一種基于二次電子倍增的自穩(wěn)流微脈沖電子槍的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于二次電子倍增的自穩(wěn)流微脈沖電子槍，它包括內(nèi)凹腔體，內(nèi)凹腔體底部開設(shè)有凹槽，頂部開設(shè)有圓孔，陰極伸入圓孔內(nèi)；在內(nèi)凹腔體圓弧形端面?zhèn)乳_設(shè)有與凹槽貫通的通道，矩形端面?zhèn)乳_設(shè)有矩形孔；柵極蓋板頂部圓形蓋板中心處開設(shè)通孔，并卡設(shè)在凹槽周緣處的臺(tái)階式結(jié)構(gòu)上；在柵極蓋板底部空心管內(nèi)壁面上設(shè)置有螺紋；兩水槽外殼分別焊接在腔體兩端，在兩水槽外殼上都開設(shè)有孔；第一個(gè)管道法蘭與陰極連接，并穿過水槽外殼的孔后與內(nèi)凹腔體頂部緊密連接，第二個(gè)管道法蘭與柵極蓋板底部空心管焊接在一起，第三個(gè)管道法蘭焊接在內(nèi)凹腔體圓弧形端面上；錐形波導(dǎo)出口端焊接在內(nèi)凹腔體矩形端面上，入口端焊接有錐形波導(dǎo)法蘭。
【專利說明】—種基于二次電子倍增的自穩(wěn)流微脈沖電子槍
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微波電子槍，特別是關(guān)于一種基于二次電子倍增的自穩(wěn)流微脈沖電子槍。
【背景技術(shù)】
[0002]基于二次電子倍增發(fā)射的微脈沖電子槍是微波電子槍的一種，它通過在電子槍腔體里建立微波電磁場(chǎng)使腔內(nèi)的游離電子形成諧振倍增，從而產(chǎn)生高流強(qiáng)、短脈沖的電子束。這種微波電子槍因?yàn)榫哂凶跃凼匦?，使得輸出的微脈沖長度遠(yuǎn)小于微波的射頻周期(達(dá)到PS量級(jí))，故被稱為微脈沖電子槍。相對(duì)于其他微波電子槍，這種微脈沖電子槍具有不需要外界激發(fā)、脈沖短、流強(qiáng)高、不怕中毒等優(yōu)點(diǎn)，使它在高功率微波裝置、超快電子束衍射、輻照活化以及作為直線加速器的注入器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]微脈沖電子槍最早由Frederick M.Mako和William Peter在1993年的PAC會(huì)議上提出。在1999年和2001年，他們分別報(bào)道了 L、S和X波段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。隨后國內(nèi)也很快展開了對(duì)微脈沖電子槍的研究。清華大學(xué)在2000-2006年做過微脈沖電子槍的動(dòng)力學(xué)計(jì)算、模擬計(jì)算和初步的實(shí)驗(yàn)研究，在低功率和高功率實(shí)驗(yàn)中分別得到ImA/cm2和lOOmA/cm2的宏脈沖電流密度。中科大在2003-2006年做過微脈沖電子槍的模擬計(jì)算和特性分析以及相應(yīng)的陰極材料的研究。同時(shí)，中國工程物理研究院也做過微脈沖電子槍的理論分析和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。但是經(jīng)過了 20年的研究，這種基于二次電子倍增的微脈沖電子槍仍然沒有被投入實(shí)際應(yīng)用，其原因在于已有的微脈沖電子槍輸出電流并不穩(wěn)定，而微脈沖電子槍運(yùn)行的不穩(wěn)定性極大地阻礙了微脈沖電子槍的實(shí)際應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)微脈沖電子槍穩(wěn)定運(yùn)行的基于二次電子倍增的自穩(wěn)流微脈沖電子槍。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種基于二次電子倍增的自穩(wěn)流微脈沖電子槍，其特征在于:它包括一腔體、一陰極和一柵網(wǎng)；所述腔體一端連接所述陰極，所述陰極伸入所述腔體內(nèi)；所述腔體另一端連接所述柵網(wǎng)；所述腔體包括由內(nèi)凹腔體和柵極蓋板構(gòu)成的主腔體、兩個(gè)水槽外殼、三個(gè)管道法蘭、一個(gè)錐形波導(dǎo)和一個(gè)錐形波導(dǎo)法蘭；所述腔體中的各個(gè)部件都采用304不銹鋼制成；所述內(nèi)凹腔體一端面為圓弧形，另一端面為矩形，且其底部中心位置處開設(shè)有一圓形的凹槽，該凹槽的截面為梯形結(jié)構(gòu)，在所述凹槽周緣處設(shè)置有一圈臺(tái)階式結(jié)構(gòu)；在所述內(nèi)凹腔體頂部沿縱向軸方向開設(shè)有一貫通的圓孔，所述陰極伸入所述內(nèi)凹腔體的圓孔內(nèi)；在所述內(nèi)凹腔體的圓弧形端面?zhèn)妊貦M向軸方向開設(shè)有一與所述凹槽貫通的通道，在所述內(nèi)凹腔體的矩形端面?zhèn)妊貦M向軸方向也開設(shè)有一與所述凹槽貫通的矩形孔；所述柵極蓋板為T形管狀結(jié)構(gòu)，由頂部圓形蓋板和底部空心管一體成型；在所述柵極蓋板頂部圓形蓋板的中心軸線處開設(shè)有一與所述內(nèi)凹腔體上圓孔對(duì)應(yīng)設(shè)置的通孔，并且所述柵極蓋板頂部圓形蓋板卡設(shè)在所述凹槽周緣處的臺(tái)階式結(jié)構(gòu)上，并采用焊接將所述柵極蓋板與所述內(nèi)凹腔體連接成所述主腔體；在所述柵極蓋板底部空心管內(nèi)壁面上設(shè)置有螺紋，所述柵網(wǎng)通過所述通孔伸入所述柵極蓋板內(nèi)，并與所述柵極蓋板底部空心管螺紋連接；兩所述水槽外殼分別焊接在所述主腔體兩端，其中一個(gè)所述水槽外殼焊接在所述內(nèi)凹腔體頂部，另一個(gè)所述水槽外殼焊接在連接有所述柵極蓋板的所述內(nèi)凹腔體底部；在兩所述水槽外殼的中心軸線位置處都開設(shè)有孔；第一個(gè)所述管道法蘭與所述陰極連接，第一個(gè)所述管道法蘭的管道穿過所述水槽外殼的孔后與所述內(nèi)凹腔體頂部連接，且第一個(gè)所述管道法蘭的管道與所述凹槽上的圓孔同心設(shè)置，在第一個(gè)所述管道法蘭與所述水槽外殼的孔連接處采用焊接密封；第二個(gè)所述管道法蘭與所述柵極蓋板底部空心管焊接在一起，第二個(gè)所述管道法蘭的管道與所述柵極蓋板的通孔、內(nèi)凹腔體的圓孔同心設(shè)置；第三個(gè)所述管道法蘭焊接在所述內(nèi)凹腔體圓弧形端面上作為微波提取端，第三個(gè)所述管道法蘭的管道與所述內(nèi)凹腔體圓弧形端面上的通道同心設(shè)置；所述錐形波導(dǎo)出口端焊接在所述內(nèi)凹腔體矩形端面上，且所述錐形波導(dǎo)的通道通過所述矩形孔與所述凹槽貫通；所述錐形波導(dǎo)入口端焊接有所述錐形波導(dǎo)法蘭，通過所述錐形波導(dǎo)法蘭連接微波功率源。
[0006]所述陰極包括微分直線導(dǎo)入器、陰極桿和陰極片；所述微分直線導(dǎo)入器后端的連接盤與第一個(gè)所述管道法蘭焊接，所述微分直線導(dǎo)入器前端設(shè)置有用于與所述陰極桿一端連接的內(nèi)螺紋；所述陰極桿另一端端部點(diǎn)焊連接所述陰極片，且所述陰極桿點(diǎn)焊有所述陰極片的一端經(jīng)第一個(gè)所述管道法蘭的管道伸入所述內(nèi)凹腔體的圓孔內(nèi)。
[0007]所述陰極桿采用紫銅加工制成，所述陰極片采用銅鎂鋁合金制成。
[0008]所述微分直線導(dǎo)入器的調(diào)節(jié)桿上設(shè)置有用于調(diào)節(jié)所述陰極位置的千分尺。
[0009]所述柵網(wǎng)包括柵網(wǎng)片和柵網(wǎng)底座，所述柵網(wǎng)片經(jīng)點(diǎn)焊與所述柵網(wǎng)底座連接，所述柵網(wǎng)底座上設(shè)置有外螺紋，與所述柵極蓋板底部空心管螺紋連接。
[0010]所述柵網(wǎng)底座采用紫銅加工制成，所述柵網(wǎng)片由304不銹鋼片采用微孔刻蝕方法制作而成，所述柵網(wǎng)片的網(wǎng)孔孔徑和網(wǎng)孔間距根據(jù)所述陰極和柵網(wǎng)的二次電子倍增特性調(diào)難
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[0011]所述柵網(wǎng)片的厚度為0.1mm，直徑為10mm，并在中間直徑為8mm范圍內(nèi)開孔，網(wǎng)孔孔徑為0.2mm,網(wǎng)孔間距為0.7mm。
