CN107045970A - 二次电子倍增阴极电子枪 - Google Patents

Abstract

本发明针对现有技术电子枪发射电流密度低和寿命短的问题公开了一种二次电子倍增阴极电子枪，包括阴极杆、阳极筒和聚焦磁场产生装置。所述阴极杆由位于同一轴线上的圆柱形金属导体、圆台形金属导体、场致发射端头以及介质端头组成；所述阳极筒由位于同一轴线上依次相连的金属大圆筒、空心金属圆台和金属小圆筒组成；所述阳极筒与阴极杆共轴，所述阴极杆位于阳极筒内，所述介质端头朝向金属小圆筒这边；所述聚焦磁场产生装置包裹在阳极筒外部，用于产生磁场。本发明将场致发射和二次电子倍增发射方式结合起来，在阴极表面上实现单边二次电子倍增。本发明具有工作寿命长和稳定性高的特点，非常适合用于各类大功率微波源中，作为强流电子束的发射源。

Description

二次电子倍增阴极电子枪

技术领域

本发明涉及一种用于产生和发射电子的电子枪，特别涉及一种可用于大功率微波源的基于单边二次电子倍增阴极的强电流长寿命电子枪。

背景技术

大功率微波源是目前产生微波的重要形式之一，因其可以输出非常高的微波功率，在军事和民用领域都有非常重要的应用。电子枪是微波源中产生并发射电子的装置，是其中最为关键的环节之一。而用于大功率微波源中的电子枪通常要求具备强电流发射的能力，并且随着应用领域的不断拓展和实用化水平的不断提高，也要求其具备较长的寿命。

电子枪的基本结构包括阴极和阳极，通常阴极与直流(或直流脉冲)高压负极连接，阳极与正极连接，使阴极发射的电子能够飞向阳极，形成发射电流。为了提高电子的能量和发射电流密度，通常还有磁场产生装置，用于产生电子加速磁场。阴极和阳极材料大多是金属导体材料，如热阴极常用钨、钼等金属材料，阳极常用的材料有铜、铝等金属材料。

阴极是电子枪的核心，是电子束的来源。根据阴极发射电子机制不同，可将其分为：热阴极发射、场致发射、爆炸发射、二次电子发射等。

热阴极发射是指把发射体加热到足够高温度，内部电子的能量随温度上升而增大，以致其中一部分电子能量达到或超过材料逸出功而从发射体表面逸出的电子发射方式，相应的阴极称为热阴极。热阴极已被广泛应用于传统微波电子管中[梁文龙，王亦曼，刘伟，等.用于真空电子太赫兹器件的微型热阴极电子束源研究，物理学报，2014，63(5):057901]，其可以在高真空环境下(<1.33×10^-3Pa)长时间工作(寿命可达到几千小时)，适用于较低或中等电流强度的工作场合(最大电流密度可达100A/cm²，长寿命工作电流密度需低于10A/cm²)。若要工作在强流条件下，且获得较长的工作寿命，首先必须降低工作温度避免活性材料蒸发，其次要降低材料逸出功提升发射电流密度[曹贵川，祁康城，尹伊，等，LaB6与TaC混合涂层热阴极，强激光与粒子束，2013,25(10)：2749]。若使用逸出功较小的材料，一是重复性差，再者逸出功小的材料容易中毒，离子反轰容易造成材料表面的破坏和应力损伤。因此并不适用于强电流二极管的场合。

场致发射是利用外部强电场使表面势垒降低、变窄而使电子由于隧道效应而逸出的一种电子发射现象。场致发射阴极是一种冷阴极，当阴极表面场强达到10⁹～10¹⁰V/m时，电子发射密度会显著增加，而且这种发射机制几乎与阴极表面温度无关，其可以在高真空环境下(<1.33×10^-3Pa)长时间工作(寿命可达到几千小时)，电流密度可达kA/cm²水平[陈泽祥，曹贵川，张强，等.大电流密度碳纳米管场致发射阵列的研制，强激光与粒子束，2006，18(12)：2070-2073]。为获得高发射所需的强电场，较为有效的手段是把阴极制备成非常小的针尖形状发射体阵列，这种spindt阴极阵列目前已经使用在传统微波管中[狄云松，张晓兵，雷威，等，太赫兹源场致发射电子源，强激光与粒子束，2013,25(6)：1494-1498]。虽然场致发射阴极发射电流密度很大，但由于单元发射面积很小，阵列单元个数有限，导致发射总电流强度不高，30000个单元仅能产生100mA量级的电流。场致发射另一个问题是，为避免离子反轰破坏阵列尖端，需要超高真空环境(<1.33×10^-3Pa，长寿命下<1.33×10^-6Pa)；另外，尖端几何形状及表面清洁程度的轻微不同，将导致局部发射增强，导致电流失控引发尖端加热烧蚀损坏。因此，场致发射阴极目前也并不适用在强电流二极管的应用场合。

