CN114023617A

CN114023617A - 一种基于冷阴极的环形多电子注辐射源

Info

Publication number: CN114023617A
Application number: CN202111288825.4A
Authority: CN
Inventors: 袁学松; 薛钦文; 石婷; 鄢扬; 李海龙; 王彬; 殷勇; 蒙林
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2021-11-02
Filing date: 2021-11-02
Publication date: 2022-02-08
Anticipated expiration: 2041-11-02
Also published as: CN114023617B

Abstract

本发明属于微波、毫米波、太赫兹波段电真空领域，提供一种基于冷阴极的多环形电子注辐射源。本发明包括高频注波互作用单元、其一端密封固定的阴极基底及其另一端密封固定的阳极基底以及输出系统装置；其中，高频注波互作用单元设计为由呈嵌套式分布的Q个圆筒形金属隔板将注波互作用空间分隔为Q+1个电子注通道；阴极基底表面嵌套式的冷阴极圆环发射体同时发射电子到相对应的嵌套式环形套筒高频注波互作用单元，保证了多环形电子注的产生与稳定传输。本发明的注波互作用单元既能够工作于高阶模，又能够抑制竞争模式的产生，进而增大注波互作用空间，使得辐射源输出功率和效率大幅度提高；并且大大提高了电真空器件的集成化程度。

Description

一种基于冷阴极的环形多电子注辐射源

技术领域

本发明属于微波、毫米波、太赫兹波段电真空领域，涉及真空电子辐射源，具体提供一种工作于高阶模下的基于冷阴极的环形多电子注辐射源。

背景技术

微波、毫米波辐射源随着科学技术的进步，发展的非常成熟稳定的器件是真空电子器件，作为雷达、电子对抗等电子设备不可或缺的核心器件，被广受关注。真空电子辐射源有着高功率、工作于高频率的优点，使其在雷达、通信、粒子加速等方面有着广泛的应用；将传统的微波管向毫米波、太赫兹波段拓展，是现代学者努力的方向，也取得了一定的成果。但在继续前进研究的路上，会遇到一些原则性的限制：微波管在向高频段发展，甚至太赫兹波段，由于频率越高，波长越小，导致器件的尺寸也必须越来越小，一方面会带来制造和装配上的困难，另一方面，也会使得电子注与高频场产生的互作用的空间和时间会越来越小，使得电子注的速度调制和密度调制不充分，器件输出功率会大大受到限制。

传统的电真空器件中，因为热阴极的普遍使用，极大的促进了真空电子器件的发展；但热阴极作为电子发射源存在有一些显著缺点：需要加热到较高温度，结构复杂，加工成本高，过高的加热温度会导致热子灯丝断裂，器件受损，启动时间长等。为了克服这些问题引入了场致发射冷阴极作为发射源，冷阴极与热阴极有所不同，其工作原理简述为：发射体内的电子不需要加热以获取能量，而是靠外加强电场来降低发射端面势垒高度，通过隧道效应从电子发射端面逸处出形成场致发射；由于它启动快且无需高温加热，因而场致发射有望用于新一代微波电真空器件的电子发射源。

固态辐射源器件迅速发展并在许多领域中向真空器件发起了挑战，它们体型小、工作电压低、可在室温下操作以及易集成等特点，使其非常具有优势；然而固态器件也有一些限制，比如较差的抗干扰性能，对输入辐射的有害响应，以及在毫米波和太赫兹频段较低的输出功率等。

微型电真空冷阴极辐射源器件有望解决上述存在的问题，相比热阴极电真空器件它具有体积小、可集成等特点，相比固态辐射源器件它具有抗干扰、耐辐射能力强，同时，输出功率大等特点。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题提出了一种基于冷阴极的环形多电子注辐射源，能够有效的解决集成化、抗干扰等问题；本发明通过嵌套式的环形电子注适配多层圆形套筒嵌套式阳极进行相互作用，使得高频注波互作用单元工作在高阶对称模，在毫米波、太赫兹波段实现大功率的输出和工作效率的提高；本发明能够得到非常优质的场发射预调制电子注，并且使得注波互作用效率得到明显的改善。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于冷阴极的环形多电子注辐射源，包括：阴极基底1、冷阴极发射体2、支撑套筒3、高频注波互作用单元4、阳极基底5、输出系统6以及散热装置7；其特征在于，

