Еремка в д Інститут радіофізики та електроніки ім А Я Усикова Національної Академії наук України

12, вул Академіка Проскури, м Харків, 61085, Україна Факс: +38-0572-744-11-05, e-mail: yeryomka@irekharkovua Аксенчік А В, Кураєв А А

Гесударственний університет інформатики і радіоелектроніки 6, вул П Бровки, м Мінськ, 220600, Республіка Білорусь Факс: (375-17) 231-09-14, e-mail: kuraev@gwbsuirunibelby

I                                       Введення

Електромагнітні коливання в інтервалі частот (0,1-10) ТГц називають коливаннями діапазону ТГц Актуальним завданням є розробка, дослідження і створення вакуумних джерел випромінювання в зазначеному діапазоні з рівнем потужності вихідного сигналу (0,1-10) Вт і плавною перебудовою частоти

Метою даної роботи є дослідження шляхом чисельного моделювання можливості створення многопучкових нанокпістронов – джерел електромагнітного випромінювання безперервної дії в діапазоні ТГц з електричною перебудовою частоти Такі джерела можуть знайти застосування, наприклад, в ТГц-спектроскопії, при створенні радарів з високою роздільною здатністю, при створенні ліній звязку між надшвидкодіючі компютерами, в ТГц-пристроях виявлення хімічних і біологічних реагентів

II                              Основна частина

21 Пристрій і технологія виготовлення наноклістронов Для виготовлення нанокпістронов доцільно застосовувати MEMS-технологію У пластинах Si за допомогою літографії і глибокого іонного травлення виготовляють тороїдальні резонатори і пристрої для виведення енергії, покривають плівкою металу (Аі, Пекло, Сі), виготовляють елек-тронному-оптичні системи на основі матричних польових емітерів, сітки зазорів взаємодії і відбивачі електронів Пластини з елементами вузлів відбивних кпістронов (ОК) зєднують за допомогою дифузійної пайки

Рис 1 Дифракційний многопучковий відображальний наноклістрон:

1-ЕОС 2 – сітковий зазор взаємодії 1-ЕОС 2 – модулирующий резонатор: 3-вихідний тороїдальний резонатор 4-рупорний взвод енергії в ОР 6-еліптичне дзеркало ОР 7 – висновок енергії з ОР 8-відбивач електронів

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 Дифракційний многопучковий пролетноотражательний наноклістрон: 1-ЕОС 2 – модулирующий резонатор 3-вихідний тороїдальний резонатор; 4 – плоске дзеркало ОР

5 – рупор виведення енергії в ОР 6-еліптичне дзеркало ОР 7 – висновок енергії з ОР 8-сітковий зазор взаємодії 9-відбивач електроновю

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 рис1 схематично представлена ​​конструкція многопучкового дифракційного отражательного наноклістрона Пристрій містить відкритий резонатор, утворений двома дзеркалами У тілі першого дзеркала, що відображає поверхня якого може бути плоскою або у вигляді увігнутої циліндричної поверхні, виконані основні вузли відбивних клистронов Отвори рупорних висновків енергії з резонаторів ОК розташовані на робочій поверхні першого дзеркала Відбиває поверхня другого дзеркала ЗР має форму увігнутого еліптичного циліндра Еліптичне дзеркало забезпечене пристроєм для виведення енергії в навантаження і пристроєм (на малюнку не показано) для механічної перебудови резонансної частоти ОР

На рис2 схематично представлено пристрій многопучкового дифракційного пролітну-відображаючи-тельного наноклістрона Застосування другого резонатора, що працює на гармоніці основної частоти резонатора-модулятора дозволяє реалізувати пролітну-відбивний наноклістрон – помножувач частоти

22         Результати розрахунків Відповідно до розробленої математичної моделлю складена програма аналізу та оптимізації процесів взаємодії у відбивних кпістронах (ОК) (рис1) і монотронах Проведено розрахунки, що дозволяють перевірити адекватність розробленої математичної моделі процесів взаємодії реальним фізичним процесам в ОК

