CN111785607A - 一种双栅网打拿极和基于其的电子倍增器 - Google Patents

Abstract

本发明属于真空电子技术领域，具体公开了一种双栅网打拿极，包括基架盒体、双栅网及弧形金属片，弧形金属片位于基架盒体内，双栅网与基架盒体连接；双栅网包括第一单栅网和第二单栅网，第一单栅网和第二单栅网垂直设置，第一单栅网包括第一矩形框架和设置在第一矩形框架内的栅网，第二单栅网包括第二矩形框架和设置在第二矩形框架内的栅网，第一矩形框架和第二矩形框架固定连接。本发明还公开了一种基于双栅网打拿极的电子倍增器，包括多级打拿极，某一级打拿极或若干级打拿极采用双栅网打拿极。此双栅网打拿极结构的电子倍增器可以提高电子倍增器增益，改善电子倍增器性能。

Description

一种双栅网打拿极和基于其的电子倍增器

技术领域

本发明属于真空电子技术领域，具体涉及一种双栅网打拿极和基于其的电子倍增器。

背景技术

原子钟是当前各国守时、授时的核心装备，大量用于军事导航定位系统、时频计量站和时频网站以及卫星民用导航，是卫星导航全球定位系统的核心载荷之一。原子钟主要有铷钟、氢钟和铯钟。其中铯钟精度较高，长期稳定度最好，可靠性很高，应用于导航以及深空探测等，同时导航系统地面站也大量应用小型铯钟。

电子倍增器作为铯原子钟的核心部件，主要是用于对铯离子流信号进行放大并产生鉴频信号的器件，它的性能直接影响铯原子钟的寿命及准确度，研制高性能电子倍增器是建立铯原子频标系统的关键。倍增器增益是衡量电子倍增器性能的重要指标。

目前，一般是通过改进薄膜工艺或装配制作过程来提高电子倍增器的增益，还没有对打拿极结构进行相关研究来提高电子倍增器的增益。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双栅网打拿极和基于其的电子倍增器，提高电子倍增器增益，改善电子倍增器性能。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种双栅网打拿极，包括基架盒体、双栅网及弧形金属片，弧形金属片位于基架盒体内，双栅网与基架盒体连接；

双栅网包括第一单栅网和第二单栅网，第一单栅网和第二单栅网垂直设置，第一单栅网包括第一矩形框架和设置在第一矩形框架内的栅网，第二单栅网包括第二矩形框架和设置在第二矩形框架内的栅网，第一矩形框架和第二矩形框架固定连接。

进一步，第一矩形框架与第二矩形框架连接的连接边为长边，延伸至第一矩形框架外部。

进一步，所述基架盒体包括弧形底板、第一侧板及第二侧板，弧形底板、第一侧板及第二侧板一体连接，形成空心的四分之一圆柱体结构；第一侧板和第二侧板为扇形板，扇形板包括弧形边、X向直线边和Y向直线边；

第一侧板和第二侧板平行设置，第一侧板和第二侧板的弧形边分别与弧形底板的内壁垂直连接。

进一步，Y向直线边和弧形底板一侧的直线边均向外翻折，形成翻边；

第一矩形框架与基架盒体的翻边连接；第二矩形框架与第一侧板和第二侧板的X向直线边及弧形底板的另一侧直线边连接。

进一步，弧形金属片上镀有二次电子发射薄膜。

进一步，栅网包括一根或多根横向细丝和多根平行设置的纵向细丝，横向细丝与纵向细丝垂直交叉构成网状结构。

进一步，横向细丝与纵向细丝的宽度均为0.02mm～0.08mm，相邻两根纵向细丝的间距为0.8mm～1.2mm。

进一步，栅网包括多根平行设置的纵向细丝。

进一步，纵向细丝的宽度为0.02mm～0.08mm，相邻两根纵向细丝的间距为0.8mm～1.2mm。

本发明还公开了一种基于所述双栅网打拿极的电子倍增器，所述电子倍增器包括多级打拿极，其中某一级打拿极或若干级打拿极采用双栅网打拿极。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种双栅网打拿极和基于其的电子倍增器，电子倍增器在某一级或几级打拿极上采用双栅网结构，其余打拿极上采用单栅网结构，进而提高电子倍增器增益，改善电子倍增器性能。本发明通过对在第七级与第八级打拿极上采用双栅网结构的九级打拿极电子倍增器做数值模拟计算和实验测试，采用电子入射法在工作电压1600V、入射电流5pA的条件下测试了其性能，并与九级均采用单栅网电子倍增器进行对比，研究结果表明第七级和第八级采用双栅网打拿极结构的电子倍增器增益比九级均采用单栅网电子倍增器提高了近1.5倍；通过数值模拟计算，该电子倍增器增益相比九级均采用单栅网电子倍增器增益提高了44.2％。

进一步，第一矩形框架与第二矩形框架连接的连接边为长边，方便第一矩形框架与基架盒体的焊接。

进一步，由于栅网的作用主要是聚焦和加速电子，但它同时也会在电子运动过程中阻挡部分电子，所以通过数值模拟计算得到了合适的栅网密度和栅网宽度，细丝的宽度设计为0.02mm～0.08mm，相邻两根纵向细丝的间距设计为0.8mm～1.2mm，提高了电子倍增器的聚焦性能，减小了电子的损失。

附图说明

图1为本发明的一种双栅网打拿极的结构示意图；

图2为本发明的基架盒体的结构示意图；

图3为本发明的带有纵向细丝和横向细丝的双栅网的结构示意图；

图4为本发明的仅带有纵向细丝的双栅网的结构示意图；

图5为本发明的弧形金属片的结构示意图；

图6为本发明的一种单栅网打拿极的结构示意图；

图7为本发明的带有纵向细丝和横向细丝的单栅网的结构示意图；

图8为本发明的仅带有纵向细丝的单栅网的结构示意图；

图9为本发明的基于双栅网打拿极的九级电子倍增器的内部剖视图；

图10为本发明的基于单栅网打拿极的九级电子倍增器的6-9级附近电子运动轨迹的数值模拟图；

图11为本发明的7、8级采用双栅网打拿极的九级电子倍增器的6-9级附近电子运动轨迹的数值模拟图；

图12为本发明的7、8级采用双栅网打拿极的九级电子倍增器和单栅网结构的电子倍增器的增益对比图。

其中，01为双栅网打拿极，02为单栅网打拿极；

1为基架盒体，2为第一单栅网，3为第二单栅网，4为弧形金属片；

11为第一侧板，12为第二侧板，13为弧形底板；

21为矩形框架，22为横向细丝，23为纵向细丝。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明的基于双栅网打拿极的电子倍增器，包括分立式多级打拿极，在多级打拿极的其中某一级或若干级打拿极上采用双栅网结构。

实施例1

以图9所示的九级电子倍增器为例进行说明，在该电子倍增器的7、8级打拿极采用如图1所示的双栅网打拿极01，其余打拿极采用如图6所示的单栅网打拿极02。

本发明所述双栅网打拿极结构如图1所示，包括基架盒体1、双栅网及弧形金属片4，弧形金属片4位于基架盒体1内，双栅网的矩形框架21与基架盒通过点焊固定在一起。

如图3所示，双栅网由两片矩形结构的单栅网组成，具体包括第一单栅网2和第二单栅网3，第一单栅网2和第二单栅网3相互垂直放置；第一单栅网2和第二单栅网3均包括矩形框架21和设置在矩形框架21内的栅网。

具体地，第一单栅网2包括第一矩形框架21和设置在第一矩形框架21内的栅网，第二单栅网3包括第二矩形框架21和设置在第二矩形框架21内的栅网，第一矩形框架21和第二矩形框架21焊接在一起。

如图3所示，栅网为由横向细丝22与纵向细丝23垂直交叉构成的十字形网状结构，横向细丝22为一根或多根，纵向细丝23为多根且平行设置。在考虑到倍增器栅网的加工和寿命情况后，设计出一种便于加工且结构稳定的十字形栅网，该十字形栅网是在原栅网的基础上，添加了横向的栅网，构成网状结构。