爆炸发射阴极目前是唯一的一种应用于强电流二极管条件下的冷阴极，其可提供kA/cm²水平发射电流密度，且对真空度要求较低(<1.33×10^-2Pa)。阴极的爆炸发射过程可以产生大量的等离子体，形成实际的电子源，从而产生极高的电流密度[宋法伦，金晓，张永辉，等.爆炸发射阴极特性的研究进展，物理，2007,36(3)：241-246]。爆炸发射阴极理论上可以视为具有无限发射能力的阴极，其发射特性仅受到空间电荷限制流的制约。但是爆炸发射的缺点也是显著的：首先爆炸发射形成的表面等离子体的热扩散会导致二极管间隙(阴极-阳极间隙)闭合[左应红，王建国，朱金辉，等.二极管爆炸发射阴极等离子体的膨胀扩展，强激光与粒子束，2012,24:1471-1474]，导致二极管发射电流脉冲缩短，从而影响器件输出微波脉冲的长度；其次，等离子体的不均匀性和发射的不可重复性直接影响发射电子束质量，从而影响微波器件性能；最后，阴极爆炸发射过程中存在较为严重的材料释气(放气)现象，中性气体分子背景下气体压力的激增，会引发电弧放电，使二极管提前闭合，目前抑制放气还缺乏有效手段，除了使用低产气率材料外只能通过真空处理工艺加以解决。受到上述物理机制的制约，爆炸发射阴极的工作寿命不高，目前维持在数千到上万个脉冲之间的水平。

二次电子发射是一种正在发展的电子发射方式。物体被具有一定动能的电子或离子轰击时，它们的能量也会部分转移给物体内部的电子，使内部电子获得能量而从物体表面逸出，这种电子发射称为二次电子发射[Kishek R,Lau Y,et al,Multipactordischarge on metals and dielectrics:historical review and recent theories,Phys.Plasmas,1998,5:2120]，二次电子发射体称为二次电子发射阴极。二次电子发射阴极是各类电子倍增器件中必需的发射电极。某些正交场器件，已经实现利用二次电子发射方式增强阴极发射能力，例如连续波运行的传统磁控管器件的阴极电子发射方式就包括了热发射和二次电子发射两种类型，26A/cm²的总发射电流密度，二次电子发射占23A/cm²，热发射仅占3A/cm²；但由于使用热阴极发射初始电子，其发射电流密度不高。基于金属双边二次电子倍增的微脉冲电子枪(MPG)[唐传祥，田凯，陈怀壁，等.微脉冲电子枪的动力学研究。强激光与粒子束，15(2003)]目前已经可以达到400A/cm²以上的发射电流密度，持续时间可达微秒量级；MPG电子枪的优点是：发射度和能散度低，电子发射初始状态好，但是结构复杂、同时需要微波源系统和静电系统。另外，由于MPG是基于谐振机理的电子枪，其双侧表面均受到电子轰击，二次电子倍增材料涂层易脱落和烧蚀，因此寿命较短。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种二次电子倍增阴极电子枪，解决现有技术电子枪发射电流密度低和寿命短的问题。

为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的一个方面，提供了一种二次电子倍增阴极电子枪，包括阴极杆、阳极筒和聚焦磁场产生装置，其特征在于：

