CN113690117A - 一种紧凑型低磁压缩比磁控注入电子枪 - Google Patents

Abstract

本发明属于真空电子器件领域，具体为一种紧凑型低磁压缩比磁控注入电子枪。本发明以电子枪设计理论为基础，对传统磁控注入电子枪的阴极结构进行改进，改进点体现在以下地方：将后成型极由圆柱部分和圆台部分组成，后成型极圆台的母线为第一圆弧形曲线；所述发射带呈圆台状，发射带圆台的母线为第二圆弧形曲线；所述前成型极呈圆柱状，前成型极圆柱的母线与前成型极过渡段的连接处为向内凹的光滑曲线。通过上述改进，实现了低频段磁控注入电子枪小型化的同时，还进一步提升了该电子枪的阴极电场调节能力，使其综合具备更好的性能。与传统设计方式相比，本发明的电子枪尺寸更小，可用于车载雷达或电子对抗系统移动平台。

Description

一种紧凑型低磁压缩比磁控注入电子枪

技术领域

本发明属于真空电子器件领域，具体涉及一种紧凑型低磁压缩比磁控注入电子枪,该电子 枪适用于回旋行波管。

背景技术

回旋行波管是一种基于相对论电子回旋脉塞的微波放大器，具有宽频带、大功率、高频 率等优点，广泛用于电子对抗、雷达成像等技术领域。随着微波系统性能要求的日益提高， 在低频段，小型化、轻量型、高性能、高可靠的回旋行波管需求已十分迫切。

为了更好的发挥回旋行波管的优点，使其符合雷达、电子对抗系统发展趋势，低频段回 旋行波管的电子枪要求做到体积小、结构可靠、电子性能优良。传统的低频段回旋行波管电 子枪尺寸过大，如在Ka波段(35GHz)的磁控注入电子枪最大半径约23mm；X波段(10GHz) 的磁控注入电子枪最大半径约50mm，造成配套的磁体等其他一系列设备的半径也要相应扩大 才能与回旋行波管适配，这将导致以下问题；器件半径增大导致设备体积增加，限制了其应 用环境，像车载雷达或对车载电子对抗系统这类空间有限的移动平台无法使用体积过大的设 备，同时，体积增大也提高了设备制造成本。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种紧凑型低磁压缩比磁控注入电子枪，以解决现有技术中存 在的低频段磁控注入电子枪尺寸过大的问题。本发明所提供的磁控注入电子枪体积小、结构 设计更合理、成本低，可广泛用于车载雷达或对抗系统这类空间有限的移动平台。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种紧凑型低磁压缩比磁控注入电子枪，包括作为阳极的电子枪体、位于电子枪体内部 且与枪体同轴设置的阴极；

所述阴极包括后成型极、发射带和前成型极；后成型极、发射带和前成型极沿电子发射 方向依次光滑连接成一个轴状整体；后成型极、发射段、和前成型极的半径由后成型极向前 成型极方向依次减小，形成类圆锥结构；

所述后成型极和发射带之间设有有后成型极过渡段，发射带与前成型极之间设有有前成 型极过渡段；

所述后成型极由圆柱部分和圆台部分组成，所述后成型极圆台的母线为第一圆弧形曲线； 所述发射带呈圆台状，发射带圆台的母线为第二圆弧形曲线；所述前成型极呈圆柱状，前成 型极圆柱的母线与前成型极过渡段的连接处为向内凹的光滑曲线。

