CN113421808A - 太赫兹波段的低电流细径单列多束电子枪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了太赫兹波段的低电流细径单列多电子束电子枪，它由阴极、聚焦极、阳极、聚焦***和收集极组成。所述阴极有多个发射面，发射面直线排列且均匀分布；发射面可以为圆形、矩形、椭圆形或者其他不同形状以满足不同的设计需求；在聚焦极、阳极和聚焦磁场的共同作用下，多个阴极发射面发射的电子束平行传输到收集级；所述阴极与聚焦极固定相连。此电子枪属于电真空领域，采用此电子枪结构可以有效解决单根电子束电流密度过高的问题，将对发展毫米波、亚毫米波或太赫兹波电真空器件有极其重要的促进作用。
Description
技术领域
本发明涉及真空电子器件领域，特别是涉及一种太赫兹波段的低电流细径单列多束电子枪。
背景技术
随着真空电子技术的发展，真空电子器件的工作频率越来越高，向着毫米波段和太赫兹波段发展；同时，真空电子器件的尺寸越来越小，相应的加工要求越来越高；再者，对传统电子将而言，随着真空电子器件的工作频率增加，所需电子束的电流密度越来越高，将达到数百A/cm2。
传统的单注器件比较容易控制，但是随着频率的增加和器件尺寸的减小，单电子注难以满足电子密度越来越高的要求。随着太赫兹波段应用需求的发展，传统的柱状单电子注器件面临着许多问题，比如，为了获得更高的电子密度，在结构尺寸减小的情况下，就必须要加大阴极发射面的电流，长时间的高电流运行会使阴极结构的寿命缩短。对于带状电子注，它具有很高的横纵比，由于阴极发射面的面积较大，因此它能够满足较大电流的要求；在注-波互作用时，要求它贴近高频结构表面，因此互作用较强；但是，由于空间电荷效应的影响，带状电子注在传输时会发生变形或者扭转，很难保持理想的带状。这一特点为电子束的聚焦***的设计增加了难题。另外，带状电子注为了增强注波互作用的效果，需要保持电子注贴近高频结构表面，因此很难保证在电子束稳定传输的前提下，不损坏高频结构。
在毫米波、亚毫米波以及太赫兹波段，要求电子束的截面尺寸上足够小，同时要求电子束的电流密度足够大，这不利于电子枪的设计和加工。另一方面，在毫米波或者太赫兹波段，由于高频结构尺寸很小，对于圆形高频结构，加工很困难且精度难以保证，因此，宜采用平面结构的高频结构。那么对应的电子枪和电子光学***也需要进行相应的改进，单列多束电子枪不失为一种更好的选择方案。
相对于传统的电子枪结构，单列多束电子枪具有以下明显的优点：其一，由于采用单列多电子束，可以大大减小对单电子束电流密度的要求，可以极大地降低聚焦***的设计难度，并且延长电子枪的使用寿命；其二，单列分布的多束电子束可以很好的与高频结构进行注波互作用，可以大幅度提高效率和改善微波器件频率的特性；其三，整体结构尺寸小、结构简单、易于加工、装配简单，能够实现小型化。由于上述的明显优点，单列多束电子枪在大功率、高频率和小型化的发展趋势下，具有极好的应用前景。
发明内容
本发明的目的是设计一种应用于太赫兹频段的低电流细径单列多束电子枪。
为实现上述目的，本发明提供如下方案：
一种单列多束电子枪，包括：阴极，聚焦极，阴极发射面，阳极和电子通道。
所述阴极与所述阴极发射面连接，所述聚焦极与所述阴极固定，所述阳极和所述电子通道连接。
所述阴极有多个发射面，发射面为平面且呈单列排列。
所述发射面中心在一条直线上，发射面发射的多个电子束呈平行排列。
所述聚焦极与阴极固定，它们之间的夹角可根据工作电压适当调整，用于约束电子束的扩散。
所述阴极与外接电源装置连接，通过调节所述外接电源装置的电压对所述电子枪产生的电子束的质量进行调节。
所述阴极、所述阴极发射面和所述电子通道对中一致。
所述阳极加速电子并约束电子的扩散，电子束经电子通道传输。
