CN112349567B - 产生高重频频率脉冲电子束的热阴极电子枪及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种产生高重频频率脉冲电子束的热阴极电子枪及其使用方法，其特征在于，包括RF微波电源、RF匹配网络、栅极、热阴极、皮尔斯电极和阳极；RF微波电源通过RF匹配网络连接栅极的一侧，栅极内设置有热阴极，栅极的另一侧设置有皮尔斯电极，栅极、热阴极和阳极的中心位于同一轴线；RF微波电源用于将微波电压通过RF匹配网络加载到栅极上；热阴极用于产生电子；阳极用于引出电子束；栅极用于根据微波电压与加载在栅极上的偏置电压之间的关系开关电子束的引出，以形成重复频率与微波电压一致的脉冲电子束；皮尔斯电极用于对脉冲电子束进行横向聚焦，本发明可以广泛应用于电子加速器工业应用领域中。

Description

产生高重频频率脉冲电子束的热阴极电子枪及其使用方法
技术领域
本发明是关于一种产生高重频频率脉冲电子束的热阴极电子枪及其使用方法，属于电子加速器工业应用领域。
背景技术
常用的产生高重频频率脉冲电子束的包括基于热阴极4的高压型电子枪，通过额外附加的预聚束器和斩束器，将这种电子枪结构产生的直流电子束变成脉冲电子束，通常，预聚束器和斩束器由射频腔体实现，因此脉冲电子束的重复频率由RF(射频)腔体决定，通常频率是固定的，因此脉冲束重复频率也是固定的。另外，常用的产生高重复频率脉冲电子束的还包括基于光阴极的电子枪，脉冲电子束的重复频率由激光器的重复频率决定，通常也是不可调的。
然而，上述两种电子枪在电子加速器工业应用及相关脉冲时间间隔可调的应用方面均存在一定的缺陷，基于热阴极的高压型电子枪结构复杂、系统庞大、效率较低、造价昂贵，且脉冲束重复频率固定。基于光阴极的电子枪需要高重复频率的激光器和量子效率及寿命较好的光阴极，通常系统复杂、造价昂贵，且维护运行条件苛刻。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单、效率高且成本低的产生高重频频率脉冲电子束的热阴极电子枪及其使用方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种产生高重频频率脉冲电子束的热阴极电子枪，包括RF微波电源、RF匹配网络、栅极、热阴极、皮尔斯电极和阳极；
所述RF微波电源通过所述RF匹配网络连接所述栅极的一侧，所述栅极内设置有所述热阴极，所述栅极的另一侧设置有所述皮尔斯电极，所述栅极、热阴极和阳极的中心位于同一轴线；
所述RF微波电源用于将微波电压通过所述RF匹配网络加载到所述栅极上；
所述热阴极用于产生电子；
所述阳极用于引出电子束；
所述栅极用于根据微波电压与加载在所述栅极上的偏置电压之间的关系，开关电子束的引出，以形成重复频率与微波电压一致的脉冲电子束；
所述皮尔斯电极用于对脉冲电子束进行横向聚焦。
进一步地，所述阳极为直流高压型电子枪的阳极。
一种产生高重频频率脉冲电子束的热阴极电子枪，包括RF微波电源、RF匹配网络、栅极、热阴极和RF腔体；
所述RF微波电源通过所述RF匹配网络连接所述栅极的一侧，所述栅极内设置有所述热阴极，所述栅极、热阴极和RF腔体的中心位于同一轴线；
所述RF微波电源用于将微波电压通过所述RF匹配网络加载到所述栅极上；
所述热阴极用于产生电子；
所述栅极用于根据微波电压与加载在所述栅极上的偏置电压之间的关系，开关电子束的引出，以形成重复频率与微波电压一致的脉冲电子束；
位于所述栅极侧的所述RF腔体一端为阳极，所述RF腔体用于引出并加速脉冲电子束。
进一步地，所述栅极为横向U型结构。
一种产生高重频频率脉冲电子束的热阴极电子枪的使用方法，包括以下内容：
1)RF微波电源将微波电压Urf通过RF匹配网络加载到栅极上；
2)电子从热阴极发射，阳极引出电子束；
3)栅极根据微波电压Urf与加载在栅极上的偏置电压Ub之间的关系，开关电子束的引出，以形成脉冲电子束；
4)通过调节RF微波电源的频率调节脉冲电子束的重复频率，形成重复频率与微波电压Urf一致的脉冲电子束；
5)皮尔斯电极对脉冲电子束进行横向聚焦。
一种产生高重频频率脉冲电子束的热阴极电子枪的使用方法，包括以下内容：
