CN114944313B - 一种回旋行波管多注电子枪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回旋行波管多注电子枪，属于微波、毫米波电真空器件技术领域。该电子枪在单频段工作，工作模式为TE0n模；包括阳极、阴极；阴极包括n个阴极发射带、n+1个成型极、n个灯丝组件、阴极支撑件；n+1个成型极和n个阴极发射带沿电子发射方向交错设置，形成类圆台结构；每个阴极发射带配备独立的灯丝组件加热；成型极用于调整阴极发射带附近的电场以改变电子注的质量。本发明采用多个阴极发射带，增加发射面积，增强了发射电流，减小了单个注电流发射密度，充分利用有限的高频互作用空间，降低回旋电子注空间电荷效应，提高回旋电子注的质量；此外，还提高了回旋行波管的增益、效率和稳定度。

Description

一种回旋行波管多注电子枪

技术领域

本发明属于微波、毫米波电真空器件技术领域，具体涉及一种回旋行波管多电子注电子枪结构。

背景技术

回旋行波管是基于电子回旋脉塞机理的大功率放大器，因其在毫米波频段具有宽带、高功率、高效率、高增益的输出特性，在远程成像雷达、无线主干网通信等领域中有着广泛的应用前景。电子枪是回旋行波管的核心部件，其作用是为回旋行波管提供高频电子注-波互作用所需的回旋电子注。高质量的回旋电子注是回旋行波管进行高效、宽带注-波互作用的前提和基础。

近年来，随着回旋行波管研究的发展，其工作频带已由微波、毫米波段扩展到太赫兹波段。但是随着回旋行波管工作波段的不断提高，对于传统的TE11模、TE21模、TE01模等低阶模回旋行波管，其高频互作用系统的半径也不断减小。这样一方面会造成回旋行波管功率容量的不断减小，另一方面也会造成回旋电子注的引导中心半径的不断减小。在磁压缩比不变的情况下，较小的引导中心半径对应较小的阴极发射半径。在传统的低阶模单注电子枪中，较小发射半径意味着较小的发射面积。在阴极发射材料单位面积电子发射能力受限的情况下，回旋行波管的电子枪在高频段的发射电流也较小。而这与回旋行波管在高波段高功率、高效率、高增益工作所需的大电流相矛盾。

为了增大回旋行波管的高频互作用系统半径，提高回旋行波管的功率容量，学者们提出了采用更高阶模的回旋行波管方案，如TE02模、TE03模等高阶TE0n模系列回旋行波管方案。通过对这类TE0n高阶模回旋行波管的电子注-波耦合系数的研究，发现其电子注-波耦合系数值沿径向有n个峰值点，若将回旋行波管的引导中心半径设置在这些峰值点处，回旋行波管均能发生高效的注波互作用。

发明内容

为了充分利用回旋行波管有限的高频互作用空间，有效增加阴极发射总面积，进而增加发射总电流，减小单个注电流发射密度，降低回旋电子注空间电荷效应，提高回旋电子注的质量，本发明提出了一种回旋行波管多注电子枪。

本发明采取以下技术方案实现：

一种回旋行波管多注电子枪，该电子枪结构包括：阳极、以及同轴设置于阳极内部的阴极；

所述阳极为单阳极结构；

其特征在于，该电子枪在单频段工作，工作模式为TE0n模；

所述阴极，包括：n个阴极发射带、n+1个成型极、n个灯丝组件、阴极支撑件；

n+1个成型极和n个阴极发射带沿电子发射方向交错设置，形成类圆台结构；

所述阴极发射带用于发射电子注；

所述成型极用于调整相邻阴极发射带的电场，以改善电子注的质量；

所述灯丝组件，用于对阴极发射带加热，包括灯丝盒、设置于灯丝盒内部的灯丝以及氧化铝填充物；其中灯丝盒的上顶面与阴极发射带贴合设置，以便支撑阴极发射带并更好的传导热能；

所述阴极支撑件，包括底台和多个支撑柱，成型极以及灯丝组件通过支撑柱焊接在底台上固定。

进一步地，沿电子发射方向，阴极发射带的发射面积依次减小。

进一步地，所述阴极发射带的材料为金属钨。

进一步地，所述成型极呈圆台状；位于两阴极发射带之间的成型极，其母线由两条斜率不同的直线段组成，用于更方便地调节相邻阴极发射带的电场。

进一步地，所述前成型极、后成型极的折线处倒圆角渐变。实际操作过程中阴极往往会加上几十千伏的负高压，成型极的折线的连接部分可能会因为结构的突变而引起电场强度过强造成击穿打火，因此需要对折线连接的地方做倒角渐变。

