Nature.com сайтына киргениңиз үчүн рахмат. Сиз колдонуп жаткан браузердин версиясында CSS колдоосу чектелүү. Эң жакшы тажрыйба алуу үчүн, жаңыртылган браузерди колдонууну сунуштайбыз (же Internet Explorerде шайкештик режимин өчүрүү). Ошол эле учурда, үзгүлтүксүз колдоону камсыз кылуу үчүн, биз сайтты стилдерсиз жана JavaScriptсиз көрсөтөбүз.
Бул макалада 220 ГГц кең тилкелүү жогорку кубаттуулуктагы өз ара байланышкан кош миздүү саякаттоочу толкун түтүгү иштелип чыккан жана текшерилген. Биринчиден, тегиз эки нурлуу баскычтуу кош миздүү жай толкундуу түзүлүш сунушталган. Эки режимдүү иштөө схемасын колдонуу менен, өткөрүү жөндөмдүүлүгү жана өткөрүү жөндөмдүүлүгү бир режимдүүгө караганда дээрлик эки эсе жогору. Экинчиден, жогорку чыгуучу кубаттуулуктун талаптарын канааттандыруу жана саякаттоочу толкун түтүгүнүн туруктуулугун жакшыртуу үчүн, кош карандаш формасындагы электрондук оптикалык система иштелип чыккан, айдоо чыңалуусу 20~21 кВ, ал эми ток күчү 2 × 80 мА. Долбоорлоо максаттары. Эки нурлуу мылтыктагы маска бөлүгүн жана башкаруу электродун колдонуу менен, эки карандаш нурун тиешелүү борборлору боюнча 7 кысуу катышы менен фокустоого болот, фокустоо аралыгы болжол менен 0,18 мм жана туруктуулук жакшы. Бирдиктүү магниттик фокустоо системасы да оптималдаштырылган. Тегиз кош электрондук нурдун туруктуу өткөрүү аралыгы 45 ммге жетиши мүмкүн, ал эми фокустоочу магнит талаасы 0,6 Т, бул жогорку жыштыктагы системаны толугу менен камтууга жетиштүү. (HFS). Андан кийин, электрондук-оптикалык системанын колдонулушун жана жай толкундуу түзүлүштүн иштешин текшерүү үчүн, бүтүндөй HFSте бөлүкчө клеткасынын (PIC) симуляциялары жүргүзүлдү. Жыйынтыктар көрсөткөндөй, нур-өз ара аракеттенүү системасы 220 ГГц жыштыкта ​​дээрлик 310 Вт максималдуу чыгуу кубаттуулугуна жете алат, оптималдаштырылган нур чыңалуусу 20,6 кВ, нур тогу 2 × 80 мА, күчөтүү 38 дБ жана 3 дБ өткөрүү жөндөмдүүлүгү болжол менен 70 ГГцде 35 дБден ашат. Акырында, HFSтин иштешин текшерүү үчүн жогорку тактыктагы микроструктураларды жасоо жүргүзүлөт жана жыйынтыктар өткөрүү жөндөмдүүлүгү жана өткөрүү мүнөздөмөлөрү симуляциянын жыйынтыктары менен жакшы дал келерин көрсөтөт. Ошондуктан, бул макалада сунушталган схема келечекте колдонуу мүмкүнчүлүгү бар жогорку кубаттуулуктагы, ультра кең тилкелүү терагерц тилкелүү нурлануу булактарын иштеп чыгат деп күтүлүүдө.
Салттуу вакуумдук электрондук түзүлүш катары, саякат толкун түтүгү (КТТ) жогорку чечилиштеги радар, спутниктик байланыш системалары жана космосту изилдөө сыяктуу көптөгөн колдонмолордо алмаштыргыс ролду ойнойт1,2,3. Бирок, иштөө жыштыгы терагерц тилкесине кирген сайын, салттуу бириктирилген көңдөйлүү КТТ жана спираль сымал КТТ салыштырмалуу төмөн чыгаруу кубаттуулугунан, тар өткөрүү жөндөмдүүлүгүнөн жана татаал өндүрүш процесстеринен улам адамдардын муктаждыктарын канааттандыра албай келет. Ошондуктан, THz тилкесинин иштешин комплекстүү жакшыртуу көптөгөн илимий изилдөө мекемелери үчүн абдан тынчсыздандырган маселеге айланды. Акыркы жылдары жаңы жай толкундуу структуралар (КТТ), мисалы, баскычтуу кош миздүү (КДК) структуралар жана бүктөлгөн толкун өткөргүч (КТТ) структуралары, табигый тегиздик структураларынан, айрыкча келечектүү потенциалга ээ жаңы КТТ-КТТлардан улам кеңири көңүл бурулду. Бул структура UC-Davis тарабынан 2008-жылы сунушталган. Тегиздик структураны компьютердик сандык башкаруу (CNC) жана UV-LIGA сыяктуу микро-нано иштетүү ыкмалары менен оңой эле жасоого болот, толугу менен металл пакеттик структура чоңураак жылуулук кубаттуулугун камсыздай алат. жогорку чыгуу кубаттуулугу жана күчөтүү, ал эми толкун өткөргүч сыяктуу түзүлүш кеңири иштөө өткөрүү жөндөмдүүлүгүн камсыздай алат. Учурда UC Davis 2017-жылы биринчи жолу SDV-TWT G-диапазонунда 100 Вттан ашык жана дээрлик 14 