利用用于线性粒子加速器的三极管空心阴极电子枪的系统及方法

摘要

本发明大体上涉及用于使用大体上减轻回流电子的撞击的空心阴极三极管电子枪产生可控电子束的系统及方法。

说明书

背景技术

本发明涉及用于使用大体上减轻电子回流的撞击的空心阴极三极管电子枪产生可控电子束的系统及方法。

真空电子装置(VED)(例如线性粒子加速器或速调管)使用通常称为电子枪的电子束源。

常规电子枪有两种类型。第一种类型的电子枪是具有两个电极(即，阴极及阳极)的二极管电子枪。第二种类型的电子枪是具有三个电极(即，阴极、阳极及栅极)的三极管电子枪。

三极管电子枪具有优于二极管电子枪的操作优点。一个优点是允许由电子枪产生的电子束电流的快速改变。在二极管电子枪的情况下，改变电子束电流是通过改变阴极与阳极之间的高电压差(其通常为几千伏)来完成。在三极管电子枪的情况下，改变电子束电流是通过改变阴极与栅极之间的电压差(其通常为几伏)来完成。因此，改变电子束电流可更快地并且以更受控的方式进行。

三极管电子枪的主要用途是向线性粒子加速器(Linac)供应电子束电流。与使用具有Linac的电子枪相关联的常见问题是一些电子可朝向电子枪流回。这些回流电子撞击其阴极并且升高其温度。阴极通常浸渍有例如钡的材料，所述材料通过降低阴极的功函数来增强电子发射。阴极温度的升高会提高浸渍材料的蒸发速率。随着时间的推移，此同一浸渍材料粘附到所有瞄准线的表面，主要粘附到枪的栅极(其直接在阴极的发射表面前面)。栅极保持在与阴极的电势电压几近相同的电压，并且因此在栅极与处于接地电势的阳极之间产生电压梯度。回流电子撞击栅极，从而升高其温度。随着浸渍材料在栅极上的沉积及因电子的回流所致的其温度的升高，栅极可能以不受控制的方式发射不合需要的电子。

回流电子还撞击阴极的发射表面的中心部分，从而提高其温度并且因此增大浸渍材料的蒸发速率。此过量的浸渍材料将粘附到栅极及其它表面，包含来自阴极的下游的Linac结构。所述Linac结构还具有高的场梯度，并且当其表面变得涂覆有浸渍材料时，其将经历不合需要的及不受控制的电子的场发射，所述不合需要的及不受控制的电子形成通常所称的“暗电流”。

因此，清楚的是，迫切需要一种改进的电子枪，其为三极管并且可大体上减轻电子的回流的撞击，并解决上述不合需要的及不受控制的电子的发射问题。本发明涉及一种三极管电子枪。特定来说，其涉及一种与真空电子装置(VED)一起使用的具有空心阴极的三极管电子枪。

发明内容

真空电子装置(VED)(例如线性粒子加速器(Linac)或速调管)使用通常称为电子枪的电子束源。典型的三极管电子枪包括发射电子的阴极、吸引这些电子的阳极及控制电子流动的栅极。

当电子枪与例如Linac的VED一起使用时，从电子枪的阴极发射的一些电子可朝向电子枪流回以撞击栅极及阴极，从而导致栅极及阴极温度升高到其正常操作温度以上。这导致电子枪的较短寿命，并且导致通常称为“暗电流”的不合需要的及不受控制的电子的发射。

本发明通过在三极管电子枪中使用空心阴极及空心栅极并且包含作为空心阴极电子枪的不可或缺部分的柱来减轻回流电子的不利撞击。对柱的包含是本发明的基本特征，其有助于消除不合需要的及不受控制的电子的发射，并且同时提供表现良好的会聚电子束。