[0012]本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn):1、本發(fā)明由于綜合考慮了腔內(nèi)的束流負(fù)載效應(yīng)以及陰極材料的二次電子倍增特性，選取合適的能區(qū)，通過束流負(fù)載的負(fù)反饋調(diào)節(jié)作用使得微脈沖電子槍能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。2、本發(fā)明可以通過對(duì)微波功率的調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)束流負(fù)載的大小，從而改變輸出電流的大小。即本發(fā)明的輸出電流在一定程度上是可以手動(dòng)調(diào)節(jié)的。3、本發(fā)明由于電子工作在較低能區(qū)，而對(duì)微波功率的要求不高，可以在常溫下實(shí)現(xiàn)CW運(yùn)行，從而可以得到較高的平均流強(qiáng)。4、本發(fā)明將腔體采用內(nèi)凹腔體和柵極蓋板焊接而成，采用內(nèi)凹式的腔體結(jié)構(gòu)一方面可以將腔內(nèi)的電場(chǎng)區(qū)域和磁場(chǎng)區(qū)域分開，使得陰極和柵網(wǎng)所處的區(qū)域基本為純電場(chǎng)區(qū)，電子的運(yùn)動(dòng)基本不受磁場(chǎng)的影響；另一方面是為了滿足電子能量對(duì)兩極間距的要求，當(dāng)微波電磁場(chǎng)頻率固定后，電子獲得的能量要小于
1.5KeV，則要求電子槍的兩極間距比較??；而且內(nèi)凹式腔體結(jié)構(gòu)還可以使得腔體側(cè)面較寬，便于安裝其他部件。5、本發(fā)明的內(nèi)凹腔體和柵極蓋板都采用304不銹鋼制成，其材料的選取決定了腔體的無載品質(zhì)因數(shù)和分路阻抗。而無載品質(zhì)因數(shù)和分路阻抗決定了在腔里建立起所需的微波電磁場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度所需要的微波功率。饋入的微波功率相對(duì)于束流負(fù)載不能過大，才能對(duì)腔的狀態(tài)進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)。6、本發(fā)明陰極片采用銅鎂鋁合金制成，柵網(wǎng)底座采用紫銅加工制成，柵網(wǎng)片由304不銹鋼片采用微孔刻蝕方法制作而成，陰極片的材料和柵網(wǎng)的材料決定了總的二次電子倍增曲線的形狀，而通過對(duì)柵網(wǎng)的透射率的調(diào)節(jié)可以控制總的二次電子倍增曲線的高低，因此不同的陰極和柵網(wǎng)材料對(duì)應(yīng)的合適的柵網(wǎng)透射率是不一樣的。而柵網(wǎng)的透射率可以通過網(wǎng)孔的大小和間距經(jīng)行調(diào)節(jié)。綜上訴述，本發(fā)明的腔型結(jié)構(gòu)是為了使電子槍工作點(diǎn)處在2856MHz的頻率和低于1.5KeV的電子能量輸出。這樣通過功率、陰極位置等參數(shù)的調(diào)節(jié)，電子槍腔內(nèi)會(huì)自動(dòng)建立起負(fù)反饋機(jī)制，形成穩(wěn)定的輸出電流。采用本發(fā)明的技術(shù)方案制作的電子槍在實(shí)際運(yùn)行中，與已有技術(shù)相比能得到更穩(wěn)定更可控的輸出電流。本發(fā)明可以廣泛在微波電子槍領(lǐng)域中應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2是圖1的剖視圖；
[0015]圖3是本發(fā)明的組裝結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖4是本發(fā)明的腔體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖5是本發(fā)明的內(nèi)凹腔體和柵極蓋板結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖6是本發(fā)明的陰極結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖7是本發(fā)明的柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖8是本發(fā)明實(shí)施例中實(shí)驗(yàn)過程示意圖；
[0021]圖9是本發(fā)明的二次電子倍增特性曲線示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0023]如圖1?圖3所示，本發(fā)明包括一腔體1、一陰極2和一柵網(wǎng)3。腔體I 一端連接陰極2，陰極2伸入腔體I內(nèi)；腔體I另一端連接?xùn)啪W(wǎng)3。其中，腔體I包括由內(nèi)凹腔體4和柵極蓋板5構(gòu)成的主腔體、兩個(gè)水槽外殼6、三個(gè)管道法蘭7、一個(gè)錐形波導(dǎo)8和一個(gè)錐形波導(dǎo)法蘭9 ;柵極蓋板5焊接在內(nèi)凹腔體4下方形成主腔體。腔體I中的各個(gè)部件都是采用304不銹鋼制成。
