Nguyên lý làm việc của súng điện tử （HCD
May 08, 2019| Nguyên lý làm việc của súng điện tử （HCD
One.An tổng quan về súng điện tử
Súng điện tử là máy gia tốc của kim phun điện tử, nó phát ra một năng lượng nhất định, phải có dòng mạnh, đường kính chùm tia và góc phát xạ của chùm electron [1] (có thể điều khiển hướng và cường độ của chùm electron, thường là bằng cực dương nóng , v.v.), điện cực điều khiển và một số gia tốc vào ống gia tốc, được sử dụng để cung cấp súng điện tử chùm tia gia tốc thường được chia thành hai loại phát xạ nhiệt và phát xạ trường; Chức năng của súng điện tử là cung cấp chùm tia điện tử cần thiết, và cấu trúc vật liệu và quy trình của súng điện tử phải xem xét sự thuận tiện của quá trình xử lý và bảo trì. Nói chung, việc thiết kế súng điện tử cần xem xét các khía cạnh sau:
1. Các electron được tiêm có một lượng năng lượng nhất định và cấu trúc của súng phải có đủ cường độ nén để chịu được điện áp gia tốc nhất định.
2. Nó nên có đủ khả năng truyền để cung cấp đủ dòng xung.
3. Đường kính chùm tia và góc phát xạ của chùm electron phải nằm trong một phạm vi nhất định.
4. Cấu trúc đơn giản, dễ dàng xử lý, cài đặt và bảo trì.
Súng có tuổi thọ cao.
Hai. Thông số cơ bản của súng điện tử
Trong các cuộc thảo luận về súng điện tử, mọi người thường sử dụng một số thuật ngữ đặc biệt. Ở đây chúng tôi giới thiệu ngắn gọn về họ:
1. Hệ số dẫn điện
Khi dòng cực dương bị giới hạn bởi điện tích không gian, dòng cực dương (dòng phát xạ) của súng điện tử có liên quan đến điện áp giữa cực dương và cực âm.
Trong giới hạn của điện tích không gian, bất kể hình dạng của hệ thống điện cực, định luật về năng lượng thứ ba của hai thường được áp dụng. Khi hình dạng điện cực không đổi, hệ số dẫn là một hằng số nói chung, không phụ thuộc vào nhiệt độ. Hệ số dẫn cho biết khả năng của súng điện tử phát ra electron. Nói cách khác, hệ số dẫn là một phép đo cường độ chùm electron, đại diện cho kích thước của điện tích không gian của chùm electron.
2. Eo chùm
Trong súng điện tử hội tụ trục đối xứng, các electron được phát ra từ cực âm, và dưới tác động của trường tĩnh điện được hình thành bởi điện tích không gian của các điện cực và chính các electron trong súng, một hình dạng nhất định của chùm electron được hình thành. Vùng có bán kính tiết diện nhỏ nhất trong chùm electron được gọi là eo chùm.
3. Tỷ lệ nén diện tích
Tỷ lệ nén diện tích đề cập đến tỷ lệ giữa diện tích của cực âm và diện tích của mặt cắt ngang của thắt lưng, cũng như tỷ lệ giữa mật độ dòng trung bình của thắt lưng và mật độ dòng trung bình của phát xạ catốt. Để thuận tiện, diện tích của bóng catốt thường được thay thế bằng diện tích của mặt cắt cực âm.
4. Tầm bắn
Phạm vi bắn đại diện cho khoảng cách giữa đầu cực dương của súng và thắt lưng được tạo bởi súng. Nói chung, mong muốn rằng phạm vi đủ lớn để chùm electron đi vào trường tần số cao trong điều kiện tiêm tối ưu.
5. Độ mỏng
Cái gọi là dòng chảy của phun điện tử chỉ là một khái niệm định tính, và nó thường được đánh giá bằng cách các quỹ đạo của tiêm chéo điện tử hoặc mức độ nghiêm trọng chéo. Chùm electron có dòng chảy tầng tốt có thể được tập trung với từ trường thấp hơn, và độ lệch của chùm electron gây ra bởi trường tần số cao nhỏ hơn. Ngược lại, việc phun điện tử với dòng chảy tầng kém sẽ dẫn đến tốc độ dòng chảy kém và độ lệch lớn hơn.
Cấu trúc của súng điện tử.