ГГц өткөрүү жөндөмдүүлүгүнүн сигналдарын түзө аларын көрсөттү5. Бирок, бул жыйынтыктарда дагы эле терагерц диапазонунда жогорку кубаттуулуктун жана кең өткөрүү жөндөмдүүлүгүнүн тиешелүү талаптарына жооп бере албаган боштуктар бар. UC-Davisтин G-диапазонундагы SDV-TWT үчүн барак электрондук нурлары колдонулган. Бул схема нурдун ток өткөрүү жөндөмдүүлүгүн бир топ жакшырта алса да, барак нурунун электрондук оптикалык системасынын (EOS) туруксуздугунан улам узак өткөрүү аралыгын сактоо кыйын жана ашыкча режимдеги нур туннели бар, бул да нурдун өзүн-өзү жөнгө салуусуна алып келиши мүмкүн. – Козголуу жана термелүү 6,7. THz TWTтин жогорку чыгуу кубаттуулугунун, кеңири өткөрүү жөндөмдүүлүгүнүн жана жакшы туруктуулугунун талаптарын канааттандыруу үчүн, бул макалада кош режимде иштеген кош нурлуу SDV-SWS сунушталат. Башкача айтканда, иштөө өткөрүү жөндөмдүүлүгүн жогорулатуу үчүн, бул түзүмгө кош режимде иштөө сунушталат жана киргизилет. Жана чыгуу кубаттуулугун жогорулатуу үчүн кош карандаш нурларынын тегиздик бөлүштүрүлүшү да колдонулат. Бир карандаш нурлуу радиолор вертикалдык өлчөмдөгү чектөөлөрдөн улам салыштырмалуу кичинекей. Эгерде токтун тыгыздыгы өтө жогору болсо, нур тогун азайтуу керек, бул салыштырмалуу төмөн чыгуу кубаттуулугуна алып келет. Нур тогун жакшыртуу үчүн, SWSтин каптал өлчөмүн колдонгон тегиздик бөлүштүрүлгөн көп нурлуу EOS пайда болду. Көз карандысыз нур туннелдөөсүнөн улам, тегиздик бөлүштүрүлгөн көп нурлуу жогорку жалпы нур тогун жана ар бир нурга кичинекей токту сактоо менен жогорку чыгуу кубаттуулугуна жетише алат, бул барак нурлуу түзүлүштөргө салыштырмалуу ашыкча режимдеги нур туннелдөөсүнөн качууга мүмкүндүк берет. Ошондуктан, кыймылдуу толкун түтүгүнүн туруктуулугун сактоо пайдалуу. Мурунку иштин негизинде8,9, бул макала G-диапазондуу бирдиктүү магнит талаасын фокустоочу кош карандаш нур EOS сунуштайт, ал нурдун туруктуу өткөрүү аралыгын бир топ жакшыртып, нурдун өз ара аракеттенүү аянтын андан ары көбөйтүп, ошону менен чыгуу кубаттуулугун бир топ жакшыртат.
Бул макаланын түзүлүшү төмөнкүдөй. Алгач, параметрлери, дисперсиялык мүнөздөмөлөрүн талдоо жана жогорку жыштыктагы симуляциянын жыйынтыктары менен SWS клеткасынын дизайны сүрөттөлөт. Андан кийин, бирдик клетканын түзүлүшүнө ылайык, бул макалада кош карандаш нурлуу EOS жана нур менен өз ара аракеттенүү системасы иштелип чыккан. EOSтун колдонулушун жана SDV-TWTтин иштешин текшерүү үчүн клетка ичиндеги бөлүкчөлөрдү симуляциялоонун жыйынтыктары да келтирилген. Мындан тышкары, макалада бүтүндөй HFSтин тууралыгын текшерүү үчүн өндүрүш жана муздак сыноонун жыйынтыктары кыскача берилген. Акырында кыскача жыйынтык чыгарыңыз.
TWTтин эң маанилүү компоненттеринин бири катары, жай толкундуу түзүлүштүн дисперсиялык касиеттери электрон ылдамдыгынын SWSтин фазалык ылдамдыгына дал келерин көрсөтөт жана ошону менен нур-толкун өз ара аракеттенүүсүнө чоң таасир этет. Бүтүндөй TWTтин иштешин жакшыртуу үчүн жакшыртылган өз ара аракеттенүү структурасы иштелип чыккан. Бирдиктүү клетканын түзүлүшү 1-сүрөттө көрсөтүлгөн. Барак нурунун туруксуздугун жана бир калем нурунун кубаттуулугунун чектелүүлүгүн эске алуу менен, түзүлүш чыгуу кубаттуулугун жана иштөө туруктуулугун андан ары жакшыртуу үчүн кош калем нурун колдонот. Ошол эле учурда, жумушчу өткөрүү жөндөмдүүлүгүн жогорулатуу үчүн SWSтин иштеши үчүн кош режим сунушталган. SDV түзүлүшүнүн симметриясына байланыштуу, электромагниттик талаанын дисперсия теңдемесинин чечимин так жана жуп режимдерге бөлүүгө болот. Ошол эле учурда, нур өз ара аракеттенүүсүнүн кең тилкелүү синхрондоштуруусун ишке ашыруу үчүн төмөнкү жыштык тилкесинин фундаменталдык так режими жана жогорку жыштык тилкесинин фундаменталдык жуп режими колдонулат, ошону менен жумушчу өткөрүү жөндөмдүүлүгүн андан ары жакшыртат.
