Asante kwa kutembelea Nature.com. Toleo la kivinjari unachotumia lina usaidizi mdogo kwa CSS. Kwa matumizi bora, tunapendekeza utumie kivinjari kilichosasishwa (au uzime hali ya utangamano katika Internet Explorer). Wakati huo huo, ili kuhakikisha usaidizi unaoendelea, tutaonyesha tovuti bila mitindo na JavaScript.
Katika karatasi hii, bomba la mawimbi la kusafiria la broadband lenye nguvu ya juu la 220GHz limebuniwa na kuthibitishwa. Kwanza, muundo wa wimbi la polepole la blade mbili zenye boriti mbili zilizopangwa unapendekezwa. Kwa kutumia mpango wa uendeshaji wa hali mbili, utendaji wa upitishaji na kipimo data ni karibu mara mbili ya ile ya hali moja. Pili, ili kukidhi mahitaji ya nguvu ya kutoa matokeo ya juu na kuboresha uthabiti wa bomba la mawimbi la kusafiri, mfumo wa macho wa kielektroniki wenye umbo la penseli mbili umebuniwa, volteji ya kuendesha ni 20~21 kV, na mkondo ni 2 × 80 mA. Malengo ya muundo. Kwa kutumia sehemu ya barakoa na elektrodi ya kudhibiti katika bunduki ya boriti mbili, mihimili miwili ya penseli inaweza kulenga vituo vyao husika kwa uwiano wa mgandamizo wa 7, umbali wa kulenga ni kama 0.18mm, na uthabiti ni mzuri. Mfumo wa kulenga sumaku sare pia umeboreshwa. Umbali thabiti wa upitishaji wa boriti ya elektroni mbili zenye boriti unaweza kufikia 45 mm, na uwanja wa sumaku unaolenga ni 0.6 T, ambayo inatosha kufunika mfumo mzima wa masafa ya juu (HFS). Kisha, ili kuthibitisha Urahisi wa matumizi ya mfumo wa elektroni-optical na utendaji wa muundo wa wimbi la polepole, uigaji wa chembe chembe (PIC) pia ulifanywa kwenye HFS nzima. Matokeo yanaonyesha kuwa mfumo wa mwingiliano wa boriti unaweza kufikia nguvu ya juu ya kutoa ya karibu 310 W kwa 220 GHz, volteji ya boriti iliyoboreshwa ni 20.6 kV, mkondo wa boriti ni 2 × 80 mA, ongezeko ni 38 dB, na kipimo data cha 3-dB kinazidi 35 dB takriban 70 GHz. Hatimaye, utengenezaji wa muundo mdogo wa usahihi wa hali ya juu unafanywa ili kuthibitisha utendaji wa HFS, na matokeo yanaonyesha kuwa sifa za kipimo data na upitishaji zinakubaliana vyema na matokeo ya uigaji. Kwa hivyo, mpango uliopendekezwa katika karatasi hii unatarajiwa kutengeneza vyanzo vya mionzi ya terahertz-bendi ya nguvu ya juu, yenye upana wa juu na uwezo wa matumizi ya siku zijazo.
Kama kifaa cha kielektroniki cha kawaida cha utupu, bomba la mawimbi linalosafiri (TWT) lina jukumu lisiloweza kubadilishwa katika matumizi mengi kama vile rada yenye ubora wa juu, mifumo ya mawasiliano ya setilaiti, na uchunguzi wa anga 1,2,3. Hata hivyo, kadri masafa ya uendeshaji yanavyoingia kwenye bendi ya terahertz, TWT ya jadi yenye mashimo yaliyounganishwa na TWT ya helikopta hazijaweza kukidhi mahitaji ya watu kutokana na nguvu ndogo ya kutoa, kipimo data kidogo, na michakato migumu ya utengenezaji. Kwa hivyo, jinsi ya kuboresha kikamilifu utendaji wa bendi ya THz imekuwa suala linalowasumbua sana taasisi nyingi za utafiti wa kisayansi. Katika miaka ya hivi karibuni, miundo mipya ya mawimbi ya polepole (SWS), kama vile miundo ya blade mbili (SDV) iliyopangwa na miundo ya mwongozo wa mawimbi yaliyokunjwa (FW), imepokea umakini mkubwa kutokana na miundo yao ya asili ya planar, haswa SDV-SWS mpya zenye uwezo wa kuahidi. Muundo huu ulipendekezwa na UC-Davis mnamo 20084. Muundo wa planar unaweza kutengenezwa kwa urahisi na mbinu za usindikaji wa micro-nano kama vile udhibiti wa nambari wa kompyuta (CNC) na UV-LIGA, muundo wa kifurushi cha chuma chote unaweza kutoa uwezo mkubwa wa joto na nguvu ya juu ya kutoa. na faida, na muundo unaofanana na mwongozo wa wimbi unaweza pia kutoa kipimo data pana cha kufanya kazi. Hivi sasa, UC Davis ilionyesha kwa mara ya kwanza mnamo 2017 kwamba SDV-TWT inaweza kutoa matokeo ya nguvu nyingi zaidi ya 