Nature.com сайтад зочилсонд баярлалаа. Таны ашиглаж буй хөтчийн хувилбар нь CSS-ийн дэмжлэг хязгаарлагдмал байна. Хамгийн сайн туршлагын тулд бид танд шинэчлэгдсэн хөтчийг ашиглахыг зөвлөж байна (эсвэл Internet Explorer дээр нийцтэй байдлын горимыг унтраах). Энэ хооронд бид үргэлжлүүлэн дэмжлэг үзүүлэхийн тулд сайтыг хэв маяг болон JavaScriptгүйгээр харуулах болно.
Энэхүү өгүүлэлд 220GHz өргөн зурвасын өндөр хүчин чадалтай завсрын давхар иртэй аяллын долгионы хоолойг зохион бүтээж, баталгаажуулсан болно. Нэгдүгээрт, хавтгай давхар цацрагтай шаталсан давхар иртэй удаан долгионы бүтцийг санал болгож байна. Хоёр горимын ажиллагааны схемийг ашигласнаар дамжуулалтын гүйцэтгэл болон зурвасын өргөн нь нэг горимынхоос бараг хоёр дахин их байна. Хоёрдугаарт, өндөр гаралтын чадлын шаардлагыг хангах, аяллын долгионы хоолойн тогтвортой байдлыг сайжруулахын тулд давхар харандаа хэлбэртэй электрон оптик системийг зохион бүтээсэн бөгөөд хөтлөх хүчдэл нь 20~21 кВ, гүйдэл нь 2 × 80 мА байна. Төслийн зорилго. Хоёр цацрагтай буунд маскны хэсэг болон хяналтын электродыг ашигласнаар хоёр харандаа цацрагийг тус тусын төвүүдийн дагуу 7 шахалтын харьцаатайгаар төвлөрүүлж, фокуслах зай нь ойролцоогоор 0.18 мм бөгөөд тогтвортой байдал нь сайн байна. Нэг жигд соронзон фокуслах системийг мөн оновчтой болгосон. Хавтгай давхар электрон цацрагийн тогтвортой дамжуулах зай 45 мм хүрч, фокуслах соронзон орон нь 0.6 Т бөгөөд энэ нь өндөр давтамжийн системийг бүхэлд нь хамрахад хангалттай юм. (HFS). Дараа нь электрон-оптик системийн хэрэглээ болон удаан долгионы бүтцийн гүйцэтгэлийг шалгахын тулд бөөмийн эсийн (PIC) симуляцийг HFS-ийн бүх хэсэгт хийсэн. Үр дүнгээс харахад цацраг-харилцан үйлчлэлийн систем нь 220 GHz давтамжтай үед бараг 310 Вт оргил гаралтын чадалд хүрч чаддаг, оновчтой цацрагийн хүчдэл нь 20.6 кВ, цацрагийн гүйдэл нь 2 × 80 мА, олшруулалт нь 38 дБ, 3 дБ зурвасын өргөн нь 70 GHz орчимд 35 дБ-ээс давсан байна. Эцэст нь HFS-ийн гүйцэтгэлийг шалгахын тулд өндөр нарийвчлалтай бичил бүтцийн үйлдвэрлэлийг хийсэн бөгөөд үр дүнгээс харахад зурвасын өргөн болон дамжуулалтын шинж чанарууд нь симуляцийн үр дүнтэй сайн тохирч байна. Тиймээс энэхүү өгүүлэлд санал болгож буй схем нь ирээдүйд ашиглах боломжтой өндөр хүчин чадалтай, хэт өргөн зурвасын терагерц зурвасын цацрагийн эх үүсвэрийг хөгжүүлэх төлөвтэй байна.
Уламжлалт вакуум электрон төхөөрөмж болох аяллын долгионы хоолой (TWT) нь өндөр нягтралтай радар, хиймэл дагуулын холбооны систем, сансрын судалгаа зэрэг олон хэрэглээнд орлуулшгүй үүрэг гүйцэтгэдэг. Гэсэн хэдий ч үйл ажиллагааны давтамж нь терагерц зурваст ороход уламжлалт хосолсон хөндий TWT болон мушгиа TWT нь харьцангуй бага гаралтын чадал, нарийн зурвасын өргөн, үйлдвэрлэлийн хүнд хэцүү процессуудаас болж хүмүүсийн хэрэгцээг хангаж чадахгүй байна. Тиймээс THz зурвасын гүйцэтгэлийг хэрхэн цогцоор нь сайжруулах нь олон шинжлэх ухааны судалгааны байгууллагуудын хувьд маш их санаа зовоосон асуудал болж байна. Сүүлийн жилүүдэд шаталсан хос иртэй (SDV) бүтэц, эвхдэг долгион хөтлөгч (FW) бүтэц зэрэг шинэ удаан долгионы бүтэц (SWS) нь байгалийн хавтгай бүтэц, ялангуяа ирээдүйтэй боломжит шинэ SDV-SWS-ийн ачаар ихээхэн анхаарал татаж байна. Энэхүү бүтцийг UC-Davis 2008 онд санал болгосон. Хавтгай бүтцийг компьютерийн тоон удирдлага (CNC) болон UV-LIGA зэрэг микро-нано боловсруулах техникээр хялбархан үйлдвэрлэж болох бөгөөд бүх металл багцын бүтэц нь илүү их дулааны багтаамжийг хангаж чадна. өндөр гаралтын чадал болон олшруулалт, мөн долгион хөтлүүртэй төстэй бүтэц нь илүү өргөн ажиллах зурвасын өргөнийг хангаж чадна. Одоогийн байдлаар UC Davis нь 2017 онд анх удаа SDV-TWT нь G-зурваст 100 Вт-аас дээш, бараг 14 GHz зурвасын өргөн дохиог үүсгэж чаддаг болохыг харуулсан. Гэсэн хэдий ч эдгээр