Σας ευχαριστούμε που επισκεφτήκατε το Nature.com. Η έκδοση του προγράμματος περιήγησης που χρησιμοποιείτε έχει περιορισμένη υποστήριξη για CSS. Για την καλύτερη εμπειρία, σας συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε ένα ενημερωμένο πρόγραμμα περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer). Στο μεταξύ, για να διασφαλίσουμε τη συνεχή υποστήριξη, θα εμφανίζουμε τον ιστότοπο χωρίς στυλ και JavaScript.
Σε αυτό το έγγραφο, σχεδιάζεται και επαληθεύεται ένας ευρυζωνικός σωλήνας οδεύοντος κύματος διπλής λεπίδας υψηλής ισχύος 220 GHz. Αρχικά, προτείνεται μια επίπεδη δομή διπλής δέσμης κλιμακωτών αργών κυμάτων διπλής δέσμης. σταθερότητα του κυματοφόρου σωλήνα, έχει σχεδιαστεί ένα ηλεκτρονικό οπτικό σύστημα διπλού μολυβιού, η τάση οδήγησης είναι 20~21 kV και το ρεύμα είναι 2 × 80 mA. Στόχοι σχεδίασης. Με τη χρήση του τμήματος μάσκας και του ηλεκτροδίου ελέγχου στο πιστόλι διπλής δέσμης, οι δύο δέσμες μολυβιού μπορούν να εστιαστούν κατά μήκος των αντίστοιχων κεντρικών αποστάσεων 1,0 mm και περίπου 1 mm. Η σταθερότητα είναι καλή. Το ομοιόμορφο σύστημα μαγνητικής εστίασης έχει επίσης βελτιστοποιηθεί. Η σταθερή απόσταση μετάδοσης της επίπεδης διπλής δέσμης ηλεκτρονίων μπορεί να φτάσει τα 45 mm και το μαγνητικό πεδίο εστίασης είναι 0,6 T, που είναι αρκετό για να καλύψει ολόκληρο το σύστημα υψηλής συχνότητας (HFS). Στη συνέχεια, για να επαληθευτεί η χρηστικότητα του οπτικού συστήματος ηλεκτρονίων και η απόδοση του σωματιδιακού συστήματος. ότι το σύστημα αλληλεπίδρασης δέσμης μπορεί να επιτύχει μέγιστη ισχύ εξόδου σχεδόν 310 W στα 220 GHz, η βελτιστοποιημένη τάση δέσμης είναι 20,6 kV, το ρεύμα δέσμης είναι 2 × 80 mA, το κέρδος είναι 38 dB και το εύρος ζώνης των 3 dB υπερβαίνει το εύρος ζώνης των 3 dB που υπερβαίνει το 3-dB εύρος ζώνης που εκτελείται περίπου από 3.5 έως το υψηλό επίπεδο κατασκευής επαληθεύστε την απόδοση του HFS και τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το εύρος ζώνης και τα χαρακτηριστικά μετάδοσης συμφωνούν καλά με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Ως εκ τούτου, το σχήμα που προτείνεται σε αυτό το έγγραφο αναμένεται να αναπτύξει πηγές ακτινοβολίας υψηλής ισχύος, εξαιρετικά ευρυζωνικής ζώνης terahertz με δυνατότητα για μελλοντικές εφαρμογές.
Ως παραδοσιακή ηλεκτρονική συσκευή κενού, ο σωλήνας ταξιδιού κύματος (TWT) παίζει αναντικατάστατο ρόλο σε πολλές εφαρμογές, όπως ραντάρ υψηλής ανάλυσης, συστήματα δορυφορικής επικοινωνίας και εξερεύνηση του διαστήματος1,2,3. Ωστόσο, καθώς η συχνότητα λειτουργίας εισέρχεται στη ζώνη terahertz, το παραδοσιακό TWT συζευγμένης κοιλότητας και ελικοειδής ζώνη λόγω χαμηλής ισχύος , και δύσκολες διαδικασίες κατασκευής. Ως εκ τούτου, το πώς να βελτιωθεί πλήρως η απόδοση της ζώνης THz έχει γίνει ένα πολύ ανησυχητικό ζήτημα για πολλά επιστημονικά ερευνητικά ιδρύματα. Τα τελευταία χρόνια, οι νέες δομές αργών κυμάτων (SWS), όπως οι δομές κλιμακωτή διπλής λεπίδας (SDV) και οι αναδιπλωμένες δομές κυματοδηγού (FWS) έχουν λάβει ιδιαίτερη προσοχή στις φυσικές δομές SDV. δυναμικό.