र को संतुलित करता है।
चित्र 7 x और y दिशाओं में बीम लिफाफे को दर्शाता है। परिणामों से पता चलता है कि x-दिशा में इलेक्ट्रॉन बीम की प्रक्षेपण दूरी y-दिशा में प्रक्षेपण दूरी से भिन्न है। x दिशा में थ्रो दूरी लगभग 4 मिमी है, और y दिशा में थ्रो दूरी लगभग 7 मिमी है। इसलिए, वास्तविक थ्रो दूरी 4 और 7 मिमी के बीच चुनी जानी चाहिए। चित्र 8 कैथोड सतह से 4.6 मिमी की दूरी पर इलेक्ट्रॉन बीम के अनुप्रस्थ काट को दर्शाता है। हम देख सकते हैं कि अनुप्रस्थ काट का आकार एक मानक वृत्ताकार इलेक्ट्रॉन बीम के सबसे करीब है। दो इलेक्ट्रॉन बीमों के बीच की दूरी डिज़ाइन किए गए 0.31 मिमी के करीब है, और त्रिज्या लगभग 0.13 मिमी है, जो डिज़ाइन आवश्यकताओं को पूरा करती है। चित्र 9 बीम धारा के सिमुलेशन परिणाम दर्शाता है। यह देखा जा सकता है कि दो बीम धाराएँ 76 mA हैं, जो डिज़ाइन किए गए 80 mA के साथ अच्छी तरह से मेल खाती हैं।
व्यवहारिक 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 kV की वोल्टेज सीमा में, करंट और बीम करंट एनवेलप प्राप्त किए गए हैं, जैसा कि चित्र 1 और चित्र 1.10 और 11 में दिखाया गया है। परिणामों से यह देखा जा सकता है कि ड्राइविंग वोल्टेज में परिवर्तन का इलेक्ट्रॉन बीम एनवेलप पर कोई प्रभाव नहीं पड़ता है, और इलेक्ट्रॉन बीम करंट केवल 0.74 से 0.78 A तक बदलता है। इसलिए, यह माना जा सकता है कि इस शोधपत्र में डिज़ाइन की गई इलेक्ट्रॉन गन में वोल्टेज के प्रति अच्छी संवेदनशीलता है।
एक्स और वाई दिशाओं में बीम के आवरण पर ड्राइविंग वोल्टेज में उतार-चढ़ाव का प्रभाव।
एकसमान चुंबकीय फोकसिंग क्षेत्र एक सामान्य स्थायी चुंबक फोकसिंग प्रणाली है। बीम चैनल में चुंबकीय क्षेत्र के एकसमान वितरण के कारण, यह अक्षीय सममित इलेक्ट्रॉन बीमों के लिए बहुत उपयुक्त है। इस खंड में, दोहरी पेंसिल बीमों के लंबी दूरी के संचरण को बनाए रखने के लिए एक एकसमान चुंबकीय फोकसिंग प्रणाली प्रस्तावित की गई है। उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र और बीम लिफाफे का विश्लेषण करके, फोकसिंग प्रणाली की डिजाइन योजना प्रस्तावित की गई है, और संवेदनशीलता समस्या का अध्ययन किया गया है। एकल पेंसिल बीम18,19 के स्थिर संचरण सिद्धांत के अनुसार, ब्रिलौइन चुंबकीय क्षेत्र मान की गणना समीकरण (2) द्वारा की जा सकती है। इस पत्र में, हम पार्श्व रूप से वितरित दोहरी पेंसिल बीम के चुंबकीय क्षेत्र का अनुमान लगाने के लिए भी इस समतुल्यता का उपयोग करते हैं। इस पत्र में डिजाइन की गई इलेक्ट्रॉन गन के साथ संयुक्त रूप से, गणना किया गया चुंबकीय क्षेत्र मान लगभग 4000 Gs है। संदर्भ 20 के अनुसार, व्यावहारिक डिजाइनों में आमतौर पर गणना किए गए मान का 1.5-2 गुना चुना जाता है।
