一种用于强流电子注分析仪的可移动极间距电子枪系统

摘要

本发明公开了一种用于强流电子注分析仪的可移动极间距电子枪系统，包括一个主真空腔体和位于主真空腔体内的电子枪，所述主真空腔体横向水平安置。所述电子枪系统还包括一个同心轴组件，其从所述主真空腔体的后端水平插入，并且，其一端位于所述主真空腔体内，另一端延伸于所述主真空腔体)外。所述电子枪包括一个阳极、一个阴极和一个栅极，且所述阴极和所述栅极安装在所述同心轴组件上。本发明可以实现强流电子枪系统各电极之间距离在热测过程中独立调节，可以通过优化实验设计得到最佳电子枪系统几何参数，这比目前分析器电子枪系统成百倍地节省时间、人力、物力。并且，本发明的电子枪可加到100kV，并能横向接入大型强流电子注分析仪中使用。

说明书

技术领域

本发明属于微波真空器件电子光学结构的分析和测量技术领域，具体 涉及一种用于微波真空器件电子光学结构的分析的实验仪器，特别是一种 用于强流电子注分析仪的可移动极间距电子枪系统。

背景技术

微波器件是指工作在微波波段(300～30000兆赫)的器件。微波器件 按其功能原理、所用材料和工艺的不同分为微波电真空器件、微波半导体 器件、微波集成电路和微波功率模块。微波电真空器件包括速调管、行波 管、磁控管、返波管、回旋客、虚阴极振荡器等，其利用电子在真空中运 动及与外围电路相互作用产生振荡、放大、混频等各种功能。强流电子注 电子光学分析仪对于微波电真空器件的设计具有重要意义，而该分析仪的 电子枪系统是其重要组成部分。

图1是传统的用于微波电真空器件的强流电子注电子光学分析仪的部 分结构图。由图1可见，所述强流电子流电子光学分析仪包括电子枪系统 1，电子枪系统1用于产生强流电子注，并入射到电子漂移管2。并且电子 枪系统1和电子漂移管2均为纵向竖立设置，电子漂移管2安装在电子枪 系统1的上方，电子枪系统1向上部发射强流电子注。

如图2所示，电子枪系统1包括电子枪、主真空腔体、抽真空系统、 外接口、高压馈电头、热子、陶瓷环件、阴极热子引线等。电子枪包括栅 极、阴极、阳极，陶瓷环件将阴极、热子、栅极固定在主真空室的底部， 并使之与主真空室的室壁绝缘。阴极热子引线由主真空腔体底部的高压馈 电头引出主真空腔体，栅极和阴极是同电位的结构。高压馈电头仅能耐压 10kV左右；阳极头组件是安置于主真空腔体顶部的另一个大法兰盘上。 阴极至阳极距离，栅极至阴极距离都是固定的，由阴极、栅极的过渡支撑 环件的长度所决定的。

传统的电子枪系统的缺点在于：

其一，要改变任何一个电极的极间距离都必须在热测状态下停止实验 等待重新装配适合长度的过渡部件。这一过程要长达三天以上，而要完成 优化电子枪系统电子光学性能的测试需要投入大量时间，人力、物力；

其二，它不能作为部件接入大型的强流电子注电子光学分析仪，直接 在它的上面再组装大型电磁聚焦系统和电子注能散分析系统就很难实现 了，以致长期以来的强流电子注电子光学分析仪对电子注在电磁聚焦情况 下的电子注传输性能、能散的分析都没有进行；

其三，由于原来电子注分析仪只能在调制器高压10kV以下的条件下 使用，而新型大型功率微波真空器件的发展都向高电压、高功率方向发展， 这样老的分析器就不能模拟20-100kV左右电子注具有明显相对论效应的 状态，其模拟的真实性就大打折扣，就严重影响电子光学结构(包括电子 枪系统)设计可靠性和微波真空器件的品质。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是弥补传统的使用纵向竖立固定电子枪 系统的强流电子注电子光学分析仪的上述三个缺陷，即：改变电极间距困 难，耗时费力；不能如作为部件接入大型的强流电子注电子光沉分析仪； 不能对20～100kV的强流电子注进行模拟。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种用于强流电子注分析仪的电子 枪系统，包括一个主真空腔体和位于该主真空腔体内的电子枪，所述主真 空腔体横向水平安置，并在水平方向上包括一个前端和一个后端，所述电 子枪产生的强流电子注从所述主真空腔体的所述后端向所述前端发射。

