Nature.com saýtyna gireniňiz üçin sag boluň. Ulanýan brauzeriňiziň wersiýasynda CSS üçin çäkli goldaw bar. Iň gowy tejribe üçin täzelenen brauzer ulanmagyňyzy maslahat berýäris (ýa-da Internet Explorer-de utgaşyklylyk režimini öçüriň). Şol bir wagtyň özünde, goldawy dowam etdirmegi üpjün etmek üçin saýty stillersiz we JavaScript-siz görkezeris.
Bu makalada 220GHz giň zolakly ýokary kuwwatly aralykly iki pyçakly syýahat tolkun turbasy taslanyldy we barlandy. Ilki bilen, tekiz iki şöhleli basgançakly iki pyçakly haýal tolkun gurluşy teklip edilýär. Iki re modeimli işleýiş shemasyny ulanmak arkaly geçirijilik öndürijiligi we geçirijilik ukyby bir re modeimliden iki esse golaý. Ikinjiden, ýokary çykyş kuwwatynyň talaplaryny kanagatlandyrmak we hereket tolkun turbasynyň durnuklylygyny ýokarlandyrmak üçin, iki galam şekilli elektron optiki ulgam taslanyldy, hereketlendiriji naprýaženiýesi 20 ~ 21 kV we tok 2 × 80 mA. Taslama maksatlary. Iki pyçakly tüpeňde maska ​​bölegini we dolandyryş elektrodyny ulanmak arkaly iki galam şöhlesi öz merkezleri boýunça 7 gysyş gatnaşygy bilen fokuslanyp bilner, fokus aralygy takmynan 0,18 mm we durnuklylyk gowy. Birmeňzeş magnit fokus ulgamy hem optimizirlendi. Tekiz iki elektron şöhlesiniň durnukly geçirijilik aralygy 45 mm-e ýetip biler we fokuslaýjy magnit meýdany 0,6 T bolup, bu bolsa ýokary ýygylykly ulgamy tutuş örtmek üçin ýeterlikdir. (HFS). Soňra, elektron-optiki ulgamyň ulanylyşyny we haýal tolkunly gurluşyň işini barlamak üçin, ähli HFS-de bölejik öýjükleriniň (PIC) simulýasiýalary hem geçirildi. Netijeler şöhle özara täsir ulgamynyň 220 GHz-de tas 310 W çykyş güýjüne ýetip biljekdigini, optimizirlenen şöhle naprýaženiýesiniň 20,6 kV, şöhle togy 2 × 80 mA, güýçlendirme 38 dB we 3 dB geçirijilik zolagynyň takmynan 70 GHz-de 35 dB-den geçýändigini görkezýär. Ahyrsoňy, HFS-iň işini barlamak üçin ýokary takyklykly mikrogurluş öndürilişi amala aşyrylýar we netijeler geçirijilik zolagynyň we geçirijilik häsiýetleriniň simulýasiýa netijeleri bilen gowy gabat gelýändigini görkezýär. Şonuň üçin, bu makalada teklip edilýän shemanyň geljekde ulanmak mümkinçiligi bolan ýokary kuwwatly, ultra giň zolakly terahers zolakly radiasiýa çeşmelerini işläp düzmegine garaşylýar.
Adaty wakuum elektron enjamy hökmünde, syýahat tolkun trubkasy (TWT) ýokary çözgütli radar, hemra aragatnaşyk ulgamlary we kosmosy öwrenmek ýaly köp ulanylyşlarda ornuny tutup bolmajak rol oýnaýar1,2,3. Şeýle-de bolsa, iş ýygylygy terahers zolagyna girende, däp bolan birikdirilen boşlukly TWT we spiral TWT çykyş kuwwatynyň pesligi, dar geçirijilik ukyby we önümçilik prosesleriniň kynlygy sebäpli adamlaryň zerurlyklaryny kanagatlandyryp bilmedi. Şonuň üçin THz zolagynyň işini nähili doly gowulandyrmak köp ylmy barlag edaralary üçin örän aladaly meselä öwrüldi. Soňky ýyllarda täze haýal tolkun gurluşlary (SWS), meselem, basgançakly iki pyçakly (SDV) gurluşlar we gatlanan tolkun geçiriji (FW) gurluşlary, tebigy tekiz gurluşlary, esasanam geljegi uly bolan täze SDV-SWS-ler sebäpli uly üns çekdi. Bu gurluş 2008-nji ýylda UC-Davis tarapyndan teklip edildi4. Tekiz gurluş kompýuter sanly dolandyryşy (CNC) we UV-LIGA ýaly mikro-nano işleme usullary bilen aňsatlyk bilen öndürilip bilner, tutuş metal paket gurluşy has uly ýylylyk kuwwatyny üpjün edip biler ýokary çykyş güýji we güýçlendirme, şeýle hem tolkun geçiriji ýaly gurluş has giň iş geçirijilik giňligini üpjün edip biler. Häzirki wagtda UC Dewis 2017-nji ýylda ilkinji gezek SDV-TWT-niň G-diapazonynda 100 W-dan ýokary we tas 14 GHz geçirijilik signallaryny