CN104332373B - 一种产生圆柱形多注强流相对论电子束的冷阴极 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种产生圆柱形多注强流相对论电子束的冷阴极，包括采用传导率高、发射阈值高金属材料，且具有外直径相同的圆柱形结构，互相之间同轴心并保持良好电连接的阴极杆、阴极杆过渡环、阴极杆过渡段、阴极座、阴极柱、阴极球头；本发明中发射部件阴极球头的表面场分布均匀因此具有均匀的电子发射密度，发射的多注圆柱形电子束各自相对自身中心呈对称分布，在适当的引导磁场作用下，电子束在多注飘移管内传输过程中的绕自身中心旋转不容易造成电子束与飘移管壁的碰撞，具有较高的传输效率，漂移管内电子束的空间位形保持不变，提高了束波转换效率。

Description

一种产生圆柱形多注强流相对论电子束的冷阴极
技术领域
本发明涉及脉冲功率技术中的阴极技术领域，具体涉及一种产生圆柱形多注强流相对论电子束的冷阴极，本发明可以应用于高功率微波技术领域的微波产生系统。
背景技术
在脉冲功率技术中，阴极技术是一个重要分支，阴极产生电子束的能量、品质等决定了脉冲功率源的应用前景。高功率微波技术领域是脉冲功率技术的一个重要应用方向。在高功率微波器件中，阴极所产生的电子束与电磁场相互作用，激励或者放大微波信号。相对论速调管放大器（RKA）作为一种流行的高功率微波器件，具有功率高、效率高、相位和幅度稳定等优点，在高能粒子加速器、高功率雷达、新型通信系统等方面有着重要的应用。随着工作频率的提高和输出功率的增加，传统单注速调管在强流工作时会产生强空间电荷作用力，进而使电子注聚焦困难、增加噪声及阴极负载并降低器件效率。多注相对论速调管采用多个电子注并联工作，可以保证每个电子注的导流系数较小，从而减小电子注内部的空间电荷效应，所需的引导磁场强度也较低，可以提高器件的输出功率并获得较高的束波转换效率。
国内外的多注ＲＫＡ研究主要是基于热阴极的兆瓦量级多注电子束，由于阴极发射能力限制使得热阴极技术很难产生功率ＧＷ量级的电子束。就多注RKA而言，采用冷阴极有以下优势：
1、热阴极需要热子等加热系统对阴极加热到几百至上千度，使阴极系统结构复杂，而冷阴极对温度没有特殊要求，室温下即可工作，结构简单且易加工。
2、热阴极对真空度要求高，一般为（10-6～10-9）Pa，而冷阴极对真空度的要求较低，一般为（10-2～10-3）Pa。
3、热阴极发射电流密度低，一般为几十A/cm2，对功率GW量级电流几KA的多注速调管来说，整个阴极发射面积大导致整个系统尺寸庞大、费用巨大（这也是Stanford只对系统进行了参数设计而未建立的原因），而冷阴极发射电流密度可达几KA/cm2，为热阴极的几百至上千倍，这样使系统尺寸大大缩小且费用很低。
4、基于热阴极的多注RKA需要对电子束进行压缩才能引入到漂移管内，这样对引导磁场位形的精度要求较高且不易调节，而基于冷阴极的多注RKA不需对电子束进行压缩，磁场设计较容易。
文献《扇形多注强流相对论电子束的产生与传输研究》（作者吴涛等，发表于《物理学报》２０１２年第６１卷第１８期）中公布了一种基于冷阴极的GW量级扇形多注强流相对论电子束的产生与传输技术。研究发现，扇形多注电子束，在空心飘移管传输过程中不仅会绕自身中心旋转，还绕整个系统的中心旋转；在多注扇形飘移管中只以自身为中心旋转。实验结果显示扇形多注电子束产生过程中由于扇形阴极尖端存在局部强场强区域，因此发射的均匀性很不理想。另外在多注扇形飘移管中传输时，由于空间电磁场的作用扇形电子束不可避免的绕自身中心旋转，这种旋转造成电子束轨迹掠过的面积增加，这样不但容易引起电子束与飘移管壁的碰撞，造成电子损失，影响电子束传输效率，还使得漂移管内不同位置处的电子束空间位形不同，影响束波互作用。