үр дүнгүүд нь терагерц зурваст өндөр чадал болон өргөн зурвасын өргөнтэй холбоотой шаардлагыг хангаж чадахгүй байгаа цоорхойтой хэвээр байна. UC-Davis-ийн G-зурваст SDV-TWT-ийн хувьд хуудас электрон цацрагийг ашигласан. Энэ схем нь цацрагийн гүйдэл дамжуулах чадварыг мэдэгдэхүйц сайжруулж чадах боловч хуудас цацраг электрон оптик системийн (EOS) тогтворгүй байдлаас шалтгаалан дамжуулах зайг урт байлгахад хэцүү бөгөөд хэт горимын цацрагийн туннель байдаг бөгөөд энэ нь цацрагийг өөрөө зохицуулахад хүргэж болзошгүй юм. – Өдөөлт ба хэлбэлзэл 6,7. THz TWT-ийн өндөр гаралтын чадал, өргөн зурвасын өргөн, сайн тогтвортой байдлын шаардлагыг хангахын тулд энэхүү өгүүлэлд хос горимын ажиллагаатай хос цацрагтай SDV-SWS-ийг санал болгож байна. Өөрөөр хэлбэл, үйл ажиллагааны зурвасын өргөнийг нэмэгдүүлэхийн тулд энэ бүтцэд хос горимын ажиллагааг санал болгож, нэвтрүүлсэн. Мөн гаралтын хүчийг нэмэгдүүлэхийн тулд давхар харандаа цацрагийн хавтгай тархалтыг ашигладаг. Ганц харандаа цацрагийн радио нь босоо хэмжээний хязгаарлалтын улмаас харьцангуй бага байдаг. Хэрэв гүйдлийн нягтрал хэт өндөр байвал цацрагийн гүйдлийг бууруулах шаардлагатай бөгөөд энэ нь харьцангуй бага гаралтын чадал үүсгэдэг. Цацрагийн гүйдлийг сайжруулахын тулд SWS-ийн хажуугийн хэмжээг ашигладаг хавтгай тархсан олон цацрагтай EOS гарч ирсэн. Бие даасан цацрагийн туннелийн ачаар хавтгай тархсан олон цацраг нь нийт цацрагийн гүйдэл өндөр, цацраг тус бүрт бага гүйдэл хадгалснаар өндөр гаралтын чадалд хүрч чаддаг бөгөөд энэ нь хуудас цацрагийн төхөөрөмжтэй харьцуулахад цацрагийн туннелийн хэт горимоос зайлсхийж чадна. Тиймээс аялах долгионы хоолойн тогтвортой байдлыг хадгалах нь ашигтай юм. Өмнөх ажлын үндсэн дээр8,9, энэхүү өгүүлэлд G-зурвасын жигд соронзон орон фокуслах давхар харандаа цацраг EOS-ийг санал болгож байгаа бөгөөд энэ нь цацрагийн тогтвортой дамжуулах зайг ихээхэн сайжруулж, цацрагийн харилцан үйлчлэлийн талбайг цаашид нэмэгдүүлж, улмаар гаралтын чадлыг ихээхэн сайжруулж чадна.
Энэхүү өгүүллийн бүтэц дараах байдалтай байна. Нэгдүгээрт, параметрүүд, тархалтын шинж чанарын шинжилгээ, өндөр давтамжийн симуляцийн үр дүнтэй SWS эсийн загварыг тайлбарласан болно. Дараа нь нэгж эсийн бүтцийн дагуу давхар харандаа цацраг EOS болон цацрагийн харилцан үйлчлэлийн системийг энэхүү өгүүлэлд зохион бүтээсэн болно. EOS-ийн хэрэглээ болон SDV-TWT-ийн гүйцэтгэлийг баталгаажуулахын тулд эсийн доторх бөөмийн симуляцийн үр дүнг танилцуулсан болно. Үүнээс гадна, өгүүлэлд HFS-ийн бүхэл бүтэн зөвийг баталгаажуулахын тулд үйлдвэрлэлийн болон хүйтэн туршилтын үр дүнг товч танилцуулсан болно. Эцэст нь хураангуйг гаргана уу.
TWT-ийн хамгийн чухал бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн нэг болох удаан долгионы бүтцийн тархалтын шинж чанар нь электрон хурд нь SWS-ийн фазын хурдтай тохирч байгаа эсэхийг харуулж, улмаар цацраг-долгионы харилцан үйлчлэлд ихээхэн нөлөөлдөг. Бүхэл бүтэн TWT-ийн гүйцэтгэлийг сайжруулахын тулд сайжруулсан харилцан үйлчлэлийн бүтцийг зохион бүтээсэн. Нэгжийн эсийн бүтцийг Зураг 1-т үзүүлэв. Хуудасны цацрагийн тогтворгүй байдал болон дан үзэгний цацрагийн чадлын хязгаарлалтыг харгалзан бүтэц нь гаралтын чадал болон үйл ажиллагааны тогтвортой байдлыг сайжруулахын тулд давхар үзэгний цацрагийг ашигладаг. Үүний зэрэгцээ, ажлын зурвасын өргөнийг нэмэгдүүлэхийн тулд SWS-ийн ажиллах хос горимыг санал болгосон. SDV бүтцийн тэгш хэмийн улмаас цахилгаан соронзон орны тархалтын тэгшитгэлийн шийдлийг сондгой ба тэгш горимд хувааж болно. Үүний зэрэгцээ, цацрагийн харилцан үйлчлэлийн өргөн зурвасын синхрончлолыг хэрэгжүүлэхийн тулд бага давтамжийн зурвасын үндсэн сондгой горим болон өндөр давтамжийн зурвасын үндсэн тэгш горимыг ашигладаг бөгөөд ингэснээр ажлын зурвасын өргөнийг улам сайжруулдаг.
