Nature.com сайтына кергәнегез өчен рәхмәт. Сез куллана торган браузер версиясендә CSS өчен чикләнгән ярдәм күрсәтелә. Иң яхшы тәҗрибә өчен, без сезгә яңартылган браузер кулланырга киңәш итәбез (яки Internet Explorer'да туры килүчәнлек режимын сүндерегез). Шуңа кадәр, ярдәмне дәвам итү өчен, без сайтны стильләрсез һәм JavaScriptсыз күрсәтәчәкбез.
Бу мәкаләдә 220 ГГц киң полосалы югары куәтле ике катлы хәрәкәтләнүче дулкын трубкасы эшләнгән һәм тикшерелгән. Беренчедән, яссы ике нурлы баскычлы ике катлы әкрен дулкын структурасы тәкъдим ителә. Ике режимлы эш схемасын кулланып, тапшыру эшчәнлеге һәм үткәрүчәнлек киңлеге бер режимлыга караганда ике тапкыр диярлек арта. Икенчедән, югары чыгару куәте таләпләрен канәгатьләндерү һәм хәрәкәтләнүче дулкын трубкасының тотрыклылыгын яхшырту өчен, икеләтә карандаш формасындагы электрон оптик система эшләнгән, йөртү көчәнеше 20 ~ 21 кВ, ә ток 2 × 80 мА. Проект максатлары. Ике нурлы мылтыктагы битлек өлешен һәм идарә итү электродын кулланып, ике карандаш нурын үзләренең үзәкләре буенча 7 кысу коэффициенты белән фокусларга мөмкин, фокуслау арасы якынча 0,18 мм, һәм тотрыклылык яхшы. Бердәм магнит фокуслау системасы да оптимальләштерелгән. Яссы икеләтә электрон нурының тотрыклы тапшыру арасы 45 мм га җитә ала, ә фокуслау магнит кыры 0,6 Т, бу югары ешлыклы системаны тулысынча каплау өчен җитәрлек. (HFS). Аннары, электрон-оптик системаның кулланучанлыгын һәм әкрен дулкын структурасының эшчәнлеген тикшерү өчен, бөтен HFS'та кисәкчә күзәнәге (PIC) симуляцияләре дә үткәрелде. Нәтиҗәләр күрсәткәнчә, нур-үзара тәэсир системасы 220 ГГц ешлыкта якынча 310 Вт чыгу куәтенә ирешә ала, оптимальләштерелгән нур көчәнеше 20,6 кВ, нур тогы 2 × 80 мА, көчәйтү 38 дБ, һәм 3 дБ полоса киңлеге якынча 70 ГГц'та 35 дБ'тан артып китә. Ниһаять, HFS эшчәнлеген тикшерү өчен югары төгәллекле микроструктура ясау башкарыла, һәм нәтиҗәләр полоса киңлеге һәм тапшыру характеристикалары симуляция нәтиҗәләре белән яхшы туры килүен күрсәтә. Шуңа күрә, бу мәкаләдә тәкъдим ителгән схема киләчәктә куллану өчен потенциаль булган югары куәтле, ультра-киң полосалы терагерц-диапазонлы нурланыш чыганакларын эшләячәк дип көтелә.
Традицион вакуум электрон җайланмасы буларак, хәрәкәт итүче дулкын лампасы (TWT) югары ачыклыклы радар, юлдаш элемтә системалары һәм галәмне өйрәнү кебек күп кушымталарда алыштыргысыз роль уйный1,2,3. Ләкин, эш ешлыгы терагерц диапазонына кергәндә, традицион тоташкан куышлыклы TWT һәм спираль TWT чагыштырмача түбән чыгару куәте, тар полоса киңлеге һәм катлаулы җитештерү процесслары аркасында кешеләрнең ихтыяҗларын канәгатьләндерә алмады. Шуңа күрә, THz диапазонының эшчәнлеген ничек комплекслы яхшыртырга күп фәнни тикшеренү учреждениеләре өчен бик борчый торган мәсьәләгә әйләнде. Соңгы елларда яңа әкрен дулкын структуралары (SWS), мәсәлән, баскычлы ике пычаклы (SDV) структуралар һәм бөкләнгән дулкын үткәргеч (FW) структуралар, табигый яссы структуралары аркасында зур игътибар алдылар, бигрәк тә өметле потенциалга ия яңа SDV-SWS. Бу структура UC-Davis тарафыннан 2008 елда тәкъдим ителде4. Яссы структураны компьютер санлы контроль (CNC) һәм UV-LIGA кебек микро-нано эшкәртү ысуллары белән җиңел генә ясарга мөмкин, тулысынча металл пакет структурасы зуррак җылылык сыйдырышлыгы бирә ала. югарырак чыгу көче һәм көчәйтү, һәм дулкын үткәргеч сыман структура шулай ук ​​киңрәк эш полосасы киңлеген тәэмин итә ала. Хәзерге вакытта UC Davis 2017 елда