El principio de funcionamiento de la pistola de electrones (HCD)

- May 08, 2019-

El principio de funcionamiento de la pistola de electrones (HCD

 

Uno. Una visión general de la pistola de electrones.

 

La pistola de electrones es el acelerador del inyector electrónico, emite una cierta energía, debe tener una corriente fuerte, un diámetro de haz y un ángulo de emisión del haz de electrones [1] (la dirección y la fuerza del haz de electrones se pueden controlar, generalmente mediante ánodo de cátodo caliente , etc.), el electrodo de control y varios acelerados en el tubo de aceleración, utilizados para proporcionar un cañón de electrones de haz de electrones acelerador de electrones generalmente se dividen en dos tipos de emisión térmica y de campo; La función de la pistola de electrones es proporcionar el haz de electrones requerido, y la estructura del material y del proceso de la pistola de electrones debe tener en cuenta la conveniencia del procesamiento y el mantenimiento. En general, el diseño de un cañón de electrones debe considerar los siguientes aspectos:

1. Los electrones inyectados tienen una cierta cantidad de energía, y la estructura de la pistola debe tener suficiente resistencia a la compresión para soportar un cierto voltaje de aceleración.
2. Debe tener suficiente capacidad de transmisión para dar suficiente corriente de pulso.
3. El diámetro del haz y el ángulo de emisión del haz de electrones deben estar dentro de un rango determinado.
4. Estructura simple, fácil procesamiento, instalación y mantenimiento.
Las armas tienen una larga vida útil.

 

Dos. Los parámetros básicos de un cañón de electrones.

En la discusión del cañón de electrones, las personas a menudo usan algunos términos especiales. Aquí les damos una breve introducción a ellos:

1. Coeficiente de conductividad.
Cuando la corriente del ánodo está limitada por la carga espacial, la corriente del ánodo (corriente de emisión) del cañón de electrones está relacionada con la tensión entre el ánodo y el cátodo.
Bajo la limitación de la carga espacial, independientemente de la forma del sistema de electrodo, la ley de la tercera potencia de dos es generalmente aplicable. Cuando la forma del electrodo es constante, el coeficiente de conductividad es una constante en general, independiente de la temperatura. El coeficiente de conductividad indica la capacidad del cañón de electrones para emitir electrones. En otras palabras, el coeficiente de conductividad es una medida de la intensidad del haz de electrones, que representa el tamaño de la carga espacial del haz de electrones.

2. Cintura del haz
En el cañón de electrones convergente y asimétrico, los electrones se emiten desde el cátodo y, bajo la acción del campo electrostático formado por la carga espacial de los electrodos y los electrones en sí mismos, se forma una cierta forma de haz de electrones. El área con el radio de sección más pequeño en el haz de electrones se llama la cintura del haz.

3. Relación de compresión del área
La relación de compresión del área se refiere a la relación entre el área del cátodo y el área de la sección transversal de la cintura, así como la relación entre la densidad de corriente promedio de la cintura y la densidad de corriente promedio de la emisión del cátodo. Por comodidad, el área de la bola del cátodo generalmente se reemplaza por el área de la sección transversal del cátodo.

4. Rango de tiro
El rango de disparo representa la distancia entre la cabeza del ánodo de la pistola y la cintura de inyección formada por la pistola. En general, es deseable que el rango sea lo suficientemente grande para que el haz de electrones entre en el campo de alta frecuencia en condiciones de inyección óptimas.

5. Laminaridad
El llamado flujo laminar de inyección electrónica es solo un concepto cualitativo, y generalmente se juzga si las trayectorias de la inyección electrónica son cruzadas o cruzadas. El haz de electrones con un buen flujo laminar puede enfocarse con un campo magnético inferior, y el desenfoque del haz de electrones causado por el campo de alta frecuencia es menor. Por el contrario, la inyección electrónica con flujo laminar deficiente dará como resultado una tasa de flujo pobre y un desenfoque mayor.

