Hatur nuhun parantos nganjang ka Nature.com. Versi browser anu anjeun anggo gaduh dukungan CSS anu terbatas. Pikeun pangalaman anu pangsaéna, kami nyarankeun anjeun nganggo browser anu diénggalan (atanapi mareuman modeu kompatibilitas dina Internet Explorer). Samentawis waktos, pikeun mastikeun dukungan anu terus-terusan, kami bakal nampilkeun situs tanpa gaya sareng JavaScript.
Dina tulisan ieu, tabung gelombang perjalanan bilah ganda interleaved broadband daya tinggi 220GHz dirancang sareng diverifikasi. Mimiti, struktur gelombang laun bilah ganda planar diusulkeun. Ku ngagunakeun skéma operasi modeu ganda, kinerja transmisi sareng bandwidth ampir dua kali lipat tibatan modeu tunggal. Kadua, pikeun minuhan sarat daya kaluaran anu luhur sareng ningkatkeun stabilitas tabung gelombang perjalanan, sistem optik éléktronik bentuk pensil ganda dirancang, tegangan nyetir nyaéta 20 ~ 21 kV, sareng arusna nyaéta 2 × 80 mA. Tujuan desain. Ku ngagunakeun bagian topéng sareng éléktroda kontrol dina bedil sinar ganda, dua sinar pensil tiasa difokuskeun sapanjang puseur masing-masing kalayan rasio komprési 7, jarak fokus sakitar 0,18 mm, sareng stabilitasna saé. Sistem fokus magnét seragam ogé parantos dioptimalkeun. Jarak transmisi stabil tina sinar éléktron ganda planar tiasa ngahontal 45 mm, sareng medan magnét fokus nyaéta 0,6 T, anu cekap pikeun nutupan sakabéh sistem frékuénsi tinggi (HFS). Teras, ka Pikeun mariksa kagunaan sistem éléktron-optik sareng kinerja struktur gelombang laun, simulasi sél partikel (PIC) ogé dilakukeun dina sakumna HFS. Hasilna nunjukkeun yén sistem interaksi sinar tiasa ngahontal kakuatan kaluaran puncak ampir 310 W dina 220 GHz, tegangan sinar anu dioptimalkeun nyaéta 20,6 kV, arus sinar nyaéta 2 × 80 mA, gain nyaéta 38 dB, sareng bandwidth 3-dB ngaleuwihan 35 dB sakitar 70 GHz. Pamungkas, fabrikasi mikrostruktur presisi tinggi dilakukeun pikeun mariksa kinerja HFS, sareng hasilna nunjukkeun yén bandwidth sareng karakteristik transmisi saluyu sareng hasil simulasi. Ku alatan éta, skéma anu diusulkeun dina tulisan ieu diperkirakeun bakal ngembangkeun sumber radiasi terahertz-band ultra-broadband kakuatan tinggi kalayan poténsi pikeun aplikasi ka hareup.
Salaku alat éléktronik vakum tradisional, traveling wave tube (TWT) maénkeun peran anu teu tiasa digentoskeun dina seueur aplikasi sapertos radar résolusi tinggi, sistem komunikasi satelit, sareng éksplorasi luar angkasa1,2,3. Nanging, nalika frékuénsi operasi lebet kana pita terahertz, coupled-cavity TWT tradisional sareng helical TWT teu tiasa minuhan kabutuhan jalma kusabab daya kaluaran anu relatif handap, bandwidth anu sempit, sareng prosés manufaktur anu sesah. Ku alatan éta, kumaha ningkatkeun kinerja pita THz sacara komprehensif parantos janten masalah anu pikahariwangeun pikeun seueur lembaga panalungtikan ilmiah. Dina sababaraha taun ka pengker, struktur gelombang laun (SWS) anyar, sapertos struktur staggered dual-blade (SDV) sareng struktur folded waveguide (FW), parantos nampi perhatian anu éksténsif kusabab struktur planar alami na, khususna SDV-SWS anyar kalayan poténsi anu ngajangjikeun. Struktur ieu diusulkeun ku UC-Davis dina taun 20084. Struktur planar tiasa gampang didamel ku téknik pamrosésan mikro-nano sapertos kontrol numerik komputer (CNC) sareng UV-LIGA, struktur pakét sadaya logam tiasa nyayogikeun kapasitas termal anu langkung ageung kalayan daya kaluaran anu langkung luhur. sareng gain, sareng struktur anu siga waveguide ogé tiasa nyayogikeun bandwidth kerja anu langkung lega. Ayeuna, UC Davis nunjukkeun pikeun kahiji