法拉第筒探头的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种法拉第筒探头，该法拉第筒探头包括：中空外筒；小孔栅片，通过固定螺帽固定于中空外筒的一端，其中部开小孔；石墨收集极，其前端开口正对小孔栅片的小孔，其后端连接至信号引线的前端；中空接头，固定于中空外筒的远离所述小孔栅片的一端，在其中空部设置朝向中空外筒内侧的台阶；陶封引线，其陶质绝缘部具有一肩部，该肩部抵接于中空接头中空部的台阶，其引线部的一端与信号引线的末端相连接，另一端伸入中空接头外；绝缘陶瓷管，套设于中空外筒内，石墨收集极和信号引线外。本发明法拉第筒探头可以方便地对小孔栅片进行安装和拆卸。
【专利说明】法拉第筒探头
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及微波真空电子器件【技术领域】，尤其涉及一种法拉第筒探头。
【背景技术】
[0002]行波管作为重要的真空电子器件，具有高效率、高可靠性、轻重量、宽频带、高功率、线性度佳和噪声功率低等特点，在雷达、电子对抗、制导和卫星通信等领域得到了广泛的应用。自从行波管发明以来，经过许多人的努力，已经建立了完善的理论体系，包括皮尔斯的线性理论、田炳耕和诺埃的非线性理论、瓦因斯坦的非线性理论等。随着计算机技术的发展，人们又开发了许多程序代码，如美国著名的ID和3D的CHRISTINE代码，GATOR代码等，近几年来兴起粒子模拟方法(PIC)和整管仿真，如应用比较广泛的MAGIC程序，CST软件套装等。
[0003]尽管行波管理论已经比较成熟了，在理论上可以设计出性能很好的行波管，但是有的情况下，理论计算与实际情况之间总是有一些差距。其中的原因之一就是电子枪发射的电子注在行波管中并没有很好的通过率。电子注的一些参量从根本上决定了器件的效率、增益、工作稳定性和噪声等性能。由于受到热初速、阴极粗糙度和像差等因素的影响，实际电子注的结构参数，如电子注截面尺寸、截面电流密度分布、脉动、层流性和电子轨迹等，要比一般认为的情况要复杂得多。目前行波管电子光学系统的研制主要依靠计算机软件进行设计，再依靠热测进行不断修正，一方面延长了研制周期，另一方面，缺少对电子注的实验分析环 节，对电子通过率和整管效率提高极为不利。因此，测量和了解电子注的实际参数对于设计、研制行波管意义重大。
[0004]由于法拉第筒结构简单，常用于电子注分析器中测量分析电子注参数。传统的法拉第筒已经应用于各种测量，比如等离子、加速器电子束和离子束等测量，但是这些应用中法拉第筒并不适合应用于行波管电子注重复扫描电子注截面的测量。
[0005]美国加州大学戴维斯分校在2010年提出一种电子枪分析器中采用的法拉第筒探头测量分析太赫兹带状电子注，如图1所示，该法拉第筒探头采用钨薄片作为法拉第筒的小孔栅片，探头部分通过绝缘陶瓷连接安装在移动平台的支撑杆上进行移动扫描测量电子注。
[0006]测量分析行波管电子注的基本方法是，使用移动探头扫描测量电子注截面电流密度。其中探头采用针孔采样方式。一个耐高温小孔栅片和一个收集极结合起来组成法拉第筒探头，当电子枪发射的电子注打到小孔栅片的时候，只允许一部分电子通过小孔栅片进入法拉第筒，进而在法拉第筒收集极内引起一个电流信号In，这个信号与局部的电流密度有关，
[0007]In = JnJirh2(I)
[0008]这里Jn表示局部点的电流密度，rh是小孔的半径。当整个截面所有点的电流密度都测量出来后就可以得到整个截面完整的三维电流密度分布。
[0009]但是，上述电子注分析器中的法拉第筒探头，直接把钨小孔栅片连接到探头的外筒上，安装和拆卸都不够简单方便；如果测量不同直径的电子注，则无法快速更换小孔栅片，需要更换整个探头才能进行测量。
【发明内容】
[0010](一)要解决的技术问题
[0011]为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种法拉第筒探头，以利于方便地对小孔栅片进行安装和拆卸。
[0012](二)技术方案
[0013]根据本发明的一个方面，提供了一种法拉第筒探头，该法拉第筒探头包括:中空外筒；小孔栅片，通过固定螺帽固定于中空外筒的一端，其中部开小孔；石墨收集极，其前端开口正对小孔栅片的小孔，其后端连接至信号引线的前端；中空接头，固定于中空外筒的远离所述小孔栅片的一端，在其中空部设置朝向中空外筒内侧的台阶；陶封引线，其陶质绝缘部具有一肩部，该肩部抵接于中空接头中空部的台阶，其引线部的一端与信号引线的末端相连接，另一端伸入中空接头外；绝缘陶瓷管，套设于中空外筒内，石墨收集极和信号引线外。
