Ka波段高压缩比电子光学系统的分析与设计

微波电真空器件向高功率、高频率、宽频带、高效率和小型化方向发展,对电子光学系统的要求也日益增高。文中设计了工作于Ka 波段的扩展互作用速调管(Extended Interaction Klystron, EIK)高压缩比电子枪,利用二维仿真软件E-GUN 和三维仿真软件Opera-3D 对轴对称电子束在均匀永磁聚焦磁场内运动状态进行建模并仿真计算。相关结果表明,在阳极电压25 kV、注电流2.5 A、阴极面电流密度不超过12A/cm2 的条件下,面压缩比约为85,电子注以良好的刚性通过互作用区域。     

强流静电会聚电子枪系统计算机模拟研究

轻、小型层流电子枪在电子束焊接,微波器件等方面具有广泛的应用,希望得到稳定的、环形分布且会聚良好的电子束.但传统电子枪的聚焦系统如磁聚焦或电磁混合聚焦存在结构复杂、重量大的缺点.我们采用具有优异电子发射和抗中毒能力的LaB6作为阴极材料,纯静电聚焦的方式进行仿真、设计.经过理论探讨和计算机模拟仿真,在5 000 V总电压下,输出300 mA强流电子束,导流系数达到了3.35 μA/V3/2.为下一步具体的结构设计提供了可靠依据.     

电子枪发射电流的数值计算

本文根据热电子发射的统计理论,运用无穷大平板二极管中考虑电子纵向热速度效应的电位状态与普通电子枪中阴极前面的电位状态相等效的处理方法,编写了电子枪的计算机程序,得到了计算的电子枪发射电流值与实测的电流值相一致的结果,文中还通过计算分析指出,在计算电子束管电子枪的发射电流时,必须考虑电子的纵向热速度效应,其计算的电流值比3/2次方定律的电流值大,且更接近实测结果;微波管强流电子枪中,电子纵向热速度效应在低工作电压下比在高工作电压下影响大些,但总的来说,比在电子束管中的影响小得多;电子纵向热速度效应对发射电流的影响随阴极的发射电流密度与阴极发射本领差别的增大而增加,但当这一差别大于一定值后,这种影响的大小趋于恒值。     

紧凑型自由电子激光太赫兹源研究进展

研制了一种具有两路微波馈入的新型热阴极微波电子枪和满足实验要求的主加速器增能段,介绍了该项目中的热阴极微波电子枪和主加速器的物理设计、数值模拟以及摇摆器测试结果等,并进行了初步热测实验。测得电子束能量约6.7 MeV,能散0.95%,归一化发射度13.5πmm.mrad。     

利用活性浸渍物质提高热阴极电流密度的实验研究和理论模型

通过发展新的活性物质成分系统及其制备方法以提升钪系阴极的电子发射性能,是当今热阴极特别是大电流密度阴极领域的研究重点。该文提出一种由多元金属氧化物构成的新型高活性浸渍物质,显著提升了钪在阴极中的添加比例,大幅提高了阴极的发射电流密度。将冷冻干燥法应用到该活性物质前驱体的制备过程中,有效解决了传统固相合成方法在机械式破碎、研磨和混合等工序中存在的不可控、不均匀等问题。采用了新的成分系统与新的制备方法制得活性物质的阴极,在真空二极管测试和电子枪测试中分别取得了超过500 A/cm2和218.5 A/cm2的脉冲发射电流密度。在二极管直流测试条件下,阴极的寿命测试进行了10500 h后仍未出现发射电流下降的现象;而在电子枪中的大工作比(5%)脉冲测试条件下,阴极在工作了2010 h后仍维持了超过50 A/cm2的较大发射电流密度。借助深紫外—光/热发射电子显微镜(DUV-PEEM/TEEM)分析发现,相较传统的钪系阴极,新制备的大电流密度阴极表面的热电子发射位点数量增加,微区发射面积显著增大。最后,提出一种“二叉树”发射模型,以期阐释钪系阴极采用新活性物质后获得高发射特性的物理机制。     

等离子体阴极电子枪的实验研究

填充等离子体高功率微波器件具有独特的性能.然而等离子体正离子对电子枪的轰击通常会破坏材料阴极表面并降低其电子发射能力.解决此问题的一种新方案是采用等离子体阴极电子枪.本文设计制作了等离子体阴极电子枪,采用氦气馈气系统和脉冲调制器进行实验研究,得到电子枪放电电流与气体压强、调制器电压等的关系.实验表明,等离子体阴极可取代材料阴极作为大电流、长脉冲电子注源.     