 

Tres.La estructura de la pistola de electrones.

 

Independientemente del tipo de cañón de electrones, están compuestos por el emisor de electrones, el cátodo, la forma de las restricciones del haz de electrones, el foco del electrón y la aceleración del cable, las tres partes del ánodo. La estructura de una pistola de electrones utilizada en diferentes entornos puede variar, pero los componentes básicos siguen siendo los mismos. En funcionamiento, el potencial del electrodo de enfoque generalmente es igual o cercano al potencial del cátodo para limitar la forma del haz de electrones, y se agrega un voltaje de aceleración (voltaje del ánodo) entre el cátodo y el ánodo. Cuando el electrón se emite desde el cátodo, interactuará con el campo electrostático establecido por la carga espacial del electrodo y el propio haz de electrones para formar un haz de electrones con cierta forma, que se expulsará del orificio del ánodo para su uso. La pistola de electrones funciona como un diodo, por lo que la gente la llama una pistola de diodo.

 

El tipo más común de pistola de electrones es el tipo Pierce de dos electrodos. La estructura se muestra en la figura 2.1-2. Se compone principalmente de cátodo, polo de enfoque y ánodo. Hay una abertura en el medio del ánodo a través de la cual se inyectan electrones en la cámara del acelerador. Pistola de electrones de tipo Pierce, también conocida como inyección de convergencia esférica axisimétrica. La pistola de electrones de Pierce consiste en tomar dos partes esféricas concéntricas de la formación de un diodo. Con el fin de hacer la trayectoria del electrón a lo largo de la dirección del radio de curvatura del cátodo, el borde del electrodo esférico necesita ser modificado.

 

Cuatro.El cátodo de un cañón de electrones.

El cátodo es una de las partes clave de la pistola de electrones. En la actualidad, el cátodo del cañón de electrones utilizado en el acelerador lineal de electrones tiene varias formas, que se pueden dividir en dos métodos:

 

Los cátodos de calentamiento directo utilizan principalmente tungsteno puro como material de cátodo. Los cátodos intertermales generalmente usan torio-tungsteno, óxidos, sal de escandio y cátodos de hexaboruro de lantano, que se pueden dividir en dos tipos: tipo de bombardeo y tipo de calentamiento.

 

1. Tipo de bombardeo: el método de calentamiento es agregar cientos o incluso miles de voltios al voltaje de bombardeo entre el theron (filamento) y el cátodo. Bajo este voltaje, los electrones emitidos desde el theron bombardeando el cátodo emitirán una gran cantidad de electrones desde su superficie después de que el cátodo se calienta a una cierta temperatura.

2. Tipo de calefacción: este cátodo, la capa compuesta se fija sobre una base de pared delgada (tubo de níquel o tubo de molibdeno), debajo del fondo de la base se coloca el aislamiento térmico del alambre de tungsteno en espiral. La corriente fluye a través del filamento, que calienta el cátodo. Cuando el cátodo alcanza la temperatura a la que emite electrones, los emite.

 

El material del cátodo y su temperatura de trabajo tienen un efecto decisivo sobre la capacidad de emisión y la vida útil del cañón de electrones. El cátodo debe estar hecho de materiales con poco entrenamiento. Los electrones externos de los átomos en la superficie del cátodo, excitados por una cierta cantidad de calor o energía eléctrica, saltarán de la esclavitud de la órbita y se convertirán en electrones libres.

 

El cátodo de filamento del cañón de electrones del tipo de emisión de calor se fabrica comúnmente con alambre de tungsteno, debe depender de la corriente eléctrica para calentar el filamento a 1000 grados, la densidad de la corriente de emisión del filamento y la temperatura del filamento y la energía del escape del material del filamento.


Tome la temperatura del cable de tungsteno como ejemplo, su trabajo de escape es de 4,55 voltios de electrones, a la temperatura de trabajo de 2500 K, J = 0,5 amperios / cm 2 .

