CN115148564A - 无箔二极管中抑制电子发射的阴极结构及高功率微波系统 - Google Patents

无箔二极管中抑制电子发射的阴极结构及高功率微波系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无箔二极管中抑制电子发射的阴极结构及高功率微波系统，以解决目前阴极底座在回流电子束轰击下，会发射电子轰击到阳极组件，导致阻抗崩溃的技术问题。该阴极结构包括阴极底座和阴极引杆；阴极底座的外侧面由母线绕中轴线周向旋转一圈形成；母线包括依次连接的第一圆弧段、第一直线段、第二直线段、第三直线段、第四直线段、第二圆弧段、第三圆弧段、第五直线段及第六直线段；第一直线段、第二直线段、第三直线段及第四直线段周向旋转形成的平面组成电子束收集环腔；第一圆弧段和第二圆弧段的半径分别为R1和R2，0.5R3≤R2≤0.7R3，R1＝R02‑R01。该高功率微波系统包括抑制电子发射的阴极结构。

Description

无箔二极管中抑制电子发射的阴极结构及高功率微波系统
技术领域
本发明涉及高功率微波系统的阴极底座结构，具体涉及一种无箔二极管中抑制电子发射的阴极结构及高功率微波系统。
背景技术
无箔二极管为高功率微波器件提供脉冲电压和强流相对论电子束，是高功率微波源的重要组成部分。无箔二极管的爆炸发射阴极为环形刀刃状，通常浸没在外加磁场的均匀区中，即引导磁场控制电子束的传输和扩张；由于外加磁场和二极管同轴区间的径向电场的作用，阴极和阴极引杆发射电子存在不可避免的回流电子束。向飞，谭杰，罗敏等人阐述了回流电子束的存在可能轰击绝缘结构，造成绝缘子表面闪络；回流严重时还会导致通道闭合，引发阻抗崩溃，造成二极管无法正常工作(参见文章“电子回流对高功率无箔二极管效率的影响[C].第五届全国脉冲功率会议，CPPC-2017-A25”)。因此，抑制无箔二极管中电子束回流尤为重要。
为了抑制回流电子束的产生，Yalandin M I等人通过在阴极附近增强局部磁场，抑制阴极和阴极引杆侧发射(参见文章“Suppression of shunting current in aMagnetically Insulated Coaxial Vacuum Diode[J].Applied Physics Letters,2015,106(23):3945.”)。林惠祖通过引入径向绝缘结构的屏蔽环，阻挡回流电子束，提高绝缘子的耐压能力(参见文章“真空高压二极管中电子回流的研究[J].电工材料,2007,1”)。张广帅等人通过设计斜面阴极阻挡回流电子束，有效减少回流的产生(参见文章“Suppressionof backward current in a low-magnetic-field foilless diode[J].Physics ofPlasmas,2021,28(3):033106.”)。
目前，低磁场下高功率微波产生实验中回流电子束无法避免，普遍通过金属结构(阴极底座)阻挡回流，肖仁珍等人设计了如图1所示的无箔二极管的结构示意图，主要包括二极管腔壁01、锥形法兰02、磁体03、管头04、环形石墨阴极05、阴极引杆06、阴极底座07以及外导体08，其中二极管腔壁01、锥形法兰02和磁体03是阳极组件，环形石墨阴极05、阴极引杆06和阴极底座07为阴极组件(参见文章“Efficient Generation of Multi-GigawattPower by An X-band Dual-Mode Relativistic Backward Wave OscillatorOperating at Low Magnetic Field[J].Phys.Plasmas27,2020,043102.)。在高压脉冲的作用下，环形石墨阴极05和阴极引杆06的侧壁发射产生的电子形成回流电子束；阴极底座07阻挡回流电子束，避免二极管腔壁01和锥形法兰02受轰击引发阻抗崩溃，但阴极底座07在阻挡回流电子束的同时，自身会因轰击发射电子，也会造成锥形法兰02受轰击，引发阻抗崩溃，导致二极管无法工作，带来高功率微波器件效率低下的问题。
发明内容
本发明目的在于解决现有技术中阴极底座在回流电子束轰击下，会发射电子轰击到阳极组件，导致二极管阻抗崩溃无法正常工作的技术问题，提出一种无箔二极管中抑制电子发射的阴极结构及高功率微波系统。
本发明的技术方案为：
一种无箔二极管中抑制电子发射的阴极结构，其特殊之处在于：包括阴极底座和同轴设置在阴极底座上的阴极引杆；
定义：阴极引杆的中心轴为中轴线；
所述无箔二极管阴极底座的外侧面由母线绕中轴线周向旋转一圈形成；
所述母线包括依次连接的第一圆弧段、第一直线段、第二直线段、第三直线段、第四直线段、第二圆弧段、第三圆弧段、第五直线段及第六直线段；
所述第一圆弧段的一端与阴极引杆的底端边缘线相接，并向远离中轴线且远离阴极引杆的方向延伸；所述第一直线段沿轴向且远离阴极引杆的方向延伸；所述第二直线段沿径向且远离中轴线的方向延伸；所述第三直线段沿轴向且靠近阴极引杆的方向延伸；所述第四直线段沿径向且靠近中轴线的方向延伸；所述第二圆弧段向远离中轴线且靠近阴极引杆的方向延伸；所述第三圆弧段向远离中轴线且远离阴极引杆的方向延伸；第五直线段沿轴向且远离阴极引杆的方向延伸；第六直线段沿径向且靠近中轴线的方向延伸，第六直线段的末端与中轴线相交；
所述第一直线段、第二直线段、第三直线段及第四直线段周向旋转形成的平面组成电子束收集环腔，所述电子束收集环腔具有朝向阴极引杆的电子束入口，用于收集回流电子束；所述第二直线段周向旋转形成的平面为电子束收集面；
所述第一圆弧段的半径为R1，第二圆弧段的半径为R2，R1和R2满足：0.5R3≤R2≤0.7R3，R1＝R02-R01，其中，R01为阴极引杆的半径，R02为第一直线段到中轴线的距离，R3为第三圆弧段的半径。
进一步地，所述第二直线段的长度的L2，第三直线段的长度为L3，L2和L3的长度满足：R2＜L3≤3R3，L2＝L6-R3-R02，其中，L6为第六直线段的长度。
进一步地，所述第一直线段到中轴线的距离R02满足：R01＜R02≤2R01；
其中阴极引杆的半径R01大小满足使阴极引杆表面的径向电场低于300kV/cm。
进一步地，所述第六直线段的长度L6和第三圆弧段的半径R3的大小满足使无箔二极管阴极底座的表面电场低于200kV/cm。
进一步地，所述第三圆弧段的半径R3满足30mm≤R3≤40mm。
同时，本发明还提供一种高功率微波系统，其特殊之处在于：包括上述的无箔二极管中抑制电子发射的阴极结构。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的抑制电子发射的阴极结构，在阴极底座设置内凹式的电子束收集环腔，受电子束收集环腔中回流电子束形成的空间电荷场的影响，使电子束收集面附近形成正轴向电场，抑制电子束收集面遭受回流电子轰击发射的电子，能够避免阴极底座电子发射造成的束流损失，改善阳极组件被轰击引发的阻抗崩溃，提高高功率微波源的效率。
2、本发明中第一圆弧段和第二圆弧段周向旋转形成的弧形曲面及弧形曲面半径设定，使回流电子束全部通过电子束入口进入电子束收集环腔，避免回流电子束轰击在阴极底座的第一圆弧段和第二圆弧段周向旋转形成的弧形曲面上，导致弧形曲面发射电子。
3、第三圆弧段周向旋转形成的弧形曲面靠近阳极组件，通过对该弧形曲面的半径进行设定，控制第三圆弧段周向旋转形成的弧形曲面表面场强，避免场致发射。
附图说明
图1为现有无箔二极管的结构示意图；
图2为现有无箔二极管中回流电子束空间分布示意图；图3为本发明无箔二极管中抑制电子发射的阴极结构实施例剖面示意图(示出部分阳极组件)；
图4为本发明无箔二极管中抑制电子发射的阴极结构实施例剖面示意图；
图5为本发明实施例中回流电子束空间分布示意图；
图6为采用本发明阴极结构的二极管电压变化曲线与采用现有阴极结构的二极管电压变化曲线对比示意图；
图7为本发明阴极底座电子发射电流变化曲线与现有阴极底座电子发射电流变化曲线对比示意图；
图8为本发明阴极底座和现有阴极底座回流电子束收集面的场强对比示意图。
附图标记如下：
01-二极管腔壁，02-锥形法兰，03-磁体，04-管头，05-环形石墨阴极，06-阴极引杆，07-阴极底座，08-外导体；
1-阴极底座，101-第一圆弧段，102-第一直线段，103-第二直线段，104-第三直线段，105-第四直线段，106-第二圆弧段，107-第三圆弧段，108-第五直线段，109-第六直线段，2-阴极引杆，3-回流电子束。
具体实施方式
本实施例中，如图3所示，定义：以阴极底座和阴极引杆2相接面为基准，沿轴向向阴极引杆2方向延伸为正轴向，沿轴向向阴极底座1方向延伸为负轴向；阴极引杆2的中心轴为中轴线。
参见图3和图4，本实施例提供一种无箔二极管中抑制电子发射的阴极结构，该阴极结构包括阴极底座和同轴设置在阴极底座上的阴极引杆2。
阴极底座的外侧面由母线绕中轴线周向旋转一圈形成；母线包括依次连接的第一圆弧段101、第一直线段102、第二直线段103、第三直线段104、第四直线段105、第二圆弧段106、第三圆弧段107、第五直线段108及第六直线段109。
第一圆弧段101的一端与阴极引杆2的底端边缘线相接，并向远离中轴线且远离阴极引杆2的方向延伸；第一直线段102沿轴向且远离阴极引杆2的方向延伸；第二直线段103沿径向且远离中轴线的方向延伸；第三直线段104沿轴向且靠近阴极引杆2的方向延伸；第四直线段105沿径向且靠近中轴线的方向延伸；第二圆弧段106向远离中轴线且靠近阴极引杆2的方向延伸；第三圆弧段107向远离中轴线且远离阴极引杆2的方向延伸；第五直线段108沿轴向且远离阴极引杆2的方向延伸；第六直线段109沿径向且靠近中轴线的方向延伸，第六直线段109的末端与中轴线相交。
第一直线段102、第二直线段103、第三直线段104及第四直线段105周向旋转形成的平面组成电子束收集环腔，电子束收集环腔具有朝向阴极引杆2的电子束入口，用于收集回流电子束3；第二直线段103周向旋转形成的平面为电子束收集面；由于电子束收集环腔中回流电子束3形成的空间电荷场的影响，其内表面附近会形成正轴向电场，抑制电子束收集面电子发射，应用于低引导磁场高功率微波源研制中，能够避免阴极底座电子发射造成的束流损失，改善阳极组件被轰击引发的阻抗崩溃，提高低引导磁场下高功率微波源的效率。
阴极底座的外侧壁与无箔二极管的内侧腔壁及锥形法兰的内侧壁之间存在电场，通过设置第六直线段109的长度L6和第三圆弧段107的半径R3，使阴极底座的外侧壁电场强度维持在200kV/cm以下，防止阴极底座发生场致发射，优选的，30mm≤R3≤40mm；阴极引杆2外侧壁与外导体内腔壁之间也存在电场，通过设置阴极引杆2的半径R01，使阴极引杆2的表面电场强度小于300kV/cm。
第一圆弧段101的半径为R1，第二圆弧段106的半径为R2，为避免阴极底座第一圆弧段101和第二圆弧段106周向旋转形成的曲面上发生场致发射且不受回流电子束3的轰击，确保回流电子束3全部进入电子束收集环腔中，R1和R2满足：0.5R3≤R2≤0.7R3，R1＝R02-R01，R01＜R02≤2R01，其中，R01为阴极引杆2的半径，R02为第一直线段102到中轴线的距离，R3为第三圆弧段107的半径。
第二直线段103的长度的L2，第三直线段104的长度为L3，为了扩大阴极底座的电子束收集面，L2和L3的长度满足：R2＜L3≤3R3，L2＝L6-R3-R02，其中，L6为第六直线段109的长度。
工作时，阴极引杆2发射的回流电子束3直接进入电子束收集环腔，进入电子束收集环腔的回流电子束3产生空间电荷效应，使电子束收集环腔的表面附近会形成正轴向场抑制电子发射，在回流电子束3无法避免的情况下，能够有效解决因电子束轰击导致底座发射电子带来的阻抗崩溃问题。
本实施例还提供一种高功率微波系统，该高功率微波系统包括上述无箔二极管中抑制电子发射的阴极结构。
以下通过模拟试验对本实施例提供的具有电子束收集环腔的阴极底座做进一步说明。
外加引导磁场0.65T，二极管电压810kV，具有电子束收集环腔的阴极底座主要参数具体如下：R01＝32mm，R02＝62mm，L6＝200mm，R3＝30mm，R2＝20mm，R1＝30mm，L3＝70mm，L2＝108mm。
参见图2，无箔二极管中传统的平面阴极底座在阻挡电子束回流过程中，会因被轰击而发射电子，导致锥形法兰和管头均受轰击；参见图5，本实施例提供的阴极底座在完全收集回流电子束3的条件下，未发现锥形法兰和管头受到轰击，结果表明本实施例提供的阴极底座可有效收集阴极引杆2发射电子，并抑制阴极底座电子发射。
参见图6，模拟试验中在采用现有阴极底座，二极管电压从810kV降到544kV，阻抗崩溃严重，采用具有电子束收集环腔的阴极底座，二极管电压平稳，无阻抗崩溃发生。参见图7，采用具有电子束收集环腔的阴极底座，电子束收集面附近电场强度在收集电子束后均处在正轴向电场下，阴极底座发射电流一直保持0kA，表明阴极底座电子发射完全被抑制，二极管正常工作；采用现有阴极底座的电子束收集面具有明显的电子发射。参见图8，采用具有电子束收集环腔的阴极底座，电子束收集面附近为正轴向电场，可抑制电子束收集面的电子发射；采用现有阴极底座，电子束收集面附近为负轴向电场，电子束收集面发射的电子很容易轰击在法兰等阳极组件上，造成阻抗崩溃。

Claims (6)

1.一种无箔二极管中抑制电子发射的阴极结构，其特征在于：包括阴极底座(1)和同轴设置在阴极底座(1)上的阴极引杆(2)；
定义：阴极引杆(2)的中心轴为中轴线；
所述阴极底座(1)的外侧面由母线绕中轴线周向旋转一圈形成；
所述母线包括依次连接的第一圆弧段(101)、第一直线段(102)、第二直线段(103)、第三直线段(104)、第四直线段(105)、第二圆弧段(106)、第三圆弧段(107)、第五直线段(108)及第六直线段(109)；
所述第一圆弧段(101)的一端与阴极引杆(2)的底端边缘线相接，并向远离中轴线且远离阴极引杆(2)的方向延伸；所述第一直线段(102)沿轴向且远离阴极引杆(2)的方向延伸；所述第二直线段(103)沿径向且远离中轴线的方向延伸；所述第三直线段(104)沿轴向且靠近阴极引杆(2)的方向延伸；所述第四直线段(105)沿径向且靠近中轴线的方向延伸；所述第二圆弧段(106)向远离中轴线且靠近阴极引杆(2)的方向延伸；所述第三圆弧段(107)向远离中轴线且远离阴极引杆(2)的方向延伸；第五直线段(108)沿轴向且远离阴极引杆(2)的方向延伸；第六直线段(109)沿径向且靠近中轴线的方向延伸，第六直线段(109)的末端与中轴线相交；
所述第一直线段(102)、第二直线段(103)、第三直线段(104)及第四直线段(105)周向旋转形成的各个平面组成电子束收集环腔，所述电子束收集环腔具有朝向阴极引杆(2)的电子束入口，用于收集回流电子束(3)；所述第二直线段(103)周向旋转形成的平面为电子束收集面；
所述第一圆弧段(101)的半径为R1，第二圆弧段(106)的半径为R2，R1和R2满足：0.5R3≤R2≤0.7R3，R1＝R02-R01，其中，R01为阴极引杆(2)的半径，R02为第一直线段(102)到中轴线的距离，R3为第三圆弧段(107)的半径。
2.根据权利要求1所述的无箔二极管中抑制电子发射的阴极结构，其特征在于：
所述第二直线段(103)的长度的L2，第三直线段(104)的长度为L3，L2和L3的长度满足：R2＜L3≤3R3，L2＝L6-R3-R02，其中，L6为第六直线段(109)的长度。
3.根据权利要求2所述的无箔二极管中抑制电子发射的阴极结构，其特征在于：
所述第一直线段(102)到中轴线的距离R02满足：R01＜R02≤2R01；
其中，阴极引杆(2)的半径R01大小满足使阴极引杆(2)表面的径向电场低于300kV/cm。
4.根据权利要求1-3任一所述的无箔二极管中抑制电子发射的阴极结构，其特征在于：
所述第六直线段(109)的长度L6和第三圆弧段(107)的半径R3的大小满足使阴极底座(1)的表面电场低于200kV/cm。
5.根据权利要求4所述的无箔二极管中抑制电子发射的阴极结构，其特征在于：
所述第三圆弧段(107)的半径R3满足30mm≤R3≤40mm。
6.一种高功率微波系统，其特征在于：包括权利要求1-5任一所述的无箔二极管中抑制电子发射的阴极结构。
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