電子銃の動作原理(HCD)

- May 08, 2019-

電子銃の動作原理(HCD)

 

One.電子銃の概要

 

電子銃は電子インジェクタの加速器であり、特定のエネルギーを放出し、強い流れ、ビーム径、放出角度を持っている必要があります[1](電子ビームの方向と強度は、通常熱陰極陽極によって制御できます)等)、電子加速器ビーム電子銃を提供するために使用される加速管に制御電極といくつかの加速は、一般的に2種類の熱放出と電界放出に分かれています。 電子銃の機能は必要な電子ビームを与えることであり、電子銃の材料およびプロセス構造は処理および保守の利便性を考慮しなければならない。 一般に、電子銃の設計では、以下の点を考慮する必要があります。

注入された電子は一定量のエネルギーを有し、そしてガンの構造は一定の加速電圧に耐えるのに十分な圧縮強度を有するべきである。
それは十分なパルス電流を与えるのに十分な送信容量を有するべきである。
3.ビーム径と放出電子線の角度は一定の範囲内でなければなりません。
4.簡単な構造、容易な処理、取付けおよび維持。
ガンは長寿命です。

 

電子銃の基本パラメータ

電子銃の議論では、人々はしばしばいくつかの特別な用語を使用します。 ここでそれらについて簡単に紹介します。

導電率係数
アノード電流が空間電荷によって制限される場合、電子銃のアノード電流(放出電流)は、アノードとカソードとの間の電圧に関連する。
空間電荷の制限の下では、電極システムの形状にかかわらず、2の3乗の法則が一般的に適用可能です。 電極形状が一定である場合、導電率は温度とは無関係に一般に一定である。 導電率は、電子銃が電子を放出する能力を示します。 言い換えれば、伝導係数は電子ビーム強度の尺度であり、これは電子ビーム空間電荷の大きさを表す。

ビームウエスト
軸対称収束電子銃では、電子は陰極から放出され、電極の空間電荷と銃内の電子自体によって形成される静電界の作用の下で、特定の形状の電子ビームが形成される。 電子ビームの中で最小のセクション半径を持つ領域はビームウェストと呼ばれます。

3.エリア圧縮率
面積圧縮比は、カソードの面積とウエストの断面の面積との間の比率、ならびにウエストの平均電流密度とカソード放出の平均電流密度との間の比率を指す。 便宜上、カソードボールの面積は通常カソード断面の面積で置き換えられる。

ショット範囲
ショット 範囲は、ガンのアノードヘッドとガンによって形成される注入ウェストとの間の距離を表します。 一般に、この範囲は、最適な注入条件下で電子ビームが高周波場に入るのに十分な大きさであることが望ましい。

積層性
いわゆる電子注入の層流は定性的な概念にすぎず、通常、電子注入の軌跡が交差するか交差するかを判断することによって判断されます。 層流が良好な電子ビームは、より低い磁場で集束させることができ、高周波磁場によって引き起こされる電子ビームのデフォーカスはより小さくなる。 それどころか、層流が少ない電子注入では、流速が遅くなり、デフォーカスが大きくなります。

 

電子銃の構造

 

電子銃の種類に関係なく、それらは電子エミッタ - 陰極、電子ビームの制限 - 電子の焦点と鉛の加速 - 陽極3つの部分から構成されています。 異なる環境で使用される電子銃の構造は異なる場合がありますが、基本的な構成要素は変わりません。 動作中、集束電極の電位は通常、電子ビームの形状を制限するために陰極電位に等しいかまたはそれに近いものであり、加速電圧(陽極電圧)が陰極と陽極との間に加えられる。 電子が陰極から放出されると、それは電極の空間電荷および電子ビーム自体によって確立された静電界と相互作用して特定の形状を有する電子ビームを形成し、それは使用のために陽極孔から放出される。 電子銃はダイオードのように機能するので、人々はそれをダイオード銃と呼びます。

 