беренче тапкыр SDV-TWT G-диапазонында 100 Вттан артык һәм якынча 14 ГГц полоса киңлеге сигналларын тудыра алуын күрсәтте5. Ләкин бу нәтиҗәләрдә терагерц диапазонында югары көч һәм киң полоса киңлеге таләпләрен канәгатьләндерә алмаган бушлыклар әле дә бар. UC-Davis'ның G-диапазонындагы SDV-TWT өчен электрон нурлар кулланылган. Бу схема нурның ток үткәрү сәләтен сизелерлек яхшырта алса да, нурның электрон оптик системасының (EOS) тотрыксызлыгы аркасында озын тапшыру дистанциясен саклап калу авыр, һәм артык режимлы нур туннеле бар, бу шулай ук ​​нурның үз-үзен көйләүенә китерергә мөмкин. – Кузгату һәм тирбәнеш 6,7. Югары чыгыш көче, киң полоса киңлеге һәм THz TWT яхшы тотрыклылыгы таләпләрен канәгатьләндерү өчен, бу мәкаләдә ике режимлы эшләү белән ике нурлы SDV-SWS тәкъдим ителә. Ягъни, эш полоса киңлеген арттыру өчен, бу структурада ике режимлы эшләү тәкъдим ителә һәм кертелә. Һәм, чыгыш көчен арттыру өчен, икеләтә карандаш нурларының яссы бүленеше дә кулланыла. Бер карандаш нурлы радиолар вертикаль зурлык чикләүләре аркасында чагыштырмача кечкенә. Әгәр ток тыгызлыгы бик югары булса, нур тогын киметергә кирәк, нәтиҗәдә чагыштырмача түбән чыгыш көче барлыкка килә. Нур тогын яхшырту өчен, SWSның ян зурлыгын кулланучы яссы таралган күп нурлы EOS барлыкка килде. Бәйсез нур туннеле аркасында, яссы таралган күп нурлы югары гомуми нур тогын һәм нурга кечкенә токны саклап калып, югары чыгыш көчен ала ала, бу бит-нур җайланмалары белән чагыштырганда нур туннеленең артык режимыннан качарга мөмкин. Шуңа күрә, хәрәкәт итүче дулкын трубкасының тотрыклылыгын саклап калу файдалы. Алдагы эш нигезендә8,9, бу мәкалә G-диапазонлы бердәм магнит кырын фокуслаучы икеләтә карандаш нурлы EOS тәкъдим итә, ул нурның тотрыклы тапшыру арасын шактый яхшырта һәм нурның үзара бәйләнеш мәйданын тагын да арттыра ала, шуның белән чыгу көчен шактый яхшырта.
Бу мәкаләнең структурасы түбәндәгечә. Башта параметрлар, дисперсия үзенчәлекләре анализы һәм югары ешлыклы симуляция нәтиҗәләре белән SWS күзәнәге дизайны тасвирлана. Аннары, берәмлек күзәнәге структурасына туры китереп, бу мәкаләдә икеләтә карандаш нурлы EOS һәм нурлы үзара бәйләнеш системасы эшләнә. EOS куллану җиңеллеген һәм SDV-TWT эшчәнлеген тикшерү өчен күзәнәк эчендәге кисәкчәләрне симуляцияләү нәтиҗәләре дә тәкъдим ителә. Моннан тыш, мәкаләдә бөтен HFS дөреслеген тикшерү өчен җитештерү һәм салкын сынау нәтиҗәләре кыскача тәкъдим ителә. Ниһаять, кыскача йомгак ясала.
TWTның иң мөһим компонентларының берсе буларак, әкрен дулкын структурасының дисперсия үзлекләре электрон тизлегенең SWS фаза тизлегенә туры килүен күрсәтә, һәм шулай итеп нур-дулкын үзара бәйләнешенә зур йогынты ясый. Бөтен TWT эшчәнлеген яхшырту өчен, яхшыртылган үзара бәйләнеш структурасы эшләнгән. Берәмлек күзәнәгенең структурасы 1 нче рәсемдә күрсәтелгән. Бит нурының тотрыксызлыгын һәм бер каләм нурының куәт чикләнүен исәпкә алып, структура чыгу көчен һәм эшләү тотрыклылыгын тагын да яхшырту өчен икеләтә каләм нурын куллана. Шул ук вакытта, эш полосасын арттыру өчен, SWS эшләве өчен икеләтә режим тәкъдим ителде. SDV структурасының симметриясе аркасында, электромагнит кыр дисперсиясе тигезләмәсенең чишелешен так һәм җөп режимнарга бүлергә мөмкин. Шул ук вакытта, түбән ешлык полосасының төп так режимы һәм югары ешлык полосасының төп җөп режимы нур үзара бәйләнешенең киң полосалы синхронизациясен гамәлгә ашыру өчен кулланыла, шуның белән эш полосасын тагын да яхшырта.
