Faleminderit që vizituat Nature.com. Versioni i shfletuesit që po përdorni ka mbështetje të kufizuar për CSS. Për përvojën më të mirë, ju rekomandojmë të përdorni një shfletues të përditësuar (ose të çaktivizoni modalitetin e përputhshmërisë në Internet Explorer). Ndërkohë, për të siguruar mbështetje të vazhdueshme, ne do ta shfaqim faqen pa stile dhe JavaScript.
Në këtë punim, është projektuar dhe verifikuar një tub valësh udhëtuese me tehe të dyfishta, me fuqi të lartë dhe të ndërlidhura me brez të gjerë 220 GHz. Së pari, propozohet një strukturë planare me rreze të dyfishtë me tehe të dyfishta dhe të shpërndara me valë të ngadalta. Duke përdorur një skemë operimi me dy modalitete, performanca e transmetimit dhe gjerësia e brezit janë pothuajse dyfishi i asaj të një modaliteti. Së dyti, për të përmbushur kërkesat e fuqisë së lartë të daljes dhe për të përmirësuar stabilitetin e tubit të valës udhëtuese, është projektuar një sistem optik elektronik me formë lapsi të dyfishtë, tensioni i drejtimit është 20~21 kV dhe rryma është 2 × 80 mA. Synimet e projektimit. Duke përdorur pjesën e maskës dhe elektrodën e kontrollit në pistoletën me rreze të dyfishtë, dy rrezet e lapsit mund të fokusohen përgjatë qendrave të tyre përkatëse me një raport kompresimi prej 7, distanca e fokusimit është rreth 0.18 mm dhe stabiliteti është i mirë. Sistemi i fokusimit magnetik uniform është gjithashtu i optimizuar. Distanca e qëndrueshme e transmetimit të rrezes së dyfishtë elektronike planare mund të arrijë 45 mm dhe fusha magnetike e fokusimit është 0.6 T, e cila është e mjaftueshme për të mbuluar të gjithë sistemin me frekuencë të lartë (HFS). Pastaj, për të verifikuar përdorshmëria e sistemit elektronik-optik dhe performanca e strukturës me valë të ngadaltë, simulimet e qelizave grimcore (PIC) u kryen gjithashtu në të gjithë HFS-në. Rezultatet tregojnë se sistemi i bashkëveprimit të rrezes mund të arrijë një fuqi dalëse maksimale prej gati 310 W në 220 GHz, tensioni i optimizuar i rrezes është 20.6 kV, rryma e rrezes është 2 × 80 mA, fitimi është 38 dB dhe gjerësia e brezit 3-dB tejkalon 35 dB rreth 70 GHz. Së fundmi, kryhet fabrikimi i mikrostrukturës me precizion të lartë për të verifikuar performancën e HFS-së, dhe rezultatet tregojnë se gjerësia e brezit dhe karakteristikat e transmetimit janë në përputhje të mirë me rezultatet e simulimit. Prandaj, skema e propozuar në këtë punim pritet të zhvillojë burime rrezatimi teraherc me fuqi të lartë, ultra-gjerë me brez të gjerë me potencial për aplikime të ardhshme.
Si një pajisje tradicionale elektronike me vakum, tubi i valës udhëtuese (TWT) luan një rol të pazëvendësueshëm në shumë aplikime të tilla si radari me rezolucion të lartë, sistemet e komunikimit satelitor dhe eksplorimi i hapësirës1,2,3. Megjithatë, ndërsa frekuenca e funksionimit hyn në brezin teraherc, TWT tradicionale me zgavër të çiftëzuar dhe TWT helikoidale nuk kanë qenë në gjendje të plotësojnë nevojat e njerëzve për shkak të fuqisë relativisht të ulët të daljes, gjerësisë së ngushtë të brezit dhe proceseve të vështira të prodhimit. Prandaj, mënyra e përmirësimit gjithëpërfshirës të performancës së brezit THz është bërë një çështje shumë shqetësuese për shumë institucione kërkimore shkencore. Në vitet e fundit, strukturat e reja me valë të ngadaltë (SWS), të tilla si strukturat me teh të dyfishtë të shkallëzuar (SDV) dhe strukturat e valëudhëzuesve të palosur (FW), kanë marrë vëmendje të gjerë për shkak të strukturave të tyre natyrore planare, veçanërisht SDV-SWS të reja me potencial premtues. Kjo strukturë u propozua nga UC-Davis në vitin 20084. Struktura planare mund të prodhohet lehtësisht nga teknikat e përpunimit mikro-nano siç janë kontrolli numerik kompjuterik (CNC) dhe UV-LIGA, struktura e paketimit tërësisht metalik mund të ofrojë kapacitet termik më të madh me fuqi dhe fitim më i lartë dalës, dhe struktura e ngjashme me valëudhëzuesin mund të ofrojë gjithashtu një gjerësi bande pune më të gjerë. Aktualisht, UC Davis demonstroi për herë të parë në vitin 2017 se SDV-TWT