一種產(chǎn)生圓柱形多注強流相對論電子束的冷陰極的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種產(chǎn)生圓柱形多注強流相對論電子束的冷陰極，包括采用傳導(dǎo)率高、發(fā)射閾值高金屬材料，且具有外直徑相同的圓柱形結(jié)構(gòu)，互相之間同軸心并保持良好電連接的陰極桿、陰極桿過渡環(huán)、陰極桿過渡段、陰極座、陰極柱、陰極球頭；本實用新型中發(fā)射部件陰極球頭的表面場分布均勻因此具有均勻的電子發(fā)射密度，發(fā)射的多注圓柱形電子束各自相對自身中心呈對稱分布，在適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)磁場作用下，電子束在多注飄移管內(nèi)傳輸過程中的繞自身中心旋轉(zhuǎn)不容易造成電子束與飄移管壁的碰撞，具有較高的傳輸效率，漂移管內(nèi)電子束的空間位形保持不變，提高了束波轉(zhuǎn)換效率。
【專利說明】一種產(chǎn)生圓柱形多注強流相對論電子束的冷陰極

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及脈沖功率技術(shù)中的陰極【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種產(chǎn)生圓柱形多注強流相對論電子束的冷陰極，本實用新型可以應(yīng)用于高功率微波【技術(shù)領(lǐng)域】的微波產(chǎn)生系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]在脈沖功率技術(shù)中，陰極技術(shù)是一個重要分支，陰極產(chǎn)生電子束的能量、品質(zhì)等決定了脈沖功率源的應(yīng)用前景。高功率微波【技術(shù)領(lǐng)域】是脈沖功率技術(shù)的一個重要應(yīng)用方向。在高功率微波器件中，陰極所產(chǎn)生的電子束與電磁場相互作用，激勵或者放大微波信號。相對論速調(diào)管放大器(RKA)作為一種流行的高功率微波器件，具有功率高、效率高、相位和幅度穩(wěn)定等優(yōu)點，在高能粒子加速器、高功率雷達、新型通信系統(tǒng)等方面有著重要的應(yīng)用。隨著工作頻率的提高和輸出功率的增加，傳統(tǒng)單注速調(diào)管在強流工作時會產(chǎn)生強空間電荷作用力，進而使電子注聚焦困難、增加噪聲及陰極負載并降低器件效率。多注相對論速調(diào)管采用多個電子注并聯(lián)工作，可以保證每個電子注的導(dǎo)流系數(shù)較小，從而減小電子注內(nèi)部的空間電荷效應(yīng)，所需的引導(dǎo)磁場強度也較低，可以提高器件的輸出功率并獲得較高的束波轉(zhuǎn)換效率。
[0003]國內(nèi)外的多注R K A研究主要是基于熱陰極的兆瓦量級多注電子束，由于陰極發(fā)射能力限制使得熱陰極技術(shù)很難產(chǎn)生功率G W量級的電子束。就多注RKA而言，采用冷陰極有以下優(yōu)勢:
[0004]1、熱陰極需要熱子等加熱系統(tǒng)對陰極加熱到幾百至上千度，使陰極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而冷陰極對溫度沒有特殊要求，室溫下即可工作，結(jié)構(gòu)簡單且易加工。
[0005]2、熱陰極對真空度要求高，一般為(10_6?10_9) Pa，而冷陰極對真空度的要求較低，一般為(10_2 ?10_3) Pa。
[0006]3、熱陰極發(fā)射電流密度低，一般為幾十A/cm2，對功率GW量級電流幾KA的多注速調(diào)管來說，整個陰極發(fā)射面積大導(dǎo)致整個系統(tǒng)尺寸龐大、費用巨大(這也是Stanford只對系統(tǒng)進行了參數(shù)設(shè)計而未建立的原因)，而冷陰極發(fā)射電流密度可達幾KA/cm2，為熱陰極的幾百至上千倍，這樣使系統(tǒng)尺寸大大縮小且費用很低。