Электр энергиясе таләпләренә туры китереп, бөтен лампа 20 кВ йөртү көчәнеше һәм 2 × 80 мА икеләтә нур тогы белән эшләнгән. Көчәнешне SDV-SWS эш полосасы киңлегенә мөмкин кадәр якынрак туры китерү өчен, безгә p периодының озынлыгын исәпләргә кирәк. Нур көчәнеше һәм период арасындагы бәйләнеш (1)10 тигезләмәсендә күрсәтелгән:
220 ГГц үзәк ешлыгында фаза күчешен 2,5π итеп билгеләү белән, p периодын 0,46 мм дип исәпләргә мөмкин. 2a рәсемдә SWS берәмлек күзәнәгенең дисперсия үзлекләре күрсәтелгән. 20 кВ нур линиясе бимодаль кәкрегә бик яхшы туры килә. Туры килә торган ешлык полосалары 210–265,3 ГГц (так режим) һәм 265,4–280 ГГц (җөп режим) диапазоннарында якынча 70 ГГцка җитә ала. 2b рәсемдә уртача тоташтыру импедансы күрсәтелгән, ул 210 нан 290 ГГц га кадәр 0,6 Ω дан артык, бу эш полосасында көчле үзара бәйләнешләр булырга мөмкин икәнен күрсәтә.
(а) 20 кВ электрон нур сызыгы булган ике режимлы SDV-SWS дисперсия үзенчәлекләре.(б) SDV әкрен дулкынлы схемасының үзара тәэсир итешү импедансы.
Шулай да, так һәм җөп режимнар арасында зона арасы булуын билгеләп үтү мөһим, һәм без гадәттә бу зона арасын тукталыш зонасы дип атыйбыз, 2a рәсемдә күрсәтелгәнчә. Әгәр TWT бу ешлык зонасы янында эшләсә, көчле нур тоташу көче барлыкка килергә мөмкин, бу теләмәгән тирбәнешләргә китерәчәк. Гамәли кулланылышта без, гадәттә, тукталыш зонасы янында TWT кулланудан качабыз. Ләкин, бу әкрен дулкын структурасының зона арасы нибары 0,1 ГГц булуын күрергә мөмкин. Бу кечкенә зона арасы тирбәнешләргә китерәме-юкмы икәнен билгеләү кыен. Шуңа күрә, тукталыш зонасы тирәсендә эшләү тотрыклылыгы киләсе PIC симуляция бүлегендә теләмәгән тирбәнешләр барлыкка килергә мөмкинме-юкмы икәнен анализлау өчен тикшереләчәк.
Бөтен HFS моделе 3 нче рәсемдә күрсәтелгән. Ул Bragg рефлекторлары белән тоташтырылган ике SDV-SWS этабыннан тора. Рефлекторның функциясе - ике этап арасындагы сигнал тапшыруын өзү, югары һәм аскы пычаклар арасында барлыкка килгән югары тәртипле режимнар кебек эшләми торган режимнарның тирбәнешен һәм чагылышын бастыру, шуның белән бөтен трубканың тотрыклылыгын сизелерлек яхшырту. Тышкы мохиткә тоташтыру өчен, SWSны WR-4 стандарт дулкын үткәргеченә тоташтыру өчен сызыклы конуслы тоташтыргыч та кулланыла. Ике дәрәҗәле структураның үткәрү коэффициенты 3D симуляция программасындагы вакыт өлкәсе чишелеше белән үлчәнә. Терагерц полосасының материалга чын йогынтысын исәпкә алып, вакуум тышлыгы материалы башта бакыр итеп билгеләнә, һәм үткәрүчәнлек 2,25 × 107 S/m12 га кадәр кими.
4 нче рәсемдә сызыклы конуслы тоташтыргычлар белән һәм аларсыз HFS өчен тапшыру нәтиҗәләре күрсәтелгән. Нәтиҗәләр күрсәткәнчә, тоташтыргыч бөтен HFS тапшыру эшчәнлегенә аз йогынты ясый. 207~280 ГГц киң полосалы челтәрдә бөтен системаның кире кайтару югалтуы (S11 < − 10 дБ) һәм кертү югалтуы (S21 > − 5 дБ) HFSның яхшы тапшыру үзенчәлекләренә ия булуын күрсәтә.
Вакуум электрон җайланмаларының электр белән тәэмин итү чыганагы буларак, электрон пистолет җайланманың җитәрлек чыгыш көчен җитештерә алу-алмавын турыдан-туры билгели. II бүлектәге HFS анализы белән берлектә, җитәрлек көч тәэмин итәрлек ике нурлы EOS проектланырга тиеш. Бу өлештә, W-диапазонындагы 8, 9 алдагы эшкә нигезләнеп, икеләтә карандашлы электрон пистолет яссы битлек детале һәм идарә итү электродлары ярдәмендә проектлана. Беренчедән, бүлектәге SWS проектлау таләпләренә туры китереп. 1 нче рәсемдә күрсәтелгәнчә. 2, электрон нурларының йөртү көчәнеше Ua башта 20 кВ итеп билгеләнә, ике электрон нурының I токлары икесе дә 80 мА, ә электрон нурларының нур диаметры dw 0,13 мм. Шул ук вакытта, электрон нурының һәм катодның ток тыгызлыгына ирешү өчен, электрон нурының кысу коэффициенты 7 итеп билгеләнә, шуңа күрә электрон нурының ток тыгызлыгы 603 А/см2, ә катодның ток тыгызлыгы 86 А/см2, моңа ирешеп була. Моңа яңа катод материаллары ярдәмендә ирешеп була. 14, 15, 16, 17 конструкция теориясенә ярашлы, типик Пирс электрон мылтыгын уникаль рәвештә билгеләргә мөмкин.