Цахилгаан эрчим хүчний шаардлагын дагуу бүхэл хоолойг 20 кВ-ын хөтлөх хүчдэл болон 2 × 80 мА давхар цацрагийн гүйдэлтэйгээр зохион бүтээсэн. Хүчдэлийг SDV-SWS-ийн ажиллах зурвасын өргөнтэй аль болох ойртуулахын тулд бид p хугацааны уртыг тооцоолох хэрэгтэй. Цацрагийн хүчдэл ба хугацааны хоорондын хамаарлыг (1)10 тэгшитгэлд харуулав:
220 GHz төвийн давтамж дээр фазын шилжилтийг 2.5π болгож тохируулснаар p үеийг 0.46 мм гэж тооцоолж болно. Зураг 2a нь SWS нэгжийн эсийн тархалтын шинж чанарыг харуулж байна. 20 кВ-ын цацрагийн шугам нь хоёр модаль муруйтай маш сайн тохирч байна. Тохирох давтамжийн зурвасууд нь 210–265.3 GHz (сондгой горим) болон 265.4–280 GHz (тэгш горим) мужуудад 70 GHz орчимд хүрч болно. Зураг 2b нь 210-290 GHz хооронд 0.6 Ω-ээс их байгаа дундаж холболтын эсэргүүцлийг харуулж байгаа бөгөөд энэ нь үйлдлийн зурвасын өргөнд хүчтэй харилцан үйлчлэл үүсч болохыг харуулж байна.
(a) 20 кВ электрон цацрагийн шугамтай хос горимтой SDV-SWS-ийн тархалтын шинж чанарууд.(b) SDV удаан долгионы хэлхээний харилцан үйлчлэлийн импеданс.
Гэсэн хэдий ч сондгой ба тэгш горимуудын хооронд зурвасын зай байдаг гэдгийг тэмдэглэх нь чухал бөгөөд бид энэ зурвасын зайг ихэвчлэн зогсоох зурвас гэж нэрлэдэг бөгөөд үүнийг Зураг 2a-д үзүүлсэн шиг харуулав. Хэрэв TWT нь энэ давтамжийн зурвасын ойролцоо ажиллавал хүчтэй цацрагийн холболтын хүч үүсч болзошгүй бөгөөд энэ нь хүсээгүй хэлбэлзэлд хүргэнэ. Практик хэрэглээнд бид ерөнхийдөө зогсоох зурвасын ойролцоо TWT ашиглахаас зайлсхийдэг. Гэсэн хэдий ч энэхүү удаан долгионы бүтцийн зурвасын зай нь ердөө 0.1 GHz байгааг харж болно. Энэхүү жижиг зурвасын зай нь хэлбэлзэл үүсгэдэг эсэхийг тодорхойлоход хэцүү байдаг. Тиймээс хүсээгүй хэлбэлзэл үүсч болзошгүй эсэхийг шинжлэхийн тулд зогсоох зурвасын эргэн тойрон дахь ажиллагааны тогтвортой байдлыг дараах PIC симуляцийн хэсэгт судлах болно.
Бүхэл бүтэн HFS-ийн загварыг Зураг 3-т үзүүлэв. Энэ нь Bragg тусгалаар холбогдсон SDV-SWS-ийн хоёр үе шатнаас бүрдэнэ. Тусгагчийн үүрэг нь хоёр үе шатны хоорондох дохионы дамжуулалтыг таслах, дээд ба доод ирний хооронд үүссэн өндөр эрэмбийн горим гэх мэт ажиллахгүй горимуудын хэлбэлзэл ба тусгалыг дарах, улмаар бүхэл хоолойн тогтвортой байдлыг ихээхэн сайжруулах явдал юм. Гадаад орчинтой холбогдохын тулд шугаман конус холбогчийг SWS-ийг WR-4 стандарт долгион хөтлүүртэй холбоход ашигладаг. Хоёр түвшний бүтцийн дамжуулах коэффициентийг 3D симуляцийн програм хангамж дахь цагийн домэйн шийдэгчээр хэмждэг. Терагерц зурвасын материалд үзүүлэх бодит нөлөөллийг харгалзан вакуум бүрхүүлийн материалыг эхлээд зэс болгон тохируулж, дамжуулах чадварыг 2.25×107 S/m12 болгон бууруулдаг.
Зураг 4-т шугаман конус холбогчтой болон холбогчгүй HFS-ийн дамжуулалтын үр дүнг харуулав. Үр дүнгээс харахад холбогч нь HFS-ийн бүхэл бүтэн дамжуулалтын гүйцэтгэлд бага нөлөө үзүүлдэг болохыг харуулж байна. 207~280 GHz өргөн зурвасын бүхэл системийн буцах алдагдал (S11 < − 10 дБ) болон оруулгын алдагдал (S21 > − 5 дБ) нь HFS нь дамжуулалтын сайн шинж чанартай болохыг харуулж байна.