kalina dina taun 2017 yén SDV-TWT tiasa ngahasilkeun kaluaran kakuatan tinggi anu langkung ti 100 W sareng sinyal bandwidth ampir 14 GHz dina G-band5. Nanging, hasil ieu masih gaduh celah anu henteu tiasa nyumponan sarat anu aya hubunganana sareng kakuatan tinggi sareng bandwidth anu lega dina pita terahertz. Pikeun G-band SDV-TWT UC-Davis, sinar éléktron lambar parantos dianggo. Sanaos skéma ieu tiasa ningkatkeun kapasitas arus anu dibawa ku sinar sacara signifikan, hésé pikeun ngajaga jarak transmisi anu panjang kusabab ketidakstabilan sistem optik éléktron sinar lambar (EOS), sareng aya torowongan sinar over-mode, anu ogé tiasa nyababkeun sinar ngatur diri. – Éksitasi sareng osilasi 6,7. Pikeun minuhan sarat daya kaluaran anu luhur, bandwidth anu lega sareng stabilitas THz TWT anu saé, SDV-SWS dual-beam kalayan operasi dual-mode diusulkeun dina tulisan ieu. Nyaéta, pikeun ningkatkeun bandwidth operasi, operasi dual-mode diusulkeun sareng diwanohkeun dina struktur ieu. Sareng, pikeun ningkatkeun daya kaluaran, distribusi planar tina sinar pensil ganda ogé dianggo. Radio sinar pensil tunggal relatif alit kusabab kendala ukuran vertikal. Upami kapadetan arus teuing luhur, arus sinar kedah dikirangan, ngahasilkeun daya kaluaran anu relatif rendah. Pikeun ningkatkeun arus sinar, EOS multibeam anu disebarkeun planar parantos muncul, anu ngamangpaatkeun ukuran lateral SWS. Kusabab tunneling sinar mandiri, multi-beam anu disebarkeun planar tiasa ngahontal daya kaluaran anu luhur ku cara ngajaga arus sinar total anu luhur sareng arus alit per sinar, anu tiasa nyingkahan tunneling sinar overmode dibandingkeun sareng alat lambaran-sinar. Ku alatan éta, mangpaat pikeun ngajaga stabilitas tabung gelombang anu ngarambat. Dumasar kana padamelan sateuacana 8,9, Ieu tulisan ngajukeun médan magnét seragam G-band anu museurkeun kana sinar pensil ganda EOS, anu tiasa ningkatkeun jarak transmisi sinar anu stabil sareng langkung ningkatkeun daérah interaksi sinar, sahingga ningkatkeun daya kaluaran sacara signifikan.
Struktur tulisan ieu sapertos kieu. Mimitina, desain sél SWS kalayan parameter, analisis karakteristik dispersi sareng hasil simulasi frékuénsi luhur dijelaskeun. Teras, numutkeun struktur sél unit, EOS sinar pensil ganda sareng sistem interaksi sinar dirancang dina tulisan ieu. Hasil simulasi partikel intraseluler ogé dipidangkeun pikeun mastikeun kagunaan EOS sareng kinerja SDV-TWT. Salaku tambahan, tulisan ieu sacara ringkes nampilkeun hasil fabrikasi sareng uji tiis pikeun mastikeun kaleresan sadaya HFS. Pamungkas, jieun ringkesan.
Salaku salah sahiji komponén TWT anu paling penting, sipat dispersif tina struktur gelombang laun nunjukkeun naha kecepatan éléktron cocog sareng kecepatan fase SWS, sahingga gaduh pangaruh anu ageung kana interaksi sinar-gelombang. Pikeun ningkatkeun kinerja sakumna TWT, struktur interaksi anu ditingkatkeun dirancang. Struktur sél unit dipidangkeun dina Gambar 1. Ngémutan ketidakstabilan sinar lambar sareng watesan kakuatan sinar pen tunggal, struktur ngadopsi sinar pen ganda pikeun ningkatkeun daya kaluaran sareng stabilitas operasi. Samentawis éta, pikeun ningkatkeun bandwidth kerja, modeu ganda parantos diusulkeun pikeun beroperasi SWS. Kusabab simétri struktur SDV, solusi persamaan dispersi médan éléktromagnétik tiasa dibagi kana modeu ganjil sareng genap. Dina waktos anu sami, modeu ganjil dasar tina pita frékuénsi rendah sareng modeu genap dasar tina pita frékuénsi tinggi dianggo pikeun ngawujudkeun sinkronisasi broadband tina interaksi sinar, sahingga ningkatkeun bandwidth kerja.