5 нче рәсемдә коралның горизонталь һәм вертикаль схемалары күрсәтелгән. Күренгәнчә, x юнәлешендәге электрон коралның профиле гадәти катламсыман электрон коралныкына диярлек охшаш, ә y юнәлешендә ике электрон нуры өлешчә битлек белән аерылган. Ике катодның урнашуы x = – 0,155 мм, y = 0 мм һәм x = 0,155 мм, y = 0 мм. Кысылу коэффициенты һәм электрон инъекциясе зурлыгының проект таләпләренә туры китереп, ике катод өслегенең үлчәмнәре 0,91 мм × 0,13 мм дип билгеләнә.
Һәрбер электрон нуры белән кабул ителгән фокусланган электр кырын х юнәлешендә үз үзәге тирәсендә симметрик итү өчен, бу мәкаләдә электрон пистолетка контроль электроды кулланыла. Фокуслаучы электрод һәм контроль электродның көчәнешен -20 кВ, ә анодның көчәнешен 0 В итеп куеп, без ике нурлы пистолетның траектория бүленешен ала алабыз, 6 нчы рәсемдә күрсәтелгәнчә. Күренгәнчә, чыгарылган электроннарның у юнәлешендә яхшы кысылучанлыгы бар, һәм һәр электрон нуры үзенең симметрия үзәге буйлап х юнәлешенә таба җыела, бу контроль электродының фокуслаучы электрод тарафыннан барлыкка китерелгән тигез булмаган электр кырын тигезләвен күрсәтә.
7 нче рәсемдә x һәм y юнәлешләрендәге нур тышлыгы күрсәтелгән. Нәтиҗәләр күрсәткәнчә, x юнәлешендәге электрон нурының проекция ераклыгы y юнәлешендәгедән аерылып тора. x юнәлешендәге ыргыту ераклыгы якынча 4 мм, ә y юнәлешендәге ыргыту ераклыгы 7 мм га якын. Шуңа күрә чын ыргыту ераклыгы 4 һәм 7 мм арасында сайланырга тиеш. 8 нче рәсемдә катод өслегеннән 4,6 мм ераклыкта электрон нурының кисемтәсе күрсәтелгән. Кисемтә формасының стандарт түгәрәк электрон нурына иң якын булуын күрәбез. Ике электрон нуры арасындагы ераклык проектланган 0,31 мм га якын, ә радиусы якынча 0,13 мм, бу проект таләпләренә туры килә. 9 нчы рәсемдә нур тогы симуляция нәтиҗәләре күрсәтелгән. Ике нур тогы 76 мА булуын күрергә мөмкин, бу проектланган 80 мА белән яхшы туры килә.
Гамәли кулланылышта йөртү көчәнешенең тирбәнешләрен исәпкә алып, бу модельнең көчәнеш сизгерлеген өйрәнү зарур. 19,8 ~ 20,6 кВ көчәнеш диапазонында, 1 нче рәсемдә һәм 1.10 һәм 11 нче рәсемнәрдә күрсәтелгәнчә, ток һәм нур токының тышчалары алынган. Нәтиҗәләрдән күренгәнчә, йөртү көчәнеше үзгәрүе электрон нур тышчасына тәэсир итми, ә электрон нур тогы бары тик 0,74тән 0,78 А га кадәр генә үзгәрә. Шуңа күрә, бу мәкаләдә эшләнгән электрон пистолетның көчәнешкә яхшы сизгерлеге бар дип санарга мөмкин.
Көчәнеш тирбәнешләренең x һәм y юнәлешендәге нур тышчаларына йогынтысы.
Бердәм магнит фокуслау кыры - гадәти даими магнит фокуслау системасы. Нур каналы буенча бердәм магнит кыры таралуы аркасында, ул аксисимметрик электрон нурлары өчен бик яраклы. Бу бүлектә икеләтә карандаш нурларының ерак араларга тапшыруын саклап калу өчен бердәм магнит фокуслау системасы тәкъдим ителә. Генерацияләнгән магнит кырын һәм нур тышлыгын анализлап, фокуслау системасының проектлау схемасы тәкъдим ителә һәм сизгерлек мәсьәләсе өйрәнелә. Бер карандаш нурының тотрыклы тапшыру теориясенә ярашлы18,19, Бриллюэн магнит кыры кыйммәтен (2) тигезләмә белән исәпләп була. Бу мәкаләдә без шулай ук ​​бу эквивалентлыкны янга таралган икеләтә карандаш нурының магнит кырын бәяләү өчен кулланабыз. Бу мәкаләдә эшләнгән электрон пистолет белән берләштереп, исәпләнгән магнит кыры кыйммәте якынча 4000 Гс тәшкил итә. 20 нче сылтама буенча, гамәли проектларда исәпләнгән кыйммәтнең 1,5-2 тапкыры гадәттә сайлана.
