CN107591301A - 新型等离子体阴极实心注电子枪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及等离子体阴极电子枪的技术领域，公开了一种新型等离子体阴极实心注电子枪，包括依次同轴连接且呈圆筒体状的等离子体阴极腔、中间腔以及阳极腔，所述等离子体阴极腔内同轴连接有放电电极，等离子体阴极腔的一端设有观察窗，等离子体阴极腔的另一端与中间腔之间设有阴极；所述阳极腔的一端与中间腔之间同轴连接有调制电极，另一端同轴连接有阳极且阳极的外部环绕有磁聚焦线圈；所述阳极腔内同轴连接有聚焦极；所述放电电极、阴极、调制电极、聚焦极以及阳极分别连接有电源，等离子体阴极腔连通有真空系统，解决了正离子对阴极的轰击破坏较大、输出电流密度较低以及场致发射电子枪因阴阳极间隙中等离子体闭合而导致脉冲宽度较小的问题。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体阴极电子枪的技术领域，涉及一种新型等离子体阴极实心注电子枪。
背景技术
高功率脉冲技术和微波器件的发展对连续工作的电子束源产生了迫切的要求。传统的热阴极电子枪可产生长脉冲，但电流比较小；场致发射电子枪虽能产生强流电子束，但束流脉宽较短；在微波器件中引入等离子体，虽然可以改善电子束与波的互作用特性，提高束波互作用效率，但等离子体中的正离子以高能量向电子枪区漂移，会轰击阴极，破坏阴极表面并降低其电子发射能力，导致器件性能降低。本发明是一种新型等离子体阴极实心注电子枪，为上述问题提供了可行的解决方案,可连续工作产生实心电子注。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种新型等离子体阴极实心注电子枪以达到减小正离子对阴极的轰击破坏和克服热阴极电子枪因受空间电荷限制而输出电流密度较低的目的，解决了正离子对阴极的轰击破坏较大、输出电流密度较低以及场致发射电子枪因阴阳极间隙中等离子体闭合而导致脉冲宽度较小的问题。
为了实现上述技术效果，本发明所提供的技术方案是：一种新型等离子体阴极实心注电子枪，包括依次同轴连接且呈圆筒体状的等离子体阴极腔、中间腔以及阳极腔，所述等离子体阴极腔内同轴连接有放电电极且放电电极设为网状圆筒体，等离子体阴极腔的一端设有观察窗，等离子体阴极腔的另一端与中间腔之间设有呈圆形网状的阴极；所述阳极腔的一端与中间腔之间同轴连接有呈内凹球面网状的调制电极，另一端同轴连接有呈圆筒体状的阳极且阳极的外部环绕有磁聚焦线圈；所述阳极腔内同轴连接有呈圆台筒体状的聚焦极，聚焦极的两端分别与调制电极和阳极之间设有间距且聚焦极的小直径端与调制电极相对应；所述放电电极、阴极、调制电极、聚焦极以及阳极分别连接有电源，等离子体阴极腔连通有真空系统。
进一步地，所述真空系统包括气罐、真空泵、位于等离子体阴极腔上的进气孔和出气孔，所述气罐与进气孔之间通过第一管道连通，且第一管道上设有进气控制阀；所述真空泵与出气孔之间通过第二管道连通，且第二管道上设有真空计。
进一步地，所述电源包括交流电源、正单脉冲电源、第一直流电源以及第二直流电源，所述交流电源的输出端连接有谐振电感，谐振电感与放电电极相连；所述正单脉冲电源的输出端与阴极相连；所述第一直流电源的输出端分别与调制电极和聚焦极相连；所述第二直流电源的输出端与阳极相连。
进一步地，所述等离子体阴极腔上设有第一电极通孔，中间腔上设有第二电极通孔，阳极腔上设有第三电极通孔和第四电极通孔；所述谐振电感通过第一电极通孔与放电电极相连，正单脉冲电源通过第二电极通孔与阴极相连，第一直流电源通过第三电极通孔分别与调制电极和聚焦极相连，第二直流电源通过第四电极通孔与阳极相连。
进一步地，所述磁聚焦线圈的电阻设为5Ω，磁场设为0.5T。
进一步地，所述聚焦极的倾斜边缘与其轴心线方向的夹角设为67.5度。
