CN103606505B - 一种利用微波调制的冷阴极电子枪 - Google Patents

Abstract

该发明属于真空辐射源器件配套用冷阴极电子枪，包括电子枪壳体及其底座，设有阵列式电子注输出孔上电极板、下电极板及冷阴极，设于上、下电极板之间的带互作用腔的微波输入层。该冷阴极电子枪由于在传统的冷阴极电子枪的上、下电极板之间增设一微波输入层，并在微波输入层中段的冷阴极上方开设一腔体作为互作用腔，冷阴极嵌于互作用腔底部，上电极板正对互作用腔开设了一组各孔尺寸小于微波波长的阵列式电子注输出孔；因而具有注波互作用腔的空间小、功耗低、可集成、尺寸小、响应速度快，可按要求馈入不同频率的微波来调制冷阴极发射电流，以产生不同频率及强度的电子注、为微型电真空器件提供电子发射源，有效扩大了应用范围等特点。

Description

一种利用微波调制的冷阴极电子枪

技术领域

本发明涉及一种可集成电真空辐射源器件配套用电子枪，特别是一种可调节馈入微波频率以产生不同调制频率电子注的冷阴极电子枪。

背景技术

微波电真空辐射源器件作为雷达、电子对抗、空间通讯等军事电子系统不可缺少的核心器件一直受到广泛重视。在上述电真空辐射源器件中电子枪部件则占有举足轻重的地位，传统电真空辐射源器件中电子枪一般采用热发射阴极系统，经过几十年的发展，热发射阴极工艺已非常成熟，被广泛应用于各类电真空辐射源器件中，但热发射阴极存在以下显著缺点：结构复杂，成本高，阴极系统由多种金属和陶瓷部件构成，由于热阴极工作在上千度的高温环境，阴极中加热用的灯丝容易断裂或短路，导致器件损坏；另一方面由于工作时需要较长时间加热，不但增加了系统的复杂性，降低了系统效率；此外由于热阴极结构复杂，阴极温度高也是电真空辐射源器件难以集成的主要原因之一。

微型电真空辐射源器件有望解决上述器件存在的问题，相比热阴极电真空器件它具有体积小、可集成等特点，在微型电真空辐射源器件中首先需要采用场发射冷阴极来解决自由电子源的产生，场致发射是在金属或导体等表面施加高强度的电场、通过隧道效应使电子进入真空中形成电子注，从而可除去热阴极系统所必不可少的加热组件，大幅度简化了阴极结构；与热电子发射相比，场发射冷阴极具有功耗低、可集成、尺寸小、响应速度快等一系列优点，因此它是微型电真空辐射源器件的理想电子发射源。

目前场发射冷阴极可集成微型电真空辐射源器件的发展仍受到限制。主要原因是在可集成微型电真空器件中，由于器件尺寸小，导致注波互作用的空间也大大减小。因此研究在小尺寸空间中有效的注波互作用就成为发展可集成微型电真空辐射源器件的关键所在。在传统电真空辐射源器件的研究中发现利用预调制的电子注与谐振腔中高频场发生互作用将可以大大缩小其互作用空间，因此在微型电真空辐射源器件的微小空间内实现对场致发生冷阴极电子注进行预调制就至关重要。在公告号为CN1379433A的专利文件中公开了《一种冷阴极电子枪》，该电子枪在其底座a上的冷阴架(下电极)b上固定了一个圆形金属片冷阴极，冷阴极上方设有一个网状栅极d及其支架(上电极)c，网状栅极上方设有一个圆孔状的聚焦极f及其支架e，聚焦极f的正上方还设有一网状屏蔽极h，该网状屏蔽极h通过其支架g固定在底座a上，各电极引出线i从底座a的下部引出。该电子枪利用网状栅极d形成电子注后，通过聚焦极f汇聚电子注；但该电子枪只能通过电极高压变化对冷阴极发射的电子注进行频率调制，由于其调谐频率(10³Hz)远远低于微波频率(10⁹Hz)。因而此类冷阴极电子枪不适用于可集成微型电真空辐射源器件，只能用于诸如冷阴极电光源、像素管(显示器)等其电子注频率远低于微波频率的器件。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种利用微波调制的冷阴极电子枪，该电子枪可按要求馈入不同频率的微波来调制冷阴极发射电流，以产生不同调制频率及强度的电子注，且具有注波互作用腔的空间小、功耗低、可集成、尺寸小、响应速度快，可为微型电真空器件提供电子注源，有效扩大应用范围等目的。