mund të gjenerojë dalje me fuqi të lartë mbi 100 W dhe sinjale gjerësi bande gati 14 GHz në brezin G5. Megjithatë, këto rezultate ende kanë boshllëqe që nuk mund të përmbushin kërkesat përkatëse të fuqisë së lartë dhe gjerësisë së bandës së gjerë në brezin teraherc. Për SDV-TWT të brezit G të UC-Davis, janë përdorur rreze elektronesh fletë. Megjithëse kjo skemë mund të përmirësojë ndjeshëm kapacitetin mbajtës të rrymës së rrezes, është e vështirë të ruhet një distancë e gjatë transmetimi për shkak të paqëndrueshmërisë së sistemit optik të elektroneve të rrezes fletë (EOS), dhe ekziston një tunel rrezesh mbi-mode, i cili gjithashtu mund të shkaktojë që rrezja të vetë-rregullohet. – Ngacmimi dhe lëkundja 6,7. Për të përmbushur kërkesat e fuqisë së lartë të daljes, brezit të gjerë dhe stabilitetit të mirë të THz TWT, në këtë punim propozohet një SDV-SWS me rreze të dyfishtë me funksionim në dy modalitete. Domethënë, për të rritur brezin e funksionimit, propozohet dhe futet funksionimi në dy modalitete në këtë strukturë. Dhe, për të rritur fuqinë e daljes, përdoret gjithashtu një shpërndarje planare e rrezeve të dyfishta lapsi. Radiot me rreze të vetme lapsi janë relativisht të vogla për shkak të kufizimeve vertikale të madhësisë. Nëse dendësia e rrymës është shumë e lartë, rryma e rrezes duhet të zvogëlohet, duke rezultuar në një fuqi dalëse relativisht të ulët. Për të përmirësuar rrymën e rrezes, është shfaqur EOS me shumë rreze të shpërndara planare, e cila shfrytëzon madhësinë anësore të SWS. Për shkak të tunelimit të pavarur të rrezes, shumë rrezet e shpërndara planare mund të arrijnë fuqi të lartë dalëse duke ruajtur një rrymë të lartë totale të rrezes dhe një rrymë të vogël për rreze, e cila mund të shmangë tunelimin e rrezes me mbimodë krahasuar me pajisjet me rreze fletë. Prandaj, është e dobishme të ruhet stabiliteti i tubit të valës udhëtuese. Në bazë të punës së mëparshme8,9, ky punim propozon një EOS me rreze magnetike uniforme të fokusuar në brezin G me dy rreze lapsi, e cila mund të përmirësojë shumë distancën e qëndrueshme të transmetimit të rrezes dhe të rrisë më tej zonën e ndërveprimit të rrezes, duke përmirësuar kështu shumë fuqinë e daljes.
Struktura e këtij punimi është si më poshtë. Së pari, përshkruhet dizajni i qelizës SWS me parametra, analizën e karakteristikave të shpërndarjes dhe rezultatet e simulimit me frekuencë të lartë. Pastaj, sipas strukturës së qelizës njësi, në këtë punim është projektuar një EOS me rreze të dyfishtë lapsi dhe një sistem ndërveprimi me rreze. Rezultatet e simulimit të grimcave intraqelizore paraqiten gjithashtu për të verifikuar përdorshmërinë e EOS dhe performancën e SDV-TWT. Përveç kësaj, punimi paraqet shkurtimisht rezultatet e fabrikimit dhe të testit të ftohtë për të verifikuar saktësinë e të gjithë HFS-së. Së fundmi, bëni një përmbledhje.
Si një nga komponentët më të rëndësishëm të TWT-së, vetitë dispersive të strukturës së valës së ngadaltë tregojnë nëse shpejtësia e elektronit përputhet me shpejtësinë e fazës së SWS-së, dhe kështu ka një ndikim të madh në bashkëveprimin rreze-valë. Për të përmirësuar performancën e të gjithë TWT-së, është projektuar një strukturë e përmirësuar bashkëveprimi. Struktura e qelizës njësie tregohet në Figurën 1. Duke marrë parasysh paqëndrueshmërinë e rrezes së fletës dhe kufizimin e fuqisë së rrezes së vetme me stilolaps, struktura përdor një rreze me stilolaps të dyfishtë për të përmirësuar më tej fuqinë e daljes dhe stabilitetin e funksionimit. Ndërkohë, për të rritur gjerësinë e brezit të punës, është propozuar një modalitet i dyfishtë për të funksionuar SWS-në. Për shkak të simetrisë së strukturës SDV, zgjidhja e ekuacionit të shpërndarjes së fushës elektromagnetike mund të ndahet në modalitete tek dhe çift. Në të njëjtën kohë, mënyra themelore tek e brezit të frekuencave të ulëta dhe mënyra themelore çift e brezit të frekuencave të larta përdoren për të realizuar sinkronizimin me brez të gjerë të bashkëveprimit të rrezes, duke përmirësuar kështu më tej gjerësinë e brezit të punës.
