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一、 简介

  对于电子枪的设计一般应有以下几个方面的考虑:

  1. 注入电子具有一定的能量,枪的结构要有足够的耐压强度,能承受一定的加速电压

  2. 要有足够的发射能力,能给出足够的脉冲电流。

  3. 电子束的束流直径和发射角要求在给定范围内。

  4. 结构简单,易于加工、安装和检修。

  5. 枪的使用寿命长。

二、 电子枪的基本参量

  在进行电子枪的讨论中,人们常常会用到一些专用术语,在此我们先对它们作一简单介绍:

1、 导流系数

  当阳极电流受空间电荷限制时,电子枪的阳极电流(发射电流)与阴阳极间电压有关,在非相对论情况下,它们之间的关系是3/2次方的比例关系,也称二分之三次方定律。

  在空间电荷限制下,不论电极系统的形状如何,二分之三次方定律是普遍适用的,电极形状不同,只影响前面的比例系数。当电极形状一定时,在一般情况下,导流系数是一个常数,与温度无关,导流系数的大小表示电子枪发射电子的能力强弱。也就是说,导流系数是一个对电子注强度度量的量,它表征了电子注空间电荷的大小。

2、 注腰

  在轴对称收敛型电子枪中,电子从阴极发出,在枪内各电极及电子自身空间电荷形成的静电场的作用下,形成一定的电子注形状,人们将电子注中截面半径最小的地方称为注腰。

3、 面积压缩比

  面积压缩比 指的是阴极面积和注腰截面面积之比,也是注腰的平均电流密度 与阴极发射平均电流密度 之比。为了方便,一般用阴极截面积代替阴极球面积。

  压缩比的大小主要取决于阴极发射电流密度。

4、 射程

  射程表示电子枪阳极头到电子枪所形成的注腰之间的距离。一般来说,人们希望射程足够的大,使得电子注能够以最佳的注入条件进入高频场作用区。

5、 层流性

  所谓电子注的层流性,它只是一个定性的概念,通常用电子注轨迹交叉与否或交叉的严重程度来进行层流性的好坏的判断。层流性好的电子注,在磁聚焦时可以用较低的磁场获得好的流通率,而高频场引起的电子注的散焦也较小。反之,层流性差的电子注,会使得其流通率差,散焦加大。

三、 电子枪的结构

  无论那种类型的电子枪,它们均由电子的发射极——阴极、电子注形状的限制极——聚焦极和电子的加速引出极——阳极三部分组成。不同环境下使用的电子枪其结构会是多种多样的,但是其基本组成部分是不变的。在工作中通常聚焦极的电位等于或接近于阴极电位,用以限制电子注的形状,而在阴极和阳极之间加上加速电压(阳极电压)。当电子从阴极发射出来,将与由上述电极和电子注本身的空间电荷建立的静电场发生作用,形成具有一定形状的电子注,并从阳极孔射出以供使用。这种电子枪的工作原理与一般二极管相似,所以人们也称其为二极枪。

  电子枪最常用的是二电极皮尔斯型。结构如图2.1-2所示。它主要由阴极、聚焦极、阳极组成。在阳极中间有一开口,电子从中穿过,注入到加速腔中去。皮尔斯型电子枪,又称轴对称球形收敛注皮尔斯电子枪,它是取两个同心球面的一部分形成的二极管。为了使电子的轨迹沿阴极曲率半径方向,需将球面电极的边缘加以修正,因此在阴极外围加有聚焦极。

四、 电子枪的阴极

  阴极是电子枪的关键部件之一,它决定电子枪的发射能力和寿命。目前世界上用于电子直线加速器上的电子枪,其阴极的形式多种多样,归纳起来可以有两种划分方法:

  直热式阴极多半采用纯钨作阴极材料,加热电流直接通过阴极。间热式阴极一般采用敷钍钨、敷氧化物、钪酸盐、六硼化镧阴极,它分为轰击型和加热型两种。

1、轰击型:

  其加热方式是通过在热子(灯丝)和阴极之间加上几百乃至上千伏的轰击电压,在此电压下,从热子发射的电子轰击阴极,使阴极加热到一定温度后从其表面发射出大量电子来。

2、加热型:

