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電子槍
鎖定
- 中文名
- 電子槍
- 外文名
- electron gun
- 作 用
- 產生加速及會聚電子束
- 應 用
- 電子散射和熒光屏發光
- 別 名
- 電子注
電子槍原理
在電子槍裏,燈絲,一般是鎢絲,通電加熱後,表面產生大量的熱電子,在陽極和陰極之間的高壓電場作用下,熱電子加速向陽極方向高速移動,並獲得很高的動能。其具體速度值取決於加速電壓的高低,一般可以達到光速的三分之二左右。在聚焦線圈的作用下可使電子束流聚焦,在導向線圈,又稱偏轉線圈的作用下可使電子束髮生偏轉,從而在一定範圍內進行掃描。電子槍的工作電壓通常在幾十到幾百千伏之間,為防止高壓擊穿、束流散射及其能量減損,電子槍的真空度須保持在6.67x10^-2帕以上。
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電子槍結構
電子槍由發生電子的發射極(陰極)、聚焦電子束的聚焦極、和加速電子的引出極(陽極)三部分組成。
電子槍電子槍的分類
電子槍的結構有許多形式。根據槍體結構不同,可分為軸向電子槍(直形自加速電子槍)、環形電子槍(靜電場偏轉電子槍)。
電子槍軸向電子槍
軸向電子槍的結構如圖1:
燈絲陰極發射電子,陽極對電子加速。調製極位於燈絲與陽極之間,對電子束電流起調節和初聚作用。聚焦極對調製極初聚的電子流進一步聚焦以獲得更細的合適束斑。由於聚焦線圈的應用,使直形電子槍可以得到100kW/cm2以上的高能密度,而且易控制調節。因此,所用的大功率電子束應用設備多采用軸向槍。
軸向槍的發明者是Pierce,為了紀念這位發明家,人們也將軸向槍稱為“Pierce槍”。
電子槍環形電子槍
環形電子槍的結構如圖2:
環形槍結構簡單、成本低,並能以簡單的電源裝置工作。槍體由環形燈絲、陽極、陰極、聚焦線圈和偏轉線圈等組成。環形燈絲處於負高壓,用做熱電子發射源,在聚焦極的定向反射和陽極的加速作用下,使電子束會聚於坩堝蒸發源中心。環形槍和直形槍在使用時,高能電子束轟擊材料將發射二次電子。
電子槍強流軸向電子槍
由於軸向槍其有着一系列優點,使槍的壽命大大延長,故被國內外廣泛採用。
強流軸向電子槍的結構如圖3:
強流電子槍可根據電子注形狀分為兩類:產生軸對稱實心電子注的稱為“O”型電子槍,產生片狀及管狀電子注的稱為“M”型電子槍。“O”型電子槍廣泛用於大功率電子注加工及冶煉設備中,是得到廣泛應用的一種。導流係數的不同會引起設計方法的不同,所以在“O”型槍設計中又區分為低導槍和高導槍兩種。
電子槍電子束髮生系統
電子束髮生系統是發射電子並形成電子束的裝置,如圖4所示:
在軸向槍中,發射電子束的陰極有兩種形式:直熱式陰極和間熱式陰極。
電子束髮射後,經陽極加速並在陽極之後形成一定的束腰,而且束腰的直徑、位置和束流強度都可以很容易地進行控制。其控制的實質問題是在預定的電子束途徑上,確定所需要的電磁場。
電子槍直熱式陰極
直熱式陰極加工成絲狀。而直接通電加熱發射電子束。這種情況下燈絲就是陰極。直熱式陰極的結構比較簡單,但只能用於小功率的電子槍。
直熱式陰極一般採用純鎢作陰極材料,加熱電流直接通過陰極。
電子槍間熱式陰極
間熱式陰極通常加工成塊狀,由另一個燈絲對陰極進行間接地加熱。這種情況下燈絲與陰極是不同的。間熱式陰極的壽命較長,工作性能穩定,通常用於大功率的電子槍中。
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。
電子槍間熱式轟擊型陰極
間熱式轟擊型陰極加熱方式是,通過在熱子(燈絲)和陰極之間加上幾百乃至上千伏的轟擊電壓,在此電壓下,從熱子發射的電子轟擊陰極,使陰極加熱到一定温度後從其表面發射出大量電子來。
電子槍間熱式加熱型陰極
間熱式加熱型陰極的化合物層固定在薄壁的底託上(鎳管或鉬管),底託下面放着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温度時,就發射出電子來。
電子槍材料的選擇
材料的選擇對電子槍的發射能力和壽命有決定作用。燈絲必須選用熔點高、電阻率大的材料,一般是用鎢絲製成的,通過強電流後,燈絲被加熱到一千度以上。陰極必須選用逸出功低的材料,陰極表面原子的外層電子,受到一定的熱能或電能的激勵後,會脱離原子核的束縛越出軌道而成為自由電子。
選用氧化物作為材料,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,其發射本領顯着下降,在10-3毫米汞柱下工作時,甚至會嚴重地受空氣侵蝕。
選用鎢絲作為材料,其逸出功為4.55電子伏,在工作温度為2500K時,J=0.5安/釐米2。鎢絲的熔點為3655K,在工作温度為2750K時,蒸發率為0.0043毫克/釐米·秒,鎢絲的耐侵蝕性較強。
電子槍基本參量
電子槍導流係數
導流係數
:表徵電子注空間電荷的大小。
當陽極電流受空間電荷限制時,電子槍的陽極電流(發射電流)與陰陽極間電壓有關,如果不考慮相對論效應,它們之間的關係是3/2次方的比例關係,也稱二分之三次方定律。
在空間電荷限制下,不論電極系統的形狀如何,二分之三次方定律是普遍適用的,電極形狀不同,隻影響前面的比例係數。當電極形狀一定時,在一般情況下,導流係數是一個常數,與温度無關,導流係數的大小表示電子槍發射電子的能力強弱。也就是説,導流係數是一個對電子注強度度量的量,它表徵了電子注空間電荷的大小。
電子槍發射度
發射度
:表徵電子注的品質。
電子槍亮度
亮度
:單位面積、單位立體角的束流強度。
電子槍束腰
束腰,或注腰
:電子注中截面半徑最小處的半徑
。
電子槍面積壓縮比
面積壓縮比
:陰極面積與注腰截面積之比,也是注腰平均電流密度
與陰極發射平均電流密度
之比。
指的是陰極面積和注腰截面面積之比,也是注腰的平均電流密度與陰極發射平均電流密度 之比。一般用陰極截面積代替陰極球面積。
壓縮比的大小主要取決於陰極發射電流密度。
電子槍射程
射程
:射程表示電子槍陽極頭部到注腰之間的距離。
表示電子槍陽極頭到電子槍所形成的注腰之間的距離。一般來説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。