一种微波调制相位可控的多电子注冷阴极电子枪的制作方法

本发明涉及一种可集成电真空辐射源器件配套用电子枪，特别是一种可调节馈入微波频率以产生不同调制频率的多个电子注、且相位可控的冷阴极电子枪。

背景技术：

微波电真空辐射源器件作为雷达、电子对抗、空间通讯等军事电子系统不可缺少的核心器件一直受到广泛重视。在上述电真空辐射源器件中电子枪部件则占有举足轻重的地位，传统电真空辐射源器件中电子枪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辐射源器件中，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；另一方面由于工作时需要较长时间加热，不但增加了系统的复杂性，还降低了系统效率；此外由于热阴极结构复杂，阴极温度高也是电真空辐射源器件难以集成的主要原因之一。

微型电真空辐射源器件相比热阴极电真空器件它具有体积小、可集成等特点，在微型电真空辐射源器件中首先需要采用场致发射冷阴极来解决自由电子源的产生，场致发射是在金属或导体等表面施加高强度的电场、通过隧道效应使电子进入真空中形成电子注，从而可除去热阴极系统所必不可少的加热组件，大幅度简化了阴极结构；与热电子发射相比，场致发射冷阴极具有功耗低、可集成、尺寸小、响应速度快等一系列优点，因此它是微型电真空辐射源器件的理想电子发射源。

目前场致发射冷阴极可集成微型电真空辐射源器件的发展仍受到限制。主要原因是在可集成微型电真空器件中，由于器件尺寸小，导致注波互作用的空间也相应地大大减小。因此研究有效提高小尺寸空间中注波互作用的效率就成为发展可集成微型电真空辐射源器件的关键之一。

此外对于集成化的微型电真空辐射源器件的发展还受到相位问题的制约。当两个集成在一起的微型电真空辐射源的相位不一致且频率相近时，两个辐射源之间就会产生相干，这种相干对器件正常工作的影响是非常大的，同时也不利于器件的应用。如果两辐射源产生的高频场频率一致，相位可控，则上述问题即可解决。频率一致可以通过采用相同谐振腔系统得以保证，相位可控则难度较大。因此利用同一频率微波信号调制多电子注并实现相位可控就成为发展可集成微型电真空辐射源器件的另一关键技术。进而，如能利用多个调制相位可控的电子注同时激励某一谐振系统中的高频场，其结果可以提高注波互作用效率和辐射源工作带宽，增大辐射源输出功率。

在公告号为cn1379433a)的专利文件中公开了《一种冷阴极电子枪》，该电子枪在其底座a上的冷阴架(下电极)b上固定了一个圆形金属片冷阴极，冷阴极上方设有一个网状栅极d及其支架(上电极)c，网状栅极上方设有一个圆孔状的聚焦极f及其支架e，聚焦极f的正上方还设有一网状屏蔽极h，该网状屏蔽极h通过其支架g固定在底座a上，各电极引出线i从底座a的下部引出。该电子枪利用网状栅极d形成电子注后，通过聚焦极f汇聚电子注；但该电子枪只能通过电极高压变化对冷阴极发射的电子注进行频率调制，由于其调谐频率(10³hz)远远低于微波频率(10⁹hz)。因而此类冷阴极电子枪只能用于诸如冷阴极电光源、像素管(显示器)等其电子注频率远低于微波频率的器件；既不适用于可集成微型电真空辐射源器件，又因其中每个辐射源的相位难以匹配，相位相干会导致器件不能工作，因此更不能用于有多个微型电真空辐射源的集成微波源器件中。

技术实现要素：

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种微波调制相位可控的多电子注冷阴极电子枪，以达到可大幅度减小注波互作用的空间，并可按要求馈入不同频率的微波来调制多个冷阴极发射电流、以产生不同调制频率及强度的多个电子注，且每个电子注的调制相位可控，为微型电真空器件提供电子注源，有效扩大应用范围等目的。