Sipas kërkesave për energji, i gjithë tubi është projektuar me një tension drejtimi prej 20 kV dhe një rrymë me rreze të dyfishtë prej 2 × 80 mA. Për ta përputhur tensionin sa më shumë që të jetë e mundur me gjerësinë e brezit operativ të SDV-SWS, duhet të llogarisim gjatësinë e periudhës p. Marrëdhënia midis tensionit të rrezes dhe periudhës tregohet në ekuacionin (1)10:
Duke vendosur zhvendosjen e fazës në 2.5π në frekuencën qendrore prej 220 GHz, periudha p mund të llogaritet të jetë 0.46 mm. Figura 2a tregon vetitë e shpërndarjes së qelizës njësi SWS. Linja e rrezes 20 kV përputhet shumë mirë me kurbën bimodale. Brezat e frekuencave përkatëse mund të arrijnë rreth 70 GHz në diapazonin 210–265.3 GHz (moda tek) dhe 265.4–280 GHz (moda çift). Figura 2b tregon impedancën mesatare të çiftëzimit, e cila është më e madhe se 0.6 Ω nga 210 në 290 GHz, duke treguar se mund të ndodhin ndërveprime të forta në gjerësinë e brezit operativ.
(a) Karakteristikat e dispersionit të një SDV-SWS me dy modalitete me një linjë rrezesh elektronike 20 kV. (b) Impedanca e ndërveprimit të qarkut me valë të ngadaltë SDV.
Megjithatë, është e rëndësishme të theksohet se ekziston një hendek në brez midis modaliteteve tek dhe çift, dhe ne zakonisht i referohemi këtij boshllëku në brez si brezi ndalues, siç tregohet në Figurën 2a. Nëse TWT operohet pranë këtij brezi frekuencor, mund të ndodhë forcë e fortë çiftëzimi e rrezes, e cila do të çojë në lëkundje të padëshiruara. Në zbatimet praktike, ne në përgjithësi shmangim përdorimin e TWT pranë brezit ndalues. Megjithatë, mund të shihet se boshllëku i brezit të kësaj strukture me valë të ngadaltë është vetëm 0.1 GHz. Është e vështirë të përcaktohet nëse ky hendek i vogël në brez shkakton lëkundje. Prandaj, stabiliteti i funksionimit rreth brezit ndalues ​​do të hetohet në seksionin vijues të simulimit PIC për të analizuar nëse mund të ndodhin lëkundje të padëshiruara.
Modeli i të gjithë HFS-së është treguar në Figurën 3. Ai përbëhet nga dy faza të SDV-SWS, të lidhura nga reflektorë Bragg. Funksioni i reflektorit është të ndërpresë transmetimin e sinjalit midis dy fazave, të shtypë lëkundjen dhe reflektimin e mënyrave jo-funksionale siç janë mënyrat e rendit të lartë të gjeneruara midis teheve të sipërme dhe të poshtme, duke përmirësuar kështu shumë stabilitetin e të gjithë tubit. Për lidhje me mjedisin e jashtëm, një bashkues linear konik përdoret gjithashtu për të lidhur SWS-në me një valëudhëzues standard WR-4. Koeficienti i transmetimit të strukturës me dy nivele matet nga një zgjidhës i domenit kohor në softuerin e simulimit 3D. Duke marrë parasysh efektin aktual të brezit teraherc në material, materiali i mbështjellësit të vakumit fillimisht vendoset në bakër, dhe përçueshmëria reduktohet në 2.25×107 S/m12.
Figura 4 tregon rezultatet e transmetimit për HFS me dhe pa bashkues linearë konikë. Rezultatet tregojnë se bashkuesi ka pak efekt në performancën e transmetimit të të gjithë HFS-së. Humbja e kthimit (S11 < − 10 dB) dhe humbja e futjes (S21 > − 5 dB) e të gjithë sistemit në brezin me brez të gjerë 207~280 GHz tregojnë se HFS ka karakteristika të mira transmetimi.