栅网间距较大时由于栅网附近电场变化加剧，电场对电子轨迹的控制能力减弱，影响了电子轨迹，倍增器增益较低；栅网密度较大，对电子的阻挡增强，造成电子的损失，经过模拟计算设计横向细丝22与纵向细丝23的宽度为0.02mm～0.08mm。

栅网会在电子的运动过程中阻挡电子，造成电子的损失，因此栅网宽度应该越小越好，但是栅网宽度太小，不仅不利于加工，且在盒栅式电子倍增器的工作过程中容易损坏，影响盒栅式电子倍增器的性能。因此需要在不大幅降低倍增器增益的前提下，选择合适的栅网宽度，最终设计相邻两根纵向细丝23的间距为0.8mm～1.2mm。

具体地，如图2所示，所述基架盒体1包括弧形底板13、第一侧板11及第二侧板12，弧形底板13、第一侧板11及第二侧板12为一体连接，形成一空心的四分之一圆柱体结构。第一侧板11和第二侧板12为扇形板，扇形板包括弧形边、X向直线边和Y向直线边，Y向直线边向外翻折，形成翻边；弧形底板13一侧的直线边向外翻折，形成翻边，三个翻边位于一侧且一体连接。第一侧板11和第二侧板12平行设置，第一侧板11和第二侧板12的弧形边均与弧形底板13的内壁垂直连接。

第一矩形框架21焊接在基架盒体1的翻边上；第二矩形框架21与第一侧板11和第二侧板12的X向直线边及弧形底板13的另一侧直线边连接。

为了方便焊接，将第一矩形框架21与第二矩形框架21连接的连接边设计为长边，延伸至第一矩形框架21外部，可方便与基架盒体1焊接。

如图5所示的弧形金属片4上镀有二次电子发射薄膜。入射电子经第一单栅网2加速后入射到二次电子发射薄膜上，发射出二次电子，二次电子经过第二单栅网3射出打拿极进入下一级打拿极。采用双栅网结构后，收集极的电场对第七至第八级之间电子运动轨迹影响被有效屏蔽，减小电子越过相邻打拿极的现象。

如图6所示，所述单栅网打拿极包括基架盒体1、单栅网及弧形金属片4，相当于仅设置了第一单栅网2，入射电子经第一单栅网2加速后入射到二次电子发射薄膜上，发射出来的二次电子直接射出打拿极进入下一级打拿极结构。

基架盒体1、单栅网和双栅网均采用导电性材料制作而成。所述导电性材料为不锈钢。

实施例2

以图9所示的九级电子倍增器为例进行说明，在该电子倍增器的7、8级打拿极采用如图1所示的双栅网打拿极01，其余打拿极采用如图6所示的单栅网打拿极02。

本发明所述双栅网打拿极结构如图1所示，包括基架盒体1、双栅网及弧形金属片4，弧形金属片4位于基架盒体1内，双栅网的矩形框架21与基架盒通过点焊固定在一起。

如图4所示，双栅网由两片矩形结构的单栅网组成，具体包括第一单栅网2和第二单栅网3，第一单栅网2和第二单栅网3相互垂直放置并共用一条长边；第一单栅网2和第二单栅网3均包括矩形框架21和设置在矩形框架21内的栅网。

如图4所示，栅网结构仅包括多根平行设置的纵向细丝23，纵向细丝23的宽度为0.02mm～0.08mm，相邻两根纵向细丝23的间距为0.8mm～1.2mm。

具体地，如图2所示，所述基架盒体1包括弧形底板13、第一侧板11及第二侧板12，弧形底板13、第一侧板11及第二侧板12为一体连接，形成一空心的四分之一圆柱体结构。第一侧板11和第二侧板12为扇形板，扇形板包括弧形边、X向直线边和Y向直线边，Y向直线边向外翻折，形成翻边；弧形底板13一侧的直线边向外翻折，形成翻边，三个翻边位于一侧且一体连接。第一侧板11和第二侧板12平行设置，第一侧板11和第二侧板12的弧形边均与弧形底板13的内壁垂直连接。

