适用于径向对数螺旋微带慢波线的径向发散电子注电子枪

摘要

本发明公开了一种适用于径向对数螺旋微带慢波线的径向发散电子注电子枪，属于真空电子器件技术领域中的电子枪，其目的在于提供一种适用于径向对数螺旋微带慢波线的径向发散电子注电子枪，使该电子枪与采用了平面扇形电子束工作的径向对数螺旋微带慢波线之间能够很好地进行同步。其技术方案为：包括枪壳，枪壳内设置有阴极组件、控制极和阳极，阴极组件的阴极头置于控制极的径向孔内。本发明专用于与径向对数螺旋微带慢波线配套使用的径向发散电子注电子枪。

说明书

技术领域

    本发明属于真空电子器件技术领域，涉及一种电子枪，尤其涉及一种适用于径向对数螺旋微带慢波线的径向发散电子注电子枪。

背景技术

行波管是真空微波电子学领域内最为重要的一类微波功率放大器件，其具有功率大、效率高、增益高、频带宽和寿命长的特点，因而广泛应用于雷达、制导、干扰、通信、微波遥感、辐射测量等领域，其性能直接决定着装备的水平。

一支典型的行波管由电子枪、聚焦系统、慢波线（慢波结构）、输入输出装置和收集极五部分组成。作为行波管的核心部件，慢波线的任务是传输高频电磁行波并使电磁波的相速降到同步速度，并实现电磁波对电子注的调制，从而使电子注交出直流能量放大高频场，它的性能优劣直接决定了行波管的工作带宽、输出功率和效率等。

对数螺旋慢波线是一种具有极低工作电压的慢波线，它的工作电压在百伏以内，对电源的需求极大降低。本申请人于2012年10月24日就对申请号为201210409251.6发明专利名称为“一种径向对数螺旋微带慢波线”进行过申请，其为一种沿径向方向的准周期结构，采用平面扇形电子束工作，包括扇形金属屏蔽壳、扇形介质底板以及角度径向对数螺旋金属带，角度径向对数螺旋金属带由单根径向对数螺旋微带线上截取角度为θ的一部分弧线，以及将截取弧线相邻首尾交替连接的金属带组成。采用本发明径向对数螺旋微带慢波线的行波管，其工作电压远低于常规的低电压螺旋线行波管，相对于耦合腔类行波管则具有更大的优势。

使用径向对数螺旋微带慢波线的径向束行波管，在大幅降低行波管工作电压的同时具有较高输出功率，且体积小，制造成本低。且现有的电子枪发射的电子注大多是横截面圆柱形电子注，矩形带状电子注、椭圆形电子注或者边缘为椭圆形的带状电子注等各种形状结构的电子注，因而这些现有的电子枪工作时与上述发明专利申请中采用了平面扇形电子束工作的径向对数螺旋微带慢波线之间不能很好地进行同步，因而不会产生输出功率或者输出功率很小，从而导致行波管的效率低下。

为了克服现有电子枪与采用了平面扇形电子束工作的径向对数螺旋微带慢波线之间不能很好地进行同步的技术问题，本发明针对上述发明专利申请的径向对数螺旋微带慢波线，而提供了一种专用于径向对数螺旋微带慢波线的径向发散电子注电子枪。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对现有技术存在的现有电子枪与采用了平面扇形电子束工作的径向对数螺旋微带慢波线之间不能很好地进行同步的技术问题，提供一种适用于径向对数螺旋微带慢波线的径向发散电子注电子枪，使该电子枪与采用了平面扇形电子束工作的径向对数螺旋微带慢波线之间能够很好地进行同步。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种适用于径向对数螺旋微带慢波线的径向发散电子注电子枪，包括枪壳，所述枪壳内设置有阴极组件、控制极和阳极，所述阴极组件的阴极头置于控制极的径向孔内；阴极头的轴向宽度h_c=（0.2~2）mm，控制极的径向孔的轴向宽度h_k=h_c+（0.1~1）mm，控制极的开口台阶的轴向宽度h_k1=（1~2）mm，阳极的轴向开口的轴向宽度h_a=（0.1~4）mm，阴极头靠近阳极一侧的端面与控制极径向孔靠近阳极一侧的末端的距离d_ck=（0~1.5）mm，阴极头与阳极的距离d_ca=（0.5~1.5）mm，阴极头的阴极发射面为双曲面型发射面，阴极头的阴极发射面的曲率半径r_c=（0.3~10）mm，控制极径向孔内角向左右两侧的斜坡凸起的倾角ψ₁=(25~75)°，阳极的径向孔的倾角ψ₂=（0~45）°；阳极端面的径向半径R_a=（14~17）mm，阴极端面的径向半径R_c=(12~16)mm，控制极端面的径向半径R_k1=（12.5~16.5）mm，控制极开口台阶终端的径向半径R_k2=R_k1-（0.1~1）mm，阴极头端面的角向角度θ_c=（1~180）°，控制极的径向孔的角向角度θ_k1=θc+（0.4~8）°，控制极端面的角向角度θ_k2=θ_k1+(2~4)°，阳极端面的角向角度θ_a=θ_c+（2~6）°。