電子銃の最も一般的なタイプは、2電極ピアスタイプです。 構造を図2.1-2に示します。 それは主に陰極、集束極および陽極からなる。 アノードの中央には開口部があり、それを通して電子が加速器室に注入される。 ピアス型電子銃は、軸対称球面収束射出型ピアス電子銃としても知られている、それはダイオードの形成の2つの同心球面部分を取ることです。 電子の軌道を陰極の曲率半径の方向に沿って作るためには、球状電極の端部を修正する必要がある。

 

電子銃の陰極

陰極は電子銃の重要な部分の1つです。 現在、電子線形加速器に使用される電子銃の陰極は様々な形態を有しており、それは2つの方法に分けることができる。

 

直接加熱カソードは、カソード材料として大部分が純タングステンを使用しています。 熱間陰極は一般に、トリウム - タングステン、酸化物、スカンジウム塩および六ホウ化ランタン陰極を使用し、これらは2つの型に分けることができる:衝撃型および加熱型。

 

ボンバードタイプ:加熱方法は、セロン(フィラメント)と陰極との間のボンバード電圧に数百または数千ボルトを加えることである。 この電圧下では、カソードに衝突するセロンから放出された電子は、カソードが特定の温度に加熱された後にその表面から多数の電子を放出する。

加熱タイプ:この陰極は、化合物層が薄い壁のベース(ニッケルチューブまたはモリブデンチューブ)の上に固定されており、ベースの底部の下にスパイラルタングステンワイヤの断熱材が配置されています。 電流はフィラメントを通って流れ、フィラメントはカソードを加熱します。 陰極がそれが電子を放出する温度に達すると、それはそれらを放出する。

 

陰極の材料とその動作温度は電子銃の放出能力と寿命に決定的な影響を与える。 陰極はワークアウトの少ない材料で作られていなければなりません。 一定量の熱または電気エネルギーによって励起された、カソード表面上の原子の外側の電子は、軌道の結合から飛び出して自由電子になる。

 

熱放出型電子銃のフィラメント陰極は通常タングステン線で作られ、フィラメントを1000度以上に加熱するために電流に頼らなければならず、フィラメント放出電流密度およびフィラメント温度およびフィラメント材料の脱出のエネルギーが関係する。


一例としてタングステン線の温度を取り、その逃げ仕事は2500Kの作業温度で4.55電子ボルト、J = 0.5アンペア/ cm 2 です。

 

フィラメント温度は電子の放出強度に大きな影響を与えます。 逃げ仕事の少ない陰極材料を採用すれば、同じ発光強度が得られる条件でフィラメント温度を大幅に下げることができる。 可能な限りカソード寿命を延ばすために、材料はより高い融点およびより小さな蒸発速度を有することが必要とされ、そしてそれは空気浸食によって汚染されることは容易ではない。 タングステン線の融点は3655K、作業温度が2750Kのとき、蒸発速度は0.0043mg / cm2 秒です。タングステン線は強い耐食性を持っています。 酸化物陰極の放出仕事はより低く、例えば、酸化バリウムの放出仕事はわずか2.8電子ボルトであるが、その耐食性は劣っており、一般的には高真空下で10 -5〜10 -6 MMHGにのみ適している。 -4 MMHGは、その排出電力は10-3 MMHGであっても、深刻な中毒でさえ、大幅に減少し、使用し続けることはできません。

 

電界放出銃は陰極表面近くに106ボルト/ cm以上の強い電界を必要とするので、陰極表面上の電界強度を改善することは放出強度を増加させるための有効な方法である。

一般的に言って、電子銃の電流強度は常に1ミリアンペア以上であり、パルス電子流はアンペアレベルに達することができ、そしてその寿命は100時間以上です。

 

電子銃の働き原理

ダイオードガンの動作原理

 