  这种阴极,化合物层固定在薄壁的底托上(镍管或钼管),底托下面放着耐热绝缘的螺旋钨丝。电流流过灯丝,灯丝烧热阴极,当阴极达到发射电子的温度时,就发射出电子来。

  阴极的材料及其工作温度对电子枪的发射能力和寿命有决定作用。阴极必须选用低逸出功的材料。阴极表面原子的外层电子,受到一定的热能或电能的激励后,会越出轨道束缚而成为自由电子

  热发射式电子枪的灯丝阴极一般是用钨丝制成的,必须靠电流将灯丝加热到一千度以上,灯丝发射电流密度 与灯丝温度及灯丝材料的逸出功有关。

  以钨丝温度为例,其逸出功为4.55电子伏,在工作温度为2500K时,J=0.5安/厘米2。

  灯丝温度对电子的发射强度的影响是很大的。如果采用逸出功更小的阴极材料,在获得同样发射强度的条件下,还可大大降低灯丝温度。为了使阴极寿命尽可能的延长,要求材料有较高的熔点和较小的蒸发率,并且不容易受空气侵蚀而中毒。钨丝的熔点为3655K,在工作温度为2750K时,蒸发率为0.0043毫克/厘米•秒,钨丝的耐侵蚀性较强。氧化物阴极的逸出功更低,例如氧化钡的逸出功只有2.8电子伏,但其耐蚀性差,一般只适宜在10-5-10-6毫米汞柱的高真空下工作,在10-4毫米汞柱时,其发射本领显着下降,在10-3毫米汞柱下工作时,甚至会严重地中毒,不能再继续使用。

  场致发射式电子枪要求在阴极表面附近有大于106伏/厘米的强电场,提高阴极表面场强,是增大发射强度的有效途径。

  一般来说,电子枪的电流强度总在1毫安以上,脉冲电子流可达安培级,寿命在100小时以上。

五、 电子枪的工作原理

1、二极枪工作原理

  在电子枪阴极附近发生的物理过程与电子二极管中所发生的物理过程非常类似。大家知道,在二极管中电流的流通,是由阴极发射的电子的运动来实现的。若在二极管的阴极与阳极之间加上一定的正向电压Ua,阴极逐渐加热(逐渐增大灯丝的加热电压Uf),记录相应的阳极电流Ia,可得到一条Ia/Uf关系曲线。改变Ua可得到另一条IaUf关系曲线。当Uf比较低时,即阴极温度较低时,阳极电流Ia随着加热电压的增大而增长很快。当Uf超过某一数值时,阳极电流Ia不随灯丝加热电压Uf的增大而增大,若继续提高Uf对阳极电流的增大并无好处。我们知道,在一定的阴极温度下,阴极有一定的发射电流,阴极温度愈高,则发射电流愈大。当阴极温度足够高时,继续增高阴极温度(此时阴极的发射电流仍在增大)而阳极电流不变,这表明此时阴极发射的电流没有能全部到达阳极。考察不同的Ua所对应的不同曲线,情况都是一样。因为二极管的阴阳极之间加有正向电压Ua,因此阴阳极间会形成一定的电场分布,在阴极未加热时,该电场分布是稳定的。当阴极加热后,阴极开始发射电子,电子在Ua的作用下飞向阳极。由于有空间电荷的存在,阴阳极之间每一点的电位都要下降,当阴极温度不太高,发射的电子不太多时,阴阳极之间仍为加速场,电子在此电场作用下都能到达阳极。随着阴极发射电子的增多,阴阳极表面电位梯度的变化是不同的,因为阴极表面的电子除了受阳极加速电场的吸引外,还受到前面空间电荷的排斥作用,因此电子所受到的力较没有空间电荷时小,即电位梯度减小;而在阳极表面的电子除了受阳极加速电场的吸引外,还受到后面空间电荷的推力,所以电位梯度增大。若继续提高阴极的温度,空间电荷的密度继续增加,由于空间电荷的作用,将使阴极表面的电位梯度下降为零,此时空间电荷在阴极表面产生的电场恰好等于加速场,但方向相反,阴极表面不再受电场力作用。大家知道,电子自阴极逸出要具有一定的初速度,即使阴极表面电位梯度下降至零,继续提高阴极温度,空间电荷密度仍能增大,这时,阴极表面电位梯度变为负值。即在阴极附近空间电荷产生的电场大于阳极电压Ua产生的加速场。