Numutkeun sarat daya, sakabéh tabung dirancang kalayan tegangan nyetir 20 kV sareng arus sinar ganda 2 × 80 mA. Pikeun cocogkeun tegangan sadeukeut mungkin sareng bandwidth operasi SDV-SWS, urang kedah ngitung panjang période p. Hubungan antara tegangan sinar sareng période dipidangkeun dina persamaan (1)10:
Ku cara nyetel geseran fase ka 2.5π dina frékuénsi tengah 220 GHz, periode p tiasa diitung janten 0.46 mm. Gambar 2a nunjukkeun sipat dispersi sél unit SWS. Beamline 20 kV cocog pisan sareng kurva bimodal. Pita frékuénsi anu cocog tiasa ngahontal sakitar 70 GHz dina rentang 210–265.3 GHz (mode ganjil) sareng 265.4–280 GHz (mode genap). Gambar 2b nunjukkeun impedansi kopling rata-rata, anu langkung ageung tibatan 0.6 Ω ti 210 dugi ka 290 GHz, nunjukkeun yén interaksi anu kuat tiasa kajantenan dina bandwidth operasi.
(a) Karakteristik dispersi SDV-SWS mode ganda kalayan garis pancaran éléktron 20 kV. (b) Impedansi interaksi sirkuit gelombang laun SDV.
Nanging, penting pikeun dicatet yén aya celah pita antara modeu ganjil sareng genap, sareng urang biasana nyebat celah pita ieu salaku pita eureun, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 2a. Upami TWT dioperasikeun caket pita frékuénsi ieu, kakuatan gandengan sinar anu kuat tiasa kajantenan, anu bakal nyababkeun osilasi anu teu dihoyongkeun. Dina aplikasi praktis, urang umumna nyingkahan nganggo TWT caket pita eureun. Nanging, tiasa katingali yén celah pita tina struktur gelombang laun ieu ngan ukur 0,1 GHz. Hésé nangtukeun naha celah pita leutik ieu nyababkeun osilasi. Ku alatan éta, stabilitas operasi di sakitar pita eureun bakal ditalungtik dina bagian simulasi PIC ieu pikeun nganalisis naha osilasi anu teu dihoyongkeun tiasa kajantenan.
Modél sakabéh HFS dipidangkeun dina Gambar 3. Ieu diwangun ku dua tahapan SDV-SWS, anu disambungkeun ku réfléktor Bragg. Fungsi réfléktor nyaéta pikeun motong transmisi sinyal antara dua tahapan, ngurangan osilasi sareng réfléksi modeu anu teu tiasa dianggo sapertos modeu orde luhur anu dihasilkeun antara bilah luhur sareng handap, sahingga ningkatkeun stabilitas sakabéh tabung sacara signifikan. Pikeun sambungan ka lingkungan éksternal, coupler tapered linier ogé dianggo pikeun nyambungkeun SWS ka waveguide standar WR-4. Koéfisién transmisi struktur dua tingkat diukur ku solver domain waktos dina parangkat lunak simulasi 3D. Mertimbangkeun pangaruh saleresna tina pita terahertz kana bahan, bahan amplop vakum mimitina disetel ka tambaga, sareng konduktivitas dikirangan janten 2,25 × 107 S / m12.
Gambar 4 nunjukkeun hasil transmisi pikeun HFS kalayan sareng tanpa coupler tapered linier. Hasilna nunjukkeun yén coupler gaduh pangaruh sakedik kana kinerja transmisi sadaya HFS. Karugian balik (S11 < − 10 dB) sareng karugian sisipan (S21 > − 5 dB) tina sakumna sistem dina broadband 207 ~ 280 GHz nunjukkeun yén HFS gaduh karakteristik transmisi anu saé.