进一步地，所述放电电极的外壁与等离子体阴极腔的内壁之间通过多个第一绝缘胶柱连接；所述聚焦极的外壁与阳极腔的内壁之间通过多个第二绝缘胶柱连接。
进一步地，所述第一绝缘胶柱沿周向方向均匀分布于放电电极的外壁上，第二绝缘胶柱沿周向方向均匀分布于聚集极的外壁上。
进一步地，所述观察窗的边缘与等离子体阴极腔的端面之间通过紧固旋钮固定连接且观察窗的一侧与等离子体阴极腔的端面之间设有垫片。
进一步地，所述等离子体阴极腔的外壁接地；所述等离子体阴极腔的直径远大于阳极腔的直径，阳极腔的直径大于中间腔的直径。
相比于现有技术，本发明的有益效果是：
1.采用等离子体阴极，以低压惰性等离子体放电作为电子源，从等离子体边界将电子提取出来并加速形成电子束，减小了正离子对阴极的轰击破坏；
2.克服热阴极电子枪因受空间电荷限制而输出电流密度较低和场致发射电子枪因阴阳极间隙中等离子体闭合而导致脉冲宽度较小的缺点，能够连续产生电流密度高达50～100Acm-2的圆柱实心电子注。
附图说明
图1是本发明提供的新型等离子体阴极实心注电子枪的内部整体结构示意图；
图2是本发明提供的新型等离子体阴极实心注电子枪的整体结构示意图；
图3是本发明提供的新型等离子体阴极实心注电子枪的内部结构示意图；
图4是图2的A向示意图；
图5是图2的E向示意图；
图6是图2的B-B向剖视示意图；
图7是图2的C-C向剖视示意图；
图8是图2的D-D向剖视示意图；
附图中标记对应的部件名称如下：1为等离子体阴极腔；2为中间腔；3为阳极腔；101为进气孔；102为出气孔；103为放电电极；104为第一电极通孔；105为第一绝缘胶柱；106为阴极；107为垫片；108为观察窗；109为紧固旋钮；201为调制电极；202为第二电极通孔；301为聚焦极；302为第二绝缘胶柱；303为阳极；304为磁聚焦线圈；305为第三电极通孔；306为第四电极通孔；401为进气控制阀；402为气罐；403为真空计；404为真空泵；501为交流电源；502为谐振电感；503正单脉冲电源；504为第一直流电源；505为第二直流电源。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细介绍，以下文字的目的在于说明本发明，而非限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明可按照如下方式实施，一种新型等离子体阴极实心注电子枪，包括依次同轴连接且呈圆筒体状的等离子体阴极腔1、中间腔2以及阳极腔3，所述等离子体阴极腔1内同轴连接有放电电极103且放电电极103设为网状圆筒体，放电电极103的外径小于等离子体阴极腔1的内径且通过第一绝缘胶柱105与等离子体阴极腔1连接为同心圆结构，等离子体阴极腔1的一端设有观察窗108，等离子体阴极腔1的另一端与中间腔2之间设有呈圆形网状的阴极106；所述阳极腔3的一端与中间腔2之间同轴连接有呈内凹球面网状的调制电极201，另一端同轴连接有呈圆筒体状的阳极303且阳极303的外部环绕有磁聚焦线圈304；所述阳极腔3内同轴连接有呈圆台筒体状的聚焦极301，聚焦极301的两端分别与调制电极201和阳极303之间设有间距且聚焦极301的小直径端与调制电极201相对应；所述放电电极103、阴极106、调制电极201、聚焦极301以及阳极303分别连接有电源，等离子体阴极腔1连通有真空系统；上述的等离子体阴极腔1、放电电极103、阴极2、中间腔3、调制电极201、阳极腔3、聚焦极301、阳极303、磁聚焦线圈304均排布在同一轴心线上，并沿中轴线对称。作为有选的，所述放电电极103为直径约5cm的网状圆筒体，与等离子体阴极腔1内壁之间相距3～5cm且绝缘连接支撑，等离子体阴极腔1的厚约1cm；所述阴极106是直径为6mm的圆形网状；所述中间腔2的长度为1cm，直径6mm；所述调制电极201的直径为6mm；所述阳极303的直径2mm，长1cm，且与调制电极201之间的距离为4.6mm～6.1mm，具体距离值可根据实际情况调节。