作为本发明的优选方案，所述枪壳包括依次连接的枪壳下端盖、枪壳下瓷筒、枪壳中瓷筒、枪壳上瓷筒和枪壳上端盖，所述阳极安装在枪壳上端盖的端面上，所述阴极组件和控制极安装于枪壳上瓷筒内部空腔内。

作为本发明的优选方案，所述枪壳中瓷筒与枪壳上瓷筒之间设置有控制极支持片，所述控制极支持片由枪壳中瓷筒与枪壳上瓷筒夹紧焊接，所述控制极装配在控制极支持片的控制极支持槽中。

作为本发明的优选方案，所述阴极组件包括阴极头和阴极支持筒，所述阴极头装配在阴极支持筒一端的阴极支持槽中，所述阴极支持筒另一端的凹腔内设置有热丝和填充于阴极支持筒内壁与热丝之间的热丝填充物。

作为本发明的优选方案，还包括热丝绝缘瓷管，所述热丝一端位于热丝填充物内，所述热丝另一端穿出热丝填充物并套设于热丝绝缘瓷管内。

作为本发明的优选方案，所述阴极支持筒外套设有阴极支架，所述阴极支持筒通过阴极支架固定安装于枪壳内。

作为本发明的优选方案，所述枪壳下瓷筒与枪壳中瓷筒之间设置有阴极组件支持片，所述阴极组件支持片由枪壳下瓷筒与枪壳中瓷筒夹紧焊接，所述阴极支架套设在阴极组件支持片内并通过阴极组件支持片固定安装于枪壳内。

作为本发明的优选方案，还包括热屏组件，所述热屏组件包括外热屏筒和套设于外热屏筒内的内热屏筒，所述内热屏筒一端与内热屏筒座连接，所述外热屏筒一端与外热屏筒座连接，所述外热屏筒座位于阴极支持筒与阴极支架之间并固定。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、         本发明中，电子枪采用上述特定结构的阴极头、控制极和阳极可产生沿径向运动的电流为（30~5000）mA、轴向注腰为（0.05~3.5）mm、径向射程为（0.8~3）mm、角向张角为（1~100）°的扇形片状发散电子注，而该扇形片状发散电子注能够更好地与背景技术中的径向对数螺旋微带慢波线进行匹配，从而提高电子枪中电子的作用效率，并在大幅降低采用了上述结构的电子枪、慢波线的行波管工作电压的同时具有较高输出功率，使行波管体积小，制造成本低。

2、         本发明中，枪壳包括依次连接的枪壳下端盖、枪壳下瓷筒、枪壳中瓷筒、枪壳上瓷筒和枪壳上端盖，几者通过陶瓷金属封接工艺焊接连接，阴极置于其中，起到支撑定位阴极组件、控制极的作用，同时，枪壳瓷筒的作用是为电子枪各电极之间提供绝缘措施。枪壳上、下端盖可焊接阳极和排气管组件等，与行波管其他部件进行装配。

3、         本发明中，控制极装配在控制极支持片的控制极支持槽中，通过对控制极支持片二次加工等措施，可以保证控制极装配的同心度和控制极与阴极的极间尺寸，使实际发射产生的电流更接近理论计算结果。同时使控制极的安装、装配更加稳定，而不易脱落或掉落，使电子枪具有可靠性高、抗振动等有益效果。

4、         本发明中，将阴极头装配在阴极支持筒一端的阴极支持槽中，而阴极支持筒另一侧的凹腔内设置热丝和热丝填充物，其中热丝填充物起到热传导和绝缘的作用，可以使阴极组件的热量分布更均匀，同时保证热丝在使用过程中不会因热作用等因素使热丝之间发生接触，造成热丝短路的状况；热丝填充物外侧的热丝套设在热丝绝缘瓷管，通过该热丝绝缘瓷管可保证电子枪在使用过程中不会发生两根热丝之间的短路，保证电子枪的使用可靠性；阴极支持筒通过内、外热屏筒组件装配在阴极支架上，内外热屏筒采用高熔点、低热导率材料制备，可以有效减少热辐射和热传导造成的热量损失；内、外热屏筒组件的装配采用滑动装配的方式，可根据枪壳的实际尺寸调整阴极部件的装配尺寸位置，降低装配难度，进而保证装配精度。