[0024]如圖4、圖5所示，內(nèi)凹腔體4采用類似圓盤結(jié)構(gòu)，其一端面為圓弧形，另一端面為矩形，且其底部中心位置處開設(shè)有一圓形的凹槽41，該凹槽41的截面為梯形結(jié)構(gòu)，并在凹槽41周緣處設(shè)置有一圈臺(tái)階式結(jié)構(gòu)42。在內(nèi)凹腔體4頂部沿縱向軸方向開設(shè)有一貫通的圓孔43,陰極2伸入內(nèi)凹腔體4的圓孔43內(nèi)。在內(nèi)凹腔體4的圓弧形端面?zhèn)妊貦M向軸方向開設(shè)有一與凹槽41貫通的通道44,在內(nèi)凹腔體4的矩形端面?zhèn)妊貦M向軸方向也開設(shè)有一與凹槽41貫通的矩形孔45。其中，本發(fā)明優(yōu)選圓孔43直徑為8mm。
[0025]柵極蓋板5為T形管狀結(jié)構(gòu)，由頂部圓形蓋板51和底部空心管52 —體成型。在柵極蓋板5頂部圓形蓋板51的中心軸線處開設(shè)有一與內(nèi)凹腔體4上圓孔43對(duì)應(yīng)設(shè)置的通孔53，并且柵極蓋板5頂部圓形蓋板51卡設(shè)在凹槽41周緣處的臺(tái)階式結(jié)構(gòu)42上，并采用焊接將柵極蓋板5與內(nèi)凹腔體4連接成主腔體。在柵極蓋板5底部空心管52內(nèi)壁面上設(shè)置有螺紋，柵網(wǎng)3通過通孔53伸入柵極蓋板5內(nèi)，并與柵極蓋板5底部空心管52螺紋連接。其中，本發(fā)明優(yōu)選通孔53的直徑為IOmm,頂部圓形蓋板51與凹槽41之間縱向最小間隙為2mm。為了提高主腔體內(nèi)表面光潔度，在內(nèi)凹腔體4和柵極蓋板5加工成型后，進(jìn)行電拋光處理。
[0026]兩水槽外殼6分別焊接在主腔體兩端，即其中一個(gè)水槽外殼6焊接在內(nèi)凹腔體4頂部，另一個(gè)水槽外殼6焊接在連接有柵極蓋板5的內(nèi)凹腔體4底部。在兩水槽外殼6的中心軸線位置處都開設(shè)有孔，位于內(nèi)凹腔體4頂部的水槽外殼6上的孔直徑與第一個(gè)管道法蘭7直徑呈匹配設(shè)置，位于內(nèi)凹腔體4底部的另一個(gè)水槽外殼6上的孔直徑與柵極蓋板5底部空心管52直徑呈匹配設(shè)置，柵極蓋板5底部空心管52穿過另一個(gè)水槽外殼6上的孔，并在與孔的連接處采用焊接密封。
[0027]第一個(gè)管道法蘭7與陰極2連接，第一個(gè)管道法蘭7的管道穿過水槽外殼6的孔后與內(nèi)凹腔體4頂部連接，且第一個(gè)管道法蘭7的管道與凹槽41上的圓孔43同心設(shè)置，在第一個(gè)管道法蘭7與水槽外殼6的孔連接處采用焊接密封。第二個(gè)管道法蘭7作為輸出端，其與柵極蓋板5底部空心管52焊接在一起，第二個(gè)管道法蘭7的管道與柵極蓋板5的通孔53、內(nèi)凹腔體4的圓孔43同心設(shè)置。第三個(gè)管道法蘭7焊接在內(nèi)凹腔體4圓弧形端面上作為微波提取端，第三個(gè)管道法蘭7的管道與內(nèi)凹腔體4圓弧形端面上的通道44同心設(shè)置。其中，本發(fā)明優(yōu)選第一個(gè)法蘭d型號(hào)為CF35系列，第二個(gè)和第三個(gè)法蘭d型號(hào)都為CF25系列。
[0028]錐形波導(dǎo)8作為微波饋入端，錐形波導(dǎo)8出口端焊接在內(nèi)凹腔體4矩形端面上，且錐形波導(dǎo)8的通道通過內(nèi)凹腔體4矩形端面上的矩形孔45與凹槽41貫通。錐形波導(dǎo)8入口端焊接有錐形波導(dǎo)法蘭9，通過錐形波導(dǎo)法蘭9連接微波功率源。
[0029]上述實(shí)施例中，如圖6所示，陰極2包括微分直線導(dǎo)入器21、陰極桿22和陰極片23。微分直線導(dǎo)入器21的連接盤與第一個(gè)管道法蘭7焊接，并在微分直線導(dǎo)入器21前端設(shè)置有內(nèi)螺紋，用于與陰極桿22 —端螺紋連接。陰極桿22另一端端部點(diǎn)焊連接陰極片23，且陰極桿22點(diǎn)焊有陰極片23的一端經(jīng)第一個(gè)管道法蘭7的管道伸入內(nèi)凹腔體4的圓孔43內(nèi)。其中，微分直線導(dǎo)入器21的調(diào)節(jié)桿上設(shè)置有千分尺，可精確調(diào)節(jié)陰極2位置，調(diào)節(jié)精度達(dá)0.0lmm0陰極桿22采用紫銅加工制成，陰極片23采用銅鎂鋁合金制成，銅鎂鋁合金是一種二次電子倍增材料。