 

La temperatura del filamento tiene un gran efecto sobre la intensidad de emisión de los electrones. Si se adopta el material del cátodo con menos trabajo de escape, la temperatura del filamento puede reducirse considerablemente bajo la condición de obtener la misma intensidad de emisión. Para prolongar la vida del cátodo el mayor tiempo posible, se requiere que el material tenga un punto de fusión más alto y una menor velocidad de evaporación, y no es fácil envenenarse por la erosión del aire. El punto de fusión del alambre de tungsteno es 3655K, cuando la temperatura de trabajo es de 2750K, la tasa de evaporación es de 0.0043 mg / cm segundo, el alambre de tungsteno tiene una fuerte resistencia a la corrosión. El trabajo de liberación del cátodo de óxido es menor; por ejemplo, el trabajo de liberación del óxido de bario es de solo 2.8 electrones voltios, pero su resistencia a la corrosión es pobre, generalmente solo es adecuado para 10-5-10-6 MMHG a alto vacío, a 10 -4 MMHG, su potencia de emisión disminuyó significativamente, a 10-3 MMHG, incluso envenenamiento grave, no puede seguir utilizándose.

 

La pistola de emisión de campo requiere un campo eléctrico fuerte de más de 106 voltios / cm cerca de la superficie del cátodo, por lo que mejorar la intensidad de campo en la superficie del cátodo es una forma efectiva de aumentar la intensidad de emisión.

En términos generales, la intensidad de corriente de la pistola de electrones es siempre superior a 1 miliamperio, el flujo de electrones del pulso puede alcanzar un nivel de amperio y su vida útil es de más de 100 horas.

 

Principio de Five.working de pistola de electrones

1. Principio de funcionamiento de la pistola de diodo

 

Los procesos físicos que ocurren cerca del cátodo de un cañón de electrones son muy similares a los que ocurren en un diodo de electrones. Se sabe que el flujo de corriente en un diodo se realiza mediante el movimiento de electrones emitidos por el cátodo. Si se agregó un voltaje positivo de Ua entre el cátodo y el ánodo del diodo, el cátodo se calentó gradualmente (Uf se aumentó gradualmente el voltaje de calentamiento del filamento) y se registró la corriente correspondiente del ánodo Ia. Se pudo obtener una curva de relación Ia / Uf. El cambio Ua podría obtener otra curva de relación de Ia / Uf Cuando Uf es baja, es decir, cuando la temperatura del cátodo es baja, la corriente del ánodo Ia aumenta rápidamente con el aumento de la tensión de calefacción. Cuando Uf excede un cierto valor, la corriente del ánodo Ia No aumenta con el aumento de la tensión de calentamiento del filamento Uf. Sabemos que a una cierta temperatura del cátodo, el cátodo tiene una cierta corriente de emisión, y cuanto más alta sea la temperatura del cátodo, mayor será la corriente de emisión. Cuando la temperatura del cátodo es lo suficientemente alta, la temperatura del cátodo continúa aumentando (en este momento, la corriente de emisión del cátodo sigue aumentando) mientras que la corriente del ánodo permanece sin cambios, lo que indica que la corriente emitida por el cátodo no alcanza el ánodo. completamente en este momento. Si observamos las curvas correspondientes a diferentes Ua, la situación es la misma. A medida que se agrega una tensión positiva Ua entre el ánodo y el cátodo del diodo, se formará una cierta distribución de campo eléctrico entre el ánodo y el cátodo. Cuando el cátodo no se calienta, la distribución del campo eléctrico es estable. Cuando se calentó el cátodo, el cátodo comenzó a emitir electrones, que volaron al ánodo bajo la acción de Ua. Debido a la presencia de carga espacial, el potencial en cada punto entre el ánodo y el cátodo disminuirá. Cuando la temperatura del cátodo no es demasiado alta y la emisión de electrones no es demasiado alta, todavía hay un campo de aceleración entre el ánodo y el cátodo, y los electrones pueden alcanzar el ánodo bajo la acción de este campo eléctrico. Con el aumento de electrones emitidos desde el cátodo, el cambio de gradiente de potencial en la superficie del ánodo y el cátodo es diferente. Debido a que los electrones en la superficie del cátodo no solo son atraídos por el campo eléctrico que acelera el ánodo, sino que también son repelidos por la carga del espacio frontal, la fuerza sobre los electrones es menor que la que no tiene carga espacial, es decir, el gradiente de potencial disminuye. Además de ser atraídos por el campo de aceleración del ánodo, los electrones en la superficie del ánodo también son empujados por la carga espacial detrás, por lo que aumenta el gradiente potencial. Si la temperatura del cátodo continúa aumentando, la densidad de la carga espacial continuará aumentando. Debido al efecto de la carga espacial, el gradiente de potencial en la superficie del cátodo caerá a cero. En este momento, el campo eléctrico generado por la carga espacial en la superficie del cátodo es exactamente igual al campo de aceleración. Se sabe que los electrones deben tener una cierta velocidad inicial para escapar del cátodo. Incluso si el gradiente de potencial de la superficie del cátodo cae a cero y continúa aumentando la temperatura del cátodo, la densidad de carga espacial todavía puede aumentar. En este momento, el gradiente de potencial de la superficie del cátodo se vuelve negativo. En otras palabras, el campo de aceleración generado por la carga espacial cerca del cátodo es mayor que el generado por Ua en el voltaje del ánodo.

