Nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рақмет. Сіз пайдаланып отырған браузер нұсқасында CSS қолдауы шектеулі. Ең жақсы тәжірибе алу үшін жаңартылған браузерді пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer бағдарламасында үйлесімділік режимін өшіріңіз). Сонымен қатар, үздіксіз қолдауды қамтамасыз ету үшін біз сайтты стильдерсіз және JavaScriptсіз көрсетеміз.
Бұл мақалада 220 ГГц кеңжолақты жоғары қуатты аралық қос қалақшалы қозғалмалы толқын түтігі жобаланған және тексерілген. Біріншіден, жазық қос сәулелі сатылы қос қалақшалы баяу толқынды құрылым ұсынылады. Қос режимді жұмыс схемасын қолдану арқылы беріліс өнімділігі мен өткізу қабілеті бір режимдіге қарағанда екі есеге жуық. Екіншіден, жоғары шығыс қуатының талаптарын қанағаттандыру және қозғалмалы толқын түтігінің тұрақтылығын жақсарту үшін қос қарындаш тәрізді электрондық оптикалық жүйе жобаланған, жетек кернеуі 20~21 кВ, ал ток күші 2 × 80 мА. Жобалау мақсаттары. Қос сәулелі мылтықтағы маска бөлігін және басқару электродын пайдалану арқылы екі қарындаш сәулесін тиісті орталықтары бойымен 7 қысу коэффициентімен фокустауға болады, фокустау қашықтығы шамамен 0,18 мм және тұрақтылық жақсы. Біркелкі магниттік фокустау жүйесі де оңтайландырылған. Жазық қос электронды сәуленің тұрақты беру қашықтығы 45 мм-ге жетуі мүмкін, ал фокустау магнит өрісі 0,6 Т құрайды, бұл бүкіл жоғары жиілікті жүйені қамтуға жеткілікті. (HFS). Содан кейін, электронды-оптикалық жүйенің пайдалану ыңғайлылығын және баяу толқынды құрылымның өнімділігін тексеру үшін, бүкіл HFS-те бөлшектер ұяшығының (PIC) модельдеулері де жүргізілді. Нәтижелер сәулелік өзара әрекеттесу жүйесі 220 ГГц жиілікте шамамен 310 Вт шың шығыс қуатына жете алатынын, оңтайландырылған сәуле кернеуі 20,6 кВ, сәуле тогы 2 × 80 мА, күшейту коэффициенті 38 дБ және 3 дБ өткізу қабілеттілігі шамамен 70 ГГц-те 35 дБ-ден асатынын көрсетеді. Соңында, HFS өнімділігін тексеру үшін жоғары дәлдіктегі микроқұрылым жасау орындалады және нәтижелер өткізу қабілеттілігі мен беріліс сипаттамалары модельдеу нәтижелерімен жақсы сәйкес келетінін көрсетеді. Сондықтан, осы мақалада ұсынылған схема болашақта қолдануға болатын жоғары қуатты, ультра кең жолақты терагерц диапазонды сәулелену көздерін әзірлейді деп күтілуде.
Дәстүрлі вакуумдық электронды құрылғы ретінде, қозғалмалы толқын түтігі (ЖТТ) жоғары ажыратымдылықтағы радар, спутниктік байланыс жүйелері және ғарышты зерттеу сияқты көптеген қолданбаларда алмастырылмайтын рөл атқарады1,2,3. Дегенмен, жұмыс жиілігі терагерц диапазонына енген сайын, дәстүрлі біріктірілген қуысты ЖТТ және спиральды ЖТТ салыстырмалы түрде төмен шығыс қуатына, тар өткізу қабілеттілігіне және күрделі өндірістік процестерге байланысты адамдардың қажеттіліктерін қанағаттандыра алмады. Сондықтан, ЖТТ диапазонының өнімділігін жан-жақты жақсарту көптеген ғылыми-зерттеу мекемелері үшін өте маңызды мәселеге айналды. Соңғы жылдары сатылы қос қалақшалы (ЖҚҚ) құрылымдар және бүктелген толқын өткізгіш (ЖТЖ) құрылымдар сияқты жаңа баяу толқынды құрылымдар (ЖТҚ) табиғи жазық құрылымдарына, әсіресе перспективалы әлеуеті бар жаңа ЖТҚ-ЖТҚ-ларға байланысты кеңінен назар аударды. Бұл құрылымды UC-Davis 2008 жылы ұсынған. Жазық құрылымды компьютерлік сандық басқару (CNC) және UV-LIGA сияқты микро-нано өңдеу әдістерімен оңай жасауға болады, толығымен металл қаптама құрылымы үлкен жылу сыйымдылығын қамтамасыз ете алады. жоғары шығыс қуаты мен күшейту, ал толқын өткізгіш тәрізді құрылым кеңірек жұмыс өткізу қабілеттілігін қамтамасыз ете алады. Қазіргі уақытта UC Davis алғаш рет 2017 жылы SDV-TWT G-диапазонында 100 Вт-тан асатын