本发明的解决方案是在传统冷阴极电子枪的上、下电极板之间增设一微波输入层，并在微波输入层中按所设冷阴极的个数间隔开设通孔，各通孔分别与上、下电极板一并组成相应的互作用腔，各冷阴极分别嵌于相应互作用腔底部的下电极板上，在正对每个互作用腔和冷阴极的上电极板区域均开设一组各孔尺寸小于微波波长的阵列式孔、作为电子注输出孔；含上、下电极板，微波输入层及设于其内的各冷阴极、互作用腔共同组成多电子注冷阴极电子枪的枪芯，该枪芯穿过电子枪壳体通过下电极板与底座固定、而通过其侧面及(上电极板)顶面与电子枪壳体密封固定；该电子枪工作时其上电极板为阳极，当微波以准平面波模式输入时，微波中高频电场矢量方向与静电场平行，在互作用腔内一定频率的微波作用于冷阴极发射电场，其电场频率也随微波频率发生变化，使所产生的每个电子注的频率与输入的微波频率相同，从而实现通过微波调制冷阴极发射电流的目的；同时由于每个冷阴极在微波传输方向上的位置不同且间距固定，微波传输到每个冷阴极时各冷阴极之间的相位差就固定了，因此每个冷阴极产生的电子注之间的相位差也就固定了，从而又实现其相位可控的目的；此外，针对一般情况下当各电子注同相位或反相位时对于集成多个相同或不同微型电真空辐射源器件的整体工作效率的提高最为明显，本发明则根据微波输入层中所传输的微波经各互作用腔时各互作用腔之间的相位相同与否来依次确定各相邻两互作用腔之间的间距。因而，本发明多电子注冷阴极电子枪包括电子枪壳体及其底座，上、下电极板及冷阴极，关键在于在上、下电极板之间还设有一微波输入层，在微波输入层中按所设冷阴极的个数开设与其个数相同的通孔，各通孔分别与上、下电极板一并组成相应个数的互作用腔，各冷阴极分别嵌于相应互作用腔底部的下电极板上，在正对每个互作用腔和冷阴极的上电极板区域内均开设一组各孔尺寸都小于微波波长的阵列式孔，作为电子注输出孔；上电极板及嵌有多个冷阴极的下电极板分别与微波输入层的上、下表面固定，组成冷阴极电子枪枪芯，该枪芯穿过电子枪壳体并将各组电子注输出孔向上置于壳体内腔后，枪芯下电极板与底座、枪芯两侧面及上电极板顶面与电子枪壳体密封固定成一体。

以上所述在微波输入层中按所设冷阴极的个数开设与其个数相同的通孔，冷阴极的个数为2-10个。所述微波输入层是介电常数为2-10的绝缘介质层。所述各通孔分别与上、下电极板一并组成相应个数的互作用腔，各相邻两个互作用腔的中心间距根据微波输入层中所传输微波在相邻两互作用腔之间的相位相同与否来依次确定，即当要求各相邻两互作用腔相位相同时，两互作用腔之间的中心距为微波输入层中微波半波长的偶数倍，当要求各相邻两互作用腔相位相反时，两互作用腔之间的中心距为微波输入层中微波半波长的奇数倍。所述微波半波长的偶数倍为2、4、6、8、10、12、14倍，所述微波半波长的奇数倍为3、5、7、9、11、13、15倍；而所述微波输入层中微波半波长，是在首先确定互作用腔的个数和结构尺寸后，通过三维电磁仿真软件“cstmicrowavestudio”仿真获得。所述各孔尺寸均小于微波波长的阵列式电子注输出孔，电子注输出孔为圆孔、方孔或条形孔。所述互作用腔为长方形腔体、圆柱形腔体或菱柱形腔体。

