CN110211855B - 一种基于冷阴极的多极多电子注辐射源 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波、毫米波以及太赫兹频段电真空器件领域，具体提供一种基于冷阴极的多极多电子注辐射源。本发明主要包括阴极挡板、辐射源芯、馈电系统、金属外壳以及输出窗片；通过多级发射和多极调制的方式，充分利用高频结构中部较强的高频场作用在冷阴极表面，从而增加发射电流并加深电子注调制深度，使得电子注有显著的预调制效果。本发明能够得到非常优质的场发射预调制电子注，注波互作用效率得到了明显改善，输出功率明显提高；无需电子光学系统这一优势很大程度地减小了器件的复杂度，通过精细加工，器件尺寸可以达到微米量级，实现毫米波、亚毫米波、太赫兹辐射源的集成性和小型化。

Description

一种基于冷阴极的多极多电子注辐射源

技术领域

本发明属于微波、毫米波以及太赫兹频段电真空器件领域，具体为一种基于冷阴极的纵向多极多电子注的辐射源。

背景技术

真空电子辐射源因为其高功率和高频率使其在雷达，通信以及粒子加速系统等方面得到广泛应用。传统的电真空辐射源器件中电子枪一般采用热发射阴极系统，经过几十年的发展，热发射阴极工艺已非常成熟；然而，由于热阴极需要大的工作电压，很高的操作温度，器件易受损以及启动时间长使其在真空电子辐射源的应用中受限。固态辐射源器件迅速发展并在许多领域中向真空器件发起了挑战，它们体型小，工作电压低，可室温下操作以及易集成等特点使其非常具有优势；然而固态器件也有一些限制，比如较差的抗干扰性能，对输入辐射的有害响应，以及在毫米波和太赫兹频段较低的输出功率等。微型电真空辐射源器件有望解决上述两类器件存在的问题，相比热阴极电真空器件它具有体积小、可集成等特点，相比固态辐射源器件它具有抗干扰、耐辐射能力强，同时，输出功率大等特点。

场发射冷阴极是微型电真空辐射源器件的理想电子发射源，与热电子发射相比，它功耗低、可集成、尺寸小、响应速度快；与固态器件相比，它抗干扰，耐辐射能力强，功率大；并且，场致发射冷阴极不需要加热，而是靠外加强电场来降低发射端面势垒高度，电子通过隧道效应从发射端面处逸出形成了场致发射。

随着微波电真空器件向着太赫兹频段发展，由于频率越高，波长越小，导致器件的尺寸也必须越来越小；一方面会带来制造和装配上的困难，另一方面也使得电子注与高频场产生互作用的空间和时间越来越小，使得电子注的速度和密度调制不充分，器件输出功率受到限制。为了发展可集成的真空微电子辐射源，注波互作用的影响成为了关键技术难点，真空微电子器件体积通常很小同时电子注速度又比较快，有限的互作用时间使得调制电子注从高频场吸收的能量有限。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题提出了一种基于冷阴极的新型多极多电子注辐射源，解决了集成化、抗干扰、输出功率和注波互作用的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于冷阴极的多极多电子注辐射源，包括：阴极挡板、辐射源芯、馈电系统、金属外壳以及输出窗片；其特征在于，

所述阴极挡板1的中心与辐射源芯相连接，外围通过绝缘体8连接于金属外壳9一端，所述输出窗片封装于金属外壳9另一端；

所述馈电系统包括：金属导线7、电极12及绝缘介质，所述阴极挡板上开有若干小孔，金属导线穿过小孔一端连接辐射源芯、另一端连接电极，金属导线与阴极挡板之间通过绝缘介质相绝缘；

辐射源芯包括：冷阴极发射面、慢波结构4、收集极5和介质外壳6，其中，

所述慢波结构为耦合腔结构，由M个周期性金属盘片分割为M+1个腔室，各金属盘片中心位置开设电子注通道、且围绕电子注通道设置有耦合孔，每个盘片分别与金属导线连接，且金属盘片之间互相不连接、于每个腔室的侧壁上形成辐射缝；各金属盘片通过金属导线加上不同的电压；所述慢波结构由介质外壳6所包围，所述周期性金属盘片固定于介质外壳6上；

所述收集极的数量为N个、N≤M+1，其中，第1个收集极作为慢波结构的端面、固定于介质外壳上，第2至第N个收集极随机设置于M个金属盘片上、且均位于金属盘片中心位置的电子注通道处；