Si furnizim me energji i pajisjeve elektronike vakumi, pistoleta elektronike përcakton drejtpërdrejt nëse pajisja mund të gjenerojë fuqi të mjaftueshme dalëse. E kombinuar me analizën e HFS në Seksionin II, një EOS me rreze të dyfishtë duhet të projektohet për të siguruar fuqi të mjaftueshme. Në këtë pjesë, bazuar në punën e mëparshme në brezin W8,9, një pistoleta elektronike me laps të dyfishtë është projektuar duke përdorur një pjesë maske planare dhe elektroda kontrolli. Së pari, sipas kërkesave të projektimit të SWS në Seksioni. Siç tregohet në FIG. 2, tensioni i drejtimit Ua i rrezeve të elektroneve vendoset fillimisht në 20 kV, rrymat I të dy rrezeve të elektroneve janë të dyja 80 mA, dhe diametri i rrezes dw i rrezeve të elektroneve është 0.13 mm. Në të njëjtën kohë, për të siguruar që dendësia e rrymës së rrezes së elektroneve dhe katodës mund të arrihet, raporti i kompresimit të rrezes së elektroneve vendoset në 7, kështu që dendësia e rrymës së rrezes së elektroneve është 603 A/cm2, dhe dendësia e rrymës së katodës është 86 A/cm2, e cila mund të arrihet duke përdorur materiale të reja të katodës. Sipas teorisë së projektimit 14, 15, 16, 17, një armë tipike elektronike Pierce mund të identifikohet në mënyrë unike.
Figura 5 tregon diagramet skematike horizontale dhe vertikale të armës, përkatësisht. Mund të shihet se profili i armës elektronike në drejtimin x është pothuajse identik me atë të një arme elektronike tipike në formë fletë, ndërsa në drejtimin y dy rrezet e elektroneve janë pjesërisht të ndara nga maska. Pozicionet e dy katodave janë në x = – 0.155 mm, y = 0 mm dhe x = 0.155 mm, y = 0 mm, përkatësisht. Sipas kërkesave të projektimit të raportit të kompresimit dhe madhësisë së injektimit të elektroneve, dimensionet e dy sipërfaqeve të katodës përcaktohen të jenë 0.91 mm × 0.13 mm.
Për ta bërë fushën elektrike të fokusuar të marrë nga secila rreze elektronike në drejtimin x simetrike rreth qendrës së saj, ky punim aplikon një elektrodë kontrolli në topin elektronik. Duke vendosur tensionin e elektrodës së fokusimit dhe elektrodës së kontrollit në −20 kV, dhe tensionin e anodës në 0 V, mund të marrim shpërndarjen e trajektores së topit me rreze të dyfishtë, siç tregohet në Fig. 6. Mund të shihet se elektronet e emetuara kanë kompresueshmëri të mirë në drejtimin y, dhe secila rreze elektronike konvergon drejt drejtimit x përgjatë qendrës së saj të simetrisë, gjë që tregon se elektroda e kontrollit balancon fushën elektrike të pabarabartë të gjeneruar nga elektroda e fokusimit.
Figura 7 tregon mbështjellësin e rrezes në drejtimet x dhe y. Rezultatet tregojnë se distanca e projeksionit të rrezes së elektroneve në drejtimin x është e ndryshme nga ajo në drejtimin y. Distanca e hedhjes në drejtimin x është rreth 4 mm, dhe distanca e hedhjes në drejtimin y është afër 7 mm. Prandaj, distanca aktuale e hedhjes duhet të zgjidhet midis 4 dhe 7 mm. Figura 8 tregon prerjen tërthore të rrezes së elektroneve në 4.6 mm nga sipërfaqja e katodës. Mund të shohim se forma e prerjes tërthore është më e afërta me një rreze standarde rrethore elektronike. Distanca midis dy rrezeve të elektroneve është afër 0.31 mm të projektuar, dhe rrezja është rreth 0.13 mm, gjë që përmbush kërkesat e projektimit. Figura 9 tregon rezultatet e simulimit të rrymës së rrezes. Mund të shihet se dy rrymat e rrezes janë 76mA, që është në përputhje të mirë me 80mA të projektuar.
Duke marrë parasysh luhatjen e tensionit të drejtimit në zbatimet praktike, është e nevojshme të studiohet ndjeshmëria e tensionit të këtij modeli. Në diapazonin e tensionit 19.8 ~ 20.6 kV, merren mbështjellësit e rrymës dhe të rrymës së rrezes, siç tregohet në Figurën 1 dhe Figurën 1.10 dhe 11. Nga rezultatet, mund të shihet se ndryshimi i tensionit të drejtimit nuk ka efekt në mbështjellësin e rrezes së elektroneve, dhe rryma e rrezes së elektroneve ndryshon vetëm nga 0.74 në 0.78 A. Prandaj, mund të konsiderohet se arma elektronike e projektuar në këtë punim ka një ndjeshmëri të mirë ndaj tensionit.
Efekti i luhatjeve të tensionit drejtues në mbështjellësit e rrezes në drejtimin x dhe y.
