CN103794449B - 电子注轴向速度测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电子注轴向速度测量系统。该电子注轴向速度测量系统包括：容性探针装置、收集极腔体结构、电压积分及传输电路、电压测量装置和电流测量装置。容性探针装置包括：主腔体结构和电子注感应环。收集极腔体结构，与主腔体结构相连通，呈中间大、两头小的纺锤形。电压积分及传输电路，其前端电性连接至电子注感应环，用于将电子注穿过容性探针时产生的感应电荷转换为电压信号。电压测量装置，电性连接于电压积分及传输电路的后端。电流测量装置，电性连接至收集极腔体结构。本发明可以减小测量过程中杂散电子的影响，提高电子注轴向速度的测量精度。

Description

电子注轴向速度测量系统

技术领域

本发明涉及真空电子学技术领域，尤其涉及一种电子注轴向速度测量系统。

背景技术

电真空器件是一类在真空或气体介质中，利用电子注与高频电磁场相互作用而实现微波功率放大与转换功能的有源电子器件。如今，电真空器件在雷达、电子对抗、制导和卫星通信等领域得到了广泛的应用。随着电真空器件技术的发展，各种各样的电子注测量系统应运而生。电子注轴向速度是电子注的重要性质。

图1为现有技术电子注轴向速度测量系统中测量系统的结构示意图。如图1所示，容性探针的前端通过法兰盘200与待测设备，如电子枪、速调管、回旋管等，相连接，其后端通过绝缘陶瓷301和连接管400与平面盲板法兰连接。该容性探针包括：主腔体结构110，其同时作为外电极；电子注感应环130，其作为内电极。其中，该主腔体结构110和电子注感应环130之间具有绝缘陶瓷筒120，两者构成了电容，电子注感应环130通过导线连接至主腔体结构110外侧。利用容性探针测量电子注的感应电压V(t)，并在平面盲板法兰上测量电子注电流I(t)，进而就可以由下式计算得到电子注的平均轴向速度v(t)：

v(t)=k·I(t)/V(t)(1)

其中，该感应电压V(t)为电子注通过真空腔体而在容性探针内电极感应得到的；k是由容性探针的结构及测量电路决定的一个常系数。

然而，在实现本发明的过程中，申请人发现现有技术电子注轴向速度测量系统存在如下技术缺陷：

(1)电子注轰击在平面盲板法兰上产生大量二次电子，该二次电子使得电子注电流测量不准确，并且二次电子回轰在电容探针内电极上会干扰电子注感应电压的测量；

(2)具有较大横向速度的电子注通过电容探针时部分边缘电子发散打在探针内电极上，使得内电极传输的电子注感应电压错误，甚至有破坏内电极的风险；

(3)由于电子注感应环及绝缘陶瓷具有一定厚度，因此在感应环前后边缘处就有较大的非径向电场，这就增加了电子注感应环上测量的电压波形的畸变，使探测结果以及后续计算都带来较大的误差；

(4)由于电子注感应环的引线是从后侧边缘单独引出的，这加剧了电场畸变，同时引线容易受到杂散电子的轰击，降低了探针探测的准确性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种电子注轴向速度测量系统，以减小测量过程中杂散电子的影响，提高电子注轴向速度的测量精度。

(二)技术方案

本发明电子注轴向速度测量系统包括：容性探针装置100、收集极腔体结构600、电压积分及传输电路800、电压测量装置和电流测量装置。容性探针装置100包括：主腔体结构110，呈筒状；电子注感应环130，呈环状，由金属导电材料制备，隔着绝缘陶瓷筒120固定于主腔体结构110的内侧。收集极腔体结构600，与主腔体结构110相连通，呈中间大、两头小的纺锤形。电压积分及传输电路800，其前端电性连接至电子注感应环130，用于将电子注穿过容性探针时产生的感应电荷转换为电压信号。电压测量装置，电性连接于电压积分及传输电路800的后端。电流测量装置，电性连接至收集极腔体结构600。其中，电子注由主腔体结构110的入口进入，经由主腔体结构110进入收集极腔体结构600内，由该收集极腔体600进行吸收，由电压测量装置和电流测量装置分别得到电子注感应电压V(t)及电子注电流I(t)。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明电子注轴向速度测量系统具有以下有益效果：

