CN102522298A

CN102522298A - 椭圆形带状注电子枪

Info

Publication number: CN102522298A
Application number: CN2011104552515A
Authority: CN
Inventors: 段兆云; 唐先锋; 唐涛; 刁鹏; 王战亮; 宫玉彬; 魏彦玉
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2031-12-30
Also published as: CN102522298B

Abstract

该发明属于一种与行波管、返波管等配套用椭圆带状注电子枪，包括：壳体及设于壳体内的电热丝，阴极头发射面为平面的阴极组件，含四棱锥聚焦孔的聚焦极组件及位于壳体输出端口、其阳极孔为椭圆柱孔的阳极。该发明采用六硼化镧作为阴极头、并将阴极发射面将改为平面，同时采用轴截面为矩形的四棱锥孔作为聚焦孔、采用椭圆柱孔作为阳极孔；因而具有结构简单，加工方便，精度易于保证且器件易于小型化、生产成本低，阴极头发射的电流密度高、可有效提高器件的工作频率及电子注的电流密度，以及电子枪的输出功率高、使用寿命长等特点。克服了背景技术结构复杂、电子注的电流密度低且不均匀，在高温条件下工作阴极的蒸发率高、使用寿命短等缺陷。

Description

椭圆形带状注电子枪

技术领域

本发明属于真空电子器件领域，特别是一种椭圆带状注电子枪，该电子枪尤其适合与行波管、返波管等配套用。

背景技术

随着真空电子技术的发展，当传统的“O”型真空电子器件向毫米波以及更高波段发展时，由于工作频率的增加，器件的尺寸将变得越来越小，加工相应地就变得越来越困难；另外，由于空间电荷效应的限制，此类器件的电流密度的提高受到制约，其功率容量必然受到限制，进而导致器件的整体性能随着工作频率的提高而急剧下降。相对于传统的“O”型真空电子器件而言，带状注真空电子器件具有以下明显的优点：其一.由于结构简单，因而加工相对容易；其二.由于可以以较小的尺寸传输大电流，因而具有较大的输出功率；其三.由于带状电子注更靠近高频结构，因而有利于扩大互作用区域、对提高真空电子器件的效率有利。带状注真空电子器件由于具有上述的优点，在未来的大功率、高频率和小型化的发展趋势中具有明显的优势，从而引起了人们越来越多的关注和研究。

目前，带状电子注的产生主要有直接法和间接法。直接法是利用带状注电子枪直接产生带状电子注，带状注电子枪分为椭圆带状注电子枪和矩形带状注电子枪；间接法是利用圆形注电子枪加上非对称螺旋透镜产生带状电子注。在申请号为200810224901.3、发明名称为《一种椭圆形带状注电子枪结构》的专利文献公开了一种适用于W(75GHz-110GHz)波段带状注速调管的椭圆带状注电子枪，该电子枪包括：椭圆形柱面结构的阴极，内部空心椭圆渐变、外部跑道形状结构的聚焦电极，阳极头以及外壳。该电子枪在用于带状注速调管时、虽然在W波段具有高功率输出、体积小和结构紧凑等优点，但同时却存在：其一.该发明的带状注电子枪是采用皮尔斯方法设计的，其阴极的发射面为凹形柱面，因而当阴极尺寸较小时，凹形柱面阴极所产生电子注的电流密度将变得不均匀；其二.为与凹形柱面阴极配套、所采用的椭圆渐变的聚焦极，不但结构复杂，而且用于小尺寸阴极所发射的电子注聚焦时、其电子注边缘的轨迹将发生交叉，而导致层流性变差；其三.随着频率的增加，电子枪尺寸变得更小，该电子枪对其阴极发射面、聚焦极以及阳极头的椭圆锥孔的精度要求更高，椭圆形锥孔的加工难度大，不利于器件的小型化及工作频率的提高；其四.此类电子枪通常采用钡、钨材料作阴极、不但发射的电流密度低，如：钨(W)阴极的工作温度为2500K～2700K，发射电流密度为0.26～1.5A/cm²；氧化物阴极((Ba·Sr·Ca)O)的工作温度为900K～1000K，发射电流密度为0.81～5.0A/cm²；浸渍钡钨阴极(BaO-W)工作温度为1000K～1200K，发射电流密度为0.33～5.1A/cm²，而且此类阴极在高温条件下工作，其阴极的蒸发率高、使用寿命短。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，改进设计一种椭圆形带状注电子枪，以达到在确保电子枪的高输出功率的同时、简化其结构、有效降低加工难度及生产成本，实现器件小型化、有效提高器件的工作频率及电子注的电流密度，以及延长电子枪的使用寿命等目的。