Salaku catu daya alat éléktronik vakum, bedil éléktron sacara langsung nangtukeun naha alat éta tiasa ngahasilkeun daya kaluaran anu cekap. Digabungkeun sareng analisis HFS dina Bagian II, EOS dual-beam kedah dirancang pikeun nyayogikeun daya anu cekap. Dina bagian ieu, dumasar kana padamelan sateuacana dina W-band8,9, bedil éléktron pensil ganda dirancang nganggo bagian topéng planar sareng éléktroda kontrol. Mimiti, numutkeun sarat desain SWS dina Bagian. Sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar. 2, tegangan panggerak Ua tina sinar éléktron mimitina disetel ka 20 kV, arus I tina dua sinar éléktron duanana 80 mA, sareng diaméter sinar dw tina sinar éléktron nyaéta 0,13 mm. Dina waktos anu sami, pikeun mastikeun yén kapadetan arus sinar éléktron sareng katoda tiasa kahontal, babandingan komprési sinar éléktron disetel ka 7, janten kapadetan arus sinar éléktron nyaéta 603 A/cm2, sareng kapadetan arus katoda nyaéta 86 A/cm2, anu tiasa kahontal ku Ieu kahontal nganggo bahan katoda énggal. Numutkeun téori desain 14, 15, 16, 17, bedil éléktron Pierce has tiasa diidentipikasi sacara unik.
Gambar 5 nunjukkeun diagram skematis horizontal sareng vertikal tina bedil éta. Tiasa ditingali yén profil bedil éléktron dina arah-x ampir sami sareng bedil éléktron anu siga lambaran has, sedengkeun dina arah-y dua sinar éléktron dipisahkeun sabagian ku topéng. Posisi dua katoda aya dina x = – 0,155 mm, y = 0 mm sareng x = 0,155 mm, y = 0 mm, masing-masing. Numutkeun sarat desain babandingan komprési sareng ukuran injeksi éléktron, diménsi dua permukaan katoda ditangtukeun janten 0,91 mm × 0,13 mm.
Pikeun ngajantenkeun médan listrik anu difokuskeun anu ditampi ku unggal sinar éléktron dina arah-x simetris di sakitar puseurna sorangan, tulisan ieu nerapkeun éléktroda kontrol kana bedil éléktron. Ku cara nyetel tegangan éléktroda fokus sareng éléktroda kontrol ka −20 kV, sareng tegangan anoda ka 0 V, urang tiasa kéngingkeun distribusi lintasan bedil sinar ganda, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 6. Tiasa katingali yén éléktron anu dipancarkeun gaduh kompresibilitas anu saé dina arah-y, sareng unggal sinar éléktron konvergen ka arah arah-x sapanjang puseur simétri sorangan, anu nunjukkeun yén éléktroda kontrol ngimbangan médan listrik anu henteu rata anu dihasilkeun ku éléktroda fokus.
Gambar 7 nunjukkeun amplop sinar dina arah x sareng y. Hasilna nunjukkeun yén jarak proyéksi sinar éléktron dina arah-x béda ti arah-y. Jarak lemparan dina arah-x sakitar 4mm, sareng jarak lemparan dina arah-y caket kana 7mm. Ku alatan éta, jarak lemparan anu saleresna kedah dipilih antara 4 sareng 7 mm. Gambar 8 nunjukkeun penampang sinar éléktron dina 4,6 mm ti permukaan katoda. Urang tiasa ningali yén bentuk penampangna pangdeukeutna kana sinar éléktron bunderan standar. Jarak antara dua sinar éléktron caket kana 0,31 mm anu dirancang, sareng radiusna sakitar 0,13 mm, anu nyumponan sarat desain. Gambar 9 nunjukkeun hasil simulasi arus sinar. Éta tiasa katingali yén dua arus sinar nyaéta 76mA, anu cocog sareng 80mA anu dirancang.
Nginget fluktuasi tegangan nyetir dina aplikasi praktis, perlu pikeun nalungtik sensitivitas tegangan modél ieu. Dina rentang tegangan 19,8 ~ 20,6 kV, amplop arus sareng pancaran diala, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 1 sareng Gambar 1.10 sareng 11. Tina hasilna, tiasa ditingali yén parobahan tegangan nyetir teu aya pangaruhna kana amplop pancaran éléktron, sareng arus pancaran éléktron ngan ukur robih ti 0,74 dugi ka 0,78 A. Ku alatan éta, tiasa dianggap yén bedil éléktron anu dirancang dina tulisan ieu gaduh sensitivitas anu saé kana tegangan.
Pangaruh fluktuasi tegangan anu ngadorong kana amplop sinar arah-x sareng arah-y.