Вакуум электрон төхөөрөмжийн цахилгаан хангамжийн хувьд электрон буу нь төхөөрөмж хангалттай гаралтын чадал үүсгэж чадах эсэхийг шууд тодорхойлдог. II хэсэгт HFS-ийн шинжилгээтэй хослуулан хангалттай чадал өгөхийн тулд хос цацрагтай EOS-ийг зохион бүтээх шаардлагатай. Энэ хэсэгт W-band8,9-д өмнөх ажлуудад үндэслэн хавтгай маскны хэсэг болон хяналтын электродуудыг ашиглан давхар харандаа электрон бууг зохион бүтээжээ. Нэгдүгээрт, SWS-ийн хэсгийн дизайны шаардлагын дагуу. Зурагт үзүүлсэн шиг. 2-т электрон цацрагийн хөтлөх хүчдэл Ua-г анх 20 кВ болгож тохируулсан бөгөөд хоёр электрон цацрагийн гүйдэл I нь хоёулаа 80 мА, электрон цацрагийн цацрагийн диаметр dw нь 0.13 мм байна. Үүний зэрэгцээ электрон цацраг болон катодын гүйдлийн нягтралыг хангахын тулд электрон цацрагийн шахалтын харьцааг 7 болгож тохируулсан тул электрон цацрагийн гүйдлийн нягтрал 603 А/см2, катодын гүйдлийн нягтрал 86 А/см2 бөгөөд үүнийг шинэ катодын материал ашиглан хийж болно. 14, 15, 16, 17-р дизайны онолын дагуу ердийн Пирсийн электрон бууг өвөрмөцөөр тодорхойлж болно.
Зураг 5-т тус тус бууны хэвтээ ба босоо бүдүүвч диаграммыг харуулав. x чиглэл дэх электрон бууны профайл нь ердийн хуудас хэлбэртэй электрон бууны профайлтай бараг ижил байдаг бол y чиглэлд хоёр электрон цацраг нь маскаар хэсэгчлэн тусгаарлагдсан болохыг харж болно. Хоёр катодын байрлал нь тус тус x = – 0.155 мм, y = 0 мм ба x = 0.155 мм, y = 0 мм байна. Шахалтын харьцаа болон электрон тарилгын хэмжээний дизайны шаардлагын дагуу хоёр катодын гадаргуугийн хэмжээсийг 0.91 мм × 0.13 мм гэж тодорхойлсон.
Х чиглэлд электрон цацраг тус бүрийн хүлээн авсан фокустай цахилгаан оронг өөрийн төвийнхөө талаар тэгш хэмтэй болгохын тулд энэхүү өгүүлэлд хяналтын электродыг электрон буунд хэрэглэнэ. Фокуслах электрод ба хяналтын электродын хүчдэлийг −20 кВ, анодын хүчдэлийг 0 В болгож тохируулснаар бид Зураг 6-д үзүүлсэн шиг хос цацрагтай бууны траекторын тархалтыг олж авах боломжтой. Ялгарсан электронууд y чиглэлд сайн шахалттай байдаг бөгөөд электрон цацраг бүр өөрийн тэгш хэмийн төвийн дагуу х чиглэл рүү нийлдэг нь хяналтын электрод нь фокуслах электродоос үүссэн тэгш бус цахилгаан оронг тэнцвэржүүлж байгааг харуулж байна.
Зураг 7-д x ба y чиглэлд цацрагийн бүрхүүлийг харуулав. Үр дүнгээс харахад x чиглэлд электрон цацрагийн проекцийн зай нь y чиглэлд байгаагаас өөр байна. x чиглэлд шидэх зай нь ойролцоогоор 4мм, y чиглэлд шидэх зай нь ойролцоогоор 7мм байна. Тиймээс бодит шидэх зайг 4-7 мм-ийн хооронд сонгох хэрэгтэй. Зураг 8-д катодын гадаргуугаас 4.6 мм зайд электрон цацрагийн хөндлөн огтлолыг харуулав. Хөндлөн огтлолын хэлбэр нь стандарт дугуй электрон цацрагтай хамгийн ойр байгааг бид харж болно. Хоёр электрон цацрагийн хоорондох зай нь төлөвлөсөн 0.31 мм-тэй ойролцоо, радиус нь ойролцоогоор 0.13 мм бөгөөд энэ нь дизайны шаардлагыг хангаж байна. Зураг 9-д цацрагийн гүйдлийн симуляцийн үр дүнг харуулав. Хоёр цацрагийн гүйдэл нь 76мА бөгөөд энэ нь төлөвлөсөн 80мА-тай сайн тохирч байгааг харж болно.
Практик хэрэглээнд жолоодлогын хүчдэлийн хэлбэлзлийг харгалзан үзвэл энэ загварын хүчдэлийн мэдрэмжийг судлах шаардлагатай байна. 19.8 ~ 20.6 кВ хүчдэлийн хүрээнд гүйдэл ба цацрагийн гүйдлийн дугтуйг Зураг 1 болон Зураг 1.10, 11-д үзүүлсэн шиг олж авсан. Үр дүнгээс харахад жолоодлогын хүчдэлийн өөрчлөлт нь электрон цацрагийн дугтуйнд ямар ч нөлөө үзүүлэхгүй бөгөөд электрон цацрагийн гүйдэл нь зөвхөн 0.74-0.78 А хүртэл өөрчлөгддөг болохыг харж болно. Тиймээс энэхүү өгүүлэлд зохион бүтээсэн электрон буу нь хүчдэлд сайн мэдрэмжтэй гэж үзэж болно.
Хүчдэлийн хэлбэлзлийг x ба y чиглэлийн цацрагийн бүрхүүлд үзүүлэх нөлөө.