және шамамен 14 ГГц өткізу қабілеттілігі сигналдарын шығара алатынын көрсетті5. Дегенмен, бұл нәтижелерде терагерц диапазонында жоғары қуат пен кең өткізу қабілеттілігінің тиісті талаптарын қанағаттандыра алмайтын олқылықтар әлі де бар. UC-Davis G-диапазонындағы SDV-TWT үшін парақтық электронды сәулелер қолданылды. Бұл схема сәуленің ток өткізу қабілетін айтарлықтай жақсарта алса да, парақтық сәулелік электронды оптикалық жүйенің (EOS) тұрақсыздығына байланысты ұзақ беру қашықтығын сақтау қиын, және шамадан тыс режимдегі сәулелік туннель бар, бұл сәуленің өзін-өзі реттеуіне әкелуі мүмкін. – Қоздыру және тербеліс 6,7. Жоғары шығыс қуаты, кең өткізу қабілеттілігі және THz TWT жақсы тұрақтылығы талаптарын қанағаттандыру үшін осы мақалада қос режимді жұмыс істейтін қос сәулелі SDV-SWS ұсынылады. Яғни, жұмыс өткізу қабілеттілігін арттыру үшін осы құрылымға қос режимді жұмыс ұсынылады және енгізіледі. Және шығыс қуатын арттыру үшін қос қарындаш сәулелерінің жазықтық таралуы да қолданылады. Тік өлшем шектеулеріне байланысты бір қарындаш сәулелі радиолар салыстырмалы түрде кішкентай. Егер ток тығыздығы тым жоғары болса, сәуле тогын азайту керек, бұл салыстырмалы түрде төмен шығыс қуатына әкеледі. Сәуле тогын жақсарту үшін SWS бүйірлік өлшемін пайдаланатын жазықтық таратылған көп сәулелі EOS пайда болды. Тәуелсіз сәулелік туннельдеудің арқасында жазықтық таратылған көп сәулелі жоғары жалпы сәулелік тогын және әр сәулеге аз токты сақтау арқылы жоғары шығыс қуатына қол жеткізе алады, бұл парақтық сәулелік құрылғылармен салыстырғанда сәулелік туннельдеудің шамадан тыс режимде болуын болдырмауға мүмкіндік береді. Сондықтан, қозғалатын толқын түтігінің тұрақтылығын сақтау пайдалы. Алдыңғы жұмыстың 8,9 негізінде, бұл мақала G-диапазонды біркелкі магнит өрісін фокустайтын қос қарындаш сәулесі EOS ұсынады, бұл сәуленің тұрақты берілу қашықтығын айтарлықтай жақсартады және сәуленің өзара әрекеттесу аймағын одан әрі арттырады, осылайша шығыс қуатын айтарлықтай жақсартады.
Бұл мақаланың құрылымы келесідей. Біріншіден, параметрлері, дисперсия сипаттамаларын талдауы және жоғары жиілікті модельдеу нәтижелері бар SWS ұяшығының дизайны сипатталады. Содан кейін, бірлік ұяшығының құрылымына сәйкес, осы мақалада қос қарындаш сәулелі EOS және сәулелік өзара әрекеттесу жүйесі жасалған. EOS пайдалану ыңғайлылығын және SDV-TWT өнімділігін тексеру үшін жасушаішілік бөлшектерді модельдеу нәтижелері де ұсынылған. Сонымен қатар, мақалада бүкіл HFS дұрыстығын тексеру үшін өндіріс және суық сынақ нәтижелері қысқаша ұсынылған. Соңында қорытынды жасаңыз.
TWT-ның ең маңызды компоненттерінің бірі ретінде баяу толқынды құрылымның дисперсиялық қасиеттері электрон жылдамдығының SWS фазалық жылдамдығына сәйкес келетінін көрсетеді және осылайша сәуле-толқын өзара әрекеттесуіне үлкен әсер етеді. Барлық TWT өнімділігін жақсарту үшін жақсартылған өзара әрекеттесу құрылымы жасалған. Бірлік ұяшығының құрылымы 1-суретте көрсетілген. Парақ сәулесінің тұрақсыздығын және бір қалам сәулесінің қуат шектеуін ескере отырып, құрылым шығыс қуаты мен жұмыс тұрақтылығын одан әрі жақсарту үшін қос қалам сәулесін қабылдайды. Сонымен қатар, жұмыс өткізу қабілеттілігін арттыру үшін SWS жұмыс істеуі үшін қос режим ұсынылды. SDV құрылымының симметриясына байланысты электромагниттік өріс дисперсия теңдеуінің шешімін тақ және жұп режимдерге бөлуге болады. Сонымен қатар, сәуле өзара әрекеттесуінің кеңжолақты синхрондауын жүзеге асыру үшін төмен жиілік диапазонының негізгі тақ режимі және жоғары жиілік диапазонының негізгі жұп режимі қолданылады, осылайша жұмыс өткізу қабілеттілігін одан әрі жақсартады.