(1)在主腔体结构前端和后端分别设置电子吸收环，滤去电子注边缘发散角过大的电子，起到电子注整形的作用，防止杂散电子直接轰击到容性探针结构；

(2)收集极腔体结构设置为中间粗两头细的形状，可以有效防止电子注轰击时二次电子逸出，再辅以内壁打毛工艺和镀低二次电子发射系数的涂层，使收集极处产生的二次电子减到最小；

(3)利用可调电压直流稳压电路在收集极与后法兰盘上加一个适当的负电压以阻止采取上述措施后仍微量产生的杂散电子返回容性探针结构区域，使杂散电子被收集极或后电子吸收环吸收；

(4)在电子注感应环的两侧增加了与其绝缘的金属材料的电场改善环，从而大大减少了电子注感应环两侧边缘电场畸变，使电场更均匀；

(5)真空绝缘馈电头从真空腔体外壁和绝缘陶瓷筒中穿过，并钎焊在电子注感应环外侧中部，从而不会影响到电子感应环内表面的电场分布，同时避免了引线受到真空腔体内杂散电子的轰击；

(6)在探针转接头中，真空绝缘馈电头的外围具有外电磁屏蔽罩，同时，真空绝缘馈电头外接同轴屏蔽插头，使探针转接头有良好的抗空间电磁波干扰能力，保证探针探测的感应电压的准确性及传输过程良好抗干扰性，使测量精度大大提高。

附图说明

图1为现有技术电子注轴向速度测量系统中测量系统的结构示意图；

图2为根据本发明实施例电子注轴向速度测量系统的结构示意图；

图3为图2所示电子注轴向速度测量系统中电压积分及传输电路的结构示意图。

【主要元件】

100-容性探针装置；

110-主腔体结构；120-绝缘陶瓷筒；

130-电子注感应环；141-前电场改善环；

142-后电场改善环；150-引线转接组件；

151-真空绝缘馈电头；152-外电磁屏蔽罩；

153-同轴屏蔽插头；101-主真空腔体本体；

102-前电子吸收环；103-后电子吸收环；

201-前法兰盘；202-后法兰盘；

301-主真空腔体绝缘陶瓷；302-收集极绝缘陶瓷；

400-连接管；

600-收集极腔体结构；

610-锥形开口前端；620-圆筒主体；

630-锥形后端；

700-收集极偏压结构；

701、702-导线；703-直流电源；

800-电压积分及传输电路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明电子注轴向速度测量系统中，采用各种措施消除二次电子从收集极逸出引起的容性探针测量信号失真，防止杂散电子及散焦电子打到容性探针结构上，同时采取各种措施降低电子注感应环的电场畸变，保证电子注轴向速度测量的准确性。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种电子注轴向速度测量系统。图2为根据本发明实施例电子注轴向速度测量系统的结构示意图。如图2所示，该电子注轴向速度测量系统包括：

容性探针装置100，包括：

主腔体结构110，呈筒状，其同时作为外电极；

绝缘陶瓷筒120，呈环状，固定于主腔体结构110的内侧；

电子注感应环130，呈环状，由金属导电材料制备，固定于绝缘陶瓷筒120内侧的中部；

收集极腔体结构600，与主腔体结构110相连通，呈中间大、两头小的纺锤形，用于收集入射的电子；

电压积分及传输电路800，其前端电性连接至电子注感应环130，用于将电子注穿过容性探针在内电极产生的感应电荷转换为电压信号；

电压测量装置，电性连接于电压积分及传输电路800的后端；

电流测量装置，电性连接至收集极腔体结构600的锥形后端；

其中，电子注由主腔体结构110的入口进入，经由主腔体结构110进入纺锤形的收集极腔体结构600内，由该收集极腔体600进行吸收，由电压测量装置和电流测量装置分别得到电子注感应电压V(t)及电子注电流I(t)。