öndürip biljekdigini görkezdi5. Şeýle-de bolsa, bu netijelerde terahers diapazonynda ýokary kuwwatlylyk we giň geçirijilik giňliginiň degişli talaplaryny kanagatlandyryp bilmeýän boşluklar bar. UC-Davis-iň G-diapazon SDV-TWT üçin list elektron şöhleleri ulanyldy. Bu shema şöhleleriň tok geçirijilik ukybyny ep-esli gowulandyryp bilse-de, list şöhle elektron optik ulgamynyň (EOS) durnuksyzlygy sebäpli uzak geçirijilik aralygyny saklamak kyn we şöhleleriň öz-özüni düzgünleşdirmegine sebäp bolup biljek artykmaç režimli şöhle tuneli bar. – Oýanma we yrgyldama 6,7. THz TWT-niň ýokary çykyş kuwwatynyň, giň geçirijilik zolagynyň we gowy durnuklylygynyň talaplaryny kanagatlandyrmak üçin, bu makalada iki re imli işleýän iki şöhleli SDV-SWS teklip edilýär. Ýagny, işleýän geçirijilik zolagyny artdyrmak üçin, bu gurluşa iki re imli işleme teklip edilýär we girizilýär. Şeýle hem, çykyş kuwwatyny artdyrmak üçin, iki galam şöhleleriniň tekiz paýlanyşy hem ulanylýar. Bir galam şöhleli radiolar dik ölçeg çäklendirmeleri sebäpli deňeşdirme boýunça kiçi. Eger tok dykyzlygy gaty ýokary bolsa, şöhle togy azaldylmaly, netijede çykyş kuwwaty deňeşdirme boýunça pes bolýar. Şöhle togyny gowulandyrmak üçin, SWS-iň gapdal ölçeglerini ulanýan tekiz paýlanan köp şöhleli EOS peýda boldy. Garaşsyz şöhle tunneli sebäpli, tekiz paýlanan köp şöhleli ýokary umumy şöhle togyny we her şöhle üçin kiçi togy saklamak arkaly ýokary çykyş kuwwatyna ýetip biler, bu bolsa list şöhleli enjamlara garanyňda şöhle tunneliniň artykmaç režiminden gaça durup biler. Şonuň üçin, hereket edýän tolkun turbasynyň durnuklylygyny saklamak peýdalydyr. Öňki işlere esaslanyp, bu makala8,9 G-diapazonly birmeňzeş magnit meýdanyny fokuslaýan goşa galam şöhlesi EOS teklip edýär, bu bolsa şöhleniň durnukly geçirijilik aralygyny ep-esli gowulandyryp we şöhle özara täsirleşme meýdanyny has-da artdyryp, şeýlelik bilen çykyş kuwwatyny ep-esli gowulandyryp biler.
Bu makalanyň gurluşy aşakdaky ýaly. Ilki bilen, parametrleri, dispersiýa häsiýetleriniň seljermesi we ýokary ýygylykly simulýasiýa netijeleri bilen SWS öýjük dizaýny beýan edilýär. Soňra, birlik öýjük gurluşyna laýyklykda, bu makalada goşa galam şöhleli EOS we şöhle özara täsir ulgamy dizaýn edilýär. EOS-yň ulanylyşyny we SDV-TWT-niň işini barlamak üçin öýjük içi bölejikleriň simulýasiýa netijeleri hem görkezilýär. Mundan başga-da, makala tutuş HFS-iň dogrulygyny barlamak üçin önümçilik we sowuk synag netijelerini gysgaça görkezýär. Ahyrsoňy gysgaça maglumat beriň.
TWT-niň iň möhüm bölekleriniň biri hökmünde, haýal tolkun gurluşynyň dispersiýa häsiýetleri elektron tizliginiň SWS-iň faza tizligine gabat gelýändigini görkezýär we şeýdip şöhle-tolkun özara täsirine uly täsir edýär. Bütin TWT-niň işini gowulandyrmak üçin gowulandyrylan özara täsir gurluşy döredildi. Birlik öýjük gurluşy 1-nji suratda görkezilen. List şöhlesiniň durnuksyzlygyny we ýeke galam şöhlesiniň kuwwatynyň çäklendirilmegini göz öňünde tutup, gurluş çykyş kuwwatyny we işleýiş durnuklylygyny has-da gowulandyrmak üçin goşa galam şöhlesini ulanýar. Şol bir wagtyň özünde, iş geçirijilik zolagyny artdyrmak üçin SWS-iň işlemegi üçin iki re modeim teklip edildi. SDV gurluşynyň simmetriýasy sebäpli, elektromagnit meýdan dispersiýa deňlemesiniň çözgüdini tek we jübüt re modeimlere bölmek bolýar. Şol bir wagtyň özünde, pes ýygylyk zolagynyň esasy tek re modeimi we ýokary ýygylyk zolagynyň esasy jübüt re modeimi şöhle özara täsiriniň giň zolakly sinhronizasiýasyny amala aşyrmak üçin ulanylýar we şeýdip iş geçirijilik zolagyny has-da gowulandyrýar.