चित्र 12 एकसमान चुंबकीय क्षेत्र फोकसिंग क्षेत्र प्रणाली की संरचना को दर्शाता है। नीला भाग अक्षीय दिशा में चुम्बकित स्थायी चुंबक है। सामग्री का चयन NdFeB या FeCoNi है। सिमुलेशन मॉडल में निर्धारित अवशिष्ट चुंबकत्व Br 1.3 T और पारगम्यता 1.05 है। पूरे परिपथ में किरण के स्थिर संचरण को सुनिश्चित करने के लिए, चुंबक की लंबाई प्रारंभ में 70 mm निर्धारित की गई है। इसके अतिरिक्त, x दिशा में चुंबक का आकार यह निर्धारित करता है कि किरण चैनल में अनुप्रस्थ चुंबकीय क्षेत्र एकसमान है या नहीं, जिसके लिए आवश्यक है कि x दिशा में आकार बहुत छोटा न हो। साथ ही, पूरी ट्यूब की लागत और वजन को ध्यान में रखते हुए, चुंबक का आकार बहुत बड़ा नहीं होना चाहिए। इसलिए, चुंबक प्रारंभ में 150 mm × 150 mm × 70 mm निर्धारित किए गए हैं। साथ ही, यह सुनिश्चित करने के लिए कि संपूर्ण स्लो-वेव परिपथ फोकसिंग प्रणाली में समाहित हो सके, चुंबकों के बीच की दूरी 20 mm निर्धारित की गई है।
2015 में, पूर्णा चंद्र पांडा²¹ ने एक समान चुंबकीय फोकसिंग प्रणाली में एक नए सीढ़ीदार छेद वाले पोल पीस का प्रस्ताव दिया, जो कैथोड में फ्लक्स रिसाव की मात्रा और पोल पीस छेद पर उत्पन्न अनुप्रस्थ चुंबकीय क्षेत्र को और कम कर सकता है। इस शोधपत्र में, हम फोकसिंग प्रणाली के पोल पीस में एक सीढ़ीदार संरचना जोड़ते हैं। पोल पीस की मोटाई शुरू में 1.5 मिमी निर्धारित की गई है, तीनों चरणों की ऊंचाई और चौड़ाई 0.5 मिमी है, और पोल पीस छेदों के बीच की दूरी 2 मिमी है, जैसा कि चित्र 13 में दिखाया गया है।
चित्र 14a दो इलेक्ट्रॉन बीमों की केंद्र रेखाओं के अनुदिश अक्षीय चुंबकीय क्षेत्र वितरण को दर्शाता है। यह देखा जा सकता है कि दोनों इलेक्ट्रॉन बीमों के अनुदिश चुंबकीय क्षेत्र बल बराबर हैं। चुंबकीय क्षेत्र का मान लगभग 6000 Gs है, जो संचरण और फोकसिंग प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए सैद्धांतिक ब्रिलौइन क्षेत्र का 1.5 गुना है। साथ ही, कैथोड पर चुंबकीय क्षेत्र लगभग 0 है, जो दर्शाता है कि ध्रुव भाग चुंबकीय प्रवाह रिसाव को रोकने में अच्छा प्रभाव डालता है। चित्र 14b दो इलेक्ट्रॉन बीमों के ऊपरी किनारे पर z दिशा में अनुप्रस्थ चुंबकीय क्षेत्र वितरण को दर्शाता है। यह देखा जा सकता है कि अनुप्रस्थ चुंबकीय क्षेत्र केवल ध्रुव भाग के छेद पर 200 Gs से कम है, जबकि धीमी-तरंग परिपथ में, अनुप्रस्थ चुंबकीय क्षेत्र लगभग शून्य है, जो यह सिद्ध करता है कि इलेक्ट्रॉन बीम पर अनुप्रस्थ चुंबकीय क्षेत्र का प्रभाव नगण्य है। ध्रुव भागों के चुंबकीय संतृप्ति को रोकने के लिए, ध्रुव भागों के भीतर चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति का अध्ययन करना आवश्यक है। चित्र 14c ध्रुव भाग के भीतर चुंबकीय क्षेत्र वितरण का निरपेक्ष मान दर्शाता है। यह देखा जा सकता है कि चुंबकीय क्षेत्र की तीव्रता का निरपेक्ष मान 1.2T से कम है, जो यह दर्शाता है कि ध्रुव भाग का चुंबकीय संतृप्ति नहीं होगा।
Br = 1.3 T के लिए चुंबकीय क्षेत्र की तीव्रता का वितरण। (a) अक्षीय क्षेत्र वितरण। (b) z दिशा में पार्श्व क्षेत्र वितरण। (c) ध्रुव भाग के भीतर क्षेत्र वितरण का निरपेक्ष मान।