以下分别对本实施例电子注轴向速度测量系统的各个组成部分进行详细说明。

请参照图2，主腔体结构110呈圆筒状，其前端与前法兰盘201钎焊密封，进而连接至待测电子注源，如电子枪、速调管、回旋管等，后端通过主真空腔体绝缘陶瓷301、连接环400、后法兰盘202和收集极绝缘陶瓷302连接至收集极腔体结构600。此外，该主腔体结构110由无磁不锈钢材料制备，其连接地电位。

主腔体结构110、前法兰盘201、后法兰盘202和连接管400均由无磁不锈钢材料制备。主真空腔体绝缘陶瓷301、收集极绝缘陶瓷302用真空密封性能良好的氧化铝陶瓷材料制备。

在主腔体结构110的内侧，固定有绝缘陶瓷筒120。该绝缘陶瓷筒120的尺寸由主腔体结构110的内径和电子注感应环130的外径所决定，其同样由真空密封性能良好的氧化铝陶瓷制成。在该绝缘陶瓷筒120的内侧，加工有三个槽状结构。

需要说明的是，该绝缘陶瓷筒120可以是一体成型制备，也可以是由各个部分分别成型后组装而成，本发明并不对此进行限制。

在绝缘陶瓷筒120内侧的三个槽状结构中，分别钎焊固定有前电场改善环141、电子注感应环130和后电场改善环142。其中，电子注感应环130由无氧铜材料制成，其环壁厚度很薄且十分均匀，内壁经过抛光处理，光洁度很高。电子注感应环130和主腔体结构分别作为本实施例容性探针装置的内电极和外电极。

本实施例中，前电场改善环141和后电场改善环142均由无氧铜材料制备，呈圆环形，其内径与电子注感应环130的内径相同。并且，该前电场改善环141和后电场改善环142与电子注感应环130电绝缘，并且均连接至主腔体结构110上，与其等电位。并且，两电场改善环与电子注感应环之间的轴向距离L满足：0.2mm≤L≤2mm。优选地，L=0.5mm。

在现有技术的容性探针结构中，电子注感应环在中间位置其电场是比较理想的电场，而在其边缘处，就会产生轴向的电场。而在本实施例中，由于在电子注感应环130的上方和下方增加了前电场改善环141和后电场改善环142，这两个电场改善环，改变在电子注感应环130边缘处的电场分布，减小了边缘处的非径向电场，从而大大减少了两侧边缘电场畸变，使电子注感应环130的电场更均匀。

为了将电子注感应环130感应的信号引出主腔体结构110之外，本实施例容性探针装置还包括引线转接组件150。请参照图2，该探针转接头150包括：真空绝缘馈电头151，安装于主腔体结构110上，其内导体穿过主腔体结构110和绝缘陶瓷筒120，钎焊于电子注感应环130中部的外侧；外电磁屏蔽罩152，固定于主腔体结构110上，形成真空绝缘馈电头151伸出主腔体结构外部分的屏蔽外围，并与地良好接触，该真空绝缘馈电头151和外电磁屏蔽罩152组成一类似于BNC接头的结构；同轴屏蔽插头153，其内导线连接于真空绝缘馈电头的内导体，其屏蔽层与地良好接触，用于将电子注感应环130得到的感应信号引至外界的测试设备。

在现有技术的容性探针装置中，通过主腔体结构110内侧裸露的导线将电子注感应环130的信号引出，这样，导线的存在加重了电子注感应环电场的畸变，并且该导线传输的信号的准确性也不能得到保障。而在本实施例中，真空绝缘馈电头151的内导体钎焊于电子注感应环130外侧的中部，既不会影响电子注感应环电场分布，也不会受到真空腔体内杂散电子的轰击，这样大大提高无氧铜感应环探测电子注的感应电压波形的准确度。

