基本介紹
- 中文名：電子槍
- 外文名：electron gun
- 作用：產生加速及會聚電子束
- 套用：電子散射和螢光屏發光
- 又名：電子注
原理,結構,電子槍的分類,軸向電子槍,環形電子槍,強流軸向電子槍,電子束髮生系統,直熱式陰極,間熱式陰極,間熱式轟擊型陰極,間熱式加熱型陰極,材料的選擇,基本參量,導流係數,發射度,亮度,束腰,面積壓縮比,射程,層流性,
原理
在電子槍里，燈絲，一般是鎢絲，通電加熱後，表面產生大量的熱電子，在陽極和陰極之間的高壓電場作用下，熱電子加速向陽極方向高速移動，並獲得很高的動能。其具體速度值取決於加速電壓的高低，一般可以達到光速的三分之二左右。在聚焦線圈的作用下可使電子束流聚焦，在導向線圈，又稱偏轉線圈的作用下可使電子束髮生偏轉，從而在一定範圍內進行掃描。電子槍的工作電壓通常在幾十到幾百千伏之間，為防止高壓擊穿、束流散射及其能量減損，電子槍的真空度須保持在6.67x10^-2帕以上。
結構
電子槍由發生電子的發射極（陰極）、聚焦電子束的聚焦極、和加速電子的引出極（陽極）三部分組成。
電子槍的分類
電子槍的結構有許多形式。根據槍體結構不同，可分為軸向電子槍（直形自加速電子槍）、環形電子槍（靜電場偏轉電子槍）。
軸向電子槍
軸向電子槍的結構如圖：
燈絲陰極發射電子，陽極對電子加速。調製極位於燈絲與陽極之間，對電子束電流起調節和初聚作用。聚焦極對調製極初聚的電子流進一步聚焦以獲得更細的合適束斑。由於聚焦線圈的套用，使直形電子槍可以得到100kW/cm2以上的高能密度，而且易控制調節。因此，目前所用的大功率電子束套用設備多採用軸向槍。
軸向槍的發明者是Pierce，為了紀念這位發明家，人們也將軸向槍稱為“Pierce槍”。
環形電子槍
環形電子槍的結構如圖：
環形槍結構簡單、成本低，並能以簡單的電源裝置工作。槍體由環形燈絲、陽極、陰極、聚焦線圈和偏轉線圈等組成。環形燈絲處於負高壓，用做熱電子發射源，在聚焦極的定向反射和陽極的加速作用下，使電子束會聚於坩堝蒸發源中心。環形槍和直形槍在使用時，高能電子束轟擊材料將發射二次電子。
強流軸向電子槍
由於軸向槍其有著一系列優點，使槍的壽命大大延長，故被國內外廣泛採用。
強流軸向電子槍的結構如圖：
強流電子槍可根據電子注形狀分為兩類：產生軸對稱實心電子注的稱為“O”型電子槍，產生片狀及管狀電子注的稱為“M”型電子槍。“O”型電子槍廣泛用於大功率電子注加工及冶煉設備中，是得到廣泛套用的一種。導流係數的不同會引起設計方法的不同，所以在“O”型槍設計中又區分為低導槍和高導槍兩種。
電子束髮生系統
電子束髮生系統是發射電子並形成電子束的裝置，如圖所示：
在軸向槍中，發射電子束的陰極有兩種形式：直熱式陰極、和間熱式陰極。
電子束髮射後，經陽極加速並在陽極之後形成一定的束腰，而且束腰的直徑、位置和束流強度都可以很容易地進行控制。其控制的實質問題是在預定的電子束途徑上，確定所需要的電磁場。
直熱式陰極
直熱式陰極加工成絲狀。而直接通電加熱發射電子束。這種情況下燈絲就是陰極。直熱式陰極的結構比較簡單，但只能用於小功率的電子槍。
直熱式陰極一般採用純鎢作陰極材料，加熱電流直接通過陰極。
間熱式陰極
間熱式陰極通常加工成塊狀，由另一個燈絲對陰極進行間接地加熱。這種情況下燈絲與陰極是不同的。間熱式陰極的壽命較長，工作性能穩定，通常用於大功率的電子槍中。
間熱式陰極一般採用敷釷鎢、敷氧化物、鈧酸鹽、六硼化鑭陰極，它分為轟擊型和加熱型兩種。
間熱式轟擊型陰極
間熱式轟擊型陰極加熱方式是，通過在熱子（燈絲）和陰極之間加上幾百乃至上千伏的轟擊電壓，在此電壓下，從熱子發射的電子轟擊陰極，使陰極加熱到一定溫度後從其表面發射出大量電子來。
間熱式加熱型陰極
間熱式加熱型陰極的化合物層固定在薄壁的底托上（鎳管或鉬管），底托下面放著耐熱絕緣的螺旋鎢絲。電流流過燈絲，燈絲燒熱陰極，當陰極達到發射電子的溫度時，就發射出電子來。
材料的選擇
材料的選擇對電子槍的發射能力和壽命有決定作用。燈絲必須選用熔點高、電阻率大的材料，一般是用鎢絲製成的，通過強電流後，燈絲被加熱到一千度以上。陰極必須選用逸出功低的材料，陰極表面原子的外層電子，受到一定的熱能或電能的激勵後，會脫離原子核的束縛越出軌道而成為自由電子。
選用氧化物作為材料，氧化物陰極的逸出功更低，例如氧化鋇的逸出功只有2.8電子伏，但其耐蝕性差，一般只適宜在10-5-10-6毫米汞柱的高真空下工作，在10-4毫米汞柱時，其發射本領顯著下降，在10-3毫米汞柱下工作時，甚至會嚴重地受空氣侵蝕。
選用鎢絲作為材料，其逸出功為4.55電子伏，在工作溫度為2500K時，J=0.5安/厘米2。鎢絲的熔點為3655K，在工作溫度為2750K時，蒸發率為0.0043毫克/厘米·秒，鎢絲的耐侵蝕性較強。
基本參量
導流係數
導流係數
：表征電子注空間電荷的大小。
當陽極電流受空間電荷限制時，電子槍的陽極電流（發射電流）與陰陽極間電壓有關，如果不考慮相對論效應，它們之間的關係是3/2次方的比例關係，也稱二分之三次方定律。
在空間電荷限制下，不論電極系統的形狀如何，二分之三次方定律是普遍適用的，電極形狀不同，只影響前面的比例係數。當電極形狀一定時，在一般情況下，導流係數是一個常數，與溫度無關，導流係數的大小表示電子槍發射電子的能力強弱。也就是說，導流係數是一個對電子注強度度量的量，它表征了電子注空間電荷的大小。
發射度
發射度
：表征電子注的品質。
亮度
亮度
：單位面積、單位立體角的束流強度。
束腰
束腰，或注腰
：電子注中截面半徑最小處的半徑
。
面積壓縮比
面積壓縮比
：陰極面積與注腰截面積之比,也是注腰平均電流密度
與陰極發射平均電流密度
之比。
指的是陰極面積和注腰截面面積之比，也是注腰的平均電流密度與陰極發射平均電流密度 之比。一般用陰極截面積代替陰極球面積。