所述真空系统包括气罐402、真空泵404401、位于等离子体阴极腔1上的进气孔101和出气孔102，所述气罐402与进气孔101之间通过第一管道连通，且第一管道上设有进气控制阀401，控制进入等离子体阴极腔1的惰性气体；所述真空泵404与出气孔102之间通过第二管道连通，且第二管道上设有真空计403，控制腔内的气体压强。
所述电源包括交流电源501、正单脉冲电源503、第一直流电源504以及第二直流电源505，所述交流电源501的输出端连接有谐振电感502，谐振电感502与放电电极103相连，其输出电压100V～500V,输出频率在10kHz～50kHz之间；所述正单脉冲电源503的输出端与阴极106相连，其幅值为12kV左右，频率在10kHz～50kHz之间，占空比为50％；所述第一直流电源504的输出端分别与调制电极201和聚焦极301相连，其输出电压为15KV左右；所述第二直流电源505的输出端与阳极303相连，其输出电压为35KV左右。
所述等离子体阴极腔1上设有第一电极通孔104，中间腔2上设有第二电极通孔202，阳极腔3上设有第三电极通孔305和第四电极通孔306；所述谐振电感502通过第一电极通孔104与放电电极103相连，正单脉冲电源503通过第二电极通孔202与阴极106相连，第一直流电源504通过第三电极通孔305分别与调制电极201和聚焦极301相连，第二直流电源505通过第四电极通孔306与阳极303相连。
所述磁聚焦线圈304的电阻设为5Ω，磁场设为0.5T。
所述聚焦极301的倾斜边缘与其轴心线方向的夹角设为67.5度。
所述放电电极103的外壁与等离子体阴极腔1的内壁之间通过多个第一绝缘胶柱105连接；所述聚焦极301的外壁与阳极腔3的内壁之间通过多个第二绝缘胶柱302连接。
所述第一绝缘胶柱105沿周向方向均匀分布于放电电极103的外壁上，第二绝缘胶柱302沿周向方向均匀分布于聚集极301的外壁上，作为优选的，第一绝缘胶柱105和第二绝缘胶柱302分别位于放电电极103的径向方向上和聚集极301的径向方向上。
所述观察窗108的边缘与等离子体阴极腔1的端面之间通过紧固旋钮109固定连接且观察窗108的一侧与等离子体阴极腔1的端面之间设有垫片107，垫片107将等离子体阴极腔1的端部密封。作为优选的，所述观察窗108的边缘沿其周向方向均匀分布有支板，等离子体阴极腔1的外壁上设有与所述支板相对应的固定块，支板与固定块之间通过紧固旋钮109连接固定，紧固旋钮109设为螺栓。
所述等离子体阴极腔1的外壁接地，以消除等离子体阴极腔1外壁上的静电。作为优选的，所述等离子体阴极腔1的直径远大于阳极腔3的直径，阳极腔3的直径大于中间腔2的直径。
本发明提供的新型等离子体阴极实心注电子枪产生压缩电子束的过程是：
将紧固旋钮109拧紧，使观察窗108挤压垫片107密封腔体；打开真空泵404对腔体开始抽气，当前腔内气压由显示在真空计403上；当检测到压强为100Pa时，打开进气控制阀401401，将气罐402中的惰性气体充入腔体内；继续抽气，当检测到气压为20Pa时，打开交流电源501,放电电极103和腔体内壁等效的电容与谐振电感502一起构成谐振回路，交流电源501工作在谐振回路的谐振点上，使网状放电电极103与腔体内壁间形成高电压间隙放电，自由电子在放电空间电场作用下，与中性气体碰撞，使中性原子分子电离，气体的持续电离引起电子雪崩，气体最终被击穿；电压继续升高，放电实现自持并实现辉光放电，同时继续充气抽气，使腔体气压维持稳定。经过一段时间后，腔内电子密度稳定在1011cm-3，打开正单脉冲电源503、第一直流电源504、第二直流电源505，等离子体阴极腔1内的电子受到阴极106正电压作用流向阴极106，并通过阴极106的网孔进入中间腔2中；进入中间腔2的而电子在调制极201作用下，加速通过调制极201网孔进入阳极腔3；在调制电极201和聚焦极301的电场共同作用下，电子流被聚束到阳极303的内部通道中，并被阳极303正电压和磁聚焦线圈304压缩，连续工作产生电流密度高达50～100Acm-2的圆柱实心电子注。