此外，本实施例中，在真空绝缘馈电头151伸出主腔体结构110的部分设置外电磁屏蔽罩152，同时采用同轴屏蔽插头153传输信号，外电磁屏蔽罩152、同轴屏蔽插头153的屏蔽层良好接触至地，从而最大限度了避免了由电子注感应环信号受到外界电磁波的干扰，具有良好的抗空间电磁波干扰能力，保证探针探测的感应电压的准确性，使电子注轴向速度测量系统的探测精度大大提高。

图3为图2所示电子注轴向速度测量系统中电压积分及传输电路的结构示意图。请参照图3，该电压积分及传输电路800包括：

第一电容C1，其第一端连接至同轴屏蔽插头153的内导线，其第二端接地；

第一电阻R1，其第一端连接至同轴屏蔽插头153的内导线，其第二端连接至同轴屏蔽线的内导线的第一端；

第二电阻R2，其第一端连接至同轴屏蔽线的内导线的第二端，其第二端接地，该第二电阻R2的电阻值与该同轴屏蔽线的特征阻抗相匹配；

其中，电压测量装置，即电压表连接至第二电阻R2的两端，第一电阻R1和第一电容C1的乘积至少要10倍于被测电子注的脉冲时间。

在主腔体结构110的前端，设置有前电子吸收环102。该前电子吸收环102的内径r₁小于主腔体结构110通过电子束最窄处的内径R，一般情况下满足1/4R≤r₁≤1/2R，其材料为电子吸收性能较好的材料，例如石墨或TiN等。当电子注射入时，仅有入射方向靠近主腔体结构中心轴线的电子可以通过。而偏离主腔体结构中心轴线的电子会被该前电子吸收环所阻挡。

在主腔体结构110的后端，设置具有广口锥形开口的后电子吸收环103，其中，该广口锥形开口的尖端方向朝向主腔体结构的内侧，其最窄处的半径r₂小于主腔体结构110的内径R，一般情况下满足1/3R≤r₂≤2/3R，其材料为电子吸收性能较好的材料，例如石墨或TiN等。该后电子吸收环能够阻挡由收集极腔体结构反射而来的杂散电子，并将其吸收或重新反射回收集极腔体内，从而不会对主腔体结构中的测量产生不利影响。

请继续参照图2，收集极腔体结构600通过收集极绝缘陶瓷302、后法兰盘202和连接环400及主真空腔体绝缘陶瓷301与主腔体结构110相连接，并与主腔体结构110同轴。其中，收集极腔体结构600由无氧铜材料制备，连接环400由无磁不锈钢材料制备。

该收集极腔体结构600包括：锥形开口前端610、圆筒主体620和锥形后端630，其整体上呈中间粗两头细(或尖)的纺锤形。其中，锥形开口前端610、圆筒主体620和锥形后端630的内壁都经过打毛工艺，并镀有低二次电子发射系数的TiN涂层。

本领域技术人员应当清楚，除了TiN涂层之外，收集极腔体结构600的内壁还可以镀或涂覆碳涂层等低二次电子发射系数的涂层，此处，低二次电子发射系数是指二次电子发射系数小于收集极腔体结构600材料的二次电子发射系数至少50％。

本实施例中，通过将收集极设置为中间粗两头细的纺锤形，可以有效防止电子注轰击时二次电子逸出，再辅以内壁打毛工艺和镀低二次电子发射的涂层，使收集极处产生的二次电子减到最小。

本实施例中，收集极腔体结构600由无氧铜材料制备，后法兰盘202和连接环400由无磁不锈钢材料制备。该收集极腔体结构600与后法兰盘202之间通过绝缘陶瓷302密封并电绝缘。