Tok talaplaryna laýyklykda, tutuş turba 20 kV hereketlendiriji naprýaženiýe we 2 × 80 mA goşa şöhle togy bilen dizaýn edildi. Naprýaženiýeni SDV-SWS-iň iş geçirijilik zolagyna mümkin boldugyça ýakynlaşdyrmak üçin, p döwrüniň uzynlygyny hasaplamaly. Şöhle naprýaženiýesi bilen döwrüň arasyndaky gatnaşyk (1)10 deňlemesinde görkezilýär:
220 GHz merkezi ýygylykda faza geçişini 2,5π-e goýmak bilen, p döwrüni 0,46 mm hasaplap bolýar. 2a-njy suratda SWS birlik öýjükleriniň dispersiýa häsiýetleri görkezilýär. 20 kV şöhle liniýasy bimodal egri bilen örän gowy gabat gelýär. Gabat gelýän ýygylyk zolaklary 210–265,3 GHz (tak re mode) we 265,4–280 GHz (juft re mode) aralygynda takmynan 70 GHz ýetip bilýär. 2b-nji suratda 210-dan 290 GHz-e çenli 0,6 Ω-dan ýokary bolan ortaça birikdiriş impedansy görkezilýär, bu bolsa iş geçirijilik zolagynda güýçli özara täsirleriň bolup biljekdigini görkezýär.
(a) 20 kV elektron şöhle liniýasy bolan iki rejimli SDV-SWS-iň dispersiýa häsiýetnamalary.(b) SDV haýal tolkunly zynjyrynyň özara täsir impedansy.
Şeýle-de bolsa, tak we jübüt režimleriň arasynda zolak aralygynyň bardygyny bellemek möhümdir we biz adatça bu zolak aralygyny 2a suratda görkezilişi ýaly stop zolagy diýip atlandyrýarys. Eger TWT bu ýygylyk zolagynyň golaýynda işlese, güýçli şöhle birikme güýji ýüze çykyp biler, bu bolsa islenilmeýän yrgyldamalara getirer. Amaly ulanylyşlarda, biz, adatça, stop zolagynyň golaýynda TWT ulanmakdan gaça durýarys. Şeýle-de bolsa, bu haýal tolkun gurluşynyň zolak aralygynyň diňe 0,1 GHz bolýandygyny görmek bolýar. Bu kiçi zolak aralygynyň yrgyldamalara sebäp bolup-bolmaýandygyny kesgitlemek kyn. Şonuň üçin, islenilmeýän yrgyldamalaryň bolup biljekdigini seljermek üçin stop zolagynyň töweregindäki işlemegiň durnuklylygy aşakdaky PIC simulýasiýa bölüminde öwreniler.
Tutuş HFS-iň modeli 3-nji suratda görkezilen. Ol Bragg reflektorlary bilen birikdirilen SDV-SWS-iň iki basgançagyndan ybarat. Reflektoryň wezipesi iki basgançagyň arasyndaky signalyň geçirilmegini kesmek, ýokarky we aşaky pyçaklaryň arasynda döredilýän ýokary derejeli refler ýaly işlemeýän refleriň yrgyldawyny we reflektoryny basyp ýatyrmak, şeýlelik bilen tutuş turbanyň durnuklylygyny ep-esli gowulandyrmakdyr. Daşarky gurşawa birikmek üçin, SWS-i WR-4 standart tolkun geçirijisine birikdirmek üçin çyzykly konus şekilli birleşdiriji hem ulanylýar. Iki derejeli gurluşyň geçirijilik koeffisiýenti 3D simulýasiýa programma üpjünçiliginde wagt domeni çözüjisi bilen ölçenýär. Terahers zolagynyň materiala hakyky täsirini göz öňünde tutup, wakuum örtüginiň materialy ilki mise goýulýar we geçirijilik 2,25 × 107 S/m12 çenli peseldilýär.
4-nji suratda çyzykly konusly birleşdirijilerli we birleşdirijilersiz HFS üçin geçirijilik netijeleri görkezilýär. Netijeler birleşdirijiniň tutuş HFS-iň geçirijilik işine az täsir edýändigini görkezýär. 207 ~ 280 GHz giň zolakly ulgamda tutuş ulgamyň gaýtaryş ýitgisi (S11 < − 10 dB) we girizme ýitgisi (S21 > − 5 dB) HFS-iň gowy geçirijilik häsiýetlerine eýedigini görkezýär.
Wakuum elektron enjamlaryň energiýa üpjünçiligi hökmünde elektron tabanjasy enjamyň ýeterlik çykyş kuwwatyny öndürip biljekdigini gönüden-göni kesgitleýär. II bölümde HFS-iň seljermesi bilen birleşdirilende, ýeterlik güýç bermek üçin iki şöhleli EOS-yň dizaýn edilmegi zerurdyr. Bu bölümde, W-zolagynda öňki işlere esaslanyp, iki galamly elektron tabanjasy tekiz maska ​​bölegi we dolandyryş elektrodlary ulanylyp dizaýn edilýär. Ilki bilen, bölümde SWS-iň dizaýn talaplaryna laýyklykda. 1-nji suratda görkezilişi ýaly. 2, elektron şöhleleriniň hereketlendiriji naprýaženiýesi Ua ilki 20 kV-a deňleşdirilýär, iki elektron şöhlesiniň toklary I 80 mA, elektron şöhleleriniň bolsa dw diametri 0,13 mm. Şol bir wagtyň özünde, elektron şöhlesiniň we katodyň tok dykyzlygyna ýetip boljakdygyny üpjün etmek üçin, elektron şöhlesiniň gysyş gatnaşygy 7-e deňleşdirilýär, şonuň üçin elektron şöhlesiniň tok dykyzlygy 603 A/sm2, katodyň tok dykyzlygy bolsa 86 A/sm2, bu bolsa täze katod materiallaryny ulanmak arkaly gazanylyp bilner. 14, 15, 16, 17 dizaýn teoriýasyna laýyklykda, adaty Pierce elektron tabanjasyny özboluşly kesgitlemek mümkin.
5-nji suratda degişlilikde tüpeňiň gorizontal we dik shematiki diagrammalary görkezilýär. Elektron tüpeňiň x ugry boýunça profiliniň adaty list görnüşli elektron tüpeňiň profiline diýen ýaly meňzeşdigini, y ugry boýunça bolsa iki elektron şöhlesiniň maska ​​bilen bölekleýin bölünendigini görmek bolýar. Iki katodyň ýerleşýän ýerleri degişlilikde x = – 0.155 mm, y = 0 mm we x = 0.155 mm, y = 0 mm. Sykyş gatnaşygynyň we elektron inýeksiýasynyň ölçeginiň dizaýn talaplaryna laýyklykda, iki katodyň ýüzüniň ölçegleri 0.91 mm × 0.13 mm diýlip kesgitlenýär.
Her bir elektron şöhlesiniň x ugry boýunça kabul edýän fokuslanan elektrik meýdanyny öz merkezine simmetrik etmek üçin, bu makala elektron tabanjasyna dolandyryş elektrodyny ulanýar. Fokuslaýjy elektrodyň we dolandyryş elektrodyň naprýaženiýesini -20 kV-a, anodyň naprýaženiýesini bolsa 0 V-a goýmak bilen, 6-njy suratda görkezilişi ýaly, goşa şöhle tabanjasynyň traektoriýa paýlanyşyny alyp bileris. Çykan elektronlaryň y ugry boýunça gowy gysyşlylyga eýedigini we her bir elektron şöhlesiniň öz simmetriýa merkezi boýunça x ugry boýunça ýakynlaşýandygyny görmek bolýar, bu bolsa dolandyryş elektrodynyň fokuslaýjy elektrodyň döredýän deňsiz elektrik meýdanyny deňleşdirýändigini görkezýär.
7-nji suratda x we ​​y ugurlarynda şöhle örtügi görkezilýär. Netijeler elektron şöhlesiniň x ugryndaky proýeksiýa aralygynyň y ugryndakydan tapawutlydygyny görkezýär. x ugryndaky zyňyş aralygy takmynan 4 mm, y ugryndaky zyňyş aralygy bolsa 7 mm-e golaý. Şonuň üçin hakyky zyňyş aralygy 4 bilen 7 mm aralygynda saýlanmalydyr. 8-nji suratda katod ýüzünden 4,6 mm uzaklykda elektron şöhlesiniň kese-kesigi görkezilýär. Kese-kesiginiň görnüşiniň standart tegelek elektron şöhlesine iň ýakyndygyny görüp bolýar. Iki elektron şöhlesiniň arasyndaky aralyk dizaýn edilen 0,31 mm-e golaý we radiusy takmynan 0,13 mm, bu bolsa dizaýn talaplaryna laýyk gelýär. 9-njy suratda şöhle togunyň simulýasiýa netijeleri görkezilýär. Iki şöhle togunyň 76mA bolandygyny görmek bolýar, bu bolsa dizaýn edilen 80mA bilen gowy gabat gelýär.
Amaly ulanylyşlarda hereketlendiriji naprýaženiýesiniň üýtgemelerini göz öňünde tutup, bu modeliň naprýaženiýe duýgurlygyny öwrenmek zerurdyr. 19,8 ~ 20,6 kV naprýaženiýe aralygynda, 1-nji suratda we 1.10 we 11-nji suratlarda görkezilişi ýaly, tok we şöhle tok örtükleri alynýar. Netijelerden hereketlendiriji naprýaženiýesiniň üýtgemeginiň elektron şöhle örtügine hiç hili täsir etmeýändigini we elektron şöhle tokunyň diňe 0,74-den 0,78 A çenli üýtgeýändigini görmek bolýar. Şonuň üçin, bu makalada dizaýn edilen elektron tabanjasynyň naprýaženiýe gowy duýgurlyga eýedigini hasaplamak bolar.
X we Y ugurly şöhle örtüklerine hereketlendiriji naprýaženiýe üýtgemeleriniň täsiri.
Birmeňzeş magnit fokuslaýyş meýdany umumy hemişelik magnit fokuslaýyş ulgamydyr. Şöhle kanalynyň ähli ýerinde birmeňzeş magnit meýdanynyň paýlanyşy sebäpli, ol oksimmetriki elektron şöhleleri üçin örän amatlydyr. Bu bölümde goşa galam şöhleleriniň uzak aralyklara geçirilmegini saklamak üçin birmeňzeş magnit fokuslaýyş ulgamy teklip edilýär. Döredilen magnit meýdanyny we şöhle örtügini seljermek arkaly fokuslaýyş ulgamynyň dizaýn shemasy teklip edilýär we duýgurlyk meselesi öwrenilýär. Bir galam şöhlesiniň durnukly geçirijilik teoriýasyna görä18,19, Brillouen magnit meýdanynyň gymmatyny (2) deňleme bilen hasaplap bolýar. Bu makalada biz bu deňligi gapdal paýlanan goşa galam şöhlesiniň magnit meýdanyny kesgitlemek üçin hem ulanýarys. Bu makalada dizaýn edilen elektron tabanjasy bilen birleşdirilende, hasaplanan magnit meýdanynyň gymmaty takmynan 4000 Gs-dir. 20-nji salgylanma görä, amaly dizaýnlarda hasaplanan gymmatyň 1,5-2 essesi adatça saýlanýar.
12-nji suratda birmeňzeş magnit meýdanynyň fokus meýdan ulgamynyň gurluşy görkezilýär. Gök bölek ok boýunça magnitlenen hemişelik magnitdir. Materialyň saýlanylyşy NdFeB ýa-da FeCoNi. Simulýasiýa modelinde goýlan remanence Br 1.3 T we geçirijilik 1.05. Şöhläniň tutuş zynjyrda durnukly geçirilmegini üpjün etmek üçin magnitiň uzynlygy ilki 70 mm-e deňdir. Mundan başga-da, x ugry boýunça magnitiň ululygy şöhle kanalyndaky transvers magnit meýdanynyň birmeňzeşdigini ýa-da däldigini kesgitleýär, bu bolsa x ugry boýunça ululygyň gaty kiçi bolup bilmezligini talap edýär. Şol bir wagtyň özünde, tutuş turbanyň bahasyny we agramyny göz öňünde tutup, magnitiň ululygy gaty uly bolmaly däl. Şonuň üçin magnitler ilki 150 mm × 150 mm × 70 mm-e deňdir. Şol bir wagtyň özünde, tutuş haýal tolkun zynjyrynyň fokus ulgamynda ýerleşdirilip bilinmegini üpjün etmek üçin magnitleriň arasyndaky aralyk 20 mm-e deňdir.
2015-nji ýylda Purna Chandra Panda21 birmeňzeş magnit fokuslaýyş ulgamynda täze basgançakly deşikli polýus bölegini teklip etdi, bu bolsa katoda akym syzmagynyň möçberini we polýus böleginiň deşiginde döreýän transversal magnit meýdanyny has-da azaldyp biler. Bu makalada biz fokuslaýyş ulgamynyň polýus bölegine basgançakly gurluş goşýarys. Polýus böleginiň galyňlygy ilki 1,5 mm, üç basgançagyň beýikligi we ini 0,5 mm, polýus böleginiň deşikleriniň arasyndaky aralyk bolsa 13-nji suratda görkezilişi ýaly 2 mm-dir.
14a-njy suratda iki elektron şöhlesiniň merkezi çyzyklary boýunça ok boýunça magnit meýdanynyň paýlanyşy görkezilýär. Iki elektron şöhlesi boýunça magnit meýdanynyň güýçleriniň deňdigini görmek bolýar. Magnit meýdanynyň gymmaty takmynan 6000 Gs, bu bolsa geçirijilik we fokuslaýyş işini ýokarlandyrmak üçin nazaryýetdäki Brillouin meýdanyndan 1,5 esse köp. Şol bir wagtyň özünde, katoddaky magnit meýdany tas 0-a deňdir, bu bolsa polýus böleginiň magnit akymynyň syzmagynyň öňüni almaga gowy täsir edýändigini görkezýär. 14b-nji suratda iki elektron şöhlesiniň ýokarky gyrasynda z ugry boýunça By transversal magnit meýdanynyň paýlanyşy görkezilýär. Transversal magnit meýdanynyň diňe polýus böleginiň deşiginde 200 Gs-den azdygyny, haýal tolkunly zynjyrda bolsa transversal magnit meýdanynyň tas nola deňdigini görmek bolýar, bu bolsa transversal magnit meýdanynyň elektron şöhlesine täsiriniň azdygyny subut edýär. Polýus bölekleriniň magnit doýgunlygynyň öňüni almak üçin polýus bölekleriniň içindäki magnit meýdanynyň güýjüni öwrenmek gerek. 14c-nji suratda polýus böleginiň içindäki magnit meýdanynyň paýlanyşynyň absolýut gymmaty görkezilýär. Magnit meýdanynyň güýjüniň absolýut gymmatynyň 1.2T-den az, bu bolsa polýus böleginiň magnit doýgunlygynyň ýüze çykmajagyny görkezýär.
Br = 1.3 T üçin magnit meýdanynyň güýjüniň paýlanyşy.(a) Ok boýunça meýdanyň paýlanyşy.(b) Z ugry boýunça By boýunça gapdal meýdanyň paýlanyşy.(c) Polýus böleginiň içinde meýdanyň paýlanyşynyň absolýut gymmaty.
