CN107768218A - 一种低能强流栅控电子枪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低能强流栅控电子枪，包括：发射体、聚焦电极、中间电极和阳极，其中，发射体和聚焦电极外接同一个负高压电源，中间电极外接正高压电源，中间电极的正高压与发射体的负高压形成加速电场，阳极接地，阳极零电位与中间电极的正高压形成减速电场，发射体使用阴栅组件发射电子束流，并使用聚焦电极聚焦电子束流，同时经过加速电场加速电子束流；最后经过减速电场减速电子束流，利用CST粒子跟踪和PIC算法修正电极的形状以及电极之间的距离。本发明控制束流流强并保持低的束流能散，有着低能、高导流系数、大压缩比、使用寿命长等优点，有较高的实用价值和广泛的应用前景。

Description

一种低能强流栅控电子枪

技术领域

本发明属于电子加速器领域，更具体地，涉及一种低能强流栅控电子枪。

背景技术

现有的低能强流电子枪多为高导流系数二极枪，使用时需外接一台高压脉冲调制器引出电子束，受限于高压脉冲调制器输出波形的质量，低能强流二极枪输出的电子束存在束流能散大的缺点。同时，高导流系数使得二极枪内空间电荷作用力极强，进而带来电极表面场强大、束斑尺寸大、射程短等缺点，给电子枪的设计以及电极头的加工制造带来难度，难以输出满足自由电子激光(FEL)电子加速器对高品质束流注入的要求。对于普通的栅控三极枪，虽然外接高压电源引入的束流能散非常低，但受限于发射体形状，普通的栅控三极枪无法在低能的条件下产生满足需求的强流电子束。

由此可见，现有技术存在低能强流条件下束流质量差与电极表面场强大的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种低能强流栅控电子枪，由此解决现有技术存在低能强流条件下束流质量差与电极表面场强大的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种低能强流栅控电子枪，包括：发射体、聚焦电极、中间电极和阳极，其中，发射体和聚焦电极外接同一个负高压电源，中间电极外接正高压电源，中间电极的正高压与发射体的负高压形成加速电场，阳极接地，阳极零电位与中间电极的正高压形成减速电场，发射体使用阴栅组件发射电子束流，并使用聚焦电极聚焦电子束流，同时经过加速电场加速电子束流；最后经过减速电场减速电子束流，利用CST粒子跟踪和PIC算法修正电极的形状以及电极之间的距离，电极的形状包括聚焦电极的形状、中间电极的形状和阳极的形状，电极之间的距离包括聚焦电极和中间电极之间的距离以及中间电极和阳极之间的距离。

进一步的，聚焦电极、中间电极和阳极的表面粗糙度为1.6、0.8、0.4、0.2、0.1或者0.05。

进一步的，聚焦电极和中间电极之间的平行度与同轴度的误差为0.01mm-0.03mm，中间电极和阳极之间的平行度与同轴度的误差为0.01mm-0.03mm。

进一步的，发射体使用阴栅组件，外接灯丝电源与栅网偏压电源，灯丝电源与栅网偏压电源均悬浮在一台负高压电源上。

进一步的，栅网偏压电源输出-100V至200V的偏压，用于控制电子束流的发射，当栅网偏压电源输出负电压时，发射体上的电子束流发射被抑制，电子枪不输出电子束流；当栅网偏压电源输出正电压时，发射体上的电子束流被引出，电子枪输出电子束流。

进一步的，阴栅组件的工作环境为真空1e-6Pa，阴栅组件使用金丝垫圈，通过压板压盖进行真空密封。

进一步的，利用CST粒子跟踪和PIC算法修正电极的形状以及电极之间的距离的具体实现方式为：

使用CST中Particle Tracking模块对电子枪进行建模仿真，改变中间电极电势并修正电极的形状以及电极之间的距离，得到满足设计指标的电子枪模型，使用PIC算法验证电子枪模型满足性能设计指标，得到最终的中间电极电势与电极的形状以及电极之间的距离，性能设计指标为：电子枪电极最大表面电场强度小于13MV/m、电子束流流强大于3.2A、束腰半径不超过1.4mm、射程大于13mm且电子束流能散小于0.5％。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明发射体使用阴栅组件发射电子束流，并使用聚焦电极聚焦电子束流，同时经过加速电场加速电子束流；最后经过减速电场减速电子束流，利用CST粒子跟踪和PIC算法修正电极的形状以及电极之间的距离，为了尽可能的提高低能强流栅控电子枪的输出束流品质，反复修正电极的形状与电极之间的距离，在满足低能强流的条件下，最大限度提高输出束流质量并降低电极表面最大场强。本发明控制束流流强并保持低的束流能散，有着低能、高导流系数、大压缩比、使用寿命长等优点，有较高的实用价值和广泛的应用前景。

