CN109285742A - 一种同轴双电子束电子枪 - Google Patents

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Abstract

该发明属于与回旋管(振荡器、放大器)配套用同轴双电子束电子枪，电子枪筒体、底座，带电热丝和两个电子束发射环的阴极套，内、外阳极，控制阳极。该发明由于将内阳极、外阳极与阴极套之间采用同轴线相对设置，内阳极与外阳极之间仍采用重(套)叠设置，而在内、外阳极与阴极头之间还设有一控制阳极、以调节电子束电流的大小、电子束在回旋管内的旋转速度和轴向速度。因而本发明具有不但可对输出功率进行快速调节，而且可在回旋管的最高效率范围内对其工作效率进行任意调节，有效提高了同轴双电子束电子枪的性能及与之配套的回旋管的适用范围；内、外阳极与.阴极套及控制阳极与阴极套之间也不会发生击穿、而有利于器件的小型化等特点。

Description

一种同轴双电子束电子枪
技术领域
本发明属于高功率微波、毫米波、亚毫米波技术领域中与回旋管(振荡器、放大器)配套用电子枪，特别是涉及一种同轴双电子束电子枪。
背景技术
回旋管作为大功率微波、毫米波、亚毫米波的新型器件，自问世以来已得到迅速发展，回旋器件的系列产品已研制成功，其波段已到毫米波及亚毫米波段，功率高达数兆瓦，平均功率已达到数百千瓦。在毫米波、亚毫米波波段，这是普通微波管所不能比拟的，在微波、毫米波、亚毫米波雷达、通讯等领域具有极大的应用前景；在高性能精密陶瓷的烧结、核磁共振、DNA诊断等领域也有应用前景。此外，由于其输出功率大，还在受控核聚变领域具有重要的实用价值。能源危机是世界各国面对的重大问题，新型能源的探索与开发受到各国政府和科学家的高度重视。受控热核反应为新能源的产生提供了最重要的途径，耗资数千亿美元的国际热核聚变实验反应堆(International Thermonuclear ExperimentalReactor，缩写为ITER)计划将高密度等离子体加温到上亿度的高温，从而实现受控核聚变，将给人类带来丰富的清洁能源，实现这一计划的关健技术之一就在于等离子体加热。回旋管被用于ITER等离子加热，提高回旋管的输出功率是ITER计划成功的关键。回旋管由谐振腔和电子枪构成，电子枪产生的一个环形回旋电子束在电磁场作用下产生高的微波功率从微波输出窗输出；目前回旋管的研究受到国际科学界的高度重视，正努力提高工作频率，输出功率和效率。
为了提高回旋管输出功率，刘盛纲、刘朝宇在中国专利200510022310.4中公布了一种新型同轴(谐振)腔双电子束回旋管。同轴谐振腔双电子束回旋管需要两个环行螺旋运动的电子束，通过采用双电子束、使注入回旋管谐振腔中的电子束电流成倍增加，从而使同轴回旋管的输出功率较传统回旋管技术大大提高。该专利技术中电子枪的锥形阴极套设于锥形阳极套内，在阴极套的前端设有两个发射不同环行电子束的发射环；内导体(内阳极)又设于阴极套内；上述各元件通过绝缘体连接，阳极套与内导体(内阳极)工作电位相同。该专利技术由于内导体(内阳极)位于阴极套内，而阴极套又位于外导体(外阳极)内，为避免内外导体(外阳极)与阴极之间的高压击穿，内、外导体(阳极)与阴极套之间的最小距离受到限制。因此，该类电子枪中阴极套的电子束发射环半径及外导体(外阳极)的内径均受限、不能任意设定；尤其在内、外导体(阳极)与阴极套之间工作电位差较大时，既不能采用较小的发射环半径、又不能采用较小的外导体(外阳极)内径，使器件在直径方向上难以小型化；特别是该专利技术不能在工作电位不变时对电子束电流的大小、电子束在回旋管内的旋转速度和轴向速度进行调节，这就存在不但输出功率调节困难、性能难以提高，而且与回旋管配套时不能对其工作效率进行调节等弊病。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，研究设计一种同轴双电子束电子枪，以克服内导体(内阳极)与阴极套之间因压过高、或因距离过近而击穿，器件难以小型化；以及不能对电子束电流的大小、电子束在回旋管内的旋转速度与轴向速度进行调节的弊病；达到不但可对输出功率进行快速调节，而且可在回旋管的最高效率范围内对其工作效率进行任意调节，有效提高同轴双电子束电子枪的性能及回旋管的适用范围，以及有利于器件的小型化等特点。
本发明的解决方案是将背景技术采用内阳极、阴极套、外阳极之间依次内外重(套)叠设置，改为将内、外阳极与阴极套之间同轴线相对设置，内阳极与外阳极之间仍采用重(套)叠设置；并在内、外阳极与阴极头之间增设一控制阳极、以调节电子束电流的大小、电子束在回旋管内的旋转速度和轴向速度，从而实现其发明目的。因此，本发明同轴双电子束电子枪包括电子枪筒体、底座，带电热丝和两个电子束发射环的阴极套，内阳极和外阳极，关键在于内、外阳极与阴极套之间采用同轴线相对设置，内阳极与外阳极之间仍采用内、外重(套)叠设置，而且在内、外阳极与阴极头之间还设有一控制阳极；阴极套与电子枪筒体的后端密封连接并通过绝缘环密封紧固于设有真空抽吸孔的电子枪底座上，内阳极与外阳极的内壁之间通过固定片连接固定后、轴向紧圆于电子枪筒体的前端，而控制阳极则环形间隔式罩于阴极头上后与电子枪筒体密封紧固连接。