[0007]4、基于熱陰極的多注RKA需要對電子束進行壓縮才能引入到漂移管內(nèi)，這樣對引導(dǎo)磁場位形的精度要求較高且不易調(diào)節(jié)，而基于冷陰極的多注RKA不需對電子束進行壓縮，磁場設(shè)計較容易。
[0008]文獻《扇形多注強流相對論電子束的產(chǎn)生與傳輸研究》(作者吳濤等，發(fā)表于《物理學(xué)報》2 O I 2年第6 I卷第I 8期)中公布了一種基于冷陰極的GW量級扇形多注強流相對論電子束的產(chǎn)生與傳輸技術(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，扇形多注電子束，在空心飄移管傳輸過程中不僅會繞自身中心旋轉(zhuǎn)，還繞整個系統(tǒng)的中心旋轉(zhuǎn)；在多注扇形飄移管中只以自身為中心旋轉(zhuǎn)。實驗結(jié)果顯示扇形多注電子束產(chǎn)生過程中由于扇形陰極尖端存在局部強場強區(qū)域，因此發(fā)射的均勻性很不理想。另外在多注扇形飄移管中傳輸時，由于空間電磁場的作用扇形電子束不可避免的繞自身中心旋轉(zhuǎn)，這種旋轉(zhuǎn)造成電子束軌跡掠過的面積增加，這樣不但容易引起電子束與飄移管壁的碰撞，造成電子損失，影響電子束傳輸效率，還使得漂移管內(nèi)不同位置處的電子束空間位形不同，影響束波互作用。
實用新型內(nèi)容
[0009]本實用新型的目的是為了克服扇形多注電子束發(fā)射不均勻，并且傳輸過程中由于繞自身旋轉(zhuǎn)與飄移管壁碰撞造成電子損失的缺點，本實用新型提供了一種產(chǎn)生圓柱形多注強流相對論電子束的冷陰極。該陰極能夠產(chǎn)生均勻的多注電子束并實現(xiàn)在多注飄移管內(nèi)的高效率傳輸。
[0010]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案:
[0011]一種產(chǎn)生圓柱形多注強流相對論電子束的冷陰極，包括陰極桿、陰極桿過渡環(huán)、陰極桿過渡段、陰極座、陰極柱、陰極球頭；所述陰極桿的輸出方向設(shè)置有凸臺，所述陰極桿過渡環(huán)和陰極桿過渡段的一端依次套在在凸臺上；所述陰極座的一端設(shè)置有凸臺，陰極座的凸臺套在陰極桿過渡段的另一端內(nèi)；所述陰極座的另一端設(shè)置有陰極柱，陰極柱的端部設(shè)置有陰極球頭。
[0012]在上述技術(shù)方案中，所述陰極桿、陰極桿過渡環(huán)、陰極桿過渡段、陰極座具有外直徑相同的圓柱形結(jié)構(gòu)。
[0013]在上述技術(shù)方案中，所述陰極桿、陰極桿過渡環(huán)、陰極桿過渡段、陰極座具有同軸心、且內(nèi)部中空、且相互之間連接為一體。
[0014]在上述技術(shù)方案中，所述陰極桿與陰極桿過渡段之間設(shè)置有若干個陰極桿過渡環(huán)。
[0015]在上述技術(shù)方案中，所述陰極座表面設(shè)置有螺紋孔，陰極柱的一端通過螺紋與螺紋孔連接為一體。
[0016]在上述技術(shù)方案中，所述陰極座表面設(shè)置有若干個螺紋孔，每一個螺紋孔連接一根陰極柱。
[0017]在上述技術(shù)方案中，所述陰極柱圍繞陰極座軸心呈對稱均勻分布。
[0018]在上述技術(shù)方案中，所述陰極柱與陰極球頭之間通過螺紋連接。