Bất kể loại súng điện tử nào, chúng đều được cấu tạo từ bộ phát electron - cực âm, hình dạng của các hạn chế chùm electron - trọng tâm của electron và gia tốc của chì - ba phần cực dương. Cấu trúc của súng điện tử được sử dụng trong các môi trường khác nhau có thể khác nhau, nhưng các thành phần cơ bản vẫn giống nhau. Khi hoạt động, điện thế của điện cực hội tụ thường bằng hoặc gần với điện thế catốt để giới hạn hình dạng của chùm electron và điện áp gia tốc (điện áp anốt) được thêm vào giữa cực âm và cực dương. Khi electron được phát ra từ cực âm, nó sẽ tương tác với trường tĩnh điện được thiết lập bởi điện tích không gian của điện cực và chính chùm tia điện tử tạo thành chùm tia điện tử có hình dạng nhất định, sẽ được đẩy ra từ lỗ cực dương để sử dụng. Súng điện tử hoạt động giống như một diode, vì vậy mọi người gọi nó là súng diode.
Loại súng điện tử phổ biến nhất là loại Pierce hai điện cực. Cấu trúc được thể hiện trong hình 2.1-2. Nó chủ yếu bao gồm cực âm, cực tập trung và cực dương. Có một lỗ mở ở giữa cực dương thông qua đó các electron được đưa vào buồng gia tốc. Súng điện tử loại xuyên thấu, còn được gọi là súng phun tia hội tụ hình cầu đối xứng trục, nó là để lấy hai phần hình cầu đồng tâm của sự hình thành của một diode. Để tạo ra quỹ đạo electron dọc theo hướng bán kính cong catốt, cạnh của điện cực hình cầu cần phải được sửa đổi.
Bốn. Cực âm của một khẩu súng điện tử
Cực âm là một trong những bộ phận chính của súng điện tử. Hiện nay, cực âm của súng điện tử được sử dụng trong máy gia tốc tuyến tính electron có nhiều dạng khác nhau, có thể được chia thành hai phương pháp:
Cathode sưởi ấm trực tiếp chủ yếu sử dụng vonfram tinh khiết làm vật liệu catốt. Các catốt xen kẽ thường sử dụng các catot-vonfram, oxit, muối scandium và lanthanum hexaboride, có thể được chia thành hai loại: loại bắn phá và loại sưởi ấm.
1. Loại ném bom: phương pháp gia nhiệt là thêm hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn vôn vào điện áp bắn phá giữa trị liệu (dây tóc) và cực âm. Dưới điện áp này, các electron phát ra từ liệu pháp bắn phá cực âm sẽ phát ra một số lượng lớn điện tử từ bề mặt của nó sau khi cực âm được nung nóng đến một nhiệt độ nhất định.
2. Loại gia nhiệt: cực âm này, lớp hợp chất được cố định trên đế tường mỏng (ống niken hoặc ống molypden), dưới đáy đế được đặt cách nhiệt của dây vonfram xoắn ốc. Dòng điện chạy qua dây tóc, làm nóng cực âm. Khi cực âm đạt đến nhiệt độ mà nó phát ra các electron, nó sẽ phát ra chúng.
Vật liệu của cực âm và nhiệt độ làm việc của nó có ảnh hưởng quyết định đến khả năng phát xạ và tuổi thọ của súng điện tử. Cực âm phải được làm bằng vật liệu với công việc thấp. Các electron bên ngoài của các nguyên tử trên bề mặt cực âm, bị kích thích bởi một lượng nhiệt hoặc năng lượng điện nhất định, sẽ nhảy ra khỏi sự trói buộc của quỹ đạo và trở thành các electron tự do.
Cực âm dây tóc của súng điện tử loại phát nhiệt được chế tạo bằng dây vonfram thông thường, phải dựa vào dòng điện để đốt nóng dây tóc đến 1000 độ ở trên, mật độ dòng phát xạ dây tóc và nhiệt độ dây tóc và năng lượng thoát ra của vật liệu dây tóc.
Lấy nhiệt độ dây vonfram làm ví dụ, công việc thoát của nó là 4,55 volt, ở nhiệt độ làm việc 2500K, J = 0,5 ampere / cm 2 .