Një fushë fokusimi magnetik uniform është një sistem i zakonshëm fokusimi me magnet të përhershëm. Për shkak të shpërndarjes uniforme të fushës magnetike në të gjithë kanalin e rrezes, është shumë i përshtatshëm për rrezet e elektroneve simetrike boshtore. Në këtë seksion, propozohet një sistem fokusimi magnetik uniform për ruajtjen e transmetimit në distancë të gjatë të rrezeve të dyfishta lapsi. Duke analizuar fushën magnetike të gjeneruar dhe mbështjellësin e rrezes, propozohet skema e projektimit të sistemit të fokusimit dhe studiohet problemi i ndjeshmërisë. Sipas teorisë së transmetimit të qëndrueshëm të një rrezeje të vetme lapsi18,19, vlera e fushës magnetike Brillouin mund të llogaritet nga ekuacioni (2). Në këtë punim, ne gjithashtu përdorim këtë ekuivalencë për të vlerësuar fushën magnetike të një rrezeje të dyfishtë lapsi të shpërndarë anash. E kombinuar me armën elektronike të projektuar në këtë punim, vlera e llogaritur e fushës magnetike është rreth 4000 Gs. Sipas Ref. 20, 1.5-2 herë vlera e llogaritur zakonisht zgjidhet në dizajnet praktike.
Figura 12 tregon strukturën e një sistemi fushe fokusimi me fushë magnetike uniforme. Pjesa blu është magneti i përhershëm i magnetizuar në drejtimin aksial. Përzgjedhja e materialit është NdFeB ose FeCoNi. Br i mbetur i vendosur në modelin e simulimit është 1.3 T dhe përshkueshmëria është 1.05. Për të siguruar transmetimin e qëndrueshëm të rrezes në të gjithë qarkun, gjatësia e magnetit fillimisht është vendosur në 70 mm. Përveç kësaj, madhësia e magnetit në drejtimin x përcakton nëse fusha magnetike tërthore në kanalin e rrezes është uniforme, gjë që kërkon që madhësia në drejtimin x të mos jetë shumë e vogël. Në të njëjtën kohë, duke marrë parasysh koston dhe peshën e të gjithë tubit, madhësia e magnetit nuk duhet të jetë shumë e madhe. Prandaj, magnetët fillimisht janë vendosur në 150 mm × 150 mm × 70 mm. Ndërkohë, për të siguruar që i gjithë qarku me valë të ngadaltë mund të vendoset në sistemin e fokusimit, distanca midis magnetëve është vendosur në 20 mm.
Në vitin 2015, Purna Chandra Panda21 propozoi një pjesë poli me një vrimë të re të shkallëzuar në një sistem fokusimi magnetik uniform, i cili mund të zvogëlojë më tej madhësinë e rrjedhjes së fluksit në katodë dhe fushën magnetike tërthore të gjeneruar në vrimën e pjesës poli. Në këtë punim, ne shtojmë një strukturë të shkallëzuar në pjesën poli të sistemit të fokusimit. Trashësia e pjesës poli është vendosur fillimisht në 1.5 mm, lartësia dhe gjerësia e tre shkallëve janë 0.5 mm, dhe distanca midis vrimave të pjesës poli është 2 mm, siç tregohet në Figurën 13.
Figura 14a tregon shpërndarjen aksiale të fushës magnetike përgjatë vijave qendrore të dy rrezeve të elektroneve. Mund të shihet se forcat e fushës magnetike përgjatë dy rrezeve të elektroneve janë të barabarta. Vlera e fushës magnetike është rreth 6000 Gs, që është 1.5 herë fusha teorike Brillouin për të rritur performancën e transmetimit dhe fokusimit. Në të njëjtën kohë, fusha magnetike në katodë është pothuajse 0, duke treguar se pjesa poli ka një efekt të mirë në parandalimin e rrjedhjes së fluksit magnetik. Figura 14b tregon shpërndarjen tërthore të fushës magnetike By në drejtimin z në skajin e sipërm të dy rrezeve të elektroneve. Mund të shihet se fusha magnetike tërthore është më pak se 200 Gs vetëm në vrimën e pjesës poli, ndërsa në qarkun me valë të ngadaltë, fusha magnetike tërthore është pothuajse zero, gjë që vërteton se ndikimi i fushës magnetike tërthore në rrezen e elektroneve është i papërfillshëm. Për të parandaluar ngopjen magnetike të pjesëve poli, është e nevojshme të studiohet forca e fushës magnetike brenda pjesëve poli. Figura 14c tregon vlerën absolute të shpërndarjes së fushës magnetike brenda pjesës poli. Mund të shihet se vlera absolute e forcës së fushës magnetike është më pak se 1.2T, duke treguar se ngopja magnetike e pjesës poliare nuk do të ndodhë.
Shpërndarja e intensitetit të fushës magnetike për Br = 1.3 T. (a) Shpërndarja aksiale e fushës. (b) Shpërndarja anësore e fushës By në drejtimin z. (c) Vlera absolute e shpërndarjes së fushës brenda pjesës poli.