所述冷阴极发射面的数量为N个，其中，第1个冷阴极发射面设置于阴极挡板1上、且位于阴极挡板1中心位置，第2至第N个冷阴极发射面与第2至第N个收集极一一对应，冷阴极发射面设置于收集极的背面、且均位于收集极背面中心位置；每个冷阴极发射面分别通过金属盘片与金属导线连接，每个冷阴极发射面的发射方向一致。

进一步的，所述辐射源芯各金属盘片以及与金属盘片相连接的冷阴极发射面，通过馈电系统所加的多级电压互相独立且不相同，通过电压控制各个电子注的状态，使其能与整管匹配工作。

进一步的，所述阴极发射面位于收集极背面，一侧收集电子注，另一侧发射电子注，分布在金属盘片上的净电流很小，热损耗功率非常小，同时电子效率大大提高。

进一步的，所述辐射源芯中，所述辐射缝与慢波结构周期相同，在电子与电磁波发生能量交换时，辐射出的电磁波是同相位；所述金属外壳与辐射源芯之间形成一个大腔室，使得通过辐射缝输出的同相位电磁波互相耦合，聚集功率后从右端窗片输出。

进一步的，所述慢波结构为休斯耦合腔慢波结构、盘荷波导慢波结构、或梯形耦合腔慢波结构。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

从工作原理上讲，如果高频场与一个预先调制的电子注互作用，就能有效提高注波互作用效率；当高频场与静电场可相比拟时，在阴极附近所形成的复合电场的场强极值将大大提高，根据场发射F-N公式可知，场强越大，则发射电流就越大；但由于高频场在慢波结构中分布不均匀，传统发射方案的电子注预调制效果不佳；本发明巧妙的设置多级发射面，借助慢波结构中段高频场的强电场可以发射出更大的电流，同时电子注预调制效果更好，输出功率更高；另一方面，多级发射面可以进一步降低发射电压需求，给器件小型化，集成化带来优势。

本发明公开了一种基于冷阴极的多极多电子注辐射源，提出了一种结合静电场和高频场实现冷阴极场致发射和电子注预调制的新方案；利用静电场实现电子的初步场致发射，最初发射的电子注在高频结构中激发起高频场，激发起的高频场一方面对已经发射出的电子注产生速度和密度调制，另一方面会作用在冷阴极发射体的表面，使得后续发射出的电子也产生密度和速度的调制，随着注波互作用的加强，腔体内的高频场加强，电子注的调制深度随之加强，因此电子注交给高频场的能量也随之增大；通过多级发射和多极调制的方式，充分利用高频结构中部较强的高频场作用在冷阴极表面，从而增加发射电流并加深电子注调制深度，使得电子注有显著的预调制效果。

综上，本发明多极多电子注辐射源能够得到非常优质的场发射预调制电子注，注波互作用效率得到了明显改善，输出功率明显提高；无需电子光学系统，有效减小了器件的复杂度，通过精细加工，器件尺寸可以达到微米量级，实现毫米波、亚毫米波、太赫兹辐射源的集成性和小型化。

附图说明

图1是本发明的一种多极多电子注辐射源结构的剖面示意图；

图2是本发明的一种多极多电子注辐射源结构的阴极侧面示意图；

图3是本发明的一种新型多极多电子注辐射源结构的内部馈电系统示意图；

图4为本发明所给出的一种慢波结构示意图；

图5为本发明所给出的一种阴极发射面结构示意图；

上述附图中，1-阴极挡板，2-阴极基底，3-阴极发射体；4-慢波结构，5-收集极，6-介质外壳，7-金属导线，8-绝缘体，9-金属外壳，10-输出窗片，11-电极，12-绝缘带，13-耦合孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本实施例提供一种基于冷阴极的多极多电子注辐射源，其结构如图1～图4所示；具体包括：阴极挡板、辐射源芯、馈电系统、金属外壳以及输出窗片；其中，

所述阴极挡板1材料为金属，中心与辐射源芯相连接，外围通过绝缘体8连接于金属外壳9一端，所述输出窗片封装于金属外壳9另一端；

所述馈电系统包括金属导线7、电极12及绝缘介质，所述阴极挡板上开有若干小孔，金属导线穿过小孔一端连接辐射源芯、另一端连接电极，金属导线与阴极挡板之间通过绝缘介质相绝缘；如图1所示；