利用活性浸渍物质提高热阴极电流密度的实验研究和理论模型

通过发展新的活性物质成分系统及其制备方法以提升钪系阴极的电子发射性能,是当今热阴极特别是大电流密度阴极领域的研究重点.该文提出一种由多元金属氧化物构成的新型高活性浸渍物质,显著提升了钪在阴极中的添加比例,大幅提高了阴极的发射电流密度.将冷冻干燥法应用到该活性物质前驱体的制备过程中,有效解决了传统固相合成方法在机械式破碎、研磨和混合等工序中存在的不可控、不均匀等问题.采用了新的成分系统与新的制备方法制得活性物质的阴极,在真空二极管测试和电子枪测试中分别取得了超过500 A/cm2和218.5 A/cm2的脉冲发射电流密度.在二极管直流测试条件下,阴极的寿命测试进行了10500 h后仍未出现发射电流下降的现象;而在电子枪中的大工作比(5％)脉冲测试条件下,阴极在工作了2010 h后仍维持了超过50 A/cm2的较大发射电流密度.借助深紫外—光/热发射电子显微镜(DUV-PEEM/TEEM)分析发现,相较传统的钪系阴极,新制备的大电流密度阴极表面的热电子发射位点数量增加,微区发射面积显著增大.最后,提出一种"二叉树"发射模型,以期阐释钪系阴极采用新活性物质后获得高发射特性的物理机制.     

一种电子枪分析设计

设计一种大功率轰击型六硼化镧电子枪。以传热学理论基础和重要结论为依据,得出能减小阴极电子枪热量损失的几个设计与材料选取原则。利用有限元法对轰击型六硼化镧电子枪阴极模型进行热模拟。依据模拟结果设计一种轰击型六硼化镧阴极电子枪,其发射面直径为2.0 mm,当加热功率为80.0 W时,阴极温度达到1 569℃所发射电子束束流密度达到5.55 A/cm2,并且发射稳定、束斑均匀、发散度小,反复暴露于大气后仍能正常工作。     

直径155mm钪酸盐阴极组件研制

热阴极不仅应用在微波电真空器件中,还可应用到高能电子线性加速器中,这种电子加速器通常需要具有上千安培发射电流的电子源.本文主要介绍了某加速器上的直径155mm钪酸盐热阴极组件的研究过程和初步测试结果.模拟分析和实验结果表明,该热阴极组件具有较好的结构稳定性;热子功率可达3200W,在1100℃时能提供2690A的脉冲发射电流,电流密度达到14.3A/cm2;同时单脉冲和三脉冲测试都表现出良好的电流稳定性和一致性.     

钪钨基体钡钨热阴极发射性能研究

为获得电子发射性能优异的含钪钡热钨阴极,采用液固掺杂、掺杂钨粉还原、等静压制、高温烧结、浸渍发射物质等工艺,制备出钪钨基体钡钨热阴极。对该阴极的发射性能测试结果显示,在阴极温度分别为950℃、1050℃、1100℃时,脉冲发射电流密度分别为53.6A/cm2、65.7A/cm2、79A/cm2。分析认为,由于氧化钪均匀地覆盖在钨颗粒的表面,氧化钪与钨接触面增多,使氧化钪与钨的结合力增大,因此该阴极具有均匀性良好的热电子发射,较好的抗离子轰击能力。     

冷阴极技术及其在大功率真空电子器件中的应用

场致发射阴极作为重要的电子源之一,在真空电子器件的发展进程中扮演了重要的角色。在与固态器件的竞争中,真空电子器件朝大功率高频方向持续发展,场致发射阴极的应用使其在器件尺寸、可靠性、功耗和工作频率等方面具备了较大的改进空间。本文综述了近年来大电流场致发射阴极技术进展,特别介绍了碳纳米管场致发射阴极的发展。试验表明在直流测试条件下,该类型场致发射阴极发射电流密度已可达到A/cm2量级,且可以实现长寿命高稳定发射,未来在场致发射阴极微波放大器、自由电子激光器和新型中子源等方面将有广泛的应用前景。     

碳纳米管冷阴极Pierce电子枪

为发展场致发射冷阴极毫米波电真空辐射源器件, 对利用大面积碳纳米管冷阴极产生大电流、高电流密度电子注的电子光学系统进行了研究.通过在Pierce电子枪阴极表面引入栅网结构, 解决了碳纳米管冷阴极场致发射所需的强电场和电子聚束问题.在碳纳米管冷阴极实验测试数据的基础上, 采用粒子模拟软件对上述电子光学系统进行了仿真.研究了栅网对注电流、注腰半径和电子注散射的影响, 分析了阳极电压和外加轴向磁场对电子注的聚束作用.优化后的仿真结果表明在阴极发射面为3.03 cm2时, 该电子光学系统能够产生210 mA、60 kV, 电流密度为6.7 A/cm2, 最大注半径为1mm的电子注.     