本发明的解决方案是在背景技术基础上，将阴极发射面改为平面、同时采用轴截面为矩形的四棱锥孔作为聚焦极上的聚焦孔、采用椭圆柱孔作为阳极孔；从而在确保电子注的电流密度均匀及提高电子注的电流密度的基础上，简化其结构、有效降低加工难度及生产成本，实现器件小型化，提高电子枪的工作频率，延长其使用寿命；并采用具有更强电流发射能力的六硼化镧(LaB₆)作为电子枪的阴极以提高其电流发射的密度；本发明即以此实现其发明目的。因此本发明椭圆形带状注电子枪包括壳体及设于壳体内的电热丝，带阴极头的阴极组件，聚焦极组件及位于壳体输出端口的带阳极孔的阳极，关键在于带阴极头的阴极组件还包括阴极头固定筒，设有内、外隔热筒的连接套及阴极组件固定座，而阴极头为椭圆柱体、其发射面为平面；聚焦极组件包括设有聚焦孔的聚焦极及其固定筒、聚焦极组件固定座，其中聚焦孔为轴截面呈矩形的四棱锥孔；所述带阳极孔的阳极、其阳极孔为椭圆柱孔；阴极组件中的阴极头与阴极头固定筒焊接成一体、并通过连接套及阴极组件固定座与壳体紧固成一体，聚焦极与其固定筒焊接后、通过聚焦极组件固定座与壳体紧固成一体，而阳极则与壳体的输出端口紧固连接成一体，电热丝正极与固定于壳体上的连接板连接、并通过该连接板与外电源连接。

所述阴极头为椭圆柱体，其发射面(前端面)为平面并与电子枪中轴线垂直，椭圆柱体的厚0.5-1.5mm、长轴为2.5-4.5mm、短轴为0.8-1.2mm、材质为六硼化镧(LaB₆)。所述聚焦孔为轴截面呈矩形的四棱锥孔，四棱锥孔宽面的倾角为25°-35°、窄面倾角为55°-65°。所述阳极孔为椭圆柱孔，其椭圆柱孔的长轴为2.7-4.7mm、短轴为1-1.4mm。

本发明由于采用六硼化镧(LaB₆)作为阴极头、并将阴极发射面将改为平面，同时采用轴截面为矩形的四棱锥孔作为聚焦极上的聚焦孔、采用椭圆柱孔作为阳极孔，因而具有结构简单，加工方便，精度易于保证且器件易于小型化、生产成本低，阴极头发射的电流密度高、可有效提高器件的工作频率及电子注的电流密度，以及电子枪的输出功率高、使用寿命长等特点。

附图说明

图1为本发明椭圆带状注电子枪结构及具体实施方式结构示意图(剖视图)；

图2为俯视视图(A-A剖视图)。

图中：1-1.阴极头、1-2.阴极头固定筒、1-3.内隔热筒、1-4.外隔热筒、1-5.阴极组件固定座，2-1.聚焦极、2-2.聚焦极固定筒、2-3.聚焦极组件固定座，3-1.(电子枪)阳极、3-2.(电子枪)阳极固定座，4-1.电热丝、4-2.电热丝连接板，5.壳体。

