CN112327345B - 一种测量径向发射电子束均匀性的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量径向发射电子束均匀性的装置，包括二极管外筒(1)、密封板(2)、阳极筒(3)、支撑杆(4)、若干法拉第筒(5)、若干信号线(6)、有若干通道的信号采集处理设备(7)和若干调节杆(8)。本发明提供的测量径向发射电子束均匀性的装置，可以测量待测阴极(9)径向发射电子束的角向均匀性和轴向均匀性，适合工程应用，可为阴极发射电子束均匀性研究提供有力帮助，推动阴极研究的进步，进而提高微波器件的技术性能。

Description

一种测量径向发射电子束均匀性的装置

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种基于法拉第筒阵列的测量大面积径向发射电子束均匀性的装置。

背景技术

阴极产生电子束的均匀性对于高功率微波系统的技术性能具有重要影响。产生均匀的电子束是研制高性能高功率微波系统的基础。不均匀的电子束可能导致微波器件效率下降、工作模式不稳及微波频率漂移，从而严重影响微波系统的性能。因此，诊断阴极发射电子束的均匀性是高功率微波研究的重要内容之一。高功率微波源所用阴极的发射方式主要有径向发射和轴向发射两种。当前，对轴向发射电子束均匀性的诊断方法研究相对较多，而对径向发射电子束均匀性的诊断方法研究较少。因此，设计一种测量径向发射电子束均匀性的装置，可为阴极发射电子束均匀性研究提供有力帮助，推动阴极研究的进步，进而提高微波器件的技术性能。这在高功率微波研究领域具有广阔的应用前景和重要的科研价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：设计一种测量径向发射电子束均匀性的装置，为研究阴极发射电子的均匀性和提高高功率微波系统的技术性能提供技术支撑。

本发明的技术方案是：如图1所示，本发明提供了一种测量径向发射电子束均匀性的装置，包括二极管外筒1、密封板2、阳极筒3、支撑杆4、若干法拉第筒5、若干信号线6和有若干通道的信号采集处理设备7；所述二极管外筒1为金属圆筒，其左端可与安装有待测阴极9的脉冲功率系统的输出端外筒同轴密封电气特性共地固定连接；所述密封板2为金属圆盘，与所述二极管外筒1的右端同轴密封连接；所述阳极筒3为长度为d1、内径为Φ1、外径为Φ2的金属圆筒，Φ1大于待测阴极9的最大外径，设置在所述二极管外筒1内，其右端与所述密封板2同轴固定连接；所述支撑杆4设置在所述二极管外筒1和所述阳极筒3之间的左端，用于支撑所述阳极筒3的左端，以使阳极筒3和二极管外筒1保持同轴；所述法拉第筒5，设置在所述阳极筒3的外筒壁上，用于收集电子而产生相应的电信号；所述信号线6为同轴电缆线，密封穿过所述密封板2，其一端连接所述法拉第筒5的信号输出端，另一端连接信号采集处理设备7的信号输入端；所述信号采集处理设备7用于采集和处理通过所述信号线6输入的电信号。

进一步地，如图2所示，所述阳极筒3的筒壁上均匀设置有阵列通孔，所述法拉第筒5底部由外向内穿过所述阳极筒3筒壁上的通孔，与所述阳极筒3固定连接。

进一步地，如图3所示，所述阳极筒3的筒壁轴向上均匀设置有单列通孔，所述法拉第筒5底部由外向内穿过所述阳极筒3筒壁上的通孔，与所述阳极筒3固定连接，所述密封板2可相对所述二极管外筒1转动从而带动阳极筒3相对于待测阴极9转动。

进一步地，如图1和图4所示，还包括若干调节杆8，所述阳极筒3的筒壁角向上均匀设置有若干轴向长形通孔，所述法拉第筒5底部由外向内穿过所述阳极筒3筒壁上的长形通孔，与所述阳极筒3紧密连接，所述调节杆8一端与所述法拉第筒5固定连接，另一端密封穿过所述密封板2，用于可使所述法拉第筒5在所述阳极筒3的筒壁上左右移动。

进一步地，如图5所示，所述支撑杆4具有环状支撑结构，包括内环4.1、外环4.2和若干固定杆4.3，所述内环4.1内径与阳极筒3的外径同为Φ2，所述外环4.2外径与二极管外筒1的内径同为Φ3，其厚度为d4。

进一步地，如图6所示，所述法拉第筒5包括固定基座5.1、吸收体5.2、外壳5.3、引出体5.4、采样电阻5.5、绝缘层5.6和固定帽5.7；所述固定基座5.1为下端设有带有外螺纹圆柱的直径为Φ4、厚度为d5的金属圆盘，其下端外螺纹圆柱的长度为d6，其中心开有直径为Φ5的圆形准直通孔A；所述吸收体5.2为采用二次电子发射系数小的材料制成的直径为Φ6、长度为d7的圆柱体，其下端中心处开有一个直径为Φ5、深度为d8的圆槽B，其上端中心处开有一个直径为Φ7、深度为d9、内壁有内螺纹的圆槽，同轴设置在所述固定基座5.1上面中心处；所述外壳5.3为壁厚为d5、总长度为d10、内径为Φ8和外径为Φ9的圆形金属薄壁筒，其上端中心处开有一个直径为Φ10的通孔，其下端为完全开口，且与所述固定基座5.1上面同轴固定连接；所述引出体5.4为一个厚度为d11、直径为Φ11的金属圆盘，其上端中心处设有一个长度为d12、直径为Φ12的圆柱，且Φ12<Φ10，同轴绝缘穿过所述外壳5.3上端的通孔，其下端中心处设有一个长度为d9、直径为Φ7的圆柱，与所述吸收体5.2上端的圆槽螺纹匹配连接；所述采样电阻5.5设置在所述吸收体5.2和所述外壳5.3之间，其两端分别与所述固定基座5.1和所述引出体5.4保持电连接；所述绝缘层5.6填充在所述外壳5.3内，使得所述吸收体5.2与所述固定基座5.1保持绝缘分隔，所述引出体5.4与所述外壳5.3保持绝缘分隔，所述采样电阻5.5分别与所述吸收体5.2和所述外壳5.3保持绝缘分隔；所述固定帽5.7，其中心设有直径为Φ5的圆形通孔，其内螺纹与所述固定基座5.1的下端圆柱的外螺纹相匹配，用于实现所述法拉第筒5与所述阳极筒3连接。

采用上述装置测量电子束均匀性原理是：当脉冲功率系统提供给待测阴极负高压脉冲，阴极径向发射电子束，电子束在电场的作用下向阳极筒运动，一部分电子束会进入放置于阳极筒筒壁上的法拉第筒中，最终由法拉第筒的吸收体收集产生电流信号，电流信号经引出体进而流过采样电阻并在其两端产生电压差，而后该电压信号由信号线输出至信号采集处理设备；每一个法拉第筒会产生一个电压信号，根据每个法拉第筒的标定值可以得到电压信号对应的电流值，再用每一个电流值除以法拉第筒用于接收电流的孔的截面积就可以得到对应位置处的电流密度。通过分析比较不同位置处的电流密度，从而可以获得电子束的均匀性。

本发明可以达到以下技术效果：

1)本发明提供了一种测量径向发射电子束角向和轴向均匀性的装置。

2)基于本发明，可以测量不同电子束参数、不同阴阳极尺寸的径向发射电子束的均匀性。

3)通过调整法拉第筒的轴向或者角向位置、准直孔A(如图6所示)的大小、测试位置的分布密度等，可以得到不同位置的电流密度、不同的测量精度等，因此该方法具有较大弹性，有利于进一步扩展应用范围。

4)每一个法拉第筒单元均可模块化，信号线采用同轴电缆线，使得整个装置拆装方便，并且每一个法拉第筒还可以用在其它相关装置上，扩大了应用范围。

附图说明

图1.本发明所述测试装置的整体布局示意图。其中，1是二极管外筒，2是密封板，3是阳极筒，4是支撑杆，5是法拉第筒，6是信号线，7是信号采集设备，8是调节杆,9是待测阴极。

图2.本发明所述具有阵列通孔的阳极筒结构示意图。其中，(a)为模型图，(b)为其上视图，(c)为其左视图。

图3.本发明所述具有轴向单列通孔的阳极筒结构示意图。其中，(a)为模型图，(b)为其上视图，(c)为其左视图。

图4.本发明所述具有长形通孔的阳极筒结构示意图。其中，(a)为模型图，(b)为其上视图，(c)为其左视图。

图5.本发明所述支撑杆的结构示意图。其中，(a)为模型图，(b)为其前视图，(c)为其左视图。

图6.本发明所述法拉第筒的结构示意图。其中，(a)为模型图，(b)为其中心剖面图，5.1是固定基座，5.2是吸收体，5.3是外壳，5.4是引出体，5.5是采样电阻，5.6是绝缘层，5.7是固定帽。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明提供一种测量径向发射电子束均匀性的装置，包括二极管外筒1、密封板2、阳极筒3、支撑杆4、若干法拉第筒5、若干信号线6、有若干通道的信号采集处理设备7和调节杆8，调节杆8、信号线6与法拉第筒5一一对应，信号采集处理设备7的通道数量不少于法拉第筒5的数量。本例中，待测阴极9发射总电流约45kA的电子束，总发射面积约为282cm²，故宏观电流密度约160A/cm²。

二极管外筒1为金属圆筒，其左右两端各设有一个法兰，其左端通过法兰与安装有待测阴极9的脉冲功率系统的输出端外筒同轴密封电气特性共地固定连接，其右端通过法兰与密封板2同轴密封固定连接，其内部空间保证可以容纳待测阴极9、阳极筒3、支撑杆4、法拉第筒5和信号线6以及调节杆8。

密封板2为金属圆盘，用于使二极管外筒1的右端保持密封和固定阳极筒3的右端。

如图4所示，阳极筒3为长度为d1、内径为Φ1、外径为Φ2的金属圆筒，采用不锈钢或者铝合金等金属材料制成，Φ1大于待测阴极9的最大外径，其设置在所述二极管外筒1内，其右端与所述密封板2采用焊接或螺纹同轴密封固定连接，根据测试需要，其筒壁角向上均匀设置有四条长度为d2、宽度为d3轴向长形通孔，即所述相邻的两条长形通孔角向相差90度。

如图5所示，支撑杆4具有环状支撑结构，包括内环4.1、外环4.2和若干固定杆4.3，内环4.1内径为Φ2，外环4.2外径为Φ3，其厚度为d4，支撑杆4设置在所述二极管外筒1和所述阳极筒3之间的左端，用于支撑所述阳极筒3的左端，以使阳极筒3和二极管外筒1保持同轴，这样，由于脉冲功率系统上用于安装待测阴极9的阴极座也在中心轴线上，所以待测阴极9、二极管外筒1、阳极筒3三者保持了同轴。

如图6所示，法拉第筒5，包括固定基座5.1、吸收体5.2、外壳5.3、引出体5.4、采样电阻5.5、绝缘层5.6和固定帽5.7；固定基座5.1为下端设有带有外螺纹圆柱的直径为Φ4、厚度为d5的金属圆盘，其下端外螺纹圆柱的长度为d6，其中心开有直径为Φ5的圆形准直通孔A；吸收体5.2为采用石墨或其它二次电子发射系数小的材料制成的直径为Φ6、长度为d7的圆柱体，其下端中心处开有一个直径为Φ5、深度为d8的圆槽B，其上端中心处开有一个直径为Φ7、深度为d9、内壁有内螺纹的圆槽，同轴设置在所述固定基座5.1上面中心处；外壳5.3为壁厚为d5、总长度为d10、内径为Φ8和外径为Φ9的圆形金属薄壁筒，其上端中心处开有一个直径为Φ10的通孔，其下端为完全开口，且与固定基座5.1上面同轴固定连接；引出体5.4为一个厚度为d11、直径为Φ11的金属圆盘，采用黄铜或其它导电性能好的金属材料制成，引出体5.4的圆盘上端中心处设有一个长度为d12、直径为Φ12的圆柱，且Φ12<Φ10，同轴绝缘穿过外壳5.3上端的通孔，引出体5.4的圆盘下端中心处设有一个长度为d9、直径为Φ7的圆柱，与吸收体5.2上端的圆槽螺纹匹配连接；采样电阻5.5设置在吸收体5.2和外壳5.3之间，为了尽量使法拉第筒更紧凑，采样电阻5.5的一端插入设置在引出体5.4下面的小孔，另一端插入设置在固定基座5.1上面的小孔，并采用锡焊保持电连接，采样电阻5.5采用无感碳膜电阻，并且在连接时采用多个电阻并联的方式以减小感生电压带来的误差；绝缘层5.6采用采用绝缘膜，填充在外壳5.3内，使得吸收体5.2与固定基座5.1保持绝缘分隔，引出体5.4与外壳5.3保持绝缘分隔，采样电阻5.5分别与吸收体5.2和外壳5.3保持绝缘分隔；固定帽5.7，其上端圆盘直径Φ13＝d3、长度为d6，其下端厚度为d13、直径为Φ14，满足d3＝Φ13<Φ14，其中心设有直径为Φ5的圆形孔，其内螺纹与固定基座5.1的下端圆柱的外螺纹相匹配。