本发明由于在传统的冷阴极电子枪的上、下电极板之间增设了一微波输入层，并在微波输入层中按所设冷阴极的个数间隔开设通孔，各通孔分别与上、下电极板一并组成相应的互作用腔，每个冷阴极嵌于每个互作用腔底部的下电极板上，正对每个互作用腔和冷阴极上部的上电极板开设一组各孔尺寸小于微波波长的阵列式孔作为电子注输出孔。因此该冷阴极电子枪在真空环境中当上电极板加静正电位后，可以使下电极板上的每个冷阴极产生稳定的场致发射电流；当微波以准平面波模式输入并传到某个冷阴极表面时，微波的高频电场矢量方向与静电场平行，当其方向与静电场一致时，在该冷阴极表面的电场强度将被加强、与静电场相反时则减弱；调制后的每个发射电流通过各自的电子注输出孔进入多个(或一个)微型谐振系统后即可以顺利与每个谐振腔内自激振荡或外部输入的高频电磁场发生能量交换，使每个谐振腔内的高频电磁场幅值功率获得增大后输出电磁波辐射形成的微波源，同时每个辐射源输出的微波相位与各自电子注调制频率相位一致，由于电子注调制频率相位可控，因此每个辐射源相位亦可控，解决了研制多个微型电真空辐射源集成源器件的两大关键技术。微波功率幅值愈大每个电子注的调制幅度也越大，同时通过改变输入微波频率和强度可以得到不同频率和强度调制状态的多个电子注，实现宽频带调制；对于同一输入功率、频率的微波情况，通过提高上、下电极板的电位差，即增大静电场强度，也可以增大电子注的调制幅度；本发明冷阴极电子枪中各注波互作用空间可缩小至常规技术1/10以下，相对单个微型电真空辐射源输出功率至少可以提高2倍以上。因而本发明具有注波互作用空间小，可按要求馈入不同频率的微波来调制多个冷阴极发射电流，以产生不同调制频率及强度的多个电子注，并且每个电子注微波调制相位可控，为集成微型电真空辐射源器件提供多个电子注源，且输出功率大，有效扩大了应用范围等特点。

