CN111326379B - 电子枪、电子加速器以及辐照装置 - Google Patents

Abstract

本公开是关于将一种可产生高平均电流电子束的微波电子枪应用于辐照的电子加速器以及电子枪。该电子枪包括：电子枪腔室，该电子枪腔室的出口端设有多个电子束孔；悬浮栅阴极结构组件，设置于该电子枪腔室内，且包括多个悬浮栅阴极结构，该多个悬浮栅阴极结构以预设图案形状分布形成一阴极面；其中所述多个电子束孔与该多个悬浮栅阴极结构分别一一对应，以使各所述悬浮栅阴极结构产生的电子束分别从对应的一电子束孔射出。

Description

电子枪、电子加速器以及辐照装置

技术领域

本公开涉及辐照加速器技术领域，尤其涉及一种电子枪、包含该电子枪的电子加速器以及包含该电子加速器的辐照装置。

背景技术

随着科学技术的发展，电子加速器的应用领域越来越广泛。电子直线加速器是加速器中用途最为广泛的一种，它广泛应用于肿瘤治疗，高分子交联，医疗用品消毒，铸件探伤，食品保鲜，海关检查，灭菌杀虫，同位素生产以及科学科研等方面。常规电子直线加速器如图1所示，主要由直流段、聚束段和加速段组成。由于加速段只能加速由分立束团组成的微脉冲电子束，由直流枪产生的较低能量的直流电子束必须经过聚束段使其转换成微脉冲电子束40才能被后面的加速段所加速。虽然微波电子枪加速器可直接产生微脉冲组成的电子束，从而使得所产生的电子束可直接被加速段加速。但是微波电子枪由于“反轰”效应无法工作在高占空比的状态，平均功率低，成本高，通常不适于辐照加速器应用。一般的，微波电子枪加速器的平均电流很小，只有几十微安量级，平均功率最多几百瓦，效率很低。

相关技术中提供一种微波电子枪加速器，如图2所示，其可以完全消除微波电子枪的反轰电子和其发射电子中的大部分差性能电子，使得微波电子枪可以工作在连续波状态下，从而使得微波电子枪平均电流可以大幅提高，也就是平均功率可以大幅提高。但是在具体应用时依然存在一些问题，如图3所示，如果要提高微波功率的利用率从而提高整体效率，可以让微波电子枪加速器工作在由连续的微波脉冲(称为宏脉冲，宏脉冲内包含很多微波频率的微脉冲)组成的脉冲式工作状态下，并且提高宏脉冲内的平均电流。

但是上述方式要求微波电子枪的加速间隙相对于所采用的微波波长要足够的小，而且越小越好。参考图4所示，此时在要求较高的宏脉冲平均电流时阴极10必须有足够大的发射面，而大的发射面又要求大的加速间隙和大的加速出口，否则加速间隙小会使大的发射面的阴极10中间部分的电场降低太多而最终使电子束40易打在腔壁上，且具有大的阴极发射面的阴极10加工和安装复杂、难度高，对温度变化适应性也差。另外，大的加速间隙又要求长的微波波长或大尺寸的加速器。同时，大的加速出口也不利于电子枪和加速管的微波隔离，进一步影响加速器的性能。目前的方案很难兼顾以上这些因素设计性能较好的电子加速器。因此，有必要提供一种新的技术方案改善上述方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

发明内容

本公开的目的在于提供一种电子枪、包含该电子枪的电子加速器以及包含该电子加速器的辐照装置，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本公开实施例的第一方面，提供一种电子枪，该电子枪包括：

电子枪腔室，该电子枪腔室的出口端设有多个电子束孔；

悬浮栅阴极结构组件，设置于该电子枪腔室内，包括多个悬浮栅阴极结构，该多个悬浮栅阴极结构以预设图案形状分布形成一阴极面；其中所述多个电子束孔与该多个悬浮栅阴极结构分别一一对应，以使该多个悬浮栅阴极结构产生的多个电子束分别从对应的一电子束孔射出。