100 W na karibu ishara za kipimo data cha GHz 14 katika bendi ya G5. Hata hivyo, matokeo haya bado yana mapengo ambayo hayawezi kukidhi mahitaji yanayohusiana ya kipimo data cha nguvu nyingi na upana katika bendi ya terahertz. Kwa bendi ya G ya SDV-TWT ya UC-Davis, mihimili ya elektroni ya karatasi imetumika. Ingawa mpango huu unaweza kuboresha kwa kiasi kikubwa uwezo wa kubeba mkondo wa boriti, ni vigumu kudumisha umbali mrefu wa upitishaji kutokana na kutokuwa na utulivu wa mfumo wa macho wa elektroni ya boriti ya karatasi (EOS), na kuna handaki ya boriti ya hali ya juu, ambayo inaweza pia kusababisha boriti kujidhibiti yenyewe. – Msisimko na mtetemo 6,7. Ili kukidhi mahitaji ya nguvu ya juu ya kutoa, kipimo data pana na uthabiti mzuri wa THz TWT, SDV-SWS yenye miale miwili yenye uendeshaji wa hali mbili inapendekezwa katika karatasi hii. Yaani, ili kuongeza kipimo data cha uendeshaji, operesheni ya hali mbili inapendekezwa na kuletwa katika muundo huu. Na, ili kuongeza nguvu ya kutoa, usambazaji wa planar wa mihimili ya penseli mbili pia hutumika. Redio za miale ya penseli moja ni ndogo kwa sababu ya vikwazo vya ukubwa wima. Ikiwa msongamano wa sasa ni mkubwa sana, mkondo wa boriti lazima upunguzwe, na kusababisha nguvu ya chini ya kutoa. Ili kuboresha mkondo wa boriti, EOS yenye miale mingi iliyosambazwa imeibuka, ambayo hutumia ukubwa wa pembeni wa SWS. Kutokana na handaki huru ya boriti, miale mingi iliyosambazwa ya planar inaweza kufikia nguvu ya juu ya kutoa kwa kudumisha mkondo wa juu wa boriti na mkondo mdogo kwa kila boriti, ambayo inaweza kuepuka handaki ya boriti ya hali ya juu ikilinganishwa na vifaa vya boriti ya karatasi. Kwa hivyo, ni muhimu kudumisha uthabiti wa bomba la wimbi linalosafiri. Kwa msingi wa kazi ya awali8,9, Karatasi hii inapendekeza uwanja wa sumaku wa bendi ya G unaozingatia boriti ya penseli mbili EOS, ambayo inaweza kuboresha sana umbali thabiti wa upitishaji wa boriti na kuongeza zaidi eneo la mwingiliano wa boriti, na hivyo kuboresha sana nguvu ya kutoa.
Muundo wa karatasi hii ni kama ifuatavyo. Kwanza, muundo wa seli ya SWS wenye vigezo, uchambuzi wa sifa za utawanyiko na matokeo ya simulizi ya masafa ya juu yanaelezwa. Kisha, kulingana na muundo wa seli ya kitengo, EOS ya boriti mbili ya penseli na mfumo wa mwingiliano wa boriti umeundwa katika karatasi hii. Matokeo ya simulizi ya chembe ndani ya seli pia yanawasilishwa ili kuthibitisha utumiaji wa EOS na utendaji wa SDV-TWT. Kwa kuongezea, karatasi hiyo inawasilisha kwa ufupi matokeo ya utengenezaji na majaribio baridi ili kuthibitisha usahihi wa HFS nzima. Hatimaye tengeneza muhtasari.
Kama moja ya vipengele muhimu zaidi vya TWT, sifa za mtawanyiko wa muundo wa wimbi la polepole zinaonyesha kama kasi ya elektroni inalingana na kasi ya awamu ya SWS, na hivyo ina ushawishi mkubwa kwenye mwingiliano wa boriti-wimbi. Ili kuboresha utendaji wa TWT nzima, muundo ulioboreshwa wa mwingiliano umebuniwa. Muundo wa seli ya kitengo umeonyeshwa kwenye Mchoro 1. Kwa kuzingatia kutokuwa na utulivu wa boriti ya karatasi na kikomo cha nguvu cha boriti ya kalamu moja, muundo hutumia boriti ya kalamu mbili ili kuboresha zaidi nguvu ya kutoa na utulivu wa uendeshaji. Wakati huo huo, ili kuongeza kipimo data kinachofanya kazi, hali mbili imependekezwa ili SWS ifanye kazi. Kwa sababu ya ulinganifu wa muundo wa SDV, suluhisho la mlinganyo wa utawanyiko wa uwanja wa sumakuumeme linaweza kugawanywa katika hali zisizo za kawaida na zisawa. Wakati huo huo, hali isiyo ya kawaida ya msingi ya bendi ya masafa ya chini na hali ya msingi zisawa ya bendi ya masafa ya juu hutumiwa kutambua usawazishaji wa broadband wa mwingiliano wa boriti, na hivyo kuboresha zaidi kipimo data kinachofanya kazi.