根据本发明的一个具体实施方式，所述电子枪系统还包括一个同心轴 组件，其从所述主真空腔体的后端水平插入，并且，其一端位于所述主真 空腔体内，另一端延伸于所述主真空腔体外。

所述电子枪包括一个阳极、一个阴极和一个栅极，且所述阴极和所述 栅极安装在所述同心轴组件上。

根据本发明的一个具体实施方式，所述阳极通过一个阳极固定装置固 定于所述主真空腔体的前端。

根据本发明的一个具体实施方式，所述同心轴组件能使所述阴极和所 述栅极分别沿同心轴组件的轴向进行运动和定位。

根据本发明的一个具体实施方式，所述主真空腔体包括一个观察窗， 其用于观察和测量所述阴极和栅极的距离。

根据本发明的一个具体实施方式，所述同心轴组件包括阴极内同心轴 和栅极外同心轴，所述阴极内同心轴和所述栅极外同心轴内外相套。

根据本发明的一个具体实施方式，所述阴极内同心轴位于主真空腔体 内的一端，用于安置所述阴极；所述栅极外同心轴位于主真空腔体内的一 端，用于安置所述栅极。

根据本发明的一个具体实施方式，所述阴极通过一个阴极陶瓷环固定 于阴极内同心轴，所述栅极通过一个栅极陶瓷环固定在栅极外同心轴。

根据本发明的一个具体实施方式，所述电子枪系统还包括一个光学平 台，所述光学平台位于所述主真空腔体的外部，且位于所述同心轴组件的 下方，用于支撑和定位所述同心轴组件。

根据本发明的一个具体实施方式，该光学平台包括阴极光学平台和栅 极光学平台，其分别用于支撑所述阴极内同心轴及栅极外同心轴，并使之 分别能在轴向进行水平移动，并且，所述阴极光学平台安装在所述栅极光 学平台之上。

(三)有益效果

其一，本发明的电子枪系统可以适用于不同类型的强流电子注电子光 学分析仪，所以本发明通用性广；

其二，本发明的电子枪系统采用横向结构除单独使用外，还可以作为 部件接入大型横向强流电子注分析仪进一步对电子枪系统的电子注成形， 传输过程进行全程测试，并可对电子注能量分布进行测试；

其三，本发明的电子枪系统可以达到1×10^-6Pa高真空度，且能从几百 伏至十万伏高压调制器电压下进行测试，可以检测到目前发展中微波真空 器件相对论效应对电子注性能的影响状况；

其四，本发明可以实现强流电子枪系统各电极之间距离在热测过程中 独立调节，可以通过优化实验设计得到最佳电子枪系统几何参数，这比目 前分析器电子枪系统成百倍地节省时间、人力、物力；