附图说明

图1是本发明微波调制相位可控多注冷阴极电子枪结构示意图；

图2是实施例1相位相同三个电子注冷阴极电子枪经调制后阴极发射电流随时间变化图；

图3是实施例1相位相同三个电子注冷阴极电子枪经调制后各电子注穿过电子注输出孔2-1后电流随时间变化图；

图4是实施例2相邻两电子注相位相反时三个电子注冷阴极经微波调制后阴极发射电流随时间变化图；

图5是实施例2相邻两电子注相位相反时三个电子注冷阴极经微波调制后各电子注穿过电子注输出孔2-1后电流随时间变化图；

图6.实施例3六个电子注冷阴极电子枪经微波调制后阴极发射电流随时间变化图；

图7.实施例3六个电子注冷阴极电子枪经微波调制后各电子注穿过电子注输出孔2-1后电流随时间变化图。

图中：1.电子枪壳体，1-1.底座，2.上电极板，2-1.电子注输出孔，3.微波输入层，3-1.互作用腔，4.下电极板，5.冷阴极。

具体实施方式

实施例1：

以用于3毫米频段的微型电真空辐射源的多注冷阴极电子枪为例：其中电子枪壳体1内腔宽为5mm，长边为10mm，高度5mm，壁厚2mm，内壁倒角圆弧曲率为半径1mm，材料为99^#陶瓷，其下端与底座1-1密封、上端在使用时与谐振系统相连形成密封真空室，真空度可以达到10^-5帕；底座1-1材料亦为99^#陶瓷、(长×宽×厚)14×7×4mm。微波输入层3(长×宽×厚)20×2×0.25mm，该微波输入层中设三个通孔，各孔的(长×宽×厚)为2×1.8×0.25mm，本实施案例中根据要求微波输入层中微波经过三个互作用腔时相位相同；因而通过三维电磁仿真软件“cstmicrowavestudio”仿真得到在传输层中各孔之间中心距离均为2.74mm；下电极板4(长×宽×厚)20×2×0.75mm、材质为无磁不锈钢，其上的三个冷阴极5直径均为1mm、厚1um、材质为碳纳米管片材，其中第二个冷阴极位于下极板上表面中心位置、前后两个冷阴极的中心距离均为2.74mm；上电极板2(长×宽×厚)20×2×0.05mm、材料亦为无磁不锈钢，微波输入层3的上、下表面分别与上电极板2及下电极板4固定，构成的电子枪枪芯，其中波输入层中设三个通孔与上、下电极板2、4一并组成三个互作用腔3-1，并使冷阴极5置于各互作用腔底部中心位置，然后在上电极板2上正对各互作用腔3-1的范围内采用激光分别刻蚀一组11×11＝121个，各孔边长为0.1×0.1mm的阵列式方孔作为三个电子注输出孔2-1；整个电子枪枪芯穿过电子枪壳体1并将中间互作用腔3-1置于电子枪壳体的中心位置后，将枪芯的下电极板4与底座1-1、枪芯的两侧壁和上电极板2的表面与电子枪壳体1密封固定成一体，即成。

本实施例中，当上电极板2和下电极板4之间的电场强度不大于10000v/mm、同时冷阴极工作的开启电压为2500v/mm时，上电极板2工作电压可在1000-2500v范围内选择；当电场强度为4800v/mm时本实施例的电流密度约1.35a/cm²；在电位差为1200v作用下三个冷阴极产生稳定的场致发射电流i0＝31.6ma；为了实现对电子注的调制，将94ghz(也可为其它频率)微波e(t)由电子枪壳体1外的微波输入层3左端口输入，输入功率5瓦，此时微波在上电极板2和下电极板4中以准平面波模式传播，并且微波的高频电场矢量方向与静电场平行；图2中在时间t＝0.2011ns时当微波传输到三个冷阴极正上方并且方向与静电场一致时，三个冷阴极表面电场将被加强，场致发射电流将会增大到i＝i0+i1＝31.6ma+2.9ma＝34.5ma，其中i0为静电场产生三个冷阴极场致发射电流之和，其值不随时间变化；i1为微波引起的三个冷阴极场致发射电流变化之和，其值随时间变化；在t＝0.065ns时刻以前，微波依次传输到每个阴极表面，且三个电子注调制相位为同相位，因此调制电流i1逐渐增大。在t＝0.2064ns时刻微波传输到三个冷阴极正上方并且方向与静电场相反时，冷阴极表面电场将被减弱，场致发射电流将会减小到i＝i0-i2＝31.6ma-2.5ma＝29.1ma，其中i2也为微波引起的三个冷阴极场致发射电流变化之和，其值随时间变化；图3中给出了三个冷阴极5产生的电子注分别穿过电子注输出孔2-1后的电流随时间变化图，图3中可以清楚的看到三个电子注的调制相位是一致的，且距离微波输入端最近的一个电子注首先被调制，接着是第二个电子注和第三个电子注依次被调制。随着时间变化，本实施案例中电子枪产生场致发射的三个电子注的电流将随微波一同变化，变化幅度之和在29.1ma到31.6ma之间，形成调制状态且相位一致；调制后的三个电子注分别穿过各自的互作用腔3-1和电子注输出孔2-1后进入多个(或一个)微型谐振系统，为多个(或一个)微型电真空辐射源器件提供电子注源。

实施例2：

仍以用于3毫米频段的微型电真空辐射源的多注冷阴极电子枪为例：其中电子枪壳体1、底座1-1、电子注输出孔2-1、互作用腔3-1、冷阴极5其结构、尺寸均与实施例1相同；本实施例根据微波经过第一个与第三个互作用腔时相位相同的要求、经过第二个互作用腔时相位与经过第一、三个互作用腔时的相位相反，通过三维电磁仿真软件“cstmicrowavestudio”仿真得到在微波输入层3中各孔之间中心距均为3.86mm，因而上电极板2上的阵列式电子注输出孔2-1相邻阵列中心之间的距离、微波输入层3上相邻互作用腔3-1之间中心距、下电极板4上相邻冷阴极5之间中心距亦均为3.86mm；其余亦均与背景技术相同。

