[发明专利]一种皮尔斯电子枪的设计方法

说明书

技术领域

本发明属于皮尔斯电子枪设计的方法，具体通过引入表征电子横向运动的重要参数——发射度(ε)，并将其应用于电子枪设计。

背景技术

电子注的发射度(ε)是指电子注在相空间中的面积或体积，它是表征电子横向运动最重要的物理量，通常主要由电子热速度等各种非线性效应引起。近年来，随着真空电子器件向高频发展，所用电子注半径逐渐减小，电子发射度效应对电子注的影响已逐渐凸显。但当前皮尔斯电子枪设计方法没有考虑电子枪的热速度，仅是在结构后期优化过程中考虑电子热速度的影响。

当前设计皮尔斯电子枪的主要方法有以下几种：(1)图解法：即根据一些理论曲线和电子枪设计初始参数确定电子枪结构的方法；(2)缩尺法：即利用现有电子枪结构和缩尺原理，设计新电子枪的方法；(3)综合法：包括迭代综合法与非迭代综合法两种。这些方法仅考虑了电子注内的空间电荷效应，因此在电子枪设计任务中，采用当前电子枪设计方法获得的电子枪初步结构与最终预期目标有较大差距，需要大量的后续优化工作。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提供一种实现方便、结果可靠、考虑发射度效应的电子枪设计方法，解决了目前电子枪设计方法因仅考虑空间电荷效应，致使设计的电子注与预期偏差较大的问题。

本发明的技术解决方案是：一种皮尔斯电子枪的设计方法，其特征在于：

包括以下步骤：

1】根据真空电子器件所需要的电学参数与几何参数确定设计方法的初始值，包括电子枪的工作电压U、工作电流I、阴极负载电流密度J_c、预期电子注半径r_wi和阴极工作温度T；

2】计算电子枪阳孔处考虑发射度效应的电子注半径r_at；

2.1】根据电子枪初始参数和电子枪设计方法计算导流系数P、阴极面半径r_c、发射度ε、阴极曲率半径R_c、阳极曲率半径R_a和阳极处电子注半径r_a、半锥角θ；

2.2】由2.1】的各参数计算电子注半径因发射度效应所导致的增量Δr；

2.3】获得考虑发射度效应的电子注半径r_at：

r_at＝r_a+Δr；

3】计算电子注进入漂移段时边缘电子入射斜率r_at′；

4】计算电子注的注腰半径r_w；判断注腰半径是否达到设计要求；如果电子注注腰不符合要求，则通过调整预期注腰半径r_wi，来调整电子枪结构，重复步骤1至4，直至获得的注腰半径r_w符合设计目标；

5】计算电子注注腰位置。

上述步骤3】预测电子注漂移段入射斜率r_at′考虑了电子发射度效应，该公式具体形式为

其中，U₀为电子注电压，I为电子注电流，θ为阳孔处电子入射角，r_a为电子注半径，R_a为阳极曲率半径，η为电子荷质比，ε₀为真空介电常数，ε为电子注发射度，γ和α为辅助参数。

预测电子注注腰大小及位置利用了考虑电子发射度效应的电子注发散解析表达式，预测电子注注腰大小的公式为：

r_w-r₀exp(33((ε/r_w)²-(ε/r₀)²-r₀^′2)/μP)＝0

其中r_w为电子注注腰，r₀为电子注进入漂移段时的初始电子注半径，r₀′为电子注进入漂移段时的入射斜率，μP为电子注的微导流系数。

上述步骤5】预测电子注注腰位置的公式为：

其中z为注腰位置，P为电子注导流系数，K＝(2πε₀(2η)^1/2)^-1为常数。

上述步骤4】的具体方法是：

4.1】计算考虑发射度效应的电子注半径