Кубаттуулук талаптарына ылайык, бүтүндөй түтүк 20 кВ айдоо чыңалуусун жана 2 × 80 мА кош нурлуу ток күчүн камсыз кылуу менен иштелип чыккан. Чыңалууну SDV-SWSтин иштөө өткөрүү жөндөмдүүлүгүнө мүмкүн болушунча жакын дал келтирүү үчүн, биз p мезгилинин узактыгын эсептешибиз керек. Нур чыңалуусунун жана мезгилдин ортосундагы байланыш (1)10 теңдемеде көрсөтүлгөн:
220 ГГц борбордук жыштыкта ​​фазалык жылышууну 2,5π деп коюу менен, p мезгилин 0,46 мм деп эсептөөгө болот. 2a-сүрөттө SWS бирдиктүү уячасынын дисперсия касиеттери көрсөтүлгөн. 20 кВ нур линиясы бимодалдык ийри сызыкка абдан жакшы дал келет. Дал келген жыштык тилкелери 210–265,3 ГГц (так режим) жана 265,4–280 ГГц (жуп режим) диапазондорунда 70 ГГц тегерегинде жетиши мүмкүн. 2b-сүрөттө 210дон 290 ГГцге чейин 0,6 Ω дан жогору болгон орточо байланыш импедансы көрсөтүлгөн, бул иштөө өткөрүү жөндөмдүүлүгүндө күчтүү өз ара аракеттенүүлөр болушу мүмкүн экенин көрсөтүп турат.
(а) 20 кВ электрондук нур линиясы бар кош режимдүү SDV-SWSтин дисперсиялык мүнөздөмөлөрү.(б) SDV жай толкундуу чынжырынын өз ара аракеттенүү импедансы.
Бирок, так жана жуп режимдердин ортосунда тилке аралыгы бар экенин белгилей кетүү маанилүү жана биз бул тилке аралыгын көбүнчө 2a-сүрөттө көрсөтүлгөндөй токтотуу тилкеси деп атайбыз. Эгерде TWT ушул жыштык тилкесинин жанында иштетилсе, күчтүү нур байланышынын күчү пайда болушу мүмкүн, бул каалабаган термелүүлөргө алып келет. Практикалык колдонмолордо биз, адатта, токтотуу тилкесинин жанында TWT колдонуудан качабыз. Бирок, бул жай толкундуу түзүлүштүн тилке аралыгы болгону 0,1 ГГц экенин көрүүгө болот. Бул кичинекей тилке аралыгы термелүүлөрдү пайда кылабы же жокпу, аныктоо кыйын. Ошондуктан, токтотуу тилкесинин айланасындагы иштөөнүн туруктуулугу кийинки PIC симуляция бөлүмүндө каалабаган термелүүлөрдүн пайда болушу мүмкүнбү же жокпу, талдоо үчүн изилденет.
Бүтүндөй HFSтин модели 3-сүрөттө көрсөтүлгөн. Ал Bragg рефлекторлору менен туташтырылган SDV-SWS эки баскычынан турат. Рефлектордун функциясы эки баскычтын ортосундагы сигналдын берилишин токтотуу, жогорку жана төмөнкү пышактардын ортосунда пайда болгон жогорку тартиптеги режимдер сыяктуу иштебеген режимдердин термелүүсүн жана чагылышын басуу, ошону менен бүтүндөй түтүктүн туруктуулугун бир топ жакшыртуу болуп саналат. Тышкы чөйрөгө туташуу үчүн, SWSти WR-4 стандарттуу толкун өткөргүчүнө туташтыруу үчүн сызыктуу конус сымал бириктиргич да колдонулат. Эки деңгээлдүү түзүлүштүн өткөрүү коэффициенти 3D симуляция программасындагы убакыт доменинин чечүүчүсү менен өлчөнөт. Терагерц тилкесинин материалга болгон чыныгы таасирин эске алуу менен, вакуумдук кабыктын материалы башында жезге коюлат жана өткөрүмдүүлүк 2,25 × 107 S/m12 чейин төмөндөтүлөт.
4-сүрөттө сызыктуу конус формасындагы муфталары бар жана ансыз HFS үчүн өткөрүү жыйынтыктары көрсөтүлгөн. Жыйынтыктар көрсөткөндөй, муфта бүтүндөй HFSтин өткөрүү жөндөмүнө анчалык деле таасир этпейт. 207~280 ГГц кең тилкелүү байланыштагы бүтүндөй системанын кайтаруу жоготуусу (S11 < − 10 дБ) жана киргизүү жоготуусу (S21 > − 5 дБ) HFSтин өткөрүү мүнөздөмөлөрү жакшы экенин көрсөтүп турат.