Nhiệt độ dây tóc có ảnh hưởng lớn đến cường độ phát xạ của các điện tử. Nếu vật liệu catốt có ít công việc thoát được sử dụng, nhiệt độ dây tóc có thể giảm đáng kể trong điều kiện thu được cùng cường độ phát xạ. Để kéo dài tuổi thọ catốt càng lâu càng tốt, vật liệu được yêu cầu phải có điểm nóng chảy cao hơn và tốc độ bay hơi nhỏ hơn, và không dễ bị nhiễm độc do xói mòn không khí. Điểm nóng chảy của dây vonfram là 3655K, khi nhiệt độ làm việc là 2750K, tốc độ bay hơi là 0,0043 mg / cm • giây, dây vonfram có khả năng chống ăn mòn mạnh. Công việc giải phóng catốt oxit thấp hơn, ví dụ, công việc giải phóng oxit bari chỉ là 2,8 volt, nhưng khả năng chống ăn mòn của nó kém, thường chỉ phù hợp với 10-5-10-6 MMHG trong môi trường chân không cao, ở mức 10 -4 MMHG, công suất phát thải của nó giảm đáng kể, ở mức 10-3 MMHG, thậm chí ngộ độc nghiêm trọng, không thể tiếp tục sử dụng.
Súng phát xạ trường đòi hỏi một điện trường mạnh hơn 106 volt / cm gần bề mặt cực âm, vì vậy cải thiện cường độ trường trên bề mặt cực âm là một cách hiệu quả để tăng cường độ phát xạ.
Nói chung, cường độ hiện tại của súng điện tử luôn ở mức trên 1 milliampere, lưu lượng electron xung có thể đạt đến mức ampere và tuổi thọ của nó là hơn 100 giờ.
Nguyên lý hoạt động của súng điện tử.
1. Nguyên lý làm việc của súng diode
Các quá trình vật lý xảy ra gần cực âm của súng điện tử rất giống với các quá trình xảy ra trong một diode điện tử. Được biết, dòng điện trong một diode được nhận ra bởi sự chuyển động của các electron được phát ra từ cực âm. Nếu một điện áp dương của Ua được thêm vào giữa cực âm và cực dương của diode, cực âm được làm nóng dần (điện áp làm nóng Uf của dây tóc tăng dần) và ghi lại dòng cực dương Ia tương ứng. Một đường cong quan hệ Ia / Uf có thể thu được. Thay đổi Ua có thể nhận được một đường cong quan hệ khác của Ia / Uf Khi Uf thấp, nghĩa là khi nhiệt độ cực âm thấp, dòng điện cực dương Ia tăng nhanh khi tăng điện áp gia nhiệt. Khi Uf vượt quá một giá trị nhất định, dòng điện cực dương Ia sẽ không tăng khi tăng điện áp dây tóc Uf. Chúng ta biết rằng ở một nhiệt độ catốt nhất định, cực âm có một dòng phát xạ nhất định và nhiệt độ catốt càng cao thì dòng phát xạ sẽ càng lớn. Khi nhiệt độ catốt đủ cao, nhiệt độ catốt tiếp tục tăng (tại thời điểm này, dòng phát xạ của catốt vẫn tăng) trong khi dòng cực dương vẫn không thay đổi, điều này cho thấy dòng điện phát ra từ cực âm không đến cực dương hoàn toàn vào lúc này Nếu chúng ta nhìn vào các đường cong tương ứng với Ua khác nhau, tình huống là như nhau. Khi điện áp dương Ua được thêm vào giữa cực dương và cực âm của diode, một phân bố điện trường nhất định sẽ được hình thành giữa cực dương và cực âm. Khi cực âm không được làm nóng, sự phân bố điện trường ổn định. Khi cực âm được nung nóng, cực âm bắt đầu phát ra các electron, bay đến cực dương dưới tác động của Ua.Due với sự có mặt của điện tích không gian, thế năng tại mỗi điểm giữa cực dương và cực âm sẽ giảm. Khi nhiệt độ cực âm không quá cao và sự phát xạ của các điện tử không quá nhiều, vẫn còn một trường gia tốc giữa cực dương và cực âm, và các electron có thể chạm tới cực dương dưới tác động của điện trường này. Với sự