所述阴极杆由位于同一轴线上的圆柱形金属导体、圆台形金属导体、场致发射端头以及介质端头组成；所述圆台形金属导体下底连接在圆柱形金属导体顶端，圆台形金属导体下底直径与圆柱形金属导体直径相等，所述圆台形金属导体上底与场致发射端头连接，所述场致发射端头为圆柱形，其直径与圆台形金属导体上底直径相等，所述介质端头为圆柱形，其直径与场致发射端头直径相等，所述介质端头与场致发射端头连接，所述介质端头柱面和/或顶面覆盖有二次电子倍增材料；

所述阳极筒由位于同一轴线上依次相连的金属大圆筒、空心金属圆台和金属小圆筒组成；所述金属大圆筒直径＞圆柱形金属导体直径，所述空芯金属圆台下底直径与金属大圆筒直径相等，所述空芯金属圆台上底直径与金属小圆筒直径相等；

所述阳极筒与阴极杆共轴，所述阴极杆位于阳极筒内，所述介质端头朝向金属小圆筒这边；

所述聚焦磁场产生装置包裹在阳极筒外部，用于产生磁场，所述磁场为轴对称磁场，其对称轴与阴极杆轴线重合，所述磁场方向与所述介质端头朝向相同。

进一步的，所述场致发射端头材料的逸出功小于外加电场提供的能量。

具体的，所述二次电子倍增材料为碱土金属氧化物。

具体的，所述场致发射端头材料为镧系金属硼化物。

进一步的，所述介质端头至少部分伸入所述空芯金属圆台中。

具体的，所述聚焦磁场产生装置由线圈、永磁体或超导磁体构成。

进一步的，所述圆柱形金属导体和圆台形金属导体是由同种材料制成的一体化部件。

进一步的，所述阳极筒是由同种材料制成的一体化部件。

进一步的，所述场致发射端头柱面上分布有场致发射尖端。

具体的，所述场致发射尖端为底面大顶面小的圆台形凸起，其顶面法线与阴极杆轴线垂直。

本发明的有益效果是，在阴极发射机制上将场致发射和二次电子倍增发射方式结合起来，采用合适的二极管构型(即阴极杆和阳极筒的结构形状)以及外加电场和磁场，保证在阴极表面上实现单边二次电子倍增。与热阴极电子枪和单纯的场致发射阴极电子枪相比，可以实现强流电子束发射；与爆炸发射阴极电子枪相比，发射过程不产生等离子体，也没有严重的材料释气现象，因此其工作寿命和稳定性有大幅提高。本发明适合用于各类大功率微波源中作为强流电子束的发射源。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为实施例的示意图。

图2为图1的左视图。

图3为场致发射端头和场致发射尖端示意图。

图4为电场分布示意图。

图5为磁场分布示意图。

图6为XZ平面和XY平面电子轨迹示意图。

图7为电子碰撞能量随时间的演化关系示意图。

具体实施方式

本发明采用场致发射和二次电子倍增发射相结合的阴极发射方式，配合电子枪结构和电磁场分布类型，在介质端头表面上实现了轴向电场和径向电场同时加载，轴向磁场单独加载。由于电、磁系统独立设计和加载，互不干扰，调整阳极筒与阴极杆各组成部分的尺寸(如直径和长度)可以得到合适的电场分布，调整磁场产生装置可以得到合适的磁场分布，保证在阴极表面实现单边二次电子倍增发射。

由于单边二次电子倍增不需要双边结构的复杂腔体设计和内在微波谐振约束条件，且二次电子倍增敏感区间明显宽于双边二次电子倍增敏感区间，甚至不需要引入微波源，且单边二次电子倍增的作用面积远大于双边二次电子倍增的作用面积，因此基于单边二次电子倍增阴极的强流电子枪具有良好的发展前景和内在优势。其发射能力虽然略低于爆炸发射阴极，但工作寿命明显长于爆炸发射阴极。

本发明涉及到的两种特殊材料：逸出功小的材料和二次电子倍增材料。逸出功小的材料用于制作场致发射端头和场致发射尖端，二次电子倍增材料用于介质端头的表面镀层。逸出功小的材料是指在外部激励(如电场)作用下容易逸出电子的材料，常用的有镧系金属硼化物、碳纳米材料等。二次电子倍增材料是指受到电子或离子轰击时，能够逸出更多电子或离子的材料，常用的有碱土金属氧化物，如氧化镁、氧化钡等。本发明中其他零部件材料没有特殊要求，可以采用普通的金属导体材料，如铜材、铝材或不锈钢材料等

