Շնորհակալություն Nature.com կայք այցելելու համար: Ձեր օգտագործած դիտարկիչի տարբերակը սահմանափակ աջակցություն ունի CSS-ի համար: Լավագույն փորձի համար խորհուրդ ենք տալիս օգտագործել թարմացված դիտարկիչ (կամ անջատել համատեղելիության ռեժիմը Internet Explorer-ում): Մինչդեռ, շարունակական աջակցությունն ապահովելու համար, մենք կայքը կցուցադրենք առանց ոճերի և JavaScript-ի:
Այս աշխատանքում նախագծվել և ստուգվել է 220 ԳՀց հաճախականությամբ լայնաշերտ բարձր հզորության փոխկապակցված կրկնակի շեղբերով շարժվող ալիքային խողովակ։ Նախ, առաջարկվում է պլանար կրկնակի ճառագայթով, աստիճանաբար շարժվող կրկնակի շեղբերով դանդաղ ալիքային կառուցվածք։ Երկռեժիմային աշխատանքի սխեմայի միջոցով փոխանցման կատարողականությունը և թողունակությունը գրեթե կրկնակի են միառեժիմայինից։ Երկրորդ, բարձր ելքային հզորության պահանջները բավարարելու և շարժվող ալիքային խողովակի կայունությունը բարելավելու համար նախագծվել է կրկնակի մատիտաձև էլեկտրոնային օպտիկական համակարգ, որի շարժիչ լարումը 20~21 կՎ է, իսկ հոսանքը՝ 2 × 80 մԱ։ Նախագծման նպատակները։ Երկփողանի ատրճանակում դիմակի մասը և կառավարման էլեկտրոդը օգտագործելով՝ երկու մատիտային փնջերը կարող են կենտրոնացվել իրենց համապատասխան կենտրոնների երկայնքով՝ 7 սեղմման հարաբերակցությամբ, կիզակետման հեռավորությունը մոտ 0.18 մմ է, և կայունությունը լավ է։ Միատարր մագնիսական կիզակետման համակարգը նույնպես օպտիմալացվել է։ Պլանար կրկնակի էլեկտրոնային փնջի կայուն փոխանցման հեռավորությունը կարող է հասնել 45 մմ-ի, իսկ կիզակետման մագնիսական դաշտը՝ 0.6 Տ, որը բավարար է ամբողջ բարձր հաճախականության համակարգը (ԲՀՀ) ծածկելու համար։ Այնուհետև, ստուգելու համար... Էլեկտրոն-օպտիկական համակարգի օգտագործելիությունը և դանդաղալիք կառուցվածքի կատարողականը, մասնիկային բջիջների (PIC) մոդելավորումները նույնպես իրականացվել են ամբողջ HFS-ի վրա: Արդյունքները ցույց են տալիս, որ ճառագայթ-փոխազդեցության համակարգը կարող է հասնել գրեթե 310 Վտ գագաթնակետային ելքային հզորության 220 ԳՀց հաճախականությամբ, օպտիմալացված ճառագայթային լարումը 20.6 կՎ է, ճառագայթային հոսանքը՝ 2 × 80 մԱ, ուժեղացումը՝ 38 դԲ, իսկ 3 դԲ թողունակությունը գերազանցում է 35 դԲ-ն մոտ 70 ԳՀց-ում: Վերջապես, HFS-ի աշխատանքը ստուգելու համար կատարվում է բարձր ճշգրտությամբ միկրոկառուցվածքային արտադրություն, և արդյունքները ցույց են տալիս, որ թողունակությունը և փոխանցման բնութագրերը լավ համապատասխանում են մոդելավորման արդյունքներին: Հետևաբար, այս հոդվածում առաջարկվող սխեման, ենթադրաբար, կզարգացնի բարձր հզորության, գերլայնաշերտ տերահերցային ճառագայթման աղբյուրներ՝ ապագա կիրառման ներուժով:
Որպես ավանդական վակուումային էլեկտրոնային սարք, ճանապարհորդող ալիքային խողովակը (TWT) անփոխարինելի դեր է խաղում բազմաթիվ կիրառություններում, ինչպիսիք են բարձր թույլտվության ռադարը, արբանյակային կապի համակարգերը և տիեզերքի հետազոտությունը1,2,3: Այնուամենայնիվ, երբ աշխատանքային հաճախականությունը մտնում է տերահերցային գոտի, ավանդական միացված խոռոչով TWT-ն և պարուրաձև TWT-ն չեն կարողացել բավարարել մարդկանց կարիքները համեմատաբար ցածր ելքային հզորության, նեղ թողունակության և դժվար արտադրական գործընթացների պատճառով: Հետևաբար, THz գոտու աշխատանքը համապարփակ բարելավելու եղանակը շատ մտահոգիչ խնդիր է դարձել բազմաթիվ գիտահետազոտական ​​հաստատությունների համար: Վերջին տարիներին նորարարական դանդաղ ալիքային կառուցվածքները (SWS), ինչպիսիք են աստիճանավոր կրկնակի շեղբերով (SDV) կառուցվածքները և ծալված ալիքատար (FW) կառուցվածքները, լայն ուշադրության են արժանացել իրենց բնական հարթ կառուցվածքների շնորհիվ, հատկապես խոստումնալից ներուժ ունեցող նորարարական SDV-SWS-ները: Այս կառուցվածքը առաջարկվել է UC-Davis-ի կողմից 2008 թվականին4: Հարթ կառուցվածքը կարող է հեշտությամբ պատրաստվել միկրո-նանո մշակման տեխնիկաներով, ինչպիսիք են համակարգչային թվային կառավարումը (CNC) և UV-LIGA-ն, ամբողջությամբ մետաղական փաթեթային կառուցվածքը կարող է ապահովել ավելի մեծ ջերմային հզորություն՝ Ավելի բարձր ելքային հզորություն և ուժեղացում, իսկ ալիքատարանման կառուցվածքը կարող է նաև ապահովել ավելի լայն աշխատանքային թողունակություն։ Ներկայումս