Αυτή η δομή προτάθηκε από την UC-Davis το 20084. Η επίπεδη δομή μπορεί εύκολα να κατασκευαστεί με τεχνικές μικρο-νανο επεξεργασίας όπως ο αριθμητικός έλεγχος υπολογιστή (CNC) και η UV-LIGA, η δομή του εξ ολοκλήρου μετάλλου μπορεί να παρέχει μεγαλύτερη θερμική χωρητικότητα με υψηλότερη ισχύ και κέρδος εξόδου και η δομή που μοιάζει με κυματοδηγό μπορεί επίσης να παρέχει μια ευρύτερη ζώνη εργασίας σε ευρεία ζώνη U10C. ότι το SDV-TWT μπορεί να δημιουργήσει εξόδους υψηλής ισχύος άνω των 100 W και σήματα εύρους ζώνης σχεδόν 14 GHz στη ζώνη G5. Ωστόσο, αυτά τα αποτελέσματα εξακολουθούν να έχουν κενά που δεν μπορούν να ικανοποιήσουν τις σχετικές απαιτήσεις υψηλής ισχύος και ευρέος εύρους ζώνης στη ζώνη terahertz. Το σχήμα μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ικανότητα μεταφοράς ρεύματος της δέσμης, είναι δύσκολο να διατηρηθεί μεγάλη απόσταση μετάδοσης λόγω της αστάθειας του οπτικού συστήματος ηλεκτρονίων δέσμης φύλλου (EOS) και υπάρχει μια σήραγγα δέσμης over-mode, η οποία μπορεί επίσης να προκαλέσει την αυτορρύθμιση της δέσμης.– Διέγερση και ταλάντωση 6,7. Προκειμένου να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις υψηλής ισχύος εξόδου, ευρέος εύρους ζώνης και καλής σταθερότητας THz TWT, προτείνεται σε αυτή την εργασία ένα SDV-SWS διπλής δέσμης με λειτουργία διπλής λειτουργίας. Χρησιμοποιούνται επίσης δοκοί μολυβιού. Τα ραδιόφωνα μονής δέσμης είναι σχετικά μικρά λόγω περιορισμών κατακόρυφου μεγέθους. Εάν η πυκνότητα ρεύματος είναι πολύ υψηλή, το ρεύμα της δέσμης πρέπει να μειωθεί, με αποτέλεσμα μια σχετικά χαμηλή ισχύ εξόδου. Για να βελτιωθεί το ρεύμα δέσμης, έχει προκύψει επίπεδη κατανεμημένη πολλαπλή δέσμη EOS, η οποία εκμεταλλεύεται το πλευρικό μέγεθος της πολλαπλής δέσμης. ισχύς εξόδου διατηρώντας ένα υψηλό συνολικό ρεύμα δέσμης και ένα μικρό ρεύμα ανά δέσμη, το οποίο μπορεί να αποφύγει τη διασύνδεση δέσμης σε σύγκριση με συσκευές δέσμης φύλλων. Ως εκ τούτου, είναι ωφέλιμο να διατηρηθεί η σταθερότητα του σωλήνα κυμάτων που κινείται. περιοχή, βελτιώνοντας έτσι σημαντικά την ισχύ εξόδου.
Η δομή αυτής της εργασίας είναι η ακόλουθη. Αρχικά, περιγράφεται ο σχεδιασμός κυψελών SWS με παραμέτρους, ανάλυση χαρακτηριστικών διασποράς και αποτελέσματα προσομοίωσης υψηλής συχνότητας. Στη συνέχεια, σύμφωνα με τη δομή της μονάδας κυψέλης, σχεδιάζεται σε αυτή την εργασία μια διπλή δέσμη μολυβιού EOS και σύστημα αλληλεπίδρασης δέσμης. Παρουσιάζονται επίσης αποτελέσματα προσομοίωσης ενδοκυτταρικών σωματιδίων για να επαληθευτεί η απόδοση του χαρτιού προσθήκης WWT. και τα αποτελέσματα της κρύας δοκιμής για να επαληθεύσετε την ορθότητα ολόκληρου του HFS. Τέλος κάντε μια περίληψη.
Ως ένα από τα πιο σημαντικά στοιχεία του TWT, οι ιδιότητες διασποράς της δομής αργού κύματος υποδεικνύουν εάν η ταχύτητα ηλεκτρονίων ταιριάζει με την ταχύτητα φάσης του SWS και επομένως έχει μεγάλη επίδραση στην αλληλεπίδραση δέσμης-κύματος. Για να βελτιωθεί η απόδοση ολόκληρου του TWT, σχεδιάζεται μια βελτιωμένη δομή αλληλεπίδρασης. η μονή δέσμη στυλό, η δομή υιοθετεί μια διπλή δέσμη στυλό για να βελτιώσει περαιτέρω την ισχύ εξόδου και τη σταθερότητα λειτουργίας.Εν τω μεταξύ, για να αυξηθεί το εύρος ζώνης εργασίας, έχει προταθεί μια διπλή λειτουργία για τη λειτουργία SWS. Λόγω της συμμετρίας της δομής SDV, η λύση της εξίσωσης διασποράς ηλεκτρομαγνητικού πεδίου μπορεί να χωριστεί σε περιττούς και ζυγούς τρόπους. Ταυτόχρονα, η θεμελιώδης περιττή λειτουργία της ζώνης χαμηλής συχνότητας χρησιμοποιείται στη ζώνη συχνοτήτων χαμηλής συχνότητας βελτιώνοντας περαιτέρω το εύρος ζώνης εργασίας.
