小型化Ka波段行波管快启电子枪研究

针对弹载环境中毫米波行波管快速启动要求,利用ANSYS软件模拟电子枪阴极施加热丝功率对阴极温度产生的影响,并通过电子枪温度试验,定量测定热丝功率和阴极温度的对应关系,验证温度对阴极发射的影响。在模拟和试验基础上,开展电子枪小型化结构设计,成功研制出小型化毫米波弹载行波管用电子枪,使其满足弹载环境15 s快启功能。

电子枪理论研究的新进展

本文简要回顾了电子枪发展的历史,评述了电子枪理论研究方面的新进展,重点介绍了日本学者Fujita和Shimoyama的新近研究成果。最新的研究表明,对冷场发射和扩展的肖特基发射电子枪,存在阈值电流。当束流Ib增大,超过阈值电流时,枪的表观亮度逐渐下降。当对整个电子光学柱体进行评价时,必须把亮度和束流的函数关系考虑在内。这时会出现关于电子枪的若干新概念。整个电子光学柱体的电子探针性质曲线由三个区域组成,即:(1)恒定束斑(d)区;(2)d∝I3b/8区;(3)d∝I3b/2区。以往的理论只指出了3/8次方区的存在。3/2次方区的存在是一个新的发现。它解释了历史上曾注意到的一个事实,即当应用的束流进入μA量级时,扩展的肖特基发射和冷场发射枪的性能反而不如传统的钨丝热发射枪。

用于超快扫描电子显微镜的光发射电子枪及电子光学模拟

超快扫描电子显微镜将泵浦探测技术与显微成像相结合,能够实现高时空分辨率下光诱导表面电荷动力学的可视化研究,对于半导体表面态以及光电器件的高分辨检测具有非常重要的意义.本文基于首台全国产化超快扫描电子显微镜的研制工作,阐述了将热发射电子枪改造成光发射电子枪后的参数化设计,定量分析了偏压,阴极、韦氏极、阳极的空间位置与交叉点位置、大小、发散角的依赖关系.分析结果显示,当韦氏极与阳极位置从8 mm调整到23 mm后,通过将灯丝深度从0.65 mm调整至0.45 mm,配合偏压调节可以实现热发射高分辨成像、低工作电压以及光发射的正常使用.此外,也分析了反射镜分布对电子光路的影响,发现当阳极高出反射镜1.4 mm后,图像畸变几乎消失.还研究了偏置电压对脉冲光电子在时域上的影响,结果表明随着偏压的增大,光发射的时间零点会推后且时间展宽变大.这些工作将为后续超快电子显微镜的发展及光发射电子源的设计奠定基础.

离子轰击二次发射电子枪束流引出问题的仿真与实验研究

为应对电子束荧光技术对电子枪的需求,本文开展了离子轰击二次发射电子枪的研究工作。首先介绍了离子轰击二次发射电子枪的工作原理,将工作过程划分为离子产生及引出、二次电子产生和引出两个部分并展开理论分析;基于辉光放电原理建立了简化的空气放电仿真模型,利用Comsol软件获得了正离子密度及其分布;对于加速室内的二次电子发射过程采用静电聚焦的方式聚焦电子束,利用Comsol软件基于Nelder-Mead算法获得二次电子引出的最佳结构参数;最后,搭建了电子枪原理样机,实验结果表明:采用空气作为工作气体,利用气体放电产生的正离子轰击金属铝使其发射二次电子,最终获得了加速电压为20 kV,束流强度为16 mA的电子束,完成了此类电子枪的原理验证并为性能提升工作奠定基础。

C波段光阴极电子枪驱动激光整形研究

在光阴极电子枪系统当中,驱动激光的时空整形是实现束流低发射度的关键之一。基于南方光源预研项目C波段光阴极电子枪测试平台,介绍了驱动激光系统的布局与测试相关内容。测试平台于国内首次采用初始RMS脉冲长度为160 fs的266 nm激光作为驱动激光,利用双折射晶体的脉冲时间延迟完成对激光脉冲纵向时间整形,并配备多个孔径的可调光阑实现对束流的横向尺寸的调节。经过整形,激光平台可以提供纵向RMS长度为160 fs、420 fs的高斯脉冲激光与半高全宽为5 ps的平顶分布脉冲激光,根据激光测试结果,简要分析了不同脉冲分布对于束流发射度演化以及脉冲分布的影响,不仅为后续光阴极电子枪束流调试提供了指导,并对初始脉冲分布对空间电荷力的影响实现更加深入的研究提供了支持。

基于Cusp电子枪的太赫兹回旋管理论研究

为解决回旋管工作在太赫兹频段遇到的严重模式竞争问题,基于Cusp电子枪优异的谐波工作特性、渐变复合腔特殊的耦合机制,通过Cusp电子枪与渐变复合腔相结合实现了高次谐波工作的太赫兹回旋管。对Cusp电子枪的具体结构进行了优化,实现了电压59 kV,电流0.92 A,横纵速度比1.36,引导中心半径为0.05 mm,速度离散低于5%的大回旋电子注。通过优化参数,实现了工作频率1 THz,输出功率0.5 kW的四次谐波回旋管。