[0014](三)有益效果
[0015]从上述技术方案可以看出，本发明法拉第筒探头具有以下有益效果:
[0016](I)小孔栅片通过固定螺帽压紧在中空外筒上，根据不同测量需要，可以非常容易地更换不同的小孔栅片，或者替换损坏的小孔栅片。
[0017](2)所有零件都简 单紧凑，并且中空接头和中空外筒之间通过螺纹紧固，可以很方便的更换和拆卸零件。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为现有技术法拉第筒探头结构示意图；
[0019]图2为根据本发明实施例的法拉第筒探头的结构示意图；
[0020]图3为图2所示法拉第筒探头的固定螺帽结构示意图；
[0021]图4为图2所示法拉第筒探头的中空外筒的俯视图；
[0022]图5为图2所示法拉第筒探头的中空接头的俯视图；
[0023]图6为图2所示法拉第筒探头的石墨收集极的结构示意图。
[0024]【主要元件符号说明】
[0025]1-接头；2-陶封引线；
[0026]3-外筒；4-绝缘陶瓷管；
[0027]5-信号引线；6-石墨收集极；
[0028]7-固定螺帽；8-小孔栅片。
【具体实施方式】
[0029]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0030]在本发明的一个示例性实施例中，提出了一种法拉第筒探头。如图2所示，该法拉第筒探头包括:中空外筒3 ;小孔栅片8，通过固定螺帽7固定于中空外筒3的一端，其中部开孔；石墨收集极6，其前端开口正对小孔栅片8的孔，其后端连接至信号引线5的前端；中空接头1，其螺接于中空外筒3的内侧，在其中空部设置朝向中空外筒内侧的台阶；陶封引线2，其陶质绝缘部具有一肩部，该肩部抵接于中空接头I中空部的台阶，其引线部的一端与信号引线5的末端相连接，另一端伸入中空接头I外；绝缘陶瓷管4，其套设于中空外筒3内，石墨收集极6和信号引线5外，一端抵接于所述小孔栅片8，另一端抵接于陶封引线2的陶瓷绝缘部。
[0031]在图2所示的实施例中，小孔栅片通过固定螺帽压紧在中空外筒上，根据不同测量需要，可以非常容易地更换不同的小孔栅片，或者替换损坏的小孔栅片。
[0032]图3为图2所示法拉第筒探头的固定螺帽结构示意图。如图3所示，固定螺帽外径为10mm，高度为7.2mm，一端加工有高度为6mm的内螺纹M8，接着有一直径为6mm，高度为
1.0mm的台阶，台阶中心开有直径为4_的中空圆孔，这样台阶就可以和中空外筒3的前端相吻合紧固，固定螺帽的前端圆孔形成厚度小于0.5mm，优选为0.2mm，直径略大于小孔栅片直径的薄台阶，其作用使小孔栅片紧压在外筒前端，并且让小孔栅片露出来接受电子的轰击，再者前端尽可能的薄，这样就可以让小孔栅片尽可能靠近电子枪的阳极口进行测量。
[0033]在测量电子注的时候，探头受到大量电子的轰击，产生大量的热量，温度会升得很高，如果前端接受电子注轰击的小孔栅片不能够尽快地把热量散去，热量积累过多，温度过高，很有可能会熔化损坏，而真空中一般靠传导散热，因此小孔栅片一定要选择热导率比较高的材料，比如无氧铜材料，也可以用钥、钨、坦和铼等来代替。由于小孔栅片的材质为耐高温材料，小孔的尺寸又非常小，因此，该小孔优选采用激光打孔的方式制备。
[0034]此外，当电子通过小孔栅片8中间的小孔时，如果栅片厚度较大，会造成大量的截获，进而造成较大的测量误差，因此小孔栅片一定要尽可能薄，小孔直径尽可能的小，优选地，其厚度小于0.1mm,小孔直径小于0.1mm。以下给出一具体的小孔栅片尺寸,其厚度为
0.06mm,其中心小孔直径分别为0.1mm, 0.05mm和0.01mm。通过米用具有不同小孔直径的栅片，就可以测量不同直径大小的电子注，比如测量直径约为Imm的电子注，可以采用小孔直径为0.1mm的小孔栅片，而测量直径约为0.2mm的电子注，可以采用小孔直径为0.0lmm的小孔栅片。
[0035]图4为图2所示法拉第筒探头的中空外筒的俯视图。如图4所示，外筒的前端开有外螺纹M8，螺纹前端还有一外径为6mm，高度为1.0mm的台阶，可以和固定螺帽7进行紧固，中空外筒的后端开有内螺纹，可以和图3所示的中空接头进行紧固。