具体实施方式

本实施方式以与140GHz的小型化平板型带状注器件中的行波管、返波管配套工作的椭圆带状注电子枪为例：阴极头1-1发射面为椭圆平面、厚1.0mm、长轴长3mm、短轴长1mm、材质为六硼化镧(LaB₆)，阴极头固定筒1-2壁厚0.2mm、长轴3mm、短轴1mm、轴向长3mm、材质为金属钽，内隔热筒1-3壁厚0.4mm、内径3mm、轴向长15mm、材质为金属铌，外隔热筒1-4壁厚0.2mm、内径5mm、轴向长14mm、材质为金属铌，阴极组件固定座1-5本实施方式采用带环板的筒形固定座、环板厚0.4mm、外径20mm、筒形固定座内径8.8mm、轴向高2mm、材质为金属铌；聚焦极2-1半径5mm、厚1mm、四棱锥孔内端矩形孔长3.2mm、宽1.2mm，聚焦极宽面倾角为30°、窄面倾角为60°、材质为金属钼，聚焦极固定筒2-2壁厚0.4mm、内径8mm、轴向长14mm、材质为金属钼，聚焦极组件固定座2-3本实施方式亦采用带环板的筒形固定座、环板厚0.4mm、外径20mm、筒形固定座内径8.8mm、材质为金属铌；(电子枪)阳极3-1半径5mm、厚1mm、中部椭圆柱阳极孔的长轴3.2mm、短轴1.2mm、材质为不锈钢，(电子枪)阳极固定座3-2环板厚0.2mm、外径23mm、筒形固定座内径20mm、材质为可伐合金，本实施方式阳极孔的内口端与阴极头1-1发射面之间的距离为6mm，电热丝4-1功率15W、其负极与阴极头1-1连接、正极与电热丝连接板4-2连接，壳体5内径15mm、外径20mm、轴向长30mm、材质为氧化铝95绝缘陶瓷。

本实施方式经仿真运行试验：在阳极电压为20kV、阴极工作温度为1800K～2000K时，阴极头1-1发射电流密度约为12.7A/cm²，经聚焦极2-1压缩，得到电子注电流为300mA，电子注腰处(顺轴向横截面最小处)的电子注密度为90A/cm²，椭圆形电子注长轴和短轴分别为3mm和0.14mm，即电子注的长轴和短轴比约为21。

Claims

1.一种椭圆形带状注电子枪，包括壳体及设于壳体内的电热丝，带阴极头的阴极组件，聚焦极组件及位于壳体输出端口的带阳极孔的阳极，其特征在于带阴极头的阴极组件还包括阴极头固定筒，设有内、外隔热筒的连接套及阴极组件固定座，而阴极头为椭圆柱体、其发射面为平面；聚焦极组件包括设有聚焦孔的聚焦极及其固定筒、聚焦极组件固定座，其中聚焦孔为轴截面呈矩形的四棱锥孔；所述带阳极孔的阳极、其阳极孔为椭圆柱孔；阴极组件中的阴极头与阴极头固定筒焊接成一体、并通过连接套及阴极组件固定座与壳体紧固成一体，聚焦极与其固定筒焊接后、通过聚焦极组件固定座与壳体紧固成一体，而阳极则与壳体的输出端口紧固连接成一体，电热丝正极与固定于壳体上的连接板连接、并通过该连接板与外电源连接。

2.按权利要求1所述椭圆形带状注电子枪，其特征在于所述阴极头为椭圆柱体、其发射面为平面并与电子枪中轴线垂直，椭圆柱体的厚0.5-1.5mm、长轴为2.5-4.5mm、短轴为0.8-1.2mm、材质为六硼化镧。

3.按权利要求1所述椭圆形带状注电子枪，其特征在于所述聚焦孔为轴截面呈矩形的四棱锥孔，四棱锥孔宽面的倾角为25°-35°、窄面倾角为55°-65°。

4.按权利要求1所述椭圆形带状注电子枪，其特征在于所述阳极孔为椭圆柱孔，其椭圆柱孔的长轴为2.7-4.7mm、短轴为1-1.4mm。