CST PS modulyna esaslanyp, goşa şöhleli tüpeňiň we fokuslaýyş ulgamynyň ok boýunça deňeşdirilen ýagdaýy optimizirlendi. 9-njy salgylanma we simulýasiýalara görä, iň amatly ýer anod böleginiň magnitden uzakda polýus böleginiň üst-üst düşýän ýeridir. Şeýle-de bolsa, eger remanensiýa 1.3T-e goýulsa, elektron şöhlesiniň geçirijiliginiň 99% -e ýetip bilmejekdigi anyklandy. Remanensiýany 1.4 T-e ýetirmek bilen, fokuslaýyş magnit meýdany 6500 Gs-e çenli ýokarlanar. Xoz we yoz tekizliklerinde şöhle traektoriýalary 15-nji suratda görkezilen. Şöhläniň gowy geçirijiliginiň, kiçi üýtgemeleriniň we geçirijilik aralygynyň 45 mm-den ulydygyny görmek bolýar.
Br = 1.4 T bolan birmeňzeş magnit ulgamynda goşa galam şöhleleriniň traektoriýalary.(a) xoz tekizligi.(b) yoz tekizligi.
16-njy suratda katoddan dürli ýerlerde şöhle kesimi görkezilýär. Fokuslaýyş ulgamynda şöhle kesiminiň görnüşiniň gowy saklanýandygyny we kesimiň diametriniň köp üýtgemeýändigini görmek bolýar. 17-nji suratda degişlilikde x we ​​y ugurlarynda şöhle örtükleri görkezilýär. Şöhläniň iki ugurda hem üýtgemesiniň örän kiçidigini görmek bolýar. 18-nji suratda şöhle togunyň simulýasiýa netijeleri görkezilýär. Netijeler toguň takmynan 2 × 80 mA bolandygyny görkezýär, bu bolsa elektron tabanjasynyň dizaýnynda hasaplanan gymmata laýyk gelýär.
Katoddan dürli ýerlerde elektron şöhlesiniň kese kesimi (fokus ulgamy bilen).
Amaly işleme ulanylyşlarynda ýygnamak ýalňyşlyklary, naprýaženiýe üýtgemeleri we magnit meýdanynyň güýjüniň üýtgemegi ýaly birnäçe meseleleri göz öňünde tutup, fokuslaýyş ulgamynyň duýgurlygyny seljermek zerurdyr. Hakyky işlemede anod bölegi bilen polýus böleginiň arasynda boşluk bolandygy sebäpli, bu boşlugy simulýasiýada sazlamak gerek. Aralyk gymmaty 0,2 mm-e deňleşdirildi we 19a-njy suratda y ugry boýunça şöhle örtügi we şöhle togunyň görkezilişi görkezilýär. Bu netije şöhle örtüginiň üýtgemeginiň ähmiýetli däldigini we şöhle togunyň diýen ýaly üýtgemeýändigini görkezýär. Şonuň üçin ulgam ýygnamak ýalňyşlyklaryna duýgur däl. Hereketlendiriji naprýaženiýesiniň üýtgemeleri üçin ýalňyşlyk diapazony ±0,5 kV-e deňleşdirildi. 19b-njy suratda deňeşdirme netijeleri görkezilýär. Naprýaženiýe üýtgemeginiň şöhle örtügine az täsir edýändigi görünýär. Magnit meýdanynyň güýjüniň üýtgemegi üçin ýalňyşlyk diapazony -0,02-den +0,03 T-e çenli kesgitlendi. Deňeşdirme netijeleri 20-nji suratda görkezilen. Şöhle örtüginiň diýen ýaly üýtgemeýändigini görmek bolýar, bu bolsa tutuş EOS-yň magnit meýdanynyň güýjüniň üýtgemegine duýgur däldigini aňladýar.
Birmeňzeş magnit fokuslaýyş ulgamynda şöhle örtügi we tok netijeleri.(a) Gurnama çydamlylygy 0,2 mm.(b) Hereketlendiriji naprýaženiýesiniň üýtgemesi ±0,5 kV.
0,63-den 0,68 T-e çenli ok boýunça magnit meýdanynyň güýjüniň üýtgeýän birmeňzeş magnit fokuslaýyş ulgamynyň aşagyndaky şöhle örtügi.
Bu makalada dizaýn edilen fokuslaýyş ulgamynyň HFS bilen gabat gelmegini üpjün etmek üçin, ylmy-barlag üçin fokuslaýyş ulgamyny we HFS-i birleşdirmeli. 21-nji suratda HFS ýüklenen we ýüklenmeýän şöhle örtükleriniň deňeşdirilmegi görkezilýär. Netijeler, tutuş HFS ýüklenende şöhle örtüginiň köp üýtgemeýändigini görkezýär. Şonuň üçin fokuslaýyş ulgamy ýokardaky dizaýndaky hereket edýän tolkun turbasy HFS üçin amatlydyr.
