МНОГОПУЧКОВЫЕ НАНОКЛИСТРОНЫ

February 13, 2013 by admin Комментировать »

Ерёмка в. д. Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова Национальной Академии наук Украины

12,                ул. Академика Проскуры, г. Харьков, 61085, Украина Факс: +38-0572-744-11-05, e-mail: yeryomka@ire.kharkov.ua Аксенчик А. В., Кураев А. А.

Гэсударственный университет информатики и радиоэлектроники 6, ул. П. Бровки, г. Минск, 220600, Республика Беларусь Факс: (375-17) 231-09-14, e-mail: kuraev@gw.bsuirunibel.by

I.                                       Введение

Электромагнитные колебания в интервале частот (0,1-10) ТГц называют колебаниями диапазона ТГц. Актуальной задачей является разработка, исследование и создание вакуумных источников излучения в указанном диапазоне с уровнем мощности выходного сигнала (0,1-10) Вт и плавной перестройкой частоты.

Целью данной работы является исследование путем численного моделирования возможности создания многопучковых нанокпистронов – источников электромагнитного излучения непрерывного действия в диапазоне ТГц с электрической перестройкой частоты. Такие источники могут найти применение, например, в ТГц-спектроскопии, при создании радаров с высоким разрешением, при создании линий связи между сверхбыстродействующими компьютерами, в ТГц-устройствах обнаружения химических и биологических реагентов.

II.                              Основная часть

2.1 Устройство и технология изготовления наноклистронов. Для изготовления нанокпистронов целесообразно применять MEMS-технологию. В пластинах Si с помощью литографии и глубокого ионного травления изготавливают тороидальные резонаторы и устройства для вывода энергии, покрывают пленкой металла (Аи, Ад, Си), изготавливают элек- тронно-оптические системы на основе матричных полевых эмиттеров, сетки зазоров взаимодействия и отражатели электронов. Пластины с элементами узлов отражательных кпистронов (ОК) соединяют с помощью диффузионной пайки.

Рис. 1. Дифракционный многопучковый отражательный наноклистрон:

1-ЭОС; 2-; сеточный зазор взаимодействия; 1-ЭОС; 2 – модулирующий резонатор: 3-выходной тороидальный резонатор; 4-рупорный взвод энергии в ОР; 6-эллиптическое зеркало ОР; 7- вывод энергии из ОР; 8-отражатель электронов.

Fig. 1. Difraction multibeam reflex nanoklystron: 1- electron gun; 2-toroldal resonator; 3- grid Interaction gap; 4- horn-shaped waveguide output; In OR; 5- open resonator (OR); 6 – OR elliptical mirror; 7-electron reflector

Puc. 2. Дифракционный многопучковый пролетноотражательный наноклистрон: 1-ЭОС; 2 – модулирующий резонатор;3-выходной тороидальный резонатор;; 4 – плоское зеркало ОР;

5-               рупор вывода энергии в ОР; 6-эллиптическое зеркало ОР; 7- вывод энергии из ОР; 8-сеточный зазор взаимодействия; 9-отражатель электроновю.

Fig. 2. DIfractlon multibeam flying-reflex nanoklystron: 1- electron gun; 2 – resonator-modulator; 3 – output resonator; 4 – open resonator; 5 -energy output horn; 6 – OR elliptical mirror; 7-waveguide output; 8 – grid Interaction gap; 9 – electron reflector

Ha рис.1 схематически представлена конструкция многопучкового дифракционного отражательного наноклистрона. Устройство содержит открытый резонатор, образованный двумя зеркалами. В теле первого зеркала, отражающая поверхность которого может быть плоской или в виде вогнутой цилиндрической поверхности, выполнены основные узлы отражательных клистронов. Отверстия рупорных выводов энергии из резонаторов ОК расположены на рабочей поверхности первого зеркала. Отражающая поверхность второго зеркала ОР имеет форму вогнутого эллиптического цилиндра. Эллиптическое зеркало снабжено устройством для вывода энергии в нагрузку и устройством (на рисунке не показано) для механической перестройки резонансной частоты ОР.

На рис.2 схематически представлено устройство многопучкового дифракционного пролетно-отража- тельного наноклистрона. Применение второго резонатора, работающего на гармонике основной частоты резонатора-модулятора позволяет реализовать пролетно-отражательный наноклистрон – умножитель частоты.