Σύμφωνα με τις απαιτήσεις ισχύος, ολόκληρος ο σωλήνας έχει σχεδιαστεί με τάση κίνησης 20 kV και ρεύμα διπλής δέσμης 2 × 80 mA. Για να ταιριάζει η τάση όσο το δυνατόν περισσότερο με το εύρος ζώνης λειτουργίας του SDV-SWS, πρέπει να υπολογίσουμε το μήκος της περιόδου p. Η σχέση μεταξύ της τάσης δέσμης και της περιόδου είναι (1:10)
Ρυθμίζοντας τη μετατόπιση φάσης στα 2,5π στην κεντρική συχνότητα των 220 GHz, η περίοδος p μπορεί να υπολογιστεί ότι είναι 0,46 mm. Το σχήμα 2α δείχνει τις ιδιότητες διασποράς της μονάδας κυψέλης SWS. Η γραμμή δέσμης 20 kV ταιριάζει πολύ καλά με τη διτροπική καμπύλη. Εύρος 5,4–280 GHz (ζυγή λειτουργία). Το σχήμα 2β δείχνει τη μέση σύνθετη αντίσταση σύζευξης, η οποία είναι μεγαλύτερη από 0,6 Ω από 210 έως 290 GHz, υποδεικνύοντας ότι ενδέχεται να προκύψουν ισχυρές αλληλεπιδράσεις στο λειτουργικό εύρος ζώνης.
(α) Χαρακτηριστικά διασποράς SDV-SWS διπλής λειτουργίας με γραμμή δέσμης ηλεκτρονίων 20 kV. (β) Εμπέδηση αλληλεπίδρασης του κυκλώματος αργών κυμάτων SDV.
Ωστόσο, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι υπάρχει ένα κενό ζώνης μεταξύ των περιττών και ζυγών τρόπων λειτουργίας και συνήθως αναφερόμαστε σε αυτό το κενό ζώνης ως ζώνη διακοπής, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2α. Εάν το TWT λειτουργεί κοντά σε αυτήν τη ζώνη συχνοτήτων, μπορεί να εμφανιστεί ισχυρή ισχύς σύζευξης δέσμης, η οποία θα οδηγήσει σε ανεπιθύμητες ταλαντώσεις. αυτής της δομής αργού κύματος είναι μόνο 0,1 GHz. Είναι δύσκολο να προσδιοριστεί εάν αυτό το μικρό διάκενο ζώνης προκαλεί ταλαντώσεις. Ως εκ τούτου, η σταθερότητα της λειτουργίας γύρω από τη ζώνη διακοπής θα διερευνηθεί στην επόμενη ενότητα προσομοίωσης PIC για να αναλυθεί εάν ενδέχεται να προκύψουν ανεπιθύμητες ταλαντώσεις.
Το μοντέλο ολόκληρου του HFS φαίνεται στο Σχήμα 3. Αποτελείται από δύο στάδια SDV-SWS, που συνδέονται με ανακλαστήρες Bragg. Η λειτουργία του ανακλαστήρα είναι να διακόπτει τη μετάδοση του σήματος μεταξύ των δύο σταδίων, να καταστέλλει την ταλάντωση και την ανάκλαση των μη λειτουργικών τρόπων λειτουργίας, όπως οι λειτουργίες υψηλής τάξης που δημιουργούνται από τη μεγάλη δυνατότητα σύνδεσης μεταξύ του επάνω και του κάτω. περιβάλλον, ένας γραμμικός κωνικός συζεύκτης χρησιμοποιείται επίσης για τη σύνδεση του SWS σε έναν τυπικό κυματοδηγό WR-4. Ο συντελεστής μετάδοσης της δομής δύο επιπέδων μετριέται από έναν επιλύτη πεδίου χρόνου στο λογισμικό προσομοίωσης 3D. Λαμβάνοντας υπόψη την πραγματική επίδραση της ζώνης terahertz στο υλικό, το υλικό του φακέλου αγωγιμότητας κενού είναι αρχικά ρυθμισμένο σε 2 × 1 × 1 m. 2.
Το Σχήμα 4 δείχνει τα αποτελέσματα μετάδοσης για HFS με και χωρίς γραμμικούς κωνικούς ζεύκτες. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο συζεύκτης έχει μικρή επίδραση στην απόδοση μετάδοσης ολόκληρου του HFS. Η απώλεια επιστροφής (S11 < − 10 dB) και η απώλεια εισαγωγής (S21 > − 5 dB) ολόκληρου του συστήματος στην ευρεία ζώνη 207~280 HF δείχνουν ότι η μετάδοση είναι καλά χαρακτηριστικά.
Καθώς η τροφοδοσία ηλεκτρονικών συσκευών κενού, το πιστόλι ηλεκτρονίων καθορίζει άμεσα εάν η συσκευή μπορεί να δημιουργήσει αρκετή έξοδο με την ανάλυση του HFS στο τμήμα II, ένα EYS, το EYS, το EYS, το EYS, το EYS, το EYS, το EYS, πρέπει να σχεδιάζεται επαρκή ισχύ.2, η κινητήρια τάση Ua των δεσμών ηλεκτρονίων είναι αρχικά ρυθμισμένη στα 20 kV, τα ρεύματα I των δύο δεσμών ηλεκτρονίων είναι και τα δύο 80 mA και η διάμετρος της δέσμης dw των δεσμών ηλεκτρονίων είναι 0,13 mm. Ταυτόχρονα, προκειμένου να διασφαλιστεί ότι η πυκνότητα ρεύματος της δέσμης ηλεκτρονίων είναι ρυθμισμένη ως προς την τιμή της δέσμης ηλεκτρονίων. 7, άρα η πυκνότητα ρεύματος της δέσμης ηλεκτρονίων είναι 603 A/cm2 και η πυκνότητα ρεύματος της καθόδου είναι 86 A/cm2, κάτι που μπορεί να επιτευχθεί με αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση νέων υλικών καθόδου.