第一矩形框架21焊接在基架盒体1的翻边上；第二矩形框架21与第一侧板11和第二侧板12的X向直线边及弧形底板13的另一侧直线边连接。

弧形金属片4上镀有二次电子发射薄膜。入射电子经第一单栅网2加速后入射到二次电子发射薄膜上，发射出二次电子，二次电子经过第二单栅网3射出打拿极进入下一级打拿极。栅网的作用主要是用来聚焦和加速电子，还能屏蔽其他打拿极电场的影响。

如图6所示，所述单栅网打拿极包括基架盒体1、单栅网及弧形金属片4，相当于仅设置了第一单栅网2，入射电子经第一单栅网2加速后入射到二次电子发射薄膜上，发射出来的二次电子直接射出打拿极进入下一级打拿极结构。

第一单栅网2和第二单栅网3的栅网结构可以相同，也可以不同，一个采用网状结构，另一个采用如图4所示的仅包括多根平行设置的纵向细丝23的结构。

应用于所述基于电子倍增器的栅网有十字型栅网结构和仅带有纵向细丝23的栅网结构，都能保证栅网对电场良好的控制能力。

对照例

本对照例为基于单栅网打拿极结构的九级电子倍增器，在该电子倍增器的九级打拿极全部采用如图6所示的单栅网结构。

单栅网打拿极包括基架盒体1、单栅网及弧形金属片4，相当于仅设置了第一单栅网2，如图7所示，单栅网为具有由横向细丝22与纵向细丝23垂直交叉构成的网状结构，横向细丝22与纵向细丝23的宽度为0.02mm～0.08mm，横向细丝22为一根或多根，纵向细丝23的间距为0.8mm～1.2mm。如图8所示，单栅网的另一种结构仅带有纵向细丝23，纵向细丝23的宽度为0.02mm～0.08mm，纵向细丝23的间距为0.8mm～1.2mm。

如图2所示，所述基架盒体1包括弧形底板13、第一侧板11及第二侧板12，弧形底板13、第一侧板11及第二侧板12为一体连接，形成一空心的四分之一圆柱体结构。第一侧板11和第二侧板12为扇形板，扇形板包括弧形边、X向直线边和Y向直线边，Y向直线边向外翻折，形成翻边；弧形底板13一侧的直线边向外翻折，形成翻边，三个翻边位于一侧且一体连接。第一侧板11和第二侧板12平行设置，第一侧板11和第二侧板12的弧形边均与弧形底板13的内壁垂直连接。第一矩形框架21焊接在基架盒体1的翻边上；第二矩形框架21与第一侧板11和第二侧板12的X向直线边及弧形底板13的另一侧直线边连接。

通过数值模拟计算，电子倍增器中电子在电场的作用下，在打拿极之间运动并逐级倍增，且随着打拿极级数的增加电子轨迹亦趋于发散，在第七级到第八级打拿极之间出现了比较明显的电子越过相邻打拿极的现象，这一情况在第七级到第八级打拿极之间尤为明显。第七级打拿极薄膜出射的二次电子在电场的作用下运动，大部分的电子均被收集极直接接收，这部分电子没有经过后两级打拿极的倍增，造成了倍增器的增益下降。

将本发明的基于双栅网打拿极的电子倍增器和对照例的全部为单栅网打拿极的电子倍增器进行数值模拟计算和实验测试，具体结果如下：

具体地，在第七级与第八级打拿极上采用双栅网结构，其余打拿极采用单栅网结构的九级打拿极电子倍增器用CST软件进行了数值模拟计算和实验测试，得到如图11所示的电子倍增器的电子运动轨迹和总增益。从电子运动轨迹可以看出，采用双栅网结构后，收集极的电场对第七至第八级之间电子运动轨迹影响被有效屏蔽，减小电子越过相邻打拿极的现象。所制作的电子倍增器在工作电压1600V和入射电流5pA的电子入射条件下的增益为4.65万倍，工作电压2000V下的增益能稳定达到24.05万倍。

