CN1079335A

CN1079335A - 电子束装置

Info

Publication number: CN1079335A
Application number: CN93103626A
Authority: CN
Inventors: H·-G·马修斯; W·施明克
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1992-03-28
Filing date: 1993-03-27
Publication date: 1993-12-08
Also published as: DE4210294A1; ES2090724T3; US5440202A; DE59303531D1; CA2090391A1; EP0563543B1; JPH0684474A; EP0563543A1

Abstract

一种电子束装置，包括阴极(1)、阳极(3)和集电极(4)。阴极产生沿电子束轴线(5)传播的高功率电子束；阳极沿所述轴线设在阴极后面；集电极沿所述轴线设在阳极后面，并由在所述轴线上相继排列的处于较低电位级的若干集电极级(6)构成，用以降低电子束中电子的速度。电位供应电路采用高压直流电源(13)，该电源由多个开关级(S1、……、S6)组成，以构成可切换的中压源，其输出端串联连接。集电极级的分级电位由开关级间的相应抽头提供。

Description

本发明涉及一种电子束装置，该装置由下列各部分组成：

（a）一个阴极，处于阴极电位，阴极中产生高功率的电子束沿电子束的轴线传播;

（b）一个阳极，配置在阴极后面电子束轴线方向上，处于阳极电位，该阳极电位比阴极电位高，对电子束的各电子起加速作用;

（c）一个集电极，配置在阳极后面电子束轴线的方向上，对电子束的各电子起减速作用，且处于低于阳极电位的集电极电位;和

（d）电位供应电路，用以给阴极、阳极和集电极提供各自的电位。

这类电子束装置是公知的，从例如H.-G.Mathews在1989年元月份第50卷第一期第C1-643至C1-658法国物理杂志C1讨论会增刊上发表的文章（特别参看该文献的图11）中可以了解到上述那种电子束装置的情况，该文章称这种装置为“降压式集电极”的准光学回旋管（quasi-optical gyrotron with“depressed collector”）。

高功率回旋管的电位供应电路例如目前在等离子体聚变实验中用以进行等离子体加热（ECRH＝Electron Cyclotron Resonance Heating，电子回施加速器共振加热），主要是与高压变压器、整流器、管调制器和电容器组组成的系统配合工作。为保护回旋管，还采用一些引燃管组成的串联电路作为消弧电路，限制或破坏储存在系统中的能量。例如市面上出售的高功率四极管（如Asea brown Boveri有限公司出品的CQK 200-4 型的四极管）用作开关和调整管取得了成功。

例如目前使用的回旋管（如GT92-5P型回旋管，这也是Asea BrownBoveri公司的产品），其工作时的阴极电压达-90千伏，电流达50安，因而必须配备电位供应电路。在个别情况下也采用若干电子供应电路，同时给三个回旋管供电。

为接通或断开回旋管，现有技术中采用了独立的低功率的管调制器，在相对于阴极电位为0与大约+30千伏之间切换辅助阳极或调制阳极。目前也采用没有辅助阳极的回旋管，在此情况下高功率阴极调制器的切换速度限制了调制过程。

为提高下一代回旋管的效率，下一代回旋管会装备有前面提到的出版文献中所述的所谓“降压式集电极”，这种集电极的电位比阳极的电位低，且作为电子集电极，在高功率电子束电子消失前对这些电极起减速作用。

考虑到效率方面，一个理想的作法是将集电极分成若干集电极级，一个接一个地排列，在各种情况下，这些集电极级都处于较低的电位级。然而，这样做就需要高功率的高压供电电路给各集电极级供电，这就只能借助现有技术中使用的高压管调制器来进行，花费很大。

因此，本发明的一个目的是研制开头所述的那种类型的电子束装置，达到减少技术上的复杂性、提高可靠性和安全性、同时提高其效率。

对于开头所述那种类型的装置，上述目的是通过以下措施实现的：

（e）集电极由若干集电极组成，各集电极级一个接一个地在电子束轴线方向上排列，在各种情况下，这些集电极级都处于较低的电位级;

（f）电位供应电路包括高压直流电源，该高压直流电源由多个类似的开关级组成，在各种情况下均构成为可切换的中压源，且其输出端串联连接;和

（g）各集电极级的分级电位由高压直流电源开关级之间相应的抽头提供。

本发明的核心在于提供可切换的中压电源串联电路作为集电极级的电位供应电路，这一方面不难用半导体技术来进行设计，另一方面，按简单的方式借助于各级之间的抽头就可以提供不同的电位。此外，由于各级可以切换，因而在应急情况下可以快速地断开整个电位供应电路而无须另设消弧电路。

本发明装置一个最佳实施例的特征在于：

（a）各开关级均有一个线路变压器的次级绕组、一个接该次级绕组的开关级整流器、其后用以对经整流的电压进行滤波的装置和至少一个位于输出端且由级控制器控制的开关级开关;和