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。现将参考附图并结合以下内容详细说明本发明。

为了使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明具体实施方式、实施例中的附图，对本发明具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一分部的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的具体实施方式、实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例

本例二次电子倍增阴极电子枪，包括阴极杆1、阳极筒2和聚焦磁场产生装置3，如图1和图2所示。

阴极杆1由位于同一轴线OP上的圆柱形金属导体11、圆台形金属导体12、场致发射端头13和介质端头14组成。圆柱形金属导体11和圆台形金属导体12是由铜材经过加工制成的一体化部件，圆台形金属导体12下底连接在圆柱形金属导体11顶端，圆台形金属导体12下底直径与圆柱形金属导体11直径相等，圆台形金属导体12上底与场致发射端13连接，场致发射端头13为圆柱形，其直径与圆台形金属导体12上底直径相等。本例场致发射端头13采用镧系金属硼化物材料构成，其逸出功小于外加电场提供的能量，能够在外电场作用下产生场致发射逸出电子。如图3所示，本例场致发射端头13柱面上分布有场致发射尖端131。图1中介质端头14连接在场致发射端头13上，介质端头14为圆柱形，其直径与场致发射端头13直径相等。介质端头14的柱面和/或顶面覆盖有二次电子倍增材料碱土金属氧化物，能够在场致发射电子的轰击下产生二次电子发射。

参见图1，本例阳极筒2由位于同一轴线OP上依次相连的金属大圆筒21、空心金属圆台22和金属小圆筒23组成。金属大圆筒21直径＞圆柱形金属导体11的直径，使整个阴极杆1可以置于阳极筒2中。图1中，空芯金属圆台22下底直径与金属大圆筒21直径相等，空芯金属圆台22上底直径与金属小圆筒23直径相等。本例阳极筒2也是由铜材加工制成的一体化部件。由图1可以看出，介质端头14有一部分伸入到空芯圆台22中。

由图1可见，本例阳极筒2与阴极杆1共轴，图1中OP轴线就是阳极筒2和阴极杆1的轴，阴极杆1位于阳极筒2内，介质端头14朝向金属小圆筒23这边。

本例聚焦磁场产生装置由线圈、永磁体构成，包裹在阳极筒2外部，用于产生磁场，其磁场为轴对称磁场，磁场方向与介质端头14朝向相同，由O指向P，轴对称磁场对称轴与轴线OP重合。

为了提高场致发射的电子密度，本例场致发射端头13柱面上分布有底面大顶面小的圆台形凸起构成的场致发射尖端131。场致发射尖端131D顶面法线与阴极杆轴线垂直，如图3所示。

本例二次电子倍增阴极电子枪各部分的具体尺寸和参数如下：

构成磁场产生装置采用永磁体骨架，通电线圈绕制长度35cm，内半径9cm，外半径14cm，驱动电流1kA，匝数400，能够在阳极筒内部形成沿轴线OP方向的大小为1.1T的磁场。

圆柱形金属导体采用11半径4mm、轴长6mm；圆台形金属导体12下底半径4mm、上底半径1mm、轴长6mm；场致发射端头13的半径1mm、轴长0.5mm，每个场致发射尖端131底面半径s＝0.02mm、顶面半径δ＝0.005mm、高0.05mm，场致发射尖端131分布位置靠近介质端头14一侧；介质端头14的半径1mm、轴长2mm。阳极筒2外半径9mm，左端的金属大圆筒21内半径8mm、轴长13mm，右端金属小圆柱23内半径1.5mm、轴长4mm，位于阳极筒2中间的空心金属圆台22轴长3mm。

本例电子枪在阴极杆1与阳极筒2之间施加100kV高压电脉冲信号，就可以在阴极和阳极之间形成合适的电场分布，如图4所示。本例磁场产生装置3在阳极筒2内形成的沿轴线方向的磁场分布，如图5所示。阴极杆1中的场致发射尖端由于尖端效应，当场强值超过场致发射尖端材料的电子发射阈值时，场致发射尖端131发射电子，称为初始电子。出射的初始电子在电场和磁场的作用下，在介质端头14圆柱表面上沿轴向做螺旋行进运动，以掠入射方式返回表面。初始电子轰击具有较高二次电子发射系数的介质端头14表面，产生数目增殖的二次电子，二次电子在静电场和静磁场的共同作用下继续轰击介质端头14表面，产生更多的二次电子，从而实现强流电子束发射。