Қуат талаптарына сәйкес, бүкіл түтік 20 кВ жетек кернеуімен және 2 × 80 мА қос сәулелік тогымен жасалған. Кернеуді SDV-SWS жұмыс өткізу қабілеттілігіне мүмкіндігінше жақын сәйкестендіру үшін p периодының ұзындығын есептеуіміз керек. Сәуле кернеуі мен период арасындағы байланыс (1)10 теңдеуінде көрсетілген:
220 ГГц орталық жиілікте фазалық ығысуды 2,5π-ге орнату арқылы p периодын 0,46 мм-ге тең деп есептеуге болады. 2a-суретте SWS бірлік ұяшығының дисперсиялық қасиеттері көрсетілген. 20 кВ сәулелік сызық бимодальды қисыққа өте жақсы сәйкес келеді. Сәйкес келетін жиілік диапазондары 210–265,3 ГГц (тақ режим) және 265,4–280 ГГц (жұп режим) диапазондарында шамамен 70 ГГц жетуі мүмкін. 2b-суретте 210-нан 290 ГГц-ке дейін 0,6 Ω-дан асатын орташа байланыс кедергісі көрсетілген, бұл жұмыс өткізу қабілеттілігінде күшті өзара әрекеттесулер болуы мүмкін екенін көрсетеді.
(a) 20 кВ электронды сәулелік сызығы бар қос режимді SDV-SWS дисперсиялық сипаттамалары.(b) SDV баяу толқынды тізбегінің өзара әрекеттесу кедергісі.
Дегенмен, тақ және жұп режимдер арасында жолақ аралығы бар екенін ескеру маңызды, және біз әдетте бұл жолақ аралығын 2a-суретте көрсетілгендей тоқтату жолағы деп атаймыз. Егер TWT осы жиілік диапазонының жанында жұмыс істесе, сәуленің күшті байланыс күші пайда болуы мүмкін, бұл қажетсіз тербелістерге әкеледі. Практикалық қолдануда біз әдетте тоқтату жолағының жанында TWT пайдаланудан аулақ боламыз. Дегенмен, бұл баяу толқынды құрылымның жолақ аралығы тек 0,1 ГГц екенін көруге болады. Бұл шағын жолақ аралығы тербелістерді тудыратынын анықтау қиын. Сондықтан, қажетсіз тербелістердің пайда болуы мүмкін екенін талдау үшін тоқтату жолағының айналасындағы жұмыстың тұрақтылығы келесі PIC модельдеу бөлімінде зерттеледі.
Бүкіл HFS моделі 3-суретте көрсетілген. Ол Bragg рефлекторларымен қосылған SDV-SWS екі сатысынан тұрады. Рефлектордың функциясы екі саты арасындағы сигнал беруді тоқтату, жоғарғы және төменгі қалақшалар арасында пайда болатын жоғары ретті режимдер сияқты жұмыс істемейтін режимдердің тербелісі мен шағылысуын басу, осылайша бүкіл түтіктің тұрақтылығын айтарлықтай жақсарту болып табылады. Сыртқы ортаға қосылу үшін SWS-ті WR-4 стандартты толқын өткізгішіне қосу үшін сызықтық конустық муфта да қолданылады. Екі деңгейлі құрылымның өткізу коэффициенті 3D модельдеу бағдарламалық жасақтамасындағы уақыт доменінің шешушісімен өлшенеді. Терагерц жолағының материалға нақты әсерін ескере отырып, вакуумдық қабықтың материалы бастапқыда мысқа орнатылады, ал өткізгіштік 2,25 × 107 S/m12 дейін төмендейді.
4-суретте сызықтық конус тәрізді муфталары бар және онсыз HFS үшін беру нәтижелері көрсетілген. Нәтижелер муфтаның бүкіл HFS беру өнімділігіне аз әсер ететінін көрсетеді. 207~280 ГГц кеңжолақты желідегі бүкіл жүйенің қайтару шығыны (S11 < − 10 дБ) және енгізу шығыны (S21 > − 5 дБ) HFS жақсы беру сипаттамаларына ие екенін көрсетеді.