本公开的实施例中，所述电子枪为微波电子枪。

本公开的实施例中，所述多个悬浮栅阴极结构以下述任意一种或多种预设图案形状分布：圆圈形、栅格形、长条形和同心圆形。

本公开的实施例中，所述多个悬浮栅阴极结构的加速间隙小于微波波长的1/4。

本公开的实施例中，所述多个悬浮栅阴极结构的横截面为预设规则形状。

本公开的实施例中，所述预设规则形状至少包括圆形、矩形和椭圆形。

本公开的实施例中，所述电子加速器为电子直线加速器。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种电子加速器，包括加速器以及上述任一实施例中所述的电子枪；该电子枪与该加速器连接。

根据本公开实施例的第三方面，提供一种辐照装置，包括上述任一实施例中所述的电子加速器。

本公开的实施例中，该辐照装置包括辐照灭菌装置。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本公开的实施例中，电子枪的阴极组件设置为多个悬浮栅阴极结构以预设图案形状分布形成一阴极面，同时在电子枪腔室的出口端设有多个电子束孔而不是现有的一个电子束孔，该多个悬浮栅阴极结构与多个电子束孔一一对应；本实施例中通过将原有的整体的阴极面替换为多个小面积悬浮栅阴极结构构成的该阴极面，同时将原来出口端一大孔径的电子束出口变为与该多个悬浮栅阴极结构对应的小口径的多个电子束孔，这样，由于小面积的悬浮栅阴极结构比大面机的整体悬浮栅阴极结构的加工和安装都容易的多，因此可简化电子加速器的制造复杂度；多个悬浮栅阴极结构对温度变化的适应性也要强，同时使得加速间隙之间的电场分布变的更加均匀，因此每个悬浮栅阴极结构产生的分束流的散角变小，提高了束流的品质。另外也很容易实现电子枪和紧跟在后面的加速管之间的微波隔离，从而使两个腔可以工作在不同的最佳的相位上，提升电子加速器的性能。

附图说明

图1示出现有技术中电子直线加速器示意图；

图2示出现有技术中一微波电子枪加速器示意图；

图3示出微波电子枪加速器工作时采用的宏脉冲示意图；

图4示出现有微波电子枪结构局部示意图；

图5示出本公开示例性实施例中电子枪结构示意图；

图6示出本公开示例性实施例中悬浮栅阴极结构印记图案形状分布示意图；

图7示出本公开示例性实施例中悬浮栅阴极结构另一图案形状分布示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

本示例实施方式中首先提供了一种电子枪。参考图5中所示，该电子枪可以包括电子枪腔室和悬浮栅阴极结构组件。其中，该电子枪腔室可以是微波腔，该微波腔的出口端如侧壁20设有多个电子束孔201；该悬浮栅阴极结构组件设置于该电子枪腔室内，且包括多个悬浮栅阴极结构10，该多个悬浮栅阴极结构10以预设图案形状分布形成一阴极面；其中所述多个电子束孔201与该多个悬浮栅阴极结构10分别一一对应，以使该多个悬浮栅阴极结构10产生的多个电子束40分别从对应的一电子束孔201射出。

本实施例提供的上述方案中，通过将原有的如图4所示的整体的阴极面替换为多个小面积悬浮栅阴极结构10构成的该阴极面，同时将原来出口端一大孔径的电子束出口变为与该多个悬浮栅阴极结构10对应的小口径的多个电子束孔201，这样，由于小面积的悬浮栅阴极结构10比大面机的整体悬浮栅阴极结构的加工和安装都容易的多，因此可简化电子加速器的制造复杂度；多个悬浮栅阴极结构对温度变化的适应性也要强，同时使得加速间隙之间的电场分布变的更加均匀，因此每个悬浮栅阴极结构产生的分束流的散角变小，提高了束流的品质。另外也很容易实现电子枪和紧跟在后面的加速管之间的微波隔离，从而使两个腔可以工作在不同的最佳的相位上，提升电子加速器的性能。