Kulingana na mahitaji ya nguvu, bomba zima limeundwa kwa volteji ya kuendesha ya kV 20 na mkondo wa boriti mbili wa 2 × 80 mA. Ili kulinganisha volteji kwa karibu iwezekanavyo na kipimo data cha uendeshaji cha SDV-SWS, tunahitaji kuhesabu urefu wa kipindi uk. Uhusiano kati ya volteji ya boriti na kipindi umeonyeshwa katika mlinganyo (1)10:
Kwa kuweka mabadiliko ya awamu hadi 2.5π katika masafa ya katikati ya 220 GHz, kipindi p kinaweza kuhesabiwa kuwa 0.46 mm. Mchoro 2a unaonyesha sifa za utawanyiko wa seli ya kitengo cha SWS. Mstari wa boriti wa kV 20 unalingana vizuri sana na mkunjo wa bimodal. Bendi za masafa zinazolingana zinaweza kufikia karibu 70 GHz katika safu za 210–265.3 GHz (hali isiyo ya kawaida) na 265.4–280 GHz (hali shufwa). Mchoro 2b unaonyesha wastani wa uzuiaji wa kuunganisha, ambao ni mkubwa kuliko 0.6 Ω kutoka 210 hadi 290 GHz, ikionyesha kuwa mwingiliano mkubwa unaweza kutokea katika kipimo data cha uendeshaji.
(a) Sifa za utawanyiko wa SDV-SWS ya hali mbili yenye mstari wa elektroni wa kV 20. (b) Kizuizi cha mwingiliano wa saketi ya wimbi la polepole la SDV.
Hata hivyo, ni muhimu kutambua kwamba kuna pengo la bendi kati ya hali zisizo za kawaida na linganifu, na kwa kawaida tunarejelea pengo hili la bendi kama bendi ya kusimamisha, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 2a. Ikiwa TWT inaendeshwa karibu na bendi hii ya masafa, nguvu kali ya kuunganisha boriti inaweza kutokea, ambayo itasababisha mitetemo isiyohitajika. Katika matumizi ya vitendo, kwa ujumla tunaepuka kutumia TWT karibu na bendi ya kusimamisha. Hata hivyo, inaweza kuonekana kwamba pengo la bendi la muundo huu wa wimbi la polepole ni 0.1 GHz pekee. Ni vigumu kubaini kama pengo hili dogo la bendi husababisha mitetemo. Kwa hivyo, utulivu wa uendeshaji kuzunguka bendi ya kusimamisha utachunguzwa katika sehemu ifuatayo ya simulizi ya PIC ili kuchambua kama mitetemo isiyohitajika inaweza kutokea.
Mfano wa HFS nzima unaonyeshwa kwenye Mchoro 3. Unajumuisha hatua mbili za SDV-SWS, zilizounganishwa na viakisi vya Bragg. Kazi ya kiakisi ni kukata upitishaji wa ishara kati ya hatua hizo mbili, kukandamiza mtetemo na uakisi wa hali zisizofanya kazi kama vile hali za mpangilio wa juu zinazozalishwa kati ya vile vya juu na vya chini, na hivyo kuboresha sana uthabiti wa bomba lote. Kwa muunganisho na mazingira ya nje, kiunganishi cha mstari kilichopigwa pia hutumika kuunganisha SWS kwenye mwongozo wa wimbi wa kawaida wa WR-4. Mgawo wa upitishaji wa muundo wa ngazi mbili hupimwa na kitatuzi cha kikoa cha wakati katika programu ya simulizi ya 3D. Kwa kuzingatia athari halisi ya bendi ya terahertz kwenye nyenzo, nyenzo ya bahasha ya utupu huwekwa awali kwa shaba, na upitishaji hupunguzwa hadi 2.25×107 S/m12.
Mchoro 4 unaonyesha matokeo ya upitishaji wa HFS yenye na bila viunganishi vilivyopinda mstari. Matokeo yanaonyesha kuwa kiunganishi hakina athari kubwa kwenye utendaji wa upitishaji wa HFS nzima. Hasara ya kurudi (S11 < − 10 dB) na hasara ya kuingiza (S21 > − 5 dB) ya mfumo mzima katika broadband ya 207~280 GHz inaonyesha kuwa HFS ina sifa nzuri za upitishaji.
Kama ugavi wa umeme wa vifaa vya kielektroniki vya utupu, bunduki ya elektroni huamua moja kwa moja kama kifaa kinaweza kutoa nguvu ya kutosha ya kutoa. Pamoja na uchambuzi wa HFS katika Sehemu ya II, EOS yenye miale miwili inahitaji kutengenezwa ili kutoa nguvu ya kutosha. Katika sehemu hii, kulingana na kazi ya awali katika W-band8,9, bunduki ya elektroni ya penseli mbili imeundwa kwa kutumia sehemu ya barakoa ya planar na elektrodi za kudhibiti. Kwanza, kulingana na mahitaji ya muundo wa SWS katika Kifungu. Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro. 2, volteji ya kuendesha Ua ya mihimili ya elektroni huwekwa awali hadi 20 kV, mikondo ya I ya mihimili miwili ya elektroni yote ni 80 mA, na kipenyo cha boriti dw ya mihimili ya elektroni ni 0.13 mm. Wakati huo huo, ili kuhakikisha kwamba msongamano wa sasa wa boriti ya elektroni na kathodi unaweza kupatikana, uwiano wa mgandamizo wa boriti ya elektroni umewekwa hadi 7, kwa hivyo msongamano wa sasa wa boriti ya elektroni ni 603 A/cm2, na msongamano wa sasa wa kathodi ni 86 A/cm2, ambao unaweza kupatikana kwa. Hii inafanikiwa kwa kutumia vifaa vipya vya kathodi. Kulingana na nadharia ya muundo 14, 15, 16, 17, bunduki ya kawaida ya elektroni ya Pierce inaweza kutambuliwa kipekee.