进一步的，所述第一圆弧形曲线为向外凸起的圆弧，所述第二圆弧形曲线为向内凹入或 向外凸起的圆弧。

进一步的，所述前成型极圆柱远离发射带的一端设有倒角，且倒角的半径小于前成型极 圆柱的半径。

进一步的，所述发射带的圆台母线与轴线夹角为25°～45°。

进一度的，所述第一圆弧曲线的半径数值范围为：5mm～30mm，第二圆弧曲线的半径数值 范围大于20mm。

进一步的，所述阴极实心的钨基体，其上浸渍的发射材料为钡盐。

进一步的，所述第二圆弧曲线的曲率半径可调，通过调整第二圆弧的曲率半径，可以增 加发射带的电场调节能力。

由电子枪设计理论可知，阴极半径和磁压缩比成正比，减小磁压缩比可以保证磁控注入 电子枪的尺寸更小，但减小磁压缩比后，电子枪会整体向磁场缓变段斜率更大的方向移动， 磁场斜率增大会造成阴极发射带两端磁场差异增大，增加了发射带两端初始速度的不一致性， 导致速度零散增加，电子注质量下降，无法满足使用需求。而本发明提供的一种紧凑型低磁 压缩比磁控注入电子枪，是基于阴极半径和磁压缩比成正比、减小磁压缩比可以减小磁控注 入电子枪的尺寸的理论基础，同时减小阴极半径和磁压缩比，实现的低频段磁控注入电子枪 的小型化。在此过程中，通过对传统磁控注入电子枪的阴极结构改进，提升电子枪阴极电场 调节能力，从而提升电子枪电子性能。

本发明的电子枪阴极结构改进具体体现在以下几个方面：

1、在后成型极部分，采用圆柱和圆台两部分共同组成，且后成型极圆台部分的母线设为 圆弧曲线，通过后成型极圆台的母线设为圆弧曲线后，去除了传统磁控注入电子枪采用鼻状 成形极产生的直角结构，使得电场可以连续、缓慢变化，降低了因磁压缩比减小后带来的电 子对电场变化过于敏感问题，同时也避免了局部电场过大电子枪击穿打火现象。

2、在发射带部分，通过减小发射带圆台母线与轴线之间的夹角，一方面使电子初始横向 速度得以提高，克服了尺寸减小后绝热压缩过程短电子速度比下降的缺陷；另一方面使前成 型极过渡段和后成型极过渡段展宽，保证阴极发射带附近的电场变化更加均匀。将发射圆台 的母线改为圆弧曲线，使发射带获得电场调节能力。通过采用发射面宽度l_s小于发射带宽度l_c的设计方式，来减小电子枪阴极发射带面积，对发射电流密度进行提升，以此获得阴极电场 调节能力与电子发射稳定性增强。

3、在前成型极部分，所述前成型极呈圆柱状，前成型极圆柱的母线与前成型极过渡段的 连接处采用向内凹的光滑曲线。使前成型极与前成型极过渡段的连接处由传统磁控注入电子 枪的直接连接变为内凹曲面的光滑连接，避免直接连接形成的折面对电场的过度调节，提高 了前成形极电场的调节能力。

由此可见，本发明提供的一种紧凑型低磁压缩比磁控注入电子枪实现了低频段磁控注入 电子枪的小型化，且结构设计更合理。与传统的磁控注入电子枪相比，本发明的电子枪尺寸 更小，因而制造成本更低，可用于车载雷达或对抗系统这类空间有限的移动平台。

附图说明

图1为传统磁控注入电子枪结构示意图；

图2为实施例紧凑型低磁压缩比电子枪结构示意图；

图3为实施例紧凑型低磁压缩比磁控注入电子枪中的电子枪阴极结构切分图；

图4为传统磁控注入电子枪与紧凑型低磁压缩比磁控注入电子枪阴极电场等势线对比 图；

图5为传统电子枪与实施例紧凑型电子枪外加缓变上升磁场分布图；

图6为实施例紧凑型低磁压缩比磁控注入电子枪中的电子枪产生的电子注轨迹图和枪口 电子分布图；

附图标记：

1、传统电子枪阴极；2、传统电子枪阳极；3、本发明电子枪阴极；4、本发明电子枪阳极；5、传统电子枪电场等势线；6、本发明电子枪电场等势线；7、本发明电子枪电子注轨迹。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发 明作进一步的详细说明。

本发明提供的一种紧凑型低磁压缩比磁控注入电子枪，如图2所示，包括作为阳极的电 子枪体和阴极。阳极为中空的金属壳体，采用传统线性锥形结构。阴极3与阳极位于电子枪 体内部且与阳极同轴设置。

所述阴极为实心基体，结构如图3所示，阴极包括后成型极301、发射带303和前成型 极305；后成型极301、发射段303和前成型极305沿电子发射方向依次光滑连接成一个轴状 整体，后成型极301、发射段303、和前成型极305的半径由后成型极向前成型极方向依次减 小，形成类圆锥结构。所述后成型极301和发射带303之间形成有后成型极过渡段302，发射带303与前成型极305之间形成有前成型极过渡段304。