[0030]上述各實(shí)施例中，如圖7所示，柵網(wǎng)3包括柵網(wǎng)片31和柵網(wǎng)底座32，柵網(wǎng)片31經(jīng)點(diǎn)焊與柵網(wǎng)底座32連接，柵網(wǎng)底座32上設(shè)置有外螺紋，以便與柵極蓋板5底部空心管52螺紋連接。
[0031]上述實(shí)施例中，柵網(wǎng)底座32采用紫銅加工制成，柵網(wǎng)片31由304不銹鋼片采用微孔刻蝕方法制作而成，柵網(wǎng)片31的網(wǎng)孔孔徑和網(wǎng)孔間距可根據(jù)陰極2和柵網(wǎng)3的二次電子倍增特性設(shè)計(jì)調(diào)整。本發(fā)明優(yōu)選柵網(wǎng)片31的厚度為0.1_，直徑為10_，并在中間直徑為8mm范圍內(nèi)開孔，網(wǎng)孔孔徑為0.2mm,網(wǎng)孔間距為0.7mm。
[0032]實(shí)施例:如圖8所示，本實(shí)施例中，將基于二次電子倍增的自穩(wěn)流微脈沖電子槍安裝在已有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，錐形波導(dǎo)8經(jīng)錐形波導(dǎo)法蘭9連接三通的T型波導(dǎo)，該T型波導(dǎo)一端連接微波功率源，一端連接主腔體，一端連接真空泵；在已有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，信號(hào)源和脈沖調(diào)制器分別連接功率放大器輸入端，功率放大器輸出端依次經(jīng)定向耦合器、波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器、陶瓷窗和T型波導(dǎo)連接錐形波導(dǎo)法蘭9 ;定向耦合器的兩輸出端分別經(jīng)由耦合器和衰減器構(gòu)成的串聯(lián)支路連接至峰值功率計(jì)。其中，每一串聯(lián)支路中的耦合器還分別經(jīng)一檢波器連接至示波器。電子槍中第二個(gè)管道法蘭7連接法拉第筒，法拉第筒將采集的電子流傳輸至示波器，并在示波器與法拉第筒之間連接有接地負(fù)載。電子槍中第三個(gè)管道法蘭7依次通過衰減器、檢波器連接示波器，實(shí)現(xiàn)微波的提取。在電子槍上，通過第三個(gè)管道法蘭7還可以連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。
[0033]本實(shí)驗(yàn)采用的功率放大器為IkW固態(tài)微波功率源，其工作頻率為2856MHz，最大脈沖寬度為15us，最高重復(fù)頻率為400Hz。與已有技術(shù)相比，該實(shí)驗(yàn)最大可提供的脈沖功率只有l(wèi)kW，遠(yuǎn)小于已有技術(shù)所需的微波功率(>50kW)，因此本發(fā)明的基于二次電子倍增的自穩(wěn)流微脈沖電子槍可采用同軸線纜進(jìn)行功率傳輸。本實(shí)驗(yàn)中采用的真空泵包括一個(gè)分子泵(帶有小機(jī)械泵)和一個(gè)3級(jí)離子泵，抽速均為70L/s。本發(fā)明的基于二次電子倍增的自穩(wěn)流微脈沖電子槍在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上需嚴(yán)格按照以下操作步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn):
[0034]I)將本發(fā)明基于二次電子倍增的自穩(wěn)流微脈沖電子槍與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組裝后，通過真空泵對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行真空密封、檢漏，確保實(shí)驗(yàn)平臺(tái)漏率小于10_9mbar*L/s。
[0035]2)打開分子泵，對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(包括電子槍)開始抽真空。半個(gè)小時(shí)后，打開電離真空計(jì)，監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置的真空度。
[0036]3)當(dāng)真空度低于10_2Pa時(shí)，開啟離子泵。