具体的，在本公开的一实施例中，所述电子枪可以包括但限于为微波电子枪。所述电子束孔201可以是圆孔，但不限于此。可选的，在本公开的实施例中，如图6～7所示，所述多个悬浮栅阴极结构10以下述任意一种或多种预设图案形状分布，例如圆圈形、栅格形等，还可以是长条形和同心圆形等，该多个悬浮栅阴极结构10的分布形状不限于此。可选的，在本公开的实施例中，相邻悬浮栅阴极结构10之间的距离可以相同或不同，本实施例中对此不作限制。

进一步的，可选的，在本公开的实施例中，所述多个悬浮栅阴极结构10的加速间隙d小于微波波长的1/4。由于本实施例中将原有的整体的阴极面替换为多个小面积悬浮栅阴极结构10构成的该阴极面，因此微波电子枪的加速间隙相对于所采用的微波波长可以做到足够的小，此时在要求较高的宏脉冲平均电流时阴极面可以满足具有足够大的整体发射面，避免相关技术中整体大面积阴极中间部分的电场降低太多使得电子打在腔壁上。也即，本实施例提供的方案在阴极面总发射面积相同的情况下使得加速间隙d可以大幅减小，从而可实现在发射能力不变的情况下可选用较高微波频率的加速器或者较小尺寸的加速器。另外，加速间隙小使得微波电子枪的电子束能量降低，但是由于它立刻进入后面的加速管，空间电荷效应被大幅压缩，获得大电流的能力增强。同时由于电子束40在微波电子枪中得到的能量变低，微波电子枪所需的微波功率也降低，使得微波电子枪采用独立微波功率源的成本降低。

可选的，在本实施例中，所述多个悬浮栅阴极结构10的横截面为预设规则形状，示例性的，所述预设规则形状至少可以包括但不限于圆形、矩形和椭圆形等。

综上所述，上述实施例提供的方案的主要改进点在于：将悬浮栅阴极阴极面由原来的一整体分割为按照预设图案形状分布的若干小块，以及将原来的一个微波电子枪大的电子束出口变为与之相应的若干小的电子束出口；另外，大幅减小微波电子枪的加速间隙。

本公开实施例还提供一种电子加速器，包括加速器以及上述任一实施例中所述的电子枪；该电子枪的出口端与该加速器连接。关于该电子枪的内容可参考前述实施例中的详细描述，此处不再赘述。

具体的，在本公开的实施例中，所述电子加速器可以为电子直线加速器，但不限于此。

进一步的，本公开实施例还提供一种辐照装置，该辐照装置可以包括上述任一实施例中所述的电子加速器。关于该电子加速器可参考上述实施例中的详细描述，此处不再赘述。该辐照装置可以包括但不限于是辐照灭菌装置、医疗用辐照装置等。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (8)

1.一种电子枪，其特征在于，该电子枪包括：

电子枪腔室，该电子枪腔室的侧壁设有多个电子束孔；

悬浮栅阴极结构组件，设置于该电子枪腔室内，包括多个悬浮栅阴极结构，该多个悬浮栅阴极结构以预设图案形状分布形成一阴极面；其中所述多个电子束孔与该多个悬浮栅阴极结构分别一一对应，以使各所述悬浮栅阴极结构产生的电子束分别从对应的一电子束孔射出；

所述电子枪为微波电子枪；

所述多个悬浮栅阴极结构的加速间隙小于微波波长的1/4。

2.根据权利要求1 所述电子枪，其特征在于，所述多个悬浮栅阴极结构以下述任意一种或多种预设图案形状分布：圆形、栅格形、长条形和同心圆形。

3.根据权利要求1或2所述电子枪，其特征在于，所述多个悬浮栅阴极结构的横截面为预设规则形状。

4.根据权利要求3所述电子枪，其特征在于，所述预设规则形状至少包括圆形、矩形和椭圆形。

5.一种电子加速器，其特征在于，包括加速器以及权利要求1～4任一项所述的电子枪；该电子枪的出口端与该加速器连接。

6.根据权利要求5所述电子加速器，其特征在于，所述电子加速器为电子直线加速器。

7.一种辐照装置，其特征在于，包括权利要求5或6所述的电子加速器。

8.根据权利要求7所述辐照装置，其特征在于，该辐照装置包括辐照灭菌装置。

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