5、         本发明中，电子枪内还设置有热屏组件，热屏组件包括外热屏筒和套设于外热屏筒内的内热屏筒，内热屏筒一端与内热屏筒座连接，外热屏筒一端与外热屏筒座连接，内外两层热屏筒的设置可以有效降低电子枪工作过程中热丝热量的耗散，提高热丝效率，进而有效地维持阴极工作温度，使阴极稳定地工作。

附图说明

图1为本发明的装配示意图；

图2为本发明中阳极、控制极和阴极头组成的光学系统的轴向截面图；

图3为本发明中阳极、控制极和阴极头组成的光学系统的角向截面图；

图4为本发明中控制极的主视图；

图5为本发明中控制极的左视图；

图6为本发明中控制极的俯视图；

图7为本发明实施例一中电子枪的仿真实验轴向截面电子注轨迹图；

图8为本发明实施例一中电子枪的仿真实验角向截面电子注轨迹图；

图9为本发明实施例二中电子枪的仿真实验轴向截面电子注轨迹图；

图10为本发明实施例二中电子枪的仿真实验角向截面电子注轨迹图；

图11为本发明实施例三中电子枪的仿真实验轴向截面电子注轨迹图；

图12为本发明实施例三中电子枪的仿真实验角向截面电子注轨迹图；

图13为本发明实施例四中电子枪的仿真实验轴向截面电子注轨迹图；

图14为本发明实施例四中电子枪的仿真实验角向截面电子注轨迹图；

其中，附图标记为：1—枪壳下端盖、2—枪壳下瓷筒、3—阴极组件支持片、4—枪壳中瓷筒、5—控制极支持片、6—枪壳上瓷筒、7—枪壳上端盖、8—阳极、9—控制极、10—阴极头、11—阴极支持筒、12—热丝、13—热丝填充物、14—外热屏筒座、15—阴极支架、16—外热屏筒、17—内热屏筒、18—内热屏筒座、19—热丝绝缘瓷管、91—斜坡凸起。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

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

实施例1

一种适用于径向对数螺旋微带慢波线的径向发散电子注电子枪，该电子枪与背景技术中申请号为201210409251.6 、名称为“一种径向对数螺旋微带慢波线” 发明专利申请中的慢波线配套使用。该电子枪包括枪壳，枪壳内设置有阴极组件、控制极9和阳极8。阳极8为圆盘状结构，且阳极8的圆盘中间位置开设有径向孔，阳极8的径向孔的角度由阴极头10的径向张角决定。控制极9也为圆盘状结构，且控制极9的圆盘中间位置开设有径向孔，在阴极组件与控制极9装配时，阴极组件的阴极头10置于控制极9的径向孔内；控制极9的径向孔内沿轴向上下两侧和角向左右两侧设置有斜坡凸起91，通过这些斜坡凸起91可起到对扇形径向电子注轴向压缩和角向整形的作用。轴向截面中，阴极头10的轴向宽度h_c=0.6mm，控制极9的径向孔的轴向宽度h_k=h_c+0.1=0.7mm，控制极9的开口台阶的轴向宽度h_k1=1.5mm，阳极8的轴向开口的轴向宽度h_a=0.62mm，阴极头10靠近阳极8一侧的端面与控制极9径向孔靠近阳极8一侧的末端的距离d_ck=0.05mm，阴极头10与阳极8的距离d_ca=0.45mm，阴极头10的阴极发射面为双曲面型发射面，阴极头10的阴极发射面的曲率半径r_c=1.19mm，控制极9径向孔内角向左右两侧的斜坡凸起91的倾角ψ₁=60°，控制极9径向孔内上下两侧的斜坡凸起91的倾角ψ₃=45°，阳极8的径向孔的倾角ψ₂=4°；角向截面中，阳极8端面的径向半径R_a=15.35mm，阴极端面的径向半径R_c=14.5mm，控制极9端面的径向半径R_k1=14.9mm，控制极9开口台阶终端的径向半径R_k2=R_k1-0.1=14.8mm，阴极头10端面的角向角度θ_c=8°，控制极9的径向孔的角向角度θ_k1=θc+4°=12°，控制极9端面的角向角度θ_k2=θ_k1+3°=15°，阳极8端面的角向角度θ_a=θ_c+14°=22°。

采用本实施例中阳极8、控制极9和阴极头10的尺寸时，阴极发射模型采用空间电荷限制发射，阳极电压设置为0V，阴极与控制极电压设置为-1700V ，电子枪可产生148.5mA、轴向注腰约为0.45mm、径向射程约为0.9mm、角向张角为8°的扇形片状发散电子注。