本发明解决的方案是针对背景技术存在的缺陷，在传统的冷阴极电子枪的上、下电极板之间增设一微波输入层，并在微波输入层中段的冷阴极上方开设一腔体作为互作用腔，冷阴极嵌于互作用腔底部的下电极板上，正对互作用腔和冷阴极上部的上电极板开设一组各孔尺寸小于微波波长的阵列式孔、作为电子注输出孔；含上、下电极板及微波输入层、冷阴极的电子枪芯穿过电子枪壳体，枪芯中部电子注输出孔置于电子枪壳体中心位置、并通过下电极板与底座固定，而枪芯两端则通过其侧面及(上电极板)顶面与电子枪壳体密封固定；该电子枪工作时其上电极板为阳极，当微波以准平面波模式输入时，微波中高频电场矢量方向与静电场平行，在互作用腔内一定频率的微波作用于冷阴极发射电场，其电场频率也随微波频率发生变化，使所产生的电子注的频率与输入的微波频率相同，从而实现通过微波调制冷阴极发射电流的目的。因而，本发明冷阴极电子枪包括电子枪壳体及其底座，上、下电极板及冷阴极，关键在于在上、下电极板之间还设有一微波输入层，并在微波输入层中段还设有一互作用腔，冷阴极则嵌于互作用腔底部的下电极板上，在上电极板正对互作用腔和冷阴极的区域开设有各孔尺寸均小于微波波长的阵列式电子注输出孔；上电极板及嵌有冷阴极的下电极板分别与微波输入层的上、下表面固定，组成电子枪枪芯，该枪芯穿过电子枪壳体，将中部电子注输出孔置于电子枪壳体内中心位置后通过下电极板与底座、通过枪芯两侧面及上电极板顶面与电子枪壳体密封固定。

所述微波输入层为介电常数为2-10的绝缘介质。所述各孔尺寸均小于微波波长的阵列式电子注输出孔，电子注输出孔为圆孔、方孔或条形孔。

本发明由于在传统的冷阴极电子枪的上、下电极板之间增设一微波输入层，并在微波输入层中段的冷阴极上方开设一腔体作为互作用腔，冷阴极嵌于互作用腔底部的下电极板上，正对互作用腔和冷阴极上部的上电极板开设一组各孔尺寸小于微波波长的阵列式孔、作为电子注输出孔。开阵列孔对阴极表面处电场分布影响小，同时由于开孔尺寸小于微波波长，因此不影响微波的传输。该冷阴极电子枪在真空环境中上电极板加静正电位后，可以使下电极板上的冷阴极产生稳定的场致发射电流；当微波以准平面波模式输入时，微波中高频电场矢量方向与静电场平行，当其方向与静电场一致时，在冷阴极表面的电场强度将被加强、与静电场相反时则减弱；在互作用腔内一定频率的微波作用于冷阴极发射电场，其电场频率也随微波频率发生变化，使所产生的电子注的频率与输入的微波频率相同，从而有效实现了通过微波对冷阴极发射电流的调制，在相同条件下本发明互作用腔的空间不到常规技术的十分之一。调制后的发射电流通过电子注输出孔进入微型谐振系统后即可以顺利与谐振腔内自激振荡或外部输入的高频电磁场发生能量交换，使谐振腔内的高频电磁场幅值功率获得增大后输出产生电磁波辐射形成微波源，解决研制微型电真空辐射源器件的关键技术。微波功率幅值愈大电子注的调制幅度也越大，同时通过改变输入微波频率和强度可以得到不同频率和强度调制状态的电子注，实现宽频带调制；对于同一输入功率、频率的微波情况，通过提高上、下电极板的电位差，即增大静电场强度，也可以增大电子注的调制幅度。因而本发明具有注波互作用腔的空间小、功耗低、可集成、尺寸小、响应速度快，可按要求馈入不同频率的微波来调制冷阴极发射电流，以产生不同频率及强度的电子注、为微型电真空器件提供电子发射源，有效扩大了应用范围等特点。