发明内容
本发明的目的是为了克服扇形多注电子束发射不均匀，并且传输过程中由于绕自身旋转与飘移管壁碰撞造成电子损失的缺点，本发明提供了一种产生圆柱形多注强流相对论电子束的冷阴极。该阴极能够产生均匀的多注电子束并实现在多注飘移管内的高效率传输。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种产生圆柱形多注强流相对论电子束的冷阴极，包括阴极杆、阴极杆过渡环、阴极杆过渡段、阴极座、阴极柱、阴极球头；所述阴极杆的输出方向设置有凸台，所述阴极杆过渡环和阴极杆过渡段的一端依次套在在凸台上；所述阴极座的一端设置有凸台，阴极座的凸台套在阴极杆过渡段的另一端内；所述阴极座的另一端设置有阴极柱，阴极柱的端部设置有阴极球头。
在上述技术方案中，所述阴极杆、阴极杆过渡环、阴极杆过渡段、阴极座具有外直径相同的圆柱形结构。
在上述技术方案中，所述阴极杆、阴极杆过渡环、阴极杆过渡段、阴极座具有同轴心、且内部中空、且相互之间连接为一体。
在上述技术方案中，所述阴极杆与阴极杆过渡段之间设置有若干个阴极杆过渡环。
在上述技术方案中，所述阴极座表面设置有螺纹孔，阴极柱的一端通过螺纹与螺纹孔连接为一体。
在上述技术方案中，所述阴极座表面设置有若干个螺纹孔，每一个螺纹孔连接一根阴极柱。
在上述技术方案中，所述阴极柱围绕阴极座轴心呈对称均匀分布。
在上述技术方案中，所述阴极柱与阴极球头之间通过螺纹连接。
本发明的工作原理是：在真空环境中给该多注冷阴极加一个负高电压脉冲，电脉冲将沿阴极杆、阴极杆过渡环、阴极杆过渡段、阴极座、阴极柱传输至阴极球头，与阴极杆、阴极座等相比较阴极球头类似于尖端结构，所以在阴极球头外表面形成局部的强电场，并且球头是半球形结构表面电场分布比较均匀，在该均匀电场的作用下整个阴极球头表面将逐步进入爆炸发射过程，从而在每个阴极球头表面形成均匀的圆柱形电子注发射，并沿着外加引导磁场传输。在空间电磁场E×B的作用下，每注电子束在进入多注漂移管后将绕自身中心产生明显的自旋，由于这些多注圆柱形电子束各自相对自身中心呈对称分布，电子的绕自身旋转不会改变电子束轨迹掠过的面积，即避免了电子束与飘移管壁的碰撞，又保证了漂移管内电子束空间位形的统一，具有较高的传输和束波转换效率。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明中发射部件阴极球头的表面场分布均匀因此具有均匀的电子发射密度，发射的多注圆柱形电子束各自相对自身中心呈对称分布，在适当的引导磁场作用下，电子束在多注飘移管内传输过程中的绕自身中心旋转不容易造成电子束与飘移管壁的碰撞，具有较高的传输效率，漂移管内电子束的空间位形保持不变，提高了束波转换效率。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的实施例一的剖视图；
图2是本发明的实施例一的左视图；
其中：1是阴极杆，2是阴极杆过渡环，3是阴极杆过渡段，4是阴极座，5是阴极柱，6是阴极球头。
具体实施方式