Το σχήμα 5 δείχνει τα οριζόντια και κάθετα σχηματικά διαγράμματα του πιστολιού, αντίστοιχα. Μπορεί να φανεί ότι το προφίλ του πιστολιού ηλεκτρονίων στην κατεύθυνση x είναι σχεδόν πανομοιότυπο με αυτό ενός τυπικού όπλου ηλεκτρονίων που μοιάζει με φύλλο, ενώ στην κατεύθυνση y οι δύο δέσμες ηλεκτρονίων διαχωρίζονται μερικώς από τη μάσκα. 0,155 mm, y = 0 mm, αντίστοιχα. Σύμφωνα με τις απαιτήσεις σχεδιασμού του λόγου συμπίεσης και του μεγέθους έγχυσης ηλεκτρονίων, οι διαστάσεις των δύο επιφανειών καθόδου προσδιορίζονται σε 0,91 mm × 0,13 mm.
Προκειμένου να γίνει το εστιασμένο ηλεκτρικό πεδίο που λαμβάνει κάθε δέσμη ηλεκτρονίων στην κατεύθυνση x συμμετρικό ως προς το δικό της κέντρο, αυτή η εργασία εφαρμόζει ένα ηλεκτρόδιο ελέγχου στο πιστόλι ηλεκτρονίων. Ρυθμίζοντας την τάση του ηλεκτροδίου εστίασης και του ηλεκτροδίου ελέγχου στα -20 kV και την τάση της ανόδου στα 0 V, μπορούμε να λάβουμε την κατανομή, όπως φαίνεται στο Fig. ότι τα εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια έχουν καλή συμπιεστότητα στην κατεύθυνση y και κάθε δέσμη ηλεκτρονίων συγκλίνει προς την κατεύθυνση x κατά μήκος του δικού της κέντρου συμμετρίας, πράγμα που δείχνει ότι το ηλεκτρόδιο ελέγχου εξισορροπεί το άνισο ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται από το ηλεκτρόδιο εστίασης.
Το Σχήμα 7 δείχνει το περίβλημα της δέσμης στις κατευθύνσεις x και y. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η απόσταση προβολής της δέσμης ηλεκτρονίων στην κατεύθυνση x είναι διαφορετική από αυτή στην κατεύθυνση y. Η απόσταση ρίψης στην κατεύθυνση x είναι περίπου 4 mm και η απόσταση ρίψης στην κατεύθυνση y είναι κοντά στα 7 mm. Επομένως, η πραγματική απόσταση ρίψης στην κατεύθυνση x πρέπει να επιλέγεται μεταξύ του σχ. 0,6 mm από την επιφάνεια της καθόδου. Μπορούμε να δούμε ότι το σχήμα της διατομής είναι πιο κοντά σε μια τυπική κυκλική δέσμη ηλεκτρονίων. Η απόσταση μεταξύ των δύο δεσμών ηλεκτρονίων είναι κοντά στο σχεδιασμένο 0,31 mm και η ακτίνα είναι περίπου 0,13 mm, που πληροί τις απαιτήσεις σχεδιασμού. Το σχήμα 9 δείχνει τα αποτελέσματα προσομοίωσης του ρεύματος δέσμης. .
Λαμβάνοντας υπόψη τη διακύμανση της τάσης κίνησης σε πρακτικές εφαρμογές, είναι απαραίτητο να μελετηθεί η ευαισθησία τάσης αυτού του μοντέλου. Στο εύρος τάσης 19,8 ~ 20,6 kV, λαμβάνονται τα περιβλήματα ρεύματος και ρεύματος δέσμης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1 και στο Σχήμα 1.10 και το αποτέλεσμα της οδήγησης δεν μπορεί να είναι το αποτέλεσμα της κίνησης από το 11. am, και το ρεύμα δέσμης ηλεκτρονίων αλλάζει μόνο από 0,74 σε 0,78 A. Ως εκ τούτου, μπορεί να θεωρηθεί ότι το πιστόλι ηλεκτρονίων που σχεδιάστηκε σε αυτό το έγγραφο έχει καλή ευαισθησία στην τάση.
Η επίδραση των διακυμάνσεων της κινητήριας τάσης στους φακέλους δέσμης κατεύθυνσης x και y.
Ένα ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο εστίασης είναι ένα κοινό σύστημα εστίασης μόνιμου μαγνήτη. Λόγω της ομοιόμορφης κατανομής του μαγνητικού πεδίου σε όλο το κανάλι δέσμης, είναι πολύ κατάλληλο για αξονικά συμμετρικές δέσμες ηλεκτρονίων. Σε αυτή την ενότητα, προτείνεται ένα ομοιόμορφο σύστημα μαγνητικής εστίασης για τη διατήρηση της μεγάλης απόστασης μετάδοσης διπλών ακτίνων μολυβιού. Μελετήθηκε.Σύμφωνα με τη θεωρία σταθερής μετάδοσης μιας μονής δέσμης μολυβιού18,19, η τιμή του μαγνητικού πεδίου Brillouin μπορεί να υπολογιστεί με την εξίσωση (2).Σε αυτό το άρθρο, χρησιμοποιούμε επίσης αυτήν την ισοδυναμία για να εκτιμήσουμε το μαγνητικό πεδίο μιας πλευρικά κατανεμημένης διπλής δέσμης μολυβιού. Σε συνδυασμό με το πιστόλι ηλεκτρονίων που σχεδιάστηκε σε αυτό το χαρτί, η τιμή υπολογισμού του μαγνητικού πεδίου Re00c είναι περίπου το μαγνητικό πεδίο G.00c.20, 1,5-2 φορές την υπολογιζόμενη τιμή επιλέγεται συνήθως σε πρακτικά σχέδια.