 

Los electrones emitidos desde el cátodo tienen diferentes velocidades iniciales. Solo los electrones cuya energía cinética inicial es mayor que la energía potencial mínima pueden superar el campo eléctrico negativo cerca de la superficie del cátodo y cruzar el potencial mínimo, entrar en el campo de aceleración y volar al ánodo. Los electrones, que tenían menos energía cinética inicial, regresaron al cátodo con la carga espacial. En el equilibrio, el número de electrones por unidad de tiempo que corre hacia el ánodo más el número de electrones que regresan al cátodo es igual al número de electrones emitidos al espacio por el cátodo. Si la temperatura del cátodo continúa aumentando, la emisión del cátodo aumentará y la densidad de carga espacial también aumentará, lo que equivale a fortalecer el campo eléctrico negativo cerca de la superficie del cátodo. El número de electrones devueltos al cátodo por el potencial negativo aumentará, mientras que el número de electrones que van al ánodo aumentará ligeramente.

 

Cuando la temperatura de calentamiento del cátodo es baja, todos los electrones emitidos desde el cátodo pueden alcanzar el ánodo. En este momento, la corriente del ánodo depende de la temperatura de emisión del cátodo, lo que se denomina limitación de temperatura. En este caso, la temperatura de calentamiento del cátodo tiene una gran influencia en la corriente de emisión. Cuando la tensión de calefacción continúa aumentando, el efecto de carga espacial desempeña un papel importante, y la corriente de ánodo está limitada por la carga espacial. La pistola de electrones del acelerador funciona principalmente bajo la condición de limitación de carga espacial.

 

2. Principio de funcionamiento de la pistola de electrones tipo pierce.

El sistema óptico de este tipo de pistola de electrones incluye principalmente cátodo, ánodo y polo de enfoque. Algunos de ellos están equipados con poste de control de puerta. El potencial del polo de enfoque generalmente es igual o cercano al potencial del cátodo. El cátodo y el ánodo forman un diodo. El cátodo es calentado y cocido por el calentador (filamento). El calentador es alimentado por una fuente de alimentación de corriente alterna. El haz de electrones es impulsado por el polo de enfoque hacia el orificio del ánodo y finalmente ingresa al sistema de aceleración a través del orificio del ánodo.

