CN110600352A - 一种适用于带状注行波管的电子光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于带状电子注行波管的电子光学系统，属于真空电子技术领域。该电子光学系统包含带状注电子枪、均匀磁场聚焦系统和收集极，本发明设计的一种新型椭圆聚焦极结构用于带状电子注的成形，通过调节该椭圆聚焦极长轴和短轴的大小可以方便地改变带状电子注的压缩比；此外，本发明提出了一种永磁体产生均匀聚焦磁场的电子光学系统的装配方案，永磁体与阳极管体具有较大间隙，因而，该电子光学系统具有结构简单、散热空间大、均匀磁场聚焦系统不需要外加电源以及纵向可调节等优点。

Description

一种适用于带状注行波管的电子光学系统

技术领域

本发明属于真空电子技术领域，具体涉及一种工作在太赫兹频段的行波管用的电子光学系统。

背景技术

真空电子器件以高功率、高效率、高增益、宽工作带宽等特点而为人们所熟知，广泛应用在国防武器装备、大科学装置和医疗成像等设备中。发展至今，已经成功研制出了行波管、速调管、磁控管、回旋管等真空电子器件。其中，行波管是需求量最多、研究最为广泛的真空电子器件之一，在电子对抗、雷达、卫星通信、深空探测、生物医学成像等领域均有重要应用前景。根据电子注类型的不同，行波管主要可分为圆形注行波管和带状注行波管，其中，带状注行波管是在传统的圆形注行波管基础上发展而来的一种新型器件。带状电子注比圆形电子注的横截面面积更大，相同的注电流密度可传输更大的电流，因此，在带状电子注作为电子源的行波管比传统的圆形注行波管可以有更大的输出功率，这一显著优点，使得带状注行波管在太赫兹频段深受科研人员的青睐。

同时，随着电子信息时代的飞速发展，为满足人们对频率资源的需求，更高频率的真空电子器件的研制极为迫切。220GHz、340GHz等作为太赫兹频段中的重要大气窗口，近年来成为了国内外众多学者研究的热点。国际上，以美国为代表的国家为拓展太赫兹频段宽带放大器的研制，近年来在HiFIVE计划的大力支持下，对太赫兹频段的带状注行波管开展了大量的研究工作；国内方面，中科院电子所、中电十二所、中物院、电子科技大学等也正在对太赫兹频段的带状注行波管进行大量的研制工作。然而，带状电子注的稳定传输一直是带状注行波管向太赫兹频段发展的重要制约因素之一。

带状电子注在传输过程中容易因“Diocotron”不稳定性而出现扭曲、交叉的现象，甚至断裂成丝，破坏了带状电子注的稳定传输。为了使得带状电子注能够稳定传输，通常采用磁场聚焦带状电子注，常见的磁聚焦方式有均匀磁场聚焦和周期磁场聚焦。对于太赫兹频段的带状电子注聚焦系统而言，大电流密度的带状电子注所需的聚焦磁场强度更高，均匀磁场相对周期磁场采用的磁体体积更大，可提供较高的轴向聚焦磁场，从而有利于带状电子注的聚焦。现有的均匀磁场多采用通电螺线管产生，但该方法需要外接较大电流和持续供能；而通过永磁体来提供均匀磁场时，其相互之间的斥力使得固定装配成为难点。

因此，研究一种基于永磁体产生均匀聚焦磁场的带状注行波管电子光学系统，包括带状注电子枪和带状电子注聚焦系统的装配设计，对推动带状注行波管的发展具有极其重要的意义。

发明内容

针对背景技术所存在的带状电子注在带状注行波管中较难稳定传输的缺陷问题，本发明的目的在于提供一种适用于带状注行波管的电子光学系统，该发明基于永磁体产生均匀聚焦磁场，和新设计的椭圆聚焦极结构，使得大电流密度的带状电子注能够稳定传输。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种适用于带状注行波管的电子光学系统，包括带状注电子枪和收集极，所述带状注电子枪包含阴极、阳极和用于带状电子注成形的聚焦极，其特征在于：