辐射源芯主要作用为产生高频的辐射源信号，为本发明的核心；其结构包括：冷阴极发射面、慢波结构4、收集极5和介质外壳6，如图2所示；

所述慢波结构为耦合腔结构，由M个周期性金属盘片分割为M+1个腔室，各金属盘片中心位置开设电子注通道、且围绕电子注通道设置有4个扇面状耦合孔13、使得高频场能够相互之间进行耦合，如图4所示；金属盘片之间互相不连接，于每个腔室的侧壁上形成辐射缝；并且，每个盘片分别与金属导线连接；所述慢波结构由介质外壳6所包围，所述周期性金属盘片固定于介质外壳6上；

所述收集极的数量为N个、N≤M+1，其中，第1个收集极作为慢波结构的端面、固定于介质外壳上，第2至第N个收集极随机设置于M个金属盘片上、且均位于金属盘片中心位置的电子注通道处；如图5所示；

所述冷阴极发射面的数量为N个，每个冷阴极发射面结构相同、均由阴极基底2与设置于阴极基底2上的阴极发射体3构成，并且，每个冷阴极发射面分别与金属导线连接；其中，第1个冷阴极发射面设置于阴极挡板1上、且位于阴极挡板1中心位置，第2至第N个冷阴极发射面与第2至第N个收集极一一对应，冷阴极发射面设置于收集极的背面、且均位于收集极背面中心位置；每个冷阴极发射面的发射方向一致；如图5所示。

需要说明的是，以上所述的周期结构可以为休斯耦合腔慢波结构、盘荷波导慢波结构、或梯形耦合腔慢波结构，本发明的高频互作用结构仅为示意性的，包括但不限于以上慢波结构；同时耦合孔的设置也不限于给定的结构，可以为任意形状且数目也没有限定。

收集极的作用是收集电子注的能量，提高效率。本发明通过设置阴极发射面位于收集极背面，一侧收集电子注，另一侧发射电子注，使得分布在金属盘片上的净电流很小，热损耗功率非常小，同时电子效率大大提高。

辐射源芯由一层介质外壳所包围，其主要起支撑和保持内部真空密闭，保持与馈电系统的绝缘的作用。

馈电系统的设计保证了辐射源芯正常工作时所需的电压，主要包括金属导线，金属电极和绝缘介质；金属导线连接冷阴极发射面或者慢波结构各周期，一端穿过辐射源芯的介质外壳，另一端穿过阴极挡板上的小孔、并于挡板外侧的金属电极相连接；为了保证绝缘，导线穿过金属的部分被介质包裹。

金属外壳与通过介质与阴极挡板相连，保证金属外壳不带电，同时电磁波不会发生泄露。金属外壳与阴极挡板构成一个腔体，收集辐射源芯产生的高频电磁波，并通过相连接的输出窗片输出。

输出窗片的材料为介质，不影响电磁波传输的同时，保持器件内部的真空；其外端与输出波导相连接。

本实施例以制造一个工作于Ka波段的新型多极多电子注辐射源为例，其中，M＝8，N＝4；本实施例的实现方式如下：

微波辐射源主要由阴极挡板、辐射源芯、馈电系统、金属外壳以及输出窗片组成。如图1所示，阴极挡板主体为一金属圆盘，直径为φ20.8mm，厚度为1.5mm，材料为无磁不锈钢。圆盘上开有若干小圆孔，分布在圆盘中心和半径为R的圆形阵列，其中R的大小与辐射源芯的尺寸有关；圆孔内填充有绝缘材料，材料为聚四氟乙烯，并通过绝缘垫片与金属电极相连，金属电极向内与金属导线相连。圆孔直径为φ1.20mm，金属电极直径为φ0.6mm，此实施例中，根据慢波结构尺寸，金属电极共设有10个，其中外圈均匀分布有9个，而阴极挡板电极位于中心。此外，圆形阵列电极之间设有绝缘带12，进一步保证馈电绝缘，绝缘带为圆形加上矩形，材料为聚四氟乙烯，绝缘带宽1.0mm。阴极挡板通过绝缘陶瓷体与金属外壳相连，为了保证对电磁波的屏蔽，挡板上焊接有一金属圆筒，右端做倒角处理，可有效防止电火花的产生，其材料与阴极挡板相同，为无磁不锈钢。