III bölümde teklip edilen EOS-yň dogrulygyny barlamak we 220 GHz SDV-TWT-nyň işini öwrenmek üçin, şöhle-tolkun özara täsiriniň 3D-PIC simulýasiýasy ýerine ýetirilýär. Simulýasiýa programma üpjünçiliginiň çäklendirmeleri sebäpli, biz tutuş EOS-y HFS-e goşup bilmedik. Şonuň üçin elektron tabanjasy diametri 0,13 mm we iki ýüziň arasyndaky aralyk 0,31 mm bolan deň derejeli şöhle saçýan ýüz bilen çalşyryldy, bu ýokarda dizaýn edilen elektron tabanjasy bilen birmeňzeş parametrlerdir. EOS-yň duýgursyzlygy we gowy durnuklylygy sebäpli, PIC simulýasiýasynda iň gowy çykyş güýjüne ýetmek üçin hereketlendiriji naprýaženiýeni dogry optimizirläp bolýar. Simulýasiýa netijeleri doýgun çykyş güýjüniň we gazanjyň 20,6 kV hereketlendiriji naprýaženiýesinde, 2 × 80 mA (603 A/sm2) şöhle togy we 0,05 W giriş güýjünde alnyp bilinjekdigini görkezýär.
Iň gowy çykyş signalyny almak üçin siklleriň sanyny hem optimizirlemek gerek. Iň gowy çykyş güýji, 22a-njy suratda görkezilişi ýaly, iki tapgyryň sany 42 + 48 sikl bolanda alynýar. 0,05 W giriş signaly 38 dB güýçlendirme bilen 314 W-a çenli güýçlendirilýär. Çalt Furýe Öwrülişi (FFT) arkaly alnan çykyş kuwwatynyň spektri arassa bolup, 220 GHz-de iň ýokary derejä ýetýär. 22b-nji suratda SWS-de elektron energiýasynyň ok boýunça paýlanyşy görkezilýär, elektronlaryň köpüsi energiýasyny ýitirýär. Bu netije SDV-SWS-iň elektronlaryň kinetiki energiýasyny RF signallaryna öwrüp biljekdigini we şeýdip signalyň güýçlendirilmegini amala aşyryp biljekdigini görkezýär.
220 GHz-de SDV-SWS çykyş signaly.(a) Spektr goşulan çykyş güýji.(b) SWS goýujygynyň ahyryndaky elektron şöhlesi bilen elektronlaryň energiýa paýlanyşy.
23-nji suratda iki režimli iki şöhleli SDV-TWT-niň çykyş kuwwatynyň geçirijilik ukyby we güýçlendirmesi görkezilýär. Çykyş öndürijiligini 200-den 275 GHz-e çenli ýygylyklary giňeltmek we hereketlendirijiniň naprýaženiýesini optimizirlemek arkaly has-da gowulandyrmak mümkin. Bu netije 3 dB geçirijilik ukybynyň 205-den 275 GHz-e çenli aralygy öz içine alyp biljekdigini görkezýär, bu bolsa iki režimli işlemegiň işleýiş geçirijilik ukybyny ep-esli giňeldip biljekdigini aňladýar.
Şeýle-de bolsa, 2a-njy surata görä, tak we jübüt režimleriň arasynda islenilmeýän yrgyldamalara sebäp bolup biljek stop zolagynyň bardygyny bilýäris. Şonuň üçin stoplaryň töweregindäki iş durnuklylygyny öwrenmek gerek. 24a-c suratlary degişlilikde 265.3 GHz, 265.35 GHz we 265.4 GHz-de 20 ns simulýasiýa netijeleridir. Simulýasiýa netijelerinde käbir yrgyldamalar bolsa-da, çykyş kuwwatynyň deňeşdirme boýunça durnuklydygyny görmek bolýar. Spektr degişlilikde 24-nji suratda hem görkezilen, spektr arassa. Bu netijeler stop zolagynyň golaýynda öz-özünden yrgyldamanyň ýokdugyny görkezýär.
Tutuş HFS-iň dogrulygyny barlamak üçin önümçilik we ölçeg gerek. Bu bölekde HFS kompýuter sanly dolandyryş (CNC) tehnologiýasy arkaly guralyň diametri 0,1 mm we işleme takyklygy 10 μm bolan enjam arkaly öndürilýär. Ýokary ýygylykly gurluş üçin material kislorodsyz ýokary geçirijilikli (OFHC) mis bilen üpjün edilýär. 25a-njy suratda öndürilen gurluş görkezilýär. Tutuş gurluşyň uzynlygy 66,00 mm, ini 20,00 mm we beýikligi 8,66 mm. Gurluşyň töwereginde sekiz sany ştift deşikleri paýlanypdyr. 25b-nji suratda gurluş skanirleýji elektron mikroskopiýa (SEM) arkaly görkezilýär. Bu gurluşyň pyçaklary deň derejede öndürilýär we gowy ýüz büküliligine eýedir. Takyk ölçegden soň, umumy işleme ýalňyşlygy 5% -den az, ýüz büküliligi bolsa takmynan 0,4 μm. Işleme gurluşy dizaýn we takyklyk talaplaryna laýyk gelýär.