上述控制阳极的内腔为锥环面，锥环面的锥度与阴极头的锥度相同，锥环面与阴极头锥环面的距离不低于1.0mm。所述带电热丝的阴极套，电热丝设于阴极套的内腔并通过支撑杆固定于电子枪底座上、电热丝两端分别与阴极套(体)及支撑杆连接。所述带两个电子束发射环的阴极套，阴极套为整体式阴极套或组合式阴极套；当采用整体式阴极套时、阴极套上的两个电子束发射环采用分别涂覆于阴极头锥环面上的薄片式发射环，当采用组合式阴极套时两个电子束发射环为环锥体发射环、并采用嵌入方式设于阴极套的锥形头内且在两个电子束发射环之间通过隔离环分隔。
本发明由于将内阳极、外阳极与阴极套之间采用同轴线相对设置，内阳极与外阳极之间仍采用重(套)叠设置，而在内、外阳极与阴极头之间增设一控制阳极、以调节电子束电流的大小、电子束在回旋管内的旋转速度和轴向速度。因而本发明具有不但可对输出功率进行快速调节，而且可在回旋管的最高效率范围内对其工作效率进行任意调节，有效提高了同轴双电子束电子枪的性能及与之配套的回旋管的适用范围；内、外阳极与.阴极套及控制阳极与阴极套之间也不会发生击穿、而有利于器件的小型化等特点。
附图说明
图1为本发明同轴双电子束电子枪的结构示意图；
图2为本发明实施例2组合式阴极套结构示意图。
图中：1.电子枪筒体，2.阴极套，2-1.阴极头，2-2、2-3：电子束发射环，2-4.排气孔，2-5.隔离环，3-1.电热丝，3-2.电接头，3-3.支撑杆，4.电子枪底座，4-1.真空抽吸孔，5.绝缘环，6.控制阳极、7.外阳极、8.内阳极，9.固定联接片。
具体实施方式
实施例1
以与用于加热等离子体的同轴谐振腔双电子束回旋管配套用的同轴双电子束电子枪为例：其中电子枪筒体1轴向长250mm，内、外径分别为Φ120mm、Φ150mm，材质为99#陶瓷，两个端口作金属化处理，本实施例筒体1采用上、下两段与控制阳极6底盘密封成一整体；阴极套2轴向长200mm，其中阴极套主(套)体部分外径Φ54mm、壁厚5mm，前端锥形阴极头2-1长25mm、倾角15度，阴极套2通过其带排气孔2-4的固定座分别与电子枪筒体1的后端面及绝缘环5密封固定；电子束发射环2-2的上、下环口直径分别为Φ47.8mm、Φ48.2mm，电子束发射环2-3上、下环口直径分别为Φ51.9mm、Φ52.1mm，轴向厚均为0.2mm，涂覆材质为六硼化镧；电阻丝3-1采用锥盘形电阻丝，最大加热功率800W，一端通过电接头3-2与阴极套2连接，另一端直接焊于支撑杆3-3上端；控制阳极6总高48mm，其中内腔上部直径Φ52.3mm、下部与阴极头2-1配合的锥环面的上端直径也为Φ52.3mm、下端直径为Φ62.5mm、倾角也为15度，底盘直径为Φ160mm，与电子枪筒体1上、下两段密封紧固后外端作为电源输入接头；电子枪底座4直径Φ140mm、高50mm、盘体厚3mm、其上的真空抽吸孔4-1设8个直径2mm的孔，该底座与绝缘环5及支撑杆3-3的后端紧固密封；绝缘环5内、外直径Φ100mm、Φ140mm、轴向厚10mm、材质为99#陶瓷；外阳极7的内、外径分别为Φ50mm、Φ80mm，轴向长300mm；内阳极8直径Φ25mm、长与外阳极相同，内外阳极之间通过4片轴向高50mm、厚1.5mm相互间隔90度的固定联接片9焊接成一体；本实施例，外阳极7通过一个厚2mm、直径Φ155mm金属板与电子枪筒体1的前端口密封紧固成一体。本实施例在使用中与同轴谐振腔双电子束回旋管窗口紧固密封连接后、通过电子枪底座4中的真空抽吸孔4-1将电子枪的真空度抽至10-7Pa后再将真空抽吸孔4-1密封即可；上述内阳极8、外阳极7、控制阳极6、阴极2、电子枪底座4均采用无氧铜。
本实施例工作时控制阳极6与阴极套2之间可承受不超过3万伏的电压，实际工作电位可在200-20000V之间任意调节即可满足最大幅度的调节要求；在电位差作用下，从电子束发射环2-2、2-3各发射出一个电子束，两个电子束在内阳极8和外阳极7的共同加速下产生轴向运动，并在磁场作用下产生回旋运动，形成两个同轴环行螺旋运动的电子束；通过调节控制阳极6的工作电位改变控制阳极6与阴极2的电位差，可迅速改变电子束发射环2-2、2-3发射的电子数量、调节电子束电流的大小、电子束在回旋管内的旋转速度和轴向速度，即可在回旋管本身最高的工作效率范围内对其工作效率进行任意调节；内、外阳极8、7与.阴极套2轴向相对设置，由于距离较大、不会发生击穿；控制阳极6与阴极套2之间由于电位差相对较小也不会发生击穿。
实施例2
本实施例以阴极头2-1采用组合式阴极头为例：电子束发射环2-2、2-3均采用环锥体发射环，电子束发射环2-2的上、下环口直径分别为Φ47.8mm、Φ48.2mm，电子束发射环2-3上、下环口直径分别为Φ51.9mm、Φ52.1mm，内径均为Φ40mm、外锥环面倾角15度；隔离环2-5置于环锥体发射环2-2与2-3之间，外锥环面倾角仍为15度、内径Φ40mm。本实施例阴极头2-1端头与环锥体发射环2-2、2-3、隔离环2-5、阴极套主体配合处外径Φ40mm，并在嵌入后与阴极套主体焊接成一体；其余均与实施例1相同。该实施例因电子束发射环环2-2、2-3均采用环锥体发射环，表面经机械磨削加工，其精度、光洁度均很高，因而阴极发射均匀性、电子运动方向的一致性可大大提高。