12 нче рәсемдә бердәм магнит кыры фокуслау кыры системасының структурасы күрсәтелгән. Зәңгәр өлеш - күчәр юнәлешендә магнитланган даими магнит. Материал сайлау - NdFeB яки FeCoNi. Симуляция моделендә урнаштырылган Br калдыклары 1,3 Т, ә үткәрүчәнлеге 1,05. Бөтен схемада нурның тотрыклы үткәрелүен тәэмин итү өчен, магнитның озынлыгы башта 70 мм итеп билгеләнә. Моннан тыш, x юнәлешендәге магнитның зурлыгы нур каналындагы аркылы магнит кырының бердәм булуын билгели, бу x юнәлешендәге зурлыкның бик кечкенә булмасын таләп итә. Шул ук вакытта, бөтен трубканың бәясен һәм авырлыгын исәпкә алып, магнитның зурлыгы бик зур булмаска тиеш. Шуңа күрә магнитлар башта 150 мм × 150 мм × 70 мм итеп билгеләнә. Шул ук вакытта, тулысынча әкрен дулкын схемасын фокуслау системасына урнаштырырга мөмкин булуын тәэмин итү өчен, магнитлар арасындагы ара 20 мм итеп билгеләнә.
2015 елда Purna Chandra Panda21 бердәм магнит фокуслау системасында яңа баскычлы тишекле полюс кисәген тәкъдим итте, бу катодка агым агып чыгу күләмен һәм полюс кисәге тишегендә барлыкка килгән аркылы магнит кырын тагын да киметергә мөмкин. Бу мәкаләдә без фокуслау системасының полюс кисәгенә баскычлы структура өстибез. Полюс кисәгенең калынлыгы башта 1,5 мм итеп билгеләнә, өч баскычның биеклеге һәм киңлеге 0,5 мм, ә полюс кисәге тишекләре арасындагы ара 2 мм, 13 нче рәсемдә күрсәтелгәнчә.
14a рәсемдә ике электрон нурының үзәк сызыклары буенча күчәр магнит кыры таралышы күрсәтелгән. Ике электрон нуры буенча магнит кыры көчләренең тигез булуы күренә. Магнит кыры кыйммәте якынча 6000 Гс тәшкил итә, бу тапшыру һәм фокуслау эшчәнлеген арттыру өчен теоретик Бриллюэн кырыннан 1,5 тапкыр артык. Шул ук вакытта, катодтагы магнит кыры диярлек 0, бу полюс кисәгенең магнит агымы агып чыгуын булдырмауга яхшы йогынты ясавын күрсәтә. 14b рәсемдә ике электрон нурының өске кырында z юнәлешендә B аркылы магнит кыры таралышы күрсәтелгән. Күренгәнчә, аркылы магнит кыры полюс кисәге тишегендә генә 200 Гс тан кимрәк, ә әкрен дулкынлы схемада аркылы магнит кыры диярлек нульгә тигез, бу электрон нурына аркылы магнит кыры йогынтысының әһәмиятсез булуын исбатлый. Полюс кисәкләренең магнит белән туенуын булдырмас өчен, полюс кисәкләре эчендәге магнит кыры көчен өйрәнергә кирәк. 14c рәсемдә полюс кисәге эчендәге магнит кыры таралышының абсолют кыйммәте күрсәтелгән. Күренгәнчә, магнит кыры көченең абсолют кыйммәте... 1,2 Т дан кимрәк, бу полюс кисәгенең магнит туендырылуы булмаячагын күрсәтә.
Br = 1.3 T өчен магнит кыры көчәнешенең таралышы.(a) Күчәр кырының таралышы.(b) z юнәлешендә By ян кырының таралышы.(c) Полюс кисәге эчендә кыр таралышының абсолют кыйммәте.
CST PS модуленә нигезләнеп, ике нурлы мылтыкның һәм фокуслау системасының күчәр сызыгындагы чагыштырма урнашуы оптимальләштерелгән. 9 нчы сылтамага һәм симуляцияләргә ярашлы, оптималь урын - анод кисәге магниттан ерак полюс кисәге белән капланган урын. Ләкин, әгәр калдык 1,3 Т итеп куелса, электрон нурының үткәрүчәнлеге 99% ка җитә алмаячагы ачыкланган. Калганлыкны 1,4 Т га кадәр арттырганда, фокуслау магнит кыры 6500 Гс га кадәр артырылачак. Xoz һәм yoz яссылыкларындагы нур траекторияләре 15 нче рәсемдә күрсәтелгән. Нурның яхшы үткәрүчәнлеге, кечкенә флуктуациясе һәм 45 мм дан артык тапшыру аралыгы булуы күренә.