 

3. Principio de funcionamiento de la pistola controlada por rejilla.

Con la mejora del tubo acelerador, la técnica de inyección a baja presión se hace posible. Al mismo tiempo, los aceleradores médicos actuales, de acuerdo con las necesidades de la radioterapia, requieren cambiar la corriente de inyección para cumplir con los requisitos de los rayos X y la línea electrónica. De esta manera, la tensión del ánodo de la pistola se puede reducir a 7-15 kv, y el flujo de inyección se puede variar en el rango de 200-1000 mA. La energía de inyección se puede reducir gradualmente a un valor muy bajo en el momento de la salida de la línea de electrones (la intensidad del haz requerida por el acelerador médico en el tratamiento de rayos X y el tratamiento de la línea de electrones difiere en gran medida en más de 100 veces). La solución de la tecnología de inyección a baja presión sienta las bases para el uso de pistolas controladas por rejilla. La pistola de bajo voltaje puede reducir en gran medida el tamaño de la pistola de electrones, reducir los requisitos de presión de la porcelana de aislamiento del electrodo, reducir la energía del catodo posterior de iones y, lo que es más importante, el volumen, el peso y la eficiencia de la fuente de alimentación pueden mejorarse considerablemente. Para el diseño del pistola de la puerta, la gente suele agregar un polo de control (polo de la puerta) sobre la base del diseño de la pistola de diodo. Cuando la rejilla aplica una pequeña tensión negativa (polarización de corte - Egc) al cátodo, se corta la emisión del cátodo. Esto es equivalente a detener la emisión en el período de intervalo del pulso, y el polo de control de la duración del pulso agrega cero o un pequeño voltaje positivo al cátodo para hacer que el cátodo emita electrones. Al ajustar el voltaje positivo, se puede lograr el control del flujo de inyección de electrones. Sin embargo, el voltaje del ánodo al cátodo siempre se puede agregar a un voltaje de CC estable. Obviamente, la estabilidad de amplitud de la tensión de alimentación de CC es mucho más fácil que la del modulador de impulsos de alta tensión. También reduce la presión sobre el diseño de la fuente de alimentación. Las personas que agregan un gabinete de control, por lo general tienen tres formas, su estructura se ha dado en la primera parte de su manera de trabajar, ahora son brevemente las siguientes: la primera pistola de la puerta del orificio: es un diodo en el diseño de la estructura de la pistola que se enfoca en El polo y el cátodo aislante, la modificación apropiada se enfoca en el diseño del polo, puede hacerlo en un cátodo relativamente y el valor absoluto de la polarización (eog) trata de minúsculas, realiza una nota electrónica. La experiencia general es que cuando P <0.5, la="" compresión="" de="" la="" pistola="" es="" pequeña,=""> - Ego | / Va puede ser menos del 25% del caso, la realización del diseño de la pistola de la puerta del orificio. El segundo tipo de pistola de rejilla de aguja: se coloca en el centro del cátodo y el aislamiento del cátodo y perpendicular a la superficie del cátodo de una aguja pequeña, la aguja como el polo de control, su voltaje de corte, puede hacer o ligeramente inferior Sin embargo, en lo que respecta a la pistola de rejilla de orificios. Sin embargo, en cuanto a la pistola de compuerta de aguja, su cátodo y compuerta de aguja son más complejos en el diseño de la estructura, que en la actualidad rara vez se usan en China. Sin embargo, Rusia es más madura en este aspecto, y pueden cubrir la puerta de la aguja con una capa de sustancia anti-emisión para reducir la emisión de la puerta. Sin embargo, queda por demostrar si este polo de control es factible para los aceleradores con anti-detonación de iones fuertes. El tercer tipo de pistola de rejilla, que se encuentra en la pistola de diodo desde el cátodo del 1% al 3% de la superficie equipotencial establece una cuadrícula, cuando la cuadrícula al cátodo y equivalente a la red en el plano del potencial, no cambia La distribución de potencial de la pistola de diodo original. El sesgo de corte de la puerta se puede diseñar muy bajo. Esto será beneficioso para la fabricación de la fuente de alimentación controlada por la red.

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