[0037]4)當(dāng)真空度低于的基于二次電子倍增的自穩(wěn)流微脈沖電子槍10_5Pa時(shí)，開啟信號(hào)源和微波功率源的電源開關(guān)進(jìn)行預(yù)熱。檢查各部件之間的連線是否正確，各連接頭是否擰緊。
[0038]5)校準(zhǔn)線纜，用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量電子槍的諧振頻率，通過微分直線導(dǎo)入器21調(diào)節(jié)陰極2位置，使電子槍的諧振頻率在2856MHz附近(±2MHz)。測(cè)量由錐形波導(dǎo)8與錐形波導(dǎo)法蘭9構(gòu)成的耦合端和由第三個(gè)法蘭d構(gòu)成的提取端的耦合系數(shù)。
[0039]6)設(shè)置信號(hào)源初始頻率為2856MHz，幅度為lOdbm，脈沖調(diào)制器的重復(fù)頻率為100Hz，按下微波功率源高壓按鈕，通過錐形波導(dǎo)8開始向電子槍的內(nèi)凹腔體4中饋入微波功率。
[0040]7)用峰值功率計(jì)監(jiān)測(cè)前進(jìn)波和反射波的信號(hào)，微調(diào)微分直線導(dǎo)入器21和信號(hào)源的頻率，在前進(jìn)波功率變化不大的前提下，使反射波的功率盡可能的減小。
[0041]8)逐步增大微波功率源的功率，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)示波器上束流的信號(hào)和峰值功率計(jì)上的反射波信號(hào)。當(dāng)微波功率增大到一定值時(shí)，反射波信號(hào)會(huì)出現(xiàn)較大幅度的抖動(dòng)，并在波峰上出現(xiàn)很多“毛刺”，說明內(nèi)凹腔體4內(nèi)出現(xiàn)了二次電子倍增現(xiàn)象。同時(shí)，在示波器上出現(xiàn)束流的信號(hào)。
[0042]9)再仔細(xì)調(diào)節(jié)微波功率源的功率以及信號(hào)源的頻率，使束流的信號(hào)增強(qiáng)并相對(duì)穩(wěn)定。記錄相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
[0043]10)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉微波功率源，再關(guān)閉信號(hào)源，最后關(guān)閉真空泵。
[0044]11)完成實(shí)驗(yàn)。
[0045]綜上所述，本發(fā)明以二次電子發(fā)射材料為陰極2，柵網(wǎng)3為陽極。在微波電磁場(chǎng)的作用下，內(nèi)凹腔體4內(nèi)的游離電子每經(jīng)過半個(gè)射頻周期就由一極運(yùn)動(dòng)到另一極，即從柵網(wǎng)3運(yùn)動(dòng)到陰極2或從陰極2運(yùn)動(dòng)到柵網(wǎng)3。在陰極2處，實(shí)現(xiàn)二次電子倍增；在柵網(wǎng)3處，一部分電子通過柵網(wǎng)片31透射出腔體I形成輸出束流，剩下的電子繼續(xù)留在腔體I里倍增。設(shè)陰極I的二次電子倍增系數(shù)為S1，柵網(wǎng)3的二次電子倍增系數(shù)為δ2，柵網(wǎng)3的透射率為Τ，則一個(gè)射頻周期里腔體I內(nèi)總的電子倍增值為:δ = δ^^Ι-Τ)。如圖9所示，根據(jù)一般材料的二次電子倍增特性，當(dāng)入射電子能量達(dá)到一定值Epeak (—般小于1.5KeV)時(shí)，對(duì)應(yīng)的二次電子倍增系數(shù)Smax最大。當(dāng)入射電子能量小于Epeak時(shí)，δ隨入射電子的能量增大而增大；當(dāng)入射電子能量大于Epeak時(shí)，δ隨入射電子的能量增大而減小。當(dāng)δ>1時(shí)，腔內(nèi)的電子數(shù)便會(huì)不斷地倍增。