所述支撑套筒3由绝缘支撑套筒3-1与金属支撑套筒3-2构成，绝缘支撑套筒3-1与金属支撑套筒3-2均呈圆环状，绝缘环支撑套筒3-1固定于阴极基底1上表面，金属支撑套筒3-2固定于阳极基底5下表面，金属支撑套筒3-2通过其延伸板嵌套于绝缘支撑套筒3-1内，使得阴极基底1、支撑套筒3与阳极基底5围合形成密封的注波互作用空间；

所述高频注波互作用单元4设置于注波互作用空间中、由Q个圆筒形金属隔板构成，每个圆筒形金属隔板分别位于注波互作用空间的高阶模电场极值处、并且通过圆环状凹槽5-1嵌套在阳极基底5下表面，将注波互作用空间分隔为Q+1个电子注通道；每个圆筒形金属隔板均沿侧壁以线性阵列的方式开设有M(行)×N(列)个耦合孔4-1，每个圆筒形金属隔板上耦合孔的分布相同，每个耦合孔均呈圆弧状、且度数相同；

所述冷阴极发射体2设置于阴极基底1上表面、由Q+1个圆环状发射体单元构成，所述圆环状发射体单元与电子注通道一一对应、且正对电子注通道的中间；

所述阳极基底5上表面设置输出系统6及散热装置7，所述输出系统正对位于阳极基底5中心的输出口5-2。

进一步的，所述Q个圆筒形金属隔板的高度相同，且圆筒形金属隔板与阴极基底1之间的间距大于金属支撑套筒的延伸板与阴极基底1之间的间距。

进一步的，所述输出系统6由依次连接的圆柱输出波导6-1、矩形输出波导6-2与输出窗6-3构成，所述散热装置由若干个沿输出圆波导周向方向排布的散热翼片构成。

从工作原理上讲：

本发明提供一种基于冷阴极的环形多电子注辐射源，首先基于阴极基底、阳极基底与圆环状金属套筒形成圆波导状注波互作用空间；在此基础上，将高频注波互作用单元设计为由Q个圆筒形金属隔板呈径向排布构成、且每个圆筒形金属隔板分别位于注波互作用空间的高阶模电场极值处(通过圆波导状注波互作用空间进行仿真先验已知)，即将注波互作用空间分隔为Q+1个环形电子注通道；同时，匹配阴极底座上设置的Q+1个圆环状发射体单元构成的冷阴极发射体，阴极上的Q+1个圆环状冷阴极发射面经预调制同时发射电子注、输入到相对应的电子注通道；由于高频注波互作用单元的周期慢波特性，使得电子产生密度调制和速度调制，随着注波互作用的加强，调制深度进一步加强，因此，电子注交给高频场的能量也逐渐提高，在高频注波互作用单元上的耦合孔之间实现能量的交换，多次交换能量之后的高频振荡场在输出端口耦合输出，有效提高器件的输出功率；由此可见，基于上述设计，本发明的高频注波互作用单元既能够工作于高阶模，又能够抑制竞争模式的产生，进而增大注波互作用空间，使得辐射源输出功率和效率大幅度提高。

综上所述，本发明有益效果在于：

本发明提供提供一种工作于高阶模下的基于冷阴极的多电子注辐射源，利用多电子注以增加导流系数、降低工作电压和聚焦磁场；冷阴极嵌套式环形多电子注配以圆形套筒嵌套的阳极，大大提高了电真空器件的集成化程度；高频注波互作用单元采用多个圆筒形金属隔板成嵌套式分布设计，能够有效抑制竞争模式的产生，使得其工作在高阶模下，极大地增加了注波互作用空间，有效提高器件输出功率以及工作效率，有效的消除了电位屏蔽问题。