Нэг жигд соронзон фокусын орон нь нийтлэг байнгын соронзон фокусын систем юм. Цацрагийн суваг даяар жигд соронзон орны тархалттай тул тэнхлэг тэгш бус электрон цацрагт маш тохиромжтой. Энэ хэсэгт давхар харандаа цацрагийн алсын зайн дамжуулалтыг хадгалах жигд соронзон фокусын системийг санал болгож байна. Үүссэн соронзон орон болон цацрагийн бүрхүүлийг шинжилснээр фокусын системийн дизайны схемийг санал болгож, мэдрэмжийн асуудлыг судлав. Нэг харандаа цацрагийн тогтвортой дамжуулалтын онолын дагуу18,19 Бриллюэний соронзон орны утгыг (2) тэгшитгэлээр тооцоолж болно. Энэхүү өгүүлэлд бид хажуу тийш тархсан давхар харандаа цацрагийн соронзон орныг тооцоолоход энэ эквивалентийг ашиглаж байна. Энэхүү өгүүлэлд зохион бүтээсэн электрон буутай хослуулан тооцоолсон соронзон орны утга нь ойролцоогоор 4000 Гс байна. 20-р лавлагааны дагуу тооцоолсон утгыг 1.5-2 дахин ихийг практик загварт ихэвчлэн сонгодог.
Зураг 12-т жигд соронзон орны фокусын талбайн системийн бүтцийг харуулав. Цэнхэр хэсэг нь тэнхлэгийн чиглэлд соронзлогдсон байнгын соронз юм. Материалын сонголт нь NdFeB эсвэл FeCoNi. Симуляцийн загварт тогтоосон үлдэгдэл Br нь 1.3 Т ба нэвчилт нь 1.05 байна. Бүх хэлхээнд цацрагийн тогтвортой дамжуулалтыг хангахын тулд соронзонгийн уртыг эхлээд 70 мм гэж тохируулна. Үүнээс гадна, x чиглэл дэх соронзонгийн хэмжээ нь цацрагийн сувгийн хөндлөн соронзон орон жигд эсэхийг тодорхойлдог бөгөөд энэ нь x чиглэл дэх хэмжээ хэт жижиг байж болохгүй гэсэн үг юм. Үүний зэрэгцээ, бүхэл хоолойн өртөг болон жинг харгалзан соронзонгийн хэмжээ хэт том байж болохгүй. Тиймээс соронзыг эхлээд 150 мм × 150 мм × 70 мм гэж тохируулна. Үүний зэрэгцээ, удаан долгионы хэлхээг бүхэлд нь фокусын системд байрлуулах боломжтой эсэхийг баталгаажуулахын тулд соронзны хоорондох зайг 20 мм гэж тохируулна.
2015 онд Пурна Чандра Панда21 нь нэгэн жигд соронзон фокусын системд шинэ шаталсан нүхтэй туйлын хэсгийг санал болгосон бөгөөд энэ нь катод руу урсгалын нэвчилтийн хэмжээг болон туйлын хэсгийн нүхэнд үүссэн хөндлөн соронзон орныг цаашид бууруулах боломжтой. Энэхүү өгүүлэлд бид фокусын системийн туйлын хэсэгт шаталсан бүтэц нэмж оруулсан. Туйлын хэсгийн зузааныг анх 1.5 мм, гурван алхамын өндөр ба өргөнийг 0.5 мм, туйлын хэсгийн нүхнүүдийн хоорондох зайг 2 мм гэж тохируулсан бөгөөд Зураг 13-т үзүүлэв.
Зураг 14a-д хоёр электрон цацрагийн төв шугамын дагуух тэнхлэгийн соронзон орны тархалтыг харуулав. Хоёр электрон цацрагийн дагуух соронзон орны хүч тэнцүү байгааг харж болно. Соронзон орны утга нь ойролцоогоор 6000 Гс бөгөөд энэ нь дамжуулалт болон фокусын гүйцэтгэлийг нэмэгдүүлэх онолын Бриллюэн орныхоос 1.5 дахин их юм. Үүний зэрэгцээ катодын соронзон орон бараг 0 байгаа нь туйлын хэсэг нь соронзон урсгалын алдагдалаас урьдчилан сэргийлэхэд сайн нөлөө үзүүлдэг болохыг харуулж байна. Зураг 14b-д хоёр электрон цацрагийн дээд ирмэг дээрх z чиглэлд хөндлөн соронзон орны тархалтыг B харуулав. Зөвхөн туйлын хэсгийн нүхэнд хөндлөн соронзон орон 200 Гс-ээс бага байгааг харж болно, харин удаан долгионы хэлхээнд хөндлөн соронзон орон бараг тэг байгаа нь хөндлөн соронзон орны электрон цацрагт үзүүлэх нөлөө бага байгааг нотолж байна. Туйлын хэсгүүдийн соронзон ханахаас урьдчилан сэргийлэхийн тулд туйлын хэсгүүдийн доторх соронзон орны хүчийг судлах шаардлагатай. Зураг 14c-д туйлын хэсгийн доторх соронзон орны тархалтын үнэмлэхүй утгыг харуулав. Соронзон орны хүч чадлын үнэмлэхүй утга нь нь 1.2T-ээс бага байгаа нь туйлын хэсгийн соронзон ханалт үүсэхгүйг харуулж байна.
Br = 1.3 Т-ийн хувьд соронзон орны хүчлэлтийн тархалт.(a) Тэнхлэгийн талбайн тархалт.(b) z чиглэлд By хажуугийн талбайн тархалт.(c) Туйлны хэсэг доторх талбайн тархалтын абсолют утга.