Br = 1,4 Т булган гомоген магнит системасы астындагы икеләтә карандаш нурларының траекторияләре.(a) xoz яссылыгы.(b) yoz яссылыгы.
16 нчы рәсемдә катодтан төрле позицияләрдә нурның кисемтәсе күрсәтелгән. Фокуслау системасында нур кисемтәсе формасы яхшы сакланганын һәм кисемтәсе диаметры күп үзгәрмәвен күрергә мөмкин. 17 нче рәсемдә нурның x һәм y юнәлешләрендәге тышчалары күрсәтелгән. Ике юнәлештә дә нурның тирбәнешләре бик кечкенә булуын күрергә мөмкин. 18 нче рәсемдә нур тогы симуляциясе нәтиҗәләре күрсәтелгән. Нәтиҗәләр токның якынча 2 × 80 мА булуын күрсәтә, бу электрон пистолет конструкциясендәге исәпләнгән кыйммәткә туры килә.
Катодтан төрле позицияләрдә электрон нурының кисемтәсе (фокуслау системасы белән).
Гамәли эшкәртү кушымталарында җыю хаталары, көчәнеш тирбәнешләре һәм магнит кыры көчәнеше үзгәрүе кебек берничә проблеманы исәпкә алып, фокуслау системасының сизгерлеген анализлау кирәк. Чын эшкәртүдә анод кисәге белән полюс кисәге арасында ара булганлыктан, бу араны симуляциядә урнаштырырга кирәк. Ара кыйммәте 0,2 мм итеп билгеләнде һәм 19а рәсемдә нур тышлыгы һәм нур тогы y юнәлешендә күрсәтелгән. Бу нәтиҗә нур тышлыгындагы үзгәрешнең әһәмиятле түгеллеген һәм нур тогы бик аз үзгәрүен күрсәтә. Шуңа күрә система җыю хаталарына сизгер түгел. Йөртү көчәнеше тирбәнешләре өчен хата диапазоны ±0,5 кВ итеп билгеләнде. 19б рәсемдә чагыштыру нәтиҗәләре күрсәтелгән. Көчәнеш үзгәрүенең нур тышлыгына аз йогынты ясавы күренә. Магнит кыры көчәнеше үзгәрүе өчен хата диапазоны -0,02 дән +0,03 Т га кадәр билгеләнде. Чагыштыру нәтиҗәләре 20 нче рәсемдә күрсәтелгән. Нур тышлыгы бик аз үзгәрүен күрергә мөмкин, бу бөтен EOSның магнит кыры көчәнеше үзгәрүенә сизгер түгеллеген аңлата.
Бердәм магнит фокуслау системасы астында нур каплавы һәм ток нәтиҗәләре.(а) Җыю чыдыйлыгы 0,2 мм.(б) Йөртү көчәнеше тирбәнеше ±0,5 кВ.
0,63 тән 0,68 Т га кадәр күчәр магнит кыры көчәнеше тирбәнешләре булган бердәм магнит фокуслау системасы астындагы нур капламасы.
Бу мәкаләдә эшләнгән фокуслау системасы HFS белән туры килә алуын тәэмин итү өчен, тикшеренүләр өчен фокуслау системасын һәм HFSны берләштерү кирәк. 21 нче рәсемдә HFS йөкләнгән һәм йөкләнмәгән нурлы тышлыкларның чагыштырмасы күрсәтелгән. Нәтиҗәләр күрсәткәнчә, нурлы тышлык тулысынча HFS йөкләнгәндә күп үзгәрми. Шуңа күрә фокуслау системасы югарыдагы конструкциядәге хәрәкәт итүче дулкын трубкасы HFS өчен яраклы.
III бүлектә тәкъдим ителгән EOS-ның дөреслеген тикшерү һәм 220 ГГц SDV-TWT эшләвен тикшерү өчен, нур-дулкын үзара бәйләнешенең 3D-PIC симуляциясе башкарыла. Симуляция программа тәэминаты чикләүләре аркасында, без бөтен EOS-ны HFS-ка өсти алмадык. Шуңа күрә электрон пистолет 0,13 мм диаметрлы һәм ике өслек арасындагы ара 0,31 мм булган эквивалент нурландыручы өслек белән алыштырылды, бу югарыда эшләнгән электрон пистолет белән бер үк параметрлар. EOS-ның сизгер булмавы һәм яхшы тотрыклылыгы аркасында, PIC симуляциясендә иң яхшы чыгыш көчен алу өчен йөртү көчәнешен дөрес оптимальләштерергә мөмкин. Симуляция нәтиҗәләре күрсәткәнчә, туендырылган чыгыш көчен һәм көчәнешне 20,6 кВ йөртү көчәнешендә, 2 × 80 мА (603 А/см2) нур тогы һәм 0,05 Вт керү көче белән алырга мөмкин.