Вакуумдық электронды құрылғылардың қуат көзі ретінде электронды тапанша құрылғының жеткілікті шығыс қуатын өндіре алатынын тікелей анықтайды. II бөлімдегі HFS талдауымен бірге, жеткілікті қуатты қамтамасыз ету үшін қос сәулелі EOS жобалануы керек. Бұл бөлімде, W-диапазонындағы 8,9 алдыңғы жұмыстарға сүйене отырып, жазық маска бөлігі мен басқару электродтарын пайдаланып, қос қарындаш электронды тапанша жобаланған. Біріншіден, бөлімдегі SWS жобалау талаптарына сәйкес. 1-суретте көрсетілгендей. 2, электрон сәулелерінің қозғаушы кернеуі Ua бастапқыда 20 кВ-қа орнатылады, екі электрон сәулесінің I токтары 80 мА, ал электрон сәулелерінің сәуле диаметрі dw 0,13 мм. Сонымен қатар, электрон сәулесінің және катодтың ток тығыздығына қол жеткізу үшін электрон сәулесінің сығылу коэффициенті 7-ге орнатылады, сондықтан электрон сәулесінің ток тығыздығы 603 А/см2, ал катодтың ток тығыздығы 86 А/см2, бұған жаңа катод материалдарын қолдану арқылы қол жеткізуге болады. 14, 15, 16, 17 жобалау теориясына сәйкес, типтік Пирс электронды тапаншасын бірегей түрде анықтауға болады.
5-суретте тапаншаның көлденең және тік схемалық диаграммалары сәйкесінше көрсетілген. x бағытындағы электронды тапаншаның профилі әдеттегі парақ тәрізді электронды тапаншаның профилімен бірдей екенін, ал y бағытында екі электронды сәуле маскамен ішінара бөлінгенін көруге болады. Екі катодтың орналасуы сәйкесінше x = – 0,155 мм, y = 0 мм және x = 0,155 мм, y = 0 мм. Сығымдау коэффициенті мен электронды инжекция өлшемінің жобалау талаптарына сәйкес, екі катод бетінің өлшемдері 0,91 мм × 0,13 мм деп анықталады.
Әрбір х бағытындағы электрон сәулесі қабылдаған фокусталған электр өрісін өз центріне қатысты симметриялы ету үшін, бұл мақалада электронды тапаншаға басқару электроды қолданылады. Фокустау электроды мен басқару электродының кернеуін −20 кВ-қа, ал анод кернеуін 0 В-қа орнату арқылы 6-суретте көрсетілгендей, қос сәулелі тапаншаның траектория бойынша таралуын алуға болады. Шығарылған электрондардың y бағытында жақсы сығылатынын және әрбір электрон сәулесінің өзінің симметрия центрі бойымен х бағытына қарай жиналатынын көруге болады, бұл басқару электродының фокустау электроды тудырған тең емес электр өрісін теңестіретінін көрсетеді.
7-суретте x және y бағыттарындағы сәуле қабығы көрсетілген. Нәтижелер электрон сәулесінің x бағыттағы проекциялық қашықтығы y бағыттағыдан өзгеше екенін көрсетеді. x бағыттағы лақтыру қашықтығы шамамен 4 мм, ал y бағыттағы лақтыру қашықтығы 7 мм-ге жақын. Сондықтан нақты лақтыру қашықтығы 4 және 7 мм аралығында таңдалуы керек. 8-суретте катод бетінен 4,6 мм қашықтықтағы электрон сәулесінің көлденең қимасы көрсетілген. Біз көлденең қиманың пішіні стандартты дөңгелек электрон сәулесіне ең жақын екенін көре аламыз. Екі электрон сәулесінің арасындағы қашықтық жобаланған 0,31 мм-ге жақын, ал радиусы шамамен 0,13 мм, бұл жобалау талаптарына сәйкес келеді. 9-суретте сәуле тогының модельдеу нәтижелері көрсетілген. Екі сәуле тогы 76 мА екенін көруге болады, бұл жобаланған 80 мА-ға жақсы сәйкес келеді.
Тәжірибелік қолданудағы жетек кернеуінің ауытқуын ескере отырып, осы модельдің кернеуге сезімталдығын зерттеу қажет. 19,8 ~ 20,6 кВ кернеу диапазонында 1-суретте және 1.10 және 11-суреттерде көрсетілгендей, ток және сәулелік ток қабықшалары алынған. Нәтижелерден жетек кернеуінің өзгеруі электронды сәулелік қабықшаға әсер етпейтінін және электронды сәулелік тогы тек 0,74-тен 0,78 А-ға дейін өзгеретінін көруге болады. Сондықтан, осы мақалада жасалған электронды тапанша кернеуге жақсы сезімталдыққа ие деп санауға болады.
Кернеу ауытқуларының x және y бағытындағы сәуле қабықшаларына әсері.