CST PS модуль дээр үндэслэн хос цацрагт буу болон фокуслах системийн тэнхлэгийн харьцангуй байрлалыг оновчтой болгосон. 9-р лавлагаа болон симуляцийн дагуу хамгийн оновчтой байршил нь анодын хэсэг нь соронзноос хол туйлын хэсэгтэй давхцаж байгаа газар юм. Гэсэн хэдий ч хэрэв үлдэгдлийг 1.3T гэж тохируулсан бол электрон цацрагийн дамжуулалт 99% хүрч чадахгүй болохыг тогтоосон. Үлдэгдлийг 1.4 T болгон нэмэгдүүлснээр фокуслах соронзон орон 6500 Gs хүртэл нэмэгдэх болно. Xoz ба yoz хавтгай дээрх цацрагийн траекторийг Зураг 15-д үзүүлэв. Цацраг нь сайн дамжуулалттай, бага хэлбэлзэлтэй, дамжуулах зай нь 45 мм-ээс их байгааг харж болно.
Br = 1.4 Т бүхий нэгэн төрлийн соронзон систем доорх давхар харандаа цацрагийн траекторууд.(a) xoz хавтгай.(b) yoz онгоц.
Зураг 16-д катодоос өөр өөр байрлалд цацрагийн хөндлөн огтлолыг харуулав. Фокуслах систем дэх цацрагийн хэсгийн хэлбэр сайн хадгалагдсан бөгөөд хэсгийн диаметр тийм ч их өөрчлөгддөггүй болохыг харж болно. Зураг 17-д x ба y чиглэлд цацрагийн бүрхүүлийг тус тус харуулав. Хоёр чиглэлд цацрагийн хэлбэлзэл маш бага байгааг харж болно. Зураг 18-д цацрагийн гүйдлийн симуляцийн үр дүнг харуулав. Үр дүнгээс харахад гүйдэл нь ойролцоогоор 2 × 80 мА байгаа нь электрон бууны загварт тооцоолсон утгатай нийцэж байна.
Катодоос хол зайд өөр өөр байрлалд байгаа электрон цацрагийн хөндлөн огтлол (фокусын системтэй).
Практик боловсруулалтын хэрэглээнд угсралтын алдаа, хүчдэлийн хэлбэлзэл, соронзон орны хүч чадлын өөрчлөлт зэрэг цуврал асуудлуудыг харгалзан үзвэл фокуслах системийн мэдрэмжийг шинжлэх шаардлагатай. Бодит боловсруулалтад анодын хэсэг болон туйлын хэсгийн хооронд зай байгаа тул энэ зайг симуляцид тохируулах шаардлагатай. Зайны утгыг 0.2 мм гэж тохируулсан бөгөөд 19a зурагт y чиглэлд цацрагийн бүрхүүл болон цацрагийн гүйдлийг харуулав. Энэ үр дүн нь цацрагийн бүрхүүлийн өөрчлөлт нь ач холбогдолгүй бөгөөд цацрагийн гүйдэл бараг өөрчлөгддөггүй болохыг харуулж байна. Тиймээс систем нь угсралтын алдаанд мэдрэмтгий биш юм. Хөдөлгүүрийн хүчдэлийн хэлбэлзлийн хувьд алдааны хүрээг ±0.5 кВ гэж тохируулсан. 19b зурагт харьцуулалтын үр дүнг харуулав. Хүчдэлийн өөрчлөлт нь цацрагийн бүрхүүлд бага нөлөө үзүүлдэг болохыг харж болно. Соронзон орны хүч чадлын өөрчлөлтийн хувьд алдааны хүрээг -0.02-оос +0.03 Т хүртэл тохируулсан. Харьцуулалтын үр дүнг Зураг 20-д үзүүлэв. Цацрагийн бүрхүүл бараг өөрчлөгддөггүй бөгөөд энэ нь EOS бүхэлдээ соронзон орны хүч чадлын өөрчлөлтөд мэдрэмтгий биш гэсэн үг юм.
Нэгэн төрлийн соронзон фокусын системийн доорх цацрагийн бүрхүүл ба гүйдлийн үр дүн.(a) Угсралтын хүлцэл нь 0.2 мм.(b) Хөдөлгүүрийн хүчдэлийн хэлбэлзэл нь ±0.5 кВ байна.
0.63-0.68 Т хооронд хэлбэлздэг тэнхлэгийн соронзон орны хүчний хэлбэлзэлтэй жигд соронзон фокусын системийн доорх цацрагийн бүрхүүл.
Энэхүү өгүүлэлд боловсруулсан фокусын систем нь HFS-тэй тохирч байгаа эсэхийг баталгаажуулахын тулд судалгаанд фокусын систем болон HFS-ийг хослуулах шаардлагатай. Зураг 21-т HFS ачаалагдсан болон ачаалаагүй цацрагийн бүрхүүлийн харьцуулалтыг харуулав. Үр дүнгээс харахад бүхэл бүтэн HFS ачаалагдсан үед цацрагийн бүрхүүл тийм ч их өөрчлөгддөггүй. Тиймээс фокусын систем нь дээрх загварын аялах долгионы хоолойн HFS-д тохиромжтой.
III хэсэгт санал болгосон EOS-ийн зөв эсэхийг шалгах, 220 GHz SDV-TWT-ийн гүйцэтгэлийг судлахын тулд цацраг-долгионы харилцан үйлчлэлийн 3D-PIC симуляцийг хийсэн. Симуляцийн програм хангамжийн хязгаарлалтын улмаас бид EOS-ийг бүхэлд нь HFS-д нэмж чадаагүй. Тиймээс электрон бууг 0.13 мм диаметртэй, хоёр гадаргуугийн хоорондох зай 0.31 мм-ийн эквивалент ялгаруулдаг гадаргуугаар сольсон бөгөөд энэ нь дээр дурдсан электрон буутай ижил параметрүүд юм. EOS-ийн мэдрэг чанаргүй байдал, сайн тогтвортой байдлын улмаас PIC симуляцид хамгийн сайн гаралтын чадлыг авахын тулд жолоодлогын хүчдэлийг зөв оновчтой болгож болно. Симуляцийн үр дүнгээс харахад ханасан гаралтын чадал болон олшруулалтыг 20.6 кВ жолоодлогын хүчдэл, 2 × 80 мА (603 А/см2) цацрагийн гүйдэл, 0.05 Вт оролтын чадлаар авах боломжтой.