Вакуумдук электрондук түзүлүштөрдүн кубат булагы катары, электрондук тапанча түзмөктүн жетиштүү чыгуучу кубаттуулукту өндүрө алабы же жокпу, түздөн-түз аныктайт. II бөлүмдөгү HFS анализи менен бирге, жетиштүү кубаттуулукту камсыз кылуу үчүн кош нурлуу EOS иштелип чыгышы керек. Бул бөлүктө, W-диапазонундагы мурунку иштерге таянып, 8,9-бөлүмдөгү тегиз маска бөлүгүн жана башкаруу электроддорун колдонуу менен кош карандаштуу электрондук тапанча иштелип чыккан. Биринчиден, бөлүмдөгү SWSтин долбоорлоо талаптарына ылайык. Сүрөттө көрсөтүлгөндөй. 2, электрондук нурлардын айдоо чыңалуусунун Ua башында 20 кВ деп коюлган, эки электрондук нурдун I ток күчү экөө тең 80 мА, ал эми электрондук нурлардын нурунун диаметри dw 0,13 мм. Ошол эле учурда, электрондук нурдун жана катоддун ток тыгыздыгына жетишүү үчүн, электрондук нурдун кысуу катышы 7ге коюлган, ошондуктан электрондук нурдун ток тыгыздыгы 603 А/см2, ал эми катоддун ток тыгыздыгы 86 А/см2, муну жаңы катод материалдарын колдонуу менен ишке ашырууга болот. 14, 15, 16, 17 долбоорлоо теориясына ылайык, типтүү Пирс электрондук мылтыгын уникалдуу түрдө аныктоого болот.
5-сүрөттө куралдын горизонталдык жана вертикалдык схемалык диаграммалары тиешелүү түрдө көрсөтүлгөн. x багытындагы электрондук куралдын профили кадимки барак сымал электрондук куралдын профилине дээрлик окшош экенин, ал эми y багытында эки электрондук нур маска менен жарым-жартылай бөлүнгөнүн көрүүгө болот. Эки катоддун абалы тиешелүүлүгүнө жараша x = – 0,155 мм, y = 0 мм жана x = 0,155 мм, y = 0 мм. Кысуу катышынын жана электрондун сайылышынын өлчөмүнүн долбоордук талаптарына ылайык, эки катоддун бетинин өлчөмдөрү 0,91 мм × 0,13 мм деп аныкталган.
Ар бир х багытындагы электрондук нур кабыл алган фокусталган электр талаасын өзүнүн борборуна карата симметриялуу кылуу үчүн, бул макалада электрондук тапанчага башкаруу электроду колдонулат. Фокустоочу электроддун жана башкаруу электродунун чыңалуусун −20 кВга, ал эми аноддун чыңалуусун 0 Вга коюу менен, 6-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, кош нурлуу тапанчанын траекториясынын бөлүштүрүлүшүн ала алабыз. Көрүнүп тургандай, чыгарылган электрондор у багытында жакшы кысылууга ээ жана ар бир электрондук нур өзүнүн симметрия борбору боюнча х багытына карай жакындайт, бул башкаруу электроду фокустоочу электрод тарабынан пайда болгон тең эмес электр талаасын тең салмактай тургандыгын көрсөтөт.
7-сүрөттө x жана y багыттарындагы нур кабыгы көрсөтүлгөн. Жыйынтыктар көрсөткөндөй, x багытындагы электрон нурунун проекциялык аралыгы y багытындагыдан айырмаланат. x багытындагы ыргытуу аралыгы болжол менен 4 мм, ал эми y багытындагы ыргытуу аралыгы 7 ммге жакын. Ошондуктан, чыныгы ыргытуу аралыгы 4 жана 7 мм ортосунда тандалышы керек. 8-сүрөттө катоддун бетинен 4,6 мм аралыктагы электрондук нурдун кесилиши көрсөтүлгөн. Кесилиштин формасы стандарттуу тегерек электрондук нурга эң жакын экенин көрө алабыз. Эки электрондук нурдун ортосундагы аралык долбоорлонгон 0,31 ммге жакын, ал эми радиусу болжол менен 0,13 мм, бул долбоорлоо талаптарына жооп берет. 9-сүрөттө нур тогунун симуляциясынын жыйынтыктары көрсөтүлгөн. Эки нур тогунун 76 мА экенин көрүүгө болот, бул долбоорлонгон 80 мАга жакшы дал келет.
Практикалык колдонмолордо айдоо чыңалуусунун өзгөрүшүн эске алуу менен, бул моделдин чыңалууга сезгичтигин изилдөө зарыл. 19,8 ~ 20,6 кВ чыңалуу диапазонунда 1-сүрөттө жана 1.10 жана 11-сүрөттөрдө көрсөтүлгөндөй, ток жана нур тогунун конверттери алынган. Жыйынтыктардан айдоо чыңалуусунун өзгөрүшү электрондук нур кабыгына эч кандай таасир этпей турганын жана электрондук нур тогу 0,74төн 0,78 Ага чейин гана өзгөрөрүн көрүүгө болот. Ошондуктан, бул макалада иштелип чыккан электрондук тапанча чыңалууга жакшы сезгичтикке ээ деп эсептесе болот.
x жана y багытындагы нур кабыктарына чыңалуунун өзгөрүшүнүн таасири.