[0046]已有的微脈沖電子槍為了得到較高能量的電子輸出都把工作區(qū)間選在較高能區(qū)，在腔內(nèi)建立很強(qiáng)的電磁場(chǎng)，輸入微波功率大于50KW，使得入射電子能量遠(yuǎn)大于Epeak。當(dāng)饋入的微波功率一定時(shí)，如果腔內(nèi)總的電子倍增值δ >1，隨著腔內(nèi)電子數(shù)的倍增，束流負(fù)載吸收的功率將迅速增加，從而導(dǎo)致腔壁損耗的功率減小，腔壓和場(chǎng)強(qiáng)降低，入射電子的能量變小，腔內(nèi)總的電子倍增值δ將進(jìn)一步增大，腔內(nèi)形成正反饋機(jī)制，腔壓和場(chǎng)強(qiáng)將不斷降低直到滑出電子諧振倍增的條件范圍導(dǎo)致束流崩潰；如果腔內(nèi)總的電子倍增值δ〈1，將無法形成有效的電子倍增。因此，要實(shí)現(xiàn)微脈沖電子槍的穩(wěn)定運(yùn)行必須要避免在腔內(nèi)形成正反饋機(jī)制而需要在腔內(nèi)形成負(fù)反饋機(jī)制。本發(fā)明就是將微脈沖電子槍的工作區(qū)間選在總的二次電子倍增特性曲線的上升區(qū)，即腔內(nèi)總的電子倍增值δ隨入射電子能量增大而增大的區(qū)間范圍(該范圍隨陰極和柵網(wǎng)材料不同而不同，其對(duì)應(yīng)的電子能量一般小于1.5KeV)，在電子槍腔內(nèi)形成腔壓與電子束流之間的負(fù)反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)微脈沖電子槍的穩(wěn)定運(yùn)行。
[0047]在該能區(qū)范圍內(nèi)，當(dāng)饋入的微波功率一定時(shí)，如果腔內(nèi)總的電子倍增值δ>1，隨著腔內(nèi)電子數(shù)的倍增，負(fù)載吸收的功率將迅速增加，從而導(dǎo)致腔壁損耗的功率減小，腔壓和場(chǎng)強(qiáng)降低，入射電子的能量變小，腔內(nèi)總的電子倍增值δ也將減小，腔內(nèi)電子數(shù)的倍增減弱；如果腔內(nèi)總的電子倍增值S〈1，隨著腔內(nèi)電子數(shù)的減少，負(fù)載吸收的功率也將減小，從而導(dǎo)致腔壁損耗的功率增大，腔壓和場(chǎng)強(qiáng)升高，入射電子的能量變大，腔內(nèi)總的電子倍增值δ也將變大，腔內(nèi)電子數(shù)的倍增增強(qiáng)。電子槍腔內(nèi)將形成負(fù)反饋機(jī)制，直到腔內(nèi)總的電子倍增值δ = 1，腔內(nèi)倍增的 電子數(shù)和透射的電子數(shù)達(dá)到平衡，束流負(fù)載不再增加，腔壓和場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到穩(wěn)定，輸出電流也達(dá)到穩(wěn)定，電子槍實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。
[0048]上述實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，其中腔體的形狀和結(jié)構(gòu)、柵網(wǎng)的網(wǎng)孔大小和網(wǎng)孔間距以及陰極倍增材料的選擇等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明裝置上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)或在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的微脈沖電子槍設(shè)計(jì)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
【權(quán)利要求】
1.一種基于二次電子倍增的自穩(wěn)流微脈沖電子槍，其特征在于:它包括一腔體、一陰極和一柵網(wǎng)；所述腔體一端連接所述陰極，所述陰極伸入所述腔體內(nèi)；所述腔體另一端連接所述柵網(wǎng)；所述腔體包括由內(nèi)凹腔體和柵極蓋板構(gòu)成的主腔體、兩個(gè)水槽外殼、三個(gè)管道法蘭、一個(gè)錐形波導(dǎo)和一個(gè)錐形波導(dǎo)法蘭；所述腔體中的各個(gè)部件都采用304不銹鋼制成； 所述內(nèi)凹腔體一端面為圓弧形，另一端面為矩形，且其底部中心位置處開設(shè)有一圓形的凹槽，該凹槽的截面為梯形結(jié)構(gòu)，在所述凹槽周緣處設(shè)置有一圈臺(tái)階式結(jié)構(gòu)；在所述內(nèi)凹腔體頂部沿縱向軸方向開設(shè)有一貫通的圓孔，所述陰極伸入所述內(nèi)凹腔體的圓孔內(nèi)；在所述內(nèi)凹腔體的圓弧形端面?zhèn)妊貦M向軸方向開設(shè)有一與所述凹槽貫通的通道，在所述內(nèi)凹腔體的矩形端面?zhèn)妊貦M向軸方向也開設(shè)有一與所述凹槽貫通的矩形孔； 所述柵極蓋板為T 