Mchoro 5 unaonyesha michoro ya mlalo na wima ya bunduki, mtawalia. Inaweza kuonekana kwamba wasifu wa bunduki ya elektroni katika mwelekeo wa x ni karibu sawa na ule wa bunduki ya kawaida ya elektroni inayofanana na karatasi, huku katika mwelekeo wa y mihimili miwili ya elektroni ikitenganishwa kwa sehemu na barakoa. Nafasi za kathodi mbili ziko katika x = – 0.155 mm, y = 0 mm na x = 0.155 mm, y = 0 mm, mtawalia. Kulingana na mahitaji ya muundo wa uwiano wa mgandamizo na ukubwa wa sindano ya elektroni, vipimo vya nyuso mbili za kathodi vimebainishwa kuwa 0.91 mm × 0.13 mm.
Ili kufanya uwanja wa umeme unaolenga unaopokelewa na kila boriti ya elektroni katika mwelekeo wa x kuwa ulinganifu karibu na kituo chake, karatasi hii inatumia elektrodi ya kudhibiti kwenye bunduki ya elektroni. Kwa kuweka volteji ya elektrodi inayolenga na elektrodi ya kudhibiti hadi −20 kV, na volteji ya anodi hadi 0 V, tunaweza kupata usambazaji wa njia ya bunduki ya boriti mbili, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 6. Inaweza kuonekana kwamba elektroni zinazotolewa zina mgandamizo mzuri katika mwelekeo wa y, na kila boriti ya elektroni hukutana kuelekea mwelekeo wa x kando ya kituo chake cha ulinganifu, ambayo inaonyesha kwamba elektrodi ya kudhibiti inasawazisha uwanja wa umeme usio sawa unaozalishwa na elektrodi inayolenga.
Mchoro 7 unaonyesha bahasha ya boriti katika mwelekeo wa x na y. Matokeo yanaonyesha kuwa umbali wa makadirio ya boriti ya elektroni katika mwelekeo wa x ni tofauti na ule ulio katika mwelekeo wa y. Umbali wa kurusha katika mwelekeo wa x ni takriban 4mm, na umbali wa kurusha katika mwelekeo wa y ni karibu 7mm. Kwa hivyo, umbali halisi wa kurusha unapaswa kuchaguliwa kati ya 4 na 7 mm. Mchoro 8 unaonyesha sehemu ya msalaba ya boriti ya elektroni katika 4.6 mm kutoka kwenye uso wa cathode. Tunaweza kuona kwamba umbo la sehemu ya msalaba liko karibu zaidi na boriti ya kawaida ya elektroni ya duara. Umbali kati ya mihimili miwili ya elektroni uko karibu na 0.31 mm iliyoundwa, na radius ni takriban 0.13 mm, ambayo inakidhi mahitaji ya muundo. Mchoro 9 unaonyesha matokeo ya simulizi ya mkondo wa boriti. Inaweza kuonekana kuwa mikondo miwili ya boriti ni 76mA, ambayo inalingana vizuri na 80mA iliyoundwa.
Kwa kuzingatia mabadiliko ya volteji ya kuendesha gari katika matumizi ya vitendo, ni muhimu kusoma unyeti wa volteji wa modeli hii. Katika kiwango cha volteji cha 19.8 ~ 20.6 kV, bahasha za mkondo wa sasa na boriti hupatikana, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 1 na Mchoro 1.10 na 11. Kutokana na matokeo, inaweza kuonekana kwamba mabadiliko ya volteji ya kuendesha gari hayana athari kwenye bahasha ya boriti ya elektroni, na mkondo wa boriti ya elektroni hubadilika tu kutoka 0.74 hadi 0.78 A. Kwa hivyo, inaweza kuzingatiwa kuwa bunduki ya elektroni iliyoundwa katika karatasi hii ina unyeti mzuri kwa volteji.
Athari ya mabadiliko ya volteji ya kuendesha gari kwenye bahasha za boriti za mwelekeo wa x na y.