Бирдиктүү магниттик фокустоо талаасы - бул кеңири таралган туруктуу магниттик фокустоо системасы. Магнит талаасынын нур каналы боюнча бирдей бөлүштүрүлүшүнөн улам, ал оксимметриялык электрондук нурлар үчүн абдан ылайыктуу. Бул бөлүмдө кош карандаш нурларынын алыскы аралыкка өткөрүлүшүн сактоо үчүн бирдиктүү магниттик фокустоо системасы сунушталат. Түзүлгөн магнит талаасын жана нур кабыгын талдоо менен фокустоо системасынын долбоорлоо схемасы сунушталат жана сезгичтик маселеси изилденет. Бир карандаш нурунун туруктуу өткөрүү теориясына ылайык18,19, Бриллюэн магнит талаасынын маанисин (2) теңдеме менен эсептөөгө болот. Бул макалада биз капталга бөлүштүрүлгөн кош карандаш нурунун магнит талаасын баалоо үчүн да ушул эквиваленттүүлүктү колдонобуз. Бул макалада иштелип чыккан электрондук тапанча менен айкалыштырып, эсептелген магнит талаасынын мааниси болжол менен 4000 Гс түзөт. 20-шилтемеге ылайык, практикалык долбоорлордо эсептелген маанинин 1,5-2 эсеси адатта тандалат.
12-сүрөттө бирдиктүү магнит талаасынын фокустоо талаасынын системасынын түзүлүшү көрсөтүлгөн. Көк бөлүк - октук багытта магниттелген туруктуу магнит. Материалды тандоо NdFeB же FeCoNi. Моделдөө моделинде коюлган калдык Br 1,3 Т жана өткөрүмдүүлүк 1,05. Бүтүндөй чынжырда нурдун туруктуу өтүшүн камсыз кылуу үчүн магниттин узундугу башында 70 ммге коюлат. Мындан тышкары, x багытындагы магниттин өлчөмү нур каналындагы туурасынан кеткен магнит талаасынын бирдей экендигин аныктайт, бул x багытындагы өлчөм өтө кичинекей болбошун талап кылат. Ошол эле учурда, бүт түтүктүн баасын жана салмагын эске алуу менен, магниттин өлчөмү өтө чоң болбошу керек. Ошондуктан, магниттер башында 150 мм × 150 мм × 70 ммге коюлат. Ошол эле учурда, жай толкундуу чынжырдын толугу менен фокустоо системасына жайгаштырылышын камсыз кылуу үчүн, магниттердин ортосундагы аралык 20 ммге коюлат.
2015-жылы Purna Chandra Panda21 бирдиктүү магниттик фокустоо системасында жаңы баскычтуу тешиктүү уюлдук бөлүктү сунуштаган, бул катодго агып кетүү көлөмүн жана уюлдук бөлүктүн тешиктеринде пайда болгон туурасынан кеткен магнит талаасын андан ары азайта алат. Бул макалада биз фокустоо системасынын уюлдук бөлүккө баскычтуу түзүлүштү кошобуз. Уюлдук бөлүктүн калыңдыгы башында 1,5 мм, үч баскычтын бийиктиги жана туурасы 0,5 мм, ал эми уюлдук бөлүктүн тешиктеринин ортосундагы аралык 2 мм, бул 13-сүрөттө көрсөтүлгөн.
14a-сүрөттө эки электрондук нурдун борбордук сызыктары боюнча октук магнит талаасынын бөлүштүрүлүшү көрсөтүлгөн. Эки электрондук нур боюнча магнит талаасынын күчтөрү бирдей экенин көрүүгө болот. Магнит талаасынын мааниси болжол менен 6000 Гс түзөт, бул өткөрүү жана фокустоо көрсөткүчтөрүн жогорулатуу үчүн теориялык Бриллюэн талаасынан 1,5 эсе көп. Ошол эле учурда, катоддогу магнит талаасы дээрлик 0гө барабар, бул уюлдук бөлүктүн магнит агымынын агып кетишинин алдын алууга жакшы таасир этерин көрсөтүп турат. 14b-сүрөттө эки электрондук нурдун жогорку четиндеги z багытындагы туурасынан кеткен магнит талаасынын бөлүштүрүлүшү көрсөтүлгөн. Туурасынан кеткен магнит талаасы уюлдук бөлүктүн тешигинде гана 200 Гс аз экенин, ал эми жай толкундуу схемада туурасынан кеткен магнит талаасы дээрлик нөлгө барабар экенин көрүүгө болот, бул электрондук нурга туурасынан кеткен магнит талаасынын таасири анча чоң эмес экенин далилдейт. Уюлдук бөлүктөрдүн магниттик каныгуусун алдын алуу үчүн, уюлдук бөлүктөрдүн ичиндеги магнит талаасынын чыңалышын изилдөө керек. 14c-сүрөттө уюлдук бөлүктүн ичиндеги магнит талаасынын бөлүштүрүлүшүнүн абсолюттук мааниси көрсөтүлгөн. Магнит талаасынын чыңалышынын абсолюттук мааниси... 1,2 Тдан аз, бул уюл бөлүгүнүн магниттик каныккандыгы болбой турганын көрсөтүп турат.
Br = 1.3 T үчүн магнит талаасынын күчүнүн бөлүштүрүлүшү.(а) Октук талаанын бөлүштүрүлүшү.(б) z багытында каптал талаанын By боюнча бөлүштүрүлүшү.(в) Уюлдук бөлүктүн ичиндеги талаанын бөлүштүрүлүшүнүн абсолюттук мааниси.
CST PS модулунун негизинде, кош нурлуу мылтыктын жана фокустоо системасынын октук салыштырмалуу абалы оптималдаштырылган. 9-шилтемеге жана симуляцияларга ылайык, оптималдуу жайгашкан жер - бул анод бөлүгү магниттен алысыраак уюл бөлүгү менен дал келген жер. Бирок, эгерде калдык 1,3 Т деп коюлса, электрондук нурдун өткөрүмдүүлүгү 99%га жете албай турганы аныкталды. Калган калдыкты 1,4 Т чейин көбөйтүү менен, фокустоочу магнит талаасы 6500 Гс чейин көбөйөт. xoz жана yoz тегиздиктериндеги нурдун траекториялары 15-сүрөттө көрсөтүлгөн. Нурдун өткөрүмдүүлүгү жакшы, флуктуациясы аз жана өткөрүү аралыгы 45 ммден жогору экенин көрүүгө болот.