電子銃の陰極の近くで起こる物理的過程は、電子ダイオードで起こるものと非常に似ています。 ダイオード内の電流の流れは、陰極によって放出された電子の移動によって実現されることが知られている。 ダイオードのカソードとアノードとの間に正の電圧Uaが加えられた場合、カソードは徐々に加熱され(フィラメントの加熱電圧Ufは徐々に増加され)、対応するアノード電流Iaが記録された。 Ia / Uf関係曲線が得られた。 Ufが低いとき、すなわちカソード温度が低いとき、加熱電圧の増加とともにアノード電流Iaは急速に増加します。Ufがある値を超えると、アノード電流Iaは変化します。フィラメント加熱電圧Ufの増加と共に増加しない。 特定のカソード温度では、カソードは特定の放出電流を有し、カソード温度が高いほど放出電流は大きくなることを我々は知っている。 陰極温度が十分に高いとき、陰極温度は上昇し続け(この時点で、陰極の放出電流は依然として増加している)、陽極電流は変化しないままであり、これは陰極によって放出された電流が陽極に到達しないことを示す。この時点で完全に。 異なるUaに対応する曲線を見れば、状況は同じです。 ダイオードの陽極と陰極との間に正の電圧Uaが加えられると、陽極と陰極との間に一定の電界分布が形成される。 陰極が加熱されていないとき、電界分布は安定している。 カソードが加熱されると、カソードは電子の放出を開始し、それはUaの作用下でアノードに飛んだ。空間電荷の存在により、アノードとカソードとの間の各点における電位は低下する。 陰極温度がそれほど高くなく、電子の放出がそれほど多くないときには、陽極と陰極との間に加速場が依然として存在し、電子はこの電界の作用下で陽極に到達することができる。 陰極から放出される電子の増加と共に、陽極と陰極の表面上の電位勾配の変化は異なる。 陰極表面上の電子は陽極加速電界によって引き付けられるだけでなく、前方空間電荷によっても反発されるので、電子上の力は空間電荷がない場合よりも小さく、すなわち電位勾配が減少する。 陽極加速電界によって引き寄せられることに加えて、陽極表面上の電子もまた後ろの空間電荷によって押されるので、電位勾配は増加する。 陰極の温度が上昇し続けると、空間電荷の密度は増加し続ける。 空間電荷の影響により、陰極表面の電位勾配はゼロまで低下します。 このとき、陰極表面の空間電荷によって発生する電界は加速電界と正確に等しい。 電子が陰極から逃げるためには一定の初速度を持たなければならないことが知られている。 陰極表面電位勾配がゼロまで低下し、陰極温度を上昇させ続けたとしても、空間電荷密度は依然として増加する可能性がある。 このとき陰極表面電位勾配は負になる。 言い換えれば、カソードの近くの空間電荷によって発生する加速電界は、アノード電圧でUaによって発生するものよりも大きい。

 

陰極から放出された電子は、初速度が異なります。 初期運動エネルギーが最小位置エネルギーよりも大きい電子だけが、陰極表面近くの負電界を乗り越えて最小電位を横切ることができ、加速電界に入り、陽極に飛ぶ。 初期運動エネルギーが小さかった電子は、空間電荷とともに陰極に戻った。 平衡状態では、陽極に流れる単位時間当たりの電子数に陰極に戻る電子数を加えたものが、陰極によって空間に放出される電子数に等しい。 カソード温度が上昇し続けると、カソード放出が増加し、空間電荷密度も増加することになり、これはカソードの表面近くの負電界を強化することに等しい。 負電位によって陰極に戻される電子の数は増加しますが、陽極に移動する電子の数はわずかに増加します。

 

陰極の加熱温度が低いと、陰極から放出された全ての電子が陽極に到達する可能性がある。 このとき、アノード電流はカソードの放出温度に依存し、温度制限と呼ばれている。 この場合、カソード加熱温度が放出電流に大きな影響を及ぼす。 加熱電圧が増加し続けると、空間電荷効果が主要な役割を果たし、アノード電流は空間電荷によって制限される。 加速器の電子銃は、主に空間電荷制限の条件下で動作します。