附图说明

图1为本发明提供的基于冷阴极的环形多电子注辐射源结构示意图；

图2为图1中环形多电子注辐射源中任一圆筒形金属隔板装配在阳极基底的过程示意图；

图3为本发明提供的基于冷阴极的环形多电子注辐射源工作在TM₀₃模的电场分布图；

其中，1为阴极基底，2为阴极发射体，3为支撑套筒，3-1为绝缘支撑套筒，3-2为金属支撑套筒，4为高频注波互作用单元，4-1为耦合孔，4-2为第一圆筒形金属隔板，4-3为第二圆筒形金属隔板，4-4为第三圆筒形金属隔板，5为阳极基底，5-1为卡槽，5-2为输出口，6为输出系统，6-1为圆柱输出波导，6-2为矩形输出波导，6-3为输出窗，7为散热翼片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进步的详细说明。

本实施例提供了一种基于冷阴极的环形多电子注辐射源，其结构如图1所示；具体包括：阴极基底1、冷阴极发射体2、支撑套筒3、高频注波互作用单元4、阳极基底5、输出系统6以及散热装置7；其中，

所述支撑套筒3由绝缘支撑套筒3-1与金属支撑套筒3-2构成，绝缘支撑套筒3-1与金属支撑套筒3-2均呈圆环状，绝缘环支撑套筒3-1焊接固定于阴极基底1上表面，金属支撑套筒3-2焊接固定于阳极基底5下表面，金属支撑套筒3-2通过其延伸板(用以防止微波泄露)密封嵌套于绝缘环支撑套筒3-1内，使得阴极基底1、支撑套筒3与阳极基底5围合形成密封的注波互作用空间；

所述高频互作用单元4设置于注波互作用空间中、由Q个高度相同的圆筒形金属隔板同心设置构成，每个圆筒形金属隔板分别位于注波互作用空间的高阶模电场极值处(如图3所示)、并且通过预先开设于阳极基底5下表面的相匹配的圆环状凹槽5-1密封嵌套在阳极基底5下表面，即将注波互作用空间分隔为Q+1个电子注通道；每个圆筒形金属隔板均沿侧壁以线性阵列的方式开设有M(行)×N(列)个耦合孔4-1，每个圆筒形金属隔板上耦合孔的分布相同(即由内向外或由外向内看，耦合孔的开口方向是一一对应重叠的)，每个耦合孔均呈圆弧状、且度数相同；其中，N、M均为>2的正整数，使其具有N个周期，M和N数值可根据实际耦合强度、模式、互作用效率所设定，如图2所示；

所述冷阴极发射体2贴敷于阴极基底1上表面、由Q+1个圆环状发射体单元构成，所述圆环状发射体单元与电子注通道一一对应、且均正对电子注通道的中间；

所述阳极基底5的中心开有圆形输出口5-2，并于阳极基底上表面正对圆形输出口设置输出系统6及散热翼片7；所述输出系统6包括依次连接的圆柱输出波导6-1、矩形输出波导6-2与输出窗6-3。

本实施例中：

所述阴极基底1为金属圆盘，底部直径为5.85mm、高度为0.15mm、材料为无磁不锈钢；为了能够装配所述支撑套筒，在圆盘的上部切除了内直径5.3mm、外直径5.85mm、高度0.05mm的圆环状金属盘；

所述阳极基底5为金属圆盘，材料为无磁不锈钢，顶部直径为5.35mm、高度为0.325mm为了能够嵌套装配金属支撑套筒，在外围同样切开一个环状盘片，用其与金属套筒焊接，其内直径为4.7mm、外直径为5.35mm、高度为0.158mm；阳极基底的中心处开有输出口5，其直径为0.4mm；