本实施例中，当上电极板2和下电极板4之间的电场强度不大于10000v/mm、同时冷阴极工作的开启电压为2500v/mm时，上电极板2工作电压可在1000-2500v范围内选择；当电场强度为4800v/mm时可产生约1.35a/cm²的电流密度；在电位差为1200v作用下三个冷阴极产生稳定的场致发射电流和i0＝31.6ma；为了实现对电子注的调制，将94ghz(也可为其它频率)微波e(t)由电子枪壳体1外的微波输入层3左端口输入，输入功率5瓦，此时微波在上电极板2和下电极板4中以准平面波模式传播，并且微波的高频电场矢量方向与静电场平行；图4中在时间t＝0.05ns到0.01ns时刻之间，由于相邻两冷阴极产生电子注调制相位相反所以当微波传输到第2个冷阴极正上方时，三个冷阴极整体发射电流基本不变仍为31.6ma。在t＝0.131ns时当微波传输到第三个冷阴极正上方并且方向与静电场一致时，第三个冷阴极表面电场将被加强，场致发射电流将会增大到i＝i0+i1＝31.6ma+1.0ma＝32.6ma，其中i0为静电场产生三个冷阴极场致发射电流之和，其值不随时间变化；i1为微波引起的三个冷阴极场致发射电流变化之和(由于调制相位两两相反，电子注1和电子注2的调制电流之和为0，故调制电流之和只有实施例1中同相时的三分之一)，其值随时间变化；在t＝0.1364ns时刻为传输到第三个冷阴极正上方并且方向与静电场相反时，冷阴极表面电场将被减弱，场致发射电流将会减小到i＝i0-i2＝31.6ma-0.9ma＝30.7ma，其中i2也为微波引起的三个冷阴极场致发射电流变化之和，其值随时间变化；图5中给出了三个冷阴极5产生的电子注分别穿过电子注输2-1出孔后的电流随时间变化图，图5中可以清楚的看到三个电子注的调制相位是相邻反相的，且距离微波输入端最近的第一个电子注首先被调制，接着是第二个电子注和第三个电子注依次被调制。随着时间变化；本实施例中电子枪产生场致发射的三个电子注的电流将随微波一同变化，变化幅度之和在30.7ma到32.6ma之间，形成调制状态且相邻电子注的相位相反；调制后的三个电子注分别穿过各自的互作用腔3-1和电子注输出孔2-1后进入多个(或一个)微型谐振系统，为多个(或一个)微型电真空辐射源器件提供电子注源。

实施例3

以用于3毫米频段的微型电真空辐射源的多注冷阴极电子枪为例：其中电子枪壳体1内腔宽为5mm，长边为24mm，高度5mm，壁厚2mm，内壁倒角圆弧曲率为半径1mm，材料为99^#陶瓷，其下端与底座1-1密封、上端在使用时与谐振系统相连形成密封真空室，真空度可以达到10^-5帕；底座1-1材料亦为99^#陶瓷、(长×宽×厚)28×7×4mm；微波输入层3(长×宽×厚)34×2×0.25mm，材料为聚四氟乙烯，该微波输入层中设六个通孔，各孔的(长×宽×厚)为2×1.8×0.25mm，本实施例根据微波经过第一个与第三个互作用腔时相位相同、经过第二、四、五、六个互作用腔时相位相同并与第一、三相位相反的要求；因而通过三维电磁仿真软件“cstmicrowavestudio”仿真得到在微波输入层3中从第一个到第六个通孔、各相邻两孔之间的中心距离依次为：3.86、3.86、3.86、2.74、2.74mm；下电极板4(长×宽×厚)34×2mm×0.75mm、材质为无磁不锈钢，其上的六个冷阴极5直径均为1mm、厚1um、各相邻两冷阴极之间的中心距离依次为：3.86、3.86、3.86、2.74、2.74mm，材质为碳纳米管片材；上电极板2(长×宽×厚)34×2×0.05mm、材料亦为无磁不锈钢，微波输入层3的上、下表面分别与上电极板2及下电极板4固定，构成的电子枪枪芯，其中波输入层中所设六个通孔与上、下电极板2、4一并组成六个互作用腔3-1，并将冷阴极5置于各互作用腔底部中心位置的下电极板4上，然后在上电极板2上正对各互作用腔3-1的范围内采用激光分别刻蚀一组11×11＝121个，各孔边长为0.1×0.1mm的阵列式方孔作为六个电子注输出孔2-1；整个电子枪枪芯穿过电子枪壳体1并将第三与第四个互作用腔之间的中点置于电子枪壳体的中心位置后，将枪芯的下电极板4与底座1-1、枪芯的两侧壁和上电极板2的表面与电子枪壳体1密封固定成一体，即成。

