[科普中国]-皮尔斯电子枪

理论依据

行波管电子光学系统由电子枪，磁聚焦系统和多级降压收集极三部分组成，电子枪用于产生一定形状和满足相关参量的电子束，聚焦系统用来使电子束在通过高频系统时维持一定的形状，并与行波场之间相互作用，产生能量交换，以放大高频信号。高质量的电子注对于行波管得到满意的增益、效率、稳定的工作状态和较小的噪声等是非常重要的。所以，提高电子注的产生成形系统的技术水平将对研制新型行波管器件具有极大促进作用，因此电子光学系统的设计是行波管设计中的重要环节。1

强流电子枪一般由球面阴极、聚焦极和带孔阳极构成。强流电子枪与弱流电子枪主要是由空间电荷效应强弱来相区分的，空间电荷效应强弱用P来表示。所谓空间电荷效应，就电磁场对在其中运动的电子注产生作用，而电子束的运动又会显著影响其周围的电磁场分布，产生一个自洽效应。空间电荷效应在横向和纵向产生的效果是不一样的，由此可将其分为横向空间电荷效应和纵向空间电荷效应。在横向，电子注产生的空间电荷场将将使得电子束在空间中发散；在纵向，由于电子注的存在将改变腔体内电位分布，在阴极附近形成虚阴极，使电子的运动速度减慢，当电子越过阴极势垒后又会使其速度加快，总的来说会减慢电子注的运动，因此强流电子枪的设计相对于弱流电子枪较困难些。

皮尔斯在1954年提出了一种理论计算强流电子枪方法并取得了成功，通过该方法设计出来的电子枪称为皮尔斯电子枪。2

类型皮尔斯电子枪可分为平行电子枪、具有楔形电子注的柱形电子枪、具有圆锥形电子注的球形电子枪三种。

主要参量轴对称收敛型皮尔斯电子枪广泛用于O型微波器件中。电子枪主要由阴极、阳极、聚焦极三部分构成，可以分为枪区、阳极孔、漂移区三个区域来进行分析计算。枪区为阴极与阳极之间的区域，此区域中具有与球形二极管相同的电位分布和电子轨迹。3

沿轨迹电位分布为：

式中：

——在半径为的球面位置的电势；

——电子枪阳极电势；

——参量为曲率半径的球形二极管朗谬尔函数；

——参量为曲率半径的球形二极管朗谬尔函数。

漂移区为阳极孔后面的空间，此空间内电位几乎相同，可称之为等位空间。在漂移区，电子的运动轨迹主要由注入角和注入半径来决定，通过求解等位空间中电荷的发散方程即可得出。随着电子的向前运动，电子束将有一个最小截面半径，称之注腰半径，此时的纵向位置称之为射程，当电子束通过射程位置后将发散。

我们通常用如下一些参量来描述电子枪：

1、导流系数

它描述了空间中电子注所产生的空间电荷效应的强弱，强流与弱流电子光学正是通过导流系数的大小为标准来区分的；

2、注腰半径

即电子束最小截面半径。一般认为是包含有95%电流的电子束所能达到的最小半径值。

3、射程

即电子束最小截面在纵向所处位置，又称注腰位置。定义为阴极面到电子束最小截面半径的距离。

4、面积压缩比

即为阴极面面积与注腰截面面积之比，也可以表示为注腰处平均电流密度与阴极面发射平均电流密度之比。

5、表征热初速度大小的量

如果电子枪阴极温度比较高、阴阳极电压比较低和电子枪导流系数较小，电子的发射初始热速度就对电子注的聚焦产生影响，有明显的发散作用。

6、电子注的层流性

电子注的层流性表示电子轨迹是否交叉或交叉的程度，是电子枪的质量判定重要标准之一。如果电子注的层流性较好，则电子注聚焦时用较小的磁场就能得到较好流通率，电子束与高频场的能量交换就更加充分，电子效率更高，同时高频场引起电子注的散焦截获也小。