多个电子的轨迹跟踪曲线如图6所示，电子碰撞能量随时间的演化关系如图7所示。由图7可以看出：二次电子碰撞能量范围为550eV～950eV，平均碰撞能量750eV。二次电子碰撞能量大于二次电子倍增区间的碰撞能量下限(200eV左右)，可以实现二次电子倍增。按照布里渊层流层模型可以预估出本实施例中布里渊层流的电荷密度为

又通过模拟计算得到电子z方向的速度为：

v_z＝8(mm/ns)＝8×10⁶(m/s)＝8×10⁸(cm/s) (2)

综上可获得电流密度的预估值为：

Jz＝ρvz＝1.56×8×10⁶＝1.25×10⁷(A/m²)＝1.25(kA/cm²) (3)

本例电子枪的工作寿命主要取决于二次电子倍增材料的耐热性、耐高能电子轰击特性、二次电子发射系数的稳定性以及材料表面的放气特性等因素。结合本例阴极的工作方式和目前二次电子倍增材料的水平，预计其工作寿命会低于场致发射阵列阴极的数千小时，但会明显高于爆炸发射阴极数千个脉冲的使用寿命。

Claims (10)

1.二次电子倍增阴极电子枪，包括阴极杆、阳极筒和聚焦磁场产生装置，其特征在于：

所述阴极杆由位于同一轴线上的圆柱形金属导体、圆台形金属导体、场致发射端头以及介质端头组成；所述圆台形金属导体下底连接在圆柱形金属导体顶端，圆台形金属导体下底直径与圆柱形金属导体直径相等，所述圆台形金属导体上底与场致发射端头连接，所述场致发射端头为圆柱形，其直径与圆台形金属导体上底直径相等，所述介质端头为圆柱形，其直径与场致发射端头直径相等，所述介质端头与场致发射端头连接，所述介质端头柱面和/或顶面覆盖有二次电子倍增材料；

所述阳极筒由位于同一轴线上依次相连的金属大圆筒、空心金属圆台和金属小圆筒组成；所述金属大圆筒直径＞圆柱形金属导体直径，所述空芯金属圆台下底直径与金属大圆筒直径相等，所述空芯金属圆台上底直径与金属小圆筒直径相等；

所述阳极筒与阴极杆共轴，所述阴极杆位于阳极筒内，所述介质端头朝向金属小圆筒这边；

所述聚焦磁场产生装置包裹在阳极筒外部，用于产生磁场，所述磁场为轴对称磁场，其对称轴与阴极杆轴线重合，所述磁场方向与所述介质端头朝向相同。

2.根据权利要求1所述的二次电子倍增阴极电子枪，其特征在于，所述场致发射端头材料的逸出功小于外加电场提供的能量。

3.根据权利要求1所述的二次电子倍增阴极电子枪，其特征在于，所述二次电子倍增材料为碱土金属氧化物。

4.根据权利要求1所述的二次电子倍增阴极电子枪，其特征在于，所述场致发射端头材料为镧系金属硼化物。

5.根据权利要求1所述的二次电子倍增阴极电子枪，其特征在于，所述介质端头至少部分伸入所述空芯金属圆台中。

6.根据权利要求1所述的二次电子倍增阴极电子枪，其特征在于，所述聚焦磁场产生装置由线圈、永磁体或超导磁体构成。

7.根据权利要求1所述的二次电子倍增阴极电子枪，其特征在于，所述圆柱形金属导体和圆台形金属导体是由同种材料制成的一体化部件。

8.根据权利要求1所述的二次电子倍增阴极电子枪，其特征在于，所述阳极筒是由同种材料制成的一体化部件。

9.根据权利要求1～8任意一项所述的二次电子倍增阴极电子枪，其特征在于，所述场致发射端头柱面上分布有场致发射尖端。

10.根据权利要求9所述的二次电子倍增阴极电子枪，其特征在于，所述场致发射尖端为底面大顶面小的圆台形凸起，其顶面法线与阴极杆轴线垂直。