应注意，可单独或组合实践本发明的上述各种特征。下文将在本发明的详细描述中并且结合以下附图更详细地描述本发明的这些及其它特征。

附图说明

为了更清楚地确定本发明，现在将参考附图通过实例的方式描述一些实施例，其中：

图1是具有电子枪的线性粒子加速器的基本示意图；

图2描绘具有柱的空心阴极电子枪及线性粒子加速器的几个腔的横截面图；

图3是具有柱的空心阴极电子枪的详细横截面图；及

图4是柱在防止空心阴极电子枪中发射的电子束塌陷方面的作用的简化图解说明。

具体实施方式

现将参考附图中所说明的本发明的若干实施例来详细描述本发明。在以下描述中，阐述众多具体细节以便提供对本发明的实施例的透彻理解。然而，对于所属领域的技术人员显而易见的是，可在没有这些具体细节中的部分或全部的情况下实践实施例。在其它情况下，未详细描述众所周知的过程步骤及/或结构，以免不必要地使本发明模糊。参考附图及下面的论述可更好地理解实施例的特征及优点。

参考以下结合附图的描述，将更好地理解本发明的示范性实施例的方面、特征及优点。对于所属领域的技术人员应显而易见的是，本文提供的本发明的所描述的实施例仅仅是说明性的而不是限制性的，仅通过实例的方式呈现。除非另有明确说明，此描述中揭示的所有特征可由用于相同或类似目的的替代特征替换。因此，其修改的众多其它实施例被认为属于如本文所界定的本发明及其等效物的范围内。因此，使用绝对及/或顺序术语(例如“将”、“将不”、“应”、“不应”、“必须”、“不得”、“仅仅”、“首先”、“最初”、“接下来”、“随后”、“之前”、“之后”、“最后”及“最终”)并不意味着限制本发明的范围，这是因为本文中所揭示的实施例仅为示范性的。

另外，如本说明书及所附权利要求书中所使用，单数冠词形式“一”及“所述”包含单数及复数指示物两者，除非其使用的上下文清楚地另有规定。因此，例如，对“一活塞”的提及包含多个弹簧以及单个活塞，对“一出口”的提及包含单个出口以及出口的集合，等等。

与结合线性粒子加速器使用电子枪相关联的常见问题是一些电子被注入加速器，与RF成异相状态，并且向后朝向电子枪的栅极及阴极加速。这些回流电子可具有显著的能量并且撞击栅极及阴极，从而导致栅极及阴极温度升高到高于其正常操作温度。撞击区域通常分布在栅极及阴极的发射表面的最中心区域，从而不仅导致那些区域中温度显著较高，还导致整个表面的温度也增加。阴极通常用包含钡的材料浸渍，所述材料通过降低阴极材料的功函数而增强电子发射。钡的蒸发速率强烈取决于阴极温度，并且因回流电子所致的阴极温度升高会迅速提高浸渍材料的蒸发速率。随着时间的推移，此同一蒸发的浸渍材料粘附并积聚到所有瞄准线表面，所述表面包含(但不限于)通常直接位于阴极发射表面前面的电子枪的栅极、电子枪的阳极及Linac的加速结构。栅极还经历其与通常处于接地电势的阳极之间的电压梯度。栅极的电势接近于阴极的电势电压。回流电子撞击栅极并使其温度升高。随着浸渍材料在栅极上的沉积及因电子的回流所致的其温度的升高，栅极将以不受控制的方式开始发射不合需要的电子。

回流电子还撞击阴极的发射表面的中心部分，从而升高其温度并且因此增大浸渍材料的蒸发速率。此过量的浸渍材料将粘附到栅极及其它表面，包含来自阴极的下游的Linac结构。所述Linac结构还具有高的场梯度，并且当其表面变得涂覆有浸渍材料时，其将经历不合需要的及不受控制的电子的高场发射，所述不合需要的及不受控制的电子形成了通常所称的Linac中的“暗电流”。

对于其中使用少量的电流(数百微安的数量级)且因此少量的不合需要及不受控制的电子发射可显著地改变计划的电子辐射的Linac的电子辐射应用来说，暗电流特别成问题。

可用于三极管电子枪的一种解决方案是用例如锆(Zr)的材料涂覆(例如，通过溅射)电子枪的栅极(其由(例如)钼(Mo)制成)，借此Zr与沉积在栅极上的浸渍材料(例如钡)发生化学反应以抑制来自栅极的不合需要及不受控制的电子发射。然而，在此方法中，栅极及阴极的中心区域由于回流电子的撞击而仍然变得非常热，并且来自阴极的过量浸渍材料的存在将产生暗电流。此外，由于回流电子撞击阴极发射表面的中心部分并因此升高其温度，浸渍材料的蒸发速率将增大且因此阴极的使用寿命变短。