任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种新型等离子体阴极实心注电子枪，其特征在于，包括依次同轴连接且呈圆筒体状的等离子体阴极腔、中间腔以及阳极腔，所述等离子体阴极腔内同轴连接有放电电极且放电电极设为网状圆筒体，等离子体阴极腔的一端设有观察窗，等离子体阴极腔的另一端与中间腔之间设有呈圆形网状的阴极；所述阳极腔的一端与中间腔之间同轴连接有呈内凹球面网状的调制电极，另一端同轴连接有呈圆筒体状的阳极且阳极的外部环绕有磁聚焦线圈；所述阳极腔内同轴连接有呈圆台筒体状的聚焦极，聚焦极的两端分别与调制电极和阳极之间设有间距且聚焦极的小直径端与调制电极相对应；所述放电电极、阴极、调制电极、聚焦极以及阳极分别连接有电源，等离子体阴极腔连通有真空系统。
2.根据权利要求1所述的新型等离子体阴极实心注电子枪，其特征在于，所述真空系统包括气罐、真空泵、位于等离子体阴极腔上的进气孔和出气孔，所述气罐与进气孔之间通过第一管道连通，且第一管道上设有进气控制阀；所述真空泵与出气孔之间通过第二管道连通，且第二管道上设有真空计。
3.根据权利要求1所述的新型等离子体阴极实心注电子枪，其特征在于，所述电源包括交流电源、正单脉冲电源、第一直流电源以及第二直流电源，所述交流电源的输出端连接有谐振电感，谐振电感与放电电极相连；所述正单脉冲电源的输出端与阴极相连；所述第一直流电源的输出端分别与调制电极和聚焦极相连；所述第二直流电源的输出端与阳极相连。
4.根据权利要求3所述的新型等离子体阴极实心注电子枪，其特征在于，所述等离子体阴极腔上设有第一电极通孔，中间腔上设有第二电极通孔，阳极腔上设有第三电极通孔和第四电极通孔；所述谐振电感通过第一电极通孔与放电电极相连，正单脉冲电源通过第二电极通孔与阴极相连，第一直流电源通过第三电极通孔分别与调制电极和聚焦极相连，第二直流电源通过第四电极通孔与阳极相连。
5.根据权利要求1所述的新型等离子体阴极实心注电子枪，其特征在于，所述磁聚焦线圈的电阻设为5Ω，磁场设为0.5T。
6.根据权利要求1所述的新型等离子体阴极实心注电子枪，其特征在于，所述聚焦极的倾斜边缘与其轴心线方向的夹角设为67.5度。
7.根据权利要求1所述的新型等离子体阴极实心注电子枪，其特征在于，所述放电电极的外壁与等离子体阴极腔的内壁之间通过多个第一绝缘胶柱连接；所述聚焦极的外壁与阳极腔的内壁之间通过多个第二绝缘胶柱连接。
8.根据权利要求7所述的新型等离子体阴极实心注电子枪，其特征在于，所述第一绝缘胶柱沿周向方向均匀分布于放电电极的外壁上，第二绝缘胶柱沿周向方向均匀分布于聚集极的外壁上。
9.根据权利要求1所述的新型等离子体阴极实心注电子枪，其特征在于，所述观察窗的边缘与等离子体阴极腔的端面之间通过紧固旋钮固定连接且观察窗的一侧与等离子体阴极腔的端面之间设有垫片。
10.根据权利要求1所述的新型等离子体阴极实心注电子枪，其特征在于，所述等离子体阴极腔的外壁接地；所述等离子体阴极腔的直径远大于阳极腔的直径，阳极腔的直径大于中间腔的直径。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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