采用CST Particle Studio软件进行仿真实验时，其轴向截面电子注轨迹图、角向截面电子注轨迹图如图7、8所示。

实施例2

在实施例一的基础上，阴极头10的轴向宽度h_c=0.6 mm，控制极9的径向孔的轴向宽度h_k=1.6mm，控制极9的开口台阶的轴向宽度h_k1=0.7mm，阳极8的轴向开口的轴向宽度h_a=0.46mm，阴极头10靠近阳极8一侧的端面与控制极9径向孔靠近阳极8一侧的末端的距离d_ck=0.05mm，阴极头10与阳极8的距离d_ca=0.7mm，阴极头10的阴极发射面为圆柱面型发射面，阴极头10的阴极发射面的曲率半径r_c→∞，控制极9径向孔内角向左右两侧的斜坡凸起91的倾角ψ₁=60°，控制极9径向孔内上下两侧的斜坡凸起91的倾角ψ₃=45°，阳极8的径向孔的倾角ψ₂=4°；角向截面中，阳极8端面的径向半径R_a=15.6mm，阴极端面的径向半径R_c=14.5mm，控制极9端面的径向半径R_k1=15.2mm，控制极9开口台阶终端的径向半径R_k2=15.1mm，阴极头10端面的角向角度θ_c=8°，控制极9的径向孔的角向角度θ_k1=9°，控制极9端面的角向角度θ_k2=12°，阳极8端面的角向角度θ_a=11°。

采用本实施例中阳极8、控制极9和阴极头10的尺寸时，阴极发射模型采用空间电荷限制发射，阳极电压设置为0V，阴极与控制极电压设置为-1800V ，电子枪可产生84.9mA、轴向注腰约为0.37mm、径向射程约为1.5mm、角向张角为8°的扇形片状发散电子注。

采用CST Particle Studio软件进行仿真实验时，其轴向截面电子注轨迹图、角向截面电子注轨迹图如图9、10所示。

实施例3

在实施例一的基础上，阴极头10的轴向宽度h_c=0.6mm，控制极9的径向孔的轴向宽度h_k=0.6mm，控制极9的开口台阶的轴向宽度h_k1=0.7mm，阳极8的轴向开口的轴向宽度h_a=0.58mm，阴极头10靠近阳极8一侧的端面与控制极9径向孔靠近阳极8一侧的末端的距离d_ck=0.05mm，阴极头10与阳极8的距离d_ca=0.45mm，阴极头10的阴极发射面为双曲面型发射面，阴极头10的阴极发射面的曲率半径r_c=1.19mm，控制极9径向孔内角向左右两侧的斜坡凸起91的倾角ψ₁=60°，控制极9径向孔内上下两侧的斜坡凸起91的倾角ψ₃=45°，阳极8的径向孔的倾角ψ₂=3°；角向截面中，阳极8端面的径向半径R_a=15.35mm，阴极端面的径向半径R_c=14.5mm，控制极9端面的径向半径R_k1=14.9mm，控制极9开口台阶终端的径向半径R_k2=14.8mm，阴极头10端面的角向角度θ_c=160°，控制极9的径向孔的角向角度θ_k1=164°，控制极9端面的角向角度θ_k2=166°，阳极8端面的角向角度θ_a=182°。

采用本实施例中阳极8、控制极9和阴极头10的尺寸时，阴极发射模型采用空间电荷限制发射，阳极电压设置为0V，阴极与控制极电压设置为-1700V ，电子枪可产生2690mA、轴向注腰约为0.39mm、径向射程约为1.36mm、角向张角为160°的扇形片状发散电子注。

采用CST Particle Studio软件进行仿真实验时，其轴向截面电子注轨迹图、角向截面电子注轨迹图如图11、12所示。

实施例4

在实施例一的基础上，阴极头10的轴向宽度h_c=0.54mm，控制极9的径向孔的轴向宽度h_k=0.56mm，控制极9的开口台阶的轴向宽度h_k1=0.74mm，阳极8的轴向开口的轴向宽度h_a=0.5mm，阴极头10靠近阳极8一侧的端面与控制极9径向孔靠近阳极8一侧的末端的距离d_ck=0.08mm，阴极头10与阳极8的距离d_ca=0.78mm，阴极头10的阴极发射面为双曲面型发射面，阴极头10的阴极发射面的曲率半径r_c=0.66mm，控制极9径向孔内角向左右两侧的斜坡凸起91的倾角ψ₁=60°，控制极9径向孔内上下两侧的斜坡凸起91的倾角ψ₃=90°，阳极8的径向孔的倾角ψ₂=0°；角向截面中，阳极8端面的径向半径R_a=14.78mm，阴极端面的径向半径R_c=14.4mm，控制极9端面的径向半径R_k1=14.98mm，控制极9开口台阶终端的径向半径R_k2=R_k1-0=14.98mm，阴极头10端面的角向角度θ_c=4°，控制极9的径向孔的角向角度θ_k1=12°，控制极9端面的角向角度θ_k2=14°，阳极8端面的角向角度θ_a=12°。