进一步地，连接支撑底部成型极的支撑柱为圆筒形，其与成型极的外侧面光滑连接过渡。

进一步地，阴极发射带与相邻成型极之间设置有间隙，用于提高电子枪的热传导效率；同时电子枪在加热时各部分会产生不同程度的热膨胀，合适的间隙可保证电子枪各需要分离的零部件不会再接触。

本发明阴极具有多个阴极发射带，每个阴极发射带的面积与其期望的发射电流值成正比。此外，每个阴极发射带配备独立的灯丝组件，通过控制各个加热灯丝可以进一步调节相应的阴极发射带的发射电流；为了避免灯丝在加热过程中与阴极的其他结构接触形成短路、打火造成事故，将灯丝放置在灯丝盒中，用氧化铝材料进行填充；氧化铝既能够固定灯丝的位置、防止灯丝和阴极接触，又能够很好的将热量传递给发射带。阴极发射带经过加热与阴阳极之间电场的共同作用，在表面形成具有一定初速度的层流性的电子注；成型极用于调整阴极发射带附近的电场以改变电子注的质量；在阴极的最底部是整个阴极区的支撑底台，各成型极以及灯丝组件都由支撑柱焊接在支撑台上固定。

本发明的优点：

1)通过采用多个阴极发射带的方案来增加发射面积，进而增强了发射电流，减小了单个注电流发射密度。充分利用有限的高频互作用空间，降低回旋电子注空间电荷效应，提高回旋电子注的质量。

2)本发明的新型电子枪结构，其不同引导中心半径处的电子注横纵速度比不同，且沿径向由外到内依次减小，其目的是提高回旋行波管的效率和稳定度。

3)本发明的新型电子枪结构，其不同发射带的发射面积不同，且沿径向由外到内依次减小，其目的是控制不同发射带处的发射电流，进而控制不同引导中心半径处回旋行波管的增益，提高回旋行波管的增益、效率和稳定度。

4)本发明的各阴极发射带都由成型极隔开，并设置了独立的加热灯丝进行加热，通过控制各个加热灯丝可以进一步调节相应的发射带的发射电流。

附图说明

图1为回旋行波管双电子注电子枪三维结构图。

图2为回旋行波管双电子注电子枪三维透视图。

图3为回旋行波管双电子注电子枪阴极正视图。

图4为回旋行波管双电子注电子枪阴极俯视图。

图5为回旋行波管双电子注电子枪阴极剖面图。

图6为回旋行波管双电子注电子枪内环发射带结构示意图。

图7为回旋行波管双电子注电子枪外环发射带结构示意图。

图8为内环发射带电子注横纵速度比。

图9为内环发射带电子注速度零散。

图10为外环发射带电子注横纵速度比。

图11为外环发射带电子注速度零散。

附图标号说明：1：阳极，2：阴极，11：内环发射带，12：外环发射带，13：前成型极，14：中成型极，15：后成型极，16：内环灯丝盒，17：外环灯丝盒，18：内环氧化铝填充物，19：外环氧化铝填充物，20：矩形通孔，21：支撑柱，22：底台，23：灯丝。

具体实施方式

下面结合一个具体实例以及附图对本发明的技术方案作进一步的详细阐述：

本实施例提供了一种回旋行波管双电子注电子枪，其技术指标要求：工作电压60kv；内环注电流3A、外环注电流10A；工作磁场3.4T；内环横纵速度比1.1、外环横纵速度比1.2；内环引导中心半径1mm、外环引导中心半径2.85mm。

如图1—图5所示，本实施例的回旋行波管双电子注电子枪，包括阳极、以及同轴设置于阳极内部的阴极。阳极采用了单阳极结构；阴极采用了双发射带结构，包括：阴极支撑件、内环阴极发射带、外环阴极发射带、内环灯丝组件、外环灯丝组件、前成型极、中成型极、后成型极。

所述后成型极、外环阴极发射带、中成型极、内环阴极发射带、前成型极沿电子发射方向依次连接，形成类圆台结构。

所述外环灯丝组件、内环灯丝组件，包括灯丝盒、设置于灯丝盒内部的灯丝以及氧化铝填充物；其中灯丝盒的上顶面与阴极发射带贴合设置，以便支撑阴极发射带并更好的传导热能。

阴极发射带经过灯丝组件加热达到发射温度溢出电子，在阴极和阳极之间电场的作用下，形成具有一定初速度的层流性的电子注。

所述前成型极、中成型极、后成型极呈圆台状，其中前成型极、后成型极的折线处倒圆角渐变；中成型极的母线由两条斜率不同的直线段组成，用于更方便地调节相邻阴极发射带的电场。

所述阴极支撑件，包括底台、位于中心的柱状支撑柱和4个圆筒形支撑柱，成型极以及灯丝组件都由支撑柱焊接在底台上固定。其中，连接支撑灯丝组件的支撑柱设置有交错排布的矩形通孔。

阴极发射带的材料为金属W，其它部件的材料为金属Mu。

如图3、图4、图6、图7所示，本实施例中，内环发射带长度Ls1＝1.4mm，平均半径rc1＝3.4mm，倾角θ1＝48°；内环的前成型极角度为θf1＝48°，内环的后成型极(中成型极靠近内环发射带部分)角度为θb1＝42°。外环发射带长度Ls2＝1.3mm，平均半径rc2＝12.34mm，倾角θ2＝44°；外环的前成型极(中成型极靠近内环发射带部分)角度为θf2＝53°，后成型极角度为θb2＝51°。前成型极上顶面与外侧面的连接处以及后成型极外侧面的折线处倒圆角处理，圆角半径分别为1.5mm、2mm。在实际加工过程中，为了保证通过灯丝加热后的热量尽量集中在发射带上，提高热效率的利用，电子枪的发射带需要和周围的成型极有一定的缝隙，以阻止热量通过接触的方式，热传导向成型极传导，同时电子枪在加热时各部分会产生不同程度的热膨胀，合适的间隙可保证电子枪各需要分离的零部件不会再接触，本实施例中的缝隙宽为0.3mm。

本实施例中，内环发射带的目标电子注电流为3A，外环发射带的目标电子注电流为10A。内环灯丝通热2W，外环灯丝通热7W，可以得到电子枪阴极的温度范围是837～1075度，内环发射带的平均温度为1048度，外环发射带的平均温度为1055度，两个发射带都满足发射温度条件，且前后成型极的温度都在900度以下，中成型极与后成型极温度更是在850度以下。最后使内外环都达到发射温度时，整个阴极的发射功率为36W。

在双电子注的电子枪中，由于内外环电子注的耦合增益不同，内外环的电子注电流要求也不同。内外环电子注使用相同发射材料的情况下，若内外环的平均温度相同，就可以近似看为内外环发射的电子注电流比例等于两个发射带的面积比例。经计算外环和内环发射带的面积比值为3.33，可以得到当内外环发射带表面温度相同时，外环电子注电流是内环的3.37倍。而内环的目标电子注电流为3A、外环为10A，外环是内环的3.33倍，和设计目标相符，只需让内环和外环达到适当的相同的发射温度即可。本实施例中优化后的内环发射带表面平均温度为1048℃，外环的平均发射带表面平均温度为1055℃，温度基本相同，即满足目标电子注电流比例。

图8、图9分别给出了内环发射带电子注横纵速度比和横向速度零散；图10、图11分别给出了外环发射带电子注横纵速度比和横向速度零散。该双电子注电子枪工发射电压为60kV，内环发射电流为3A，外环发射电流为10A，经过仿真优化后，在给定工作磁场下，内、外环速度比分别为1.1和1.2，内环横向速度零散在1％以内，外环横向速度零散在2.5％以内，说明本实施例的电子枪能够发射具有质量较高的双电子注。

Claims (5)

1.一种回旋行波管多注电子枪，该电子枪结构包括：阳极、以及同轴设置于阳极内部的阴极；

所述阳极为单阳极结构；

其特征在于，该电子枪在单频段工作，工作模式为TE0n模；

所述阴极，包括：n个阴极发射带、n+1个成型极、n个灯丝组件、阴极支撑件；

n+1个成型极和n个阴极发射带沿电子发射方向交错设置，形成类圆台结构；

所述阴极发射带用于发射电子注；沿电子发射方向，阴极发射带的发射面积依次减小；

所述成型极呈圆台状，位于两阴极发射带之间的成型极，其母线由两条斜率不同的直线段组成；所述成型极用于调整相邻阴极发射带的电场，以改善电子注的质量；

所述灯丝组件，用于对阴极发射带加热，包括灯丝盒、设置于灯丝盒内部的灯丝以及氧化铝填充物；其中灯丝盒的上顶面与阴极发射带贴合设置，以便支撑阴极发射带并更好的传导热能；

所述阴极支撑件，包括底台和多个支撑柱，成型极以及灯丝组件通过支撑柱焊接在底台上固定。

2.如权利要求1所述的一种回旋行波管多注电子枪，其特征在于，位于类圆台结构最顶端和最底端的成型极的折线处倒圆角渐变。

3.如权利要求2所述的一种回旋行波管多注电子枪，其特征在于，连接支撑底部成型极的支撑柱为圆筒形，其与成型极的外侧面光滑连接过渡。

4.如权利要求1所述的一种回旋行波管多注电子枪，其特征在于，阴极发射带与相邻成型极之间设置有间隙。

5.如权利要求4所述的一种回旋行波管多注电子枪，其特征在于，所述阴极发射带的材料为金属钨。