Біркелкі магниттік фокустау өрісі - бұл тұрақты магнитті фокустау жүйесі. Магнит өрісінің сәуле арнасы бойынша біркелкі таралуына байланысты, ол осьтік симметриялы электрон сәулелері үшін өте қолайлы. Бұл бөлімде қос қарындаш сәулелерінің ұзақ қашықтыққа берілуін сақтау үшін біркелкі магниттік фокустау жүйесі ұсынылады. Туынды магнит өрісі мен сәуле қабығын талдау арқылы фокустау жүйесінің жобалау схемасы ұсынылады және сезімталдық мәселесі зерттеледі. Бір қарындаш сәулесінің тұрақты беріліс теориясына сәйкес18,19, Брилюэн магнит өрісінің мәнін (2) теңдеу арқылы есептеуге болады. Бұл мақалада біз бүйірлік таралған қос қарындаш сәулесінің магнит өрісін бағалау үшін де осы эквивалентті қолданамыз. Осы мақалада жасалған электронды тапаншамен бірге есептелген магнит өрісінің мәні шамамен 4000 Гс құрайды. 20-сілтемеге сәйкес, есептелген мәннің 1,5-2 есесі әдетте практикалық жобаларда таңдалады.
12-суретте біркелкі магнит өрісінің фокустау өрісі жүйесінің құрылымы көрсетілген. Көк бөлік - осьтік бағытта магниттелген тұрақты магнит. Материалды таңдау NdFeB немесе FeCoNi. Модельдеу моделінде орнатылған қалдық Br 1,3 Т және өткізгіштігі 1,05. Сәуленің бүкіл тізбектегі тұрақты өткізілуін қамтамасыз ету үшін магниттің ұзындығы бастапқыда 70 мм-ге орнатылады. Сонымен қатар, x бағытындағы магниттің өлшемі сәуле арнасындағы көлденең магнит өрісінің біркелкі екенін анықтайды, бұл x бағытындағы өлшемнің тым кішкентай болмауын талап етеді. Сонымен қатар, бүкіл түтіктің құны мен салмағын ескере отырып, магниттің өлшемі тым үлкен болмауы керек. Сондықтан магниттер бастапқыда 150 мм × 150 мм × 70 мм-ге орнатылады. Сонымен қатар, бүкіл баяу толқынды тізбекті фокустау жүйесіне орналастыруға болатындығын қамтамасыз ету үшін магниттер арасындағы қашықтық 20 мм-ге орнатылады.
2015 жылы Purna Chandra Panda21 біркелкі магниттік фокустау жүйесінде жаңа сатылы тесігі бар полюсті бөлікті ұсынды, бұл катодқа ағынның ағып кету шамасын және полюсті бөлік тесігінде пайда болатын көлденең магнит өрісін одан әрі азайта алады. Бұл мақалада біз фокустау жүйесінің полюсті бөлігіне сатылы құрылым қосамыз. Полюсті бөліктің қалыңдығы бастапқыда 1,5 мм-ге орнатылады, үш сатының биіктігі мен ені 0,5 мм, ал полюсті бөлік тесіктері арасындағы қашықтық 2 мм, бұл 13-суретте көрсетілген.
14a суретте екі электрон сәулесінің орталық сызықтары бойынша осьтік магнит өрісінің таралуы көрсетілген. Екі электрон сәулесі бойынша магнит өрісі күштерінің тең екенін көруге болады. Магнит өрісінің мәні шамамен 6000 Гс құрайды, бұл беріліс және фокустау өнімділігін арттыру үшін теориялық Бриллюэн өрісінен 1,5 есе көп. Сонымен қатар, катодтағы магнит өрісі 0-ге жуық, бұл полюс бөлігінің магнит ағынының ағып кетуіне жол бермеуге жақсы әсер ететінін көрсетеді. 14b суретте екі электрон сәулесінің жоғарғы шетінде z бағытында көлденең магнит өрісінің таралуы көрсетілген. Көлденең магнит өрісі тек полюс бөлігінің тесігінде 200 Гс-тан аз екенін, ал баяу толқынды тізбекте көлденең магнит өрісі нөлге жуық екенін көруге болады, бұл көлденең магнит өрісінің электрон сәулесіне әсері елеусіз екенін дәлелдейді. Полюс бөліктерінің магниттік қанығуын болдырмау үшін полюс бөліктерінің ішіндегі магнит өрісінің кернеулігін зерттеу қажет. 14c суретте полюс бөлігінің ішіндегі магнит өрісінің таралуының абсолютті мәні көрсетілген. Магнит өрісі кернеулігінің абсолютті мәні... 1,2 Т-дан аз, бұл полюс бөлігінің магниттік қанығуы болмайтынын көрсетеді.
Br = 1,3 Т үшін магнит өрісінің кернеулігінің таралуы.(a) Осьтік өрістің таралуы.(b) z бағытындағы By бүйірлік өрісінің таралуы.(c) Полюс бөлігінің ішіндегі өрістің таралуының абсолютті мәні.