Basic and applied studies of field emission at microwave frequencies

Experimental field-emission microwave devices ("femitrons") are described which locate a cold field-emission cathode in the gap of a cavity resonator to achieve direct emission bunching of the electron beam. These devices exploit the high emission density and strong nonlinearity of field cathodes to produce beams with high current density, strong bunching and high harmonic content. An analysis of beam bunching and harmonic content is presented, based on certain assumptions and particularly on the validity of the field-emission law at microwave frequencies. Several independent experiments are discussed which verify these assumptions and confirm the predicted bunching and harmonic content, thus establishing the feasibility of developing femitrons into high-efficiency amplifiers or oscillators, or for the performance of nonlinear operations such as frequency mixing, harmonic generation or rectification of microwave power. Recent developments and current performance of compact multiple-needle field cathodes with relatively high peak current and perveance capability are presented. Based on these, and on preliminary tests at intermediate power levels of microwave devices using such cathodes, a brief evaluation is made of the probable performance and possible applications of femitron devices.     

The Experimental Study of Novel Pseudospark Hollow Cathode Plasma Electron Gun

The high-power microwave devices with plasma-filled have unique properties. One of the major problems associated with plasma-filled microwave sources is that ions from the plasma drift toward the gun regions of the tube. This bombardment is particularly dangerous for the gun, where high-energy ion impacts can damage the cathode surface and degrade its electron emission capabilities. One of the techniques investigated to mitigate this issue is to replace the material cathode with plasma cathode. Now, we study the novel electron gun (E-gun) that can be suitable for high power microwave device applications, adopting two forms of discharge channel, 1: a single hole channel, the structure can produce a solid electron beam; 2: porous holes channel, the structure can generate multiple electronic injection which is similar to the annular electron beam.     

A NEW Ba-W DISPENSER CATHODE IMPREGNATED WITH BARIUM YTTERBATE

A new kind of Ba-W dispenser cathode impregnated with barium ytterbate has been deve-loped.It has good properties;high coefficient of secondary emission,strong ability of resisting oxygenpoisoning,high thermionic emission current density and more uniform emission on the cathode surface.The cathode is suitable for using as an electron emitter for microwave tubes,especially magnetrons.     

浸渍镱酸盐阴极

本文介绍了一种新型钡钨阴极镱酸盐阴极,这种阴极是以多孔钨海绵为基体,浸渍镱酸盐发射材料而制成。该阴极具有大的次级电子发射系数,在室温下,为4.1;较大的热发射,在1000℃,可支取6A/cm2的电流密度,而且阴极表面发射比较均匀;有较强的抗氧中毒能力;是一种较好的实用阴极。     

冷冻干燥法制取扩散阴极含钪活性物质

借助液相合成法中的冷冻干燥法,制备出了高发射扩散阴极所需的含钪多元金属氧化物活性物质,其中Ba与Sc的原子比接近2∶1。应用该活性物质的浸渍阴极,取得了超过500 A/cm;的二极管脉冲发射电流密度和218.5 A/cm;的电子枪脉冲发射电流密度。在二极管直流测试条件(950°C,10 A/cm;)下,阴极的寿命测试进行了10500 h后仍未出现发射电流下降的现象;而在电子枪中的大工作比(5%)脉冲测试条件下,阴极在工作了2010 h后仍维持了超过50 A/cm;的较大发射电流密度。冷冻干燥法有效解决了传统固相合成方法在机械式破碎、研磨和混合等工序中存在的原料混合不可控、成分分布不均匀等问题,能够缩短工艺流程、节约工艺设备,有着良好的生产推广价值。     

新型纳米薄膜钪钨阴极的研究

介绍了一种新型的纳米薄膜钪钨阴极，该阴极在1000℃（亮度温度）可以提供至少150A／cm^2的拐点电流密度。同时作者指出：含钪阴极的发射机制倾向于热电子发射机制还是“场助热电子发射”机制主要取决于阴极表面发射小岛的形成和维持。