本实施例中，电子注轴向速度测量系统还包括：收集极偏压电路700，设置于收集极腔体结构600和后法兰盘202之间，使收集极腔体结构600的电压高于后法兰盘202的电压。

其中，该收集极偏压电路700包括：可调直流电源703，其正极通过导线701连接至收集极腔体结构600，其负极通过导线702连接至后法兰盘202。其中，该可调直流稳压电源可调电压的幅度介于0V至1000V之间，视所测电子注峰值电压来调节。

本领域技术人员应当清楚，除了可调直流电源之外，偏压电路中的电源也可以为能够输出固定偏压的直流电源，一般情况下，该固定偏压约为50V～200V之间。

本实施例中，电压测量装置和电流测量装置均为电学领域常用的部件，此处不再详细说明。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明电子注轴向速度测量系统有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)主腔体结构110、收集极腔体结构600、电子注感应环130、前电场改善环141、后电场改善环142还可以用其他金属材料制备，并不限于上述实施例中提及的无氧铜或无磁不锈钢；

(2)前电子吸收环102和后电子吸收环103还可以用其他电子吸收性能较好的材料制备，并不限于上述实施例中提及的C或TiN。

综上所述，本发明提供一种具有杂散电子抑制功能的电子注轴向速度测量系统。该电子注轴向速度测量系统中，将收集极腔体设置为中间粗两头细的纺锤形，并通过主腔体结构110前后两个电子吸收环滤除杂散电子，在收集极腔体内测打毛并镀低二次电子发射系数的涂层，从而最大限度的降低了杂散电子对电子束轴向速度测量的影响，保护了容性探针结构。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种电子注轴向速度测量系统，其特征在于，包括：

容性探针装置(100)，包括：

主腔体结构(110)；以及

电子注感应环(130)，由金属导电材料制备，隔着绝缘陶瓷筒(120)固定于主腔体结构(110)的内侧；

收集极腔体结构(600)，与所述主腔体结构(110)相连通，呈中间大、两头小的纺锤形；

电压积分及传输电路(800)，其前端电性连接至所述电子注感应环(130)，用于将电子注穿过容性探针时产生的感应电荷转换为电压信号；

电压测量装置，电性连接于所述电压积分及传输电路(800)的后端；以及

电流测量装置，电性连接至所述收集极腔体结构(600)；

前电子吸收环(102)，设置于所述主腔体结构(110)的前端，其内径r₁满足：1/4R≤r₁≤1/2R，其中，R为所述主腔体结构(110)的内径；

后电子吸收环(103)，设置于所述主腔体结构(110)的后端，用于阻挡由所述收集极腔体结构(600)反射回所述主腔体结构(110)的电子；

其中，电子注由所述主腔体结构(110)的入口进入，经由所述主腔体结构(110)进入所述收集极腔体结构(600)内，由该收集极腔体(600)进行吸收，由电压测量装置和电流测量装置分别得到电子注感应电压V(t)及电子注电流I(t)。

2.根据权利要求1所述的电子注轴向速度测量系统，其特征在于，所述收集极腔体结构(600)的内壁经过打毛工艺。

3.根据权利要求1所述的电子注轴向速度测量系统，其特征在于，所述收集极腔体结构(600)的内壁具有低二次电子发射系数的涂层；

该低二次电子发射系数指二次电子发射系数小于所述收集极腔体结构(600)材料的二次电子发射系数至少50％。

4.根据权利要求3所述的电子注轴向速度测量系统，其特征在于，所述收集极腔体结构(600)的内壁镀或涂覆C涂层或TiN涂层。

5.根据权利要求1所述的电子注轴向速度测量系统，其特征在于，所述后电子吸收环(103)具有广口锥形开口，该广口锥形开口的尖端方向朝向所述主腔体结构(110)的内侧，其最窄处的半径r₂满足：