Το σχήμα 12 δείχνει τη δομή ενός συστήματος ομοιόμορφου μαγνητικού πεδίου εστίασης. Το μπλε τμήμα είναι ο μόνιμος μαγνήτης που μαγνητίζεται στην αξονική κατεύθυνση. Η επιλογή υλικού είναι NdFeB ή FeCoNi. Το remanence Br που τίθεται στο μοντέλο προσομοίωσης είναι 1,3 T και η διαπερατότητα είναι 1,05. Για να εξασφαλιστεί η σταθερή μετάδοση της δέσμης σε όλο το μέγεθος, προστίθεται σε ολόκληρο το μήκος του μαγνήτη σε mm7. ο μαγνήτης στην κατεύθυνση x καθορίζει εάν το εγκάρσιο μαγνητικό πεδίο στο κανάλι δέσμης είναι ομοιόμορφο, πράγμα που απαιτεί το μέγεθος στην κατεύθυνση x να μην είναι πολύ μικρό. Ταυτόχρονα, λαμβάνοντας υπόψη το κόστος και το βάρος ολόκληρου του σωλήνα, το μέγεθος του μαγνήτη δεν πρέπει να είναι πολύ μεγάλο. Επομένως, οι μαγνήτες ρυθμίζονται αρχικά σε 150 mm × 150 mm έως το σύστημα × 70. , η απόσταση μεταξύ των μαγνητών ορίζεται στα 20mm.
Το 2015, ο Purna Chandra Panda21 πρότεινε ένα πόλο με μια νέα βαθμιδωτή οπή σε ένα ομοιόμορφο σύστημα μαγνητικής εστίασης, το οποίο μπορεί να μειώσει περαιτέρω το μέγεθος της διαρροής ροής στην κάθοδο και το εγκάρσιο μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται στην τρύπα του κομματιού πόλου. mm, το ύψος και το πλάτος των τριών βημάτων είναι 0,5 mm και η απόσταση μεταξύ των οπών του κομματιού στύλου είναι 2 mm, όπως φαίνεται στο Σχήμα 13.
Το σχήμα 14α δείχνει την κατανομή του αξονικού μαγνητικού πεδίου κατά μήκος των κεντρικών γραμμών των δύο δεσμών ηλεκτρονίων. Μπορεί να φανεί ότι οι δυνάμεις του μαγνητικού πεδίου κατά μήκος των δύο δεσμών ηλεκτρονίων είναι σχεδόν ίσες. Η τιμή του μαγνητικού πεδίου είναι περίπου 6000 Gs, που είναι 1,5 φορές το θεωρητικό πεδίο Brillouin για αύξηση της μετάδοσης και της απόδοσης εστίασης. Ένα καλό αποτέλεσμα στην αποτροπή διαρροής μαγνητικής ροής. Το σχήμα 14β δείχνει την κατανομή του εγκάρσιου μαγνητικού πεδίου Στην κατεύθυνση z στο άνω άκρο των δύο δεσμών ηλεκτρονίων. Μπορεί να φανεί ότι το εγκάρσιο μαγνητικό πεδίο είναι μικρότερο από 200 Gs μόνο στην οπή του κομματιού πόλου, ενώ στο κύκλωμα αργού κύματος, η εγκάρσια επιρροή του μαγνητικού πεδίου είναι σχεδόν μηδενική. Για να αποφευχθεί ο μαγνητικός κορεσμός των κομματιών του πόλου, είναι απαραίτητο να μελετηθεί η ένταση του μαγνητικού πεδίου μέσα στα κομμάτια του πόλου. Το σχήμα 14γ δείχνει την απόλυτη τιμή της κατανομής του μαγνητικού πεδίου μέσα στο πόλο. Μπορεί να φανεί ότι η απόλυτη τιμή της έντασης του μαγνητικού πεδίου είναι μικρότερη από 1,2 Τ, υποδεικνύοντας ότι ο μαγνητικός κορεσμός του κομματιού του πόλου δεν θα συμβεί.
Κατανομή ισχύος μαγνητικού πεδίου για Br = 1,3 T. (α) Κατανομή αξονικού πεδίου. (β) Κατανομή πλευρικού πεδίου Κατά την κατεύθυνση z. (γ) Απόλυτη τιμή κατανομής πεδίου εντός του πολικού τεμαχίου.
