CN105118764B - 一种圆片阵列阴极 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高功率微波领域的一种圆片阵列阴极。要解决的技术问题是克服现有化学纤维天鹅绒阴极耐高温烧蚀性差、运行寿命短等问题。技术方案是将不锈钢圆环薄片与介质圆环薄片交替套在阴极基底上，介质圆环薄片由耐高温烧蚀性好的碳纤维布或者玻璃纤维布制作，在使用时由于静电作用纤维丝束将发散开来并发射均匀电子束。该发明的优点在于：结构简单，易于实现；既获得了耐高温烧蚀性好的优点，又利用圆片阵列结构获得发射均匀性好的优点；提高了阴极的寿命，从而提高了MILO的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种阴极，尤其是一种圆片阵列阴极，属于高功率微波技术领域中的微波源领域。
背景技术
磁绝缘线振荡器(Magnetically Insulated Transmission Line Oscillator，MILO)是一种重要的高功率微波源，是当前国内外高功率微波源研究的热点之一。阴极是MILO的重要组成部分，良好的阴极设计是MILO获得高性能的前提。传统MILO一般采用化纤天鹅绒阴极，由于化纤天鹅绒阴极不耐高温烧蚀，故其运行寿命较短。这是制约MILO长寿命运行的最主要问题。
传统的紧凑型MILO阴极由阴极座、锥形段、侧向阴极、轴向阴极和天鹅绒组成(文献1：樊玉伟等，改进型磁绝缘线振荡器的实验研究，等离子体科学，2007,Vol.35(4):1075.Y.W.FAN,et al,Experimental investigation of an improved MILO，IEEETrans.Plasma Sci.,2007,Vol.35(4):1075)，如图1所示。图1为传统的紧凑型MILO阴极剖视图，在图1中，1是阴极座、2是锥形段、3是侧向阴极、4是轴向阴极，5是天鹅绒。其中天鹅绒为化纤材料，其余为不锈钢材料。为了叙述的方便，下文规定：阴极座1所在的一端为左端，轴向阴极4所在的一端为右端。其结构与装配关系是：阴极座1为圆柱状，右端留有螺孔；锥形段2左端为圆筒状，外径与阴极座1外径相等。锥形段2左端带有螺纹，旋入阴极座1右端的螺孔中。锥形段2右端为半径渐增的锥形筒结构，其最右端的内外半径与侧向阴极3的内外半径分别相等。侧向阴极3为空心圆筒，锥形段2与侧向阴极3进行一体化加工形成一个整体。侧向阴极3右端留有螺孔。轴向阴极4右侧为圆盘状，左侧带有螺纹，旋入侧向阴极3右端的螺孔中。在侧向阴极3与轴向阴极4的外表面粘贴天鹅绒5作为阴极发射材料。
使用中，阴极置于真空室中，与阳极之间存在高电压。在高电压作用下，天鹅绒纤维的尖端会产生阴极等离子体，进而产生相对论电子束，形成大电流。阴极等离子体温度通常高达1000摄氏度以上，如此高的温度会导致化纤天鹅绒纤维的尖端因烧蚀而弯曲。弯曲的天鹅绒纤维又导致其发射电子束的均匀性和发射能力的下降，进而导致微波源技术性能的下降。由此可见，化纤材料天鹅绒的一个重要缺点就是耐烧蚀性能差(文献2：Yu-WeiFan,et al,Repetition rate operation of an improved magnetically insulatedtransmission line oscillator；Physics of Plasmas,2008,Vol.15(8):083102)。图2所示是化纤天鹅绒纤维在工作前的电子扫描显微镜图片，图3所示是化纤天鹅绒纤维在工作200个脉冲之后的电子扫描显微镜图片，可以看出工作之后化纤天鹅绒纤维由于烧蚀变得弯曲，而且均匀性也变差了。
