电子枪

2021-08-13 15:04:27 浏览:1265

定义

电子枪是产生、加速及会聚高能量密度电子束流的装置,它发射出具有一定能量、一定束流以及速度和角度的电子束,又称电子注。

原理

电子枪由发生电子的发射极(阴极)、聚焦电子束的聚焦极、和加速电子的引出极(阳极)三部分组成。在电子枪里,灯丝,一般是钨丝,通电加热后,表面产生大量的热电子,在阳极和阴极之间的高压电场作用下,热电子加速向阳极方向高速移动,并获得很高的动能。其具体速度值取决于加速电压的高低,一般可以达到光速的三分之二左右。在聚焦线圈的作用下可使电子束流聚焦,在导向线圈,又称偏转线圈的作用下可使电子束发生偏转,从而在一定范围内进行扫描。电子枪的工作电压通常在几十到几百千伏之间,为防止高压击穿、束流散射及其能量减损,电子枪的真空度须保持在6.67×10-2帕以上。

电子枪阴极分类

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,会越出轨道的束缚而成为自由电子。热发射式电子枪的灯丝阴极–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=0.5A/cm2

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0.0043mg/cm·s,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。

基本参量 

导流系数:表征电子注空间电荷的大小。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,如果不考虑相对论效应,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。

发射度:表征电子注的品质。

亮度:单位面积、单位立体角的束流强度。

束腰:电子注中截面半径最小处的半径。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束腰,或注腰。

面积压缩比:阴极面积与注腰截面积之比,也是注腰平均电流密度与阴极发射平均电流密度之比。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。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。

射程:射程表示电子枪阳极头部到注腰之间的距离。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。

层流性:是一个定性的概念,通常用电子注轨迹交叉与否或交叉的程度来进行层流性好坏的评判。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。层流性是衡量电子注质量的一个重要评判性质。

参考文献

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