所述绝缘支撑套筒3-1呈圆环状，厚度为0.275mm、材料为99^#陶瓷，其下部与阴极基底密封焊接、上部与金属支撑环板3密封对接；金属支撑套筒3-2一端与阳极基底密封焊接、一端与绝缘支撑套筒密封焊接，为了防止微波泄露，在绝缘支撑套筒内部又设置了金属支撑套筒的一个延伸板；金属支撑套筒的厚度为0.318mm、高度为1.38mm，延伸板的厚度为0.283mm、高度为2.34mm，金属支撑环板材料为金属铜；两个金属套筒将整个注波互作用结构所包裹；

所述高频注波互作用单元由耦合孔4-1、第一圆筒形金属隔板4-2、第二圆筒形金属隔板4-3、第三圆筒形金属隔板4-4所构成，即Q＝3；所述耦合孔数量为M＝3、N＝5；三个圆筒形金属隔板高度相同为2.22mm，厚度根据电场为极值处的具体情况来设定，每个圆筒形金属隔板的耦合孔大小相同，由内侧环到外侧环的径向开口方向是一致的，圆筒形金属隔板设置注波互作用空间的高阶模电场极值；具体的，第一圆筒形金属隔板4-2的内直径为0.95mm、外直径为1.3mm，第二圆筒形金属隔板4-3的内直径为2.2mm、外直径为2.6mm，第三圆筒形金属隔板4-3的内直径为3.575mm、外直径为3.95mm；耦合孔开口大小是相同的，轴向上等间距，环向呈60度开口；如图2所示展示了金属薄片沿中心卷成圆筒形金属隔板，然后嵌在阳极基底5的卡槽5-1内，5-1的卡槽宽度即对应圆筒形金属隔板的厚度；所述高频注波互作用单元既使得工作于高阶模，又能够抑制竞争模式的产生，且其对内部场分布也不做影响；另外，高频注波互作用单元的耦合孔位置、大小、形状、数目不仅限于上述所给参数，根据实际耦合强度、模式、互作用效率等所确定；

所述冷阴极发射体1-1，呈圆环状，贴敷在阴极基底的上表面，设沿径向环数为4，每一环径向宽度均相同为0.21mm、高度为0.05mm，圆环发射体设置在所述高频注波互作用单元的对应两个圆筒形金属隔板之间，圆筒形金属隔板设置在高阶模电场为极值的位置，四个阴极发射体单元的内直径分别设置为0.3mm、1.7mm、3.07mm、4.32mm，阴极发射体的材料为碳纳米管或者石墨烯；

所述输出系统6由圆柱输出波导6-1、矩形输出波导6-2以及输出窗6-3构成，圆柱输出波导的内直径为1.05mm、外直径为1.28mm、高度为2mm，矩形输出波导的截面长和宽分别为0.51mm和0.3mm、管壁厚度为0.11mm，输出窗的材料为氧化铝陶瓷或者其他介质、不影响电磁波传播的同时还保证了器件内部的真空；

冷阴极发射面发射电子之后在圆筒形金属隔板间隔的电子通道内通过，并在耦合孔之间发生耦合，从而最终通过耦合孔输出到输出系统；

另外，阳极基底以及输出系统的温度过高会严重的影响管子的稳定性、可靠性和寿命，为了更好地确保器件能稳定可靠地工作，就必须要想办法去降低其温度。通常微波管的冷却方式有水冷、油冷、风冷。水冷是一种较为简单的冷却方式，操作简单，可直接将冷却水路钎焊在腔体外面，不影响永磁体的安装问题，同时达到较好的降温效果。通过装备水冷系统，可确保整管处于良好工作温度状态，保证系统的正常工作。所述散热装置是由若干翼片沿输出圆波导周向方向排布的；每个翼片的宽度和厚度都一样，翼片的高度为1.13mm，实际中考虑对流系数、热流密度进行参数设定。本发明中设置的翼片有利于水在输出系统中的流通；

利用微波电真空器件工艺将注波互作用系统各个部件焊接成为一个整体，并进行真空排气，使得整个器件内部形成绝对的真空环境；在工作时，阴极基底接负电压，阳极基底接地。

相比于热阴极长达几分钟的启动时间，本发明冷阴极辐射源能够实现电子的快速发射；场致发射电子注经过预调制，在高频注波互作用单元发生耦合，产生电磁能量，通过阳极基底圆孔，被输出系统收集，并辐射出去；高频注波互作用单元内采用金属环形隔板的作用，抑制了竞争模式的产生，同时使得其工作在高阶模下，这样增大了注波互作用空间，使得输出功率和效率大幅度提高。