化纤天鹅绒阴极的优点是绒毛均匀性好，因此发射电流均匀，缺点是耐高温烧蚀性差，而碳纤维、玻璃纤维的耐高温烧蚀性能好，但是目前对碳纤维、玻璃纤维的植绒技术还不成熟，还不能植出达到化纤天鹅绒均匀性的碳纤维天鹅绒或者玻璃纤维天鹅绒。因此设计一种新型阴极结构，选用耐高温烧蚀性能好的阴极材料，使之兼具耐高温烧蚀性好和均匀性好的优点，使阴极具有长寿命且发射的电子束流均匀，提高MILO的工作效率并延长MILO的运行寿命，对于推进高功率微波系统的工程应用进程，拓展MILO的应用领域具有广阔的应用前景和重要的科研价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：设计一种圆片阵列阴极，提高阴极材料的耐烧蚀性能，延长MILO的使用寿命。
本发明采用的技术方案是：
与传统阴极相比，圆片阵列阴极采用金属圆片与介质圆片交替排列的方式代替传统阴极中的天鹅绒。其中，金属圆片起到结构支撑和电流传导的作用，介质圆片主要是在强电场(数百kV/cm)作用下产生阴极等离子体，进而产生相对论电子束。所采用的介质片一般为碳纤维布或玻璃纤维布，或者其它发射阈值低且耐高温烧蚀的材料。由于所用介质片比传统阴极中的化纤天鹅绒更耐高温烧蚀，故阴极运行寿命更长。采用这种高温烧蚀的长寿命圆片阵列阴极可大大提高MILO的运行寿命。
采用本发明可以达到以下技术效果：
(1)本发明可以提高阴极的耐高温烧蚀性，提高阴极的寿命至数万个脉冲。相比传统阴极来说，阴极寿命可提高两个数量级，从而大大延长MILO的工作寿命；
(2)本发明所述圆片阵列阴极可以发射出与普通的化纤天鹅绒阴极均匀性相同的电子束，可保证MILO装置的技术性能不降低。
附图说明
图1.背景技术中樊玉伟在文献1公布的传统的紧凑型MILO采用的化纤天鹅绒阴极剖视图；
图2.背景技术中Yu-Wei Fan在文献2公布的工作前化纤天鹅绒纤维的电子扫描显微镜图片；
图3.背景技术中Yu-Wei Fan在文献2公布的200次脉冲工作后化纤天鹅绒纤维的电子扫描显微镜图片；
图4.本发明圆片阵列阴极的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
图4为本发明圆片阵列阴极沿中心轴线的剖视图，阴极环绕轴线对称。本发明圆片阵列阴极由阴极座1、锥形段2、阴极基底3、不锈钢圆环薄片4、介质圆环薄片5、阴极帽6组成。其中介质圆环薄片5选择碳纤维布或玻璃纤维布，或者其它发射阈值低且耐高温烧蚀的材料制作，其它部分均采用不锈钢材料制作。
其结构与装配关系如下：
为了叙述的方便，下文规定：阴极座1所在的一端为左端，阴极帽6所在的一端为右端。圆片阵列阴极的结构与装配关系如下：阴极座1为直径为Ф1的圆柱体，右端开有直径为Ф2的螺孔，Ф2＜Ф1；锥形段2由一段圆柱体和一段半径渐增的圆台组成，圆柱体的左端带有一段螺杆，螺杆可旋入阴极座1右端的螺孔中，螺杆长度略小于螺孔深度。圆柱体的直径等于阴极座1的直径Ф1，半径渐增圆台左端的直径等于圆柱体的直径(也等于阴极座1的直径Ф1)，右端直径为Ф3，Ф1＜Ф3，在半径渐增圆台的右端挖出一个直径为Ф4螺孔，Ф4＜Ф3；阴极基底3为一外径为Ф4，内径为Ф5的空心圆筒，其左端加工有外螺纹，右端加工有内螺纹。阴极基底3左端外螺纹可旋入锥形段2右端所开的螺孔中，并与阴极座1和锥形段2保持同轴关系；不锈钢圆环薄片4的外径Ф6与锥形段2最右端直径Ф3相等，内径Ф7与阴极基底3外径Ф4相等，厚度d1<2mm；介质圆环薄片5内径Ф9与阴极基底3外径Ф4相等，外径Ф8大于不锈钢圆环薄片4外径Ф6，厚度d2<2mm；阴极帽6由两段圆柱体组成，其中第一段圆柱体的直径Ф10等于阴极基底3的内径Ф5，其上加工有外螺纹，可以旋入阴极基底3右端的内螺纹中。第二段圆柱体直径为Ф11等于不锈钢圆环薄片4的外径Ф6。由于在背景技术中提到的轴向阴极并不是不可少的，因此作为改进，为使结构精简，该圆片阵列阴极方案中取消了轴向阴极，用阴极帽6起到固定由不锈钢圆环薄片4和介质圆环薄片5组成的圆片阵列的作用；同时在阴极帽的中心处开有一个直径为Ф12小孔，便于使用时抽真空的过程中将阴极里面的气体抽出。