Médan fokus magnét seragam nyaéta sistem fokus magnét permanén anu umum. Kusabab distribusi médan magnét seragam di sakuliah saluran pancaran, éta cocog pisan pikeun pancaran éléktron aksisimetris. Dina bagian ieu, sistem fokus magnét seragam pikeun ngajaga transmisi jarak jauh tina pancaran pensil ganda diusulkeun. Ku cara nganalisis médan magnét anu dihasilkeun sareng amplop pancaran, skéma desain sistem fokus diusulkeun, sareng masalah sensitivitas diulik. Numutkeun téori transmisi stabil tina pancaran pensil tunggal 18,19, nilai médan magnét Brillouin tiasa diitung ku persamaan (2). Dina tulisan ieu, urang ogé nganggo ékuivalénsi ieu pikeun ngira-ngira médan magnét tina pancaran pensil ganda anu disebarkeun sacara lateral. Digabungkeun sareng bedil éléktron anu dirancang dina tulisan ieu, nilai médan magnét anu diitung nyaéta sakitar 4000 Gs. Numutkeun Ref. 20, 1,5-2 kali nilai anu diitung biasana dipilih dina desain praktis.
Gambar 12 nunjukkeun struktur sistem médan fokus médan magnét seragam. Bagian biru nyaéta magnét permanén anu dimagnetisasi dina arah aksial. Pilihan bahan nyaéta NdFeB atanapi FeCoNi. Remanensi Br anu disetel dina modél simulasi nyaéta 1,3 T sareng perméabilitasna nyaéta 1,05. Pikeun mastikeun transmisi sinar anu stabil dina sakumna sirkuit, panjang magnét mimitina disetel ka 70 mm. Salaku tambahan, ukuran magnét dina arah x nangtukeun naha médan magnét transversal dina saluran sinar seragam, anu meryogikeun ukuran dina arah x henteu tiasa alit teuing. Dina waktos anu sami, ngémutan biaya sareng beurat sakumna tabung, ukuran magnét henteu kedah ageung teuing. Ku alatan éta, magnét mimitina disetel ka 150 mm × 150 mm × 70 mm. Samentawis éta, pikeun mastikeun yén sakumna sirkuit gelombang laun tiasa disimpen dina sistem fokus, jarak antara magnét disetel ka 20mm.
Dina taun 2015, Purna Chandra Panda21 ngusulkeun potongan kutub kalayan liang léngkah anyar dina sistem fokus magnét seragam, anu tiasa ngirangan gedena bocor fluks ka katoda sareng médan magnét transversal anu dihasilkeun dina liang potongan kutub. Dina tulisan ieu, urang nambihan struktur léngkah kana potongan kutub tina sistem fokus. Kandel potongan kutub mimitina disetel ka 1.5mm, jangkungna sareng lébar tilu léngkah nyaéta 0.5mm, sareng jarak antara liang potongan kutub nyaéta 2mm, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 13.
Gambar 14a nunjukkeun distribusi médan magnét aksial sapanjang garis tengah dua sinar éléktron. Éta tiasa katingali yén gaya médan magnét sapanjang dua sinar éléktron sami. Nilai médan magnét sakitar 6000 Gs, nyaéta 1,5 kali médan Brillouin téoritis pikeun ningkatkeun kinerja transmisi sareng fokus. Dina waktos anu sami, médan magnét di katoda ampir 0, nunjukkeun yén potongan kutub gaduh pangaruh anu saé pikeun nyegah bocor fluks magnét. Gambar 14b nunjukkeun distribusi médan magnét transversal Ku dina arah z di ujung luhur dua sinar éléktron. Éta tiasa katingali yén médan magnét transversal kirang ti 200 Gs ngan ukur dina liang potongan kutub, sedengkeun dina sirkuit gelombang laun, médan magnét transversal ampir enol, anu ngabuktikeun yén pangaruh médan magnét transversal dina sinar éléktron tiasa diabaikan. Pikeun nyegah saturasi magnét potongan kutub, perlu nalungtik kakuatan médan magnét di jero potongan kutub. Gambar 14c nunjukkeun nilai absolut distribusi médan magnét di jero potongan kutub. Éta tiasa katingali yén nilai absolut médan magnét kakuatanna kirang ti 1.2T, nunjukkeun yén saturasi magnét tina potongan kutub moal kajadian.
Sebaran kakuatan médan magnét pikeun Br = 1.3 T.(a) Sebaran médan aksial.(b) Sebaran médan lateral By dina arah z.(c) Nilai absolut sebaran médan dina potongan kutub.
