电子枪

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6.67x10^-2帕以上。

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。

电子枪的结构有许多形式。根据枪体结构不同，可分为轴向电子枪（直形自加速电子枪）、环形电子枪（静电场偏转电子枪）。

轴向电子枪的结构如图：

灯丝阴极发射电子，阳极对电子加速。调制极位于灯丝与阳极之间，对电子束电流起调节和初聚作用。聚焦极对调制极初聚的电子流进一步聚焦以获得更细的合适束斑。由于聚焦线圈的应用，使直形电子枪可以得到100kW/cm2以上的高能密度，而且易控制调节。因此，目前所用的大功率电子束应用设备多采用轴向枪。

轴向枪的发明者是Pierce，为了纪念这位发明家，人们也将轴向枪称为“Pierce枪”。

环形电子枪的结构如图：

环形枪结构简单、成本低，并能以简单的电源装置工作。枪体由环形灯丝、阳极、阴极、聚焦线圈和偏转线圈等组成。环形灯丝处于负高压，用做热电子发射源，在聚焦极的定向反射和阳极的加速作用下，使电子束会聚于坩埚蒸发源中心。环形枪和直形枪在使用时，高能电子束轰击材料将发射二次电子。

由于轴向枪其有着一系列优点，使枪的寿命大大延长，故被国内外广泛采用。

强流轴向电子枪的结构如图：

强流电子枪可根据电子注形状分为两类：产生轴对称实心电子注的称为“O”型电子枪，产生片状及管状电子注的称为“M”型电子枪。“O”型电子枪广泛用于大功率电子注加工及冶炼设备中，是得到广泛应用的一种。导流系数的不同会引起设计方法的不同，所以在“O”型枪设计中又区分为低导枪和高导枪两种。

电子束发生系统是发射电子并形成电子束的装置，如图所示：

在轴向枪中，发射电子束的阴极有两种形式：直热式阴极、和间热式阴极。

电子束发射后，经阳极加速并在阳极之后形成一定的束腰，而且束腰的直径、位置和束流强度都可以很容易地进行控制。其控制的实质问题是在预定的电子束途径上，确定所需要的电磁场。

直热式阴极加工成丝状。而直接通电加热发射电子束。这种情况下灯丝就是阴极。直热式阴极的结构比较简单，但只能用于小功率的电子枪。

直热式阴极一般采用纯钨作阴极材料，加热电流直接通过阴极。

间热式阴极通常加工成块状，由另一个灯丝对阴极进行间接地加热。这种情况下灯丝与阴极是不同的。间热式阴极的寿命较长，工作性能稳定，通常用于大功率的电子枪中。

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。

间热式轰击型阴极加热方式是，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。

间热式加热型阴极的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。

材料的选择对电子枪的发射能力和寿命有决定作用。灯丝必须选用熔点高、电阻率大的材料，一般是用钨丝制成的，通过强电流后，灯丝被加热到一千度以上。阴极必须选用逸出功低的材料，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，会脱离原子核的束缚越出轨道而成为自由电子。

选用氧化物作为材料，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，甚至会严重地受空气侵蚀。

选用钨丝作为材料，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。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。

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，或注腰：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。

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。