解决回流电子的问题及相关联的暗电流问题的替代方法结合二极管电子枪(其仅具有两个电极(阴极及阳极，且没有栅极))一起使用。在此方法中，空心阴极与中心柱(其与阴极热隔离)一起使用。在此配置中，回流电子将避开阴极，而改为撞击所述柱。在二极管电子枪中，当需要电子流时，阴极从零(接地电势)脉动到全阴极电势(通常为千伏)。虽然柱将涂覆有浸渍材料(例如钡)，并且经历因回流电子所致的增加的热，但当阴极及柱在零伏下脉动关闭时，脉冲之间没有场梯度且没有不合需要的电子流动。所述柱未被浸渍并且不将例如钡的浸渍材料释放到Linac结构中；因此不产生暗电流。然而，此方法限于二极管电子枪。

在三极管电子枪上，阴极保持在全电势电压，并且栅极电压相对于阴极经正向脉动以允许电子从阴极流出，并且相对于阴极经负向脉动以抑制电子从阴极流出。使用三极管电子枪具有比二极管电子枪更重要的优点。一个实例是在使用三极管电子枪向Linac提供电子束时。使用三极管电子枪允许超快速电流脉动，比二极管电子枪快得多，并且更快的脉冲重复速率促进工业筛选应用中更快的检查。使用三极管电子枪还允许在适用于多能量Linac操作的Linac中的束电流的超快速改变，所述多能量Linac操作在需要不同的能量以区分自制炸药(HME)及其它形式的违禁品时的工业筛选应用中是非常有利的。对于医疗应用，使用三极管电子枪向Linac提供电子束将允许加速器在多个能量下操作。因此，一个基于加速器的系统将能够处置成像及涵盖广谱患者及癌症类型的多种治疗两者。

本发明解决了上述不合需要的及不受控制的电子的发射的问题。本发明涉及一种三极管电子枪。特定来说，涉及一种与真空电子装置(VED)(例如线性粒子加速器或速调管)一起使用的具有空心阴极的三极管电子枪，其中速调管可为单束速调管或多束速调管。

本发明的空心阴极三极管电子枪还可有利地用作需要电子束的多种装置的电子源。

根据本发明的一个实施例的空心阴极三极管电子枪可与许多类型的Linac一起使用以用于医疗、工业及安全应用。这包含：驻波Linac及行波Linac。驻波Linac可为双周期轴向耦合型或磁性侧耦合型或双周期磁耦合型。

此外，根据本发明的一个实施例的空心阴极三极管电子枪可与不同的Linac设计一起使用，例如基于恒定阻抗方法设计的Linac或基于恒定梯度方法设计的Linac。

本发明表示上述问题的实际解决方案，其基于采用空心阴极、柱及具有接纳柱的中心孔的栅极的三极管电子枪。将栅极与空心阴极合并提供使用三极管电子枪的优点，同时免除栅极或阴极所遭受的因回流电子的撞击引起的变热缺点。

使用并入的图式，下面更详细地描述本发明空心阴极三极管电子枪。

图1展示示范性线性粒子加速器(Linac)110的基本示意图100，其中电子枪120沿着轴105发射电子束130，轴105是电子线性加速器110与电子枪120两者的共同轴。电子束130正加速穿过由微波功率150(也称为RF功率或电磁功率)供电的腔140a、140b、140c、…、140n。示范性电子线性加速器110因此产生高能电子束160作为其输出。应注意，从电子枪120发射的一些电子可以错误的相位到达电子线性加速器的腔中，并因此其形成回流电子束170。

图2描绘根据本发明的空心阴极电子枪300的横截面图200，所述空心阴极电子枪沿轴105朝向阳极210发射电子束130，阳极210机械地及电连接到示范性Linac 110。电子束130行进通过阳极210中的中心孔215到Linac 110上。仅展示电子线性加速器的前三个腔140a、140b及140c。阳极孔215的中心与轴105对准，轴105是空心阴极电子枪300与Linac 110两者的共同轴。空心阴极电子枪300通过将空心阴极电子枪300的焊接凸缘223接合到Linac 110的焊接凸缘113而附接到Linac 110。

