Il principio di funzionamento della pistola a elettroni (HCD)

Il principio di funzionamento del cannone elettronico (HCD)

Uno. Una panoramica del cannone elettronico

Il cannone elettronico è l'acceleratore dell'iniettore elettronico, emette una certa energia, deve avere un flusso forte, un diametro del raggio e un'emissione Angolo del fascio di elettroni [1] (la direzione e la forza del fascio di elettroni possono essere controllate, solitamente mediante anodo catodo caldo , ecc.), l'elettrodo di controllo e diversi accelerati nel tubo di accelerazione, usati per fornire un acceleratore di elettroni, il cannone elettronico è generalmente diviso in due tipi di emissione termica e emissione di campo; La funzione del cannone elettronico è quella di fornire il fascio di elettroni richiesto e il materiale e la struttura del processo del cannone elettronico devono considerare la convenienza dell'elaborazione e della manutenzione. In generale, il design di un cannone elettronico dovrebbe considerare i seguenti aspetti:

1. Gli elettroni iniettati hanno una certa quantità di energia e la struttura della pistola dovrebbe avere una resistenza alla compressione sufficiente a sopportare una determinata tensione di accelerazione.
2. Dovrebbe avere abbastanza capacità di trasmissione per fornire una corrente di impulso sufficiente.
3. Diametro del raggio ed emissione L'angolo del fascio di elettroni dovrebbe essere all'interno di un dato intervallo.
4. Struttura semplice, elaborazione facile, installazione e manutenzione.
Le pistole hanno una lunga vita di servizio.

Due. I parametri di base di un cannone elettronico

Nella discussione sul cannone elettronico, le persone usano spesso termini speciali. Qui diamo una breve introduzione a loro:

1. Coefficiente di conducibilità
Quando la corrente anodica è limitata dalla carica spaziale, la corrente anodica (corrente di emissione) del cannone elettronico è correlata alla tensione tra l'anodo e il catodo.
Sotto la limitazione della carica spaziale, indipendentemente dalla forma del sistema di elettrodi, la legge della terza potenza di due è generalmente applicabile. Quando la forma dell'elettrodo è costante, il coefficiente di conduttività è una costante in generale, indipendente dalla temperatura. Il coefficiente di conduttività indica la capacità del cannone elettronico di emettere elettroni. In altre parole, il coefficiente di conduttività è una misura dell'intensità del fascio di elettroni, che rappresenta la dimensione della carica spaziale del fascio di elettroni.

2. Vita del fascio
Nel cannone elettronico convergente assialsimmetrico, gli elettroni sono emessi dal catodo, e sotto l'azione del campo elettrostatico formato dalla carica spaziale degli elettrodi e degli elettroni stessi nella pistola, si forma una certa forma di fascio elettronico. L'area con il raggio di sezione più piccolo nel fascio di elettroni è chiamata vita del raggio.

3. Rapporto di compressione dell'area
Il rapporto di compressione dell'area si riferisce al rapporto tra l'area del catodo e l'area della sezione trasversale della vita, nonché il rapporto tra la densità di corrente media della vita e la densità di corrente media dell'emissione del catodo. Per comodità, l'area della sfera del catodo viene solitamente sostituita dall'area della sezione trasversale del catodo.

4. Campo di tiro
Shot Range rappresenta la distanza tra la testa dell'anodo della pistola e la vita di iniezione formata dalla pistola. In generale, è desiderabile che l'intervallo sia sufficientemente grande affinché il fascio di elettroni entri nel campo delle alte frequenze in condizioni di iniezione ottimali.

5. Laminarity
Il cosiddetto flusso laminare di iniezione elettronica è solo un concetto qualitativo, ed è generalmente giudicato dal fatto che le traiettorie di iniezione elettronica siano trasversali o trasversali. Il fascio di elettroni con un buon flusso laminare può essere focalizzato con un campo magnetico inferiore e la defocalizzazione del fascio di elettroni causata dal campo ad alta frequenza è minore. Al contrario, l'iniezione elettronica con scarso flusso laminare si tradurrà in una bassa portata e una maggiore defocalizzazione.

Tre. La struttura del cannone elettronico

Indipendentemente dal tipo di cannone elettronico, sono composti dall'emettitore di elettroni - il catodo, la forma delle restrizioni del fascio di elettroni - il fuoco dell'elettrone e l'accelerazione del piombo - l'anodo tre parti. La struttura di un cannone elettronico utilizzato in ambienti diversi può variare, ma i componenti di base rimangono gli stessi. Durante il funzionamento, il potenziale dell'elettrodo di focalizzazione è solitamente uguale o vicino al potenziale del catodo per limitare la forma del fascio di elettroni, e una tensione accelerata (tensione anodica) viene aggiunta tra il catodo e l'anodo. Quando l'elettrone viene emesso dal catodo, interagirà con il campo elettrostatico stabilito dalla carica spaziale dell'elettrodo e il fascio di elettroni stesso per formare un fascio di elettroni con una certa forma, che verrà espulsa dal foro dell'anodo per l'uso. Il cannone elettronico funziona come un diodo, quindi la gente lo chiama pistola a diodi.

Il tipo più comune di cannone elettronico è il tipo Pierce a due elettrodi. La struttura è mostrata nella figura 2.1-2. È composto principalmente da catodo, polo di messa a fuoco e anodo. C'è un'apertura nel mezzo dell'anodo attraverso il quale gli elettroni sono iniettati nella camera dell'acceleratore. Cannone elettronico tipo Pierce, noto anche come iniezione assiale di convergenza sferica Pierce cannone elettronico, è quello di prendere due parti sferiche concentriche della formazione di un diodo. Per fare la traiettoria dell'elettrone lungo la direzione del raggio di curvatura del catodo, il bordo dell'elettrodo sferico deve essere modificato.

Four.The catode di un cannone elettronico

Il catodo è una delle parti chiave del cannone elettronico. Allo stato attuale, il catodo del cannone elettronico utilizzato nell'acceleratore lineare di elettroni ha varie forme, che possono essere suddivise in due metodi:

I catodi a riscaldamento diretto utilizzano principalmente tungsteno puro come materiale catodico. I catodi intertermali generalmente utilizzano catodi di toro-tungsteno, ossidi, sale di scandio e lantanio esaboride, che possono essere suddivisi in due tipi: tipo di bombardamento e tipo di riscaldamento.

1. Tipo di bombardamento: il metodo di riscaldamento consiste nell'aggiungere centinaia o persino migliaia di volt alla tensione di bombardamento tra il ferro (filamento) e il catodo. Sotto questa tensione, gli elettroni emessi dal bombardamento del catodo emettono un gran numero di elettroni dalla sua superficie dopo che il catodo è stato riscaldato a una certa temperatura.

2. Tipo di riscaldamento: questo catodo, lo strato composto è fissato su una base a parete sottile (tubo di nichel o tubo di molibdeno), sotto il fondo della base è posto l'isolamento termico del filo di tungsteno a spirale. La corrente scorre attraverso il filamento, che riscalda il catodo. Quando il catodo raggiunge la temperatura alla quale emette elettroni, li emette.

Il materiale del catodo e la sua temperatura di lavoro hanno un effetto decisivo sulla capacità di emissione e sulla durata del cannone elettronico. Il catodo deve essere fatto di materiali con basso carico di lavoro. Gli elettroni esterni degli atomi sulla superficie del catodo, eccitati da una certa quantità di calore o energia elettrica, salteranno fuori dalla schiavitù dell'orbita e diventeranno elettroni liberi.

Il catodo del filamento del cannone elettronico a emissione di calore è realizzato con filo di tungsteno comunemente, deve fare affidamento sulla corrente elettrica per riscaldare il filamento a 1000 gradi di sopra, la densità di corrente di emissione di filamenti e la temperatura del filamento e l'energia di fuga di materiale filamentoso sono interessati.

Prendiamo ad esempio la temperatura del filo di tungsteno, il suo lavoro di fuga è di 4,55 elettronvolt, alla temperatura di lavoro di 2500K, J = 0,5 ampere / cm ² .

La temperatura del filamento ha un grande effetto sull'intensità di emissione degli elettroni. Se viene adottato il materiale catodico con meno lavoro di fuga, la temperatura del filamento può essere notevolmente ridotta nella condizione di ottenere la stessa intensità di emissione. Per prolungare la vita del catodo il più a lungo possibile, è necessario che il materiale abbia un punto di fusione più alto e una velocità di evaporazione più piccola, e non è facile essere avvelenati dall'erosione dell'aria. Il punto di fusione del filo di tungsteno è 3655 K, quando la temperatura di esercizio è 2750 K, il tasso di evaporazione è 0,0043 mg / cm • In secondo luogo, il filo di tungsteno ha una forte resistenza alla corrosione. Il lavoro di rilascio del catodo di ossido è inferiore, ad esempio, il lavoro di rilascio dell'ossido di bario è di soli 2,8 elettronvolt, ma la sua resistenza alla corrosione è scarsa, generalmente adatta solo per 10-5-10-6 MMHG sotto l'alto vuoto, a 10 -4 MMHG, il suo potere di emissione è diminuito in modo significativo, a 10-3 MMHG, anche avvelenamento grave, non può continuare a utilizzare.

La pistola a emissione di campo richiede un campo elettrico forte di oltre 106 volt / cm vicino alla superficie del catodo, quindi migliorare l'intensità del campo sulla superficie del catodo è un modo efficace per aumentare l'intensità di emissione.

In generale, l'intensità di corrente del cannone elettronico è sempre superiore a 1 milliampere, il flusso di elettroni impulsivi può raggiungere il livello dell'amperaggio e la sua durata è di oltre 100 ore.

Five.working principle of electron gun

1. Principio di funzionamento della pistola a diodi

I processi fisici che si verificano vicino al catodo di un cannone elettronico sono molto simili a quelli che si verificano in un diodo elettronico. È noto che il flusso di corrente in un diodo è realizzato dal movimento di elettroni emessi dal catodo. Se è stata aggiunta una tensione positiva di Ua tra il catodo e l'anodo del diodo, il catodo è stato riscaldato gradualmente (la tensione di riscaldamento Uf del filamento è stata gradualmente aumentata) e è stata registrata la corrente anodica corrispondente Ia. È possibile ottenere una curva di relazione Ia / Uf. Cambia Ua potrebbe ottenere un'altra curva di relazione di Ia / Uf Quando Uf è basso, cioè quando la temperatura del catodo è bassa, la corrente dell'anodo Ia aumenta rapidamente con l'aumento della tensione di riscaldamento. Quando Uf supera un certo valore, la corrente anodica Ia fa non aumentare con l'aumento della tensione di riscaldamento del filamento Uf. Sappiamo che ad una certa temperatura del catodo, il catodo ha una certa corrente di emissione, e più alta è la temperatura del catodo, maggiore sarà la corrente di emissione. Quando la temperatura del catodo è sufficientemente elevata, la temperatura del catodo continua ad aumentare (in questo momento, la corrente di emissione del catodo è ancora in aumento) mentre la corrente dell'anodo rimane invariata, il che indica che la corrente emessa dal catodo non raggiunge l'anodo completamente in questo momento. Se guardiamo le curve corrispondenti ai diversi Ua, la situazione è la stessa. Quando viene aggiunta una tensione positiva Ua tra l'anodo e il catodo del diodo, verrà formata una certa distribuzione di campo elettrico tra l'anodo e il catodo. Quando il catodo non è riscaldato, la distribuzione del campo elettrico è stabile. Quando il catodo veniva riscaldato, il catodo iniziava a emettere elettroni, che volavano verso l'anodo sotto l'azione di Ua.Due alla presenza di carica spaziale, il potenziale in ogni punto tra l'anodo e il catodo diminuiva. Quando la temperatura del catodo non è troppo alta e l'emissione di elettroni non è eccessiva, c'è ancora un campo di accelerazione tra l'anodo e il catodo, e gli elettroni possono raggiungere l'anodo sotto l'azione di questo campo elettrico. Con l'aumento degli elettroni emessi dal catodo, il cambiamento del gradiente potenziale sulla superficie dell'anodo e del catodo è diverso. Poiché gli elettroni sulla superficie del catodo non sono solo attratti dal campo elettrico di accelerazione dell'anodo, ma anche respinti dalla carica dello spazio anteriore, la forza sugli elettroni è inferiore a quella senza carica spaziale, cioè il potenziale gradiente diminuisce. Oltre ad essere attratti dal campo di accelerazione dell'anodo, anche gli elettroni sulla superficie dell'anodo vengono spinti dalla carica spaziale retrostante, quindi il potenziale gradiente aumenta. Se la temperatura del catodo continua ad aumentare, la densità della carica spaziale continuerà ad aumentare. A causa dell'effetto della carica spaziale, il gradiente potenziale sulla superficie del catodo scenderà a zero. A questo punto, il campo elettrico generato dalla carica spaziale sulla superficie del catodo è esattamente uguale al campo di accelerazione. È noto che gli elettroni devono avere una certa velocità iniziale per uscire dal catodo. Anche se il gradiente potenziale della superficie del catodo scende a zero e continua ad aumentare la temperatura del catodo, la densità della carica spaziale può ancora aumentare. A questo punto, il gradiente di potenziale della superficie del catodo diventa negativo. In altre parole, il campo di accelerazione generato dalla carica spaziale vicino al catodo è maggiore di quello generato da Ua alla tensione dell'anodo.

Gli elettroni emessi dal catodo hanno diverse velocità iniziali. Solo gli elettroni la cui energia cinetica iniziale è maggiore dell'energia potenziale minima possono superare il campo elettrico negativo vicino alla superficie del catodo e attraversare il potenziale minimo, entrare nel campo di accelerazione e volare sull'anodo. Gli elettroni, che avevano meno energia cinetica iniziale, ritornarono al catodo con la carica spaziale. All'equilibrio, il numero di elettroni per unità di tempo in esecuzione verso l'anodo più il numero di elettroni che ritornano al catodo è uguale al numero di elettroni emessi nello spazio dal catodo. Se la temperatura del catodo continua ad aumentare, l'emissione del catodo aumenterà e aumenterà anche la densità di carica spaziale, che è uguale al rafforzamento del campo elettrico negativo vicino alla superficie del catodo. Il numero di elettroni restituiti al catodo dal potenziale negativo aumenterà, mentre il numero di elettroni che vanno all'anodo aumenterà leggermente.

Quando la temperatura di riscaldamento del catodo è bassa, tutti gli elettroni emessi dal catodo possono raggiungere l'anodo. A questo punto, la corrente dell'anodo dipende dalla temperatura di emissione del catodo, che è chiamata limitazione della temperatura. In questo caso, la temperatura di riscaldamento del catodo influisce notevolmente sulla corrente di emissione. Quando la tensione di riscaldamento continua ad aumentare, l'effetto di carica spaziale gioca un ruolo importante e la corrente dell'anodo è limitata dalla carica spaziale. Il cannone elettronico dell'acceleratore funziona principalmente sotto la condizione di limitazione della carica spaziale.

2. Principio di funzionamento del cannone elettronico tipo Pierce

Il sistema ottico di questo tipo di cannone elettronico include principalmente catodo, anodo e asta di messa a fuoco. Alcuni di loro sono dotati di palo di controllo del cancello. Il potenziale del polo di messa a fuoco è solitamente uguale o vicino al potenziale del catodo. Il catodo e l'anodo formano un diodo. Il catodo viene riscaldato e cotto dal riscaldatore (filamento). Il riscaldatore è alimentato da un alimentatore CA. Il fascio di elettroni viene guidato dal polo di messa a fuoco verso il foro dell'anodo e infine entra nel sistema di accelerazione attraverso il foro dell'anodo.