CST PS 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 जहाँ एनोड टुकड़ा चुंबक से दूर ध्रुव टुकड़े को ओवरलैप करता है। हालांकि, यह पाया गया कि यदि अवशिष्ट चुंबकत्व को 1.3T पर सेट किया जाता है, तो इलेक्ट्रॉन बीम का पारगम्यता 99% तक नहीं पहुंच पाता है। अवशिष्ट चुंबकत्व को 1.4T तक बढ़ाने पर, फोकसिंग चुंबकीय क्षेत्र 6500 Gs तक बढ़ जाएगा। xoz और yoz तलों पर बीम प्रक्षेप पथ चित्र 15 में दिखाए गए हैं। यह देखा जा सकता है कि बीम में अच्छा संचरण, कम उतार-चढ़ाव और 45mm से अधिक की संचरण दूरी है।
समरूप चुंबकीय प्रणाली के अंतर्गत डबल पेंसिल बीम के प्रक्षेप पथ, Br = 1.4 T के साथ। (a) xoz तल। (b) yoz विमान।
चित्र 16 कैथोड से अलग-अलग स्थानों पर बीम के अनुप्रस्थ काट को दर्शाता है। यह देखा जा सकता है कि फोकसिंग सिस्टम में बीम खंड का आकार अच्छी तरह से बना रहता है, और खंड का व्यास बहुत अधिक नहीं बदलता 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 कम है। चित्र 18 बीम धारा के सिमुलेशन परिणाम दर्शाता है। परिणाम दर्शाते हैं कि धारा लगभग 2 × 80 mA है, जो इलेक्ट्रॉन गन डिज़ाइन में गणना किए गए मान के अनुरूप है।
कैथोड से अलग-अलग स्थानों पर इलेक्ट्रॉन बीम का अनुप्रस्थ काट (फोकसिंग प्रणाली सहित)।
व्यावहारिक प्रसंस्करण अनुप्रयोगों में संयोजन त्रुटियों, वोल्टेज उतार-चढ़ाव और चुंबकीय क्षेत्र की तीव्रता में परिवर्तन जैसी कई समस्याओं को ध्यान में रखते हुए, फोकसिंग सिस्टम की संवेदनशीलता का विश्लेषण करना आवश्यक है। वास्तविक प्रसंस्करण में एनोड और पोल के बीच अंतर होने के कारण, सिमुलेशन में इस अंतर को निर्धारित करना आवश्यक है। अंतर का मान 0.2 मिमी निर्धारित किया गया था और चित्र 19a में y दिशा में बीम एनवेलप और बीम करंट दिखाया गया है। यह परिणाम दर्शाता है कि बीम एनवेलप में परिवर्तन नगण्य है और बीम करंट में नगण्य परिवर्तन होता है। अतः, सिस्टम संयोजन त्रुटियों के प्रति असंवेदनशील है। ड्राइविंग वोल्टेज के उतार-चढ़ाव के लिए, त्रुटि सीमा ±0.5 kV निर्धारित की गई है। चित्र 19b तुलनात्मक परिणाम दर्शाता है। यह देखा जा सकता है कि वोल्टेज परिवर्तन का बीम एनवेलप पर बहुत कम प्रभाव पड़ता है। चुंबकीय क्षेत्र की तीव्रता में परिवर्तन के लिए त्रुटि सीमा -0.02 से +0.03 T तक निर्धारित की गई है। तुलनात्मक परिणाम चित्र 20 में दिखाए गए हैं। यह देखा जा सकता है कि बीम एनवेलप में नगण्य परिवर्तन होता है, जिसका अर्थ है कि संपूर्ण EOS चुंबकीय क्षेत्र की तीव्रता में परिवर्तन के प्रति असंवेदनशील है।
एकसमान चुंबकीय फोकसिंग प्रणाली के तहत बीम लिफाफा और वर्तमान परिणाम। (a) असेंबली सहिष्णुता 0.2 मिमी है। (b) ड्राइविंग वोल्टेज उतार-चढ़ाव ±0.5 kV है।
अक्षीय चुंबकीय क्षेत्र की तीव्रता में 0.63 से 0.68 T तक के उतार-चढ़ाव वाले एकसमान चुंबकीय फोकसिंग सिस्टम के अंतर्गत बीम लिफाफा।
इस शोधपत्र में डिज़ाइन की गई फोकसिंग प्रणाली एचएफएस के साथ संगत हो, यह सुनिश्चित करने के लिए, फोकसिंग प्रणाली और एचएफएस को मिलाकर शोध करना आवश्यक है। चित्र 21 में एचएफएस लोड के साथ और उसके बिना बीम एनवेलप की तुलना दर्शाई गई है। परिणाम बताते हैं कि पूरे एचएफएस को लोड करने पर बीम एनवेलप में अधिक परिवर्तन नहीं होता है। इसलिए, फोकसिंग प्रणाली उपरोक्त डिज़ाइन के ट्रैवलिंग वेव ट्यूब एचएफएस के लिए उपयुक्त है।