Br = 1,4 Т болгон бир тектүү магниттик системанын астындагы кош карандаш нурларынын траекториялары.(а) xoz тегиздиги.(б) yoz тегиздиги.
16-сүрөттө катоддон ар кандай аралыктагы нурдун кесилиши көрсөтүлгөн. Фокустоо системасындагы нурдун кесилишинин формасы жакшы сакталып калганын жана кесилиштин диаметри көп өзгөрбөгөнүн көрүүгө болот. 17-сүрөттө тиешелүүлүгүнө жараша x жана y багыттарындагы нурдун кабыктары көрсөтүлгөн. Эки багытта тең нурдун термелүүсү өтө аз экенин көрүүгө болот. 18-сүрөттө нур тогунун симуляциясынын жыйынтыктары көрсөтүлгөн. Жыйынтыктар токтун болжол менен 2 × 80 мА экенин көрсөтүп турат, бул электрондук тапанчанын конструкциясындагы эсептелген мааниге дал келет.
Катоддон ар кандай аралыкта жайгашкан электрондук нурдун кесилиши (фокустоо системасы менен).
Практикалык иштетүү колдонмолорунда чогултуу каталары, чыңалуу өзгөрүүлөрү жана магнит талаасынын күчүнүн өзгөрүшү сыяктуу бир катар көйгөйлөрдү эске алуу менен, фокустоо системасынын сезгичтигин талдоо зарыл. Чындыгында иштетүүдө анод бөлүгү менен полюс бөлүгүнүн ортосунда боштук болгондуктан, бул боштукту симуляцияда орнотуу керек. Ажырашуунун мааниси 0,2 ммге коюлган жана 19a-сүрөттө нур кабыгы жана y багытындагы нур тогу көрсөтүлгөн. Бул жыйынтык нур кабыгындагы өзгөрүү маанилүү эмес экенин жана нур тогу дээрлик өзгөрбөй турганын көрсөтүп турат. Ошондуктан, система чогултуу каталарына сезгич эмес. Айдоо чыңалуусунун өзгөрүшү үчүн ката диапазону ±0,5 кВга коюлган. 19b-сүрөттө салыштыруу жыйынтыктары көрсөтүлгөн. Чыңалуу өзгөрүшү нур кабыгына анча таасир этпей турганын көрүүгө болот. Магнит талаасынын күчүнүн өзгөрүшү үчүн ката диапазону -0,02ден +0,03 Тге чейин коюлган. Салыштыруу жыйынтыктары 20-сүрөттө көрсөтүлгөн. Нур кабыгы дээрлик өзгөрбөй турганын көрүүгө болот, бул бүтүндөй EOS магнит талаасынын күчүнүн өзгөрүшүнө сезгич эмес экенин билдирет.
Бирдиктүү магниттик фокустоо системасындагы нур кабыгы жана токтун натыйжалары.(а) Чогултууга жол бербөө 0,2 мм.(б) Айдоо чыңалуусунун өзгөрүшү ±0,5 кВ.
Октук магнит талаасынын күчүнүн өзгөрүшү 0,63төн 0,68 Тге чейинки бирдиктүү магниттик фокустоо системасынын астындагы нур кабыгы.
Бул макалада иштелип чыккан фокустоо системасы HFS менен дал келишин камсыз кылуу үчүн, изилдөө үчүн фокустоо системасын жана HFSти айкалыштыруу зарыл. 21-сүрөттө HFS жүктөлгөн жана жүктөлгөн эмес нурлуу конверттердин салыштыруусу көрсөтүлгөн. Жыйынтыктар көрсөткөндөй, бүтүндөй HFS жүктөлгөндө нурлуу конверт анчалык деле өзгөрбөйт. Ошондуктан, фокустоо системасы жогорудагы дизайндагы кыймылдуу толкун түтүкчөсүнүн HFSине ылайыктуу.
III бөлүмдө сунушталган EOSтун тууралыгын текшерүү жана 220 ГГц SDV-TWTтин иштешин изилдөө үчүн нур-толкун өз ара аракеттенүүсүнүн 3D-PIC симуляциясы жүргүзүлөт. Симуляция программалык камсыздоосунун чектөөлөрүнөн улам, биз бүтүндөй EOSту HFSке кошо алган жокпуз. Ошондуктан, электрондук тапанча диаметри 0,13 мм жана эки беттин ортосундагы аралык 0,31 мм болгон эквиваленттүү нур чыгаруучу бет менен алмаштырылды, бул жогоруда иштелип чыккан электрондук тапанча менен бирдей параметрлер. EOSтун сезгичтигинин жоктугунан жана жакшы туруктуулугунан улам, PIC симуляциясында эң жакшы чыгуучу кубаттуулукка жетүү үчүн айдоо чыңалуусун туура оптималдаштырууга болот. Симуляциянын жыйынтыктары көрсөткөндөй, каныккан чыгуучу кубаттуулукту жана күчтөндүрүүнү 20,6 кВ айдоо чыңалуусунда, 2 × 80 мА (603 А/см2) нур тогунда жана 0,05 Вт киргизүү кубаттуулугунда алууга болот.