电子束熔丝增材制造大功率电子枪研制

根据电子束熔丝增材制造需求,结合理论计算,利用三维造型软件设计了电子枪结构包括阴极组件、栅极、阳极、聚焦线圈、扫描线圈;利用模拟仿真软件对电子枪结构进行优化,最终得到优化后的电子枪栅极球面直径14 mm、阳极孔径3.5 mm、阳极倾角140°、阴阳极距离10 mm、聚焦线圈匝数1 800匝、磁轭间隙30 mm、线圈内径60 mm、外径150 mm;设计了电子枪聚焦及偏转扫描驱动电路,带载测试聚焦电流最大值可达1.49 A,偏转扫描最大电流可达±1.06 A,扫描频率达2 kHz;对电子枪性能进行测试,最高耐压达到-75 kV,功率达到30 kW,TC4的熔丝增材成形效率达到5.16 kg/h。研制的电子枪结构轻便、束流品质好、成形效率高,适合于用作真空室内动枪。

Ka波段行波管高性能电子枪设计

利用学者Vaughan等提出的皮尔斯电子枪设计综合迭代法计算得到某Ka波段行波管电子枪的基本结构参数;在此基础上,采用电子光学数值模拟软件Tau进行模拟优化进一步修改电子枪各结构尺寸;在模拟优化过程中,通过量化比较、判断阴极表面电子发射密度的均匀性,比较阴极表面部分热初速电子非垂直发射时对电子注轨迹的影响程度,比较注腰位置附近电子注层流性及径向密度分布均匀性等,最后得到优化的电子枪结构设计。对装配有此优化设计电子枪的行波管进行了实验研究,测试结果达到设计要求。

基于磁透镜结构参数的电子枪磁聚焦特性分析

磁透镜是电子枪的重要组成部分,其结构会影响磁聚焦性能,从而影响束斑直径与电子束焊接质量。文章以国产ZD-VEBW系列高压电子束焊接设备电子枪为研究对象,构建电子枪束源与电磁聚焦结构的物理模型,并借助CST平台,仿真分析了球差影响下的束斑形貌和不同聚焦电流下磁透镜铁壳内径、铁壳开口对束斑直径的影响。设计环形挡板实现了磁透镜铁壳内径、铁壳开口参数的调整,并进行聚焦电流变化下的焊接实验研究。实验结果表明:磁透镜结构参数的合理设计可以达到更优的磁聚焦特性、更小束斑直径与更大的焊缝深宽比,实验验证了仿真结果的正确性,文章的研究对国产ZD-VEBW系列高压电子枪磁透镜结构的设计和该系列电子枪焊接质量的提升提供了理论和实验指导。

S波段1＋腔热阴极微波电子枪研究

叙述了１＋腔热阴极微波电子枪设计、制造与调试的情况。该枪已于１９９２年１２月调试出束，经过一年多的调试运行，测量了电子束的发射度和能谱，得到了满意的结果。当输入功率约１．１ＭＷ时，输出电子束最大能量１ＭｅＶ，平均电子能量０．６ＭｅＶ，宏脉冲电流１Ａ，宏脉冲宽度约２μａ，重复频率５０Ｈｚ，微波工作频率２９９７．７５ＭＨｚ，束流归一化发射度ε_ｎ≈５πｍｍ·ｍｒａｄ。

对皮尔斯电子枪综合法的改进

在低压缩比、低导流系数情况下，对Vaughan迭代综合法因阴极半锥角初始值取得不合理而失效的原因进行了分析，并对其中的迭代公式进行了合理修正。采用Vaughan迭代综合法和修正后的迭代综合法验算了13支不同性能的电子枪，结果表明：采用修正迭代法，阴极半锥角初始值即使在0°～70°取值，都能得出正确的计算结果。在原来Vaughan法适应的情况下，修正法与原方法的阴极半锥角结果之间差值小于1°；在原来Vaughan法失效的情况下（如低导流系数、低压缩比小于7），改进后的方法也能得到接近实测值的合理结果。

微通道板(MCP)电子清刷用电子枪的设计

为了满足Φ30 mm MCP大束流短时间电子清刷新工艺要求,以轴向电子枪工作原理为基础,利用静电场对电子的作用理论,分析了电子的运动轨迹,并对电子的偏转进行了计算。根据计算结果,设计了电子枪的基本结构,确定了电子枪的各种参数:灯丝材料为Φ0.05 mm的钨(75%)铼(25%)合金丝;灯丝形状为"∨"字型;电子枪外径为Φ35 mm,高度为20 mm,最大加热功率为12.6 W时,电子发射电流密度达到1.26×10-5A/cm2。用该电子枪对4块性能相近的Φ30 mm MCP电子清刷4 h后,MCP的增益值达到500±50。这表明:用新电子枪可以代替原RUS-A型电子枪。