图3描绘根据本发明的空心阴极电子枪300的细节。空心阴极电子枪300由空心阴极310、栅极320、加热丝330、柱340、聚焦电极350及包围空心阴极电子枪的所有构成组件的高电压绝缘体360组成，且全都以轴105为中心，轴105是空心阴极电子枪300与Linac 110(仅展示加速器的边缘)的共同轴。下面更详细地描述空心阴极电子枪300构成部件中的每一者。

空心阴极310是凹形的，并具有以轴105为中心的中心孔311。空心阴极310由例如浸渍的多孔钨的材料制成，当被加热到升高温度时，其可容易地发射电子(热电子发射)。空心阴极通常浸渍有例如钡的材料，其通过降低阴极材料的功函数而增强电子发射。空心阴极310通过阴极支撑件312或一系列支撑结构附接就位。阴极支撑件312通常是也以发射轴105为中心的由钼、钼-铼、钽或类似的低蒸气压力材料制成的金属管、圆柱体及/或锥形圆柱体。阴极支撑件312连接到聚焦电极350以及阴极支撑套筒313，阴极支撑套筒313通常由钼或钼-铼或其它合适的低蒸气压力材料制成，其起到热扼流圈的作用，保持由加热丝330产生的热不被热传导远离空心阴极310，从而允许空心阴极实现并维持高温操作，对于浸渍的分配器阴极，所述高温操作可大于1000C。类似的结构用于在涂覆的阴极、氧化物阴极、储集层阴极及电子枪中使用的其它类型的阴极中维持高温。阴极支撑件312附接到阴极连接器314，阴极连接器314铜焊在阴极栅极绝缘体324与丝绝缘体334之间。阴极支撑件312也焊接到柱支撑件341，并且所述柱支撑件焊接到柱340，从而保持其在轴105上居中并且相对于空心阴极310、栅极320及阳极210保持在此中心位置。空心阴极310通过阴极连接器314连接到电源(未展示)。所述电源为阴极提供通常为数万伏的偏置负电压。

应注意，根据本发明的一个实施例，一种类型的空心阴极是“分配器B阴极”，其为用氧化钡(BaO)、氧化钙CaO及氧化铝(2Al2O3)的混合物(其具有例如5BaO:3CaO:2Al2O3的摩尔比，也称为“5-3-2浸渍”)浸渍的多孔钨的金属基体。其它常见的摩尔比包含3:1:1、4:1:1及6:1:2。也可使用其它浸渍比。另一种类型的分配器阴极是用氧化钪(Sc2O)浸渍的“分配器钪酸盐阴极”。根据本发明的一个实施例的又一种阴极类型是具有Os-Ru(锇-铼)薄层的分配器B阴极，其被称为“M-涂覆的阴极”。可根据本发明的一个实施例使用的第四阴极类型是“氧化物阴极”。

栅极320如空心阴极310具有凹形形状，并且紧靠空心阴极310的发射表面放置，通常接近几密耳到几十密耳，并且根据需要具有与阴极大致相同的曲率，以实现适当的发射及光束轨迹130。栅极320的位置及形状以及其开口经选择以最优地控制从阴极发射的电子的通过。栅极320由称为栅极支撑件322的金属支撑管或锥体固定，栅极支撑件322可由多个组件组成，并且通常为钼及/或与栅极相同的材料，并以共同轴105为中心。栅极支撑件322构成以共同轴105为中心的同轴腔的延伸。栅极支撑件322通过焊接或铜焊固定到通常由氧化铝(纯度为94％到99.8％)制成的高电压绝缘体360及阴极栅极绝缘体324(其也由氧化铝制成并且脱离真空壁以在栅极连接器323处提供将栅极电源(未展示)连接到电子枪300的构件。

加热丝330连接到从空心阴极310的背面延伸的丝腿331，并通过由铂或其它合适金属制成的金属导体带333连接到通常由科瓦(Kovar)或镍制成的丝杆332。丝杆332焊接到丝帽335，使得焊接产生气密密封并且与连接到丝电源(未展示)的丝连接器336适当地电接触。阴极连接器314通过氧化铝丝加热器隔离器334与丝连接器336电隔离。