gia tăng của các electron phát ra từ cực âm, sự thay đổi độ dốc tiềm năng trên bề mặt của cực dương và cực âm là khác nhau. Do các electron trên bề mặt catốt không chỉ bị thu hút bởi điện trường gia tốc cực dương mà còn bị đẩy lùi bởi điện tích không gian phía trước, nên lực tác dụng lên các electron nhỏ hơn so với không có điện tích không gian, nghĩa là độ dốc tiềm năng giảm. Ngoài việc bị thu hút bởi trường gia tốc cực dương, các electron trên bề mặt cực dương cũng bị đẩy bởi điện tích không gian phía sau, do đó độ dốc tiềm năng tăng lên. Nếu nhiệt độ của cực âm tiếp tục tăng, mật độ của điện tích không gian sẽ tiếp tục tăng. Do ảnh hưởng của điện tích không gian, độ dốc tiềm năng trên bề mặt cực âm sẽ giảm xuống không. Tại thời điểm này, điện trường được tạo ra bởi điện tích không gian trên bề mặt cực âm chính xác bằng trường gia tốc. Người ta biết rằng các electron phải có vận tốc ban đầu nhất định để thoát khỏi cực âm. Ngay cả khi độ dốc tiềm năng bề mặt cực âm giảm xuống 0 và tiếp tục tăng nhiệt độ catốt, mật độ điện tích không gian vẫn có thể tăng. Tại thời điểm này, độ dốc tiềm năng bề mặt cực âm trở nên âm tính. Nói cách khác, trường gia tốc được tạo ra bởi điện tích không gian gần cực âm lớn hơn trường được tạo bởi Ua ở điện áp anốt.
Các electron phát ra từ cực âm có vận tốc ban đầu khác nhau. Chỉ các electron có động năng ban đầu lớn hơn năng lượng tiềm năng tối thiểu mới có thể vượt qua điện trường âm gần bề mặt cực âm và vượt qua thế năng tối thiểu, đi vào trường gia tốc và bay tới cực dương. Các electron, có động năng ban đầu ít hơn, trở lại cực âm với điện tích không gian. Ở trạng thái cân bằng, số lượng electron trên một đơn vị thời gian chạy đến cực dương cộng với số lượng electron trở về cực âm bằng với số lượng electron được phát ra trong không gian bởi cực âm. Nếu nhiệt độ catốt tiếp tục tăng, phát xạ catốt sẽ tăng và mật độ điện tích không gian cũng sẽ tăng, tương đương với việc tăng cường điện trường âm gần bề mặt của catốt. Số lượng electron được trả về cực âm bởi điện thế âm sẽ tăng lên, trong khi số lượng electron đi vào cực dương sẽ tăng nhẹ.
Khi nhiệt độ gia nhiệt của cực âm thấp, tất cả các electron phát ra từ cực âm có thể chạm tới cực dương. Tại thời điểm này, dòng cực dương phụ thuộc vào nhiệt độ phát xạ của cực âm, được gọi là giới hạn nhiệt độ. Trong trường hợp này, nhiệt độ gia nhiệt catốt có ảnh hưởng lớn đến dòng phát xạ. Khi điện áp sưởi tiếp tục tăng, hiệu ứng sạc không gian đóng vai trò chính và dòng anode bị giới hạn bởi điện tích không gian. Súng điện tử của máy gia tốc chủ yếu hoạt động trong điều kiện giới hạn điện tích không gian.
2. Nguyên lý làm việc của súng điện tử loại Pierce
Hệ thống quang học của loại súng điện tử này chủ yếu bao gồm cực âm, cực dương và cực tập trung. Một số trong số họ được trang bị cực kiểm soát cổng. Điện thế của cực hội tụ thường bằng hoặc gần với thế cực âm. Cực âm và cực dương tạo thành một diode. Cực âm được làm nóng và nướng bằng lò sưởi (dây tóc). Máy sưởi được cung cấp bởi một nguồn cung cấp điện xoay chiều. Chùm electron được điều khiển bởi cực tập trung về phía lỗ cực dương và cuối cùng đi vào hệ gia tốc thông qua lỗ cực dương.
