一种电子束源的设计方法
【专利摘要】本发明一种小型化强流电子束源的设计方法，在假设阴极的发射能力无限大的条件下，根据空间电荷限制条件下的Child定律和阴极尺寸，确定阴极发射面到电子束源中引出电极的距离；调整阴极加热灯丝的电阻，使其在额定电流作用下可以将阴极加热至足够高的温度，以满足阴极发射能力无限大的假设；在保证所需的近轴电场分布不变的前提下缩小电极外径，缩小尺度以满足阴极安装所需尺寸为下限；在高压电缆与绝缘子入口之间的空隙处填充高介电常数材料，并使该材料与电缆外表面及绝缘子内圆紧密贴合。本发明显著降低了电子束源对工作环境真空度的要求，提高了其对工作环境的适应性；有效减小了电子束源体积，提高了其在航空航天领域应用的可行性。
【专利说明】一种电子束源的设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电子束源的设计方法，特别是小型化强流电子束源的设计方法。【背景技术】
[0002]自1987年阴极射线管被发明以来，各种各样的电子束源已经在许多领域获得了广泛应用，其设计方法也已经非常成熟。对用于电子辐照加速器的电子束源而言，其设计方法一般是根据所需的束流强度确定阴极尺寸，通过调节阴极温度来精确控制阴极发射能力，以获得所需的束流强度；在结构设计方面，通过增加整体尺寸提高绝缘性能，以保证电子束源工作的稳定性和可靠性。其不足之处在于:通过调节阴极温度来控制束流强度的方式对阴极工作环境真空度的要求很高，一般至少要达到10_5Pa~10_6Pa，要维持此级别的真空度必须有庞大的真空泵组支持；通过增加整体尺寸提高绝缘性能的方法导致电子束源的质量和体积急剧增加，限制了电子束源的应用范围。
【发明内容】
[0003]为克服现有电子束源体积过大，工作环境真空度要求过高的缺点，本发明提供一种小型化强流电子束源的设计方法。
[0004]本发明的技术解决方案如下:
[0005]一种电子束源的设计方法，其特殊之处在于:包括以下步骤:
[0006]I】确定引出电极的位置；
[0007]假设阴极的发射能力无限大，根据空间电荷限制条件下的Child定律、阴极尺寸及发射束流强度，确定阴极发射面到电子束源中引出电极的距离，从而确定引出电极的位置；
[0008]2】调整阴极加热灯丝的电阻，使阴极加热灯丝在额定电流的作用下可以将阴极加热至足够高的温度，以满足步骤I】中阴极发射能力无限大的假设；
[0009]3】确定加速电极的位置及加速电极、引出电极的电位；
[0010]根据电子束源轨迹，调整电子束源中加速电极的位置及加速电极、引出电极的电位，确定电子束源的近轴电场分布；
[0011]4】确定加速电极、引出电极的外径尺寸；
[0012]在近轴电场分布不变的前提下，缩小各电极外径；
[0013]5】确定高压电缆的安装结构。
[0014]上述步骤5】具体为:
[0015]将高压电缆插入杯状绝缘子中，并在电缆与绝缘子入口之间的空隙处填充高介电常数的材料，使该材料与电缆外表面及绝缘子内圆紧密贴合。
[0016]上述步骤I】中阴极发射面到电子束源中引出电极的距离为20mm~25mm。
[0017]上述步骤2】中阴极温度应达到1200°C以上。
[0018]上述步骤4】中电子束源各电极的外径不大于130mm。[0019]上述高压电缆的工作电压与绝缘子高度的比例应不小于4kV/cm，填充材料的介电常数应不小于2.0。
[0020]本发明与现有技术相比优点是:
[0021]1、本发明在假设阴极发射能量无限大的条件下，电子束源工作在空间电荷限制条件下，通过调整各电极的位置及电位使阴极产生的电子束产生符合一定的电子束源轨迹及强度，与现有通过调节阴极温度来控制束流强度的方式相比，本发明对工作环境真空度的要求大大降低，在5X10_3Pa的真空度下即可稳定的发射电子束流，省去了庞大的真空维持系统，提高了电子束源对工作环境的适应性。
[0022]2、通过本发明的设计方法，电子束源的体积缩小至未进行小型化设计之前的30%~40%，极大地提高了电子束源在航空航天领域应用的可行性。【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是本发明小型化强流电子束源的整体结构示意图。
[0024]其中，附图标记为:1-阴极、2-灯丝、3-引出电极、4-加速电极、5-高压电缆、6-绝缘子、7-填充材料、8-陶瓷管、9-外壳。
【具体实施方式】
[0025]以下结合附图1对本发明进行说明，电子束源的设计包括以下步骤:
[0026]I】根据发射束流IOOmA和给定尺寸的阴极I,直径IOmm,由Child定律求得阴极发射面到引出电极3的距离为20-25mm。
[0027]2】设计加热灯丝2的电阻为0.3 Q，加热灯丝2在额定电流12A的作用下温度达到1500°C，此时阴极I温度达到1300。。。
[0028]3】确定电子束源的近轴电场分布后缩小电极3和4的外径，至阴极I安装所需的最小尺寸时近轴电场分布无变化，即取电极3和4的外径为阴极I安装所需的最小尺寸120mmo
[0029]4】根据高压电缆5的工作电压100kV，取绝缘子6的高度为210mm，并在高压电缆5和绝缘子6之间充满填充材料7，填充材料7的介电常数为2.2。
[0030]根据步骤I】~4】的结果设计陶瓷管、外壳及其余支撑结构，最终获得的小型化强流电子束源外径为220mm,高度为380mm。
【权利要求】
1.一种电子束源的设计方法，其特征在于:包括以下步骤: I】确定引出电极的位置； 假设阴极的发射能力无限大，根据空间电荷限制条件下的Child定律、阴极尺寸及发射束流强度，确定阴极发射面到电子束源中引出电极的距离，从而确定引出电极的位置； 2】调整阴极加热灯丝的电阻，使阴极加热灯丝在额定电流的作用下可以将阴极加热至足够高的温度，以满足步骤I】中阴极发射能力无限大的假设； 3】确定加速电极的位置及加速电极、引出电极的电位； 根据电子束源轨迹，调整电子束源中加速电极的位置及加速电极、引出电极的电位，确定电子束源的近轴电场分布； 4】确定加速电极、引出电极的外径尺寸； 在近轴电场分布不变的前提下，缩小各电极外径； 5】确定高压电缆的安装结构。
2.根据权利要求1所述的电子束源的设计方法，其特征在于:所述步骤5】具体为: 将高压电缆插入杯状绝缘子中，并在电缆与绝缘子入口之间的空隙处填充高介电常数的材料，使该材料与电 缆外表面及绝缘子内圆紧密贴合。
3.根据权利要求1所述的电子束源的设计方法，其特征在于:所述步骤I】中阴极发射面到电子束源中引出电极的距离为20mm~25mm。
4.根据权利要求1所述的电子束源的设计方法，其特征在于:所述步骤2】中阴极温度应达到1200°C以上。
5.根据权利要求1所述的电子束源的设计方法，其特征在于:所述步骤4】中电子束源各电极的外径不大于130_。
6.根据权利要求2所述的电子束源的设计方法，其特征在于: 所述高压电缆的工作电压与绝缘子高度的比例应不小于4kV/cm，填充材料的介电常数应不小于2.0。
【文档编号】H01J17/04GK103617940SQ201310566866
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月13日 优先权日:2013年11月13日
【发明者】张晰哲, 谭畅, 韩先伟, 王妍 申请人:中国航天科技集团公司第六研究院第十一研究所