Sehemu ya kulenga sumaku sare ni mfumo wa kawaida wa kulenga sumaku wa kudumu. Kutokana na usambazaji sare wa sehemu ya sumaku katika mfereji wa boriti, inafaa sana kwa mihimili ya elektroni ya mhimili. Katika sehemu hii, mfumo sare wa kulenga sumaku kwa ajili ya kudumisha upitishaji wa umbali mrefu wa mihimili ya penseli mbili unapendekezwa. Kwa kuchanganua sehemu ya sumaku na bahasha ya boriti inayozalishwa, mpango wa muundo wa mfumo wa kulenga unapendekezwa, na tatizo la unyeti linasomwa. Kulingana na nadharia thabiti ya upitishaji wa boriti moja ya penseli18,19, thamani ya sehemu ya sumaku ya Brillouin inaweza kuhesabiwa kwa mlinganyo (2). Katika karatasi hii, pia tunatumia usawa huu kukadiria sehemu ya sumaku ya boriti ya penseli mbili iliyosambazwa pembeni. Ikichanganywa na bunduki ya elektroni iliyoundwa katika karatasi hii, thamani ya sehemu ya sumaku iliyohesabiwa ni kama 4000 Gs. Kulingana na Rejeleo 20, mara 1.5-2 thamani iliyohesabiwa kwa kawaida huchaguliwa katika miundo ya vitendo.
Mchoro 12 unaonyesha muundo wa mfumo wa uwanja unaolenga uwanja wa sumaku sare. Sehemu ya bluu ni sumaku ya kudumu iliyo na sumaku katika mwelekeo wa mhimili. Uteuzi wa nyenzo ni NdFeB au FeCoNi. Seti ya Br ya urejeshaji katika modeli ya simulizi ni 1.3 T na upenyezaji ni 1.05. Ili kuhakikisha upitishaji thabiti wa boriti katika mzunguko mzima, urefu wa sumaku huwekwa awali hadi 70 mm. Kwa kuongezea, ukubwa wa sumaku katika mwelekeo wa x huamua kama uwanja wa sumaku unaovuka katika mfereji wa boriti ni sawa, ambayo inahitaji kwamba ukubwa katika mwelekeo wa x hauwezi kuwa mdogo sana. Wakati huo huo, kwa kuzingatia gharama na uzito wa bomba zima, ukubwa wa sumaku haupaswi kuwa mkubwa sana. Kwa hivyo, sumaku huwekwa awali hadi 150 mm × 150 mm × 70 mm. Wakati huo huo, ili kuhakikisha kwamba mzunguko mzima wa wimbi la polepole unaweza kuwekwa katika mfumo unaolenga, umbali kati ya sumaku umewekwa hadi 20mm.
Mnamo mwaka wa 2015, Purna Chandra Panda21 ilipendekeza kipande cha nguzo chenye shimo jipya la ngazi katika mfumo sare wa kuzingatia sumaku, ambao unaweza kupunguza zaidi ukubwa wa uvujaji wa mtiririko kwenye kathodi na uwanja wa sumaku unaovuka unaozalishwa kwenye shimo la kipande cha nguzo. Katika karatasi hii, tunaongeza muundo wa ngazi kwenye kipande cha nguzo cha mfumo wa kuzingatia. Unene wa kipande cha nguzo hapo awali umewekwa kuwa 1.5mm, urefu na upana wa hatua tatu ni 0.5mm, na umbali kati ya mashimo ya kipande cha nguzo ni 2mm, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 13.
Mchoro 14a unaonyesha usambazaji wa uwanja wa sumaku wa mhimili kando ya mistari ya katikati ya mihimili miwili ya elektroni. Inaweza kuonekana kwamba nguvu za uwanja wa sumaku kando ya mihimili miwili ya elektroni ni sawa. Thamani ya uwanja wa sumaku ni takriban 6000 Gs, ambayo ni mara 1.5 ya uwanja wa kinadharia wa Brillouin ili kuongeza upitishaji na utendaji wa kuzingatia. Wakati huo huo, uwanja wa sumaku kwenye kathodi ni karibu 0, ikionyesha kwamba kipande cha nguzo kina athari nzuri katika kuzuia uvujaji wa mtiririko wa sumaku. Mchoro 14b unaonyesha usambazaji wa uwanja wa sumaku wa mlalo By katika mwelekeo wa z kwenye ukingo wa juu wa mihimili miwili ya elektroni. Inaweza kuonekana kwamba uwanja wa sumaku wa mlalo ni chini ya 200 Gs pekee kwenye shimo la kipande cha nguzo, huku katika mzunguko wa wimbi la polepole, uwanja wa sumaku wa mlalo ni karibu sifuri, ambayo inathibitisha kwamba ushawishi wa uwanja wa sumaku wa mlalo kwenye boriti ya elektroni ni mdogo. Ili kuzuia kueneza sumaku kwa vipande vya nguzo, ni muhimu kusoma nguvu ya uwanja wa sumaku ndani ya vipande vya nguzo. Mchoro 14c unaonyesha thamani kamili ya usambazaji wa uwanja wa sumaku ndani ya kipande cha nguzo. Inaweza kuonekana kwamba thamani kamili ya nguvu ya uwanja wa sumaku ni chini ya 1.2T, ikionyesha kwamba kueneza kwa sumaku kwa kipande cha nguzo hakutatokea.
Usambazaji wa nguvu ya uga wa sumaku kwa Br = 1.3 T.(a) Usambazaji wa uga wa mhimili.(b) Usambazaji wa uga wa pembeni Kwa katika mwelekeo wa z.(c) Thamani kamili ya usambazaji wa uga ndani ya kipande cha nguzo.