Bazuar në modulin CST PS, pozicioni relativ aksial i pistoletës me rreze të dyfishtë dhe sistemit të fokusimit është i optimizuar. Sipas Ref. 9 dhe simulimeve, vendndodhja optimale është aty ku pjesa e anodës mbivendoset me pjesën poli larg magnetit. Megjithatë, u zbulua se nëse mbetja do të vendoset në 1.3T, transmetimi i rrezes së elektroneve nuk mund të arrijë 99%. Duke rritur mbetjen në 1.4 T, fusha magnetike e fokusimit do të rritet në 6500 Gs. Trajektoret e rrezes në planet xoz dhe yoz tregohen në Figurën 15. Mund të shihet se rrezja ka transmetim të mirë, luhatje të vogël dhe një distancë transmetimi më të madhe se 45 mm.
Trajektoret e rrezeve të dyfishta të lapsit nën një sistem magnetik homogjen me Br = 1.4 T.(a) plan xoz.(b) aeroplan yoz.
Figura 16 tregon prerjen tërthore të rrezes në pozicione të ndryshme larg katodës. Mund të shihet se forma e seksionit të rrezes në sistemin e fokusimit ruhet mirë dhe diametri i seksionit nuk ndryshon shumë. Figura 17 tregon mbështjellësit e rrezes në drejtimet x dhe y, përkatësisht. Mund të shihet se luhatja e rrezes në të dy drejtimet është shumë e vogël. Figura 18 tregon rezultatet e simulimit të rrymës së rrezes. Rezultatet tregojnë se rryma është rreth 2 × 80 mA, e cila është në përputhje me vlerën e llogaritur në projektimin e pistoletës elektronike.
Prerja tërthore e rrezes së elektroneve (me sistem fokusimi) në pozicione të ndryshme larg katodës.
Duke marrë parasysh një sërë problemesh të tilla si gabimet e montimit, luhatjet e tensionit dhe ndryshimet në forcën e fushës magnetike në aplikimet praktike të përpunimit, është e nevojshme të analizohet ndjeshmëria e sistemit të fokusimit. Meqenëse ekziston një boshllëk midis pjesës së anodës dhe pjesës poliare në përpunimin aktual, ky boshllëk duhet të vendoset në simulim. Vlera e boshllëkut u vendos në 0.2 mm dhe Figura 19a tregon mbështjellësin e rrezes dhe rrymën e rrezes në drejtimin y. Ky rezultat tregon se ndryshimi në mbështjellësin e rrezes nuk është i rëndësishëm dhe rryma e rrezes mezi ndryshon. Prandaj, sistemi është i pandjeshëm ndaj gabimeve të montimit. Për luhatjen e tensionit të drejtimit, diapazoni i gabimit është vendosur në ±0.5 kV. Figura 19b tregon rezultatet e krahasimit. Mund të shihet se ndryshimi i tensionit ka pak efekt në mbështjellësin e rrezes. Diapazoni i gabimit është vendosur nga -0.02 në +0.03 T për ndryshimet në forcën e fushës magnetike. Rezultatet e krahasimit tregohen në Figurën 20. Mund të shihet se mbështjellësi i rrezes mezi ndryshon, që do të thotë se i gjithë EOS është i pandjeshëm ndaj ndryshimeve në forcën e fushës magnetike.
Mbështjellësi i rrezes dhe rryma rezultojnë nën një sistem fokusimi magnetik uniform. (a) Toleranca e montimit është 0.2 mm. (b) Luhatja e tensionit të drejtimit është ±0.5 kV.
Mbështjellësi i rrezes nën një sistem fokusimi magnetik uniform me luhatje të intensitetit të fushës magnetike aksiale që variojnë nga 0.63 në 0.68 T.
Për të siguruar që sistemi i fokusimit i projektuar në këtë punim të përputhet me HFS-në, është e nevojshme të kombinohet sistemi i fokusimit dhe HFS-ja për kërkim. Figura 21 tregon një krahasim të mbështjellësve të rrezes me dhe pa HFS të ngarkuar. Rezultatet tregojnë se mbështjellësi i rrezes nuk ndryshon shumë kur i gjithë HFS është i ngarkuar. Prandaj, sistemi i fokusimit është i përshtatshëm për HFS-në e tubit me valë udhëtuese të dizajnit të mësipërm.