（b）在各开关级输出端之间在各种情况下配置有反极性的串级二极管。

这样就得出了一种电位供应电路，该电位供应电路以另一种设计和操作方式，已作为等离子体实验中注入中性粒子的高压直流电源（同时参看欧洲专利EP-B1-0，134，505）和作为广播发信机中的脉冲级调制器（PSM）而获得成功。

其它的一些实施侧参见各从属权利要求。

结合附图参看下面的详细说明就不难更全面地理解本发明的内容及其附随的许多优点。附图中：

图1a、1b为现有技术回旋管各电极的配置方式连同其有关的连接电压和电流值的示意图;

图1c为现有技术带1级“降压式集电极”的回旋管对应于图1a、1b的布局示意图;

图1d、1e示出了本发明主题的具有多级集电极的回旋管各电极的标有其连接电压和电流值的两种接线方案的布局示意图;

图2 示出了本发明装置一个实施例的电路图，该电路包括各集电极级的一个电位供应电路，该电位供应电路则由串联连接的开关级组成;

图3 则示出了图2集电极级电位供应电路的一个实施例。

图中标号为：

1. 阴极 2. 辅助阳极

3. 阳极 4. 集电极

5. 电子束轴线 6. 集电极级

7. 开关管 8、12.线路变压器

9. 整流器 10.级控制器

11. 交流电压源 13. 高压直流电源

14. 电源部分 Al、……、All连接值

C 电容器 CS 开关级电容器

DK 串级二极管 GS 开关级整流器

LS 开关级电抗器 R1,R2 电阻器

S1、……、S6开关级 SS 开关级开关

现在参看各附图。各图中，，同样的编号表示同样的或相应的部件。下面将对本发明的内容进行说明，但不局限于仅作为与回旋管有关的一般用途。本发明通常可用于所有这样的装置：在该装置中，高功率电子束一经产生，就沿电子束轴线引导，再以集电极减速，最后消失。因此它也可用于其它高功率微波管中，特别是速调管和自由电子激光器FEL中。

从图1a或1b的布局示意图中可以看到，在常规类型的回旋管抽了真空的空间中，沿电子束轴线5一个接一个地配置有阴极1（例如呈环形阴极的形式）、阳极3（作为主阳极）和集电极4（作为电子收集极）。阳极3也可以不一直通到阴极1处而将其缩短到阴极端处，再增设单独的辅助阳极2（图1a）。两种方案也可以为图1c-e形式，图中用虚线表示。

各图的有关方框中示出了各电极连接值的实例，即各电极的电压和电流值;图1a中（辅助阳极2作为调制阳极），阴极1处于-80千伏的电位，电流为50安，辅助阳极可切换地连接在-80千伏或-50千伏的电位（电流约10毫安），阳极3和集电极4一样，处于零电位，阳极只吸取大约50毫安的电流，而集电极则收集50安的电流。当然，在图1b没有辅助阳极的回旋管中，该电极就没有连接值，其它电极的连接值则不变。

在图1c的回旋管电路中（开头提到的文献的图11中也是这种电路），阴极1与阳级3之间的电位差也为80千伏。但在此情况下，（1级）集电极4并不处于阳极电位，其电位处于阳极与阴极电位之间。因此，这种电极对电子束中的电子起减束作用，因而由于其电位较低而叫做“降压式集电极”。

图1d和1e中又示出了本发明回旋管电路的例子，这两个图（与图1a和1c相似）的差别仅在于各电极的连接值不同。这时集电极4不再是一个1级集电极，而是若干（在此为4个）集电极级6组成，一部分为环形集电极，一部分为锥形集电极。图1d中的情况是，各集电极级6的连接值是分级式的，分别为A1、A2、A3和A4，电位为例如-40、-50、-60和-80千伏，电流为15、20、10和5安。图1e的情况是，相应的分级连接值用A5、A6、A7和A8表示，电位为0、-10、-20和-40千伏，电流同样是15、20、10和5安。

图2 中示出了本发明的具有图1e回旋管的形式并有其有关的电位供应电路的最佳实施例。给电极1、2、3和4（有若干集电极级6）提供电位的电位供应电路包括通常的电源部分14，电源部分14由接电力线的线路变压器8、后面连接的整流器9和滤波电容器C构成。该通常的电源部分14提供了恒定的直流电压，并加到四个集电极级6的第一个集电极级（连接值为A5，接地）与阳极3（连接值为A11;例如按图1e为+40千伏、50毫安）之间，相对于集电极4给阳极3加上了正偏压。电阻器R2起限制阳极电流的作用。

电位供应电路还包括一个高压直流电源13，该电源由多个类似的开关级S1、……、S6组成，这些开关级在各种情况下构成了可切换的中压源，其各输出端串联连接。该高压直流电源13通过其实际输出端及各开关级S1、……、S6间的相应抽头提供给各集电极级6所需要的步进电位。高压直流电源13的正输出端接通常电源部分的负输出端，该输出端接地作为基准电位，高压直流电源13的负输出端同时接阴极1和四个集电极级6的最后一级（连接值A9相当于-40千伏、50安，A8相当于-40千伏、5安）。