本实施例中，当上电极板2和下电极板4之间的电场强度不大于10000v/mm、同时冷阴极工作的开启电压为2500v/mm时，上电极板2工作电压可在1000-2500v范围内选择；当电场强度为4800v/mm时可产生约1.35a/cm²的电流密度；在电位差为1200v作用下六个冷阴极产生稳定的场致发射电流和i0＝63.5ma；为了实现对电子注的调制，将94ghz(也可为其它频率)微波e(t)由电子枪壳体1外的微波输入层3左端口输入，输入功率5瓦，此时微波在上电极板2和下电极板4中以准平面波模式传播，并且微波的高频电场矢量方向与静电场平行；图6中在时间t＝0.045ns时当微波传输到前两个冷阴极正上方时，两个冷阴极表面电场一个被加强一个被减弱，场致发射电流和仍为63.5ma左右，在时间t＝0.075ns时当微波传输到前四个冷阴极正上方时，四个冷阴极表面电场两个被加强两个被减弱，场致发射电流和仍为63.5ma左右；图6中在时间t＝0.101ns时微波传输到所有冷阴极正上方时，其中前四个冷阴极遇到的表面电场相位相反，后两个冷阴极遇到的表面电场相位相同，因此场致发射电流将会增大到i＝i0+i1＝63.5ma+2.0ma＝65.5ma，其中i0为静电场产生六个冷阴极场致发射电流之和，其值不随时间变化，i1为微波引起的六个冷阴极场致发射电流变化之和(主要为第五、六个电子注的贡献)，其值随时间变化；在t＝0.106ns时微波传输到所有冷阴极正上方时，其中前四个冷阴极遇到的表面电场相位相反，后两个冷阴极遇到的表面电场相位相同，因此场致发射电流将会增大到i＝i0+i2＝63.5ma-1.7ma＝61.8ma，其中i0为静电场产生六个冷阴极场致发射电流之和，其值不随时间变化，i2为微波引起的六个冷阴极场致发射电流变化之和(主要为第五、六个电子注的贡献)，其值随时间变化；图7中给出了六个冷阴极5产生的电子注分别穿过电子注输出孔2-1后的电流随时间变化图，图7中可以清楚的看到第二、四、五、六电子注的调制相位同相，而第一、三个电子注相位相同并与其它电子注相位反相，且距离微波输入端最近的第一个电子注首先被调制，接着是第二、三、四、五、六电子注依次被调制。随着时间变化，本实施例中电子枪产生场致发射的六个电子注的电流将随微波一同变化，变化幅度之和在61.8ma到65.5ma之间，形成调制状态且相位一致；调制后的六个电子注分别穿过各自的互作用腔3-1和电子注输出孔2-1后进入多个(或一个)微型谐振系统，为多个(或一个)微型电真空辐射源器件提供电子注源。