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電子槍是加速電子轟擊靶屏發光的一種裝置,它發射出具有一定能量、一定束流以及速度和角度的電子束。(該電子束的方向和強度可以控制,通常由熱陰極、控制電極和若干加速陽極等組成)電子槍用來提供電子束,並轟擊熒光屏形成不同灰度等級的圖像。電子槍一般分為熱發射和場致發射兩種;電子槍的功能在於給出滿足要求的電子束,而電子槍的材料和工藝結構又必須考慮到電子槍易於加工和使用方便。

1簡介

對於電子槍的設計一般應有以下幾個方面的考慮:
1. 注入電子具有一定的能量,槍的結構要有足夠的耐壓強度,能承受一定的加速電壓。
2. 要有足夠的發射能力,能給出足夠的脈衝電流。
3. 電子束的束流直徑和發射角要求在給定範圍內。
4. 結構簡單,易於加工、安裝和檢修。
5. 槍的使用壽命長。

2基本參量

在進行電子槍的討論中,人們常常會用到一些專用術語,在此我們先對它們作一簡單介紹:
注腰
在軸對稱收斂型電子槍中,電子從陰極發出,在槍內各電極及電子自身空間電荷形成的靜電場的作用下,形成一定的電子注形狀,人們將電子注中截面半徑最小的地方稱為注腰。
射程
射程 表示電子槍陽極頭到電子槍所形成的注腰之間的距離。一般來說,人們希望射程足夠的大,使得電子注能夠以最佳的注入條件進入高頻場作用區。
簡介
陰極是電子槍的關鍵部件之一,它決定電子槍的發射能力和壽命。目前世界上用於電子直線加速器上的電子槍,其陰極的形式多種多樣,歸納起來可以有兩種劃分方法:
直熱式陰極多半採用純鎢作陰極材料,加熱電流直接通過陰極。間熱式陰極一般採用敷釷鎢、敷氧化物、鈧酸鹽、六硼化鑭陰極,它分為轟擊型和加熱型兩種。
加熱型
這種陰極,化合物層固定在薄壁的底托上(鎳管或鉬管),底托下面放著耐熱絕緣的螺旋鎢絲。電流流過燈絲,燈絲燒熱陰極,當陰極達到發射電子的溫度時,就發射出電子來。
陰極的材料及其工作溫度對電子槍的發射能力和壽命有決定作用。陰極必須選用低逸出功的材料。陰極表面原子的外層電子,受到一定的熱能或電能的激勵后,會越出軌道的束縛而成為自由電子。
熱發射式電子槍的燈絲陰極一般是用鎢絲製成的,必須靠電流將燈絲加熱到一千度以上,燈絲髮射電流密度 與燈絲溫度 及燈絲材料的逸出功有關。
以鎢絲溫度為例,其逸出功為4.55電子伏,在工作溫度為2500K時,J=0.5安/厘米2。
燈絲溫度對電子的發射強度的影響是很大的。如果採用逸出功更小的陰極材料,在獲得同樣發射強度的條件下,還可大大降低燈絲溫度。為了使陰極壽命儘可能的延長,要求材料有較高的熔點和較小的蒸發率,並且不容易受空氣侵蝕而中毒。鎢絲的熔點為3655K,在工作溫度為2750K時,蒸發率為0.0043毫克/厘米·秒,鎢絲的耐侵蝕性較強。氧化物陰極的逸出功更低,例如氧化鋇的逸出功只有2.8電子伏,但其耐蝕性差,一般只適宜在10-5-10-6毫米汞柱的高真空下工作,在10-4毫米汞柱時,其發射本領顯著下降,在10-3毫米汞柱下工作時,甚至會嚴重地中毒,不能再繼續使用。
場致發射式電子槍要求在陰極表面附近有大於106伏/厘米的強電場,提高陰極表面場強,是增大發射強度的有效途徑。
一般來說,電子槍的電流強度總在1毫安以上,脈衝電子流可達安培級,壽命在100小時以上。

3工作原理

皮爾斯型電子槍的工作原理
目前世界各國電子直線加速器的電子槍,多數採用的是皮爾斯型電子槍,這種電子槍的光學系統主要包括陰極、陽極和聚焦極,有的加有柵控極,通常聚焦極的電位等於或接近陰極電位,陽極為地電位,陰極上加有負脈衝高壓。陰極和陽極構成一個二極體,陰極受熱子(燈絲)加熱烘烤,熱子由交流電源供電,當陰極加熱到一定溫度時,即有熱電子發射,在陰陽極間加速電壓的作用下,形成電子束飛向陽極。電子束受聚焦極作用朝著陽極孔飛行,最終穿過陽極孔進入加速系統。

柵控槍工作原理

隨著加速管的改進,採用低壓注入的技術成為可能;同時現在的醫用加速器,根據放射治療的需要,要求改變注電流達到既能出X射線,亦能出電子線的要求。這樣的電子槍陽極電壓可降到7-15KV,注流在200—1000ma的範圍內變化。在出電子線時注流能逐漸降到很低的數值(醫用加速器工作在X線治療和電子線治療時對束流強度的要求差別甚大,相差百倍以上)。低壓注入技術的解決,為柵控槍的使用打下基礎。低壓槍可以大大縮小電子槍的尺寸,減低電極間絕緣瓷件耐壓的要求,減低了離子回轟陰極的能量,更重要的是電源的體積,重量以及效率可以大大提高。對於柵控槍的設計,人們一般是在二極槍設計的基礎上,增加一個控制極(柵極)。當柵極對陰極加上一個不大的負電壓(截止偏壓一Egc)時,使陰極發射截止;這相當於在脈衝的間隙期停止放射,而脈衝的持續期控制極對陰極加上零或一個不大的正電壓,使陰極發射電子,通過對這個正電壓的調整,達到對電子注流的控制。而陽極對陰極的電壓,可以始終加上一個穩定的直流高壓。顯然直流電源電壓的幅度穩定,比高壓脈衝調製器的高壓脈衝幅度的穩定容易得多。因而也減輕了對電源設計上的壓力。人們加設的控制極,通常有三種形式,它們的結構形式在第一部分已經給出,它們的工作方式,現分別簡述如下:第一種孔柵槍:它是在結構設計上將二極槍的聚焦極與陰極絕緣開來,適當修改聚焦極的設計,使其能在相對陰極而加的偏壓(-Ego)的絕對值盡量低時情況下,實現電子注的截止。一般經驗是,當P<0.5微朴,槍壓縮比較小時,|—Ego|/Va可以在低於25%的情況下,實現孔柵槍設計。第二種針柵槍:它是在陰極的中心安置一個與陰極絕緣而垂直於陰極面的小針,以此針為控制極,它的截止電壓,大致可以做到或稍低於孔柵槍的水平。但對針柵槍而言,其陰極、針柵極在結構設計上較複雜,目前國內較少使用,而俄羅斯在這方面技術較成熟,他們可以在針柵上復上一層反發射物質,以降低柵發射。不過對於存在較強離子反轟的加速管採用此種控制極是否可行,有待實踐證明。第三種網柵槍,它是在二極槍中距陰極1%—3%的等位面上設置一柵網,當柵網對陰極加上相當於網在平面的電位時,並不大改變原二極槍的電位分佈。這種柵的截止偏壓可以設計得很低。這將有利於柵控電源的製作。
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