附图说明

图1是本发明微波调制冷阴极电子枪结构示意图；

图2是微波调制后冷阴极发射电流随时间变化图；

图3是微波调制后上电极板2截获电流随时间变化图。

图中：1.电子枪壳体，1-1.底座，2.上电极板，2-1.电子注输出孔，3.微波输入层，3-1.互作用腔，4.下电极板，5.冷阴极。

具体实施方式

以用于3毫米频段的微型电真空辐射源的冷阴极电子枪为例：其中电子枪壳体1内径φ5mm、外径φ7mm、高度5mm，材料为99^#陶瓷，其下端与底座1-1密封、上端在使用时与谐振系统相连形成密封真空室，真空度可以达到10^-5帕。由微波输入层3与下电极板4及其冷阴极5、上电极板2构成的电子枪枪芯横穿电子枪壳体1，电子注输出孔2-1置于壳体内腔轴线位置、两端分别伸出壳体外，通过下电极板4、枪芯两侧及上电极板顶面与底座1-1、电子枪壳体1密封固定成一体；其中：下电极板4(长×宽×厚)13m×3×0.75mm、材质为无磁不锈钢，其上的冷阴极5直径为φ1mm、厚1um、碳纳米管片材；微波输入层3(长×宽×厚)13m×3×0.25mm、材料为聚四氟乙烯，中部互作用腔3-1面积为2×2mm、高与微波输入层厚相同(该互作用腔的容积不到常规技术的十分之一)；上电极板2(长×宽×厚)13m×3×0.05mm、材料亦为无磁不锈钢，在上电极板2中部与互作用腔3-1对应的范围内采用激光刻蚀10×10＝100个边长为0.16×0.16mm的阵列式方孔，作为电子注输出孔2-1。

本实施案例中上电极板2和下电极板4之间的电场强度小于10000V/mm、冷阴极工作的开启电压为2500V/mm时，上金属电极板2工作电压可在1000-2500V范围内选择；采用碳纳米管冷片材作阴极，当电场强度为5000V/mm时可产生约1.5A/cm²的电流密度；在电位差为1250V作用下冷阴极产生稳定的场致发射电流I₀＝11.65mA；为了实现对电子注的调制，当将94GHz(也可为其它频率)、功率为5瓦的微波E(t)从微波输入层3左端口输入，此时微波在上电极板2和下电极板4中以准平面波模式传播，并且微波的高频电场矢量方向与静电场平行；当某时微波传输到冷阴极正上方并且方向与静电场一致时，冷阴极表面电场将被加强，场致发射电流将会增大到I＝I₀+I₁＝11.65mA+0.9mA＝12.55mA，其中I₀为静电场产生场致发射电流，其值不随时间变化，I₁为微波引起的场致发射电流变化，其值随时间变化；在下一时刻当微波的高频电场传输到冷阴极正上方并且方向与静电场相反时，冷阴极表面电场将被减弱，场致发射电流将会减小到I＝I₀-I₂＝11.65mA-0.85mA＝10.8mA，其中I₂也为微波引起的场致发射电流变化，其值随时间变化；随着时间变化，本实施例中电子枪产生场致发射电子注的电流将随微波高频场一同变化，变化幅度在10.8mA到12.55mA之间，形成调制状态；调制后的电子注穿过互作用腔3-1和电子注输出孔2-1后进入微型谐振系统，为微型电真空器件提供电子注源，其中电子注输出孔2-1上截获的平均电流为4.3mA。

Claims (3)

1.一种利用微波调制的冷阴极电子枪，包括电子枪壳体及其底座，上、下电极板及冷阴极，其特征在于在上、下电极板之间还设有一微波输入层，并在微波输入层中段还设有一互作用腔，冷阴极则嵌于互作用腔底部的下电极板上，在上电极板正对互作用腔和冷阴极的区域开设有各孔尺寸均小于微波波长的阵列式电子注输出孔；上电极板及嵌有冷阴极的下电极板分别与微波输入层的上、下表面固定，组成电子枪枪芯，该电子枪枪芯穿过电子枪壳体，将中部电子注输出孔置于壳体内腔轴线位置、两端分别伸出壳体外，通过下电极板、电子枪枪芯两侧面及上电极板顶面与底座、电子枪壳体密封固定。

2.按权利要求1所述利用微波调制的冷阴极电子枪，其特征在于所述微波输入层为介电常数为2-10的绝缘介质。

3.按权利要求1所述利用微波调制的冷阴极电子枪，其特征在于所述各孔尺寸均小于微波波长的阵列式电子注输出孔，电子注输出孔为圆孔、方孔或条形孔。