法拉第筒5共有四个，用于收集电子而产生相应的电信号，四个法拉第筒5底部分别穿过四条阳极筒3筒壁上的长形通孔，通过固定帽5.7与阳极筒3紧密连接，法拉第筒5可在阳极筒3筒壁上轴向左右移动。

信号线6为同轴电缆线，共四根，每一根信号线6分别密封穿过密封板2，一端连接一个法拉第筒5的信号输出端，另一端连接信号采集处理设备7的信号输入端。

信号采集处理设备7用于采集和处理通过信号线6输入的电信号，采用四通道示波器。

调节杆8采用细不锈钢圆棒，共有四根，每根其一端焊接在一个法拉第筒5的侧壁上，另一端密封穿过密封板2，用于可使拉第筒5在阳极筒3的筒壁上左右移动。

待测阴极9表面宏观电流密度约160A/cm²，假设电流达到阳极筒3的内壁后仍为均匀分布，在阳极筒3的内壁上的电流密度减小到约80A/cm²，若取直径Φ5＝6mm，则圆形准直孔A接收到的电流大小约为23A。采用示波器来采集信号，一般要求信号幅值在几百毫伏到几伏的范围，因此采样电阻的阻值可以取0.05Ω，为了减小电感，可以采用10个0.5Ω的电阻并联以达到该阻值。

本例采用了四个法拉第筒，若测量六个轴向位置的电流密度，可一共得到阳极筒内壁轴向和径向共24个位置处的电流密度分布情况，可给出阴极发射均匀性的宏观图像，可为进一步改进阴极提供了参考数据。

本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (6)

1.一种测量径向发射电子束均匀性的装置，其特征在于，包括二极管外筒(1)、密封板(2)、阳极筒(3)、支撑杆(4)、若干法拉第筒(5)、若干信号线(6)和有若干通道的信号采集处理设备(7)；

所述二极管外筒(1)为金属圆筒，其左端可与安装有待测阴极(9)的脉冲功率系统的输出端外筒同轴密封电气特性共地固定连接；

所述密封板(2)为金属圆盘，与所述二极管外筒(1)的右端同轴密封连接；

所述阳极筒(3)为长度为d1、内径为Φ1、外径为Φ2的金属圆筒，Φ1大于待测阴极(9)的最大外径，设置在所述二极管外筒(1)内，其右端与所述密封板(2)同轴固定连接；

所述支撑杆(4)设置在所述二极管外筒(1)和所述阳极筒(3)之间的左端，用于支撑所述阳极筒(3)的左端，以使阳极筒(3)和二极管外筒(1)保持同轴；

所述法拉第筒(5)，设置在所述阳极筒(3)的外筒壁上，用于收集电子而产生相应的电信号；

所述信号线(6)为同轴电缆线，密封穿过所述密封板(2)，其一端连接所述法拉第筒(5)的信号输出端，另一端连接信号采集处理设备(7)的信号输入端；

所述信号采集处理设备(7)用于采集和处理通过所述信号线(6)输入的电信号。

2.根据权利要求1所述的测量径向发射电子束均匀性的装置，其特征在于，所述阳极筒(3)的筒壁上均匀设置有阵列通孔，所述法拉第筒(5)底部由外向内穿过所述阳极筒(3)筒壁上的通孔，与所述阳极筒(3)固定连接。