Иң яхшы чыгыш сигналын алу өчен, цикллар санын да оптимальләштерергә кирәк. Иң яхшы чыгыш көче ике этап саны 42 + 48 цикл булганда алына, 22a рәсемдә күрсәтелгәнчә. 0,05 Вт керү сигналы 38 дБ көчәйтү белән 314 Вт кадәр көчәйтелә. Тиз Фурье Трансформациясе (FFT) ярдәмендә алынган чыгыш көче спектры чиста, 220 ГГц ешлыкта иң югары ноктасына җитә. 22b рәсемдә SWS'та электрон энергиясенең күчәр позициясе бүленеше күрсәтелгән, электроннарның күбесе энергиясен югалта. Бу нәтиҗә SDV-SWS электроннарның кинетик энергиясен RF сигналларына әйләндерә алуын күрсәтә, шуның белән сигнал көчәйтүне гамәлгә ашыра.
220 ГГц ешлыктагы SDV-SWS чыгыш сигналы.(а) Кертелгән спектр белән чыгу куәте.(б) SWS кушымтасы ахырындагы электрон нуры белән электроннарның энергия бүленеше.
23 нче рәсемдә ике режимлы ике нурлы SDV-TWT'ның чыгыш куәте һәм көчәйтүе күрсәтелгән. Чыгыш эшчәнлеген 200 дән 275 ГГц'ка кадәр ешлыкларны киңәйтү һәм йөртүче көчәнешен оптимальләштерү юлы белән тагын да яхшыртырга мөмкин. Бу нәтиҗә 3 дБ үткәрүчәнлек киңлеге 205 дән 275 ГГц'ка кадәр колачлый алуын күрсәтә, бу ике режимлы эшләү эш үткәрүчәнлек киңлеген шактый киңәйтә ала дигән сүз.
Шулай да, 2a рәсеменә караганда, без так һәм җөп режимнар арасында тукталыш полосасы барлыгын беләбез, бу теләмәгән тирбәнешләргә китерергә мөмкин. Шуңа күрә тукталышлар тирәсендә эш тотрыклылыгын өйрәнергә кирәк. 24a-c рәсемнәре - 265,3 ГГц, 265,35 ГГц һәм 265,4 ГГц ешлыкларындагы 20 нс симуляция нәтиҗәләре. Симуляция нәтиҗәләрендә кайбер тирбәнешләр булса да, чыгыш көче чагыштырмача тотрыклы булуын күрергә мөмкин. Спектр шулай ук ​​24 нче рәсемдә күрсәтелгән, спектр чиста. Бу нәтиҗәләр тукталыш полосасы янында үз-үзен тирбәнү булмавын күрсәтә.
Бөтен HFSның дөреслеген тикшерү өчен җитештерү һәм үлчәү кирәк. Бу өлештә HFS компьютер санлы контроль (CNC) технологиясе ярдәмендә ясала, корал диаметры 0,1 мм һәм эшкәртү төгәллеге 10 мкм. Югары ешлыклы конструкция өчен материал кислородсыз югары үткәрүчәнлекле (OFHC) бакыр белән тәэмин ителә. 25а рәсемдә ясалган конструкция күрсәтелгән. Бөтен конструкциянең озынлыгы 66,00 мм, киңлеге 20,00 мм һәм биеклеге 8,66 мм. Конструкция тирәли сигез штифт тишекләре таралган. 25б рәсемдә сканерлаучы электрон микроскопиясе (SEM) ярдәмендә структура күрсәтелгән. Бу конструкциянең пычаклары тигез җитештерелгән һәм яхшы өслек тигезлегенә ия. Төгәл үлчәүләрдән соң, гомуми эшкәртү хатасы 5% тан кимрәк, ә өслек тигезлеге якынча 0,4 мкм. Эшкәртү конструкциясе проект һәм төгәллек таләпләренә туры килә.
26 нчы рәсемдә чын сынау нәтиҗәләре һәм тапшыру эшчәнлегенең симуляцияләре арасындагы чагыштыру күрсәтелгән. 26а рәсемендәге 1 нче һәм 2 нче портлар, тиешенчә, HFS керү һәм чыгу портларына туры килә һәм 3 нче рәсемдәге 1 нче һәм 4 нче портларга тиң. S11нең чын үлчәү нәтиҗәләре симуляция нәтиҗәләреннән бераз яхшырак. Шул ук вакытта, S21нең үлчәнгән нәтиҗәләре бераз начаррак. Моның сәбәбе симуляциядә урнаштырылган материал үткәрүчәнлегенең бик югары булуы һәм чын эшкәртүдән соң өслекнең тигезсезлеге начар булуы булырга мөмкин. Гомумән алганда, үлчәнгән нәтиҗәләр симуляция нәтиҗәләре белән яхшы туры килә, һәм тапшыру полосасы 70 ГГц таләбен канәгатьләндерә, бу тәкъдим ителгән ике режимлы SDV-TWTның мөмкинлеген һәм дөреслеген раслый. Шуңа күрә, чын җитештерү процессы һәм сынау нәтиҗәләре белән берлектә, бу мәкаләдә тәкъдим ителгән ультра киң полосалы ике нурлы SDV-TWT дизайны аннан соңгы җитештерү һәм куллану өчен кулланылырга мөмкин.