辐射源芯与阴极挡板相连，材料为无氧铜，其外侧包裹有一层介质外壳，介质材料为聚四氟乙烯。如图2所示，在此实施例中，慢波结构共包含9个周期，设有3个冷阴极发射面。冷阴极发射面位于慢波结构内部，具体制造方法为在慢波结构金属盘片上种植一层半径为0.6mm的碳纳米管，每层相隔3个周期。慢波结构尺寸示意图如图4所示，加工方法如下：先加工一个无氧铜圆柱，直径为φ7.0mm，厚度1.6mm；然后在两侧都加工出深度为0.65mm，直径为φ6.0mm的凹槽；最后加工出直径为φ1.2mm的电子注通道和耦合孔。本实施例采用了一种优选的4叶耦合孔，内径为1.5mm，外径为2.7mm，十字形支杆宽度为0.6mm。将所有的慢波片加工完成后，均匀地置于介质外壳内，相隔距离为0.5mm，则慢波结构的周期为2.1mm。介质外壳内径为3mm，外径为3.8mm，长度为18.3mm，材料为聚四氟乙烯。每个慢波结构均有一导线与阴极挡板上的电极相连，在介质外壳连接处开有小孔，导线材料为铜。介质外壳的作用主要是支撑慢波结构和保持与导线的绝缘。

金属外壳材料为无磁不锈钢，内径为9.1mm，外径为12mm，长度为33.8mm。外壳左端通过陶瓷体与阴极挡板相连，陶瓷体厚度为0.6mm；外壳右端与输出窗片相连接，输出窗片尺寸为直径φ18.2mm，厚度2mm，材料为99#陶瓷。

微波辐射源结构内部需抽成真空，工作时阴极加负高压，各级慢波结构电压差1.2kv。通过场致发射的电子注经过预调制，在慢波结构中把能量交给高频电磁波，产生的电磁波通过横向耦合出来，并被金属外壳所收集，通过输出窗片从右端输出。通过模拟仿真，结果表明：阴极发射电流可达到2.5A/cm²，输出功率为50w，具有较强的实用价值。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (5)

1.一种基于冷阴极的多极多电子注辐射源，包括：阴极挡板、辐射源芯、馈电系统、金属外壳以及输出窗片；其特征在于，

所述阴极挡板的中心与辐射源芯相连接，外围通过绝缘体连接于金属外壳一端，所述输出窗片封装于金属外壳另一端；

所述馈电系统包括：金属导线、电极及绝缘介质，所述阴极挡板上开有若干小孔，金属导线穿过小孔一端连接辐射源芯、另一端连接电极，金属导线与阴极挡板之间通过绝缘介质相绝缘；

辐射源芯包括：冷阴极发射面、慢波结构、收集极和介质外壳，其中，

所述慢波结构为耦合腔结构，由M个周期性金属盘片分割为M+1个腔室，各金属盘片中心位置开设电子注通道、且围绕电子注通道设置有耦合孔，每个盘片分别与金属导线连接，且金属盘片之间互相不连接、于每个腔室的侧壁上形成辐射缝；各金属盘片通过金属导线加上不同的电压；所述慢波结构由介质外壳所包围，所述周期性金属盘片固定于介质外壳上；

所述收集极的数量为N个、N≤M+1，其中，第1个收集极作为慢波结构的端面、固定于介质外壳上，第2至第N个收集极随机设置于M个金属盘片上、且均位于金属盘片中心位置的电子注通道处；

所述冷阴极发射面的数量为N个，其中，第1个冷阴极发射面设置于阴极挡板上、且位于阴极挡板中心位置，第2至第N个冷阴极发射面与第2至第N个收集极一一对应，冷阴极发射面设置于收集极的背面、且均位于收集极背面中心位置；每个冷阴极发射面分别通过金属盘片与金属导线连接，每个冷阴极发射面的发射方向一致。

2.按权利要求1所述基于冷阴极的多极多电子注辐射源，其特征在于，所述辐射源芯各金属盘片以及与金属盘片相连接的冷阴极发射面，通过馈电系统所加的多级电压互相独立且不相同，通过电压控制各个电子注的状态，使其能与整管匹配工作。

3.按权利要求1所述基于冷阴极的多极多电子注辐射源，其特征在于，所述阴极发射面位于收集极背面，一侧收集电子注，另一侧发射电子注。

4.按权利要求2所述基于冷阴极的多极多电子注辐射源，其特征在于，所述辐射源芯中，所述辐射缝与慢波结构周期相同，在电子与电磁波发生能量交换时，辐射出的电磁波是同相位。

5.按权利要求1所述基于冷阴极的多极多电子注辐射源，其特征在于，所述金属外壳与辐射源芯之间形成一个大腔室，使得通过辐射缝输出的同相位电磁波互相耦合，聚集功率后从右端窗片输出。

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