Με βάση τη μονάδα CST PS, η αξονική σχετική θέση του πιστολιού διπλής δέσμης και του συστήματος εστίασης είναι βελτιστοποιημένη. Σύμφωνα με την Αναφ.9 και προσομοιώσεις, η βέλτιστη θέση είναι όπου το τεμάχιο ανόδου επικαλύπτει το τεμάχιο πόλων μακριά από τον μαγνήτη. Ωστόσο, διαπιστώθηκε ότι εάν η παραμονή είχε ρυθμιστεί σε 1,3 Τ, η μετάδοση της δέσμης ηλεκτρονίων δεν θα μπορούσε να φτάσει το 99%. Με την αύξηση της παραμονής στους 1,4 Τ, το μαγνητικό πεδίο εστίασης θα αυξηθεί σε 00je σε G. Εικόνα 15. Φαίνεται ότι η δοκός έχει καλή μετάδοση, μικρή διακύμανση και απόσταση μετάδοσης μεγαλύτερη από 45 mm.
Τροχιές διπλών δοκών μολυβιού κάτω από ομοιογενές μαγνητικό σύστημα με Br = 1,4 T.(a) xoz επίπεδο.(β) αεροσκάφος yoz.
Το σχήμα 16 δείχνει τη διατομή της δέσμης σε διαφορετικές θέσεις μακριά από την κάθοδο. Μπορεί να φανεί ότι το σχήμα του τμήματος της δέσμης στο σύστημα εστίασης διατηρείται καλά και η διάμετρος της τομής δεν αλλάζει πολύ. Το σχήμα 17 δείχνει τους φακέλους δέσμης στις διευθύνσεις x και y, αντίστοιχα. Μπορεί να φανεί ότι το αποτέλεσμα της διακύμανσης είναι πολύ μικρή. Ρεύμα δέσμης. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το ρεύμα είναι περίπου 2 × 80 mA, το οποίο είναι σύμφωνο με την υπολογιζόμενη τιμή στον σχεδιασμό του πιστολιού ηλεκτρονίων.
Διατομή δέσμης ηλεκτρονίων (με σύστημα εστίασης) σε διαφορετικές θέσεις μακριά από την κάθοδο.
Λαμβάνοντας υπόψη μια σειρά προβλημάτων όπως σφάλματα συναρμολόγησης, διακυμάνσεις τάσης και αλλαγές στην ισχύ του μαγνητικού πεδίου σε πρακτικές εφαρμογές επεξεργασίας, είναι απαραίτητο να αναλυθεί η ευαισθησία του συστήματος εστίασης. Επειδή υπάρχει ένα κενό μεταξύ του κομματιού ανόδου και του κομματιού πόλου στην πραγματική επεξεργασία, αυτό το κενό πρέπει να ρυθμιστεί στην προσομοίωση. και ρεύμα δέσμης προς την κατεύθυνση y. Αυτό το αποτέλεσμα δείχνει ότι η αλλαγή στο περίβλημα της δέσμης δεν είναι σημαντική και το ρεύμα της δέσμης σχεδόν δεν αλλάζει. Επομένως, το σύστημα δεν είναι ευαίσθητο σε σφάλματα συναρμολόγησης. Το εύρος ορίζεται από -0,02 έως +0,03 T για αλλαγές στην ένταση του μαγνητικού πεδίου. Τα αποτελέσματα σύγκρισης φαίνονται στο Σχήμα 20. Μπορεί να φανεί ότι το περίβλημα της δέσμης δεν αλλάζει σχεδόν καθόλου, πράγμα που σημαίνει ότι ολόκληρο το EOS δεν είναι ευαίσθητο στις αλλαγές στην ένταση του μαγνητικού πεδίου.
Το περίβλημα της δέσμης και το ρεύμα προκύπτουν κάτω από ένα ομοιόμορφο σύστημα μαγνητικής εστίασης. (α) Η ανοχή συναρμολόγησης είναι 0,2 mm. (β) Η διακύμανση της τάσης οδήγησης είναι ±0,5 kV.
Φάκελος δέσμης κάτω από ένα ομοιόμορφο σύστημα μαγνητικής εστίασης με διακυμάνσεις έντασης αξονικού μαγνητικού πεδίου που κυμαίνονται από 0,63 έως 0,68 Τ.
Προκειμένου να διασφαλιστεί ότι το σύστημα εστίασης που σχεδιάστηκε σε αυτό το άρθρο μπορεί να ταιριάζει με το HFS, είναι απαραίτητο να συνδυαστεί το σύστημα εστίασης και το HFS για έρευνα. Το σχήμα 21 δείχνει μια σύγκριση φακέλων δέσμης με και χωρίς φορτωμένο HFS. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο φάκελος δέσμης δεν αλλάζει πολύ όταν φορτώνεται ολόκληρο το HFS. Επομένως, το σύστημα εστίασης HF είναι κατάλληλο για το παραπάνω σύστημα εστίασης.
Για την επαλήθευση της ορθότητας του EOS που προτείνεται στην Ενότητα III και τη διερεύνηση της απόδοσης του SDV-TWT 220 GHz, πραγματοποιείται προσομοίωση 3D-PIC αλληλεπίδρασης δέσμης-κύματος. Λόγω περιορισμών στο λογισμικό προσομοίωσης, δεν μπορέσαμε να προσθέσουμε ολόκληρο το EOS στο HFS. Ως εκ τούτου, το όπλο ηλεκτρονίων διαμέτρου 0mm αντικαταστάθηκε με ένα όπλο ηλεκτρονίων με διάμετρο 0mm. οι δύο επιφάνειες των 0,31 mm, οι ίδιες παράμετροι με το πιστόλι ηλεκτρονίων που σχεδιάστηκε παραπάνω. Λόγω της μη ευαισθησίας και της καλής σταθερότητας του EOS, η τάση οδήγησης μπορεί να βελτιστοποιηθεί κατάλληλα για να επιτευχθεί η καλύτερη ισχύς εξόδου στην προσομοίωση PIC. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης δείχνουν ότι η κορεσμένη ισχύς εξόδου και το κέρδος μπορούν να ληφθούν με ρεύμα κίνησης 8 2A × 0.6 m 3 A/cm2) και ισχύ εισόδου 0,05 W.