1)RF微波电源将微波电压Urf通过RF匹配网络加载到栅极上；
2)电子从热阴极发射；
3)栅极根据微波电压Urf与加载在栅极上的偏置电压Ub之间的关系，开关电子束的引出，以形成脉冲电子束；
4)通过调节RF微波电源的频率调节脉冲电子束的重复频率，形成重复频率与微波电压Urf一致的脉冲电子束；
5)RF腔体引出并加速脉冲电子束。
进一步地，当偏置电压Ub与微波电压Urf之和的幅值为负时，栅极控制电子束引出；否则，栅极禁止电子束引出。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明利用微波调制栅控的热阴极，实现高压型或微波射频型电子枪，用来产生高重复频率脉冲电子束且脉冲电子束脉冲串之间时间间隔可调，能够简化相关脉冲电子加速器注入器的结构和满足对电子束脉冲串时间间隔有特殊要求的应用，相对于常规的热阴极高压型电子枪，本发明能够省去预聚束器和斩束器，使注入器结构简单紧凑、经济可靠。
2、本发明通过频率可调的RF微波电源和RF匹配网络，能够实现脉冲电子束的重复频率可调，从而实现脉冲电子束之间的时间间隔可调，可以用于对电子束脉冲串之间时间间隔有特殊要求的领域，例如高能电子成像的动态成像实验中，要求脉冲串时间间隔几纳秒。
3、相比于常规的应用光阴极电子枪结构，本发明具有结构简单、性能稳定可靠、寿命长，经济实惠且容易实现的特点，也特别适合作为工业应用的高重频高平均功率电子加速器的电子源，可以广泛应用于电子加速器工业应用领域中。
附图说明
图1是本发明热阴极电子枪的剖面结构示意图，其中，图1(a)为实施例一的热阴极电子枪的剖面结构示意图，图1(b)为实施例二的热阴极电子枪的剖面结构示意图；
图2是本发明热阴极电子枪的部分结构示意图；
图3是本发明热阴极电子枪中产生的脉冲电子束的时间结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例一
如图1(a)和图2所示，本实施例提供的产生高重频频率脉冲电子束的热阴极电子枪包括RF微波电源1、RF匹配网络2、栅极3、热阴极4、皮尔斯电极5和阳极6，其中，栅极3为横向U型结构，阳极6为直流高压型电子枪的阳极。
RF微波电源1通过RF匹配网络2连接栅极3开口的一侧，栅极3内设置有热阴极4，栅极3的另一侧设置有皮尔斯电极5，栅极3、热阴极4和阳极6的中心位于同一轴线，RF微波电源1用于将微波电压Urf通过RF匹配网络2加载到栅极3上。RF匹配网络2用于将RF微波电源1的功率高效率地传输至热阴极4与栅极3之间。热阴极4用于产生电子。阳极6用于高压引出电子束。栅极3用于根据微波电压Urf与加载在栅极3上的偏置电压Ub之间的关系，开关电子束的引出，以形成重复频率与微波电压Urf一致的脉冲电子束。皮尔斯电极5用于对脉冲电子束进行横向聚焦。
如图3所示，为产生的脉冲电子束的时间结构，脉冲串时间间隔为T，工作原理为：
RF微波电源1将微波电压Urf通过RF匹配网络2加载到栅极3上，电子从热阴极4发射，热阴极4的电压为Uc，栅极3电压为Uc+Ub+Urf,栅极3电压相对热阴极4的电压为Ub+Urf，当Ub+Urf的幅值为负时，电子束引出；其余时间，电子束禁止引出，因此形成重复频率与微波电压Urf一致的脉冲电子束。
下面通过具体实施例详细说明本实施例产生高重频频率脉冲电子束的热阴极电子枪的使用方法：
1)RF微波电源1将微波电压Urf通过RF匹配网络2加载到栅极3上。
2)电子从热阴极4发射。
3)阳极6为地电位，引出电子束。
4)栅极3根据微波电压Urf与加载在栅极3上的偏置电压Ub之间的关系，开关电子束的引出，以形成脉冲电子束。
当偏置电压Ub与微波电压Urf之和的幅值为负时，栅极3控制电子束引出；否则，栅极3禁止电子束引出。
5)通过调节RF微波电源1的频率调节脉冲电子束的重复频率，形成重复频率与微波电压Urf一致的脉冲电子束。
6)皮尔斯电极5对脉冲电子束进行横向聚焦。
实施例二
本实施例提供的产生高重频频率脉冲电子束的热阴极电子枪与实施例一基本相同，均包括RF微波电源1、RF匹配网络2、栅极3和热阴极4，不同的是本实施例还包括RF腔体7，且没有设置皮尔斯电极5。