Бу мәкаләдә 220 ГГц ике нурлы SDV-TWT яссы бүленешле системасының җентекле проекты тәкъдим ителә. Ике режимлы эшләү һәм ике нурлы кузгату комбинациясе эш полосасын һәм чыгу куәтен тагын да арттыра. Барлык HFS дөреслеген тикшерү өчен җитештерү һәм салкын сынау да үткәрелә. Чын үлчәү нәтиҗәләре симуляция нәтиҗәләре белән яхшы туры килә. Эшләнгән ике нурлы EOS өчен, ике карандаш нурын алу өчен битлек кисемтәсе һәм идарә итү электродлары бергә кулланылган. Эшләнгән бердәм фокуслау магнит кыры астында электрон нурын яхшы формада ерак араларга тотрыклы рәвештә тапшырырга мөмкин. Киләчәктә EOS җитештерү һәм сынау үткәреләчәк, шулай ук ​​бөтен TWTның термик сынауы да үткәреләчәк. Бу мәкаләдә тәкъдим ителгән бу SDV-TWT проект схемасы хәзерге өлгергән яссы эшкәртү технологиясен тулысынча берләштерә һәм эш күрсәткечләрендә, эшкәртү һәм җыюда зур потенциал күрсәтә. Шуңа күрә бу мәкаләдә яссы структураның терагерц диапазонындагы вакуум электрон җайланмаларының үсеш тенденциясенә әйләнүе ихтимал дип санала.
Бу тикшеренүдәге чимал мәгълүматларның һәм аналитик модельләрнең күбесе бу мәкаләдә кертелгән. Өстәмә мәгълүматны тиешле автордан акылга сыярлык үтенеч буенча алырга мөмкин.
Гамзина, Д. һ.б. Терагерцтан түбәнрәк вакуум электроникасын нанокүләмле CNC эшкәртү. IEEE Транс.электрон җайланмалар. 63, 4067–4073 (2016).
Малекабади, А. һәм Паолони, К. Күп катламлы SU-8 фоторезистын кулланып, терагерцтан түбән дулкын үткәргечләренең UV-LIGA микроҗитештерүе. J. Micromechanics.Microelectronics.26, 095010. https://doi.org/10.1088/0960-1317/26/9/095010 (2016).
Диллон, С.С. һ.б. 2017 THz технологиясе юл картасы. Физика фәннәре докторы. Физика.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Шин, Ю.М., Барнетт, Л.Р. һәм Луманн, Төньяк Каролина Плазмоник дулкын таралуын ультра-киң полосалы икеләтә рәшәткәле дулкын үткәргечләр аша көчле чикләү.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.3041646 (2008).
Baig, A. һ.б. Nano CNC белән эшләнгән 220 ГГц хәрәкәтләнүче дулкынлы лампа көчәйткеченең эшләве. IEEE Транс.электрон җайланмалар. 64, 590–592 (2017).
Хан, Й. һәм Руан, СиДж. Макроскопик салкын сыеклык моделе теориясен кулланып, чиксез киң катламлы электрон нурларының диокотрон тотрыксызлыгын тикшерү. Чин Физик Б. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/10/104101 (2011).
Галдецкий, А.В. Күп нурлы клистронда нурның яссы урнашуы ярдәмендә үткәрүчәнлек киңлеген арттыру мөмкинлеге турында. 12 нче IEEE Халыкара вакуум электроникасы конференциясендә, Бангалор, Һиндстан, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.1109/IVEC.2011.5747003 (2011).
Нгуен, Си Джей һ.б. W-диапазонлы ике пычаклы хәрәкәтләнүче дулкын трубкасында тар нур бүлү яссылыгы белән өч нурлы электрон коралларын проектлау [J]. Фән. Реп. 11, 940. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80276-3 (2021).
Wang, PP, Su, YY, Zhang, Z., Wang, WB & Ruan, CJ W-диапазонлы фундаменталь режим өчен тар нурлар аерылышы белән Планар таратылган өч нурлы электрон оптик система TWT.IEEE Trans.electronic devices.68, 5215–5219 (2021).
Жан, М. Миллиметрлы дулкынлы пластиналы нурлар белән ике катлы хәрәкәтләнүче дулкын трубкасы буенча тикшеренүләр 20-22 (PhD, Бэйхан университеты, 2018).
Руан, Си Джей, Чжан, ХФ, Тао, Дж. һәм Хе, Й. G-диапазонлы ике катлы хәрәкәт итүче дулкын трубкасының нур-дулкын үзара тәэсир итешү тотрыклылыгын өйрәнү. 2018 43 нче инфракызыл миллиметр һәм терагерц дулкыннары буенча халыкара конференция, Нагоя. 8510263, https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510263 (2018).