[0036]图5为图2所示法拉第筒探头的中空接头的俯视图。如图5所示，中空接头2的一端可以固定在电子注分析器中三维移动平台的探头支撑杆上，通过螺钉紧固，而另一端开有外螺纹，可以和中空外筒3的内螺纹啮合，并且接头内放置陶封引线，可以把石墨收集极上的电流信号接引出来，同时保持和外筒和接头的绝缘。
[0037]图6为图2所示法拉第筒探头的石墨收集极的结构示意图。如图6所示，该石墨收集极6的外径为2.4mm,内径为1.5mm，前端的开口的深度约为8mm。当然，也可以合理设置石墨收集极6的内/外径和深度，但一般情况下，该内径大于1mm，开口深度小于10mm。该石墨收集极6与后端的信号引线5钎焊封接。一般情况下，该信号引线为金属引线。石墨收集极6与中空外筒3前端有Imm左右的距离，避免与小孔栅片8的接触。另外，绝缘陶瓷管4前端基本和外筒3前端，即小孔栅片相平。
[0038]对于如图2所示的陶封引线2，其在行波管中有大量的使用，可以采用Al2O3陶瓷材料和金属引线进行封接得到陶封引线。同理，绝缘陶瓷管4为Al2O3陶瓷管，其外径为4_，内径为2.5_，主要是保证信号引线5和石墨收集极6和外筒3之间的绝缘。
[0039]对于本发明的法拉第筒探头，其应用于电子注分析器中进行测量分析，其中，中空接头I直接安装到电子注分析器中的移动平台上，而陶封引线2直接连接到电流信号放大采集系统，由于小孔栅片8截获了几乎整个电子注的电流，从而可以通过中空外筒3中部的小孔把这个电流导引出来进行处理。
[0040]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种法拉第筒探头，其特征在于，包括: 中空外筒⑶； 小孔栅片(8)，通过固定螺帽(7)固定于所述中空外筒(3)的一端，其中部开小孔； 石墨收集极(6)，其前端开口正对所述小孔栅片(8)的小孔，其后端连接至信号引线(5)的前端； 中空接头(I)，固定于所述中空外筒(3)的远离所述小孔栅片(8)的一端，在其中空部设置朝向所述中空外筒内侧的台阶； 陶封引线(2)，其陶质绝缘部具有一肩部，该肩部抵接于所述中空接头(I)中空部的台阶，其引线部的一端与所述信号引线(5)的末端相连接，另一端伸入所述中空接头(I)外； 绝缘陶瓷管(4)，套设于所述中空外筒(3)内，所述石墨收集极(6)和信号引线(5)夕卜。
2.根据权利要求1所述的法拉第筒探头，其特征在于，所述固定螺帽(7)的后端具有内螺纹，与所述中空外筒(3)相应端的外螺纹相啮合； 所述固定螺帽(7)的前端形成直径大于所述小孔栅片直径的台阶，该台阶将该小孔栅片扣合于所述固定螺帽(7)内。
3.根据权利要求2所述的法拉第筒探头，其特征在于，所述固定螺帽(7)的前端台阶的厚度小于0.5mm。
4.根据权利要求1所述的法拉第筒探头，其特征在于，所述小孔栅片(8)的厚度小于0.1mm,小孔直径小于0.1mm。
5.根据权利要求4所述的法拉第筒探头，其特征在于，所述小孔栅片的材质为无氧铜、钥、钨、坦或铼，其中部小孔采用激光打孔方式制备。
6.根据权利要求1所述的法拉第筒探头，其特征在于，所述中空外筒(3)的远离所述小孔栅片(8)的另一端具有内螺纹，与所述中空接头(I)相应端的外螺纹相啮合。
7.根据权利要求1所述的法拉第筒探头，其特征在于，所述石墨收集极(6)与后端的信号引线(5)钎焊封接，且其前端与所述小孔栅片(8)不接触。
8.根据权利要求7所述的法拉第筒探头，其特征在于，所述石墨收集极(6)的内径大于Imm,开口深度小于10_。
9.根据权利要求1所述的法拉第筒探头，其特征在于，所述绝缘陶瓷管的一端抵接于所述小孔栅片(8)，另一端抵接于所述陶封引线(2)的陶瓷绝缘部。
10.根据权利要求1至10中任一项所述的法拉第筒探头，其特征在于，该法拉第筒探头应用于电子注分析器中； 所述中空外筒(3)固定于所述电子注分析器中三维移动平台的探头支撑杆上。
【文档编号】G01T1/29GK103675888SQ201210319680
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年8月31日 优先权日:2012年8月31日
【发明者】韦宇祥, 黄明光, 刘述清, 郝保良 申请人:中国科学院电子学研究所