采用本实施例中阳极8、控制极9和阴极头10的尺寸时，阴极发射模型采用空间电荷限制发射，阳极电压设置为0V，阴极与控制极电压设置为-1500V ，电子枪可产生167.1mA、轴向注腰约为0.4mm、径向射程约为0.5mm、角向张角约为6°的扇形片状发散电子注。

从电子注轨迹的截面图中可以看出，由于没有ψ₃对扇形片状发散电子注在角向两侧进行约束，在电子注自身空间电荷力的作用下，其角度大于阴极头10端面的角向角度θ_c=4°，这不是我们想要的结果。

另外，电子注射程太小，其效果是，电子注在进入通道前就开始发散，这样，电子注将不能通道中有效传播，因此，这一组数据将不能用于生产 。

采用CST Particle Studio软件进行仿真实验时，其轴向截面电子注轨迹图、角向截面电子注轨迹图如图13、14所示。

实施例5

在实施例一、实施例二或实施例三的基础上，该枪壳包括依次设置的枪壳下端盖1、枪壳下瓷筒2、枪壳中瓷筒4、枪壳上瓷筒6和枪壳上端盖7，枪壳下端盖1、枪壳下瓷筒2、枪壳中瓷筒4、枪壳上瓷筒6和枪壳上端盖7通过陶瓷金属封接工艺焊接连接形成中空结构。阳极8安装在枪壳上端面的端面上，其中枪壳上端面的端面上设置有卡槽，该卡槽可为环形的卡槽，阳极8的端面上设置有对应枪壳上端面卡槽的卡块或卡环，卡槽与卡块或卡环连接，使阳极8固定安装在枪壳上端面上。阴极组件和控制极9安装与枪壳上瓷筒6的内部空腔内。

优选地，在枪壳中瓷筒4和枪壳上瓷筒6之间设置有控制极支持片5，该控制极支持片5的两端面分别由枪壳中瓷筒4、枪壳上瓷筒6夹紧并焊接固定。控制极支持片5中心位置开设有用于装配控制极9的控制极9支持槽，控制极9装配在控制极支持片5的控制极9支持槽中并固定。

实施例6

在实施例一、实施例二、实施例三或实施例五的基础上，该阴极组件包括阴极头10、阴极支持筒11、热丝12和热丝填充物13。其中，阴极头10装配在阴极支持筒11一端的阴极支持槽中，且该阴极支持槽开设在阴极支持筒11上靠近阳极8的一侧。阴极支持筒11另一端的端面向内凹陷形成凹腔，且阴极支持筒11的凹腔内设置有热丝12和热丝填充物13，该热丝12一端螺旋设置于阴极支持筒11的凹腔内，而热丝12另一端穿出凹腔与外部器件连接，热丝填充物13填充于阴极支持筒11与热丝12之间。

优选地，还包括热丝绝缘瓷管19，穿出阴极支持筒11凹腔的热丝12套设于热丝绝缘瓷管19内。

优选地，阴极支持筒11外还套设有阴极支架15，阴极支持筒11通过阴极支架15固定安装于枪壳内。

优选地，在枪壳下瓷筒2与枪壳中瓷筒4之间还设置有阴极组件支持片3，该阴极组件支持片3的两端面分别由枪壳中瓷筒4、枪壳下瓷筒2夹紧并焊接固定。阴极组件支持片3中心位置开设有用于装配阴极支架15的支持槽，阴极支架15装配在阴极组件支持片3的支持槽中并固定。

实施例7

在实施例一、实施例二、实施例三、实施例五或实施例六的基础上，电子枪的枪壳内还设置有热屏组件，该热屏组件包括外热屏筒16和内热屏筒17，且该内热屏筒17套设于外热屏筒16内。内热屏筒17一端与内热屏筒座18连接，外热屏筒16一端与外热屏筒座14连接，且内热屏筒座18和外热屏筒座14分别位于热屏组件的两侧。外热屏筒座14位于阴极支持筒11与阴极支架15之间，且阴极支持筒11与外热屏筒座14、外热屏筒座14与阴极支架15均固定连接。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。