装配时，首先将锥形段2左端的螺杆旋入阴极座1右端的螺孔中，然后将阴极基底3左端外螺纹旋入锥形段2右端所开的螺孔中；之后将一片不锈钢圆环薄片4套在阴极基底3上，再套上一片介质圆环薄片5，在阴极基底3上交替安装好不锈钢圆环薄片4和介质圆环薄片5后，将阴极帽6的第一段圆柱体旋入阴极基底3右端，将由不锈钢圆环薄片4和介质圆环薄片5组成的圆环薄片阵列压实固定。
进一步地，组成所述圆片阵列阴极的阴极座1、锥形段2、阴极基底3、不锈钢圆环薄片4和阴极帽6均采用不锈钢材料加工而成，介质圆环薄片5采用碳纤维布或玻璃纤维布，或者其它发射阈值低且耐高温烧蚀的材料加工而成。
进一步地，所述介质圆环薄片5采用的碳纤维布或玻璃纤维布由一束一束的纤维丝编织而成，在工作时，当加上高压之后，细小的纤维丝会带上静电，相邻纤维丝之间会由于静电作用而相互排斥，这样裸露在两个不锈钢圆环薄片之间的纤维丝会发散开来，使得纤维丝均匀的覆盖整个阴极的侧面，从而能均匀的发射电子束。因此这种圆片阵列阴极既有发射电流均匀又有耐高温烧蚀性好的优点，从而保证MILO装置在技术性能不降的前提下，大幅提高其运行寿命。
Claims (3)
1.一种圆片阵列阴极，其特征在于：所述阴极环绕中心轴线对称，由阴极座(1)、锥形段(2)、阴极基底(3)、不锈钢圆环薄片(4)、介质圆环薄片(5)、阴极帽(6)组成；阴极座(1)为直径为Ф1的圆柱体，右端开有直径为Ф2的螺孔，Ф2＜Ф1；锥形段(2)由一段圆柱体和一段半径渐增的圆台组成，圆柱体的左端带有一段螺杆，螺杆可旋入阴极座(1)右端的螺孔中，螺杆长度略小于螺孔深度，圆柱体的直径等于阴极座(1)的直径Ф1，半径渐增圆台左端的直径等于圆柱体的直径Ф1，右端直径为Ф3，Ф1＜Ф3，在半径渐增圆台的右端挖出一个直径为Ф4螺孔，Ф4＜Ф3；阴极基底(3)为一外径为Ф4，内径为Ф5的空心圆筒，其左端加工有外螺纹，右端加工有内螺纹；阴极基底(3)左端外螺纹可旋入锥形段(2)右端所开的螺孔中，并与阴极座(1)和锥形段(2)保持同轴关系；不锈钢圆环薄片(4)的外径Ф6与锥形段(2)最右端直径Ф3相等，内径Ф7与阴极基底(3)外径Ф4相等，厚度d1<2mm；介质圆环薄片(5)内径Ф9与阴极基底(3)外径Ф4相等，外径Ф8大于不锈钢圆环薄片(4)外径Ф6，厚度d2<2mm；阴极帽(6)由两段圆柱体组成，其中第一段圆柱体的直径Ф10等于阴极基底(3)的内径Ф5，其上加工有外螺纹，可以旋入阴极基底(3)右端的内螺纹中，第二段圆柱体直径为Ф11等于不锈钢圆环薄片(4)的外径Ф6，在阴极帽的中心处开有一个直径为Ф12小孔，便于使用时抽真空的过程中将阴极里面的气体抽出，所述阴极帽(6)起到固定由不锈钢圆环薄片(4)和介质圆环薄片(5)组成的圆片阵列的作用；
装配时，首先将锥形段(2)左端的螺杆旋入阴极座(1)右端的螺孔中，然后将阴极基底(3)左端外螺纹旋入锥形段(2)右端所开的螺孔中；之后将一片不锈钢圆环薄片(4)套在阴极基底(3)上，再套上一片介质圆环薄片(5)，在阴极基底(3)上交替安装好不锈钢圆环薄片(4)和介质圆环薄片(5)后，将阴极帽(6)的第一段圆柱体旋入阴极基底(3)右端，将由不锈钢圆环薄片(4)和介质圆环薄片(5)组成的圆环薄片阵列压实固定。
2.一种如权利要求1所述圆片阵列阴极，其特征在于：组成所述圆片阵列阴极的阴极座(1)、锥形段(2)、阴极基底(3)、不锈钢圆环薄片(4)和阴极帽(6)均采用不锈钢材料加工而成，介质圆环薄片(5)采用碳纤维布或玻璃纤维布，或者其它发射阈值低且耐高温烧蚀的材料加工而成。
3.一种如权利要求1或2所述圆片阵列阴极，其特征在于：所述介质圆环薄片(5)采用的碳纤维布或玻璃纤维布由一束一束的纤维丝编织而成。
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