[0019]本實用新型的工作原理是:在真空環(huán)境中給該多注冷陰極加一個負高電壓脈沖，電脈沖將沿陰極桿、陰極桿過渡環(huán)、陰極桿過渡段、陰極座、陰極柱傳輸至陰極球頭，與陰極桿、陰極座等相比較陰極球頭類似于尖端結(jié)構(gòu)，所以在陰極球頭外表面形成局部的強電場，并且球頭是半球形結(jié)構(gòu)表面電場分布比較均勻，在該均勻電場的作用下整個陰極球頭表面將逐步進入爆炸發(fā)射過程，從而在每個陰極球頭表面形成均勻的圓柱形電子注發(fā)射，并沿著外加引導(dǎo)磁場傳輸。在空間電磁場EXB的作用下，每注電子束在進入多注漂移管后將繞自身中心產(chǎn)生明顯的自旋，由于這些多注圓柱形電子束各自相對自身中心呈對稱分布，電子的繞自身旋轉(zhuǎn)不會改變電子束軌跡掠過的面積，即避免了電子束與飄移管壁的碰撞，又保證了漂移管內(nèi)電子束空間位形的統(tǒng)一，具有較高的傳輸和束波轉(zhuǎn)換效率。
[0020]綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本實用新型的有益效果是:
[0021]本實用新型中發(fā)射部件陰極球頭的表面場分布均勻因此具有均勻的電子發(fā)射密度，發(fā)射的多注圓柱形電子束各自相對自身中心呈對稱分布，在適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)磁場作用下，電子束在多注飄移管內(nèi)傳輸過程中的繞自身中心旋轉(zhuǎn)不容易造成電子束與飄移管壁的碰撞，具有較高的傳輸效率，漂移管內(nèi)電子束的空間位形保持不變，提高了束波轉(zhuǎn)換效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]本實用新型將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
[0023]圖1是本實用新型的實施例一的剖視圖；
[0024]圖2是本實用新型的實施例一的左視圖；
[0025]其中:1是陰極桿，2是陰極桿過渡環(huán)，3是陰極桿過渡段，4是陰極座，5是陰極柱，6是陰極球頭。

【具體實施方式】
[0026]如圖1所示，本實用新型主要由陰極桿、陰極桿過渡環(huán)、陰極桿過渡段、陰極座、陰極柱和陰極球頭等部分組成。陰極桿、陰極桿過渡環(huán)、陰極桿過渡段、陰極座均由傳導(dǎo)率高、發(fā)射閾值高金屬材料組成，一般采用不銹鋼；為了保證傳輸電場的均勻性，采用相同外直徑的同軸圓柱體結(jié)構(gòu)，并保持良好電連接。陰極桿、陰極桿過渡環(huán)、陰極桿過渡段、陰極座內(nèi)、外直徑，長度根據(jù)需要可調(diào)，陰極桿過渡環(huán)的數(shù)目根據(jù)需要可調(diào)。陰極座中心為尺寸根據(jù)需要可調(diào)的透氣孔，避免了陰極結(jié)構(gòu)隱藏氣體影響真空穩(wěn)定性。陰極座頂部外側(cè)及中心孔處為尺寸根據(jù)需要可調(diào)的圓弧結(jié)構(gòu)，避免了陰極座表面出現(xiàn)局部強電場區(qū)域。
[0027]如圖1及圖2所示，陰極座頂部圓周方向均布有一定數(shù)目的內(nèi)螺紋孔，內(nèi)螺紋孔的尺寸和數(shù)目根據(jù)需要可調(diào)。陰極柱采用高發(fā)射閾值金屬材料；底端為外螺紋結(jié)構(gòu)，其螺紋尺寸與陰極座頂部內(nèi)螺紋孔相匹配；頂端為內(nèi)螺紋或中空結(jié)構(gòu)。陰極柱的數(shù)目根據(jù)需要可調(diào)。陰極球頭采用低發(fā)射閾值冷陰極材料，底端為外螺紋或光滑圓柱體結(jié)構(gòu)，尺寸與陰極柱頂端內(nèi)螺紋匹配或中空結(jié)構(gòu)形成緊配合；陰極球頭頂端為半球體結(jié)構(gòu)，半球體的尺寸根據(jù)需要可調(diào)。
[0028]實施例1:
[0029]如圖1和圖2所示的產(chǎn)生圓柱形16注強流相對論電子束冷陰極結(jié)構(gòu)，陰極桿、陰極桿過渡環(huán)、陰極桿過渡段、陰極座為同軸心結(jié)構(gòu)，均采用不銹鋼材料，并保持良好電連接，外直徑均為54_。陰極桿長度為145_。陰極桿過渡環(huán)長度為50mm,數(shù)量為I。陰極桿過渡段長度為235mm;陰極座長度為45mm,中心開有直徑14mm透氣孔，陰極座頂部外側(cè)圓弧半徑為15mm,透氣孔處圓弧半徑為5mm,陰極座頂部直徑51mm圓周上均布了 16個M2內(nèi)螺紋孔。陰極柱采用不銹鋼材料，數(shù)量為16，外直徑為2.1mm，底端為M2外螺紋結(jié)構(gòu)，頂端為光滑圓柱體結(jié)構(gòu)。陰極球頭采用石墨材料，數(shù)量為16，半球頭尺寸為Rl.05_。該結(jié)構(gòu)陰極在陰陽極間距1.5cm、施加600kV電壓脈沖時產(chǎn)生總流強5kA圓柱形16注相對論電子束。在ITesla引導(dǎo)磁場作用下,通過半徑30mm的飄移管后，電子束傳輸效率為80%。
[0030]本實用新型并不局限于前述的【具體實施方式】。本實用新型擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組口 ο
【權(quán)利要求】
1.一種產(chǎn)生圓柱形多注強流相對論電子束的冷陰極，其特征在于包括陰極桿、陰極桿過渡環(huán)、陰極桿過渡段、陰極座、陰極柱、陰極球頭；所述陰極桿的輸出方向設(shè)置有凸臺，所述陰極桿過渡環(huán)和陰極桿過渡段的一端依次套在在凸臺上；所述陰極座的一端設(shè)置有凸臺，陰極座的凸臺套在陰極桿過渡段的另一端內(nèi)；所述陰極座的另一端設(shè)置有陰極柱，陰極柱的端部設(shè)置有陰極球頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生圓柱形多注強流相對論電子束的冷陰極，其特征在于所述陰極桿、陰極桿過渡環(huán)、陰極桿過渡段、陰極座具有外直徑相同的圓柱形結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種產(chǎn)生圓柱形多注強流相對論電子束的冷陰極，其特征在于所述陰極桿、陰極桿過渡環(huán)、陰極桿過渡段、陰極座具有同軸心、且內(nèi)部中空、且相互之間連接為一體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生圓柱形多注強流相對論電子束的冷陰極，其特征在于所述陰極桿與陰極桿過渡段之間設(shè)置有若干個陰極桿過渡環(huán)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生圓柱形多注強流相對論電子束的冷陰極，其特征在于所述陰極座表面設(shè)置有螺紋孔，陰極柱的一端通過螺紋與螺紋孔連接為一體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種產(chǎn)生圓柱形多注強流相對論電子束的冷陰極，其特征在于所述陰極座表面設(shè)置有若干個螺紋孔，每一個螺紋孔連接一根陰極柱。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種產(chǎn)生圓柱形多注強流相對論電子束的冷陰極，其特征在于所述陰極柱圍繞陰極座軸心呈對稱均勻分布。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生圓柱形多注強流相對論電子束的冷陰極，其特征在于所述陰極柱與陰極球頭之間通過螺紋連接。
【文檔編號】H01J23/04GK204155898SQ201420663687
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年11月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月10日
【發(fā)明者】王淦平, 許州, 李春霞, 黃華, 劉振幫, 陳昭福, 譚杰, 羅敏, 康強, 向飛, 李文君 申請人:中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所