Хамгийн сайн гаралтын дохиог авахын тулд циклийн тоог оновчтой болгох шаардлагатай. Зураг 22a-д үзүүлсэн шиг хоёр үе шатны тоо 42 + 48 цикл байх үед хамгийн сайн гаралтын чадлыг олж авдаг. 0.05 Вт оролтын дохиог 38 дБ-ийн олшруулалттайгаар 314 Вт хүртэл өсгөдөг. Хурдан Фурье хувиргалт (FFT)-ээр олж авсан гаралтын чадлын спектр нь цэвэр бөгөөд 220 GHz-д оргил үедээ хүрдэг. Зураг 22b-д SWS дахь электрон энергийн тэнхлэгийн байрлалын тархалтыг харуулсан бөгөөд ихэнх электронууд энергиэ алддаг. Энэ үр дүн нь SDV-SWS нь электронуудын кинетик энергийг RF дохио болгон хувиргаж, улмаар дохионы олшруулалтыг бий болгож чадна гэдгийг харуулж байна.
220 GHz дээрх SDV-SWS гаралтын дохио.(a) Оруулсан спектртэй гаралтын чадал.(b) SWS оруулгын төгсгөлд байгаа электрон цацраг бүхий электронуудын энергийн тархалт.
Зураг 23-т хос горимтой хос цацрагтай SDV-TWT-ийн гаралтын чадлын зурвасын өргөн болон олшруулалтыг харуулав. 200-275 GHz давтамжийг шахаж, хөтчийн хүчдэлийг оновчтой болгосноор гаралтын гүйцэтгэлийг улам сайжруулж болно. Энэ үр дүнгээс харахад 3 дБ зурвасын өргөн нь 205-275 GHz-ийг хамрах боломжтой бөгөөд энэ нь хос горимтой ажиллах нь үйлдлийн зурвасын өргөнийг ихээхэн өргөжүүлж чадна гэсэн үг юм.
Гэсэн хэдий ч Зураг 2a-д үзүүлсэнчлэн, сондгой ба тэгш горимуудын хооронд зогсолтын зурвас байдаг бөгөөд энэ нь хүсээгүй хэлбэлзэлд хүргэж болзошгүйг бид мэднэ. Тиймээс зогсолтын эргэн тойрон дахь ажлын тогтвортой байдлыг судлах шаардлагатай. Зураг 24a-c нь тус тус 265.3 GHz, 265.35 GHz, 265.4 GHz давтамжтай 20 нс симуляцийн үр дүн юм. Симуляцийн үр дүн зарим хэлбэлзэлтэй боловч гаралтын чадал харьцангуй тогтвортой байгааг харж болно. Спектрийг Зураг 24-т тус тус харуулав, спектр нь цэвэр байна. Эдгээр үр дүнгүүд нь зогсолтын зурвасын ойролцоо өөрөө хэлбэлзэл байхгүй байгааг харуулж байна.
Бүхэл бүтэн HFS-ийн зөв эсэхийг шалгахын тулд үйлдвэрлэл болон хэмжилт хийх шаардлагатай. Энэ хэсэгт HFS-ийг 0.1 мм диаметртэй багажны диаметртэй, 10 мкм боловсруулалтын нарийвчлалтай компьютерийн тоон удирдлага (CNC) технологийг ашиглан үйлдвэрлэдэг. Өндөр давтамжийн бүтцийн материалыг хүчилтөрөгчгүй өндөр дамжуулалттай (OFHC) зэсээр хангадаг. Зураг 25a-д үйлдвэрлэсэн бүтцийг харуулав. Бүхэл бүтэн бүтэц нь 66.00 мм урт, 20.00 мм өргөн, 8.66 мм өндөртэй. Бүтцийн эргэн тойронд найман зүү нүх тархсан байна. Зураг 25b-д сканнердах электрон микроскоп (SEM)-ээр бүтцийг харуулав. Энэ бүтцийн ир нь жигд үйлдвэрлэгдсэн бөгөөд гадаргуугийн барзгаржилт сайтай. Нарийн хэмжилт хийсний дараа нийт боловсруулалтын алдаа 5%-иас бага, гадаргуугийн барзгаржилт нь ойролцоогоор 0.4 мкм байна. Боловсруулалтын бүтэц нь зураг төсөл болон нарийвчлалын шаардлагыг хангасан.
Зураг 26-д бодит туршилтын үр дүн болон дамжуулалтын гүйцэтгэлийн симуляцийн харьцуулалтыг харуулав. Зураг 26a-д байгаа 1 ба 2-р портууд нь HFS-ийн оролт ба гаралтын портуудтай тус тус тохирч байгаа бөгөөд Зураг 3-т байгаа 1 ба 4-р порттой тэнцүү байна. S11-ийн бодит хэмжилтийн үр дүн нь симуляцийн үр дүнгээс арай илүү байна. Үүний зэрэгцээ S21-ийн хэмжсэн үр дүн нь арай муу байна. Үүний шалтгаан нь симуляцид тохируулсан материалын дамжуулах чанар хэт өндөр бөгөөд бодит боловсруулалтын дараах гадаргуугийн барзгар байдал муу байгаатай холбоотой байж болох юм. Ерөнхийдөө хэмжсэн үр дүн нь симуляцийн үр дүнтэй сайн тохирч байгаа бөгөөд дамжуулалтын зурвасын өргөн нь 70 GHz-ийн шаардлагыг хангаж байгаа нь санал болгож буй хос горимтой SDV-TWT-ийн хэрэгжих боломж, зөвийг баталгаажуулж байна. Тиймээс бодит үйлдвэрлэлийн процесс болон туршилтын үр дүнтэй хослуулан энэхүү баримт бичигт санал болгож буй хэт өргөн зурвасын хос цацрагтай SDV-TWT загварыг дараагийн үйлдвэрлэл болон хэрэглээнд ашиглаж болно.