Për të verifikuar saktësinë e EOS të propozuar në Seksionin III dhe për të hetuar performancën e SDV-TWT 220 GHz, kryhet një simulim 3D-PIC i bashkëveprimit rreze-valë. Për shkak të kufizimeve të softuerit të simulimit, ne nuk ishim në gjendje ta shtonim të gjithë EOS në HFS. Prandaj, arma elektronike u zëvendësua me një sipërfaqe ekuivalente emetuese me një diametër prej 0.13 mm dhe një distancë midis dy sipërfaqeve prej 0.31 mm, të njëjtat parametra si arma elektronike e projektuar më sipër. Për shkak të pandjeshmërisë dhe stabilitetit të mirë të EOS, tensioni i drejtimit mund të optimizohet siç duhet për të arritur fuqinë më të mirë të daljes në simulimin PIC. Rezultatet e simulimit tregojnë se fuqia e daljes së ngopur dhe fitimi mund të merren në një tension drejtimi prej 20.6 kV, një rrymë rrezeje prej 2 × 80 mA (603 A/cm2) dhe një fuqi hyrëse prej 0.05 W.
Për të marrë sinjalin më të mirë të daljes, duhet të optimizohet edhe numri i cikleve. Fuqia më e mirë e daljes merret kur numri i dy fazave është 42 + 48 cikle, siç tregohet në Figurën 22a. Një sinjal hyrës 0.05 W amplifikohet në 314 W me një fitim prej 38 dB. Spektri i fuqisë së daljes i marrë nga Transformimi i Shpejtë i Furierit (FFT) është i pastër, duke arritur kulmin në 220 GHz. Figura 22b tregon shpërndarjen e pozicionit aksial të energjisë së elektroneve në SWS, me shumicën e elektroneve që humbasin energji. Ky rezultat tregon se SDV-SWS mund të konvertojë energjinë kinetike të elektroneve në sinjale RF, duke realizuar kështu amplifikimin e sinjalit.
Sinjali i daljes SDV-SWS në 220 GHz. (a) Fuqia e daljes me spektrin e përfshirë. (b) Shpërndarja e energjisë së elektroneve me rrezen e elektroneve në fund të insetit SWS.
Figura 23 tregon gjerësinë e brezit të fuqisë dalëse dhe fitimin e një SDV-TWT me rreze të dyfishtë me dy modalitete. Performanca e daljes mund të përmirësohet më tej duke zgjeruar frekuencat nga 200 në 275 GHz dhe duke optimizuar tensionin e transmetimit. Ky rezultat tregon se gjerësia e brezit 3-dB mund të mbulojë 205 deri në 275 GHz, që do të thotë se funksionimi në modalitet të dyfishtë mund ta zgjerojë shumë gjerësinë e brezit të funksionimit.
Megjithatë, sipas Fig. 2a, ne e dimë se ekziston një brez ndalimi midis modave tek dhe çift, gjë që mund të çojë në lëkundje të padëshiruara. Prandaj, duhet të studiohet stabiliteti i punës rreth ndalesave. Figurat 24a-c janë rezultatet e simulimit 20 ns në 265.3 GHz, 265.35 GHz dhe 265.4 GHz, përkatësisht. Mund të shihet se megjithëse rezultatet e simulimit kanë disa luhatje, fuqia e daljes është relativisht e qëndrueshme. Spektri tregohet gjithashtu në Figurën 24 përkatësisht, spektri është i pastër. Këto rezultate tregojnë se nuk ka vetë-lëkundje pranë brezit ndalues.
Prodhimi dhe matjet janë të nevojshme për të verifikuar saktësinë e të gjithë HFS-së. Në këtë pjesë, HFS-ja prodhohet duke përdorur teknologjinë e kontrollit numerik kompjuterik (CNC) me një diametër mjeti prej 0.1 mm dhe një saktësi përpunimi prej 10 μm. Materiali për strukturën me frekuencë të lartë sigurohet nga bakri me përçueshmëri të lartë pa oksigjen (OFHC). Figura 25a tregon strukturën e prodhuar. E gjithë struktura ka një gjatësi prej 66.00 mm, një gjerësi prej 20.00 mm dhe një lartësi prej 8.66 mm. Tetë vrima gjilpërash janë të shpërndara rreth strukturës. Figura 25b tregon strukturën me anë të mikroskopisë elektronike skanuese (SEM). Tehet e kësaj strukture prodhohen në mënyrë uniforme dhe kanë vrazhdësi të mirë sipërfaqësore. Pas matjes së saktë, gabimi i përgjithshëm i përpunimit është më pak se 5%, dhe vrazhdësia sipërfaqësore është rreth 0.4 μm. Struktura e përpunimit përmbush kërkesat e projektimit dhe precizionit.