所述电子光学系统还包括用于产生均匀磁场的聚焦系统，所述聚焦系统包括关于电子注通道对称的两组成部分，每部分都包括电子枪磁屏、永磁体、收集极磁屏和聚焦系统支架，所述电子枪磁屏、收集极磁屏与上下两个聚焦系统支架之间固定连接，形成腔体，所述永磁体位于腔体内，并通过设置在电子枪磁屏和收集极磁屏上的卡槽固定；所述带状注电子枪固定于电子枪磁屏处的电子注传输通道轴上，所述收集极固定于收集极磁屏处的电子注传输通道轴上。

所述聚焦极包括椭圆柱聚焦孔和圆柱阴极孔，圆柱阴极孔正中放置阴极，调整椭圆柱聚焦孔的长轴、短轴和深度的值可用于调整带状电子注的成形。

所述永磁体用于产生均匀磁场；所述电子枪磁屏和收集极磁屏均用于对永磁体产生的磁场进行引导和局部增强，从而减小泄漏到电子枪区和收集极区的磁场，降低对电子轨迹的影响。

进一步地，所述关于电子注通道对称的聚焦系统支架之间通过螺孔连接，用于调节聚焦系统两部分之间的间距。

进一步地，两块永磁体之间的间距应大于或等于8mm。

进一步地，所述永磁体材料为钕铁硼，所述椭圆聚焦极结构和阳极材料均为镍铜合金，所述阴极材料为海绵体多孔钨，所述电子枪磁屏和收集极磁屏材料均为纯铁，所述聚焦系统支架材料为无磁金属，具体为铝。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明设计的椭圆聚焦极结构能够通过调节椭圆柱聚焦孔的长轴、短轴和深度的值改变聚焦孔区域的电场分布，利用电场对阴极面发射出的电子进行压缩，从而得到不同压缩比的带状电子注。在保证其他结构参数不变的情况下，长轴的值越大，长轴所在方向的电子注压缩比越小；短轴的值越大，短轴所在方向的电子注压缩比越小；深度的值越小，带状电子注压缩比越小，本发明中的带状电子注的电流密度能到325A/cm²。

2.本发明所设计的电子光学系统通过工艺固定两个相互排斥的长方体状永磁体，从而在电子注传输方向产生均匀聚焦磁场。该系统不需要外加电源；且结构简单，有利于加工制作；散热空间大，便于传输大电流时系统的冷却；以及纵向可调节，便于调节聚焦磁场的横向对称面与带状电子注中心线同轴。

附图说明

图1为本发明电子光学系统示意图。

图2为本发明电子光学系统对称连接处的内部示意图。

图3为本发明电子光学系统中的聚焦系统部件示意图。

图4为本发明的新型椭圆聚焦极结构图；

其中：图4(a)本发明聚焦极宽边截面视图(X-Z剖视图)；图4(b)为本发明聚焦极窄边截面视图(Y-Z剖视图)。

图5为本发明阳极示意图。

图6为本发明带状注电子枪中的窄边电子注轨迹包络视图(Y-Z截面)。

图7为本发明带状注电子枪中的宽边电子注轨迹包络视图(X-Z截面)。

图8为本发明模拟计算得到的轴向磁感应强度沿Z轴的分布图。

图9为本发明带状电子注的窄边传输轨迹(Y-Z截面)。

图10为本发明带状电子注的宽边传输轨迹(X-Z截面)。

图中：聚焦极1包括：圆柱阴极孔1-1、聚焦极倒圆角边缘1-2、聚焦极定位孔1-3；聚焦系统支架2包括：M5螺钉孔2-1、M3螺钉孔2-2；收集极磁屏3包括：收集极磁屏卡槽3-1、收集极接口3-2；电子枪磁屏4包括：电子枪磁屏卡槽4-1、半圆凹槽4-2、矩形凹槽4-3；永磁体5；阴极6；阳极7包括：阳极孔7-1、环形卡槽7-2、阳极定位卡槽7-3、阳极端盖7-4；收集极8。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