如图1所示，本发明主要由阴极杆、阴极杆过渡环、阴极杆过渡段、阴极座、阴极柱和阴极球头等部分组成。阴极杆、阴极杆过渡环、阴极杆过渡段、阴极座均由传导率高、发射阈值高金属材料组成，一般采用不锈钢；为了保证传输电场的均匀性，采用相同外直径的同轴圆柱体结构，并保持良好电连接。阴极杆、阴极杆过渡环、阴极杆过渡段、阴极座内、外直径，长度根据需要可调，阴极杆过渡环的数目根据需要可调。阴极座中心为尺寸根据需要可调的透气孔，避免了阴极结构隐藏气体影响真空稳定性。阴极座顶部外侧及中心孔处为尺寸根据需要可调的圆弧结构，避免了阴极座表面出现局部强电场区域。
如图1及图2所示，阴极座顶部圆周方向均布有一定数目的内螺纹孔，内螺纹孔的尺寸和数目根据需要可调。阴极柱采用高发射阈值金属材料；底端为外螺纹结构，其螺纹尺寸与阴极座顶部内螺纹孔相匹配；顶端为内螺纹或中空结构。阴极柱的数目根据需要可调。阴极球头采用低发射阈值冷阴极材料，底端为外螺纹或光滑圆柱体结构，尺寸与阴极柱顶端内螺纹匹配或中空结构形成紧配合；阴极球头顶端为半球体结构，半球体的尺寸根据需要可调。
实施例1：
如图1和图2所示的产生圆柱形16注强流相对论电子束冷阴极结构，阴极杆、阴极杆过渡环、阴极杆过渡段、阴极座为同轴心结构，均采用不锈钢材料，并保持良好电连接，外直径均为54mm。阴极杆长度为145mm。阴极杆过渡环长度为50mm，数量为1。阴极杆过渡段长度为235mm;阴极座长度为45mm，中心开有直径14mm透气孔，阴极座顶部外侧圆弧半径为15mm，透气孔处圆弧半径为5mm，阴极座顶部直径51mm圆周上均布了16个M2内螺纹孔。阴极柱采用不锈钢材料，数量为16，外直径为2.1mm，底端为M2外螺纹结构，顶端为光滑圆柱体结构。阴极球头采用石墨材料，数量为16，半球头尺寸为R1.05mm。该结构阴极在阴阳极间距1.5cm、施加600kV电压脉冲时产生总流强5kA圆柱形16注相对论电子束。在1Tesla引导磁场作用下，通过半径30mm的飘移管后，电子束传输效率为80%。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种产生圆柱形多注强流相对论电子束的冷阴极，其特征在于包括阴极杆、阴极杆过渡环、阴极杆过渡段、阴极座、阴极柱、阴极球头；所述阴极杆的输出方向设置有凸台，所述阴极杆过渡环和阴极杆过渡段的一端依次套在在凸台上；所述阴极座的一端设置有凸台，阴极座的凸台套在阴极杆过渡段的另一端内；所述阴极座的另一端设置有阴极柱，阴极柱的端部设置有阴极球头。
2.根据权利要求1所述的一种产生圆柱形多注强流相对论电子束的冷阴极，其特征在于所述阴极杆、阴极杆过渡环、阴极杆过渡段、阴极座具有外直径相同的圆柱形结构。
3.根据权利要求2所述的一种产生圆柱形多注强流相对论电子束的冷阴极，其特征在于所述阴极杆、阴极杆过渡环、阴极杆过渡段、阴极座具有同轴心、且内部中空、且相互之间连接为一体。
4.根据权利要求1所述的一种产生圆柱形多注强流相对论电子束的冷阴极，其特征在于所述阴极杆与阴极杆过渡段之间设置有若干个阴极杆过渡环。
5.根据权利要求1所述的一种产生圆柱形多注强流相对论电子束的冷阴极，其特征在于所述阴极座表面设置有螺纹孔，阴极柱的一端通过螺纹与螺纹孔连接为一体。
6.根据权利要求5所述的一种产生圆柱形多注强流相对论电子束的冷阴极，其特征在于所述阴极座表面设置有若干个螺纹孔，每一个螺纹孔连接一根阴极柱。
7.根据权利要求6所述的一种产生圆柱形多注强流相对论电子束的冷阴极，其特征在于所述阴极柱围绕阴极座轴心呈对称均匀分布。
8.根据权利要求1所述的一种产生圆柱形多注强流相对论电子束的冷阴极，其特征在于所述阴极柱与阴极球头之间通过螺纹连接。
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