(2)本发明采用了双阳极栅控结构，提高了电子束流的引出电压并保持束流能量不变。电子枪输出电子束流有着高导流系数、束斑尺寸小、束流射程远等优点，并大幅降低了电子枪电极的表面场强。由于该低能强流栅控电子枪的阴栅组件易于更换，电子枪的使用寿命得以提高。同时，栅控结构使得输出束流几乎不会因电源而引入束流能散，束流能散得以大幅降低，最终输出满足自由电子激光(FEL)高品质低能强流注入要求的电子束流。

(3)本发明栅网偏压电源输出电压范围为-100V～200V，调节偏压电源的电压，可以控制束流的有无以及束流的大小。本发明阴栅组件使用金丝垫圈，通过压板压盖进行真空密封，使得阴栅组件易于更换，电子枪的使用寿命得以提高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的低能强流电子枪的示意图；

图2是本发明实施例提供的低能强流电子枪的电源接线图；

图3是本发明实施例提供的低能强流电子枪的加工图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1为发射体，2为聚焦电极，3为中间电极，4为阳极，5为栅网，6为灯丝电源，7为偏压电源，8为负高压电源，9为正高压电源，10为陶瓷段I，11为陶瓷段II，12为可伐封接陶瓷，13为支撑环I，14为可伐封接环，15为支撑环II，16为中间电极支撑杯，17为阴极支撑杯，18为阴栅座，19为阴栅压盖，20为阴栅组件，21为阴栅组件垫圈，22为电子枪接口法兰，23为外接口法兰，24为屏蔽环。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种低能强流栅控电子枪，包括：发射体1、聚焦电极2、中间电极3和阳极4，其中，发射体1和聚焦电极2外接同一个负高压电源，中间电极3外接正高压电源，中间电极3的正高压与发射体1的负高压形成加速电场，阳极4接地，阳极4零电位与中间电极3的正高压形成减速电场，发射体1使用阴栅组件发射电子束流，并使用聚焦电极2聚焦电子束流，同时经过加速电场加速电子束流；最后经过减速电场减速电子束流，利用CST粒子跟踪和PIC算法修正电极的形状以及电极之间的距离，电极的形状包括聚焦电极2的形状、中间电极3的形状和阳极4的形状，电极之间的距离包括聚焦电极2和中间电极3之间的距离以及中间电极3和阳极4之间的距离。聚焦电极、中间电极和阳极的表面粗糙度为1.6、0.8、0.4、0.2、0.1或者0.05。

本发明实施例优选的，聚焦电极和中间电极之间的平行度与同轴度的误差为0.01mm-0.03mm，中间电极和阳极之间的平行度与同轴度的误差为0.01mm-0.03mm。

本发明实施例优选的，发射体使用阴栅组件，外接灯丝电源与栅网偏压电源，灯丝电源与栅网偏压电源均悬浮在一台负高压电源上。

本发明实施例优选的，栅网偏压电源输出-100V至200V的偏压，用于控制电子束流的发射，当栅网偏压电源输出负电压时，发射体上的电子束流发射被抑制，电子枪不输出电子束流；当栅网偏压电源输出正电压时，发射体上的电子束流被引出，电子枪输出电子束流。

本发明实施例优选的，阴栅组件的工作环境为真空1e-6Pa，阴栅组件使用金丝垫圈，通过压板压盖进行真空密封。

本发明实施例优选的，利用CST粒子跟踪和PIC算法修正电极的形状以及电极之间的距离的具体实现方式为：

使用CST中Particle Tracking模块对电子枪进行建模仿真，改变中间电极电势并修正电极的形状以及电极之间的距离，得到满足设计指标的电子枪模型，使用PIC算法验证电子枪模型满足性能设计指标，得到最终的中间电极电势与电极的形状以及电极之间的距离，性能设计指标为：电子枪电极最大表面电场强度小于13MV/m、电子束流流强大于3.2A、束腰半径不超过1.4mm、射程大于13mm且电子束流能散小于0.5％。

本发明实施例中，电源接线方式如图2所示。图中，灯丝电源6为一直流电源，对发射体1进行加热，使发射体1达到热阴极发射的温度。偏压电源7为一方波脉冲电源，当偏压电源7输出正电压时，发射体1发射出的电子束被引出；当偏压电源7输出负电压时，发射体1发射电子束被抑制。偏压电源7的波形质量可以做得很高，因此几乎不会引入束流能散。负高压电源8通过偏压电源7和灯丝电源6外接在聚焦电极7与栅网7上，使聚焦电极2、栅网5和反射体1的电势为负电势。正高压电源9外接在中间电极3上，使中间电极3的电势为正电势。栅网2的负电势与中间电极4的正电势在栅网2和中间电极4间形成加速电场，进入该区间的电子得到加速。阳极4接地，阳极4上的零电势与中间电极3上的正电势在阳极4和中间电极3间形成减速电场，减速通过该区间的电子。因此，整个电子束的产生过程：由发射体1热发射出的电子，先由栅网5引出，再经加速、减速两个过程，受到电场聚焦，最终输出电子枪。