对九级均采用单栅网打拿极结构的电子倍增器做数值模拟计算和实验测试，得到如图10所示电子倍增器的电子运动轨迹和总增益。从电子运动轨迹可以看出，从第七级打拿极下半部分出射的电子在电场的作用下能运动到第八级打拿极，而从第七级打拿极上半部分出射的电子在电场的作用下在运动到第八级打拿极的过程中有很大的概率被收集极电场影响，从而被收集极收集。如图12所示，所制作的电子倍增器在工作电压1600V和入射电流5pA的电子入射条件下的增益为3.75万倍，工作电压2000V下的增益能稳定达到10.71万倍。

数值模拟结果表明，第七、八级采用双栅网打拿极结构的九级电子倍增器增益相比九级均采用单栅网打拿极结构的电子倍增器增益提高了44.2％。如图12所示，电子倍增器实验测试结果表明，第七级和第八级采用双栅网打拿极结构的电子倍增器增益比九级均采用单栅网电子倍增器提高了近1.5倍。

Claims (10)

1.一种双栅网打拿极，其特征在于，包括基架盒体(1)、双栅网及弧形金属片(4)，弧形金属片(4)位于基架盒体(1)内，双栅网与基架盒体(1)连接；

双栅网包括第一单栅网(2)和第二单栅网(3)，第一单栅网(2)和第二单栅网(3)垂直设置，第一单栅网(2)包括第一矩形框架(21)和设置在第一矩形框架(21)内的栅网，第二单栅网(3)包括第二矩形框架(21)和设置在第二矩形框架(21)内的栅网，第一矩形框架(21)和第二矩形框架(21)固定连接。

2.根据权利要求1所述的双栅网打拿极，其特征在于，第一矩形框架(21)与第二矩形框架(21)连接的连接边为长边，延伸至第一矩形框架(21)外部。

3.根据权利要求1所述的双栅网打拿极，其特征在于，所述基架盒体(1)包括弧形底板(13)、第一侧板(11)及第二侧板(12)，弧形底板(13)、第一侧板(11)及第二侧板(12)一体连接，形成空心的四分之一圆柱体结构；第一侧板(11)和第二侧板(12)为扇形板，扇形板包括弧形边、X向直线边和Y向直线边；

第一侧板(11)和第二侧板(12)平行设置，第一侧板(11)和第二侧板的弧形边分别与弧形底板(13)的内壁垂直连接。

4.根据权利要求3所述的双栅网打拿极，其特征在于，Y向直线边和弧形底板(13)一侧的直线边均向外翻折，形成翻边；

第一矩形框架(21)与基架盒体(1)的翻边连接；第二矩形框架(21)与第一侧板(11)和第二侧板的X向直线边及弧形底板(13)的另一侧直线边连接。

5.根据权利要求1所述的双栅网打拿极，其特征在于，弧形金属片(4)上镀有二次电子发射薄膜。

6.根据权利要求1所述的双栅网打拿极，其特征在于，栅网包括一根或多根横向细丝(22)和多根平行设置的纵向细丝(23)，横向细丝(22)与纵向细丝(23)垂直交叉构成网状结构。

7.根据权利要求6所述的双栅网打拿极，其特征在于，横向细丝(22)与纵向细丝(23)的宽度均为0.02mm～0.08mm，相邻两根纵向细丝(23)的间距为0.8mm～1.2mm。

8.根据权利要求1所述的双栅网打拿极，其特征在于，栅网包括多根平行设置的纵向细丝(23)。

9.根据权利要求8所述的双栅网打拿极，其特征在于，纵向细丝(23)的宽度为0.02mm～0.08mm，相邻两根纵向细丝(23)的间距为0.8mm～1.2mm。

10.一种基于权利要求1～9任意一项所述双栅网打拿极的电子倍增器，其特征在于，所述电子倍增器包括多级打拿极，其中某一级打拿极或若干级打拿极采用双栅网打拿极(01)。

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