Προκειμένου να ληφθεί το καλύτερο σήμα εξόδου, πρέπει επίσης να βελτιστοποιηθεί ο αριθμός των κύκλων. Η καλύτερη ισχύς εξόδου επιτυγχάνεται όταν ο αριθμός των δύο σταδίων είναι 42 + 48 κύκλοι, όπως φαίνεται στο σχήμα 22a. Ένα σήμα εισόδου 0,05 W ενισχύεται στα 314 W με κέρδος 38 dB, η έξοδος FFT λαμβάνεται με φασματική ισχύς FF. στα 220 GHz. Το σχήμα 22β δείχνει την αξονική κατανομή θέσης της ενέργειας των ηλεκτρονίων στο SWS, με τα περισσότερα ηλεκτρόνια να χάνουν ενέργεια. Αυτό το αποτέλεσμα δείχνει ότι το SDV-SWS μπορεί να μετατρέψει την κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων σε σήματα RF, πραγματοποιώντας έτσι την ενίσχυση του σήματος.
Σήμα εξόδου SDV-SWS στα 220 GHz. (α) Ισχύς εξόδου με περιλαμβανόμενο φάσμα. (β) Κατανομή ενέργειας ηλεκτρονίων με τη δέσμη ηλεκτρονίων στο τέλος της εισαγωγής SWS.
Το σχήμα 23 δείχνει το εύρος ζώνης ισχύος εξόδου και το κέρδος μιας διπλής λειτουργίας διπλής δέσμης SDV-TWT. Η απόδοση εξόδου μπορεί να βελτιωθεί περαιτέρω με σάρωση συχνοτήτων από 200 έως 275 GHz και βελτιστοποίηση της τάσης μονάδας δίσκου. Αυτό το αποτέλεσμα δείχνει ότι το 3-dB μπορεί να καλύψει το εύρος ζώνης 3-dB που μπορεί να καλύψει μεγάλη λειτουργία 2505Hz να διευρύνει το λειτουργικό εύρος ζώνης.
Ωστόσο, σύμφωνα με το Σχήμα 2α, γνωρίζουμε ότι υπάρχει μια ζώνη διακοπής μεταξύ των περιττών και ζυγών τρόπων λειτουργίας, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε ανεπιθύμητες ταλαντώσεις. Ως εκ τούτου, η σταθερότητα εργασίας γύρω από τις στάσεις πρέπει να μελετηθεί. Τα σχήματα 24a-c είναι τα αποτελέσματα προσομοίωσης 20 ns στα 265,3 GHz, 265 Hz, 265,35 GHz αντίστοιχα. Αν και τα αποτελέσματα της προσομοίωσης έχουν κάποιες διακυμάνσεις, η ισχύς εξόδου είναι σχετικά σταθερή. Το φάσμα φαίνεται επίσης στο Σχήμα 24 αντίστοιχα, το φάσμα είναι καθαρό. Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν ότι δεν υπάρχει αυτοταλάντωση κοντά στη ζώνη διακοπής.
Η κατασκευή και η μέτρηση είναι απαραίτητες για την επαλήθευση της ορθότητας ολόκληρου του HFS. Σε αυτό το μέρος, το HFS κατασκευάζεται με χρήση τεχνολογίας αριθμητικού ελέγχου υπολογιστή (CNC) με διάμετρο εργαλείου 0,1 mm και ακρίβεια μηχανικής κατεργασίας 10 μm. Το υλικό για τη δομή υψηλής συχνότητας παρέχεται από τη δομή χωρίς οξυγόνο υψηλής συναγωγιμότητας. 66,00 mm, πλάτος 20,00 mm και ύψος 8,66 mm. Οκτώ οπές ακίδων είναι κατανεμημένες γύρω από τη δομή. Το σχήμα 25b δείχνει τη δομή με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM). Η δομή ning πληροί τις απαιτήσεις σχεδιασμού και ακρίβειας.
Το Σχήμα 26 δείχνει τη σύγκριση μεταξύ των πραγματικών αποτελεσμάτων δοκιμών και των προσομοιώσεων απόδοσης μετάδοσης. Η θύρα 1 και η θύρα 2 στο σχήμα 26a αντιστοιχούν στις θύρες εισόδου και εξόδου του HFS, αντίστοιχα, και είναι ισοδύναμες με τη Θύρα 1 και τη Θύρα 4 στο Σχήμα 3. Τα πραγματικά αποτελέσματα μέτρησης του S11 είναι ελαφρώς καλύτερα από τα αποτελέσματα της μέτρησης. είναι ότι η αγωγιμότητα του υλικού που έχει οριστεί στην προσομοίωση είναι πολύ υψηλή και η τραχύτητα της επιφάνειας μετά την πραγματική κατεργασία είναι κακή. Συνολικά, τα μετρούμενα αποτελέσματα συμφωνούν καλά με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης και το εύρος ζώνης μετάδοσης πληροί την απαίτηση των 70 GHz, η οποία επαληθεύει τη σκοπιμότητα και την ορθότητα της προτεινόμενης διεργασίας διπλής λειτουργίας. Ο σχεδιασμός SDV-TWT διπλής δέσμης που προτείνεται σε αυτό το έγγραφο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μεταγενέστερη κατασκευή και εφαρμογές.