Kulingana na moduli ya CST PS, nafasi ya mhimili ya bunduki ya boriti mbili na mfumo wa kulenga imeboreshwa. Kulingana na Rejeleo 9 na simulizi, eneo bora ni pale ambapo kipande cha anodi kinaingiliana na kipande cha nguzo mbali na sumaku. Hata hivyo, ilibainika kuwa ikiwa urejeleo ungewekwa kwenye 1.3T, upitishaji wa boriti ya elektroni haungeweza kufikia 99%. Kwa kuongeza urejeleo hadi 1.4 T, uwanja wa sumaku unaolenga utaongezeka hadi 6500 Gs. Njia za boriti kwenye ndege za xoz na yoz zinaonyeshwa kwenye Mchoro 15. Inaweza kuonekana kuwa boriti ina upitishaji mzuri, mabadiliko madogo, na umbali wa upitishaji zaidi ya 45mm.
Mistari ya mihimili ya penseli mbili chini ya mfumo wa sumaku wenye usawa na Br = 1.4 T.(a) ndege ya xoz.(b) ndege ya yoz.
Mchoro 16 unaonyesha sehemu mtambuka ya boriti katika nafasi tofauti mbali na kathodi. Inaweza kuonekana kwamba umbo la sehemu ya boriti katika mfumo wa kulenga limetunzwa vizuri, na kipenyo cha sehemu hakibadiliki sana. Mchoro 17 unaonyesha bahasha za boriti katika mwelekeo wa x na y, mtawalia. Inaweza kuonekana kwamba kubadilika kwa boriti katika pande zote mbili ni kidogo sana. Mchoro 18 unaonyesha matokeo ya simulizi ya mkondo wa boriti. Matokeo yanaonyesha kwamba mkondo ni takriban 2 × 80 mA, ambayo inaendana na thamani iliyohesabiwa katika muundo wa bunduki ya elektroni.
Sehemu ya msalaba ya boriti ya elektroni (yenye mfumo wa kuzingatia) katika nafasi tofauti mbali na kathodi.
Kwa kuzingatia mfululizo wa matatizo kama vile makosa ya mkusanyiko, mabadiliko ya volteji, na mabadiliko katika nguvu ya uwanja wa sumaku katika matumizi ya vitendo ya usindikaji, ni muhimu kuchambua unyeti wa mfumo wa kulenga. Kwa sababu kuna pengo kati ya kipande cha anodi na kipande cha nguzo katika usindikaji halisi, pengo hili linahitaji kuwekwa katika simulizi. Thamani ya pengo iliwekwa hadi 0.2 mm na Mchoro 19a unaonyesha bahasha ya boriti na mkondo wa boriti katika mwelekeo wa y. Matokeo haya yanaonyesha kuwa mabadiliko katika bahasha ya boriti si muhimu na mkondo wa boriti haubadiliki sana. Kwa hivyo, mfumo haujali makosa ya mkusanyiko. Kwa mabadiliko ya volteji inayoendesha, safu ya hitilafu imewekwa hadi ±0.5 kV. Mchoro 19b unaonyesha matokeo ya ulinganisho. Inaweza kuonekana kuwa mabadiliko ya volteji hayana athari kubwa kwenye bahasha ya boriti. Safu ya hitilafu imewekwa kutoka -0.02 hadi +0.03 T kwa mabadiliko katika nguvu ya uwanja wa sumaku. Matokeo ya ulinganisho yanaonyeshwa katika Mchoro 20. Inaweza kuonekana kuwa bahasha ya boriti haibadiliki sana, ambayo ina maana kwamba EOS nzima haihisi mabadiliko katika nguvu ya uwanja wa sumaku.
Bahasha ya boriti na matokeo ya mkondo chini ya mfumo sare wa kulenga sumaku.(a) Uvumilivu wa mkusanyiko ni 0.2 mm.(b) Kubadilika kwa volteji ya kuendesha ni ±0.5 kV.
Bahasha ya boriti chini ya mfumo sare wa kulenga sumaku wenye mabadiliko ya nguvu ya uwanja wa sumaku wa axial kuanzia 0.63 hadi 0.68 T.
Ili kuhakikisha kwamba mfumo wa kulenga ulioundwa katika karatasi hii unaweza kuendana na HFS, ni muhimu kuchanganya mfumo wa kulenga na HFS kwa ajili ya utafiti. Mchoro 21 unaonyesha ulinganisho wa bahasha za boriti zenye na zisizo na HFS zilizopakiwa. Matokeo yanaonyesha kwamba bahasha ya boriti haibadiliki sana HFS nzima inapopakiwa. Kwa hivyo, mfumo wa kulenga unafaa kwa HFS ya mrija wa mawimbi unaosafiri wa muundo ulio hapo juu.