1/3R≤r₂≤2/3R。

6.根据权利要求1所述的电子注轴向速度测量系统，其特征在于，所述前电子吸收环(102)和后电子吸收环(103)的材料为石墨或TiN。

7.根据权利要求1所述的电子注轴向速度测量系统，其特征在于，所述主腔体结构(110)的后端通过后法兰盘(202)连接至所述收集极腔体结构(600)，所述后法兰盘(202)和所述收集极腔体结构(600)之间具有绝缘陶瓷件(302)；所述电子注轴向速度测量系统还包括：

偏压电路(700)，电性连接于所述收集极腔体结构(600)和后法兰盘(202)之间，使所述后法兰盘(202)的电压低于所述收集极腔体结构(600)的电压。

8.根据权利要求1所述的电子注轴向速度测量系统，其特征在于，所述电子注感应环(130)隔着绝缘陶瓷筒(120)固定于所述主腔体结构(110)的内侧的中部；所述容性探针装置(100)还包括：

前电场改善环(141)和后电场改善环(142)，分别隔着绝缘陶瓷筒(120)固定于所述主腔体结构(110)的内侧的上部和下部，由金属导电材料制备，该两电场改善环与所述电子注感应环(130)绝缘，与所述主腔体结构(110)等电位。

9.根据权利要求8所述的电子注轴向速度测量系统，其特征在于，所述电场改善环与所述电子注感应环之间的轴向距离L满足：0.2mm≤L≤2mm，该两电场改善环与所述电子注感应环(130)的内径相同。

10.根据权利要求8所述的电子注轴向速度测量系统，其特征在于，在所述绝缘陶瓷筒(120)的内侧具有三个槽状结构，所述前电场改善环(141)、电子注感应环(130)和后电场改善环(142)分别钎焊于该三个槽状结构内。

11.根据权利要求1所述的电子注轴向速度测量系统，其特征在于，所述容性探针装置(100)还包括：

引线转接组件(150)，其前端连接至所述电子注感应环(130)，其后端连接至所述电压积分及传输电路(800)的前端，用于将由所述电子注感应环(130)的感应信号引出所述主腔体结构(110)外。

12.根据权利要求11所述的电子注轴向速度测量系统，其特征在于，所述引线转接组件(150)包括：

真空绝缘馈电头(151)，安装于所述主腔体结构(110)上，其内导体穿过所述主腔体结构(110)和绝缘陶瓷筒(120)，钎焊于所述电子注感应环(130)中部的外侧；以及

外电磁屏蔽罩(152)，固定于所述主腔体结构(110)上并与地良好接触，屏蔽于真空绝缘馈电头(151)伸出所述主腔体结构(110)部分的外围；

同轴屏蔽插头(153)，其内导线的前端连接于所述真空绝缘馈电头(151)的内导体，其内导线的后端连接至所述电压积分及传输电路(800)的前端，其屏蔽层与地良好接触。

13.根据权利要求12所述的电子注轴向速度测量系统，其特征在于，电压积分及传输电路(800)包括：

第一电容(C1)，其第一端连接至同轴屏蔽插头(153)的内导线，其第二端接地；

第一电阻(R1)，其第一端连接至同轴屏蔽插头(153)的内导线，其第二端连接至同轴屏蔽线的内导线的第一端；

第二电阻(R2)，其第一端连接至同轴屏蔽线的内导线的第二端，其第二端接地，该第二电阻(R2)的电阻值与该同轴屏蔽线的特征阻抗匹配；

其中，电压测量装置连接至第二电阻(R2)的两端，第一电阻(R1)和第一电容(C1)的乘积至少要10倍于被测电子注的脉冲时间。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的电子注轴向速度测量系统，其特征在于，所述主腔体结构(110)由无磁不锈钢材料制备，所述绝缘陶瓷筒(120)由氧化铝陶瓷材料制备，所述收集极腔体结构(600)由无氧铜材料制备。