 

ピアス型電子銃の動作原理

この種の電子銃の光学系は主に陰極、陽極および集束極を含む。 そのうちのいくつかはゲート制御棒が装備されています。 集束極の電位は通常陰極電位に等しいかまたはそれに近い。 カソードとアノードはダイオードを形成する。 カソードはヒーター(フィラメント)によって加熱され焼き付けられる。 ヒーターにはAC電源が供給されています。 電子ビームは集束極によって陽極孔に向かって駆動され、最後に陽極孔を通って加速システムに入る。

 

グリッド制御銃の動作原理

加速管の改良により、低圧噴射の技術が可能になります。 同時に、現在の医療用加速器は、放射線療法の必要性に応じて、X線と電子線の両方の要件を満たすように注入電流を変更する必要があります。 このようにして、ガンのアノード電圧を7〜15kVに下げることができ、噴射流量を200〜1000maの範囲で変えることができます。 電子線出射時に注入エネルギーを徐々に非常に低い値まで減少させることができる(X線治療および電子線治療において医療用加速器が必要とするビーム強度は100倍以上大きく異なる)。 低圧注入技術のソリューションは、グリッド制御ガンの使用の基礎を築きます。 低電圧銃は、電子銃のサイズを大幅に減らすことができ、電極絶縁磁器の圧力要件を減らすことができ、イオンバックカソードエネルギーを減らすことができます。さらに重要なことに、電源容量、重量、効率を大幅に改善できます。ゲートガン、人々は通常ダイオードガンの設計に基づいて制御ポール(ゲートポール)を追加します。 グリッドによって陰極に小さな負の電圧(カットオフバイアス−Egc)が印加されると、陰極の放出が遮断される。 これは、パルスのギャップ期間内に放出を停止することと等価であり、パルスの持続時間の制御極は、カソードに電子を放出させるためにカソードにゼロまたは小さな正の電圧を加える。 正電圧を調整することによって、電子注入流の制御を達成することができる。 ただし、アノード - カソード間電圧は常に安定したDC高電圧に加えることができます。 明らかに、DC電源電圧の振幅安定性は高電圧パルス変調器のそれよりはるかに簡単です。それはまた電源設計への圧力を減らします。 コントロールキャビネットを追加する人々は、通常3つの形態があり、その構造は仕事のやり方の最初の部分で与えられている、今は次のように簡単になります:最初のホールゲートガン:それは銃の構造設計のダイオードですポールとカソードの絶縁、適切な変更はポールの設計に焦点を当て、比較的カソードでそれを作ることができ、バイアス(EOG)の絶対値が小文字にしようとすると、電子ノートを実現する。 一般的な経験として、P <> - 自我 / Vaは、ホールゲートガン設計の実現により、ケースの25%未満にすることができます。 ニードルグリッドガンの2番目のタイプ:それはカソードとカソード絶縁の中央に配置され、小さなニードルのカソード表面に垂直に、コントロールポールとしてのニードル、そのカットオフ電圧は、することができますまたは少し低くしかし、ニードルゲートガンに関しては、そのカソードとニードルゲートは構造設計においてより複雑であり、現在中国ではめったに使用されていない。 しかし、ロシアはこの点でより成熟しており、ゲートエミッションを減らすためにニードルゲートをアンチエミッション物質の層で覆うことができます。 しかしながら、そのような制御極が強いイオンアンチデトネーションを有する加速器に適しているかどうかは証明されていない。 カソードから等電位面の1%から3%のダイオードガンにある3番目のタイプのグリッドガンは、グリッドがカソードに向かい、電位平面内のネットに相当する場合にはグリッドが変化しない元のダイオードガンの電位分布。 ゲートのカットオフバイアスは非常に低く設計することができます。 これはグリッド制御電源の製造に有益であろう。

IKS PVD、HCD + ARC真空コーティング機、チャンバーの上部に装備された電子銃、質問、連絡先:iks.pvd@foxmail.com