Claims (4)

1.一种同轴双电子束电子枪，包括电子枪筒体、底座，带电热丝和两个电子束发射环的阴极套，内阳极和外阳极，其特征在于内、外阳极与阴极套之间采用同轴线相对设置，内阳极与外阳极之间仍采用内、外重叠设置，而且在内、外阳极与阴极头之间还设有一控制阳极；阴极套与电子枪筒体的后端密封连接并通过绝缘环密封紧固于设有真空抽吸孔的电子枪底座上，内阳极与外阳极的内壁之间通过固定片连接固定后、轴向紧固于电子枪筒体的前端，而控制阳极则环形间隔式罩于阴极头上后与电子枪筒体密封紧固连接。
2.按权利要求1所述同轴双电子束电子枪，其特征在于所述控制阳极的内腔为锥环面，锥环面的锥度与阴极头的锥度相同，锥环面与阴极头锥环面的距离不低于1.0mm。
3.按权利要求1所述同轴双电子束电子枪，其特征在于所述电热丝设于阴极套的内腔并通过支撑杆固定于电子枪底座上、电热丝两端分别与阴极套及支撑杆连接。
4.按权利要求1所述同轴双电子束电子枪，其特征在于所述带两个电子束发射环的阴极套，阴极套为整体式阴极套或组合式阴极套；当采用整体式阴极套时、阴极套上的两个电子束发射环采用分别涂覆于阴极头锥环面上的薄片式发射环，当采用组合式阴极套时两个电子束发射环为环锥体发射环、并采用嵌入方式设于阴极套的锥形头内且在两个电子束发射环之间通过隔离环分隔。
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