Dumasar kana modul CST PS, posisi relatif aksial tina bedil sinar ganda sareng sistem fokus dioptimalkeun. Numutkeun Ref. 9 sareng simulasi, lokasi optimal nyaéta dimana potongan anoda tumpang tindih potongan kutub jauh ti magnet. Nanging, kapendak yén upami rémanénsi disetel ka 1.3T, transmitansi sinar éléktron moal tiasa ngahontal 99%. Ku ningkatkeun rémanénsi ka 1.4 T, médan magnét fokus bakal ningkat janten 6500 Gs. Lintasan sinar dina bidang xoz sareng yoz dipidangkeun dina Gambar 15. Éta tiasa katingali yén sinar ngagaduhan transmisi anu saé, fluktuasi leutik, sareng jarak transmisi langkung ageung tibatan 45mm.
Lintasan sinar pensil ganda dina sistem magnét homogen kalayan Br = 1,4 T.(a) bidang xoz.(b) pesawat yoz.
Gambar 16 nunjukkeun penampang balok dina posisi anu béda-béda jauh ti katoda. Éta tiasa katingali yén bentuk bagian balok dina sistem fokus dijaga kalayan saé, sareng diaméter bagian henteu robih seueur. Gambar 17 nunjukkeun amplop balok dina arah x sareng y, masing-masing. Éta tiasa katingali yén fluktuasi balok dina dua arah éta alit pisan. Gambar 18 nunjukkeun hasil simulasi arus balok. Hasilna nunjukkeun yén arus sakitar 2 × 80 mA, anu saluyu sareng nilai anu diitung dina desain bedil éléktron.
Penampang sinar éléktron (kalayan sistem fokus) dina posisi anu béda-béda jauh ti katoda.
Nginget runtuyan masalah sapertos kasalahan perakitan, fluktuasi tegangan, sareng parobahan kakuatan médan magnét dina aplikasi pamrosésan praktis, perlu pikeun nganalisis sensitivitas sistem fokus. Kusabab aya celah antara potongan anoda sareng potongan kutub dina pamrosésan anu saleresna, celah ieu kedah disetel dina simulasi. Nilai celah disetel ka 0,2 mm sareng Gambar 19a nunjukkeun amplop sinar sareng arus sinar dina arah y. Hasil ieu nunjukkeun yén parobahan dina amplop sinar henteu signifikan sareng arus sinar ampir teu robih. Ku alatan éta, sistem henteu sénsitip kana kasalahan perakitan. Pikeun fluktuasi tegangan nyetir, rentang kasalahan disetel ka ±0,5 kV. Gambar 19b nunjukkeun hasil babandingan. Éta tiasa katingali yén parobahan tegangan gaduh sakedik pangaruh kana amplop sinar. Rentang kasalahan disetel ti -0,02 dugi ka +0,03 T pikeun parobahan kakuatan médan magnét. Hasil babandingan dipidangkeun dina Gambar 20. Éta tiasa katingali yén amplop sinar ampir teu robih, anu hartosna yén sadaya EOS henteu sénsitip kana parobahan kakuatan médan magnét.
Hasil amplop sinar sareng arus dina sistem fokus magnét seragam. (a) Toleransi rakitan nyaéta 0,2 mm. (b) Fluktuasi tegangan nyetir nyaéta ±0,5 kV.
Selubung sinar dina sistem fokus magnét seragam kalayan fluktuasi kakuatan médan magnét aksial ti mimiti 0,63 dugi ka 0,68 T.
Pikeun mastikeun yén sistem fokus anu dirancang dina tulisan ieu tiasa cocog sareng HFS, perlu ngagabungkeun sistem fokus sareng HFS pikeun panalungtikan. Gambar 21 nunjukkeun babandingan amplop sinar kalayan sareng tanpa HFS anu dimuat. Hasilna nunjukkeun yén amplop sinar henteu seueur robih nalika sadaya HFS dimuat. Ku alatan éta, sistem fokus cocog pikeun tabung gelombang perjalanan HFS tina desain di luhur.