तीसरे खंड में प्रस्तावित ईओएस की शुद्धता को सत्यापित करने और 220 GHz SDV-TWT के प्रदर्शन की जांच करने के लिए, बीम-तरंग अंतःक्रिया का 3D-PIC सिमुलेशन किया गया। सिमुलेशन सॉफ़्टवेयर की सीमाओं के कारण, हम संपूर्ण ईओएस को HFS में शामिल नहीं कर सके। इसलिए, इलेक्ट्रॉन गन को 0.13 मिमी व्यास और दो सतहों के बीच 0.31 मिमी की दूरी वाली एक समतुल्य उत्सर्जक सतह से प्रतिस्थापित किया गया, जो ऊपर डिज़ाइन की गई इलेक्ट्रॉन गन के समान पैरामीटर हैं। ईओएस की असंवेदनशीलता और अच्छी स्थिरता के कारण, PIC सिमुलेशन में सर्वोत्तम आउटपुट पावर प्राप्त करने के लिए ड्राइविंग वोल्टेज को उचित रूप से अनुकूलित किया जा सकता है। सिमुलेशन परिणाम दर्शाते हैं कि 20.6 kV के ड्राइविंग वोल्टेज, 2 × 80 mA (603 A/cm²) के बीम करंट और 0.05 W की इनपुट पावर पर संतृप्त आउटपुट पावर और गेन प्राप्त किया जा सकता है।
सर्वोत्तम आउटपुट सिग्नल प्राप्त करने के लिए, चक्रों की संख्या को भी अनुकूलित करना आवश्यक 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 है, जो 220 GHz पर चरम पर है। चित्र 22b SWS में इलेक्ट्रॉन ऊर्जा के अक्षीय स्थिति वितरण को दर्शाता है, जिसमें अधिकांश इलेक्ट्रॉन ऊर्जा खो देते हैं। यह परिणाम इंगित करता है कि SDV-SWS इलेक्ट्रॉनों की गतिज ऊर्जा को RF सिग्नल में परिवर्तित कर सकता है, जिससे सिग्नल प्रवर्धन संभव होता है।
220 GHz पर SDV-SWS आउटपुट सिग्नल। (a) स्पेक्ट्रम सहित आउटपुट पावर। (b) SWS इनसेट के अंत में इलेक्ट्रॉन बीम के साथ इलेक्ट्रॉनों का ऊर्जा वितरण।
चित्र 23 एक ड्यूल-मोड ड्यूल-बीम SDV-TWT की आउटपुट पावर बैंडविड्थ और गेन को दर्शाता है। 200 से 275 GHz तक 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 तक कवर कर सकती है, जिसका अर्थ है कि ड्यूल-मोड ऑपरेशन ऑपरेटिंग बैंडविड्थ को काफी हद तक बढ़ा सकता है।
हालाँकि, चित्र 2a के अनुसार, हम जानते हैं कि विषम और सम मोड के बीच एक स्टॉप बैंड है, जिससे अवांछित दोलन हो सकते हैं। इसलिए, स्टॉप के आसपास कार्य स्थिरता का अध्ययन करना आवश्यक है। चित्र 24a-c क्रमशः 265.3 GHz, 265.35 GHz और 265.4 GHz पर 20 ns सिमुलेशन परिणाम दर्शाते हैं। यह देखा जा सकता है कि यद्यपि सिमुलेशन परिणामों में कुछ उतार-चढ़ाव हैं, आउटपुट पावर अपेक्षाकृत स्थिर है। स्पेक्ट्रम को चित्र 24 में भी दर्शाया गया है, जो शुद्ध है। ये परिणाम दर्शाते हैं कि स्टॉप बैंड के पास कोई स्व-दोलन नहीं है।
संपूर्ण एचएफएस की शुद्धता को सत्यापित करने के लिए निर्माण और माप आवश्यक हैं। इस भाग में, एचएफएस का निर्माण कंप्यूटर न्यूमेरिकल कंट्रोल (सीएनसी) तकनीक का उपयोग करके 0.1 मिमी के टूल व्यास और 10 μm की मशीनिंग सटीकता के साथ किया गया है। उच्च-आवृत्ति संरचना के लिए सामग्री ऑक्सीजन-मुक्त उच्च-चालकता (ओएफएचसी) तांबे से प्राप्त की गई है। चित्र 25ए 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 होल वितरित हैं। चित्र 25बी स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) द्वारा संरचना को दर्शाता है। इस संरचना के ब्लेड समान रूप से निर्मित हैं और इनकी सतह की खुरदरापन अच्छी है। सटीक माप के बाद, कुल मशीनिंग त्रुटि 5% से कम है, और सतह की खुरदरापन लगभग 0.4 μm है। मशीनिंग संरचना डिजाइन और परिशुद्धता आवश्यकताओं को पूरा करती है।