可选的，所述阴极为钡钨阴极或六硼化镧阴极，或其他热阴极。
可选的，所述阳极为低磁导电金属。
本发明的单列多束电子枪尺寸较小，在聚焦极、阳极和聚焦磁场的共同作用下，多个阴极发射面发射的电子束平行传输到收集级，能够提高真空电子器件的工作频率；并降低单束电子注的电流密度，大幅度提高电子器件的工程寿命。本发明可以作为产生高功率太赫兹辐射的电子光学***，具有很好的实用性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。其中1代表阴极、2代表聚焦极、3代表阴极发射面、4代表阳极、5表示电子通道，且以下各图相同的附图标记表示相同的部件。
图1为本发明的整体视图(立体图)。
图2表示本发明的细节图，取正视图。
图3表示发明的阴极的细节剖面图，见图2所示右视图。
图4表示发明的阳极和电子通道的细节剖面图，见图2所示左视图。
具体实施方式
下面将根据本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行完整、清楚地描述，以便说明本发明实例的技术方案。所描述的实施不是全部的实例，只是部分实例。基于本发明中的实例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种单列多束电子枪，在具体实例中，选取工作电压的范围为12.4～13.4kV、4根电子束、电子束总电流为7mA时，结合平面结构的光栅柱高频结构，可以产生频率范围为327～331GHz、输出功率为180mW的太赫兹波。在单根电子束的电流为1.75mA的情况下课产生上百mW的太赫兹波，足见该单列多束电子枪的优势。
在具体实例中，阴极、聚焦极和阳极如图2所示，聚焦极的高度为2mm，聚焦级与阴极的夹角为51°，阳极与阴极之间的间距为6mm，阳极通道长度为30mm；
在具体实例中，阴极的细节如图3所示，圆形阴极发射面的半径为0.075mm，相邻发射面中心的间隔为0.3mm，电子束电流为7mA，阴极电流密度为9.9A/cm2；阳极与电子通道的细节如图4所示，电子通道截面的长和宽分别为2.2mm、0.8mm，单列多电子束从电子通道截面的中部区域通过。
Claims (10)
1.一种太赫兹波段的低电流细径单列多束电子枪，它包含阴极、阳极和聚焦极。其特征在于，所述阴极有多个发射面，发射面为平面且呈单列排列，发射面中心在一条直线上，发射面发射的多个电子束呈平行排列；聚焦极与阴极固定，用于约束电子束的扩散；阳极加速电子并约束电子的扩散，电子束经电子通道传输。
2.如权利要求1所述的单列多电子束电子枪，其特征在于，所述阴极面形状可为但不限于圆形、椭圆形或矩形。
3.如权利要求1所述的单列多电子束电子枪，其特征在于，阴极和阳极相对距离保持不变时，聚焦极与阴极的角度固定。
4.如权利要求1所述的单列多电子束电子枪，其特征在于，所述阴极发射面为平面，形状可为但不限于圆形、椭圆形或矩形。
5.如权利要求1所述的单列多电子束电子枪，其特征在于，所述阴极发射面个数不少于两个，且各发射面的中心在同一条直线上等间距排列。
6.如权利要求1所述的单列多电子束电子枪，其特征在于，所述阴极发射面的大小和间距应当与器件的工作频率适配。
7.如权利要求1所述的单列多电子束电子枪，其特征在于，所述聚焦极与阴极固定相连，约束电子束传输过程中向四周方向扩散。
8.如权利要求1所述的单列多电子束电子枪，其特征在于，所述聚焦极和阴极的夹角可根据工作电压进行相应调整，以改善电子束的传输效果。
9.如权利要求1所述的单列多电子束电子枪，其特征在于，所述阴极为热阴极。
10.如权利要求1所述的单列多电子束电子枪，其特征在于，所述阳极和聚焦极的材料为低磁导电金属。
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