2.2.         Результаты расчетов. В соответствии с разработанной математической моделью составлена программа анализа и оптимизации процессов взаимодействия в отражательных кпистронах (ОК) (рис.1) и монотронах. Проведены расчеты, позволяющие проверить адекватность разработанной математической модели процессов взаимодействия реальным физическим процессам в ОК.

Расчеты проведены для конструкции ОК, в которой: с катода, под действием ускоряющего напряжения Vo, поток электронов с начальной скоростью \/овлетает в зазор цилиндрического (или тороидального) резонатора. Зазор может быть сеточным (или бессеточным) и образован торцами внутренних трубок резонатора, составляющих канал пролета электронов. Принимаем, что внутренний радиус канала пролета резонатора равен радиусу трубки дрейфа, следующей за резонатором. По этой трубке дрейфа (она может иметь и нулевую длину) электронный поток движется к следующему зазору с тормозящим электрическим полем. Этот зазор может быть сеточным (или бессеточным). По упомянутой трубке дрейфа электронный поток возвращаться в ВЧ зазор резонатора после изменения знака скорости.

На основе тестирования промышленного образца ОК типа К-12 (f =3 ГГц) установлена адекватность разработанной математической модели процессов взаимодействия в ОК реальным физическим процессам.

Тестирование промышленного образца ОК типа К- 27 – генератора электромагнитных колебаний на частоте f =10 ГГц, также подтвердило адекватность разработанной математической модели процессов взаимодействия в ОК реальным физическим процессам.

Проведена оптимизация ОК, работающих на частоте 1000 ГГц с разными ускоряющими напряжениями.

Рис. 3. Гоафики фазовых траекторий – зависимости X = ωΖ / Vq/Хмэкс, Хмакс=1377, от Т = ф1Л~„акс, Т„акс=2903 (вариант ОК1).

Fic!. 3. Phase-trajectory graphs – dependences of

Вариант OKI – с сеточным зазором, Vo = 300 В, после оптимизации получен электронный КПД

7/^=0,0181, волновой КПД 7/=0,0177 для следующих оптимальных параметров:                1о= 0,05 А,

R=0,015cM, г=0,01 см, di = 0,008 см, 02 = 0,1см,

£ =0,215 см, Ui =0,936, V2 =6,6, φ^=3,47.

На рисунках 3, 4 представлены графики фазовых траекторий и изменения относительных скоростей электронов в OKI.

Рис. 4. Гоафики изменения относительных скоростей электронов V- = V. / Vq от

Т = cot /тиакс, Тмакс~ 2903.

Fig. 4. The plots of variations in relative velocities of electrons V- = V- / Vg upon T = ωί /Т„ах, Т„ах=2903

Вариант ОК2 – с бессеточным зазором, Vo = 100 В, получен электронный КПД 7/^=0,0016, волновой КПД 7/^=0,0014, оптимальные параметры: 1о=0,ОЗА, R=0,015cM, г=0,01 см, di = 0,005 см, d2 =

0,                                                                                                   05 см, ί =0,023 см, Ui =2,75, V2 =5,405       =4,4334.

Рис. 5. Гоафики фазовых траекторий – зависимости X = ωζ / ν^/Хмакс, Х„акс=633, от

Вариант ОКЗ – с сеточным зазором, Vo = 1 кВ, оптимизация позволяет получить электронный КПД

7/^=0,0103, волновой КПД 7/=0,0078 и следующие

оптимальные параметры:              Ь=0,5А,          R=0,25 см,

г=0,2 см, di = 0,005 см, d2 = 0,1 см, ^ =0,05 см, Ui

=0,84, V2 =3,394,              =4,989.

Τ

Рис. 6. Гоафики изменения относительных скоростей электронов V- = V. / Vq от

Fig. 6. The plots of variations in relative velocities of electrons V- = V. / Vq upon T = ωί/Тиах, T„ax=1540.

Анализ этих данных свидетельствует о том, что на частоте 1000 ГГц возможна генерация электромагнитного излучения с помощью ОК. Однако для ОК без сеток из-за больших углов пролета приемлемые КПД можно получить только при больших амплитудах напряжения на зазоре резонатора и при работе в зонах генерации с небольшими номерами – 0,1,2.