Figura 26 tregon krahasimin midis rezultateve aktuale të testimit dhe simulimeve të performancës së transmetimit. Porta 1 dhe Porta 2 në Figurën 26a korrespondojnë përkatësisht me portat hyrëse dhe dalëse të HFS-së dhe janë ekuivalente me Portën 1 dhe Portën 4 në Figurën 3. Rezultatet aktuale të matjes së S11 janë pak më të mira se rezultatet e simulimit. Në të njëjtën kohë, rezultatet e matura të S21 janë pak më të këqija. Arsyeja mund të jetë se përçueshmëria e materialit e vendosur në simulim është shumë e lartë dhe vrazhdësia e sipërfaqes pas përpunimit aktual është e dobët. Në përgjithësi, rezultatet e matura janë në përputhje të mirë me rezultatet e simulimit, dhe gjerësia e brezit të transmetimit plotëson kërkesën prej 70 GHz, gjë që verifikon fizibilitetin dhe saktësinë e SDV-TWT me dy modalitete të propozuar. Prandaj, e kombinuar me procesin aktual të prodhimit dhe rezultatet e testimit, dizajni SDV-TWT me dy rreze me brez të gjerë ultra i propozuar në këtë punim mund të përdoret për prodhim dhe aplikime të mëvonshme.
Në këtë punim, paraqitet një dizajn i detajuar i një SDV-TWT me rreze të dyfishtë me shpërndarje planare 220 GHz. Kombinimi i funksionimit me modalitet të dyfishtë dhe ngacmimit me rreze të dyfishtë rrit më tej gjerësinë e brezit të funksionimit dhe fuqinë e daljes. Fabrikimi dhe testi i ftohtë kryhen gjithashtu për të verifikuar saktësinë e të gjithë HFS-së. Rezultatet aktuale të matjes janë në përputhje të mirë me rezultatet e simulimit. Për EOS-në e projektuar me dy rreze, një seksion maske dhe elektroda kontrolli janë përdorur së bashku për të prodhuar një rreze me dy lapsa. Nën fushën magnetike të fokusuar uniforme të projektuar, rrezja e elektroneve mund të transmetohet në mënyrë të qëndrueshme në distanca të gjata me formë të mirë. Në të ardhmen, do të kryhet prodhimi dhe testimi i EOS-së, dhe do të kryhet edhe testi termik i të gjithë TWT-së. Kjo skemë projektimi SDV-TWT e propozuar në këtë punim kombinon plotësisht teknologjinë aktuale të përpunimit të planit të pjekur dhe tregon potencial të madh në treguesit e performancës dhe përpunimin dhe montimin. Prandaj, ky punim beson se struktura planare ka shumë të ngjarë të bëhet trendi i zhvillimit të pajisjeve elektronike vakumi në brezin teraherc.
Shumica e të dhënave të papërpunuara dhe modeleve analitike në këtë studim janë përfshirë në këtë punim. Informacione të mëtejshme relevante mund të merren nga autori përkatës me kërkesë të arsyeshme.
Gamzina, D. et al. Përpunimi CNC në shkallë nano i elektronikës me vakum nën-teraherc. Pajisjet trans-elektronike IEEE. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. dhe Paoloni, C. Mikrofabrikimi UV-LIGA i valëpërçuesve nën-teraherc duke përdorur fotorezist shumështresor SU-8. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al. 2017 Udhërrëfyes për teknologjinë THz. J. Physics. D për të aplikuar.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR & Luhmann, NC Kufizim i fortë i përhapjes së valëve plazmonike nëpërmjet valëudhëzuesve të dyfishtë me rrjetë të shkallëzuar me brez të gjerë ultra të gjerë.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. Performanca e një amplifikatori me tuba valësh udhëtimi 220-GHz të përpunuar me Nano CNC. Pajisjet trans-elektronike IEEE.64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Hetimi i paqëndrueshmërisë së diokotroneve të rrezeve të elektroneve me fletë pafundësisht të gjera duke përdorur teorinë makroskopike të modelit të lëngjeve të ftohta. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV mbi mundësinë për të rritur gjerësinë e brezit me anë të paraqitjes planare të rrezes në një klystron me shumë rreze. Në Konferencën e 12-të Ndërkombëtare IEEE mbi Elektronikën e Vakumit, Bangalore, Indi, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al. Projektimi i topave elektronikë me tre rreze me shpërndarje të ngushtë në planin e ndarjes së rrezes në tubin e valës udhëtuese me teh të dyfishtë të shkallëzuar në brezin W [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 Sistem optik elektronik me tre rreze të shpërndara planare me ndarje të ngushtë rrezesh për modalitetin themelor të bandës W TWT.IEEE Pajisje trans.elektronike.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Hulumtime mbi Tub Valësh Udhëtues me Tehe të Dyfishta të Ndërthurura me Trarë Fletësh me Valë Milimetrike 20-22 (Doktoraturë, Universiteti Beihang, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Studim mbi stabilitetin e ndërveprimit valë-rreze të një tubi valor udhëtues me dy tehe të ndërthurura në brezin G. Konferenca e 43-të Ndërkombëtare mbi Valët Milimetrike Infra të Kuqe dhe Valët Terahertz, Nagoya.8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).