CN101291145A - 高频率、高电压电子开关 - Google Patents

Abstract

高频率、高电压电子开关。一种高频率，高电压电子开关(10)包括电子源(12)，转向机构(14)，罩或阳极板(16)，以及目标(18)。电子源(12)产生具有至少大约1kV的电压的撞击在所述阳极板(16)上的电子束(20)。转向机构(14)以至少大约10MHz的扫描频率横跨所述阳极板(16)来扫描电子束(20)。阳极板(16)上提供有洞或孔(22)以允许电子束(20)穿过且以非常高频的重复率和非常快的上升时间来产生目标(18)中的脉冲高压电流。目标(18)产生的所述脉冲高压电流能够用于引起高压源的开通和关断。

Description

高频率、高电压电子开关

技术领域

本发明一般地涉及一种开关电流的装置，以及更具体地，涉及一种在高压(几万伏)下在低于纳秒的上升时间内以几十兆赫兹的重复率开关电流的电子开关。

背景技术

阴极射线管(CRT)是在1897年由德国物理学家Karl Ferdinand Braun发明的。CRT是一种显示装置，其首先被用于计算机显示器、视频监视器、电视、雷达显示器以及示波器。直到二十世纪九十年代，由Philo Farnsworth的工作发展的CRT用于所有的电视机，以及实用的等离子体屏幕、液晶显示(LCD)电视、数字光处理(DLP)、有机发光二极管(OLED)显示器，以及其他技术的发展。由于CRT技术，即使是在提到非CRT机时，电视也获得了绰号“显像管”。

阴极射线管技术上是指任何采用电子束聚焦的电子真空管。阴极射线以由在真空管内其后端处的阴极加热而发射的高速电子流的形式存在。发射的电子由于施加在两个电极间的电压差而在管内形成束。接着，束被磁场或电场摄动(偏转)，以跟踪(“扫描”)屏幕(阳极)的内表面。屏幕由磷光涂层(通常是过渡金属或稀土元素)覆盖，当被电子激发时涂层发出可见光。

在电视机和现代计算机监视器中，管的整个前部区域以固定的称作光栅的模式被系统地扫描。通过用接收到的视频信号(或者由其而来的其它信号)调制电子束的强度，图象就产生了。在所有的现代电视机中，束被偏转，并且磁场被施加在带有“磁轭”(一组电子电路驱动的线圈)的管的颈部。这种使用电磁体来改变电子束初始方向被称为“磁偏转”。

电子束的源是电子枪，电子枪通过热例子发射(也称为爱迪生效应)产生电子流，并将电子聚焦成细的束。枪位于阴极射线管(CRT)的最后端处的窄的、圆柱形的颈部，且具有通常排列成圆形结构的从其末端延伸的电连接引脚。这些引脚提供至阴极、至枪内的用于聚焦和调制束的各种栅格元件，以及，在静电场偏转CRT中，至偏转板的外部连接。由于CRT具有热阴极装置，这些引脚还为电子枪提供至一个或多个丝状加热器的连接。电子束典型地以大约1MHz的频率被调制。电子束还能够采用冷发射产生。在这种情况中，单一的或多重小半径(sharp radius)的导体在真空中足够高的电压下被激发，以产生电子发射到真空中。接着，类似于CRT，电子被加速。

用于加速电子的高电压(EHT)由变压器提供。对于电视中使用的CRT，这通常是回扫变压器，其将行(水平的)偏转电源升高至用于彩色显像管的高达32kV(黑白显像管和特种CRT可运行在低一些的电压)。变压器的输出被整流，脉冲的输出电压被电子管自身形成的电容平滑(加速的阳极是一个板子，玻璃是电介质，以及电子管外侧上的接地(通地)涂层是另一个板子)。在早期的电视中，在回扫变压器的设计发明之前，采用线性高压电源，因为这些电源能够比回扫高压系统在它们的高电压时传输更大的电流。然而，在意外事故的情况下，它们被证实是极其致命的。回扫电路设计解决了这个问题；在故障的情况下，回扫系统传输相对小的电流，使得人幸免于来自高压阳极的直接电击的可能性更有希望(但是不可能确保)。

对于在示波器中的使用，设计有些不同。优于描绘出光栅，电子束被直接沿着任意路径转向，同时其强度保持恒定。在时域模式，即通常模式中，水平偏转与时间成正比(由示波器中的“扫描振荡器”测量，可视地以恒定的速度前进穿过屏幕)，且垂直偏转与测量到的信号成比例。在不常见的X-Y模式中，水平和垂直偏转都与测量到的信号成比例。电子枪总是位于电子管颈的中心，通过采用铝化的屏幕忽视或者减轻离子产生的问题。