Эң жакшы чыгуучу сигналды алуу үчүн, циклдердин санын да оптималдаштыруу керек. Эң жакшы чыгуучу кубаттуулук эки баскычтын саны 42 + 48 цикл болгондо алынат, бул 22a-сүрөттө көрсөтүлгөн. 0,05 Вт киргизүү сигналы 38 дБ күчөтүү менен 314 Вт чейин күчөтүлөт. Тез Фурье Трансформациясы (FFT) аркылуу алынган чыгуучу кубаттуулуктун спектри таза, 220 ГГц жыштыкта ​​​​чокуга жетет. 22b-сүрөттө SWSтеги электрондордун энергиясынын октук абалдагы бөлүштүрүлүшү көрсөтүлгөн, электрондордун көпчүлүгү энергиясын жоготот. Бул жыйынтык SDV-SWS электрондордун кинетикалык энергиясын RF сигналдарына айландыра аларын, ошону менен сигналдын күчөтүлүшүн ишке ашыра аларын көрсөтүп турат.
220 ГГц жыштыктагы SDV-SWS чыгуучу сигналы.(а) Кошулган спектр менен чыгуучу кубаттуулук.(б) SWS кошумчасынын учундагы электрондук нур менен электрондордун энергия бөлүштүрүлүшү.
23-сүрөттө кош режимдеги кош нурлуу SDV-TWTтин чыгуучу кубаттуулугунун өткөрүү жөндөмдүүлүгү жана күчөтүүсү көрсөтүлгөн. Чыгарылыштын иштешин 200дөн 275 ГГцге чейинки жыштыктарды кеңейтүү жана дисктин чыңалышын оптималдаштыруу менен андан ары жакшыртууга болот. Бул жыйынтык 3 дБ өткөрүү жөндөмдүүлүгү 205тен 275 ГГцге чейин камтый аларын көрсөтүп турат, бул кош режимде иштөө иштөө өткөрүү жөндөмдүүлүгүн бир топ кеңейте аларын билдирет.
Бирок, 2a-сүрөткө ылайык, так жана жуп режимдердин ортосунда токтотуу тилкеси бар экенин билебиз, бул каалабаган термелүүлөргө алып келиши мүмкүн. Ошондуктан, токтотуулардын айланасындагы жумуштун туруктуулугун изилдөө керек. 24a-c сүрөттөрү тиешелүүлүгүнө жараша 265,3 ГГц, 265,35 ГГц жана 265,4 ГГц жыштыктардагы 20 нс симуляциянын жыйынтыктары болуп саналат. Моделдөөнүн жыйынтыктарында бир аз термелүүлөр болгону менен, чыгуучу кубаттуулук салыштырмалуу туруктуу экенин көрүүгө болот. Спектр тиешелүүлүгүнө жараша 24-сүрөттө да көрсөтүлгөн, спектр таза. Бул жыйынтыктар токтотуу тилкесинин жанында өзүн-өзү термелүү жок экенин көрсөтүп турат.
Бүтүндөй HFSтин тууралыгын текшерүү үчүн жасоо жана өлчөө зарыл. Бул бөлүктө HFS 0,1 мм диаметрдеги шайман жана 10 мкм иштетүү тактыгы менен компьютердик сандык башкаруу (CNC) технологиясын колдонуу менен жасалат. Жогорку жыштыктагы конструкция үчүн материал кычкылтексиз жогорку өткөргүчтүк (OFHC) жез менен камсыз кылынат. 25a-сүрөттө жасалган конструкция көрсөтүлгөн. Бүтүндөй конструкциянын узундугу 66,00 мм, туурасы 20,00 мм жана бийиктиги 8,66 мм. Конструкциянын айланасында сегиз төөнөгүч тешиктер бөлүштүрүлгөн. 25b-сүрөттө сканерлөөчү электрондук микроскопия (SEM) аркылуу структура көрсөтүлгөн. Бул конструкциянын пышактары бирдей жасалган жана жакшы беттик бүдүрлөргө ээ. Так өлчөөдөн кийин, жалпы иштетүү катасы 5% дан аз, ал эми беттик бүдүрлүктөр болжол менен 0,4 мкм. Иштетүү конструкциясы долбоорлоо жана тактык талаптарына жооп берет.
26-сүрөттө чыныгы сыноо жыйынтыктары менен берүү көрсөткүчтөрүнүн симуляцияларынын салыштыруусу көрсөтүлгөн. 26a-сүрөттөгү 1 жана 2-порттор тиешелүүлүгүнө жараша HFSтин киргизүү жана чыгаруу портторуна туура келет жана 3-сүрөттөгү 1 жана 4-портторго барабар. S11дин чыныгы өлчөө жыйынтыктары симуляция жыйынтыктарына караганда бир аз жакшыраак. Ошол эле учурда, S21дин өлчөнгөн жыйынтыктары бир аз начарыраак. Себеби симуляцияда коюлган материалдык өткөрүмдүүлүк өтө жогору жана чыныгы иштетүүдөн кийинки беттин тегиздиги начар болушу мүмкүн. Жалпысынан алганда, өлчөнгөн жыйынтыктар симуляциянын жыйынтыктары менен жакшы дал келет жана берүү өткөрүү жөндөмдүүлүгү 70 ГГц талабына жооп берет, бул сунушталган кош режимдүү SDV-TWTтин ишке ашыруу мүмкүнчүлүгүн жана тууралыгын тастыктайт. Ошондуктан, чыныгы өндүрүш процесси жана сыноо жыйынтыктары менен айкалышып, бул макалада сунушталган ультра кең тилкелүү кош нурлуу SDV-TWT дизайны кийинки өндүрүш жана колдонмолор үчүн колдонулушу мүмкүн.