本实施方式以工作频率为220GHz的带状注行波管电子光学系统为例：

一种适用于220GHz带状注行波管的电子光学系统，包括带状注电子枪、聚焦系统和收集极，所述带状注电子枪包含阴极和阳极，其特征在于：

所述带状注电子枪还包括椭圆聚焦极结构，所述椭圆聚焦极结构设置有椭圆柱聚焦孔和圆柱阴极孔，圆柱阴极孔正中放置阴极，调整椭圆柱聚焦孔的长轴、短轴和深度可用于调整带状电子注的成形；

所述聚焦系统包括对称的组成部分，每部分都包括电子枪磁屏、永磁体、收集极磁屏和聚焦系统支架，两部分之间的间距用于放置阳极；所述永磁体紧固于电子枪磁屏和收集极磁屏之间，所述电子枪磁屏、永磁体和收集极磁屏三者侧面设置聚焦系统支架，用于固定连接三者；所述聚焦系统两个组成部分也通过聚焦系统支架连接。所述聚焦系统提供聚焦磁力，用于平衡带状电子注的空间电荷力，使得电子注能够稳定传输。

如图1所示，所设计的均匀聚焦磁场由两个在y向相互排斥的长方体状永磁体产生，用于220GHz带状注行波管的带状电子注聚焦，所述永磁体设置于电子枪磁屏和收集极磁屏之间，三者通过x向的聚焦系统支架固定。图1中的聚焦系统支架2共有四个，每个支架截面呈L形，设置有与电子枪磁屏和收集极磁屏在x向固定连接的螺孔，以及用于固定聚焦系统两组成部分的M5螺孔，如图2所示，在本实施方式中：2-1为M5螺钉孔，两侧分别用四个M5螺钉将y向两部分聚焦系统部件固定，并使得两部分之间留有较大间隙，为系统在大电流工作情形下提供较大的散热空间，并且通过松紧M5螺钉孔，用于调整两块永磁体之间的间距；2-2为M3螺钉孔，用于x向将电子枪磁屏、永磁体和收集极磁屏固定。收集极磁屏3包括：收集极磁屏卡槽3-1、收集极接口3-2；电子枪磁屏4包括：电子枪磁屏卡槽4-1、半圆凹槽4-2、矩形凹槽4-3；所述收集极磁屏卡槽3-1与电子枪磁屏卡槽4-1联合用于固定在y向相互排斥的长方体状永磁体，所述收集极接口3-2设置两块收集极磁屏连接处的中心，呈阶梯状半圆，用于放置收集极8；所述半圆凹槽4-2用于放置阳极端盖7-4；所述矩形凹槽4-3设置于两块电子枪磁屏连接处的正中，用于固定阳极7。本实施方式中永磁体5采用钕铁硼(NdFeB)，相比于其他永磁材料，钕铁硼具有极高的磁能积和矫顽力，因此它极其稳定；同时它的最高工作温度达150℃，远高于我们带状注行波管工作时的环境温度。

本发明还新设计了椭圆聚焦极结构，结构图如图4所示，在本实施方式中，F_a＝2.84mm，F_b＝2.39mm，F_c＝1.4mm，F_d＝1.24mm；1-1为圆柱阴极孔，孔半径为0.7mm，用于放置阴极；1-2为距离阳极最近的聚焦极边缘，为了避免高压打火，对该位置处聚焦极边缘作了倒圆角处理，倒圆角半径大小为0.5mm；1-3为聚焦极定位孔，孔半径等于0.4mm，用于对聚焦极的固定，避免聚焦极绕轴旋转。该新型聚焦极通过改变F_a、F_b和F_d的值可方便地实现不同压缩比的带状电子注，且结构简单，有利于加工。

本实施方式中采用圆柱状平面阴极，阴极半径为0.4mm，位于聚焦极圆柱阴极孔正中，所用材料为海绵体多孔钨。如图5所示，本实施方式中阳极7包括：阳极孔7-1、环形卡槽7-2、阳极定位卡槽7-3、阳极端盖7-4；所述阳极孔7-1位于阳极端面面向阴极，大小为1.6mm×0.6mm；所述环形卡槽7-2，用于电子枪封接，卡槽深度为0.5mm、内半径和外半径分别为6.25mm和7.75mm；所述阳极定位卡槽7-3深度为0.1mm，用于阳极的定位；阳极中电子注通道贯穿阳极正中心，XY截面为矩形，最小电子注通道大小为0.8mm×0.15mm，其中：电子注通道宽边由阳极孔宽边1.6mm渐变为0.8mm，电子注通道窄边由阳极孔窄边0.6mm渐变为0.15mm，阳极孔到最小电子注通道的渐变距离均为3.4mm，阳极所用材料为镍铜合金。