3.根据权利要求1所述的测量径向发射电子束均匀性的装置，其特征在于，所述阳极筒(3)的筒壁轴向上均匀设置有单列通孔，所述法拉第筒(5)底部由外向内穿过所述阳极筒(3)筒壁上的通孔，与所述阳极筒(3)固定连接，所述密封板(2)可相对所述二极管外筒(1)转动从而带动阳极筒(3)相对于待测阴极(9)转动。

4.根据权利要求1所述的测量径向发射电子束均匀性的装置，其特征在于，还包括若干调节杆(8)，所述阳极筒(3)的筒壁角向上均匀设置有若干轴向长形通孔，所述法拉第筒(5)底部由外向内穿过所述阳极筒(3)筒壁上的长形通孔，与所述阳极筒(3)紧密连接，所述调节杆(8)一端与所述法拉第筒(5)固定连接，另一端密封穿过所述密封板(2)，用于可使所述法拉第筒(5)在所述阳极筒(3)的筒壁上左右移动。

5.根据权利要求1-4任一项所述的测量径向发射电子束均匀性的装置，其特征在于，所述支撑杆(4)具有环状支撑结构，包括内环(4.1)、外环(4.2)和若干固定杆(4.3)，所述内环(4.1)内径与阳极筒(3)的外径同为Φ2，所述外环(4.2)外径与二极管外筒(1)的内径同为Φ3，其厚度为d4。

6.根据权利要求5所述的测量径向发射电子束均匀性的装置，其特征在于，所述法拉第筒(5)包括固定基座(5.1)、吸收体(5.2)、外壳(5.3)、引出体(5.4)、采样电阻(5.5)、绝缘层(5.6)和固定帽(5.7)；

所述固定基座(5.1)为下端设有带有外螺纹圆柱的直径为Φ4、厚度为d5的金属圆盘，其下端外螺纹圆柱的长度为d6，其中心开有直径为Φ5的圆形准直通孔A；

所述吸收体(5.2)为采用二次电子发射系数小的材料制成的直径为Φ6、长度为d7的圆柱体，其下端中心处开有一个直径为Φ5、深度为d8的圆槽B，其上端中心处开有一个直径为Φ7、深度为d9、内壁有内螺纹的圆槽，同轴设置在所述固定基座(5.1)上面中心处；

所述外壳(5.3)为壁厚为d5、总长度为d10、内径为Φ8和外径为Φ9的圆形金属薄壁筒，其上端中心处开有一个直径为Φ10的通孔，其下端为完全开口，且与所述固定基座(5.1)上面同轴固定连接；

所述引出体(5.4)为一个厚度为d11、直径为Φ11的金属圆盘，其上端中心处设有一个长度为d12、直径为Φ12的圆柱，且Φ12<Φ10，同轴绝缘穿过所述外壳(5.3)上端的通孔，其下端中心处设有一个长度为d9、直径为Φ7的圆柱，与所述吸收体(5.2)上端的圆槽螺纹匹配连接；

所述采样电阻(5.5)设置在所述吸收体(5.2)和所述外壳(5.3)之间，其两端分别与所述固定基座(5.1)和所述引出体(5.4)保持电连接；

所述绝缘层(5.6)填充在所述外壳(5.3)内，使得所述吸收体(5.2)与所述固定基座(5.1)保持绝缘分隔，所述引出体(5.4)与所述外壳(5.3)保持绝缘分隔，所述采样电阻(5.5)分别与所述吸收体(5.2)和所述外壳(5.3)保持绝缘分隔；

所述固定帽(5.7)，其中心设有直径为Φ5的圆形通孔，其内螺纹与所述固定基座(5.1)的下端圆柱的外螺纹相匹配，用于实现所述法拉第筒(5)与所述阳极筒(3)连接。

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