CST PS модуліне сүйене отырып, қос сәулелі зеңбірек пен фокустау жүйесінің осьтік салыстырмалы орналасуы оңтайландырылған. 9-сілтемеге және модельдеуге сәйкес, оңтайлы орын - анод бөлігінің магниттен алыс полюс бөлігімен қабаттасатын жері. Дегенмен, егер қалдық 1,3 Т-ға орнатылса, электрон сәулесінің өткізгіштігі 99%-ға жете алмайтыны анықталды. Қалған қалдықты 1,4 Т-ға дейін арттыру арқылы фокустау магнит өрісі 6500 Гс-қа дейін артады. Xoz және yoz жазықтықтарындағы сәуле траекториялары 15-суретте көрсетілген. Сәуленің жақсы өткізгіштігі, аз ауытқуы және 45 мм-ден асатын өткізгіштік қашықтығы бар екенін көруге болады.
Br = 1,4 Т болатын біртекті магниттік жүйедегі қос қарындаш сәулелерінің траекториялары.(a) xoz жазықтығы.(b) yoz жазықтығы.
16-суретте катодтан әртүрлі қашықтықтағы сәуленің көлденең қимасы көрсетілген. Фокустау жүйесіндегі сәуле қимасының пішіні жақсы сақталғанын және қима диаметрінің көп өзгермейтінін көруге болады. 17-суретте сәйкесінше x және y бағыттарындағы сәуле қабықшалары көрсетілген. Сәуленің екі бағытта да ауытқуы өте аз екенін көруге болады. 18-суретте сәуле тогының модельдеу нәтижелері көрсетілген. Нәтижелер токтың шамамен 2 × 80 мА екенін көрсетеді, бұл электронды тапанша дизайнындағы есептелген мәнге сәйкес келеді.
Катодтан әртүрлі қашықтықтағы электрон сәулесінің көлденең қимасы (фокустау жүйесімен).
Практикалық өңдеу қолданбаларында құрастыру қателері, кернеу ауытқулары және магнит өрісі кернеулігінің өзгеруі сияқты бірқатар мәселелерді ескере отырып, фокустау жүйесінің сезімталдығын талдау қажет. Нақты өңдеу кезінде анод бөлігі мен полюс бөлігі арасында саңылау болғандықтан, бұл саңылауды модельдеуде орнату қажет. Саңылау мәні 0,2 мм-ге орнатылды және 19a-суретте сәуле қабығы мен сәуле тогы y бағытында көрсетілген. Бұл нәтиже сәуле қабығының өзгерісі маңызды емес екенін және сәуле тогы әрең өзгеретінін көрсетеді. Сондықтан жүйе құрастыру қателеріне сезімтал емес. Қозғалтқыш кернеуінің ауытқуы үшін қателік диапазоны ±0,5 кВ-қа орнатылды. 19b-суретте салыстыру нәтижелері көрсетілген. Кернеу өзгерісінің сәуле қабығына аз әсер ететінін көруге болады. Магнит өрісі кернеулігінің өзгеруі үшін қателік диапазоны -0,02-ден +0,03 Т-ге дейін орнатылды. Салыстыру нәтижелері 20-суретте көрсетілген. Сәуле қабығы әрең өзгеретінін көруге болады, бұл бүкіл EOS магнит өрісі кернеулігінің өзгеруіне сезімтал емес дегенді білдіреді.
Біркелкі магниттік фокустау жүйесі кезіндегі сәуле қабығы және ток нәтижелері.(a) Құрастыру ауытқуы 0,2 мм.(b) Жетек кернеуінің ауытқуы ±0,5 кВ.
0,63-тен 0,68 Т-ға дейінгі осьтік магнит өрісінің кернеулік ауытқулары бар біркелкі магниттік фокустау жүйесі астындағы сәуле қабығы.
Осы мақалада жасалған фокустау жүйесінің HFS-пен сәйкес келуін қамтамасыз ету үшін зерттеу үшін фокустау жүйесі мен HFS-ті біріктіру қажет. 21-суретте HFS жүктелген және жүктелмеген сәулелік конверттердің салыстыруы көрсетілген. Нәтижелер бүкіл HFS жүктелген кезде сәулелік конверт көп өзгермейтінін көрсетеді. Сондықтан, фокустау жүйесі жоғарыда аталған дизайндағы қозғалмалы толқындық түтік HFS үшін жарамды.
III бөлімде ұсынылған EOS дұрыстығын тексеру және 220 ГГц SDV-TWT өнімділігін зерттеу үшін сәуле-толқын өзара әрекеттесуінің 3D-PIC модельдеуі орындалады. Модельдеу бағдарламалық жасақтамасының шектеулеріне байланысты біз бүкіл EOS-ты HFS-ке қоса алмадық. Сондықтан электронды тапанша диаметрі 0,13 мм және екі бет арасындағы қашықтық 0,31 мм болатын эквивалентті сәуле шығаратын бетке ауыстырылды, бұл жоғарыда жасалған электронды тапаншамен бірдей параметрлер. EOS-тың сезімталдығы мен жақсы тұрақтылығына байланысты, PIC модельдеуінде ең жақсы шығыс қуатына қол жеткізу үшін жетек кернеуін дұрыс оңтайландыруға болады. Модельдеу нәтижелері қаныққан шығыс қуаты мен күшейтуді 20,6 кВ жетек кернеуінде, 2 × 80 мА (603 А/см2) сәуле тогында және 0,05 Вт кіріс қуатында алуға болатынын көрсетеді.