26-njy suratda hakyky synag netijeleri bilen geçirijilik işiniň simulýasiýalarynyň deňeşdirilişi görkezilýär. 26a-njy suratdaky 1-nji we 2-nji portlar degişlilikde HFS-iň giriş we çykyş portlaryna gabat gelýär we 3-nji suratdaky 1-nji we 4-nji portlara deňdir. S11-iň hakyky ölçeg netijeleri simulýasiýa netijelerinden birneme gowy. Şol bir wagtyň özünde, S21-iň ölçenen netijeleri birneme erbet. Sebäbi simulýasiýada goýlan material geçirijiliginiň gaty ýokary bolmagy we hakyky işlenişden soň ýüziň gödekliginiň pes bolmagy mümkin. Umuman alanyňda, ölçenen netijeler simulýasiýa netijeleri bilen gowy gabat gelýär we geçirijilik geçirijilik zolagy 70 GHz talabyna laýyk gelýär, bu bolsa teklip edilýän iki režimli SDV-TWT-niň mümkinçiligini we dogrulygyny tassyklaýar. Şonuň üçin, hakyky önümçilik prosesi we synag netijeleri bilen utgaşdyrylanda, bu makalada teklip edilýän ultra giň zolakly iki şöhleli SDV-TWT dizaýny soňraky önümçilik we ulanylyş üçin ulanylyp bilner.
Bu makalada 220 GHz iki şöhleli SDV-TWT tekiz paýlanyşynyň jikme-jik dizaýny görkezilýär. Iki režimli işlemegiň we iki şöhleli gozgalmagyň utgaşmasy iş geçirijilik zolagyny we çykyş güýjüni has-da artdyrýar. Öndüriş we sowuk synag hem tutuş HFS-iň dogrulygyny barlamak üçin geçirilýär. Hakyky ölçeg netijeleri simulýasiýa netijeleri bilen gowy gabat gelýär. Taýýarlanan iki şöhleli EOS üçin, iki galamly şöhle öndürmek üçin maska ​​bölegi we dolandyryş elektrodlary bilelikde ulanyldy. Taýýarlanan birmeňzeş fokuslaýyş magnit meýdanynyň aşagynda elektron şöhlesi uzak aralyklara gowy görnüşde durnukly geçirilip bilner. Geljekde EOS-iň önümçiligi we synagy geçiriler, şeýle hem tutuş TWT-niň termal synagy hem geçiriler. Bu makalada teklip edilýän bu SDV-TWT dizaýn shemasy häzirki ösen tekiz gaýtadan işlemek tehnologiýasyny doly birleşdirýär we öndürijilik görkezijilerinde, gaýtadan işlemekde we ýygnamakda uly mümkinçilikleri görkezýär. Şonuň üçin bu makala tekiz gurluşyň terahers zolagynda wakuum elektron enjamlarynyň ösüş meýiline öwrülmeginiň ähtimaldygyna ynanýar.
Bu gözlegdäki çig maglumatlaryň we analitiki modelleriň köpüsi şu makala goşuldy. Goşmaça degişli maglumatlary degişli awtordan zerur haýyş boýunça alyp bolýar.
Gamzina, D. we başg. Terahersden aşak wakuum elektronikasynyň nanosölçegli CNC işlenişi. IEEE Trans.elektron enjamlary. 63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. we Paoloni, C. Köp gatlakly SU-8 fotorezistini ulanyp, terahersden aşaky tolkun geçirijileriniň UV-LIGA mikroönümçiligi. Mikromehanika.Mikroelektronika.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Dhillon, SS we beýlekiler. 2017 THz tehnologiýasynyň ýol kartasy. J. Fizika. D to apply.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR we Luhmann, NC Plazmonik tolkunlaryň ýaýramagynyň ultra giň zolakly iki gatlakly tolkun ýol görkezijileri arkaly güýçli çäklendirilmegi.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. we başg. Nano CNC işläp bejerilen 220 GHz hereket edýän tolkunly trubka güýçlendirijisiniň işi. IEEE Trans.elektron enjamlary. 64, 590–592 (2017).
Han, Y. we Ruan, CJ Makroskopik sowuk suwuklyk model teoriýasyny ulanyp, çäksiz giň listli elektron şöhleleriniň diokotron durnuksyzlygyny derňemek. Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Galdetskiy, AV köp şöhleli klistronda şöhleleriň tekiz ýerleşişi arkaly geçirijilik ukybyny artdyrmak mümkinçiligi barada. Hindistanyň Bangalor şäherinde geçirilen 12-nji IEEE halkara wakuum elektronikasy konferensiýasynda, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Nguyen, CJ we beýlekiler. W-zolakly iki pyçakly syýahat tolkun turbasynda dar şöhle bölünýän tekizlik paýlanyşy bolan üç şöhleli elektron toplarynyň dizaýny [J]. Ylym. Rep. 11, 940. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Wang, PP, Su, YY, Zhang, Z., Wang, WB we Ruan, CJ W-diapazonly esasy re mode üçin dar şöhle bölünişi bolan Planar paýlanan üç şöhleli elektron optiki ulgam TWT.IEEE Trans.elektron enjamlary.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Millimetr-Tolkunly Şöhleler bilen Iki Pyçakly Hereket Edýän Tolkunly Tüpüň 20-22-nji ýyllar boýunça ylmy barlaglary (PhD, Beihang Uniwersiteti, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. we He, Y. G-diapazonly aralykly iki pyçakly syýahat tolkun turbasynyň şöhle-tolkun özara täsiriniň durnuklylygyny öwrenmek. 2018 Infragyzyl millimetr we terahers tolkunlary boýunça 43-nji halkara konferensiýasy, Nagoýa. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).