Энэхүү өгүүлэлд хавтгай тархалтын 220 GHz хос цацрагтай SDV-TWT-ийн нарийвчилсан загварыг танилцуулж байна. Хос горимын ажиллагаа болон хос цацрагийн өдөөлтийн хослол нь үйл ажиллагааны зурвасын өргөн болон гаралтын чадлыг улам нэмэгдүүлдэг. Бүхэл бүтэн HFS-ийн зөв эсэхийг шалгахын тулд үйлдвэрлэл болон хүйтэн туршилтыг мөн хийдэг. Бодит хэмжилтийн үр дүн нь симуляцийн үр дүнтэй сайн тохирч байна. Зохион бүтээсэн хоёр цацрагтай EOS-ийн хувьд маскны хэсэг болон хяналтын электродуудыг хамтад нь ашиглан хоёр харандаатай цацраг үүсгэсэн. Зохион бүтээсэн жигд фокусын соронзон орны дор электрон цацрагийг сайн хэлбэртэйгээр хол зайд тогтвортой дамжуулах боломжтой. Ирээдүйд EOS-ийн үйлдвэрлэл, туршилтыг хийх бөгөөд бүхэл бүтэн TWT-ийн дулааны туршилтыг мөн хийх болно. Энэхүү өгүүлэлд санал болгож буй энэхүү SDV-TWT дизайны схем нь одоогийн боловсорсон хавтгай боловсруулах технологийг бүрэн хослуулсан бөгөөд гүйцэтгэлийн үзүүлэлтүүд болон боловсруулалт, угсралтын асар их боломжийг харуулж байна. Тиймээс энэхүү өгүүлэлд хавтгай бүтэц нь терагерц зурвасын вакуум электрон төхөөрөмжийн хөгжлийн чиг хандлага болох магадлал өндөр гэж үзэж байна.
Энэхүү судалгааны түүхий өгөгдөл болон аналитик загваруудын ихэнхийг энэхүү өгүүлэлд оруулсан болно. Нэмэлт холбогдох мэдээллийг холбогдох зохиогчоос зохих хүсэлтийн дагуу авч болно.
Гамзина, Д. нар. Терагерцээс доош давтамжтай вакуум электроникийн нано хэмжээний CNC боловсруулалт. IEEE Trans.electronic devices.63, 4067–4073 (2016).
Малекабади, А. болон Паолони, К. Олон давхаргат SU-8 фоторезист ашиглан терагерцээс доош долгионы хөтлүүрийн UV-LIGA микро үйлдвэрлэл. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Диллон, С.С. нар. 2017 THz технологийн замын зураг. Физикийн сэтгүүл. Хэрэглэхийн тулд физикийн ухааны доктор. 50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Шин, Ю.М., Барнетт, Л.Р. & Луманн, NC Хэт өргөн зурвасын шаталсан давхар тортой долгион хөтлүүрээр дамжуулан плазмоник долгионы тархалтыг хүчтэй хязгаарлах.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Бэйг, А. нар. Нано CNC машинаар хийгдсэн 220 GHz аялах долгионы хоолойн өсгөгчийн гүйцэтгэл. IEEE Trans.electronic devices.64, 590–592 (2017).
Хан, Ю. & Руан, КЖ Хязгааргүй өргөн хуудастай электрон цацрагийн диокотрон тогтворгүй байдлыг макроскопийн хүйтэн шингэний загварын онолыг ашиглан судлах нь. Чин Физик Б. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Галдецкий, А.В. Олон цацрагт клистронд цацрагийн хавтгай зохион байгуулалтаар зурвасын өргөнийг нэмэгдүүлэх боломжийн талаар. Энэтхэгийн Бангалор хотын Вакуум электроникийн 12 дахь IEEE олон улсын бага хурал, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Нгуен, СиЖэй нар. W-зурвасын шаталсан давхар иртэй аяллын долгионы хоолойд нарийн цацрагийн хуваагдлын хавтгай тархалттай гурван цацрагт электрон бууны дизайн [J]. Шинжлэх ухаан. 11-р тойм, 940. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Ван, ПП, Су, ЮЙ, Жан, З., Ван, ВБ & Руан, КЖ Планар W-зурвасын үндсэн горимд зориулсан нарийн цацрагийн тусгаарлалттай тархсан гурван цацрагт электрон оптик систем TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Жан, М. Миллиметрийн долгионы хуудас дам нуруутай завсрын давхар иртэй аялах долгионы хоолойн судалгаа 20-22 (PhD, Beihang University, 2018).
Руан, СиЖэй, Жан, ХФ, Тао, Ж. & Хэ, Ю. G-зурвасын завсрын давхар иртэй аяллын долгионы хоолойн цацраг-долгионы харилцан үйлчлэлийн тогтвортой байдлын судалгаа. 2018 Хэт улаан туяаны миллиметр ба терагерц долгионы 43 дахь олон улсын бага хурал, Нагояа. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).