Ең жақсы шығыс сигналын алу үшін циклдар санын да оңтайландыру қажет. Ең жақсы шығыс қуаты екі саты саны 42 + 48 цикл болғанда алынады, бұл 22a-суретте көрсетілген. 0,05 Вт кіріс сигналы 38 дБ күшейтумен 314 Вт-қа дейін күшейтіледі. Жылдам Фурье түрлендіруі (FFT) арқылы алынған шығыс қуатының спектрі таза, 220 ГГц жиілікте шыңына жетеді. 22b-суретте SWS-тегі электрон энергиясының осьтік орналасуының таралуы көрсетілген, электрондардың көпшілігі энергиясын жоғалтады. Бұл нәтиже SDV-SWS электрондардың кинетикалық энергиясын РФ сигналдарына түрлендіре алатынын, осылайша сигналды күшейтуді жүзеге асыра алатынын көрсетеді.
220 ГГц жиіліктегі SDV-SWS шығыс сигналы.(a) Қосылған спектрмен шығыс қуаты.(b) SWS кірістірмесінің соңындағы электрон сәулесімен электрондардың энергия таралуы.
23-суретте қос режимді қос сәулелі SDV-TWT шығыс қуатының өткізу қабілеті мен күшейтуі көрсетілген. Шығыс өнімділігін 200-ден 275 ГГц-ке дейінгі жиіліктерді кеңейту және жетек кернеуін оңтайландыру арқылы одан әрі жақсартуға болады. Бұл нәтиже 3 дБ өткізу қабілеті 205-тен 275 ГГц-ке дейінгі диапазонды қамтуы мүмкін екенін көрсетеді, бұл қос режимді жұмыс істеу жұмыс өткізу қабілетін айтарлықтай кеңейте алатынын білдіреді.
Дегенмен, 2a суретке сәйкес, тақ және жұп режимдер арасында тоқтау жолағы бар екенін білеміз, бұл қажетсіз тербелістерге әкелуі мүмкін. Сондықтан тоқтаулардың айналасындағы жұмыс тұрақтылығын зерттеу қажет. 24a-c суреттері сәйкесінше 265,3 ГГц, 265,35 ГГц және 265,4 ГГц жиіліктеріндегі 20 нс модельдеу нәтижелері болып табылады. Модельдеу нәтижелерінде кейбір ауытқулар болғанымен, шығыс қуаты салыстырмалы түрде тұрақты екенін көруге болады. Спектр де сәйкесінше 24-суретте көрсетілген, спектр таза. Бұл нәтижелер тоқтау жолағының жанында өзіндік тербеліс жоқ екенін көрсетеді.
Бүкіл HFS дұрыстығын тексеру үшін дайындау және өлшеу қажет. Бұл бөлікте HFS құрал диаметрі 0,1 мм және өңдеу дәлдігі 10 мкм болатын компьютерлік сандық басқару (CNC) технологиясын қолдана отырып жасалады. Жоғары жиілікті құрылымға арналған материал оттегісіз жоғары өткізгіштік (OFHC) мысымен қамтамасыз етілген. 25a-суретте жасалған құрылым көрсетілген. Бүкіл құрылымның ұзындығы 66,00 мм, ені 20,00 мм және биіктігі 8,66 мм. Құрылымның айналасында сегіз түйреуіш тесіктер орналасқан. 25b-суретте сканерлеуші ​​​​электрондық микроскопия (SEM) арқылы құрылым көрсетілген. Бұл құрылымның пышақтары біркелкі жасалған және бетінің кедір-бұдырлығы жақсы. Дәл өлшеуден кейін жалпы өңдеу қателігі 5%-дан аз, ал бетінің кедір-бұдырлығы шамамен 0,4 мкм. Өңдеу құрылымы жобалау және дәлдік талаптарына сәйкес келеді.
26-суретте нақты сынақ нәтижелері мен беріліс өнімділігінің модельдеулері арасындағы салыстыру көрсетілген. 26a-суреттегі 1 және 2-порттар сәйкесінше HFS кіріс және шығыс порттарына сәйкес келеді және 3-суреттегі 1 және 4-порттарға баламалы. S11 нақты өлшеу нәтижелері модельдеу нәтижелерінен сәл жақсырақ. Сонымен қатар, S21 өлшенген нәтижелері сәл нашар. Себебі модельдеуде орнатылған материалдың өткізгіштігі тым жоғары және нақты өңдеуден кейінгі бетінің кедір-бұдырлығы нашар болуы мүмкін. Жалпы алғанда, өлшенген нәтижелер модельдеу нәтижелерімен жақсы сәйкес келеді және беріліс өткізу қабілеті 70 ГГц талабына сәйкес келеді, бұл ұсынылған қос режимді SDV-TWT мүмкіндігі мен дұрыстығын растайды. Сондықтан, нақты өндіріс процесімен және сынақ нәтижелерімен бірге, осы мақалада ұсынылған ультра кең жолақты қос сәулелі SDV-TWT дизайны кейінгі өндіріс және қолдану үшін пайдаланылуы мүмкін.