其五，本发明可以对正在生产的某些微波真空器件存在的电子光学性 能缺陷及性能不稳定的工艺结构问题进行热测实验和动态系统模拟，以便 确定解决方案和措施。

附图说明

图1是传统的强流电子注电子光学分析仪的部分结构示意图；

图2是传统的强流电子注电子光学分析仪的电子枪系统示意图；

图3是本发明的强流电子注电子光学分析仪的电子枪系统的结构示意 图；

图4是本发明的强流电子注电子光学分析仪的电子枪系统的左视示意 图；

图5是本发明的强流电子注电子光学分析仪的电子枪系统的同心轴组 件的示意图；

图6是本发明的强流电子注电子光学分析仪的电子枪系统的同心轴组 件的局部放大示意图；

图7是本发明的强流电子注电子光学分析仪的电子枪系统的阳极固定 装置的局部放大示意图。

图3～7中的附图标记说明如下：

1.观察窗，2.高压馈电系统，3.高真空排气系统，4.阴极内同心轴，5. 栅极外同心轴，6.后接口大法兰盘，7.阳极，8.阴极，9.栅极，10.阴极陶瓷 环，11.栅极陶瓷环，12.前大法兰盘，13.阴极光学平台，14.栅极光学平台， 15.阴极内同心轴伺服电机，16.栅极外同心轴运动伺服电机，17.低压馈电 头，18.前接口，19.阳极绝缘陶瓷环，20.三极高压馈电头，21.四极高压馈 电头，22.高真空阀门，23.真空管道，24.机械泵，25.分子泵，26.离子泵， 301.主真空腔体，302.同心轴组件，303.阳极固定装置，304.支架，305.光 学平台，306.外接口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图3是本发明的一个实施例的强流电子注电子光学分析仪的电子枪系 统的结构示意图，图4是该电子枪系统的左视示意图，图5是该电子枪系 统的同心轴组件的示意图，图6是该电子枪系统的同心轴组件局部放大示 意图，图7是该电子枪系统的阳极固定装置的局部放大示意图。

由图3～7可见，本发明的强流电子注电子光学分析仪的电子枪系统 包括一个主真空腔体301和位于主真空腔体301内的电子枪，所述主真空 腔体301是一个圆柱形腔体，并且横向水平安置，圆柱形腔体的在水平方 向上的两端分别称为前端和后端，在图3中，左部为前端，右部为后端。 所述同心轴组件302从所述主真空腔体301的后端水平插入，并且同心轴 组件302的轴心与主真空腔体301的轴心同心。

根据本发明，主真空腔体301的前端包括一个阳极7，所述阳极7通 过一个阳极固定装置303固定于所述主真空腔体的前端。

根据本发明，所述主真空腔体301包括一个观察窗1，其用于观察和 测量所述阴极8和栅极9的距离。

所述主真空腔体301内部还包括一个高压馈电装置2，根据本发明的 一个优选实施方式，其由两个三极或四极耐高频调制电压(例如100kV) 的高压馈电头组成。

此外，所述主真空腔体301的内壁还设置有循环水冷系统，其用于对 电子枪系统进行温度控制，使之不会在工作状态时过热。

所述主真空腔体301还包括一个前接口18，其用于与电子枪系统外部 的测量或分析系统相连，其位于所述主真空腔体301的前端。

所述主真空腔体301还包括一个前接口大法兰盘12，其用于将所述阳 极固定装置303固定在所述主真空腔体301的前端。

所述主真腔体301还包括一个后接口大法兰盘6，其用于将所述同心 轴组件302可水平轴向移动地固定于所述主真空腔体301的后端。

在所述同心轴组件302上安装有一个阴极8和一个栅极9，所述阳极 7、阴极8、栅极9构成电子枪，用于产生强流电子注，并向前端发射。根 据本发明，所述同心轴组件302能使阴极8和栅极9分别沿同心轴组件302 的轴向进行运动和定位。

具体来说，所述同心轴组件302包括阴极内同心轴4、栅极外同心轴 5。所述阴极内同心轴4和栅极外同心轴5内外相套，即如图3和图5所 示，栅极外同心轴5套在阴极内同心轴4的外侧。如前所述所述阴极内同 心轴4和栅极外同心轴5均在水平方向上具有两端，并且一端插入所述主 真空腔体301内，另一端延伸出所述主真空腔体外，并且所述阴极内同心 轴4位于主真空腔体301内的一端用于安置所述阴极8，所述栅极外同心 轴5位于主真空腔体301内的一端用于安置所述栅极9。

所述栅极外同心轴5与所述主真空腔体301的所述后接口大法兰盘6 之间使用高真空金属波纹管密封，所述阴极内同心轴4与所述栅极外同心 轴5之间也使用高真空金属波纹管密封。

根据本发明的一个优选实施方式，所述阴极8通过一个阴极陶瓷环10 固定于阴极内同心轴4的一端；所述栅极9通过一个栅极陶瓷环11固定 在栅极外同心轴5的一端。所述阴极8和栅极9均通过引线连接到所述主 真空腔体301的高压馈电装置的相应电极上，所述引线外围都覆盖有真空 陶瓷材料。所述栅极陶瓷环11的外径大于所述阴极陶瓷环10，且两个真 空陶瓷环件都能耐压高压(例如100kV)。