  从阴极发射出来的电子,具有不同的初速度。只有初始动能大于最低电位位能的电子,才能克服阴极表面附近的负电场而越过最低电位,进入加速场飞向阳极;而那些初始动能比较小的电子,在空间电荷的作用下又返回了阴极。在平衡状态下,单位时间内跑向阳极的电子数加上返回阴极的电子数,等于阴极发射进入空间的电子数。继续增高阴极温度,则阴极发射增加,空间电荷密度也增加,这等于加强了阴极表面附近的负电场,受负电位作用返回阴极的电子数增多,而跑到阳极的电子数却增加微少。

  在阴极加热温度低时,阴极发射的电子都可以到达阳极,此时阳极电流取决于阴极发射温度,称为温度限制。这种情况下,阴极加热温度的变化,对发射电流的影响很大。当加热电压继续加高,空间电荷效应起主要作用,阳极电流受空间电荷限制。加速器的电子枪主要工作在空间电荷限制状态下。

2、皮尔斯型电子枪的工作原理

  目前世界各国电子直线加速器的电子枪,多数采用的是皮尔斯型电子枪,这种电子枪的光学系统主要包括阴极、阳极和聚焦极,有的加有栅控极,通常聚焦极的电位等于或接近阴极电位,阳极为地电位,阴极上加有负脉冲高压。阴极和阳极构成一个二极管,阴极受热子(灯丝)加热烘烤,热子由交流电源供电,当阴极加热到一定温度时,即有热电子发射,在阴阳极间加速电压的作用下,形成电子束飞向阳极。电子束受聚焦极作用朝着阳极孔飞行,最终穿过阳极孔进入加速系统。

3、栅控枪工作原理

  随着加速管的改进,采用低压注入的技术成为可能;同时现在的医用加速器,根据放射治疗的需要,要求改变注电流达到既能出X射线,亦能出电子线的要求。这样的电子枪阳极电压可降到7-15KV,注流在200—1000ma的范围内变化。在出电子线时注流能逐渐降到很低的数值(医用加速器工作在X线治疗和电子线治疗时对束流强度的要求差别甚大,相差百倍以上)。低压注入技术的解决,为栅控枪的使用打下基础。低压枪可以大大缩小电子枪的尺寸,减低电极间绝缘瓷件耐压的要求,减低了离子回轰阴极的能量,更重要的是电源的体积,重量以及效率可以大大提高。对于栅控枪的设计,人们一般是在二极枪设计的基础上,增加一个控制极(栅极)。当栅极对阴极加上一个不大的负电压(截止偏压一Egc)时,使阴极发射截止;这相当于在脉冲的间隙期停止放射,而脉冲的持续期控制极对阴极加上零或一个不大的正电压,使阴极发射电子,通过对这个正电压的调整,达到对电子注流的控制。而阳极对阴极的电压,可以始终加上一个稳定的直流高压。显然直流电源电压的幅度稳定,比高压脉冲调制器的高压脉冲幅度的稳定容易得多。因而也减轻了对电源设计上的压力。人们加设的控制极,通常有三种形式,它们的结构形式在第一部分已经给出,它们的工作方式,现分别简述如下:第一种孔栅枪:它是在结构设计上将二极枪的聚焦极与阴极绝缘开来,适当修改聚焦极的设计,使其能在相对阴极而加的偏压(-Ego)的绝对值尽量低时情况下,实现电子注的截止。一般经验是,当P<0.5微朴,枪压缩比较小时,|—Ego|/Va可以在低于25%的情况下,实现孔栅枪设计。第二种针栅枪:它是在阴极的中心安置一个与阴极绝缘而垂直于阴极面的小针,以此针为控制极,它的截止电压,大致可以做到或稍低于孔栅枪的水平。但对针栅枪而言,其阴极、针栅极在结构设计上较复杂,目前国内较少使用,而俄罗斯在这方面技术较成熟,他们可以在针栅上复上一层反发射物质,以降低栅发射。不过对于存在较强离子反轰的加速管采用此种控制极是否可行,有待实践证明。第三种网栅枪,它是在二极枪中距阴极1%—3%的等位面上设置一栅网,当栅网对阴极加上相当于网在平面的电位时,并不大改变原二极枪的电位分布。这种栅的截止偏压可以设计得很低。这将有利于栅控电源的制作。

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