Розрахунки проведені для конструкції ОК, в якій: з катода, під дією прискорює напруги Vo, потік електронів з початковою швидкістю \ / овлетает в зазор циліндричного (або тороїдального) резонатора Зазор може бути сітковим (або бессеточная) і утворений торцями внутрішніх трубок резонатора, складових канал прольоту електронів Приймаємо, що внутрішній радіус каналу прольоту резонатора дорівнює радіусу трубки дрейфу, наступної за резонатором З цієї трубці дрейфу (вона може мати і нульову довжину) електронний потік рухається до наступного зазору з гальмуючим електричним полем Цей зазор може бути сітковим (Або бессеточная) За згаданою трубці дрейфу електронний потік повертатися в ВЧ зазор резонатора після зміни знака швидкості

На основі тестування промислового зразка ОК типу К-12 (f = 3 ГГц) встановлена ​​адекватність розробленої математичної моделі процесів взаємодії в ОК реальним фізичним процесам

Тестування промислового зразка ОК типу К-27 – генератора електромагнітних коливань на частоті f = 10 ГГц, також підтвердило адекватність розробленої математичної моделі процесів взаємодії в ОК реальним фізичним процесам

Проведена оптимізація ОК, що працюють на частоті 1000 ГГц з різними прискорюючими напруженнями

Рис 3 Гоафікі фазових траєкторій – залежності X = ωΖ / Vq / Хмекс, Хмакс = 1377, від Т = ф1Л ~ акс, Т акс = 2903 (варіант ОК1)

Fic. 3 Phase-trajectory graphs – dependences of

Варіант OKI – з сітковим зазором, Vo = 300 В, після оптимізації отриманий електронний ККД

7 / ^ = 0,0181, хвильової ККД 7 / = 0,0177 для наступних оптимальних параметрів: 1о = 0,05 А,

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

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

На малюнках 3, 4 представлені графіки фазових траєкторій і зміни відносних швидкостей електронів в OKI

Рис 4 Гоафікі зміни відносних швидкостей електронів V-= V / Vq від

Т = cot / тіакс, Тмакс ~ 2903

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

Варіант ОК2 – з бессеточная зазором, Vo = 100 В, отриманий електронний ККД 7 / ^ = 0,0016, хвильової ККД 7 / ^ = 0,0014, оптимальні параметри: 1о = 0, ОЗА, R = 0,015 cM, 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 Гоафікі фазових траєкторій – залежності X = ωζ / ν ^ / Хмакс, Х акс = 633, від

Варіант ОКЗ – з сітковим зазором, Vo = 1 кВ, оптимізація дозволяє отримати електронний ККД

7 / ^ = 0,0103, хвильової ККД 7 / = 0,0078 і наступні

оптимальні параметри: Ь = 0,5 А, 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 Гоафікі зміни відносних швидкостей електронів V-= V / Vq від

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

Аналіз цих даних свідчить про те, що на частоті 1000 ГГц можлива генерація електромагнітного випромінювання за допомогою ОК Однак для ОК без сіток через великі кутів прольоту прийнятні ККД можна отримати тільки при великих амплітудах напруги на зазорі резонатора і при роботі в зонах генерації з невеликими номерами – 0,1,2

III                                    Висновок

Як показують результати чисельного моделювання наноклістрони можуть бути перспективними джерелами електромагнітного випромінювання в діапазоні 0,5-3 ТГц

IV                           Список літератури

[1]  R Lawrence Ives Microfabrication of High-Frequency Vacuum Electron Devices IEEE Trans On Plasma Science/ Vol32, No3, pp1277-1291, 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/Vol33, No2, pp679-684, 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 -P189-190

[4] АксенчікА В, Кураєв AA Потужні прилади НВЧ з дискретним взаємодією (теорія і оптимізація) Мінськ: Вестпрінт 2003375 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 01 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, 10 THz working on frequency with different accelerating voltage is carried out

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

electron efficiency 77^=00181, wave efficiency = 00177 for the following optimal parameters: operation current

I„=005A, 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

(Fig3, Fig4)

Variant RK2 has a grid-free gap, V^=WOV after optimization electron efficiency 7/^=00016, wave efficiency η, =00014 for the following optimal parameters: operation current

I„=003A, 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

(Fig5, Fig6)

Variant RK3 has a grid gap, V„=1000V after optimization electron efficiency =00103, wave efficiency = 00078 for the following optimal parameters:                                                                      operation      current

I„=05A, 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 05 to 3 THz

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р