Бұл мақалада жазықтықты тарату 220 ГГц қос сәулелі SDV-TWT егжей-тегжейлі дизайны ұсынылған. Қос режимді жұмыс пен қос сәулелі қоздырудың үйлесімі жұмыс өткізу қабілеттілігін және шығыс қуатын одан әрі арттырады. Бүкіл HFS дұрыстығын тексеру үшін өндіріс және суық сынау да жүргізіледі. Нақты өлшеу нәтижелері модельдеу нәтижелерімен жақсы сәйкес келеді. Жобаланған екі сәулелі EOS үшін екі қарындаш сәулесін алу үшін маска бөлімі және басқару электродтары бірге пайдаланылды. Жобаланған біркелкі фокустау магнит өрісі астында электрон сәулесін жақсы пішінмен ұзақ қашықтыққа тұрақты түрде беруге болады. Болашақта EOS өндірісі мен сынағы, сондай-ақ бүкіл TWT термиялық сынағы да жүргізіледі. Осы мақалада ұсынылған бұл SDV-TWT жобалау схемасы қазіргі жетілген жазықтықты өңдеу технологиясын толығымен біріктіреді және өнімділік көрсеткіштері мен өңдеу мен құрастыруда үлкен әлеуетті көрсетеді. Сондықтан, бұл мақалада жазықтық құрылым терагерц диапазонындағы вакуумдық электрондық құрылғылардың даму үрдісіне айналуы мүмкін деп есептеледі.
Осы зерттеудегі шикі деректер мен аналитикалық модельдердің көпшілігі осы мақалаға енгізілген. Қосымша ақпаратты тиісті автордан ақылға қонымды сұраныс бойынша алуға болады.
Гамзина, Д. және т.б. Терагерцтен төмен вакуумдық электрониканы наноөлшемді CNC өңдеу. IEEE Trans.electronic devices.63, 4067–4073 (2016).
Малекабади, А. және Паолони, К. Көп қабатты SU-8 фоторезистін қолдана отырып, терагерцтен төмен толқындық бағыттағыштарды UV-LIGA микроөндіру. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS және т.б., 2017 THz технологиясының жол картасы. Физика ғылымдары. Қолдану ғылымдары. 50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Шин, Ю.М., Барнетт, Л.Р. және Луманн, NC Ультра кең жолақты қос торлы толқын бағыттаушылары арқылы плазмоникалық толқындардың таралуын күшті шектеу.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. және т.б. Nano CNC өңделген 220 ГГц қозғалмалы толқынды түтік күшейткішінің жұмысы. IEEE транс.электронды құрылғылар. 64, 590–592 (2017).
Хан, Ю. және Руан, К.Дж. Макроскопиялық суық сұйықтық моделі теориясын қолдана отырып, шексіз кең парақты электрон сәулелерінің диокотронды тұрақсыздығын зерттеу. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Галдецкий, А.В. көп сәулелі клистрондағы сәуленің жазық орналасуы арқылы өткізу қабілеттілігін арттыру мүмкіндігі туралы. 12-ші IEEE халықаралық вакуумдық электроника конференциясында, Бангалор, Үндістан, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Нгуен, Си Джей және т.б. W-диапазонды екі жақты қалақты қозғалмалы толқын түтігіндегі тар сәулелі бөліну жазықтығы таралуы бар үш сәулелі электронды зеңбіректер дизайны [J]. Science. Rep. 11, 940. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Wang, PP, Su, YY, Zhang, Z., Wang, WB және Ruan, CJ W-диапазонының негізгі режимі үшін тар сәулелік бөлінісі бар планарлы таратылған үш сәулелі электронды-оптикалық жүйе TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Жан, М. Миллиметрлік толқынды парақ сәулелері бар аралық қос қалақты қозғалмалы толқынды түтік бойынша зерттеу 20-22 (PhD, Бэйхан университеті, 2018).
Руан, Си Джей, Чжан, ХФ, Тао, Дж. және Хе, Ю. G-диапазонды аралық қос қалақшалы қозғалмалы толқын түтігінің сәуле-толқын өзара әрекеттесу тұрақтылығын зерттеу. 2018 Инфрақызыл миллиметр және терагерц толқындары бойынша 43-ші халықаралық конференция, Нагоя. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).