所述阳极固定装置303用于将阳极7绝缘地固定在所述主真空腔体 301的前端内侧的装置。根据本发明，如图5所示，阳极固定装置303包 括阳极绝缘陶瓷环19，其用于将阳极7与前大法兰盘12绝缘。此外，通 过串有小真空陶瓷管的真空导线，并通过低压馈电头17将阳极7从主真 空室引出。

本发明的电子枪系统还包括一个光学平台305，所述光学平台305位 于所述主真空腔体301的外部，并位于所述同心轴组件302的下方，用于 支撑和定位所述同心轴组件302。该光学平台305包括阴极光学平台13 和栅极光学平台14，其分别用于支撑所述阴极内同心轴4及栅极外同心轴 5，并使之分别能在轴向进行水平移动。

其中，所述阴极光学平台13安装在所述栅极光学平台14之上，阴极 光学平台13包括阴极内同心轴伺服电机15，栅极光学平台14包括栅极外 同心轴伺服电机16，阴极内同心轴伺服电机15和栅极外同心轴伺服电机 16分别位于所述阴极光学平台13和所述栅极光学平台14上。

所述阴极内同心轴4和栅极外同心轴5的水平移动由所述光学平台 305的阴极内同心轴伺服电机15、栅极外同心轴伺服电机16分别控制， 根据本发明的优选实施方式，其移动定位的精度为0.05毫米。

此外，根据本发明的电子枪系统还包手一个支架，其位于所述主真空 腔体301以及所述光学平台305的下方，并用于支撑所述主真空腔体301 以及所述光学平台305。

所述电子枪系统还包括一个高真空排气系统3，其连接于所述主真空 腔体，并用于对所述主真空腔体301抽真空。根据本发明的一个优选实施 方式，其由机械泵24、分子泵25、离子泵26、高真空闸门22和高真空管 道23组成；

以上描述了本发明的一个实施例的强流电子注电子光学分析仪的电 子枪系统的整体结构及其部件的具体结构，下面根据上述结构还说明本发 明的该实施例的电子枪系统的工作原理，以利于本领域的技术人员更加清 楚地理解本发明。

根据本发明的上述实施例，在强流电子注电子光学分析仪的电子枪系 统的外接口306连接电子漂移管及电子注截面X射线韧致辐射检测器，或 者三坐标法拉第筒小孔扫描仪，并进行密封真空后，启动高真空排气装置 3，使主真空腔体301的真空度达到1×10^-6pa数量级后，给阴极8加热， 使之逐步加到额定温度值；

接着，先通过所述主真空腔体301的观察窗1测量出阴极8、栅极9 在热膨胀稳定后的膨胀量，再通过控制阴极内同心轴4的阴极内同心轴伺 服电机15、栅极外同心轴5的栅极外同心轴伺服电机16将阴极8与阳极 7的距离、阴极8与栅极9的距离进行调整，使之达到到原计算机设计值 或理想设计值。在该实施例中，调整定位的距离精度在0.05毫米。

然后，通过高压馈电头将调制单脉冲负高压分别接到阴极8和相应分 压后接到栅极9上；通过所述X射线韧致辐射检测器或三坐标法拉第筒小 孔扫描装置检测此时电子注电子光学性能，通过调整阴阳极距离、栅阴极 距离做出多组结果，再找出此状态下最佳实验尺寸，在此基础上进一步改 变电子枪的结构进行优化实验，得到优化的电子枪及电子光学系统最佳设 计结构。

本发明的优点是：上述整个过程要比传统的使用纵向竖立固定电子枪 系统的强流电子注电子光学分析仪成百、上千倍地节省时间、人力、物力。

本发明可以作为部件从所述外接口306接入大型横向高真空动态强流 电子注电子光学分析仪，进行有电磁聚焦系统及电子注能散检测系统去测 量强流电子注的传输性能及电子注能散特性；本发明可使用调制高频或单 脉冲电压从几百伏到十万伏可进行有明显相对论效应影响时的电子光学 系统设计；这些是传统的使用纵向固定电子枪系统强流电子注电子光学分 析器所无法做到的。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已， 并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。