设计用于示波器应用的电子管比设计用于光栅扫描应用的电子管更长且更窄，极大减小了需要的最大偏转角。这就允许使用静电偏转来替代磁偏转。在这种情况中，偏转通过经由嵌入电子管的颈部的偏转板施加电场而引起。这种方法允许电子束比磁场时更迅速得多地转向，其中电磁体的电感对能够在信号中被精确表示出的最大频率施加相对严格的限制。减小的偏转角也去除了电子束动态聚焦(在需要的高偏转速度下其难以达到)的任何需要。最后，被限制的角度更容易确保产生的偏转束是被追踪信号的线性函数。

到现在为止，不存在提供至少1kV、重复速率超过10MHz且纳秒上升时间的数千伏脉冲的装置。所以，有需要提供一种产生高电压脉冲、高频重复速率和纳秒上升时间的开关装置。

发明内容

简要地，一种电子开关包括用于发射电子束的电子源，该电子束具有至少大约1kV的束能量或电压V_beam和至少大约1安培的电流I_beam。转向机构以至少大约10MHz的扫描频率来偏转电子束。罩具有孔，从而使得以扫描频率横跨罩来扫描偏转的电子束。穿过孔的电子束撞击目标并且引起目标中的脉冲高压电流。

在本发明的另一个方面，一种高压高频电子开关包括产生至少1kV电压的电子束的电子枪。静电轭以至少大约10MHz的扫描频率来偏转电子束。阳极板具有孔，从而使得电子束以两倍的扫描频率穿过孔。穿过孔且撞击目标的电子束产生目标中的脉冲高压电流，其脉冲幅度由目标的阻抗和电子束的电流确定，脉冲宽度由孔的大小和扫描频率确定，以及上升时间由束大小和扫描频率确定。

在本发明的又一个方面，一种制造电子开关的方法包括下列步骤：

发射电子束，该电子束具有至少大约1kV的束能量或电压V_beam和至少大约1安培的电流I_beam；以及

以至少大约10MHz的扫描频率来偏转电子束，

其中，以所述扫描频率横跨具有孔的罩来扫描偏转的电子束，以及

其中，穿过孔的电子束撞击目标并且引起目标中的脉冲高压电流。

附图说明

当参考附图阅读下面的详细描述时，将会更好的理解本发明的这些和其它特征，方面以及优点，整个附图中相同的字符表示相同的部分，其中：

图1是根据一个典型实施例的高频高压电子开关的示意图；以及

图2是该典型实施例的作为时间的函数的幅度的曲线图。

具体实施方式

现在参考图1，根据本发明的一个典型实施例在10大体上示出高频高压电子开关的示意表示。大体上，电子开关10包括电子源12、转向机构14、罩16以及目标18。

电子源12可包括担当阴极且产生高能聚焦电子束20的电子枪，电子束20具有至少大约1kV的束能量或电压V_beam和至少大约1安培的电流I_beam。电子枪12可以被充电高达大约100kV，造成电子以大约100kV的能量击中罩16。电子枪12处于比阳极板16(和目标18)更高的电压以使电子束20朝着目标18加速。在该典型实施例中，电子枪12是2kV的电子枪，其提供聚焦电子束20，电子束20的直径为大约1英寸，且电子束20具有大约2kV±100V的束电压V_beam和足以在传输线负载中产生大约1kV的束电流I_beam(100欧姆线中的10安培将产生1kV)，且传统的聚焦和电流调制栅格的电压处于几百伏的阴极电压之内。应当理解，本发明不局限于电子源，并且本发明能够通过任何需要的用于产生高压聚焦电子束的装置来实现，例如同步加速器，等等。

转向机构14可包括引起电子束20的静电偏转的偏转线圈或轭。在该典型实施例中，转向机构14以频率大约12.5MHz的正弦波被调制。这样，在该典型实施例中，转向机构14造成电子束20以大约25.0MHz的速率扫描跨过罩16。应当理解，本发明不受转向机构14的频率限制，且大约12.5MHz的频率仅用于说明的目的。例如，转向机构14可具有大约10.0MHz或更高的正弦波频率。本发明不收转向电压的类型限制，且本发明能够通过任何需要的转向电压来实现，例如方波、三角波、锯齿波等等。

罩16可包括加速电子束20的主动冷却的阳极板。阳极板16可以以任何已知的方式被主动冷却，例如水，等等。阳极板16包括洞或孔22，用于允许电子束20穿过其中。例如，阳极板16直径可大约为1英尺，带有直径大约为1-2英寸(大约25-50mm)的洞或孔22。阳极板16，连同电子枪12和转向机构14，都连接至地。阳极板16可以由具有合适的热、磨损和腐蚀特性的材料制成。一组这样的材料可以是难熔金属，例如钨、钼、铌、钽、铼等等。