Ili kuthibitisha usahihi wa EOS iliyopendekezwa katika Sehemu ya III na kuchunguza utendaji wa 220 GHz SDV-TWT, simulizi ya 3D-PIC ya mwingiliano wa boriti-wimbi inafanywa. Kutokana na mapungufu ya programu ya simulizi, hatukuweza kuongeza EOS nzima kwenye HFS. Kwa hivyo, bunduki ya elektroni ilibadilishwa na uso sawa wa kutoa moshi wenye kipenyo cha 0.13mm na umbali kati ya nyuso mbili za 0.31mm, vigezo sawa na bunduki ya elektroni iliyoundwa hapo juu. Kutokana na kutojali na uthabiti mzuri wa EOS, volteji ya kuendesha inaweza kuboreshwa ipasavyo ili kufikia nguvu bora ya kutoa katika simulizi ya PIC. Matokeo ya simulizi yanaonyesha kuwa nguvu ya kutoa iliyojaa na faida inaweza kupatikana kwa volteji ya kuendesha ya 20.6 kV, mkondo wa boriti wa 2 × 80 mA (603 A/cm2), na nguvu ya kuingiza ya 0.05 W.
Ili kupata ishara bora ya kutoa, idadi ya mizunguko pia inahitaji kuboreshwa. Nguvu bora ya kutoa inapatikana wakati idadi ya hatua mbili ni mizunguko 42 + 48, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 22a. Ishara ya kuingiza ya 0.05 W imeongezwa hadi 314 W na ongezeko la 38 dB. Wigo wa nguvu ya kutoa unaopatikana kwa Fast Fourier Transform (FFT) ni safi, unafikia kilele cha 220 GHz. Mchoro 22b unaonyesha usambazaji wa nafasi ya mhimili wa nishati ya elektroni katika SWS, huku elektroni nyingi zikipoteza nishati. Matokeo haya yanaonyesha kuwa SDV-SWS inaweza kubadilisha nishati ya kinetiki ya elektroni kuwa ishara za RF, na hivyo kutambua ukuzaji wa ishara.
Ishara ya kutoa SDV-SWS katika 220 GHz.(a) Nguvu ya kutoa yenye wigo uliojumuishwa.(b) Usambazaji wa nishati wa elektroni zenye boriti ya elektroni mwishoni mwa sehemu ya ndani ya SWS.
Mchoro 23 unaonyesha kipimo data cha nguvu ya kutoa na faida ya SDV-TWT ya boriti mbili ya hali-mbili. Utendaji wa matokeo unaweza kuboreshwa zaidi kwa masafa ya kusambaza kutoka 200 hadi 275 GHz na kuboresha volteji ya kiendeshi. Matokeo haya yanaonyesha kuwa kipimo data cha 3-dB kinaweza kufunika 205 hadi 275 GHz, ambayo ina maana kwamba uendeshaji wa hali-mbili unaweza kupanua sana kipimo data cha uendeshaji.
Hata hivyo, kulingana na Mchoro 2a, tunajua kwamba kuna bendi ya kusimamisha kati ya hali zisizo za kawaida na linganifu, ambazo zinaweza kusababisha mitetemo isiyohitajika. Kwa hivyo, utulivu wa kazi karibu na vituo unahitaji kusomwa. Mchoro 24a-c ni matokeo ya simulizi ya 20 ns katika 265.3 GHz, 265.35 GHz, na 265.4 GHz, mtawalia. Inaweza kuonekana kwamba ingawa matokeo ya simulizi yana mabadiliko fulani, nguvu ya kutoa ni thabiti kiasi. Wigo pia unaonyeshwa katika Mchoro 24 mtawalia, wigo ni safi. Matokeo haya yanaonyesha kwamba hakuna mtetemo wa kibinafsi karibu na bendi ya kusimamisha.
Utengenezaji na upimaji ni muhimu ili kuthibitisha usahihi wa HFS nzima. Katika sehemu hii, HFS imetengenezwa kwa kutumia teknolojia ya udhibiti wa nambari ya kompyuta (CNC) yenye kipenyo cha zana cha milimita 0.1 na usahihi wa uchakataji wa milimita 10. Nyenzo ya muundo wa masafa ya juu hutolewa na shaba isiyo na oksijeni yenye upitishaji wa juu (OFHC). Mchoro 25a unaonyesha muundo uliotengenezwa. Muundo mzima una urefu wa milimita 66.00, upana wa milimita 20.00 na urefu wa milimita 8.66. Mashimo manane ya pini yamesambazwa kuzunguka muundo. Mchoro 25b unaonyesha muundo kwa kuchanganua hadubini ya elektroni (SEM). Majani ya muundo huu yanazalishwa kwa usawa na yana ukali mzuri wa uso. Baada ya kipimo sahihi, hitilafu ya jumla ya uchakataji ni chini ya 5%, na ukali wa uso ni kama milimita 0.4. Muundo wa uchakataji unakidhi mahitaji ya muundo na usahihi.