Σε αυτό το άρθρο, παρουσιάζεται ένας λεπτομερής σχεδιασμός μιας επίπεδης κατανομής 220 GHz διπλής δέσμης SDV-TWT. Ο συνδυασμός λειτουργίας διπλής λειτουργίας και διέγερσης διπλής δέσμης αυξάνει περαιτέρω το εύρος ζώνης λειτουργίας και την ισχύ εξόδου. Η κατασκευή και η ψυχρή δοκιμή πραγματοποιούνται επίσης για να επαληθευτεί η ορθότητα ολόκληρου του HFS.Τα πραγματικά αποτελέσματα μέτρησης συμφωνούν καλά με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Για το σχεδιασμένο EOS δύο ακτίνων, ένα τμήμα μάσκας και ηλεκτρόδια ελέγχου έχουν χρησιμοποιηθεί μαζί για την παραγωγή μιας δέσμης δύο μολυβιών. Κάτω από το σχεδιασμένο ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο εστίασης, η δέσμη ηλεκτρονίων μπορεί να μεταδοθεί σταθερά σε μεγάλες αποστάσεις με καλό σχήμα. Το σχήμα που προτείνεται σε αυτό το έγγραφο συνδυάζει πλήρως την τρέχουσα τεχνολογία επεξεργασίας ώριμου επιπέδου και δείχνει μεγάλες δυνατότητες σε δείκτες απόδοσης και επεξεργασίας και συναρμολόγησης. Ως εκ τούτου, αυτό το έγγραφο πιστεύει ότι η επίπεδη δομή είναι πιο πιθανό να γίνει η τάση ανάπτυξης ηλεκτρονικών συσκευών κενού στη ζώνη terahertz.
Τα περισσότερα από τα ακατέργαστα δεδομένα και τα αναλυτικά μοντέλα αυτής της μελέτης έχουν συμπεριληφθεί σε αυτό το έγγραφο. Περαιτέρω σχετικές πληροφορίες μπορούν να ληφθούν από τον αντίστοιχο συγγραφέα κατόπιν εύλογου αιτήματος.
Gamzina, D. et al.Nanoscale CNC machining of sub-terahertz vacuum electronics.IEEE Trans.electronic devices.63, 4067–4073 (2016).
Malekabadi, A. and Paoloni, C. UV-LIGA microfabrication of sub-terahertz waveguides using multilayer SU-8 photoresist.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 application.physics.50, 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001 (2017).
Shin, YM, Barnett, LR & Luhmann, NC Ισχυρός περιορισμός της διάδοσης πλασμονικών κυμάτων μέσω υπερευρυζωνικής κλιμακωτής διπλής σχάρας waveguides.application.physics.Wright.93, 221504. https://doi.org/10.1063/1.6 (1.301).
Baig, A. et al.Performance of a Nano CNC Machined 220-GHz Traveling Wave Tube Amplifier.IEEE Trans.electronic devices.64, 590–592 (2017).
Han, Y. & Ruan, CJ Investigating diocotron instability of infinitely wide sheet electron beams using macroscopic ψυχρού ρευστού μοντέλου θεωρία.Chin Phys B. 20, 104101. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/1011 (104).
Galdetskiy, AV σχετικά με την ευκαιρία να αυξηθεί το εύρος ζώνης κατά την επίπεδη διάταξη της δέσμης σε ένα klystron πολλαπλών δεσμών. Στο 12ο Διεθνές Συνέδριο IEEE για την ηλεκτρονικά κενού, Μπανγκαλόρ, Ινδία, 5747003, 317–318 https://doi.org/10.17101/10.12101.
Nguyen, CJ et al. Σχεδιασμός πυροβόλων ηλεκτρονίων τριών δεσμών με κατανομή επιπέδου διαχωρισμού στενής δέσμης σε κυματιστό σωλήνα κινούμενου κύματος διπλής λεπίδας ζώνης W με κλιμάκωση[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 κατανεμημένο οπτικό σύστημα ηλεκτρονίων τριών δεσμών με στενό διαχωρισμό δέσμης για βασικές ηλεκτρονικές συσκευές W-band mode TWT.IEEE Trans.68, 5215–5219 (2021).
Zhan, M. Research on Interleaved Double-Blade Traveling Wave Tube with Millimeter-Wave Sheet Beams 20-22 (PhD, Beihang University, 2018).
Ruan, CJ, Zhang, HF, Tao, J. & He, Y. Study on beam-wave interaction stability of a interleaved dual-blade traveling wave tube.2018 43rd International Conference on Infrared Millimeter and Terahertz Waves, Nagoya.8510211, Nagoya.8510211, Nagoya.8510211 510263 (2018).