两个中间集电极级的中间连接值A6和A7（-10千伏，20安和-20千伏，10安）是由设在高压直流电源13内例如分别在开关级S2和S3及S4和S5之间的两个抽头提供的。辅助阳极2经限流电阻器R1分别保持在第一集电极级的或高压直流电源13正输出端的基准电位（地电位）。此外，还可以设开关管7，该开关管导通时将辅助阳极2的电位拉到阴极的电位。

高压直流电源13提供给集电极所需要的各种电位（连接值），电路不太复杂，且必要时可以快速接通和断开，因而无须另外附设消弧电路和调制管。图3示出了图2高压直流电源13内部结构的一个最佳实施例：各开关级S1、……、S6是可切换的中压源，由交流电压源11（线路系统）经带有一个初级绕组和多个次级组的线路变压器12供电。

各相同的开关级S1、……、S6有一个与有关的次级绕组连接的开并级整流器GS，其后连有滤波装置，例如串联连接的开关级电抗器LS和并联连接的开关级电容器CS。至少其中一个直流电压输出端设有可控的开关级开关SS，最好为GTO（门截止）或IGBT形式的大功率半导体元件。开关级开关SS的总数由级控制器10进行选择。

各开关级S1、……、S6与它们的直流电压输出端串联连接，在各种情况下，开关级的各输出端之间配置有反极性串级二极管DK作为稳流二极管。这样，各开关级S1、……、S6的直流电压（例如1-10千伏）加起来就得出总的输出电压（例如40千伏）。各种开关级能自由进行切换可以预先设定各输出端和中间抽头处随时间而变化的各种电压。由级控制器10对各开关级S1、……、S6同时断开开关级开关SS，即可快速可靠地切断电路。

应该指出，当然也可以省去图2中的电源部分14。于是高压直流电源13的正输出端就直接与阳极3连接，同时处于地电位。

总的说来，本发明的装置具有下列优点：

无须另外增加消弧电路供应急情况下可靠断路之用;

高压直流电源可以在几微秒内（≈20微秒）快速接上和断开;

高压直流电源电位因其隔直流作用而可浮动;

该装置的效率极高;

电路结构是模块式的，较为简单。

显然，根据上述教导是可以对本发明进行多种修改和更改的，因此不言而喻，在所附权利要求书的范围内，本发明也可以按以上特定方式以外的方式实现。

Claims

1、一种电子束装置，包括：

(a)阴极(1)，处于阴极电位，阴极中产生高功率的电子束沿电子束的轴线(5)传播；

(b)阳极(3)，配置在阴极(1)后面电子束轴线(5)方向上，处于阳极电位，该阳极电位比阴极电位高，对电子束的各电子起加速作用；

(c)集电极(4)，配置在阳极(3)后面电子束轴线(5)的方向上，对电子束的各电子起减速作用，且处于低于阳极电位的集电极电位；和

(d)电位供应电路，用以给阴极(1)、阳极(3)和集电极(4)提供各自的电位；

其特征在于：

(e)所述集电极(4)由若干集电极级(6)组成，各集电极级一个接一个地在电子束轴线(5)方向上排列，在各种情况下，这些集电极级都处于较低的电位级；

(f)所述电位供应电路包括高压直流电源(13)，该高压直流电源由多个类似的开关级(S1、……、S6)组成，在各种情况下均构成为可切换的中压源，且其输出端串联连接；和

(g)所述各集电极级(6)的分级电位由高压直流电源(13)各开关级(S1、……、S6)之间相应的抽头提供。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于：

（a）所述各开关级（S1、……、S6）均包括一个线路变压器（12）的次级绕组、一个接该次级绕组的开关级整流器（GS）、其后用以对经整流的电压进行滤波的装置（CS，LS）和至少一个位于输出端并由一个级控制器（10）控制的开关级开关（SS）;和

（b）在所述各开关级（S1、……、S6）输出端之间在各种情况下均配置有反极性的串级二极管（DK）。

3、如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述开关级开关（SS）采用门截止大功率半导体元件，特别是GTO和IGBT形式的元件。

4、如1至3任一权利要求所述的装置，其特征在于：

（a）所述高压直流电源（13）的负输出端接所述阴极（1）和处于最低电位上的集电极级;

（b）所述高压直流电源（13）的正输出端保持在低于所述阳极（3）的基准电位上;且

（c）由另一个直流电压源（8，9，C）产生所述基准电位与所述阳极（3）之间的电位差。

5、如1至3任一权利要求所述的装置，其特征在于：

（a）所述高压直流电源（13）的负输出端接所述阳极（1）和处于最低电位上的集电极级;且

（b）所述高压直流电源（13）的正输出端接所述阳极（3），且保持为地电位。

6、如1至5任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述高压直流电源（13）的最大输出电压为几十千伏，最好为40千伏左右。

7、如1至6任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述集极级（6）的电位值在阴极电位与阳极电位值之间。

8、如1至7任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置为回旋管、速调管、自由电子激光器FEL或其它高功率微波管。