UC Davis-ը 2017 թվականին առաջին անգամ ցույց տվեց, որ SDV-TWT-ն կարող է G-շերտում առաջացնել 100 Վտ-ից ավելի բարձր հզորության և գրեթե 14 ԳՀց թողունակության ազդանշաններ։ Այնուամենայնիվ, այս արդյունքները դեռևս ունեն բացթողումներ, որոնք չեն կարող բավարարել տերահերցային շերտում բարձր հզորության և լայն թողունակության հետ կապված պահանջները։ UC-Davis-ի G-շերտ SDV-TWT-ի համար օգտագործվել են թերթային էլեկտրոնային փնջեր։ Չնայած այս սխեման կարող է զգալիորեն բարելավել փնջի հոսանքի կրողունակությունը, դժվար է պահպանել երկար փոխանցման հեռավորություն թերթային փնջի էլեկտրոնային օպտիկական համակարգի (EOS) անկայունության պատճառով, և կա գերռեժիմային փնջի թունել, որը կարող է նաև փնջի ինքնակարգավորման պատճառ դառնալ։ – Գրգռում և տատանում 6,7: THz TWT-ի բարձր ելքային հզորության, լայն թողունակության և լավ կայունության պահանջները բավարարելու համար այս աշխատանքում առաջարկվում է կրկնակի ճառագայթային SDV-SWS՝ կրկնակի ռեժիմային աշխատանքով: Այսինքն՝ աշխատանքային թողունակությունը մեծացնելու համար այս կառուցվածքում առաջարկվում և ներդրվում է կրկնակի ռեժիմային աշխատանք: Եվ ելքային հզորությունը մեծացնելու համար օգտագործվում է նաև կրկնակի մատիտային փնջերի հարթ բաշխում: Միակ մատիտային փնջի ռադիոները համեմատաբար փոքր են ուղղահայաց չափի սահմանափակումների պատճառով: Եթե հոսանքի խտությունը չափազանց բարձր է, փնջի հոսանքը պետք է նվազեցվի, ինչը հանգեցնում է համեմատաբար ցածր ելքային հզորության: Փնջի հոսանքը բարելավելու համար ի հայտ է եկել հարթ բաշխված բազմաճառագայթային EOS, որը օգտագործում է SWS-ի կողմնային չափը: Անկախ փնջի թունելավորման շնորհիվ հարթ բաշխված բազմաճառագայթը կարող է հասնել բարձր ելքային հզորության՝ պահպանելով փնջի բարձր ընդհանուր հոսանք և փնջի վրա փոքր հոսանք, ինչը կարող է խուսափել գերռեժիմային փնջի թունելավորումից՝ համեմատած թերթային փնջի սարքերի հետ: Հետևաբար, օգտակար է պահպանել շարժվող ալիքային խողովակի կայունությունը: Նախորդ աշխատանքների հիման վրա8,9, այս աշխատանքում առաջարկվում է G-բաժնի միատարր մագնիսական դաշտը կենտրոնացնող կրկնակի մատիտային փնջով EOS, որը կարող է զգալիորեն բարելավել փնջի կայուն փոխանցման հեռավորությունը և հետագայում մեծացնել փնջի փոխազդեցության մակերեսը, դրանով իսկ զգալիորեն բարելավելով ելքային հզորությունը։
Այս աշխատանքի կառուցվածքը հետևյալն է։ Նախ, նկարագրվում է SWS բջջի նախագծումը՝ պարամետրերով, դիսպերսիայի բնութագրերի վերլուծությամբ և բարձր հաճախականության մոդելավորման արդյունքներով։ Այնուհետև, միավոր բջջի կառուցվածքին համապատասխան, այս աշխատանքում նախագծվում են կրկնակի մատիտային ճառագայթով EOS և ճառագայթային փոխազդեցության համակարգ։ Ներկայացվում են նաև ներբջջային մասնիկների մոդելավորման արդյունքները՝ EOS-ի օգտագործելիությունը և SDV-TWT-ի աշխատանքը ստուգելու համար։ Բացի այդ, աշխատանքում համառոտ ներկայացված են արտադրության և սառը փորձարկման արդյունքները՝ ամբողջ HFS-ի ճշգրտությունը ստուգելու համար։ Վերջապես, ամփոփում։
Որպես դանդաղ ալիքային կառուցվածքի դիսպերսիոն հատկություններից մեկը՝ դանդաղ ալիքային կառուցվածքի դիսպերսիոն հատկությունները ցույց են տալիս, թե արդյոք էլեկտրոնի արագությունը համապատասխանում է SWS-ի փուլային արագությանը, և այդպիսով մեծ ազդեցություն ունի ճառագայթ-ալիք փոխազդեցության վրա: Ամբողջ TWT-ի աշխատանքը բարելավելու համար նախագծվել է բարելավված փոխազդեցության կառուցվածք: Միավորային բջիջի կառուցվածքը ներկայացված է նկար 1-ում: Հաշվի առնելով թերթային ճառագայթի անկայունությունը և մեկ գրիչով ճառագայթի հզորության սահմանափակումը, կառուցվածքն ընդունում է կրկնակի գրիչով ճառագայթ՝ ելքային հզորությունը և աշխատանքային կայունությունը հետագայում բարելավելու համար: Միևնույն ժամանակ, աշխատանքային թողունակությունը մեծացնելու համար առաջարկվել է SWS-ի աշխատանքի կրկնակի ռեժիմ: SDV կառուցվածքի համաչափության շնորհիվ էլեկտրամագնիսական դաշտի դիսպերսիայի հավասարման լուծումը կարելի է բաժանել կենտ և զույգ ռեժիմների: Միևնույն ժամանակ, ցածր հաճախականության գոտու հիմնարար կենտ ռեժիմը և բարձր հաճախականության գոտու հիմնարար զույգ ռեժիմը օգտագործվում են ճառագայթի փոխազդեցության լայնաշերտ համաժամեցումն իրականացնելու համար, դրանով իսկ հետագայում բարելավելով աշխատանքային թողունակությունը:
Հզորության պահանջների համաձայն, ամբողջ խողովակը նախագծված է 20 կՎ շարժիչ լարման և 2 × 80 մԱ կրկնակի փնջային հոսանքի համար։ Որպեսզի լարումը հնարավորինս մոտ լինի SDV-SWS-ի աշխատանքային թողունակությանը, մենք պետք է հաշվարկենք p պարբերության տևողությունը։ Փնջի լարման և պարբերության միջև եղած կապը ներկայացված է (1)10 հավասարման մեջ։
220 ԳՀց կենտրոնական հաճախականության դեպքում փուլային տեղաշարժը 2.5π-ի սահմանելով, p պարբերությունը կարելի է հաշվարկել որպես 0.46 մմ: Նկար 2ա-ն ցույց է տալիս SWS միավորային բջջի ցրման հատկությունները: 20 կՎ ճառագայթային գիծը շատ լավ համապատասխանում է երկմոդալ կորին: Համապատասխան հաճախականության գոտիները կարող են հասնել մոտ 70 ԳՀց-ի 210–265.3 ԳՀց (կենտ ռեժիմ) և 265.4–280 ԳՀց (զույգ ռեժիմ) տիրույթներում: Նկար 2բ-ն ցույց է տալիս միջին միացման իմպեդանսը, որը մեծ է 0.6 Ω-ից 210-ից մինչև 290 ԳՀց, ինչը ցույց է տալիս, որ աշխատանքային թողունակության մեջ կարող են առաջանալ ուժեղ փոխազդեցություններ:
(ա) 20 կՎ էլեկտրոնային փնջային գծով երկռեժիմ SDV-SWS-ի դիսպերսիոն բնութագրերը։ (բ) SDV դանդաղալիքային սխեմայի փոխազդեցության իմպեդանս։
Այնուամենայնիվ, կարևոր է նշել, որ կենտ և զույգ ռեժիմների միջև կա գոտիական բաց, և մենք սովորաբար այս գոտիական բացը անվանում ենք կանգառի գոտի, ինչպես ցույց է տրված նկար 2ա-ում: Եթե TWT-ն աշխատում է այս հաճախականության գոտու մոտ, կարող է առաջանալ ճառագայթի ուժեղ միացման ուժ, որը կհանգեցնի անցանկալի տատանումների: Գործնական կիրառություններում մենք սովորաբար խուսափում ենք կանգառի գոտու մոտ TWT-ն օգտագործելուց: Այնուամենայնիվ, կարելի է տեսնել, որ այս դանդաղ ալիքային կառուցվածքի գոտիական բացը ընդամենը 0.1 ԳՀց է: Դժվար է որոշել, թե արդյոք այս փոքր գոտիական բացը առաջացնում է տատանումներ: Հետևաբար, կանգառի գոտու շուրջ աշխատանքի կայունությունը կուսումնասիրվի հաջորդ PIC մոդելավորման բաժնում՝ վերլուծելու համար, թե արդյոք կարող են առաջանալ անցանկալի տատանումներ:
Ամբողջ HFS-ի մոդելը ներկայացված է նկար 3-ում: Այն բաղկացած է SDV-SWS-ի երկու փուլերից, որոնք միացված են Բրեգգի անդրադարձիչներով: Անդրադարձիչի գործառույթն է կտրել ազդանշանի փոխանցումը երկու փուլերի միջև, ճնշել չաշխատող ռեժիմների, ինչպիսիք են վերին և ստորին շեղբերի միջև առաջացող բարձր կարգի ռեժիմները, տատանումները և անդրադարձումները, դրանով իսկ զգալիորեն բարելավելով ամբողջ խողովակի կայունությունը: Արտաքին միջավայրին միանալու համար գծային կոնաձև միակցիչ է օգտագործվում նաև SWS-ը WR-4 ստանդարտ ալիքատարին միացնելու համար: Երկմակարդակ կառուցվածքի փոխանցման գործակիցը չափվում է ժամանակային տիրույթի լուծիչով 3D մոդելավորման ծրագրում: Հաշվի առնելով տերահերցային գոտու նյութի վրա իրական ազդեցությունը, վակուումային ծրարի նյութը սկզբում սահմանվում է պղինձ, և հաղորդականությունը կրճատվում է մինչև 2.25×107 S/m12:
Նկար 4-ը ցույց է տալիս HFS-ի փոխանցման արդյունքները գծային կոնաձև միակցիչներով և առանց դրանց: Արդյունքները ցույց են տալիս, որ միակցիչը քիչ ազդեցություն ունի ամբողջ HFS-ի փոխանցման արդյունավետության վրա: 207~280 GHz լայնաշերտ ինտերնետում ամբողջ համակարգի վերադարձի կորուստը (S11 < − 10 dB) և ներդրման կորուստը (S21 > − 5 dB) ցույց են տալիս, որ HFS-ն ունի լավ փոխանցման բնութագրեր:
Որպես վակուումային էլեկտրոնային սարքերի սնուցման աղբյուր, էլեկտրոնային թնդանոթը ուղղակիորեն որոշում է, թե արդյոք սարքը կարող է բավարար ելքային հզորություն առաջացնել: II բաժնում HFS-ի վերլուծության հետ համատեղ, անհրաժեշտ է նախագծել կրկնակի ճառագայթային EOS՝ բավարար հզորություն ապահովելու համար: Այս մասում, W-band8,9-ում նախորդ աշխատանքի հիման վրա, նախագծվում է կրկնակի մատիտային էլեկտրոնային թնդանոթ՝ օգտագործելով հարթ դիմակի մաս և կառավարման էլեկտրոդներ: Նախ, բաժինում SWS-ի նախագծային պահանջների համաձայն: Ինչպես ցույց է տրված Նկ. 2-ում էլեկտրոնային փնջերի շարժիչ լարումը Ua սկզբում սահմանվում է 20 կՎ, երկու էլեկտրոնային փնջերի հոսանքները I երկուսն էլ 80 մԱ են, իսկ էլեկտրոնային փնջերի փնջի տրամագիծը dw՝ 0.13 մմ: Միևնույն ժամանակ, էլեկտրոնային փնջի և կաթոդի հոսանքի խտության հասնելու համար էլեկտրոնային փնջի սեղմման հարաբերակցությունը սահմանվում է 7, ուստի էլեկտրոնային փնջի հոսանքի խտությունը կազմում է 603 Ա/սմ2, իսկ կաթոդի հոսանքի խտությունը՝ 86 Ա/սմ2, որը կարելի է հասնել հետևյալ կերպ. Սա իրականացվում է կաթոդի նոր նյութերի օգտագործմամբ: Նախագծման տեսության 14, 15, 16, 17 համաձայն, տիպիկ Պիրսի էլեկտրոնային թնդանոթը կարող է եզակիորեն նույնականացվել:
Նկար 5-ը ցույց է տալիս համապատասխանաբար ատրճանակի հորիզոնական և ուղղահայաց սխեմատիկ դիագրամները։ Կարելի է տեսնել, որ էլեկտրոնային ատրճանակի պրոֆիլը x ուղղությամբ գրեթե նույնական է թերթաձև էլեկտրոնային ատրճանակի պրոֆիլին, մինչդեռ y ուղղությամբ երկու էլեկտրոնային փնջերը մասամբ բաժանված են դիմակով։ Երկու կաթոդների դիրքերը համապատասխանաբար x = – 0.155 մմ, y = 0 մմ և x = 0.155 մմ, y = 0 մմ են։ Սեղմման հարաբերակցության և էլեկտրոնների ներարկման չափի նախագծային պահանջների համաձայն՝ երկու կաթոդի մակերեսների չափերը որոշվում են 0.91 մմ × 0.13 մմ։
Որպեսզի յուրաքանչյուր էլեկտրոնային փնջի կողմից x ուղղությամբ ստացվող ֆոկուսացված էլեկտրական դաշտը սիմետրիկ լինի իր կենտրոնի նկատմամբ, այս աշխատանքում էլեկտրոնային թնդանոթին տեղադրվում է կառավարման էլեկտրոդ։ Ֆոկուսացնող էլեկտրոդի և կառավարման էլեկտրոդի լարումը սահմանելով -20 կՎ, իսկ անոդի լարումը՝ 0 Վ, կարող ենք ստանալ կրկնակի փնջային թնդանոթի հետագծի բաշխումը, ինչպես ցույց է տրված Նկար 6-ում։ Կարելի է տեսնել, որ ճառագայթված էլեկտրոնները լավ սեղմելիություն ունեն y ուղղությամբ, և յուրաքանչյուր էլեկտրոնային փնջ զուգամիտում է x ուղղությամբ՝ իր համաչափության կենտրոնի երկայնքով, ինչը ցույց է տալիս, որ կառավարման էլեկտրոդը հավասարակշռում է ֆոկուսացնող էլեկտրոդի կողմից առաջացած անհավասար էլեկտրական դաշտը։
Նկար 7-ը ցույց է տալիս ճառագայթի ծրարը x և y ուղղություններով։ Արդյունքները ցույց են տալիս, որ էլեկտրոնային ճառագայթի պրոյեկցիայի հեռավորությունը x ուղղությամբ տարբերվում է y ուղղությամբ պրոյեկցիայի հեռավորությունից։ X ուղղությամբ նետման հեռավորությունը մոտ 4 մմ է, իսկ y ուղղությամբ նետման հեռավորությունը՝ մոտ 7 մմ։ Հետևաբար, իրական նետման հեռավորությունը պետք է ընտրվի 4-ից 7 մմ։ Նկար 8-ը ցույց է տալիս էլեկտրոնային ճառագայթի լայնական հատույթը կաթոդի մակերևույթից 4.6 մմ հեռավորության վրա։ Մենք կարող ենք տեսնել, որ լայնական հատույթի ձևը ամենամոտ է ստանդարտ շրջանաձև էլեկտրոնային ճառագայթին։ Երկու էլեկտրոնային ճառագայթների միջև հեռավորությունը մոտ է նախագծված 0.31 մմ-ին, իսկ շառավիղը՝ մոտ 0.13 մմ, որը համապատասխանում է նախագծային պահանջներին։ Նկար 9-ը ցույց է տալիս ճառագայթի հոսանքի մոդելավորման արդյունքները։ Կարելի է տեսնել, որ երկու ճառագայթային հոսանքները 76 մԱ են, ինչը լավ համապատասխանում է նախագծված 80 մԱ-ին։
Հաշվի առնելով գործնական կիրառություններում շարժիչ լարման տատանումները, անհրաժեշտ է ուսումնասիրել այս մոդելի լարման զգայունությունը: 19.8 ~ 20.6 կՎ լարման տիրույթում ստացվում են հոսանքի և փնջի հոսանքի ծրարները, ինչպես ցույց է տրված նկար 1-ում և նկար 1.10 և 11-ում: Արդյունքներից կարելի է տեսնել, որ շարժիչ լարման փոփոխությունը ազդեցություն չունի էլեկտրոնային փնջի ծրարի վրա, և էլեկտրոնային փնջի հոսանքը փոխվում է միայն 0.74-ից մինչև 0.78 Ա: Հետևաբար, կարելի է համարել, որ այս աշխատանքում նախագծված էլեկտրոնային թնդանոթն ունի լարման նկատմամբ լավ զգայունություն:
Վարող լարման տատանումների ազդեցությունը x և y ուղղության ճառագայթային թաղանթների վրա։
Միատարր մագնիսական ֆոկուսային դաշտը մշտական ​​մագնիսական ֆոկուսային համակարգ է։ Շնորհիվ ճառագայթային ալիքի ամբողջ տարածքում մագնիսական դաշտի միատարր բաշխման, այն շատ հարմար է առանցքային սիմետրիկ էլեկտրոնային փնջերի համար։ Այս բաժնում առաջարկվում է միատարր մագնիսական ֆոկուսային համակարգ՝ կրկնակի մատիտային փնջերի երկար հեռավորությունների վրա անցումը պահպանելու համար։ Ստեղծված մագնիսական դաշտը և փնջի ծրարը վերլուծելով՝ առաջարկվում է ֆոկուսային համակարգի նախագծման սխեման և ուսումնասիրվում է զգայունության խնդիրը։ Միատարր մատիտային փնջի կայուն անցման տեսության համաձայն18,19, Բրիլլուենի մագնիսական դաշտի արժեքը կարող է հաշվարկվել (2) հավասարմամբ։ Այս աշխատանքում մենք նաև օգտագործում ենք այս համարժեքությունը՝ կողմնային բաշխված կրկնակի մատիտային փնջի մագնիսական դաշտը գնահատելու համար։ Այս աշխատանքում նախագծված էլեկտրոնային թնդանոթի հետ համատեղ՝ հաշվարկված մագնիսական դաշտի արժեքը կազմում է մոտ 4000 Գվ։ Համաձայն 20-րդ հղման՝ գործնական նախագծերում սովորաբար ընտրվում է հաշվարկված արժեքի 1.5-2 անգամը։