Pikeun mastikeun leres henteuna EOS anu diusulkeun dina Bagian III sareng nalungtik kinerja SDV-TWT 220 GHz, simulasi 3D-PIC tina interaksi gelombang-beam dilaksanakeun. Kusabab watesan parangkat lunak simulasi, kami henteu tiasa nambihan sadayana EOS kana HFS. Ku alatan éta, bedil éléktron diganti ku permukaan anu ngaluarkeun anu sami kalayan diaméter 0,13 mm sareng jarak antara dua permukaan 0,31 mm, parameter anu sami sareng bedil éléktron anu dirancang di luhur. Kusabab teu sénsitip sareng stabilitas EOS anu saé, tegangan nyetir tiasa dioptimalkeun kalayan leres pikeun ngahontal daya kaluaran anu pangsaéna dina simulasi PIC. Hasil simulasi nunjukkeun yén daya kaluaran jenuh sareng gain tiasa diala dina tegangan nyetir 20,6 kV, arus beam 2 × 80 mA (603 A/cm2), sareng daya input 0,05 W.
Pikeun kéngingkeun sinyal kaluaran anu pangsaéna, jumlah siklus ogé kedah dioptimalkeun. Daya kaluaran anu pangsaéna diala nalika jumlah dua tahapan nyaéta 42 + 48 siklus, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 22a. Sinyal input 0,05 W diamplifikasi janten 314 W kalayan gain 38 dB. Spéktrum daya kaluaran anu diala ku Fast Fourier Transform (FFT) murni, ngahontal puncakna dina 220 GHz. Gambar 22b nunjukkeun distribusi posisi aksial énergi éléktron dina SWS, kalayan kaseueuran éléktron kaleungitan énergi. Hasil ieu nunjukkeun yén SDV-SWS tiasa ngarobih énergi kinétik éléktron janten sinyal RF, sahingga ngawujudkeun amplifikasi sinyal.
Sinyal kaluaran SDV-SWS dina 220 GHz. (a) Daya kaluaran kalayan spéktrum anu kalebet. (b) Sebaran énergi éléktron kalayan sinar éléktron dina tungtung inset SWS.
Gambar 23 nunjukkeun bandwidth daya kaluaran sareng gain tina dual-mode dual-beam SDV-TWT. Kinerja kaluaran tiasa langkung ningkat ku cara nyapu frékuénsi ti 200 dugi ka 275 GHz sareng ngaoptimalkeun tegangan drive. Hasil ieu nunjukkeun yén bandwidth 3-dB tiasa nutupan 205 dugi ka 275 GHz, anu hartosna operasi dual-mode tiasa ngalegaan bandwidth operasi sacara signifikan.
Nanging, numutkeun Gambar 2a, urang terang yén aya pita eureun antara modeu ganjil sareng genap, anu tiasa nyababkeun osilasi anu teu dihoyongkeun. Ku alatan éta, stabilitas padamelan di sakitar eureun kedah ditalungtik. Gambar 24a-c nyaéta hasil simulasi 20 ns dina 265,3 GHz, 265,35 GHz, sareng 265,4 GHz, masing-masing. Tiasa katingali yén sanaos hasil simulasi ngagaduhan sababaraha fluktuasi, daya kaluaran relatif stabil. Spéktrum ogé dipidangkeun dina Gambar 24 masing-masing, spéktrumna murni. Hasil ieu nunjukkeun yén teu aya osilasi mandiri caket pita eureun.
Fabrikasi sareng pangukuran diperyogikeun pikeun mastikeun kaleresan sadaya HFS. Dina bagian ieu, HFS didamel nganggo téknologi kontrol numerik komputer (CNC) kalayan diaméter alat 0,1 mm sareng akurasi mesin 10 μm. Bahan pikeun struktur frékuénsi luhur disayogikeun ku tambaga konduktivitas tinggi bébas oksigén (OFHC). Gambar 25a nunjukkeun struktur anu didamel. Sakabéh struktur gaduh panjang 66,00 mm, lébar 20,00 mm sareng jangkungna 8,66 mm. Dalapan liang pin disebarkeun di sakitar struktur. Gambar 25b nunjukkeun struktur ku mikroskop éléktron scanning (SEM). Bilah struktur ieu dihasilkeun sacara seragam sareng gaduh karasana permukaan anu saé. Saatos pangukuran anu tepat, kasalahan mesin sacara umum kirang ti 5%, sareng karasana permukaan sakitar 0,4 μm. Struktur mesin nyumponan sarat desain sareng presisi.