Бул макалада 220 ГГц жыштыктагы эки нурлуу SDV-TWT тегиз бөлүштүрүүчү түзүлүшүнүн деталдуу дизайны сунушталат. Эки режимдүү иштөөнүн жана эки нурлуу козгоонун айкалышы иштөө өткөрүү жөндөмдүүлүгүн жана чыгуу кубаттуулугун андан ары жогорулатат. Бүтүндөй HFSтин тууралыгын текшерүү үчүн жасалма жана муздак сыноо да жүргүзүлөт. Чыныгы өлчөө жыйынтыктары симуляциянын жыйынтыктары менен жакшы дал келет. Иштелип чыккан эки нурлуу EOS үчүн эки карандаш нурун алуу үчүн маска бөлүмү жана башкаруу электроддору бирге колдонулган. Иштелип чыккан бирдей фокустоочу магнит талаасынын астында электрондук нурду жакшы формада узак аралыкка туруктуу түрдө өткөрүүгө болот. Келечекте EOSту өндүрүү жана сыноо жүргүзүлөт, ошондой эле бүтүндөй TWTтин жылуулук сыноосу да жүргүзүлөт. Бул макалада сунушталган бул SDV-TWT долбоорлоо схемасы азыркы жетилген тегиздик иштетүү технологиясын толугу менен айкалыштырат жана иштөө көрсөткүчтөрүндө, иштетүү жана чогултууда чоң потенциалды көрсөтөт. Ошондуктан, бул макалада тегиздик түзүлүш терагерц тилкесиндеги вакуумдук электрондук түзүлүштөрдүн өнүгүү тенденциясына айланышы мүмкүн деп эсептешет.
Бул изилдөөдөгү чийки маалыматтардын жана аналитикалык моделдердин көпчүлүгү ушул макалага киргизилген. Кошумча тиешелүү маалыматты тиешелүү автордон акылга сыярлык суроо-талап боюнча алууга болот.
Гамзина, Д. жана башкалар. Терагерцтен төмөн вакуумдук электрониканы наноөлчөмдүү CNC менен иштетүү. IEEE Транс.электрондук түзүлүштөр. 63, 4067–4073 (2016).
Малекабади, А. жана Паолони, К. Көп катмарлуу SU-8 фоторезистин колдонуу менен терагерцтен төмөн толкун өткөргүчтөрдүн UV-LIGA микрожасалмасы. Микромеханика журналы. Микроэлектроника.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Диллон, С.С. жана башкалар. 2017 THz технологиясынын жол картасы. Физика илимдери. Физика илимдеринин доктору. 50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Шин, Ю.М., Барнетт, Л.Р. жана Луманн, Түндүк Каролина. Плазмоникалык толкундардын таралышын өтө кең тилкелүү эки торчолуу толкун өткөргүчтөр аркылуу күчтүү чектөө.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Байг, А. жана башкалар. Нано CNC менен иштетилген 220 ГГц кыймылдуу толкундуу түтүк күчөткүчүнүн иштеши. IEEE Транс.электрондук түзүлүштөр. 64, 590–592 (2017).
Хан, Ю. жана Руан, Си Джей Макроскопиялык муздак суюктук моделинин теориясын колдонуу менен чексиз кең барактуу электрондук нурлардын диокотрондук туруксуздугун изилдөө. Чин Физ Б. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Галдецкий, А.В. көп нурлуу клистрондогу нурдун тегиз жайгашуусу менен өткөрүү жөндөмдүүлүгүн жогорулатуу мүмкүнчүлүгү жөнүндө. Вакуумдук электроника боюнча 12-IEEE эл аралык конференциясында, Бангалор, Индия, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Нгуен, Си Джей ж.б. W-диапазондуу эки миздүү саякаттоочу толкун түтүгүндөгү кууш нур бөлүүчү тегиздиктеги бөлүштүрүлүшү бар үч нурлуу электрондук куралдарды долбоорлоо [J]. Science. Rep. 11, 940. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Wang, PP, Su, YY, Zhang, Z., Wang, WB & Ruan, CJ W-диапазонунун негизги режими үчүн тар нур бөлүнүшү бар Планар бөлүштүрүлгөн үч нурлуу электрондук оптикалык система TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Жан, М. Миллиметрдик толкундуу барак нурлары менен кесилиштирилген кош миздүү кыймылдуу толкун түтүгү боюнча изилдөө 20-22 (PhD, Бэйхан университети, 2018).
Руан, Си Джей, Чжан, ХФ, Тао, Дж. жана Хе, Ю. G-диапазондуу өз ара аракеттенүүчү кош калкандуу саякаттоочу толкун түтүгүнүн нур-толкун өз ара аракеттенүүсүнүн туруктуулугун изилдөө. 2018-жыл, Нагоядагы Инфракызыл миллиметр жана терагерц толкундары боюнча 43-эл аралык конференция. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).