一种基于碳纳米管冷阴极的回旋管电子枪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微波毫米波技术领域，特别是回旋管配套用140GHz碳纳米管冷阴极磁控注入电子枪。
【背景技术】
[0002]微波、毫米波电真空辐射源器件作为雷达、电子对抗、空间通信等军事电子系统不可缺少的核心器件一直受到广泛重视.在上述电真空器件中阴极和电子光学系统则占有举足轻重的地位，传统器件一般采用热发射阴极系统，经过几十年的发展，热发射阴极工艺已非常成熟，被广泛应用于各类电真空器件中.但热发射阴极存在以下显著缺点:结构复杂，成本高，阴极系统由多种金属和陶瓷部件构成，由于热阴极工作在上千度的高温环境，阴极中加热用的灯丝容易断裂或短路，导致器件损坏，因而阴极系统损坏是电真空器件失效的主要原因；另一方面由于需要加热功率，增加了系统的复杂性，降低了系统效率，需要较长时间才能达到工作温度，尤其对于大功率器件，其启动时间往往长达几分钟，给使用带来很大不便。
[0003]碳纳米管作为场致发射性能优异的新型冷阴极材料，具有工作电压低，发射电流大，使用寿命长，可靠性高等特点，是当前的研究热点。目前已在场致发射显示器X射线管，阴极射线管等领域广泛应用，同时其在毫米波电真空辐射源器件的应用也具有广阔的前景。
【发明内容】
[0004]本专利的目的是针对【背景技术】存在的弊端结合碳纳米管场致发射材料的优异性能，设计一种碳纳米管场致发射冷阴极替代回旋管电子枪的热阴极。使得磁控注入电子枪能够随着器件频率向毫米波，亚毫米波频段的发展，具有反应速度快，效率高，尺寸小，可靠性高等一系列优点，从而能极大的提高电真空器件的性能。
[0005]本发明的技术方案为一种基于碳纳米管冷阴极回旋管电子枪，该电子枪包括:阴极、阳极、磁控装置，其中阴极为末端为锥形的柱状金属结构，其特征在于围绕阴极末端的锥形斜面设置有一圈碳纳米管；阳极为内部设置有电子腔的管状金属结构，阴极的锥形末端设置于阳极的电子腔内，顺电子发射方向阳极电子腔的内径阶段性缩小，相邻阶段之间设置有过度段，使不同内径的阶段平缓过渡；阳极外围设置有磁控装置，用于控制电子的运动轨迹。
[0006]进一步的，所述碳纳米管嵌入阴极末端锥形斜面内，表面与斜面齐平。
[0007]进一步的，阴极发射带半径为45到50mm，宽度为0.8到1.5mm，，阳极电压75到83Kv。
[0008]本发明首次在140GHz高功率回旋管中使用碳纳米管冷阴极发射带，使碳纳米管冷阴极回旋管电子枪不仅能同传统热阴极电子枪一样在达到一定速度比要求的同时，实现速度离散低，轨迹呈良好的螺旋状态。而且，其具有了碳纳米管冷阴极材料的反应速度快，即时启动的特点，同时，因其采用场发射原理不需要像热阴极那样的高温条件，使其能够更好的加工设计，有较低的功率损耗，起到节约能源，保护环境的效果。
【附图说明】
[0009]图1为回旋管电子枪阴极与阳极的二维结构图。
[0010]图2为140GHz碳纳米管冷阴极回旋管电子枪的二维纵向切面仿真图(因其轴向，径向分别对称，本图取其剖面上半部分)。
[0011]图3为碳纳米管冷阴极电子枪发射出电子束达到的速度比。
[0012]图4为碳纳米管冷阴极电子枪发射出电子束达到的轴向速度。
[0013]图5为碳纳米管冷阴极电子枪发射出电子束达到的径向速度。
[0014]图中:1.阴极，1.1.碳纳米管阴极发射带，2.阳极3.电子束轨迹。
【具体实施方式】
[0015]本实施方式以140GHz碳纳米管冷阴极回旋管电子枪为例。
[0016]设定如下具体尺寸:阴极发射带半径为48.7mm，宽度为1mm，阳极电压是81Kv。整个枪体总长度约为370mm。如图2为回旋管电子枪从碳纳米管阴极表面发射出电子实现的良好螺旋轨迹图。如图3为碳纳米管冷阴极发射出的电子达到的速度比为1.3。如图4，5可以看出电子束分布集中，空间电荷效应不强电子束离散小。相比于热阴极预热长达几分钟的启动时间，本设计电子枪通过控制电场强度实现瞬时启动，大大提高了回旋管电子枪的反应速度。同时热阴极工作在高温下，存在极强的散热问题和对其周围器件的热辐射问题，本设计冷阴极电子枪良好的解决目前热阴极电子枪的这一弊病，起到了节约能源保护环境的效果O
【主权项】
1.一种基于碳纳米管冷阴极回旋管电子枪，该电子枪包括:阴极、阳极、磁控装置，其中阴极为末端为锥形的柱状金属结构，其特征在于围绕阴极末端的锥形斜面设置有一圈碳纳米管；阳极为内部设置有电子腔的管状金属结构，阴极的锥形末端设置于阳极的电子腔内，顺电子发射方向阳极电子腔的内径阶段性缩小，相邻阶段之间设置有过度段，使不同内径的阶段平缓过渡；阳极外围设置有磁控装置，用于控制电子的运动轨迹。2.如权利要求1所述的一种基于碳纳米管冷阴极回旋管电子枪，其特征在于所述碳纳米管嵌入阴极末端锥形斜面内，表面与斜面齐平。3.如权利要求1所述的一种基于碳纳米管冷阴极回旋管电子枪，其特征在于阴极发射带半径为45到50mm，宽度为0.8到1.5mm，，阳极电压75到83Kv。
【专利摘要】该发明公开了一种基于碳纳米管冷阴极回旋管电子枪，属于微波毫米波技术领域。该电子枪包括：阴极、阳极、磁控装置，其中阴极为末端为锥形的柱状金属结构，其特征在于围绕阴极末端的锥形斜面设置有一圈碳纳米管；阳极为内部设置有电子腔的管状金属结构，阴极的锥形末端设置于阳极的电子腔内，顺电子发射方向阳极电子腔的内径阶段性缩小，相邻阶段之间设置有过度段，使不同内径的阶段平缓过渡；阳极外围设置有磁控装置，用于控制电子的运动轨迹。使得磁控注入电子枪能够随着器件频率向毫米波，亚毫米波频段的发展，具有反应速度快，效率高，尺寸小，可靠性高等一系列优点，从而能极大的提高电真空器件的性能。
【IPC分类】H01J23/075, H01J23/04, C01B31/02
【公开号】CN105551914
【申请号】CN201511020566
【发明人】赵青, 杨兴兴, 丁未, 刘建卫
【申请人】电子科技大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年12月29日