3. Principio di funzionamento della pistola controllato dalla griglia

Con il miglioramento del tubo acceleratore, diventa possibile la tecnica dell'iniezione a bassa pressione. Allo stesso tempo, gli attuali acceleratori medici, in base alle esigenze della radioterapia, richiedono di cambiare la corrente di iniezione per soddisfare i requisiti di entrambi i raggi X e la linea elettronica. In questo modo, la tensione anodica della pistola può essere ridotta a 7-15kv e il flusso di iniezione può essere variato nell'intervallo 200-1000ma. L'energia di iniezione può essere gradualmente ridotta a un valore molto basso al momento dell'uscita della linea di elettroni (l'intensità del fascio richiesta dall'acceleratore medico nel trattamento a raggi X e il trattamento della linea elettronica differiscono notevolmente di oltre 100 volte). La soluzione della tecnologia di iniezione a bassa pressione pone le basi per l'uso della pistola a griglia. La pistola a bassa tensione può ridurre notevolmente le dimensioni del cannone elettronico, ridurre i requisiti di pressione della porcellana dell'isolamento dell'elettrodo, ridurre l'energia del catodo dello ione di ritorno e, cosa più importante, il volume dell'alimentazione, il peso e l'efficienza possono essere notevolmente migliorati. Per il design del gate gun, la gente di solito aggiunge un palo di controllo (palo cancello) sulla base del design della pistola a diodi. Quando una piccola tensione negativa (polarizzazione di taglio - Egc) viene applicata al catodo dalla griglia, l'emissione del catodo viene interrotta. Ciò equivale a fermare l'emissione nel periodo di gap dell'impulso e il polo di controllo della durata dell'impulso aggiunge zero o una piccola tensione positiva al catodo per far emettere elettroni al catodo. Regolando la tensione positiva, è possibile ottenere il controllo del flusso di iniezione di elettroni. La tensione da anodo a catodo, tuttavia, può sempre essere aggiunta ad una alta tensione continua continua. Ovviamente, la stabilità dell'ampiezza della tensione di alimentazione cc è molto più semplice di quella del modulatore di impulsi ad alta tensione. Inoltre riduce la pressione sul progetto dell'alimentatore. Le persone che aggiungono cabine di controllo, di solito hanno tre forme, la loro struttura è stata data nella prima parte del loro modo di lavorare, ora sono brevemente come segue: il primo gate gun: è un diodo nel design della struttura della pistola è focalizzato su il polo e il catodo isolante, opportuna modifica è focalizzata sul disegno del polo, può farlo in catodo relativamente e il valore assoluto del bias (eog) prova a minuscolo, realizzare nota elettronica. L'esperienza generale è che quando P <0.5, la="" compressione="" della="" pistola="" è="" piccola,=""> - Ego | / Va può essere inferiore al 25% del caso, la realizzazione del design del foro gate gun. Il secondo tipo di pistola ad aghi: è posizionato nel centro del catodo e l'isolamento del catodo e perpendicolare alla superficie del catodo di un piccolo ago, l'ago come il polo di controllo, la sua tensione di taglio, può fare o leggermente abbassare rispetto al livello della griglia della griglia dei fori. Tuttavia, come per la pistola ad ago, il suo catodo e il suo gate sono più complessi nella struttura della struttura, che sono attualmente usati raramente in Cina. Tuttavia, la Russia è più matura in questo aspetto e può coprire il cancello dell'ago con uno strato di sostanza anti-emissione per ridurre l'emissione di gate. Tuttavia, resta da dimostrare se tale polo di controllo sia fattibile per gli acceleratori con anti-detonazione di ioni forti. Il terzo tipo di mitragliatrice, che si trova nel cannone a diodi dal catodo all'1% al 3% della superficie equipotenziale, imposta una griglia, quando la griglia al catodo ed equivalente alla rete nel piano del potenziale, non cambia la distribuzione del potenziale della pistola a diodi originale. La distorsione di soglia del cancello può essere progettata molto bassa. Ciò sarà vantaggioso per la fabbricazione di alimentatori controllati dalla rete.

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