如图1(b)所示，RF微波电源通过RF匹配网络连接栅极3开口的一侧，栅极3内设置有热阴极4，栅极3、热阴极4和RF腔体7的中心位于同一轴线，RF微波电源用于将微波电压Urf通过RF匹配网络加载到栅极3上。RF匹配网络用于将RF微波电源的功率高效率地传输至热阴极4与栅极3之间。热阴极4用于产生电子。栅极3用于根据微波电压Urf与加载在栅极3上的偏置电压Ub之间的关系，开关电子束的引出，以形成重复频率与微波电压Urf一致的脉冲电子束。位于栅极3侧的RF腔体7一端为阳极，RF腔体7用于引出并加速脉冲电子束。
下面通过具体实施例详细说明本实施例产生高重频频率脉冲电子束的热阴极电子枪的使用方法：
1)RF微波电源将微波电压Urf通过RF匹配网络加载到栅极3上。
2)电子从热阴极4发射。
3)栅极3根据微波电压Urf与加载在栅极3上的偏置电压Ub之间的关系，开关电子束的引出，以形成脉冲电子束。
4)通过调节RF微波电源的频率调节脉冲电子束的重复频率，形成重复频率与微波电压Urf一致的脉冲电子束。
5)RF腔体7引出并加速脉冲电子束。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种产生重频频率脉冲电子束的热阴极电子枪，其特征在于，包括RF微波电源、RF匹配网络、栅极、热阴极、皮尔斯电极和阳极；
所述RF微波电源通过所述RF匹配网络连接所述栅极的一侧，所述栅极内设置有所述热阴极，所述栅极的另一侧设置有所述皮尔斯电极，所述栅极、热阴极和阳极的中心位于同一轴线；
所述RF微波电源用于将微波电压通过所述RF匹配网络加载到所述栅极上；
所述热阴极用于产生电子；
所述阳极用于引出电子束；
所述栅极用于根据微波电压与加载在所述栅极上的偏置电压之间的关系，开关电子束的引出，以形成重复频率与微波电压一致的脉冲电子束；
所述皮尔斯电极用于对脉冲电子束进行横向聚焦。
2.如权利要求1所述的一种产生重频频率脉冲电子束的热阴极电子枪，其特征在于，所述阳极为直流高压型电子枪的阳极。
3.一种产生重频频率脉冲电子束的热阴极电子枪，其特征在于，包括RF微波电源、RF匹配网络、栅极、热阴极和RF腔体；
所述RF微波电源通过所述RF匹配网络连接所述栅极的一侧，所述栅极内设置有所述热阴极，所述栅极、热阴极和RF腔体的中心位于同一轴线；
所述RF微波电源用于将微波电压通过所述RF匹配网络加载到所述栅极上；
所述热阴极用于产生电子；
所述栅极用于根据微波电压与加载在所述栅极上的偏置电压之间的关系，开关电子束的引出，以形成重复频率与微波电压一致的脉冲电子束；
位于所述栅极侧的所述RF腔体一端为阳极，所述RF腔体用于引出并加速脉冲电子束。
4.如权利要求1或3所述的一种产生重频频率脉冲电子束的热阴极电子枪，其特征在于，所述栅极为横向U型结构。
5.一种基于权利要求1所述的产生重频频率脉冲电子束的热阴极电子枪的使用方法，其特征在于，包括以下内容：
1)RF微波电源将微波电压Urf通过RF匹配网络加载到栅极上；
2)电子从热阴极发射，阳极引出电子束；
3)栅极根据微波电压Urf与加载在栅极上的偏置电压Ub之间的关系，开关电子束的引出，以形成脉冲电子束；
4)通过调节RF微波电源的频率调节脉冲电子束的重复频率，形成重复频率与微波电压Urf一致的脉冲电子束；
5)皮尔斯电极对脉冲电子束进行横向聚焦。
6.一种基于权利要求3所述的产生重频频率脉冲电子束的热阴极电子枪的使用方法，其特征在于，包括以下内容：
1)RF微波电源将微波电压Urf通过RF匹配网络加载到栅极上；
2)电子从热阴极发射；
3)栅极根据微波电压Urf与加载在栅极上的偏置电压Ub之间的关系，开关电子束的引出，以形成脉冲电子束；
4)通过调节RF微波电源的频率调节脉冲电子束的重复频率，形成重复频率与微波电压Urf一致的脉冲电子束；
5)RF腔体引出并加速脉冲电子束。
7.如权利要求5或6所述的一种产生重频频率脉冲电子束的热阴极电子枪的使用方法，其特征在于，当偏置电压Ub与微波电压Urf之和的幅值为负时，栅极控制电子束引出；否则，栅极禁止电子束引出。
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