穿过阳极板16的孔或洞22的电子束20撞击目标18的表面或正面24。在该典型实施例中，目标18包括具有阻抗Z的传输线。传输线18可与装置(未示出)保持电气通信以提供高压高重复率脉冲电流至该装置。

如上面描述的，电子开关10能够以非常高的频率或者重复率和非常快的上升时间打开或关断高压源。应当理解，电子开关10的脉冲幅度、脉冲宽度和上升时间能够基于不同参数而被可选择地确定。具体地，脉冲幅度由束电流I_beam和线阻抗Z来确定。脉冲宽度由洞或孔22的大小和电子束20的扫描速率来确定。上升时间由电子束20的大小和扫描速率来确定。进一步的，脉冲形式可以通过改变罩16中洞或孔22的形式以及电子束20的聚焦而成形。

现在参考图2，例如，2kV的电子枪12具有大约2kV±100V的束能量V_beam，大约20安培的束电流I_beam，以及电子枪12的大约100V内的电子束控制电压。转向机构14由例如大约12.5MHz的正弦波频率来驱动。目标18具有大约50欧姆的阻抗，导致在满束电流I_beam条件下的大约1kV的电压。在该例中，电子开关10产生目标18中的电流，其脉冲幅度为大约1kV，脉冲宽度为大约10纳秒，频率或重复率为大约40纳秒(大约25MHz)，以及上升时间为大约1纳秒。这样，电子开关10能够以纳秒的上升时间(大约1至3纳秒)和数十兆赫兹(高于大约10MHz)的重复率来在高电压(至少1kV)下开关电流。

很多应用将会得益于电子开关10的高电压，高频率或重复率，以及快速上升时间。例如，电子开关10可以有效地驱动等离子体。其它应用包括，但不局限于，食物加工、水处理、医学系统/成像、以及军事应用。

这写下的描述采用例子来公开本发明，包括最佳模式，以及还使得任何本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明的专利范围由权利要求阐释，且包括其它那些本领域技术人员想到的例子。如果这些其它的例子具有区别于权利要求文字语言的结构性元件，或者他们包括了等同于与权利要求的文字语言没有大的区别的结构性元件，那么这些其它的例子也在权利要求的范围之内。

附图说明清单

10 电子开关

12 电子源(电子枪)

14 转向机构

16 罩(阳极板)

18 目标

20 电子束

22 孔或洞

24 表面或正面

Claims (9)

1、一种电子开关(10)，包括：

电子源(12)，用于发射电子束(20)，该电子束(20)具有至少大约1kV的束能量或电压V_beam和至少大约1安培的束电流I_beam；

转向机构(14)，用于以至少大约10MHz的扫描频率偏转所述电子束(20)；以及

具有孔(22)的罩(16)，以所述扫描频率横跨所述罩来扫描所述偏转的电子束(20)，

其中，穿过所述孔(22)的所述电子束(20)撞击目标(18)且引起所述目标(18)中的脉冲高压电流。

2、权利要求1所述的电子开关，其中所述电子源(12)包括电子枪。

3、权利要求1所述的电子开关，其中所述转向机构(14)包括静电轭。

4、权利要求1所述的电子开关，其中所述目标(18)包括传输线。

5、一种高电压、高频率电子开关(10)，包括：

电子枪(12)，产生具有至少大约1kV的电压的电子束(20)；

静电轭(14)，以至少大约10MHz的扫描频率偏转所述电子束(20)；以及

具有孔(22)的阳极板(16)，所述电子束(20)以两倍于所述扫描频率穿过所述孔(22)，

其中穿过所述孔(22)且撞击目标(18)的所述电子束(20)产生所述目标(18)中的脉冲高压电流，其脉冲幅度由所述目标(18)的阻抗和电子束(20)的电流来确定，脉冲宽度由所述孔(22)的大小和所述扫描频率来确定，以及上升时间由束大小和所述扫描频率来确定。

6、权利要求5所述的电子开关，其中所述目标(18)包括传输线。

7、权利要求5所述的电子开关，其中当所述电子束(20)的电流为大约2kV并且阻抗为大约50欧姆时，所述脉冲幅度为大约1kV。

8、权利要求5所述的电子开关，其中当所述电子束(20)的大小为大约1英寸以及所述扫描频率为大约12.5MHz时，所述上升时间为大约1纳秒。

9、一种制造电子开关(10)的方法，包括步骤：

发射电子束(20)，该电子束(20)具有至少大约1kV的束能量或电压V_beam和至少大约1安培的电流I_beam；以及

以至少大约10MHz的扫描频率偏转所述电子束(20)，

其中，以所述扫描频率横跨具有孔(22)的罩(16)来扫描所述偏转的所述电子束(20)，以及

其中，穿过所述孔(22)的所述电子束(20)撞击目标(18)并且引起所述目标(18)中的脉冲高压电流。

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