电子枪
- 中文名
- 电子枪
- 外文名
- electron gun
- 作 用
- 产生加速及会聚电子束
- 应 用
- 电子散射和荧光屏发光
目录
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。
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