Նկար 12-ը ցույց է տալիս միատարր մագնիսական դաշտի ֆոկուսային դաշտի համակարգի կառուցվածքը: Կապույտ մասը մշտական ​​մագնիսն է, որը մագնիսացված է առանցքային ուղղությամբ: Նյութի ընտրությունը NdFeB կամ FeCoNi է: Սիմուլյացիոն մոդելում սահմանված մնացորդային Br-ը 1.3 T է, իսկ թափանցելիությունը՝ 1.05: Ամբողջ շղթայում ճառագայթի կայուն անցումն ապահովելու համար մագնիսի երկարությունը սկզբում սահմանվում է 70 մմ: Բացի այդ, մագնիսի չափը x ուղղությամբ որոշում է, թե արդյոք ճառագայթի ալիքի լայնական մագնիսական դաշտը միատարր է, ինչը պահանջում է, որ x ուղղությամբ չափը չափազանց փոքր լինի: Միևնույն ժամանակ, հաշվի առնելով ամբողջ խողովակի արժեքը և քաշը, մագնիսի չափը չպետք է չափազանց մեծ լինի: Հետևաբար, մագնիսները սկզբում սահմանվում են 150 մմ × 150 մմ × 70 մմ: Միևնույն ժամանակ, որպեսզի ամբողջ դանդաղալիքային շղթան կարողանա տեղադրվել ֆոկուսային համակարգում, մագնիսների միջև հեռավորությունը սահմանվում է 20 մմ:
2015 թվականին Purna Chandra Panda21-ը առաջարկեց միատարր մագնիսական ֆոկուսավորման համակարգում նոր աստիճանավոր անցքով բևեռային մաս, որը կարող է էլ ավելի նվազեցնել կաթոդ հոսքի արտահոսքի մեծությունը և բևեռային մասի անցքում առաջացող լայնակի մագնիսական դաշտը: Այս աշխատանքում մենք ֆոկուսավորման համակարգի բևեռային մասին ավելացնում ենք աստիճանավոր կառուցվածք: Բևեռային մասի հաստությունը սկզբում սահմանված է 1.5 մմ, երեք աստիճանների բարձրությունը և լայնությունը՝ 0.5 մմ, իսկ բևեռային մասի անցքերի միջև հեռավորությունը՝ 2 մմ, ինչպես ցույց է տրված նկար 13-ում:
Նկար 14ա-ն ցույց է տալիս երկու էլեկտրոնային փնջերի կենտրոնական գծերի երկայնքով մագնիսական դաշտի առանցքային բաշխումը։ Կարելի է տեսնել, որ երկու էլեկտրոնային փնջերի երկայնքով մագնիսական դաշտի ուժերը հավասար են։ Մագնիսական դաշտի արժեքը մոտ 6000 Գվ է, որը 1.5 անգամ ավելի է, քան տեսական Բրիլուենի դաշտը՝ փոխանցման և կենտրոնացման կատարողականությունը բարձրացնելու համար։ Միևնույն ժամանակ, կաթոդի մոտ մագնիսական դաշտը գրեթե 0 է, ինչը ցույց է տալիս, որ բևեռային մասը լավ ազդեցություն ունի մագնիսական հոսքի արտահոսքը կանխելու վրա։ Նկար 14բ-ն ցույց է տալիս լայնակի մագնիսական դաշտի բաշխումը By-ն z ուղղությամբ՝ երկու էլեկտրոնային փնջերի վերին եզրին։ Կարելի է տեսնել, որ լայնակի մագնիսական դաշտը 200 Գվ-ից պակաս է միայն բևեռային մասի անցքում, մինչդեռ դանդաղ ալիքային սխեմայում լայնակի մագնիսական դաշտը գրեթե զրո է, ինչը ապացուցում է, որ լայնակի մագնիսական դաշտի ազդեցությունը էլեկտրոնային փնջի վրա աննշան է։ Բևեռային մասերի մագնիսական հագեցվածությունը կանխելու համար անհրաժեշտ է ուսումնասիրել բևեռային մասերի ներսում մագնիսական դաշտի ուժը։ Նկար 14գ-ն ցույց է տալիս բևեռային մասի ներսում մագնիսական դաշտի բաշխման բացարձակ արժեքը։ Կարելի է տեսնել, որ մագնիսական դաշտի ուժի բացարձակ արժեքը փոքր է 1.2T-ից, ինչը ցույց է տալիս, որ բևեռային մասի մագնիսական հագեցում տեղի չի ունենա։
Մագնիսական դաշտի ուժի բաշխումը Br = 1.3 T-ի համար։ (ա) Առանցքային դաշտի բաշխում։ (բ) Կողմնային դաշտի բաշխում By z ուղղությամբ։ (գ) Դաշտի բաշխման բացարձակ արժեքը բևեռային մասի ներսում։
CST PS մոդուլի հիման վրա, կրկնակի ճառագայթային թնդանոթի և ֆոկուսացման համակարգի առանցքային հարաբերական դիրքը օպտիմալացված է: Համաձայն 9-րդ հղման և մոդելավորումների, օպտիմալ տեղակայումն այն է, որտեղ անոդային կտորը համընկնում է բևեռային կտորի հետ՝ մագնիսից հեռու: Այնուամենայնիվ, պարզվել է, որ եթե մնացորդային արժեքը սահմանվի 1.3T, էլեկտրոնային փնջի թափանցելիությունը չի կարող հասնել 99%-ի: Մնացորդային արժեքը մինչև 1.4T մեծացնելով՝ ֆոկուսացման մագնիսական դաշտը կաճի մինչև 6500 Gs: Xoz և yoz հարթությունների վրա ճառագայթի հետագծերը ներկայացված են նկար 15-ում: Կարելի է տեսնել, որ ճառագայթն ունի լավ թափանցելիություն, փոքր տատանումներ և 45 մմ-ից մեծ փոխանցման հեռավորություն:
Կրկնակի մատիտային ճառագայթների հետագծերը Br = 1.4 T-ով միատարր մագնիսական համակարգի ներքո։(a) xoz հարթություն։(b) yoz ինքնաթիռ։
Նկար 16-ը ցույց է տալիս ճառագայթի լայնական հատույթը կաթոդից տարբեր դիրքերում։ Կարելի է տեսնել, որ ֆոկուսացման համակարգում ճառագայթի հատույթի ձևը լավ է պահպանված, և հատույթի տրամագիծը շատ չի փոխվում։ Նկար 17-ը ցույց է տալիս ճառագայթի ծրարները համապատասխանաբար x և y ուղղություններով։ Կարելի է տեսնել, որ ճառագայթի տատանումը երկու ուղղություններով էլ շատ փոքր է։ Նկար 18-ը ցույց է տալիս ճառագայթի հոսանքի մոդելավորման արդյունքները։ Արդյունքները ցույց են տալիս, որ հոսանքը կազմում է մոտ 2 × 80 մԱ, ինչը համապատասխանում է էլեկտրոնային թնդանոթի նախագծում հաշվարկված արժեքին։
Էլեկտրոնային փնջի լայնական հատույթը (ֆոկուսավորման համակարգով) կաթոդից տարբեր դիրքերում։
Հաշվի առնելով մի շարք խնդիրներ, ինչպիսիք են հավաքման սխալները, լարման տատանումները և մագնիսական դաշտի ուժի փոփոխությունները գործնական մշակման կիրառություններում, անհրաժեշտ է վերլուծել ֆոկուսացման համակարգի զգայունությունը: Քանի որ իրական մշակման ժամանակ անոդային կտորի և բևեռային կտորի միջև կա բաց, այս բացը պետք է սահմանվի մոդելավորման ժամանակ: Բացվածքի արժեքը սահմանվել է 0.2 մմ, և նկար 19ա-ն ցույց է տալիս ճառագայթի ծրարը և ճառագայթի հոսանքը y ուղղությամբ: Այս արդյունքը ցույց է տալիս, որ ճառագայթի ծրարի փոփոխությունը նշանակալի չէ, և ճառագայթի հոսանքը գրեթե չի փոխվում: Հետևաբար, համակարգը անզգայուն է հավաքման սխալների նկատմամբ: Էլեկտրաէներգիայի լարման տատանման համար սխալի միջակայքը սահմանվել է ±0.5 կՎ: Նկար 19բ-ն ցույց է տալիս համեմատության արդյունքները: Կարելի է տեսնել, որ լարման փոփոխությունը քիչ ազդեցություն ունի ճառագայթի ծրարի վրա: Սխալի միջակայքը սահմանվել է -0.02-ից մինչև +0.03 T մագնիսական դաշտի ուժի փոփոխությունների համար: Համեմատության արդյունքները ներկայացված են նկար 20-ում: Կարելի է տեսնել, որ ճառագայթի ծրարը գրեթե չի փոխվում, ինչը նշանակում է, որ ամբողջ EOS-ը անզգայուն է մագնիսական դաշտի ուժի փոփոխությունների նկատմամբ:
Ճառագայթի ծրարը և հոսանքի արդյունքները միատարր մագնիսական ֆոկուսավորման համակարգի դեպքում։(ա) Մոնտաժման հանդուրժողականությունը 0.2 մմ է։(բ) Շարժիչ լարման տատանումը ±0.5 կՎ է։
Ճառագայթային թաղանթ միատարր մագնիսական ֆոկուսացման համակարգի ներքո՝ առանցքային մագնիսական դաշտի ուժի տատանումներով 0.63-ից մինչև 0.68 Տ։
Որպեսզի այս աշխատանքում նախագծված ֆոկուսավորման համակարգը համապատասխանի բարձր հաճախականության (HFS) համակարգին, անհրաժեշտ է համատեղել ֆոկուսավորման համակարգը և բարձր հաճախականության (HFS) հետազոտությունները: Նկար 21-ը ցույց է տալիս ճառագայթային ծրարների համեմատությունը բարձր հաճախականության (HFS) բեռնվածությամբ և առանց դրա: Արդյունքները ցույց են տալիս, որ ճառագայթային ծրարը շատ չի փոխվում, երբ ամբողջ բարձր հաճախականության (HFS) համակարգը բեռնված է: Հետևաբար, ֆոկուսավորման համակարգը հարմար է վերը նշված դիզայնի շարժվող ալիքային խողովակի բարձր հաճախականության (HFS) համար:
Բաժին III-ում առաջարկված EOS-ի ճշգրտությունը ստուգելու և 220 GHz SDV-TWT-ի աշխատանքը հետազոտելու համար իրականացվել է ճառագայթ-ալիք փոխազդեցության 3D-PIC մոդելավորում: Սիմուլյացիոն ծրագրային սահմանափակումների պատճառով մենք չկարողացանք ամբողջ EOS-ը ավելացնել HFS-ին: Հետևաբար, էլեկտրոնային թնդանոթը փոխարինվել է 0.13 մմ տրամագծով և երկու մակերեսների միջև 0.31 մմ հեռավորությամբ համարժեք ճառագայթող մակերեսով, որը նույն պարամետրերն ունի, ինչ վերևում նախագծված էլեկտրոնային թնդանոթը: EOS-ի անզգայունության և լավ կայունության շնորհիվ, PIC մոդելավորման մեջ լավագույն ելքային հզորությանը հասնելու համար շարժիչ լարումը կարող է պատշաճ կերպով օպտիմալացվել: Սիմուլյացիայի արդյունքները ցույց են տալիս, որ հագեցած ելքային հզորությունը և ուժեղացումը կարող են ստացվել 20.6 կՎ շարժիչ լարման, 2 × 80 մԱ (603 Ա/սմ2) ճառագայթային հոսանքի և 0.05 Վտ մուտքային հզորության դեպքում:
Լավագույն ելքային ազդանշան ստանալու համար անհրաժեշտ է նաև օպտիմալացնել ցիկլերի քանակը։ Լավագույն ելքային հզորությունը ստացվում է, երբ երկու փուլերի քանակը 42 + 48 ցիկլ է, ինչպես ցույց է տրված նկար 22ա-ում։ 0.05 Վտ հզորությամբ մուտքային ազդանշանը ուժեղացվում է մինչև 314 Վտ՝ 38 դԲ ուժեղացմամբ։ Արագ Ֆուրիեի ձևափոխությամբ (FFT) ստացված ելքային հզորության սպեկտրը մաքուր է, գագաթնակետին հասնելով 220 ԳՀց հաճախականությամբ։ Նկար 22բ-ն ցույց է տալիս էլեկտրոնային էներգիայի առանցքային դիրքի բաշխումը SWS-ում, որտեղ էլեկտրոնների մեծ մասը կորցնում է էներգիա։ Այս արդյունքը ցույց է տալիս, որ SDV-SWS-ը կարող է էլեկտրոնների կինետիկ էներգիան փոխակերպել RF ազդանշանների, այդպիսով իրականացնելով ազդանշանի ուժեղացում։
SDV-SWS ելքային ազդանշան 220 ԳՀց հաճախականությամբ։ (ա) Ելքային հզորություն՝ ներառված սպեկտրով։ (բ) Էլեկտրոնների էներգիայի բաշխում՝ SWS ներդիրի վերջում էլեկտրոնային փնջով։
Նկար 23-ը ցույց է տալիս երկռեժիմ երկճառագայթ SDV-TWT-ի ելքային հզորության թողունակությունը և ուժեղացումը։ Ելքային կատարողականությունը կարող է էլ ավելի բարելավվել՝ հաճախականությունները 200-ից մինչև 275 ԳՀց տատանելով և շարժիչի լարումը օպտիմալացնելով։ Այս արդյունքը ցույց է տալիս, որ 3 դԲ թողունակությունը կարող է ծածկել 205-ից մինչև 275 ԳՀց, ինչը նշանակում է, որ երկռեժիմային աշխատանքը կարող է զգալիորեն ընդլայնել աշխատանքային թողունակությունը։
Սակայն, ըստ Նկար 2ա-ի, մենք գիտենք, որ կենտ և զույգ ռեժիմների միջև կա կանգառի գոտի, որը կարող է հանգեցնել անցանկալի տատանումների: Հետևաբար, կանգառների շուրջ աշխատանքի կայունությունը պետք է ուսումնասիրվի: Նկար 24ա-գ-ն համապատասխանաբար 265.3 ԳՀց, 265.35 ԳՀց և 265.4 ԳՀց հաճախականություններում 20 նվ սիմուլյացիայի արդյունքներն են: Կարելի է տեսնել, որ չնայած սիմուլյացիայի արդյունքներն ունեն որոշակի տատանումներ, ելքային հզորությունը համեմատաբար կայուն է: Սպեկտրը նույնպես համապատասխանաբար ներկայացված է Նկար 24-ում, սպեկտրը մաքուր է: Այս արդյունքները ցույց են տալիս, որ կանգառի գոտու մոտ ինքնատատանում չկա:
Արտադրությունն ու չափումները անհրաժեշտ են ամբողջ բարձր հաճախականության կառուցվածքի ճշգրտությունը ստուգելու համար: Այս մասում բարձր հաճախականության կառուցվածքը պատրաստվում է համակարգչային թվային կառավարման (CNC) տեխնոլոգիայի միջոցով՝ 0.1 մմ գործիքի տրամագծով և 10 մկմ մշակման ճշգրտությամբ: Բարձր հաճախականության կառուցվածքի նյութը ապահովված է թթվածնազուրկ բարձր հաղորդունակությամբ (OFHC) պղնձից: Նկար 25ա-ն ցույց է տալիս պատրաստված կառուցվածքը: Ամբողջ կառուցվածքն ունի 66.00 մմ երկարություն, 20.00 մմ լայնություն և 8.66 մմ բարձրություն: Կառուցվածքի շուրջը բաշխված են ութ ամրակապային անցքեր: Նկար 25բ-ն ցույց է տալիս կառուցվածքը սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակի (SEM) միջոցով: Այս կառուցվածքի շեղբերը միատարր են արտադրված և ունեն լավ մակերեսային կոպտություն: Ճշգրիտ չափումից հետո ընդհանուր մշակման սխալը կազմում է 5%-ից պակաս, իսկ մակերեսային կոպտությունը՝ մոտ 0.4 մկմ: Մշակված կառուցվածքը համապատասխանում է նախագծման և ճշգրտության պահանջներին:
Նկար 26-ը ցույց է տալիս փոխանցման կատարողականության իրական փորձարկման արդյունքների և մոդելավորման համեմատությունը: Նկար 26ա-ում պատկերված 1-ին և 2-րդ միացքները համապատասխանաբար համապատասխանում են HFS-ի մուտքային և ելքային միացքներին և համարժեք են նկար 3-ում պատկերված 1-ին և 4-րդ միացքներին: S11-ի իրական չափման արդյունքները մի փոքր ավելի լավն են, քան մոդելավորման արդյունքները: Միևնույն ժամանակ, S21-ի չափված արդյունքները մի փոքր ավելի վատն են: Պատճառը կարող է լինել այն, որ մոդելավորման մեջ սահմանված նյութի հաղորդունակությունը չափազանց բարձր է, իսկ իրական մշակումից հետո մակերեսի կոպտությունը՝ վատ: Ընդհանուր առմամբ, չափված արդյունքները լավ համապատասխանում են մոդելավորման արդյունքներին, և փոխանցման թողունակությունը համապատասխանում է 70 ԳՀց պահանջին, ինչը հաստատում է առաջարկվող երկռեժիմ SDV-TWT-ի իրագործելիությունն ու ճշգրտությունը: Հետևաբար, իրական արտադրության գործընթացի և փորձարկման արդյունքների հետ համատեղ, այս հոդվածում առաջարկվող գերլայնաշերտ երկճառագայթ SDV-TWT նախագիծը կարող է օգտագործվել հետագա արտադրության և կիրառությունների համար:
Այս աշխատանքում ներկայացված է 220 ԳՀց հաճախականությամբ երկճառագայթային SDV-TWT պլանարային բաշխման մանրամասն նախագծումը: Երկռեժիմային աշխատանքի և երկճառագայթային գրգռման համադրությունը հետագայում մեծացնում է աշխատանքային թողունակությունը և ելքային հզորությունը: Արտադրությունը և սառը փորձարկումը նույնպես իրականացվում են ամբողջ HFS-ի ճշգրտությունը ստուգելու համար: Իրական չափման արդյունքները լավ համապատասխանում են մոդելավորման արդյունքներին: Նախագծված երկճառագայթային EOS-ի համար դիմակի հատվածը և կառավարման էլեկտրոդները միասին օգտագործվել են երկմատիտային փունջ ստանալու համար: Նախագծված միատարր ֆոկուսային մագնիսական դաշտի ներքո էլեկտրոնային փունջը կարող է կայունորեն փոխանցվել երկար հեռավորությունների վրա՝ լավ ձևով: Ապագայում կիրականացվի EOS-ի արտադրությունը և փորձարկումը, ինչպես նաև կիրականացվի ամբողջ TWT-ի ջերմային փորձարկումը: Այս աշխատանքում առաջարկվող SDV-TWT նախագծման այս սխեման լիովին համատեղում է ժամանակակից հասուն հարթության մշակման տեխնոլոգիան և ցույց է տալիս մեծ ներուժ արդյունավետության ցուցանիշների, մշակման և հավաքման մեջ: Հետևաբար, այս աշխատանքը կարծում է, որ պլանար կառուցվածքը, ամենայն հավանականությամբ, կդառնա տերահերցային տիրույթում վակուումային էլեկտրոնային սարքերի զարգացման միտումը:
Այս ուսումնասիրության մեջ ներառված են հում տվյալների և վերլուծական մոդելների մեծ մասը։ Լրացուցիչ համապատասխան տեղեկատվություն կարելի է ստանալ համապատասխան հեղինակից՝ համապատասխան խնդրանքով։
Գամզինա, Դ. և այլք։ Ենթատերահերցային վակուումային էլեկտրոնիկայի նանոմասշտաբային CNC մշակում։ IEEE Trans.electronic devices.63, 4067–4073 (2016)։
Մալեկաբադի, Ա. և Պաոլոնի, Կ.։ Ենթատերահերցային ալիքատարերի UV-LIGA միկրոֆաբրիկացում՝ օգտագործելով բազմաշերտ SU-8 լուսակայուն։ J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016)։
Դիլոն, ՍՍ և այլք։ 2017 ԹՀց տեխնոլոգիական ճանապարհային քարտեզ։ J. Physics.D to apply.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017)։
Շին, Յ.Մ., Բարնեթ, Լ.Ռ. և Լուման, Հյուսիսային Կարոլինա։ Պլազմոնային ալիքի տարածման ուժեղ սահմանափակում գերլայնաշերտ շերտավոր կրկնակի ցանցային ալիքատարերի միջոցով։ application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008)։
Բեյգ, Ա. և այլք։ Նանո-CNC մեքենայով մշակված 220 ԳՀց հաճախականությամբ շարժվող ալիքային խողովակային ուժեղացուցիչի աշխատանքը։ IEEE Trans.electronic devices.64, 590–592 (2017)։
Հան, Յ. և Ռուան, Ս.Ջ. Անվերջ լայնությամբ թերթային էլեկտրոնային փնջերի դիոկոտրոնային անկայունության ուսումնասիրությունը՝ օգտագործելով մակրոսկոպիկ սառը հեղուկի մոդելի տեսությունը: Չին Ֆիզիկա Բ. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011):
Գալդեցկի, Ա.Վ.՝ բազմաճառագայթային կլիստրոնում ճառագայթի հարթ դասավորությամբ թողունակությունը մեծացնելու հնարավորության մասին։ Վակուումային էլեկտրոնիկայի 12-րդ միջազգային կոնֆերանսում, Բանգալոր, Հնդկաստան, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011)։
Նգույեն, Ս.Ջ. և այլք։ W-շերտում նեղ ճառագայթային բաժանման հարթության բաշխմամբ եռաճառագայթ էլեկտրոնային թնդանոթների նախագծում կրկնակի շեղբերով շարժվող ալիքային խողովակում [J]։ Գիտություն։ Հոդված 11, 940։ https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021)։
Վանգ, Պ.Պ., Սու, Ի.Յ., Չժան, Զ., Վանգ, Վ.Բ. և Ռուան, Ս.Ջ. W-շերտի հիմնարար ռեժիմի համար նեղ ճառագայթային բաժանմամբ պլանարային բաշխված եռաճառագայթային էլեկտրոնային օպտիկական համակարգ TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021):
Չժան, Մ. Միլիմետրային ալիքային թերթային ճառագայթներով 20-22 փոխկապակցված կրկնակի շեղբերով շարժվող ալիքային խողովակի հետազոտություն (PhD, Բեյհանգի համալսարան, 2018):
Ռուան, Ս.Ջ., Չժան, Հ.Ֆ., Տաո, Ջ. և Հե, Յ. G-շերտի փոխկապակցված կրկնակի շեղբերով տարածվող ալիքային խողովակի ճառագայթ-ալիք փոխազդեցության կայունության ուսումնասիրություն: 2018թ. Ինֆրակարմիր միլիմետրային և տերահերցային ալիքների 43-րդ միջազգային կոնֆերանս, Նագոյա, 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018):