CN103489745B - 基于冷阴极产生径向电子束的无箔二极管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于冷阴极产生径向电子束的无箔二极管，主要解决了现有技术中存在的产生电子束的实现难度较大、束流密度较高，所需外加引导磁场强度较高，不能满足技术发展需求的问题。其包括由圆柱导体构成的阴极支撑杆（1），一侧下方与阴极支撑杆（1）相连、由圆盘导体构成的发射盘，位于发射盘正上方的径向传输线（4），分别连接于径向传输线（4）与发射盘距离最近一端两侧的第一阳极壁（2）和第二阳极壁（8），位于发射盘外侧、一端与第一阳极壁（2）或第二阳极壁（8）连接径向传输线（4）一端相对的另一端相连的第三阳极壁（9）。通过上述方案，本发明达到了易于实施，符合技术发展需求的目的。

Description

基于冷阴极产生径向电子束的无箔二极管

技术领域

本发明涉及一种无箔二极管，具体地说，是涉及一种基于冷阴极产生径向电子束的无箔二极管。

背景技术

在高功率微波源的发展过程中，高功率、高效率和小型化成为大多数高功率微波源的发展方向。在束波转换效率不变的情况下，提高微波源输出功率的途径为增加电子束的束压或束流，然而增加束压会提高脉冲功率系统的绝缘难度，进而增加脉冲功率系统的体积或重量，同时二极管内非发射面区域场强击穿的可能性也会随之增加；相同横截面下提高电流会造成电子束束流密度增加，空间电荷效应变强，维持束流传输所需引导磁场强度增强，进而使引导磁场系统的体积或功耗增加，同时空间电荷效应的增强使束波转换效率降低，进而使系统的整体效率降低。

近年来，大横纵比横截面电子束的高功率微波源因具有实现高功率微波系统的高效率和小型化的特点而受到了广泛的关注，相同束流下径向电子束由于具有较大的横截面，因此其束流密度和空间电荷效应较低，进而可以在获得较高的束波转换效率的同时减小对引导磁场强度的需求，同样有利于实现高功率微波系统的高效率和小型化。目前产生径向电子束的方法有两种，一种是通过同轴二极管实现，由于同轴二极管的结构中包含阳极箔，因而电子束在穿透阳极网的过程中存在电子束散射和通过率减小以及二极管区域污染问题；另一种是通过皮尔斯电子枪产生径向电子束，皮尔斯电子枪在工作的过程中使用热阴极产生径向电子束，然而其实现难度较大，电子枪自身结构较为复杂，不能满足技术发展需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于冷阴极产生径向电子束的无箔二极管，主要解决现有技术中存在的产生电子束的实现难度较大、束流密度较高，所需外加引导磁场强度较高，不能满足技术发展需求的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于冷阴极产生径向电子束的无箔二极管，包括由圆柱导体构成的阴极支撑杆，一侧下方与阴极支撑杆相连、由圆盘导体构成的发射盘，位于发射盘正上方的径向传输线，分别连接于径向传输线与发射盘距离最近一端两侧的第一阳极壁和第二阳极壁，位于发射盘外侧、一端与第一阳极壁或第二阳极壁连接径向传输线一端相对的另一端相连的第三阳极壁，所述径向传输线、第一阳极壁、第二阳极壁和第三阳极壁均由导体构成。

进一步地，所述发射盘上方的左右两侧连接有呈倒弧结构的圆盘导体。

本发明中，所述径向传输线的中心线和发射盘的中心线重合。

更进一步地，所述径向传输线与第一阳极壁、第二阳极壁之间分别通过倒弧连接。

具体地说，所述第一阳极壁、第二阳极壁和第三阳极壁与阴极支撑杆和发射盘之间存在间隙，它们之间的间隙满足阴极支撑杆和圆盘导体的表面场强值小于金属导体的发射阈值且发射盘表面的场强值大于其材料的发射阈值。

再进一步地，所述径向传输线由两个相互平行的导体构成，第一阳极壁和第二阳极壁通过倒弧分别与构成径向传输线的两个导体垂直连接，第三阳极壁与第一阳极壁或第二阳极壁垂直相接。

作为优选，所述发射体为盘形或环形。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明中取消了阳极箔，从而有效避免了电子束穿透阳极网造成的散射和通过率的减小、二极管区域污染的问题，二极管产生的径向电子束束流密度较低，因而具有较高的束波转化效率，维持束流传输所需引导磁场强度较低且传输过程中所需引导磁场强度逐渐降低，因而有利于降低聚焦系统重量或功耗，有利于实现系统的高效率和小型化，具有突出的实质性特点和显著进步，适合大规模推广应用。

（2）本发明通过将阴极支撑杆、阳极壁、发射盘等设置为特定形状结构，使得本发明整体结构简单紧凑、易于实现，且产生的径向电子束束流密度较小，对外加引导磁场强度需求低，能够充分满足技术需求，适合大规模推广应用。