当电流被供应到加热丝330时，丝线由于电阻加热而温度增加，并且来自此线的热被传导到阴极，从而使空心阴极310的温度升高，并且因此允许其从其浸渍的凹表面发射电子。聚焦电极350的存在防止不合需要的电子从阴极的侧面发射出去，并且还帮助将发射的电子从阴极的面聚焦成具有沿着轴105的适当电子轨迹130的适当成形的电子束。

本发明的基本特征是包含柱340作为空心阴极电子枪300的整体部分。柱340放置在空心阴极310的中心，并通过通常由科瓦或镍制成的柱支撑件341附接在适当位置。

在空心阴极的中心没有穿过其孔的柱(例如柱340)的空心阴极将从其内径发射具有差的轨迹的不太令人期望的电子。本发明的一个实施例通过添加例如定位在空心阴极310的中心中的柱340的实心柱来防止这种效果。所述柱可为圆柱形或圆锥形。其与空心阴极热隔离，但电连接到空心阴极，且因此与阴极处于相同的电势，并因此将抑制来自阴极的内径的任何发射。在没有此柱的情况下，离开阴极的电子将在发射束的中心中没有任何空间电荷的情况下具有塌陷轨迹。其电势电压与阴极相同的柱将有效地排斥具有相同电势电压的电子并防止电子束塌陷，从而改进电子轨迹，进而提供表现良好的会聚电子束。

图4中的配置400说明柱在防止从阴极离开的电子具有塌陷轨迹方面的作用。电子束从空心阴极310的表面315发射。阴极通常在数万伏的负电压电势下偏置，并且栅极320经正向脉动以允许电子从阴极流出，从而形成发射的电子束130。柱340定位在空心阴极310的中心，并且根据本发明的一个实施例电连接到空心阴极310。因此，阴极表面315及柱表面345两者将具有相同的电势，且因此抑制来自阴极的内径的任何不希望的发射，例如电子射线410。其电势电压与阴极相同并且经轴向定位以使得柱的端部处于阴极前面的柱将有效地排斥具有相同电势电压的电子并防止电子束塌陷，从而改进电子轨迹，进而提供表现良好的会聚电子束。柱相对于栅极的位置也是重要的，使得当栅极负脉动时，可完全切除两者之间的间隙。过大的间隙将允许来自阳极的场向内朝向阴极表面弯曲，从而允许其在光束应完全关闭时偏置少量的电子。

应注意，在存在浸渍的阴极的情况下，柱340将最终涂覆有浸渍材料(例如钡)，从而降低柱的材料功函数。随着回流电子撞击柱，其将导致柱的温度的增加，并且因此从柱发射不合需要的及不受控制的电子。在根据本发明的一个实施例中，柱可由例如锆(Zr)或铪(Hf)的材料或与浸渍材料(例如钡)反应以抑制或完全阻止发射的另一种金属或复合材料制成。

在本发明的另一个实施例中，柱可由例如钼、钨或另一种低蒸气压力材料的材料制成，并接着(例如通过溅射、化学气相沉积或其它涂覆方法)用锆(Zr)或与浸渍材料(例如钡)发生化学反应的另一种元素将其涂覆以抑制电子发射。

根据本发明的一个实施例，柱与阴极热隔离，并且具有散热路径以防止柱材料熔化。

根据本发明的一个实施例，柱可成形为空心圆柱体或空心锥体，使得回流电子将在更大的表面积上撞击柱的内侧，从而提供较低的功率密度及由回流电子产生的较少热量。

根据本发明的另一个实施例，柱可位于优选位置，以便帮助将从空心阴极310发射的电子聚焦到适当成形的电子束中。

在本发明的另一方面中，柱可定位在优选位置，以便在栅极电压降低或者在以相对于阴极电压的微小负电压运行时允许电子束130被切断。

虽然已依据若干实施例描述了本发明，但存在属于本发明的范围内的更改、修改、置换及替代等效物。还应注意，存在实施本发明的方法及设备的许多替代方式。因此，旨在将随附权利要求书解释为包含属于本发明的真实精神及范围内的所有此类更改、修改，置换及替代等效物。