所述后成型极由圆柱部分301-1和圆台部分301-2组成，所述后成型极圆台301-2的母 线为第一圆弧形曲线第一圆弧曲线向外凸起。

所述发射带303呈圆台状，发射带303圆台的母线为第二圆弧形曲线；第二圆弧曲线所 在圆的半径长度为185.45mm，所以在图2中没有明显的显示出其弯曲程度。为获得最优效果， 减少后成型极过渡段与发射带交界处、前成型极过渡段与发射带交界处的不均匀电场对电子 的影响，实施时，仅使用中间长度为l_s的部分作为电子发射的区域。

所述前成型极305呈圆柱状，前成型极305圆柱的母线与前成型极过渡段304的连接处 为向内凹的光滑曲线，前成型极圆柱前成型极圆柱远离发射带的一端设有倒角；以使附近电 场变化更平缓，从而改善传统电子枪前成型极305圆柱的母线与前成型极过渡段304的连接 处的电场调节能力。

电子枪工作时，本发明的电子枪阴极3加负高压、阳极4接地、枪体外部加紧凑磁场， 磁场强度沿轴向缓慢增加到实际需求值后持不变；阴极发射带发射的电子，在电场和磁场的 共同作用下，电子沿轴线加速旋转前进，经过缓变磁场的绝热压缩，最终形成具有一定横纵 速度比和速度零散的环形电子注。

电子枪在实际应用中，具体参数及结构尺寸需要根据使用频段进行适应性调整，为了更 好地说明紧凑型低磁压缩比磁控注入电子枪的优点，本实施例针对X波段波导半径为12.7mm、 TE₁₁模式下的圆波导高频结构的回旋行波管，制作出符合使用要求的电子枪参数进行对比：图 1为传统磁控注入电子枪结构，制作出图1结构的磁控注入电子枪结构参数及工作参数如表 1～2所示：

表1 X波段传统磁控注入电子枪主要结构参数

阳极半径r<sub>1</sub>(mm)	48.18
		阳极半径r<sub>2</sub>(mm)	31.76
阳极半径r<sub>3</sub>(mm)	12.7
		发射带半径r<sub>c</sub>(mm)	10
发射带宽度l<sub>s</sub>(mm)	4.5
		发射带角度θ<sub>c</sub>(°)	48.83
电子枪长度(mm)	320

表2 X波段传统磁控注入电子枪工作参数

制作出本发明提供的紧凑型低磁压缩比的磁控注入电子枪，其结构参数及工作参数如表 1～2所示：

表3为X波段紧凑型低磁压缩比磁控注入电子枪主要结构参数

阳极半径r<sub>1</sub>(mm)	24.71
		阳极半径r<sub>2</sub>(mm)	16.00
阳极半径r<sub>3</sub>(mm)	12.7
		阳极长度d<sub>1</sub>(mm)	53.18
阳极长度d<sub>2</sub>(mm)	21.73
		阳极长度d<sub>3</sub>(mm)	42.34
阳极长度d<sub>4</sub>(mm)	72.74
		阳极长度d<sub>5</sub>(mm)	30
发射带半径r<sub>c</sub>(mm)	5.8
		发射带宽度l<sub>c</sub>(mm)	5.6
发射面宽度l<sub>s</sub>(mm)	4.5
		发射带角度θ<sub>c</sub>(°)	30.6
后成形极半径r<sub>4</sub>(mm)	11.85
		前成形极半径r<sub>5</sub>(mm)	3.41
后成形极长度l<sub>1</sub>(mm)	27.9
		后过渡段长度l<sub>2</sub>(mm)	2.67
前成型极长度l<sub>3</sub>(mm)	3.88
		电子枪长度(mm)	220

表4为X波段紧凑型低磁压缩比磁控注入电子枪工作参数

工作电压U<sub>a</sub>(kV)	60
		工作电流I<sub>a</sub>(A)	10
发射电流密度J<sub>c</sub>(A/mm<sup>2</sup>)	6.1
		高频磁场B<sub>0</sub>(T)	0.325
阴极磁场B<sub>c</sub>(T)	0.125
		磁压缩比F<sub>m</sub>(B<sub>0</sub>/B<sub>c</sub>)	2.6
横向速度/纵向速度比值(α)	1.3
		横向速度零散Δβ<sub>r</sub>(％)	2.4
引导中心半径r<sub>0</sub>(mm)	3.615