附图说明

图1为本发明的剖视图。

上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：

1-阴极支撑杆，2-第一阳极壁，3-倒弧，4-径向传输线，5-第一发射体，6-第二发射体，7-圆盘导体，8-第二阳极壁，9-第三阳极壁。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

为了解决现有技术中存在的产生电子束的实现难度较大、束流密度较高，所需外加引导磁场强度较高，不能满足技术发展需求的问题，如图1所示，本发明公开了一种基于冷阴极产生径向电子束的无箔二极管，其内部包括由具有一定半径的圆柱导体构成的阴极支撑杆1，由具有一定厚度的圆盘导体构成的发射盘，其外部包括由导体构成的第一阳极壁2、第二阳极壁8、第三阳极壁9和两块相互平行导体构成的径向传输线4，第一阳极壁2和第二阳极壁8分别位于径向传输线4两侧，与对应的构成径向传输线4的导体连接。.

发射盘为具有一定厚度的盘形或环形发射体，其左右两侧连接有圆盘导体7，该圆盘导体7为具有一定半径的倒弧；

在外加电压下第一阳极壁2、第二阳极壁8、第三阳极壁9与阴极支撑杆1和发射盘之间的间距满足阴极支撑杆1和圆盘导体7的表面场强值小于金属导体的发射阈值且发射盘的表面场强值大于其材料发射阈值的条件；

发射盘的中心线与径向传输线4的中心线重合；

第一阳极壁2、第二阳极壁8、第三阳极壁9与对应的径向传输线4之间使用一定半径的倒弧3连接，该倒弧为导体构成。

本发明中，径向电子束产生的过程如下：

外加电压脉冲在阴阳极之间形成电场，阴极支撑杆1和圆盘导体7的表面场强值小于金属导体的发射阈值且发射盘的表面场强值大于其材料发射阈值，电子从发射盘表面发射出来后，忽略速度零散条件下电子仅具有径向方向的速度，通过外加引导磁场来约束电子束的轴向扩张，电子束通过阴阳极间隙并在径向线中传输，从而实现了径向电子束的产生与稳定传输。

本实施例中优选将发射盘设置为由环形第一发射体5和盘形第二发射体6构成。

下面给出用于产生2GW的径向电子束功率时，本实施例的具体尺寸为：

导体1半径20mm、轴向长30mm；导体2内半径115mm、外半径117mm、轴向长44.5mm；导体3倒弧半径2mm；导体4内半径117mm、外半径217mm、轴向长2mm，两壁之间的间距为5mm；导体5半径100mm、轴向长2mm；导体6半径70mm、轴向长30mm；导体7倒弧半径30mm；导体8内半径115mm、外半径117mm，轴向长44.5mm；导体9半径117mm、轴向长2mm。

经数值模拟结果表明：本实施例产生的径向电子束束压为300kV，束流为6.7kA，在磁场空间分布由径向100mm处0.35T均匀减小至径向215mm处0.148T的条件下，轴向方向束宽的最大值为1.3mm，仿真中并未发现阴极表面场强大于金属发射阈值的问题。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。

Claims (6)

1.基于冷阴极产生径向电子束的无箔二极管，其特征在于，包括由圆柱导体构成的阴极支撑杆（1），一侧下方与阴极支撑杆（1）相连、由圆盘导体构成的发射盘，位于发射盘正上方的径向传输线（4），分别连接于径向传输线（4）与发射盘距离最近一端两侧的第一阳极壁（2）和第二阳极壁（8），位于发射盘外侧、一端与第一阳极壁（2）或第二阳极壁（8）连接径向传输线（4）一端相对的另一端相连的第三阳极壁（9），所述径向传输线（4）、第一阳极壁（2）、第二阳极壁（8）和第三阳极壁（9）均由导体构成。

2.根据权利要求1所述的基于冷阴极产生径向电子束的无箔二极管，其特征在于，所述发射盘上方的左右两侧连接有呈倒弧结构的圆盘导体（7）。

3.根据权利要求2所述的基于冷阴极产生径向电子束的无箔二极管，其特征在于，所述径向传输线（4）的中心线和发射盘的中心线重合。

4.根据权利要求3所述的基于冷阴极产生径向电子束的无箔二极管，其特征在于，所述径向传输线（4）与第一阳极壁（2）、第二阳极壁（8）之间分别通过倒弧（3）连接。

5.根据权利要求4所述的基于冷阴极产生径向电子束的无箔二极管，其特征在于，所述第一阳极壁（2）、第二阳极壁（8）和第三阳极壁（9）与阴极支撑杆（1）和发射盘之间存在间隙，它们之间的间隙满足阴极支撑杆（1）和圆盘导体（7）的表面场强值小于金属导体的发射阈值且发射盘表面的场强值大于其材料的发射阈值。

6.根据权利要求5所述的基于冷阴极产生径向电子束的无箔二极管，其特征在于，所述径向传输线（4）由两个相互平行的导体构成，第一阳极壁（2）和第二阳极壁（8）通过倒弧（3）分别与构成径向传输线（4）的两个导体垂直连接，第三阳极壁（9）与第一阳极壁（2）或第二阳极（8）垂直相接。