चित्र 26 संचरण प्रदर्शन के वास्तविक परीक्षण परिणामों और सिमुलेशन की तुलना दर्शाता है। चित्र 26a में पोर्ट 1 और पोर्ट 2 क्रमशः HFS के इनपुट और आउटपुट पोर्ट को दर्शाते हैं, और ये चित्र 3 में पोर्ट 1 और पोर्ट 4 के समतुल्य हैं। S11 के वास्तविक मापन परिणाम सिमुलेशन परिणामों से थोड़े बेहतर हैं। वहीं, S21 के मापन परिणाम थोड़े खराब हैं। इसका कारण यह हो सकता है कि सिमुलेशन में निर्धारित सामग्री चालकता बहुत अधिक है और वास्तविक मशीनिंग के बाद सतह की खुरदरापन कम है। कुल मिलाकर, मापन परिणाम सिमुलेशन परिणामों के साथ अच्छी तरह मेल खाते हैं, और संचरण बैंडविड्थ 70 GHz की आवश्यकता को पूरा करती है, जो प्रस्तावित ड्यूल-मोड SDV-TWT की व्यवहार्यता और शुद्धता को प्रमाणित करता है। इसलिए, वास्तविक निर्माण प्रक्रिया और परीक्षण परिणामों के आधार पर, इस शोधपत्र में प्रस्तावित अल्ट्रा-ब्रॉडबैंड ड्यूल-बीम SDV-TWT डिज़ाइन का उपयोग आगे के निर्माण और अनुप्रयोगों के लिए किया जा सकता है।
इस शोधपत्र में, समतल वितरण वाले 220 GHz दोहरे बीम वाले SDV-TWT का विस्तृत डिज़ाइन प्रस्तुत किया गया है। दोहरे मोड संचालन और दोहरे बीम उत्तेजना के संयोजन से परिचालन बैंडविड्थ और आउटपुट पावर में और वृद्धि होती है। संपूर्ण HFS की शुद्धता को सत्यापित करने के लिए निर्माण और कोल्ड टेस्ट भी किए गए हैं। वास्तविक मापन परिणाम सिमुलेशन परिणामों के साथ अच्छी तरह मेल खाते हैं। डिज़ाइन किए गए दो-बीम EOS के लिए, एक मास्क सेक्शन और नियंत्रण इलेक्ट्रोड का एक साथ उपयोग करके दो-पेंसिल बीम उत्पन्न किया गया है। डिज़ाइन किए गए एकसमान फोकसिंग चुंबकीय क्षेत्र के तहत, इलेक्ट्रॉन बीम को अच्छी आकृति के साथ लंबी दूरी तक स्थिर रूप से संचारित किया जा सकता है। भविष्य में, EOS का उत्पादन और परीक्षण किया जाएगा, और संपूर्ण TWT का थर्मल परीक्षण भी किया जाएगा। इस शोधपत्र में प्रस्तावित SDV-TWT डिज़ाइन योजना वर्तमान परिपक्व समतल प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी को पूरी तरह से जोड़ती है, और प्रदर्शन संकेतकों और प्रसंस्करण एवं संयोजन में अपार क्षमता दर्शाती है। इसलिए, यह शोधपत्र मानता है कि समतल संरचना टेराहर्ट्ज़ बैंड में निर्वात इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के विकास का प्रमुख रुझान बनने की प्रबल संभावना है।
इस अध्ययन में प्रयुक्त अधिकांश कच्चे आंकड़े और विश्लेषणात्मक मॉडल इस शोधपत्र में शामिल किए गए हैं। उचित अनुरोध पर संबंधित लेखक से अतिरिक्त प्रासंगिक जानकारी प्राप्त की जा सकती है।
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