Mchoro 26 unaonyesha ulinganisho kati ya matokeo halisi ya majaribio na uigaji wa utendaji wa upitishaji. Lango la 1 na Lango la 2 katika Mchoro 26a zinalingana na milango ya ingizo na matokeo ya HFS, mtawalia, na ni sawa na Lango la 1 na Lango la 4 katika Mchoro 3. Matokeo halisi ya kipimo cha S11 ni bora kidogo kuliko matokeo ya uigaji. Wakati huo huo, matokeo yaliyopimwa ya S21 ni mabaya kidogo. Sababu inaweza kuwa kwamba upitishaji wa nyenzo uliowekwa katika uigaji ni mkubwa sana na ukali wa uso baada ya uchakataji halisi ni duni. Kwa ujumla, matokeo yaliyopimwa yanakubaliana vyema na matokeo ya uigaji, na kipimo data cha upitishaji kinakidhi mahitaji ya 70 GHz, ambayo inathibitisha uwezekano na usahihi wa SDV-TWT iliyopendekezwa ya hali mbili. Kwa hivyo, pamoja na mchakato halisi wa uundaji na matokeo ya majaribio, muundo wa SDV-TWT yenye miale miwili ya upana wa juu uliopendekezwa katika karatasi hii unaweza kutumika kwa utengenezaji na matumizi yanayofuata.
Katika karatasi hii, muundo wa kina wa usambazaji wa planar wa SDV-TWT yenye boriti mbili ya 220 GHz umewasilishwa. Mchanganyiko wa operesheni ya hali mbili na msisimko wa boriti mbili huongeza zaidi kipimo data cha uendeshaji na nguvu ya kutoa. Jaribio la utengenezaji na baridi pia hufanywa ili kuthibitisha usahihi wa HFS nzima. Matokeo halisi ya kipimo yanakubaliana vyema na matokeo ya simulizi. Kwa EOS yenye boriti mbili iliyoundwa, sehemu ya barakoa na elektrodi za udhibiti zimetumika pamoja kutoa boriti ya penseli mbili. Chini ya uwanja wa sumaku unaolenga sare iliyoundwa, boriti ya elektroni inaweza kusambazwa kwa utulivu kwa umbali mrefu na umbo zuri. Katika siku zijazo, uzalishaji na upimaji wa EOS utafanywa, na jaribio la joto la TWT nzima pia litafanywa. Mpango huu wa muundo wa SDV-TWT uliopendekezwa katika karatasi hii unachanganya kikamilifu teknolojia ya sasa ya usindikaji wa ndege iliyokomaa, na unaonyesha uwezo mkubwa katika viashiria vya utendaji na usindikaji na mkusanyiko. Kwa hivyo, karatasi hii inaamini kwamba muundo wa planar una uwezekano mkubwa wa kuwa mwelekeo wa maendeleo ya vifaa vya elektroniki vya utupu katika bendi ya terahertz.
Data ghafi nyingi na mifumo ya uchambuzi katika utafiti huu imejumuishwa katika karatasi hii. Taarifa zaidi muhimu zinaweza kupatikana kutoka kwa mwandishi husika kwa ombi linalofaa.
Gamzina, D. et al. Nanoscale CNC machining ya vifaa vya elektroniki vya utupu vya sub-terahertz. IEEE Trans.vifaa vya elektroniki.63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. na Paoloni, C. Uundaji mdogo wa UV-LIGA wa miongozo ya mawimbi ya sub-terahertz kwa kutumia upolimishaji wa SU-8 wa tabaka nyingi.J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS et al.2017 Ramani ya teknolojia ya THz.J. Fizikia.D ya kutumia.fizikia.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR & Luhmann, NC Uzuiaji mkubwa wa uenezaji wa mawimbi ya plasmoni kupitia waveguides.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. et al. Utendaji wa Kipaza sauti cha Mrija wa Mawimbi wa Kusafiri wa Nano CNC cha 220-GHz. IEEE Vifaa vya kielektroniki vya Trans.64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Kuchunguza uthabiti wa diokotroni wa mihimili ya elektroni ya karatasi pana isiyo na kikomo kwa kutumia nadharia ya kielelezo cha maji baridi ya makroskopu. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV kuhusu fursa ya kuongeza kipimo data kwa mpangilio wa boriti katika klystron ya miale mingi. Katika Mkutano wa 12 wa Kimataifa wa IEEE kuhusu Elektroniki za Vuta, Bangalore, India, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ et al. Ubunifu wa bunduki za elektroni zenye boriti tatu zenye usambazaji mwembamba wa ndege inayogawanya boriti katika bomba la wimbi linalosafiri lenye ncha mbili lenye bendi ya 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 Planar ilisambaza mfumo wa macho wa elektroni wenye boriti tatu wenye utenganisho mwembamba wa boriti kwa hali ya msingi ya bendi ya W TWT.IEEE Vifaa vya kielektroniki vya Trans.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Utafiti kuhusu Mrija wa Mawimbi ya Kusafiria wa Blade Mbili Uliounganishwa na Mihimili ya Mawimbi 20-22 (PhD, Chuo Kikuu cha Beihang, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Utafiti kuhusu uthabiti wa mwingiliano wa miale-wimbi wa bomba la mawimbi linalosafiri lenye ncha mbili la bendi ya G. Mkutano wa 43 wa Kimataifa wa 2018 kuhusu Milimita ya Infrared na Mawimbi ya Terahertz, Nagoya.8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).