形管狀結(jié)構(gòu)，由頂部圓形蓋板和底部空心管一體成型；在所述柵極蓋板頂部圓形蓋板的中心軸線處開設(shè)有一與所述內(nèi)凹腔體上圓孔對(duì)應(yīng)設(shè)置的通孔，并且所述柵極蓋板頂部圓形蓋板卡設(shè)在所述凹槽周緣處的臺(tái)階式結(jié)構(gòu)上，并采用焊接將所述柵極蓋板與所述內(nèi)凹腔體連接成所述主腔體；在所述柵極蓋板底部空心管內(nèi)壁面上設(shè)置有螺紋，所述柵網(wǎng)通過所述通孔伸入所述柵極蓋板內(nèi)，并與所述柵極蓋板底部空心管螺紋連接; 兩所述水槽外殼分別焊接在所述主腔體兩端，其中一個(gè)所述水槽外殼焊接在所述內(nèi)凹腔體頂部，另一個(gè)所述水槽外殼焊接在連接有所述柵極蓋板的所述內(nèi)凹腔體底部；在兩所述水槽外殼的中心軸線位置處都開設(shè)有孔； 第一個(gè)所述管道法蘭與所述陰極連接，第一個(gè)所述管道法蘭的管道穿過所述水槽外殼的孔后與所述內(nèi)凹腔體頂部連接，且第一個(gè)所述管道法蘭的管道與所述凹槽上的圓孔同心設(shè)置，在第一個(gè)所述管道法蘭與所述水槽外殼的孔連接處采用焊接密封；第二個(gè)所述管道法蘭與所述柵極蓋板底部空心管焊接在一起，第二個(gè)所述管道法蘭的管道與所述柵極蓋板的通孔、內(nèi)凹腔體的圓孔同心設(shè)置；第三個(gè)所述管道法蘭焊接在所述內(nèi)凹腔體圓弧形端面上作為微波提取端，第三個(gè)所述管道法蘭的管道與所述內(nèi)凹腔體圓弧形端面上的通道同心設(shè)置； 所述錐形波導(dǎo)出口端焊接在所述內(nèi)凹腔體矩形端面上，且所述錐形波導(dǎo)的通道通過所述矩形孔與所述凹槽貫通；所述錐形波導(dǎo)入口端焊接有所述錐形波導(dǎo)法蘭，通過所述錐形波導(dǎo)法蘭連接微波功率源。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于二次電子倍增的自穩(wěn)流微脈沖電子槍，其特征在于:所述陰極包括微分直線導(dǎo)入器、陰極桿和陰極片；所述微分直線導(dǎo)入器后端的連接盤與第一個(gè)所述管道法蘭焊接，所述微分直線導(dǎo)入器前端設(shè)置有用于與所述陰極桿一端連接的內(nèi)螺紋；所述陰極桿另一端端部點(diǎn)焊連接所述陰極片，且所述陰極桿點(diǎn)焊有所述陰極片的一端經(jīng)第一個(gè)所述管道法蘭的管道伸入所述內(nèi)凹腔體的圓孔內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所述的一種基于二次電子倍增的自穩(wěn)流微脈沖電子槍，其特征在于:所述陰極桿采用紫銅加工制成，所述陰極片采用銅鎂鋁合金制成。
4.如權(quán)利要求2所述的一種基于二次電子倍增的自穩(wěn)流微脈沖電子槍，其特征在于:所述微分直線導(dǎo)入器的調(diào)節(jié)桿上設(shè)置有用于調(diào)節(jié)所述陰極位置的千分尺。
5.如權(quán)利要求3所述的一種基于二次電子倍增的自穩(wěn)流微脈沖電子槍，其特征在于:所述微分直線導(dǎo)入器的調(diào)節(jié)桿上設(shè)置有用于調(diào)節(jié)所述陰極位置的千分尺。
6.如權(quán)利要求1~5任意一項(xiàng)所述的一種基于二次電子倍增的自穩(wěn)流微脈沖電子槍，其特征在于:所述柵網(wǎng)包括柵網(wǎng)片和柵網(wǎng)底座，所述柵網(wǎng)片經(jīng)點(diǎn)焊與所述柵網(wǎng)底座連接，所述柵網(wǎng)底座上設(shè)置有外螺紋，與所述柵極蓋板底部空心管螺紋連接。
7.如權(quán)利要求6所述的一種基于二次電子倍增的自穩(wěn)流微脈沖電子槍，其特征在于:所述柵網(wǎng)底座采用紫銅加工制成，所述柵網(wǎng)片由304不銹鋼片采用微孔刻蝕方法制作而成，所述柵網(wǎng)片的網(wǎng)孔孔徑和網(wǎng)孔間距根據(jù)所述陰極和柵網(wǎng)的二次電子倍增特性調(diào)整。
8.如權(quán)利要求6或7所述的一種基于二次電子倍增的自穩(wěn)流微脈沖電子槍，其特征在于:所述棚網(wǎng)片的厚度為0.1mm，直徑為10mm，并在中間直徑為8mm沮圍內(nèi)開孔，網(wǎng)孔孔徑為.0.2mm,網(wǎng)孔間距為0.7mm。
【文檔編號(hào)】H01J43/28GK104008947SQ201410257829
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月11日
【發(fā)明者】魯向陽, 周奎, 全勝文, 楊柳, 趙繼飛, 羅星, 楊自欽 申請(qǐng)人:北京大學(xué)