本实施例提供的基于冷阴极的环形多电子注辐射源工作过程如下：

阴极基底1接负电压，阳极基底5接地，之间形成的电势差作用于阴极小圆柱发射体1-1表面，阴极发射体在强电场的作用下发射出电子，发射出的多束电子注通过两个阳极板之间的电子注通道2-1并进入高频注波互作用单元内，由于高频注波互作用单元的边界条件不连续性，激励起了对称的环形高阶模，高频场又反过来作用于电子注，使电子注在各个互作用间隙内与高频场发生相互作用，既有速度调制又有密度调制，电子注与特定模式的高频场发生注波互作用，同时由于高频场能量可以通过耦合缝的作用在各个耦合孔4-1内相互耦合，增强了前部分间隙的电场对电子注的调制，使得电子注能够在较短的距离内获得良好的调制，电子注持续与高频场发生能量交换，辐射出的能量通过输出口5-2进入输出输出系统6，然后在输出窗6-3输出，散热装置7保证了整个发明器件工作的稳定性。

本发明中，沿轴向外圆周设置0.85T的纵向引导磁场，电子注从发射面发出，在静电场和静磁场的相互作用下，在电子通道内运动；纵向磁场改变电子注运动轨迹有效地解决了冷阴极辐射源导致的电子截获、通过率低、发射电流不均匀、打火等一系列问题。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims

1.一种基于冷阴极的环形多电子注辐射源，包括：阴极基底(1)、冷阴极发射体(2)、支撑套筒(3)、高频注波互作用单元(4)、阳极基底(5)、输出系统(6)以及散热装置(7)；其特征在于，

所述冷阴极发射体(2)沿径向嵌套式地贴敷在阴极基底(1)上表面上，由Q+1个圆环状发射体单元构成，所述圆环状发射体单元与电子注通道一一对应、且正对电子注通道的中间；

所述支撑套筒(3)由绝缘支撑套筒(3-1)与金属支撑套筒(3-2)构成，绝缘支撑套筒与金属支撑套筒均呈圆环状，绝缘环支撑套筒(3-1)固定于阴极基底(1)上表面，金属支撑套筒(3-2)固定于阳极基底(5)下表面，金属支撑套筒(3-2)通过其延伸板嵌套于绝缘支撑套筒(3-1)内，使得阴极基底、支撑套筒与阳极基底围合形成密封的注波互作用空间；

所述高频注波互作用单元(4)设置于注波互作用空间中、由Q个圆筒形金属隔板(4-2、4-3、4-4)构成，每个圆筒形金属隔板分别位于注波互作用空间的高阶模电场极值处、并且通过圆环状凹槽(5-1)嵌套在阳极基底(5)下表面，将注波互作用空间分隔为Q+1个电子注通道；每个圆筒形金属隔板均沿侧壁以线性阵列的方式开设有M(行)×N(列)个耦合孔4-1，每个圆筒形金属隔板上耦合孔的分布相同，每个耦合孔均呈圆弧状、且度数相同；

所述阳极基底(5)上表面设置输出系统(6)及散热装置(7)，所述输出系统正对位于阳极基底中心的输出口(5-2)。

2.按权利要求1所述基于冷阴极的环形多电子注辐射源，其特征在于，所述Q个圆筒形金属隔板的高度相同，且圆筒形金属隔板与阴极基底之间的间距大于金属支撑套筒的延伸板与阴极基底之间的间距。

3.按权利要求1所述基于冷阴极的环形多电子注辐射源，其特征在于，所述输出系统6由依次连接的圆柱输出波导(6-1)、矩形输出波导(6-2)与输出窗(6-3)构成，所述散热装置由若干个沿输出圆波导周向方向排布的散热翼片构成。