III.                                    Заключение

Как показывают результаты численного моделирования наноклистроны могут быть перспективными источниками электромагнитного излучения в диапазоне 0,5-3 ТГц.

IV.                           Список литературы

[1]  R. Lawrence Ives. Microfabrication of High-Frequency Vacuum Electron Devices. IEEE Trans. On Plasma Science/ Vol.32, No3, pp.1277-1291, 2004.

[2]  Seong-Tae- Han, Seok-Gy Jeon, Yeong-Min Shin, Kyu-Ha Jang, Jin-kyu So, Jong-Hyun Kim, Suk-Sang Cnang, and Gun-Sik Park. Experimental investigations on Miniaturized High-Frequency Vacuum Electron Devices, IEEE Trans. On Plasma Science/Vol.33, No2, pp.679-684, 2005.

[3]  K. H. Jang, S. G. Jeon, J. K. So, J. i. Kim, Y. M. Shin,

J. H. Won and G. S. Park. Experimental investigations on High Order Mode Reflex Klystron using cold cathode. IVEC / IVESC 2006. Conf. Dig. Monterey, CA, USA, April 25-27, 2006. -P.189-190.

[4]  АксенчикА. В., Кураев A. A. Мощные приборы СВЧ с дискретным взаимодействием (теория и оптимизация). Минск.: Вестпринт. 2003.375 с.

MULTIBEAM NANOKLYSTRONS

V. D. Yeryoml<a Usikov Institute forRadlophyslcs and Electronics of National Academy of Sciences of Ukraine 12, Ac. Proscura St., Kharkiv, 61085, Ukraine e-mall: yeryomka@lre. kharkov. ua A. A. Kurayev, A. V. Al<sencliyl<

Belarusian State University of Informatics and Radioeiectronics 6, P. BrovkI str, Minsk, 220027, Republic of Belarus e-mall: kurayev@bsulr. unlbel. by

I.                                       Introduction

Electromagnetic oscillations in the frequency range of 0.1 to 10 THz are referred to as THz -frequencies. Currently the top- priority objective is to develop vacuum e. m. THz -radiation sources whose frequency can be retuned.

The aim of the present paper is to address the issues of whether it is possible todesignand develop by numerical simulation the e. m. continuous-wave THz-sources width electrically tunable frequency. These sources may well find their use,, say, in the fields of applications such as the development of THz- spectroscopy, high-resolution radars, communication lines between super, high-speed computers THz-devices for detecting chemical and biological reagents.

II.                                         Main Part

Optimization RK, 1.0 THz working on frequency with different accelerating voltage is carried out.

Variant RK1 has a grid gap, V„=300V; after optimization

electron efficiency 77^=0.0181, wave efficiency = 0.0177 for the following optimal parameters: operation current

I„=0.05A, R=0,015 cm, r=0,01 cm, dj = 0,008 cm, = 0,1 cm, ί =0,215 cm, Uj =0,936, V, =6,6, ζ3^=3,47.

(Fig.3, Fig.4).

Variant RK2 has a grid-free gap, V^=WOV; after optimization electron efficiency 7/^=0.0016, wave efficiency η, =0.0014 for the following optimal parameters: operation current

I„=0.03A, R=0,015 cm, r=0,01 cm, dj = 0,005 cm, d^ = 0,05 cm, e =0,023 cm, Uj =2,75, V, =5,405, =4,4334.

(Fig.5, Fig.6)

Variant RK3 has a grid gap, V„=1000V after optimization electron efficiency =0.0103, wave efficiency = 0.0078 for the following optimal parameters:                                                                      operation      current

I„=0.5A, R=0,25 cm, r=0,2 cm, dj = 0,05 cm, d^ =0,1 cm, f. =0,05 cm, Uj =0,84, V, =3,394,            =4,989.

The examination of there data suggest that generation of e. m. radiation at 1 THz is possible using a RK. Yet for the grid- free RK due to the wide transit angle the reasonable efficiency valves can be obtained at large voltage amplitudes only on a resonator-gap and during the operation in generation zones with small numbers – 0,1,2.

IV.                                       Conclusion

The results of numerical simulation indicate that the nanoklystrons in question can be promising e. m. radiation source for the frequency range of 0.5 to 3 THz.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты