CN116190178B - 一种冷阴极电子枪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷阴极电子枪，包括电子枪枪体、枪口触持极结构，以及安装于电子枪枪体外部的外部保护层和枪体尾部封闭部分；所述电子枪枪体包括阴极、阳极组件和枪体级联结构；所述阴极、阳极组件在阴极和阳极产生的高电压差，产生电子，输入枪体级联结构，通过枪体级联结构的级联电极和枪口阳极栅正电位引出电子束。上述冷阴极电子枪装配难度低，有效减小了制造成本；代替了传统热阴极来保证发射电子束的流强，从而提升电子枪整体性能和效果。

Description

一种冷阴极电子枪

技术领域

本申请涉及一种电真空辐射源器件，特别涉及一种冷阴极电子枪。

背景技术

电子枪装置是一种电真空辐射源器件，是现代空间通讯、雷达、可控热核聚变装置和粒子加速器等电子系统中作为电子注入的核心器件，对科学研究和经济安全具有很重要的作用。

电子枪装置中的阴极和电子注入设计则是非常重要的结构系统。其中，阴极分为传统热阴极和无热子冷阴极件。传统热阴极器件一般是通过加热发射极（阴极）发生电子并由引出极（阳极）加速电子，然后射出具有一定能量和流强的电子束。目前市面上一般采用钨丝作为阴极灯丝，通过加热产生大量热电子，之后在阳极和阴极之间的高电压场作用下，加速热电子并引出电子束。现在行业中电子源还是主要以热阴极为主，但是目前所用的热阴极电子枪，由于阴极需要在较高的温度下工作，工作时必须连续加热，所以功耗大，使用寿命短，不能瞬间启动，结构复杂。为了改善上述情况，人们提出一种冷阴极设计，通过高点火电压和高工质气体压强来进行击穿点火，产生电子，并由触持极的正电位引出电子，形成电子喷流。这种冷阴极启动时不需要加热丝进行预加热，在一定程度上减低功耗，同时因为比传统热阴极结构更加简单，所以一定程度上有助于对电子枪本身重量和体积的优化，提高可靠性，延长阴极器件使用寿命。但是，冷阴极使用时对工作电压和部件电绝缘方面存在很高的要求，所以该器件设计也成为了电子枪装置领域的设计关键。

上述传统热发射阴极存在以下3个显著缺点：

(1)由于需要额外加热功率，导致其结构的复杂性，降低了整体效率和鲁棒性。

(2)灯丝发射电子同时会对外溅射更多杂质，影响引出电子束品质。

(3)在高温状态下阴极灯丝变形，使得电子束流发散、束流密度减小，降低引出电流大小。

发明内容

为了克服以上现有技术所存在的主要缺陷，本发明的目的是提供一种新型结构的冷阴极电子枪，代替传统热阴极来保证发射电子束的流强，提升电子枪整体性能和效果。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种冷阴极电子枪，包括：

电子枪枪体、枪口触持极结构，以及安装于电子枪枪体外部的外部保护层和枪体尾部封闭部分；

所述电子枪枪体包括阴极组件、阳极组件和枪体级联结构；

所述阴极组件、阳极组件在阴极和阳极产生的高电压差击穿工质气体产生电子，输入枪体级联结构，通过枪体级联结构的级联电极和枪口阳极栅正电位引出电子束。

优选的，所述阳极组件包括：阳极螺栓帽2、阳极栅6、阳极压环7、阳极筒12；

所述阴极组件包括：阴极柱1、阴极筒9、阴极绝缘套筒13；

所述枪体级联结构包括：绝缘层5、级联电极8、级联绝缘片。

进一步地，所述阴极柱1外侧穿过阴极绝缘套筒13后，将其穿过阳极筒12，与阳极筒12固定连接。

进一步地，所述阳极筒12的筒壁厚为2mm，外径为11mm；

所述绝缘层5插入设置于筒壁内侧，用于将筒内阴极和阳极绝缘隔开；

所述绝缘层5包括基体和阻氧材料。

进一步地，所述阴极柱1顶层安置有阴极筒9，阴极筒9的内侧底部设置有钻孔螺栓4；钻孔螺栓4分别与阴极组件、阳极组件连接，将整个阴极组件、阳极组件固定。

进一步地，所述阴极筒9顶部依次分层压置级联电极8和级联绝缘片；

所述阳极栅6设置级联绝缘片一端，并通过阳极压环7压紧枪体整体部件。

进一步地，所述阳极筒12尾部安装有阳极螺栓帽2；

所述阳极筒12外侧包覆设置有绝缘模块11，绝缘模块11嵌套安装钨环10，用于对枪体绝缘保护。

进一步地，所述阴极柱1上设有通气孔3，通过所述通气孔和钻孔螺栓4中心处钻孔导入工质气体，在阴极和阳极产生的高电压差击穿工质气体产生电子，通过级联电极和阳极栅6正电位引出电子束。

优选的，所述枪口触持极结构包括安装于阳极筒12和绝缘模块11端部的绝缘压盖14；还包括依次连接的触持极固定环15、绝缘垫片16、触持极压环17和绝缘封头18；最外侧套接触持极19；绝缘压盖14与触持极固定环15固定连接；绝缘垫片16置于触持极固定环15和触持极压环17之间；触持极压环17与绝缘封头18连接；绝缘封头18的最外侧套接触持极19；

所述触持极19和阳极栅6的形状一致，用于将管内喷出的电子束在枪口处汇集引出。

优选的，所述外部保护层包括：不锈钢保护壳20，嵌套在枪体外侧绝缘模块11上，在不锈钢保护壳20和阳极筒12之间设有绝缘保护筒，以实现隔离绝缘。

进一步地，所述绝缘保护筒尾部与枪体尾部封闭部分连接；所述枪体尾部封闭部分的封口处设置有绝缘盖板；

所述绝缘盖板为双层结构，分别设置于封口处的内外两侧，通过内外两层绝缘盖板将整个电子枪内侧封闭起来；位于外侧的绝缘盖板一端安装有压紧环，用于压紧尾部盖板，并固定整体电子枪结构。

本发明达到的有益效果是：

（1）消除对灯丝加热需求，降低启动功耗，延长使用寿命，提高电子枪效率；

（2）场致工质气体发射电子，减少杂质生成，集中电子喷流，增大引出电流；

（3）采用全新结构设计，缩小装置结构尺寸，减小空间成本，提升器件整体鲁棒性；

除此，本发明考虑到装置的配件、安装以及维护，本发明也针对这个问题对所有部件结构和材料创新设计，大大降低了加工和装配难度，减小了制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本发明提供的一种冷阴极电子枪的结构示意图；

图2是本发明提供的电子枪枪体阴极、阳极组件以及级联结构示意图；

图3是本发明提供的枪口触持极结构示意图；

图4是本发明提供的电子枪尾部和外层保护壳结构示意图；

其中，101、电子枪枪体；102、枪口触持极结构；103、枪体尾部封闭部分；1、阴极柱；2、阳极螺栓帽；3、通气孔；4、钻孔螺栓；5、绝缘层；6、阳极栅；7、阳极压环；8、级联电极；9、阴极筒；10、钨环；11、绝缘模块；12、阳极筒；13、阴极绝缘套筒；14、绝缘压盖；15、触持极固定环；16、绝缘垫片；17、触持极压环；18、绝缘封头；19、触持极；20、不锈钢保护壳；21、内绝缘盖板；22、外绝缘盖板；23、压紧环；24、绝缘保护筒。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种冷阴极电子枪，包括：

电子枪枪体101、枪口触持极结构102，以及安装于电子枪枪体外部的外部保护层和枪体尾部封闭部分103；

所述电子枪枪体101包括阴极组件、阳极组件和枪体级联结构；

所述阴极组件、阳极组件在阴极和阳极产生的高电压差击穿工质气体产生电子，输入枪体级联结构，通过枪体级联结构的级联电极和枪口阳极栅正电位引出电子束。

如图2所示，所述阳极组件包括：阳极螺栓帽2、阳极栅6、阳极压环7、阳极筒12

所述阴极组件包括：阴极柱1、阴极筒9、阴极绝缘套筒13；

所述枪体级联结构包括：绝缘层5、级联电极8、级联绝缘片。

所述阴极柱1外侧穿过阴极绝缘套筒13后，将其穿过阳极筒12，与阳极筒12固定连接。

阳极筒12的筒壁厚为2mm，外径为11mm；但不限于该尺寸。

绝缘层5插入设置于筒壁内侧，用于将筒内阴极和阳极绝缘隔开；

所述绝缘层5包括基体和阻氧材料，以此具有绝缘性能。

阴极柱1顶层安置有阴极筒9，并通过一个钻孔螺栓4固定整个阴极、阳极组件的主体结构。

阴极筒9顶部依次分层压置级联电极8和级联绝缘片；

所述阳极栅6设置级联绝缘片一端，并通过阳极压环7压紧枪体整体部件。

阳极筒12尾部安装有阳极螺栓帽2；

所述阳极筒12外侧包覆设置有绝缘模块11，绝缘模块11嵌套安装钨环10，用于对枪体绝缘保护作用。

阴极柱1上设有通气孔3，通过所述通气孔和钻孔螺栓4中心处钻孔导入工质气体，在阴极和阳极产生的高电压差击穿工质气体产生电子，通过级联电极和阳极栅6正电位引出电子束。

具体地，图2中阴极柱1外侧穿过阴极绝缘套筒13后，将其穿过阳极筒12并固定，其中套管壁厚2mm，外径为11mm；在阳极筒内插入一层绝缘层5，把筒内阴极和阳极绝缘隔开；在阴极柱顶层安置阴极筒9，阴极筒9的内侧底部设置有钻孔螺栓4；钻孔螺栓4分别与阴极组件、阳极组件连接，将整个阴极组件、阳极组件固定；在阴极筒顶部依次分层压置级联电极8和级联绝缘片；然后安装阳极栅6并通过阳极压环7压紧枪体整体部件；最后在阳极筒尾部安上阳极螺栓帽2。此外在整体外侧安装绝缘模块11并嵌套安装钨环10，起到对枪体绝缘保护作用。

通过上述设计，规避传统热灯丝阴极缺陷，代替使用冷阴极产生电子。而具体方案是由图中3处的阴极柱上通气孔和固定螺栓中心处钻孔2mm导入工质气体，在阴极和阳极产生的高电压差击穿工质气体产生电子，然后通过级联电极和枪口阳极栅正电位引出电子束。此方案中，采用场致发电以及级联电极，不仅消除了灯丝加热要求，也降低了所需工作电压，很大程度提高了电子枪的寿命和效率。

如图3所示，枪口触持极结构102包括安装于阳极筒12和绝缘模块11端部的绝缘压盖14；还包括依次连接的触持极固定环15、绝缘垫片16、触持极压环17和绝缘封头18；最外侧套接触持极19；绝缘压盖14与触持极固定环15固定连接；绝缘垫片16置于触持极固定环15和触持极压环17之间；触持极压环17与绝缘封头18连接；绝缘封头18的最外侧套接触持极19；

所述触持极19和阳极栅6的形状一致，用于将管内喷出的电子束在枪口处汇集引出。

图3展示的电子枪枪口以及触持极结构的示意图中，在枪口阳极筒和外侧绝缘模块上安置一个绝缘压盖14，然后依次安装触持极固定环15、绝缘垫片16、触持极压环17和绝缘封头18，最后在最外侧套上触持极19。

整个枪口通径为13mm，此方案中阳极栅和触持极的形状结构，将管内喷出的电子束在枪口处汇集引出，实现了之前所述增大枪口电流的效果，达到大强流的目的。同时，由于电子溅射可能产生的杂质也在这种结构设计下，被大部分挡在了电子枪管内，大大减少了杂质溢出，保证了引出电子束得品质。

此外，图4示出了电子枪尾部封闭结构以及外部保护层的结构。外部保护层包括：不锈钢保护壳20，嵌套在枪体外侧绝缘模块11上，在不锈钢保护壳20和阳极筒12之间设有绝缘保护筒24，以实现隔离绝缘；

所述绝缘保护筒尾部与枪体尾部封闭部分连接；所述枪体尾部封闭部分包括设置于封口处的内外双层结构的绝缘盖板：内绝缘盖板21和外绝缘盖板22，通过内外两层绝缘盖板将整个电子枪内侧封闭起来；位于外侧的绝缘盖板一端安装有压紧环23，用于压紧绝缘盖板尾部，并固定整体电子枪结构。

将不锈钢保护壳20嵌套在枪体外侧绝缘模块上，内部在保护壳和阳极筒之间使添加一层绝缘保护筒24，起到隔离绝缘作用；尾部封口出通过2层内外绝缘盖板将整个电子枪内侧封闭起来；最后安装上压紧环压紧尾部盖板，并固定整体电子枪结构。

结合之前所有设计，可以看出，本发明电子枪采用全同轴结构，枪体使用唯一螺栓固定，通过圆筒嵌套贴合方式，很好地解决了连接部件所带来的气密性和绝缘性的问题。同时，相较于普通的冷阴极电子枪，尾部接线导管也采用更小的机械结构，缩小了装置的整体尺寸，大大提高了该器件的鲁棒性，使其更加便于安装维护，性能更加稳定。

实施例1：本实施例通过设置以下实验内容，验证上述方案提供的一种冷阴极电子枪在不同条件下的性能及优势。

实验条件1：

（1）真空室内气压10^-4Pa时，将气体流量设定为1SCCM；

（2）真空腔环境气压稳定在4.95~5.05E^-3Pa，电子枪内部气压大小在2.7~2.9Pa；

（3）起弧电源电流设定在27A，开启放电；验证其能够集中引出电子，形成电子束。

实验条件2：

（1）真空室内气压10^-4Pa时，将气体流量设定为8SCCM；

（2）真空腔环境气压稳定在6~7E^-2Pa，电子枪内部气压大小在3~5 Pa；

（3）起弧电源电流设定在88A，开启放电；外加直流电源——电流120A，电压180V（形成较大电流）。

实验结果如下表所示：

实验成果：

（1）验证电子枪放电效果，能够起弧并集中引出电流较大（0.1~1kA）的电子；

（2）电子枪引出电流大小，也可以根据所使用的电源情况进行调整；

（3）整体结构也在实验中得到优化，充分体现出小体积同轴设计带来的安装和更换便利很可靠。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种冷阴极电子枪，其特征在于，包括：

电子枪枪体、枪口触持极结构，以及安装于电子枪枪体外部的外部保护层和枪体尾部封闭部分；

所述电子枪枪体包括阴极组件、阳极组件和枪体级联结构；

所述阴极组件、阳极组件在阴极和阳极产生的高电压差击穿工质气体产生电子，输入枪体级联结构，通过枪体级联结构的级联电极和枪口阳极栅正电位引出电子束；

所述阳极组件包括：阳极螺栓帽（2）、阳极栅（6）、阳极压环（7）、阳极筒（12）；

所述阴极组件包括：阴极柱（1）、阴极筒（9）、阴极绝缘套筒（13）；

所述枪体级联结构包括：绝缘层（5）、级联电极（8）、级联绝缘片；

所述阴极柱（1）外侧穿过阴极绝缘套筒（13）后，将其穿过阳极筒（12），与阳极筒（12）固定连接；

所述阴极柱（1）顶层安置有阴极筒（9），阴极筒（9）的内侧底部设置有钻孔螺栓（4）；

钻孔螺栓（4）分别与阴极组件、阳极组件连接，将整个阴极组件、阳极组件固定；

所述阴极筒（9）顶部依次分层压置级联电极（8）和级联绝缘片；

所述阳极栅（6）设置级联绝缘片一端，并通过阳极压环（7）压紧枪体整体部件；

所述阴极柱（1）上设有通气孔（3），通过所述通气孔（3）和钻孔螺栓（4）中心处钻孔导入工质气体，在阴极和阳极产生的高电压差击穿工质气体产生电子，通过级联电极和阳极栅（6）正电位引出电子束。

2.根据权利要求1所述的冷阴极电子枪，其特征在于，所述阳极筒（12）的筒壁厚为2mm，外径为11mm；

所述绝缘层（5）插入设置于筒壁内侧，用于将筒内阴极和阳极绝缘隔开；

所述绝缘层（5）包括基体和阻氧材料。

3.根据权利要求1所述的冷阴极电子枪，其特征在于，所述阳极筒（12）尾部安装有阳极螺栓帽（2）；

所述阳极筒（12）外侧包覆设置有绝缘模块（11），绝缘模块（11）嵌套安装钨环（10）。

4.根据权利要求3所述的冷阴极电子枪，其特征在于，所述枪口触持极结构包括安装于阳极筒（12）和绝缘模块（11）端部的绝缘压盖（14）；还包括依次连接的触持极固定环（15）、绝缘垫片（16）、触持极压环（17）和绝缘封头（18）；最外侧套接触持极（19）；绝缘压盖（14）与触持极固定环（15）固定连接；绝缘垫片（16）置于触持极固定环（15）和触持极压环（17）之间；触持极压环（17）与绝缘封头（18）连接；绝缘封头（18）的最外侧套接触持极（19）；

所述触持极（19）和阳极栅（6）的形状一致，用于将管内喷出的电子束在枪口处汇集引出。

5.根据权利要求4所述的冷阴极电子枪，其特征在于，所述外部保护层包括：设置于电子枪枪体最外层的不锈钢保护壳（20），嵌套在枪体外侧的绝缘模块（11）上，在不锈钢保护壳（20）内侧设有绝缘保护筒，所述绝缘保护筒与阳极筒（12）外侧连接，以实现隔离绝缘。

6.根据权利要求5所述的冷阴极电子枪，其特征在于，所述绝缘保护筒尾部与枪体尾部封闭部分连接；所述枪体尾部封闭部分的封口处设置有绝缘盖板；

所述绝缘盖板为双层结构，分别设置于封口处的内外两侧，通过内外两层绝缘盖板将整个电子枪内侧封闭起来；位于外侧的绝缘盖板一端安装有压紧环，用于压紧尾部盖板，并固定整体电子枪结构。

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