3. Nguyên tắc làm việc của súng được điều khiển bằng lưới
Với sự cải tiến của ống tăng tốc, kỹ thuật phun áp suất thấp trở nên khả thi. Đồng thời, các máy gia tốc y tế hiện nay, theo nhu cầu của xạ trị, đòi hỏi phải thay đổi dòng tiêm để đáp ứng các yêu cầu của cả tia X và dòng điện tử. Bằng cách này, điện áp anốt của súng có thể giảm xuống còn 7-15kv và lưu lượng phun có thể thay đổi trong khoảng 200-1000ma. Năng lượng phun có thể giảm dần đến giá trị rất thấp tại thời điểm thoát dòng điện tử (cường độ chùm tia cần thiết của máy gia tốc y tế trong điều trị bằng tia X và xử lý dòng điện tử khác nhau hơn 100 lần). Giải pháp của công nghệ phun áp suất thấp tạo nền tảng cho việc sử dụng súng điều khiển bằng lưới. Súng điện áp thấp có thể làm giảm đáng kể kích thước của súng điện tử, giảm yêu cầu áp suất sứ cách điện cực, giảm năng lượng catốt trở lại, quan trọng hơn, khối lượng cung cấp năng lượng, trọng lượng và hiệu quả có thể được cải thiện đáng kể. Súng cổng, người ta thường thêm một cột điều khiển (cực cổng) trên cơ sở thiết kế của súng diode. Khi một điện áp âm nhỏ (độ lệch cắt - Egc) được đặt vào cực âm bằng lưới điện, sự phát xạ catốt bị cắt. Điều này tương đương với việc dừng phát xạ trong khoảng thời gian của xung và cực điều khiển trong khoảng thời gian của xung thêm 0 hoặc một điện áp dương nhỏ vào cực âm để làm cho cực âm phát ra các electron. Bằng cách điều chỉnh điện áp dương, việc kiểm soát dòng phun điện tử có thể đạt được. Tuy nhiên, cực dương cho điện áp catốt, luôn luôn có thể được thêm vào điện áp cao dc ổn định. Rõ ràng, sự ổn định biên độ của điện áp cung cấp điện dc dễ dàng hơn nhiều so với bộ điều biến xung điện áp cao. Nó cũng làm giảm áp lực lên thiết kế cung cấp điện. Mọi người thêm tủ điều khiển, thường có ba hình thức, cấu trúc của chúng đã được đưa ra trong phần đầu tiên của cách làm việc, bây giờ được trình bày ngắn gọn như sau: súng cổng lỗ đầu tiên: đó là một diode trong thiết kế cấu trúc của súng được tập trung vào cực và cách điện cực âm, sửa đổi thích hợp được tập trung vào thiết kế của cực, có thể làm cho nó ở cực âm và giá trị tuyệt đối của sai lệch (eog) cố gắng viết thường, nhận ra ghi chú điện tử. Kinh nghiệm chung là khi P <0,5, độ="" nén="" của="" súng="" nhỏ,=""> - Bản ngã | / Va có thể ít hơn 25% trường hợp, việc thực hiện thiết kế súng cổng lỗ. Loại súng lưới kim thứ hai: nó được đặt ở trung tâm của cực âm và cách điện cực âm và vuông góc với bề mặt cực âm của một kim nhỏ, kim làm cực điều khiển, điện áp cắt của nó, có thể làm hoặc hạ thấp một chút so với cấp độ của súng lưới lỗ. Tuy nhiên, đối với súng cổng kim, cực âm và cổng kim của nó phức tạp hơn trong thiết kế cấu trúc, hiện nay hiếm khi được sử dụng ở Trung Quốc. Tuy nhiên, Nga trưởng thành hơn trong khía cạnh này và họ có thể phủ cổng kim bằng một lớp chất chống phát thải để giảm phát thải cổng. Tuy nhiên, vẫn còn phải chứng minh liệu cực điều khiển như vậy có khả thi đối với các máy gia tốc có khả năng chống kích nổ ion mạnh hay không. Loại súng lưới thứ ba, nằm trong súng diode từ cực âm 1% đến 3% bề mặt đẳng thế đặt lưới, khi lưới tới cực âm và tương đương với lưới trong mặt phẳng của điện thế, không thay đổi phân phối tiềm năng súng diode ban đầu. Độ lệch cắt của cổng có thể được thiết kế rất thấp. Điều này sẽ có lợi cho việc chế tạo nguồn cung cấp điện được điều khiển bằng lưới.
Máy phủ lớp trống IKS PVD, HCD + ARC, súng điện tử được trang bị trên đỉnh buồng, bất kỳ câu hỏi, liên hệ: iks.pvd@foxmail.com