高电流密度实心电子束均匀磁场聚焦电子枪的设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)电子科技大学物理电子学院 作者:殷 勇

  针对W波段小型化扩展互作用器件对电子枪及其对电子束的需求,设计了采用均匀磁场聚焦的高电流密度实心电子束电子枪。首先考虑现阶段阴极发射能力和扩展互作用器件对电子束的需求下完成了静电电子枪的设计;在此基础上,将电子枪分为静电聚焦区、过渡区和均匀磁场区三个部分,通过理论计算得出了理想的均匀聚焦磁场分布。在此基础上建立了高电流密度实心电子束均匀磁场聚焦电子枪的三维粒子仿真模型,工作电压为17kV,阴极发射电流为19.3A/cm2的条件下得到了压缩比为33,束电流为668mA,平均束半径为0.182mm,平均束电流密度为642.4A/cm2的高电流密度实心电子束。仿真结果表明,该电子束在半径为0.25mm的电子通道内的流通率达到了100%,理论计算和三维粒子仿真的结果符合得很好。

  高功率、高频率真空电子器件是未来电子战及电子对抗的核心技术之一,扩展互作用器件是目前能够在毫米波和太赫兹频段提供于大于1kW峰值功率的小型化真空电子器件之一,其在军事和民用领域具有极为广泛的应用。如何产生高质量的高电流密度实心电子束是决定扩展互作用器件能否高效稳定工作的关键,因此设计满足扩展互作用器件的相关电子枪是发展这类器件的前提。

  本文对采用均匀磁场聚焦的高电流密度实心电子束电子枪进行了详细研究,在完成静电电子枪设计后,将电子枪分为静电聚焦区、过渡区和均匀磁场区三个部分进行了详细的理论研究,最后利用三维粒子仿真程序对该设计进行了验证与优化,最终设计了一支满足W波段扩展互作用器件的高电流密度实心电子束均匀磁场聚焦电子枪,并对结果进行了分析和讨论。

1、静电电子枪设计

  对于工作于W波段的扩展互作用器件来说,其在均匀磁场区电子束半径约为0.2mm,所需的电流在0.6A左右,根据现阶段连续工作阴极发射电流密度水平并考虑适当的工程余量,可知阴极半径rc取1.05mm比较合理。聚焦极的设计遵循传统皮尔斯(Pierce)电子枪的要求,其与阴极发射电子束边缘的夹角呈67.5°。阴阳极距离dca的大小需要考虑到电子枪的导流系数,使得阴极在给定电压下工作于空间电荷发射状态。阳极半径ra一般取均匀磁场区电子半径的2~3倍,其后经过适当的角度缩小到电子通道的半径。图1给出了设计出的静电电子枪结构示意图。

静电电子枪结构示意图

图1 静电电子枪结构示意图

  图2给出了静电电子枪的电位分布图,从阴极发出的电子在该电位的加速下形成具有一点能量的电子束,其轨迹在图3中给出。从图3可以看出,在电子束收敛到极小值后,电子束在束内空间电荷发散力的作用下会开始发散,因此就要求在此电子枪区加上一个合适的磁场,使得电子束内空间电荷发散力和磁聚焦力之间达到平衡,使得到的电子束没有波动或尽可能使波动最小。本文采用的静电电子枪参数为:工作电压17kV,阴极空间电荷发射流为0.668A,对应的阴极电流发射密度约为19.3A/cm2,电子枪导流系数0.30LP。

静电电子枪的电位分布

图2 静电电子枪的电位分布

静电电子枪电子束轨迹

图3 静电电子枪电子束轨迹

4、结论

  本文针对W波段及以上频段扩展互作用器件高电流密度实心电子束的需求,设计了一支采用均匀磁场聚焦的高电流密度实心电子束电子枪。该电子枪的轴向磁场通过理论计算得到,并采用三维粒子仿真软件进行了验证,两者符合得很好。此种电子枪阴极发射电流密度是在现有阴极发射能力允许的范围内可以实现的,其在均匀磁场区的最大电流密度可达640A/cm2,电子束半径的波动小于20%,这种电子枪可为需要高电流密度电子束的真空电子器件提供束源。

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