基于本发明设计的带状注行波管电子光学系统，使用三维电磁仿真软件模拟计算，得到如下结果：如图6、图7所示，分别为本发明中带状注电子枪在22kV阳极电压下形成的窄边电子注轨迹包络视图和宽边电子注轨迹包络视图，窄边方向的电子注注腰落在Z＝9mm处，宽边方向的电子注注腰落在Z＝10mm处，注腰尺寸约为0.4mm×0.1mm，相应的注电流和阴极发射电流密度分别为130mA和26A/cm²，压缩比为12.5:1，注电流密度为325A/cm²。为说明本发明所提出的均匀磁场聚焦系统提供的聚焦磁力能够较好地平衡上述带状电子注的空间电荷力，对上述带状电子枪和均匀磁场聚焦系统进行了联合模拟仿真。如图8所示，为本发明模拟计算得到的轴向磁感应强度沿Z轴的分布图，从图8中也可以明显看到，轴向磁感应强度由0变为最大值0.45T所需的距离小于5mm，曲线斜率较大有利于带状电子注的传输。另外，带状电子注的传输轨迹在YZ面(窄边)和XZ面(宽边)的截面视图如图9、图10所示，从图中看出，带状电子注在窄边方向的波动幅度较小，说明所设计的聚焦系统产生的轴向磁场强度足够用于窄边电子注的聚焦；宽边方向的电子注也能被限制在0.8mm通道内传输，因而该均匀磁场聚焦系统可用于带状电子注的稳定传输。

本发明中，带状电子注在流通管中并没有因为"Diocotron"的不稳定性而崩溃、剧烈发散，带状电子注传输至收集极入口(Z＝28mm)位置处，通过的电流与发射电流一致，表明该聚焦系统提供的聚焦磁力能够较好地抵消带状电子注自身的空间电荷力，避免了带状电子注的发散，说明所设计的均匀聚焦磁场构建的电子光学系统能够对带状电子注进行良好地聚焦。

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)

1.一种适用于带状注行波管的电子光学系统，包括带状注电子枪和收集极，所述带状注电子枪包含阴极、阳极和用于带状电子注成形的聚焦极，其特征在于：

所述电子光学系统还包括用于产生均匀磁场的聚焦系统，所述聚焦系统包括关于电子注通道对称的两组成部分，每部分都包括电子枪磁屏、永磁体、收集极磁屏和聚焦系统支架，所述电子枪磁屏、收集极磁屏与上下两个聚焦系统支架之间固定连接，形成腔体，所述永磁体位于腔体内，并通过设置在电子枪磁屏和收集极磁屏上的卡槽固定；所述带状注电子枪固定于电子枪磁屏处的电子注传输通道轴上，所述收集极固定于收集极磁屏处的电子注传输通道轴上；所述聚焦极包括椭圆柱聚焦孔和圆柱阴极孔，所述圆柱阴极孔正中放置阴极。

2.如权利要求1所述适用于带状注行波管的电子光学系统，其特征在于，所述关于电子注通道对称的聚焦系统支架间通过螺孔连接。

3.如权利要求1所述适用于带状注行波管的电子光学系统，其特征在于，两块永磁体之间的间距大于或等于8mm。

4.如权利要求1所述适用于带状注行波管的电子光学系统，其特征在于，所述永磁体材料为钕铁硼；所述椭圆聚焦极结构和阳极材料均为镍铜合金；所述阴极材料为海绵体多孔钨；所述电子枪磁屏和收集极磁屏材料均为纯铁；所述聚焦系统支架材料为无磁金属。

5.如权利要求4所述适用于带状注行波管的电子光学系统，其特征在于，所述无磁金属为铝。