从上述表格内容可知，在相同的工作条件下，传统磁控注入电子枪的最大半径为48.18mm， 长度为320mm，磁压缩比为5.8，发射电流密度为3.53A/mm²，电子注速度比1.2，电子注速 度零散为3.2％；而本发明的紧凑型低磁压缩比磁控注入电子枪最大半径为24.71mm，长度为 220mm，磁压缩比为2.6，发射电流密度为6.1A/mm²，电子注速度比1.3，电子注速度零散为2.4％。通过对比可以看出，本发明的紧凑型低磁压缩比磁控注入电子枪的阳极半径缩小到传 统磁控注入电子枪的一半左右，电子枪长度减小100mm，磁压缩比减小3.2，电子枪尺寸明显 减小，速度比也明显高于传统电子枪。可见，本发明中发射带采用向内凹入或向外凸起的圆 弧后，能够将速度比提高到1.2到1.3这一有效范围；其次发射电流密度上，本发明的紧凑 型低磁压缩比磁控注入电子枪发射电流密度大于传统电子枪的电流密度，现有工艺可以实现 发射电流密度低于10A/mm²的电子枪，因此发射电流密度也符合要求。

图4为传统磁控注入电子枪与紧凑型低磁压缩比磁控注入电子枪阴极电场等势线对比 图。从图4中可以得知，传统电子枪电场在后成形极尖端处等势面变化剧烈，因此电场调节 幅度剧烈；而本发明电场等势线以曲线缓慢、连续变化，说明电场调节缓慢、均匀，因此本 发明的改进提高了电子枪阴极电场调节能力。

图5为传统电子枪与实施例紧凑型电子枪外加磁场后，电子枪轴向缓变上升磁场分布图， 传统电子枪阴极处于轴向磁场斜率较小的位置，磁压缩比较大，导致电子枪长度和磁场长度 较长；本发明的电子发射面处于轴向磁场缓变区域斜率较高的位置，磁压缩比较小，进而缩 小电子枪长度和磁场长度。

图6为实施例紧凑型低磁压缩比磁控注入电子枪中的电子枪产生的电子注轨迹图和枪口 电子分布图。因为电子枪枪口半径等于波导半径，从图6中可知，本发明紧凑型低磁压缩比 磁控注入电子枪中，电子注的外径与高频结构波导内壁的距离可达6.12mm，可以保证电子注 在高频结构中的高流通，达到稳定传输条件。

综上所述，紧凑型低磁压缩比磁控注入电子枪的速度零散低于传统电子枪的速度零散, 电子注质量得到提升，说明紧凑型低磁压缩比磁控注入电子枪的阴极结构可以在低磁压缩比 的情况下有效调节电场。

Claims (5)

1.一种紧凑型低磁压缩比磁控注入电子枪，包括作为阳极的电子枪体、位于电子枪体内部且与枪体同轴设置的阴极，其特征在于：

所述阴极包括后成型极、发射带和前成型极；后成型极、发射带和前成型极沿电子发射方向依次光滑连接成一个轴状整体，后成型极、发射段、和前成型极的半径由后成型极向前成型极方向依次减小，形成类圆锥结构；

所述后成型极和发射带之间形成有后成型极过渡段，发射带与前成型极之间形成有前成型极过渡段；

所述后成型极由圆柱部分和圆台部分组成，所述后成型极圆台的母线为第一圆弧形曲线；所述发射带呈圆台状，发射带圆台的母线为第二圆弧形曲线；所述前成型极呈圆柱状，前成型极圆柱的母线与前成型极过渡段的连接处为向内凹的光滑曲线。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型低磁压缩比磁控注入电子枪，其特征在于：所述第一圆弧形曲线为向外凸起的圆弧，所述第二圆弧形曲线为向内凹入或向外凸起的圆弧。

3.根据权利要求1所述的一种紧凑型低磁压缩比磁控注入电子枪，其特征在于：所述前成型极圆柱远离发射带的一端设有倒角，且倒角半径小于或等于前成型极圆柱半径。

4.根据权利要求1所述的一种紧凑型低磁压缩比磁控注入电子枪，其特征在于：所述第一圆弧曲线的半径数值范围为：5mm-30mm，第二圆弧曲线的半径数值大于20mm。

5.根据权利要求1所述的一种紧凑型低磁压缩比磁控注入电子枪，其特征在于：所述发射带的圆台母线与轴线夹角为25°～45°。

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