一种Ku波段脉冲栅控行波管电子枪研究

本文研究了一种Ku波段2.5Kw脉冲栅控行波管电子枪结构,针对电子枪因受热胀冷缩导致栅网严重变形的问题展开了深入分析。通过模拟计算和实验验证,明确了阴栅装配距离和阴影栅网受热影响导致的变形原因。在此基础上,通过结构改进和调整阴栅距离等方法,成功实现了各项指标满足要求的栅控电子枪。改进后的电子枪在整管试验中表现出栅网截获电流明显减小,参数满足设计要求。研究结果不仅解决了原电子枪存在的栅网截获电流问题,还为栅控电子枪设计中考虑阴极热膨胀对参数的影响提供了有益启示。

电子枪聚焦系统的研究

介绍了电子枪聚焦系统的组成结构及设计原理,并利用CST电磁仿真软件分析了聚焦线圈结构形式对磁场分布的影响,通过分析发现屏蔽式电磁聚焦线圈较开启式聚焦线圈更能够将磁场聚集,窄气隙较宽气隙更能使磁场沿轴向压缩。最后阐述了磁聚焦线圈参数的计算方法,并将上述设计参数应用于公司自研的加速电压60KV、功率15KW的电子枪,取得了较好的使用效果。

大功率电子枪电源电能优化技术

针对大功率电子枪电源全桥整流加LC滤波的整流结构,电网端电流存在相角位移和波形畸变的问题。采用高频功率因数校正(PFC)技术,将单周期控制理论与三相Vienna整流器结合,实现三相均流设计,减少电子枪电源对电网的谐波污染。采样回路使用LEM霍尔进行隔离采样,降低了系统共地干扰,在不影响电源输出纹波的前提下优化了电子枪电源的电能质量。

基于263 GHz回旋行波放大器的带栅Cusp电子枪研究

基于实验室的超导磁体,为工作在263 GHz的回旋行波放大器设计了一个电子枪。通过对电子枪的理论分析以及结合MATLAB、POISSON SUPERFISH和Trak Charged Particle Toolkit进行了大量的模拟计算,讨论了不同的结构参数和磁场对电子注的横纵速度比及其零散的影响,确定了磁场和发射极的参数值并加快了大回旋电子注性能参量的优化,得到符合设计要求且具有工程实际应用的带栅电子枪。在超导磁体中主线圈、收集极线圈和阴极线圈的电流为51.253 A时产生的磁场分布中,该电子枪预计能够在偏置电压为1 kV和一定初始发射角零散的情况下产生25 kV、0.5 A、横纵速度比为1.1、横纵速度比零散为6%的大回旋电子注。当带栅电子枪处于偏置电压为-64 V以下时,电子注被完全关断。

皮尔斯电子枪非迭代综合法的修正

对Tiwary非迭代综合法进行了整理分析,根据阴极半锥角大小的不同范围对其计算公式做出了相应修正,使得计算结果与Vaughan迭代综合法的计算结果相吻合,二者之间相差可以实现小于1°;对阳极半径公式也做了合理的修正,使阳极与阴极之间的间隙及电子枪射程的计算精度也与迭代综合法相当。采用非迭代法的修正方法计算精度受阴极半锥角大小的影响大大减小,扩大了其应用范围。

单晶LaB_6阴极在微波电子枪中的应用

随着自由电子激光器的发展,高亮度微波电子枪越来越受到重视,为满足北京自由电子激光器注入器的要求,高能所进行了国内首台热阴极微波电子枪的实验研究,采用单晶LaB_6做阴极材料。本文描述了在研制过程中所解决的阴极表面处理、夹持、加热等一系列工艺问题,首次采用电子束焊的方法将LaB_6与基金属牢固结合,最后给出实验结果:阴极发射密度可达84A/cm^2,阴极寿命200h,加热灯丝寿命大于500h。

间热式电子枪阴极加热电源的研制

介绍了间热式电子枪阴极加热电源的工作特点，指出了对加热功率进行间接检测的方法。为了实现加热功率的稳定控制，可对轰击电源采取稳压调节，依靠调节灯丝电流来稳定轰击电流。（本项目为机械工业技术发展基金资助项目）

栅控电子枪设计的新理论

本文介绍近年来在高功率真空电子器件中广泛应用的栅控电子枪的设计新理论,即电子注成形系统与周期永磁聚焦之间的耦合问题和得到的一系列简单关系式。文中还阐述了周期聚焦行波管中电子注成形、传输和收集系统的发散率及其增长理论,这一理论为栅控电子枪、周期永磁聚焦和收集极系统提供了新的设计准则。