Gambar 26 nunjukkeun babandingan antara hasil tés anu saleresna sareng simulasi kinerja transmisi. Port 1 sareng Port 2 dina Gambar 26a masing-masing pakait sareng port input sareng output HFS, sareng sami sareng Port 1 sareng Port 4 dina Gambar 3. Hasil pangukuran S11 anu saleresna rada langkung saé tibatan hasil simulasi. Dina waktos anu sami, hasil anu diukur tina S21 rada langkung goréng. Alesanna tiasa janten konduktivitas bahan anu disetel dina simulasi teuing luhur sareng karasana permukaan saatos mesin anu saleresna goréng. Sacara umum, hasil anu diukur cocog sareng hasil simulasi, sareng bandwidth transmisi nyumponan sarat 70 GHz, anu mastikeun kalayakan sareng kaleresan tina dual-mode SDV-TWT anu diusulkeun. Ku alatan éta, digabungkeun sareng prosés fabrikasi sareng hasil tés anu saleresna, desain dual-beam SDV-TWT ultra-broadband anu diusulkeun dina tulisan ieu tiasa dianggo pikeun fabrikasi sareng aplikasi salajengna.
Dina tulisan ieu, desain anu lengkep tina distribusi planar 220 GHz dual-beam SDV-TWT dipidangkeun. Kombinasi operasi dual-mode sareng eksitasi dual-beam salajengna ningkatkeun bandwidth operasi sareng daya kaluaran. Fabrikasi sareng uji tiis ogé dilaksanakeun pikeun mastikeun kaleresan sadaya HFS. Hasil pangukuran anu saleresna saluyu sareng hasil simulasi. Pikeun EOS dua-beam anu dirancang, bagian topéng sareng éléktroda kontrol parantos dianggo babarengan pikeun ngahasilkeun sinar dua-pensil. Dina médan magnét fokus seragam anu dirancang, sinar éléktron tiasa dikirimkeun sacara stabil dina jarak anu jauh kalayan bentuk anu saé. Ka hareupna, produksi sareng uji EOS bakal dilaksanakeun, sareng uji termal sadaya TWT ogé bakal dilaksanakeun. Skéma desain SDV-TWT anu diusulkeun dina tulisan ieu ngagabungkeun sacara lengkep téknologi pamrosésan pesawat dewasa ayeuna, sareng nunjukkeun poténsi anu ageung dina indikator kinerja sareng pamrosésan sareng perakitan. Ku alatan éta, tulisan ieu yakin yén struktur planar paling dipikaresep janten tren pamekaran alat éléktronik vakum dina pita terahertz.
Kaseueuran data atah sareng modél analitis dina panilitian ieu parantos dilebetkeun kana tulisan ieu. Inpormasi anu langkung relevan tiasa diala ti panulis anu saluyu upami aya pamundut anu wajar.
Gamzina, D. et al. Mesin CNC skala nano tina éléktronika vakum sub-terahertz. IEEE Trans. alat éléktronik.63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. sareng Paoloni, C. Mikrofabrikasi UV-LIGA tina pandu gelombang sub-terahertz nganggo photoresist SU-8 multilayer.J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al. 2017 THz technology roadmap.J. Physics.D to apply.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR & Luhmann, NC Pangwatesan anu kuat tina rambatan gelombang plasmonik ngalangkungan waveguides.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. Kinerja Penguat Tabung Gelombang Perjalanan 220-GHz Mesin Nano CNC. Alat éléktronik IEEE Trans.64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Nalungtik ketidakstabilan diokotron tina sinar éléktron lambaran anu lega pisan nganggo téori modél cairan tiis makroskopis. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV ngeunaan kasempetan pikeun ningkatkeun bandwidth ku tata letak planar tina balok dina klystron multibeam. Dina Konferensi Internasional IEEE ka-12 ngeunaan Elektronika Vakum, Bangalore, India, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al. Desain bedil éléktron tilu-sinar kalayan distribusi bidang pamisahan sinar sempit dina tabung gelombang perjalanan bilah ganda staggered W-band[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 éléktron tilu-beam anu disebarkeun ku planar kalayan pamisahan beam anu sempit pikeun mode dasar W-band TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Panalungtikan ngeunaan Tabung Gelombang Iinditan Bilah Ganda Interleaved kalayan Balok Lambaran Gelombang Milimeter 20-22 (PhD, Universitas Beihang, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Ulikan ngeunaan stabilitas interaksi sinar-gelombang tina tabung gelombang perjalanan bilah ganda interleaved G-band. Konferensi Internasional ka-43 ngeunaan Milimeter Infrabeureum sareng Gelombang Terahertz 2018, Nagoya.8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).