本发明实施例中，低能强流电子枪的加工图如图3所示。阴栅组件20由阴栅压盖19和阴栅组件垫圈21压紧在阴栅座18上进行真空密封。聚焦电极2通过激光焊焊接在阴栅座18上，阴栅座18通过氩弧焊焊接在阴极支撑杯17上，阴极支撑杯17通过氩弧焊焊接在支撑环II 15上。陶瓷段I和陶瓷段II起高压绝缘作用，陶瓷段两端均金属化处理，通过钎焊与支撑环I 13、可伐封接环14、支撑环II 15焊接。中间电极3通过激光焊焊接在中间电极支撑杯16上，中间电极支撑环16通过氩弧焊焊接连接在支撑环I13上。阳极4使用螺钉固定在外接口法兰23上，阳极可拆卸更换。外接口法兰23为加速器上连接电子枪用的刀口法兰，通过与电子枪接口法兰22连接固定电子枪，外接口法兰23和电子枪接口法兰22间使用无氧铜垫圈进行超高真空密封。零件焊接时使用工装，保证焊接后电极形状与电极距离等关键尺寸的精度，装配后电极间的相对精度为3个丝。屏蔽环24的作用为防止电子枪外接高压点在空气中打火。

本发明可以在15keV的低能条件下，产生最大3.2A的强流电子束，且有着束斑尺寸小、束流射程远等优点，满足自由电子激光(FEL)高品质低能强流束注入的要求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低能强流栅控电子枪，其特征在于，包括：发射体(1)、聚焦电极(2)、中间电极(3)和阳极(4)，其中，发射体(1)和聚焦电极(2)外接同一个负高压电源，中间电极(3)外接正高压电源，中间电极(3)的正高压与发射体(1)的负高压形成加速电场，阳极(4)接地，阳极(4)零电位与中间电极(3)的正高压形成减速电场，发射体(1)使用阴栅组件发射电子束流，并使用聚焦电极(2)聚焦电子束流，同时经过加速电场加速电子束流；最后经过减速电场减速电子束流，利用CST粒子跟踪和PIC算法修正电极的形状以及电极之间的距离，电极的形状包括聚焦电极(2)的形状、中间电极(3)的形状和阳极(4)的形状，电极之间的距离包括聚焦电极(2)和中间电极(3)之间的距离以及中间电极(3)和阳极(4)之间的距离。

2.如权利要求1所述的一种低能强流栅控电子枪，其特征在于，所述聚焦电极(2)、中间电极(3)和阳极(4)的表面粗糙度为1.6、0.8、0.4、0.2、0.1或者0.05。

3.如权利要求1所述的一种低能强流栅控电子枪，其特征在于，所述聚焦电极(2)和中间电极(3)之间的平行度与同轴度的误差为0.01mm-0.03mm，中间电极(3)和阳极(4)之间的平行度与同轴度的误差为0.01mm-0.03mm。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的一种低能强流栅控电子枪，其特征在于，所述发射体(1)使用阴栅组件，外接灯丝电源与栅网偏压电源，灯丝电源与栅网偏压电源均悬浮在一台负高压电源上。

5.如权利要求4所述的一种低能强流栅控电子枪，其特征在于，所述栅网偏压电源输出-100V至200V的偏压，用于控制电子束流的发射，当栅网偏压电源输出负电压时，发射体(1)上的电子束流发射被抑制，电子枪不输出电子束流；当栅网偏压电源输出正电压时，发射体(1)上的电子束流被引出，电子枪输出电子束流。

6.如权利要求4所述的一种低能强流栅控电子枪，其特征在于，所述阴栅组件的工作环境为真空1e-6Pa，阴栅组件使用金丝垫圈，通过压板压盖进行真空密封。

7.如权利要求1-3中任意一项所述的一种低能强流栅控电子枪，其特征在于，所述利用CST粒子跟踪和PIC算法修正电极的形状以及电极之间的距离的具体实现方式为：

使用CST中Particle Tracking模块对电子枪进行建模仿真，改变中间电极电势并修正电极的形状以及电极之间的距离，得到满足设计指标的电子枪模型，使用PIC算法验证电子枪模型满足性能设计指标，得到最终的中间电极电势与电极的形状以及电极之间的距离，性能设计指标为：电子枪电极最大表面电场强度小于13MV/m、电子束流流强大于3.2A、束腰半径不超过1.4mm、射程大于13mm且电子束流能散小于0.5％。