非軸對稱雙斜面的多級降壓收集極電極的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種非軸對稱雙斜面的多級降壓收集極電極。在該多級降壓收集極電極中，多個電極的內(nèi)表面均包括一段由正斜面和負斜面組成的波紋結構，且除第一電極和最末電極外的其他電極的電子入口方向均有一個偏心孔，該偏心孔相對于第一電極的電子入口偏向同一個方向，其相比于傳統(tǒng)的收集極結構，可以抑制二次電子回流并提高收集極效率，降低回流率。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及電子行業(yè)真空電子學【技術領域】，尤其涉及一種非軸對稱雙斜面的多級 降壓收集極電極。 非軸對稱雙斜面的多級降壓收集極電極

【背景技術】
[0002] 空間行波管是廣泛應用于通信衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星、導航衛(wèi)星、資源衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、海 洋衛(wèi)星等末級功率放大器的核心部件。幾乎每一顆衛(wèi)星上都有數(shù)量不等、種類不同的空間 行波管放大器。衛(wèi)星上的能源主要來自太陽能電池，因此非常有限，而其中80%-90%的能 源都用于行波管放大器。因此，空間行波管必須具有盡可能高的效率以節(jié)省星上能源。
[0003] 行波管效率主要取決于電子效率和收集極回收效率。電子效率到達一定限度后， 很難再進一步提高，此時效率的提高主要取決于收集極的回收效率。在互作用結構確定后， 收集極的回收效率主要由收集極結構決定。二次電子的存在對多級降壓收集極效率和電子 回流率有直接影響，二次電子在打到高電位電極的過程中獲得能量會降低收集極效率。因 而，設計巧妙的收集極結構，使所有電子最大限度的"軟著陸"，同時使二次電子盡量被產(chǎn)生 該二次電子的電極俘獲，并且避免二次電子打上電位較高電極和返回互作用區(qū)。
[0004] 降壓收集極結構的設計是在互作用區(qū)后面設置一定的靜電場和靜磁場分布，使互 作用后電子運動速度變慢，落到對其來說電位最低的電極上，并避免電子返轉。在多級降 壓收集極的發(fā)展歷程中，人們對收集極的結構與形式做了各種嘗試，但通常收集極電極結 構都是在電極內(nèi)表面包含一個向電子入口方向傾斜的正斜面，等勢線在這種結構的收集極 電極入口處是向電子入射方向凹入的。電子進入電極后要經(jīng)歷一個發(fā)散作用，電子很快散 開并被相應的電極收集。這種結構帶來的一個問題是，電子向兩邊散開容易被電勢較高的 電極收集，降低了收集極的效率。2012年印度A. Mercy Latha提出了一種新穎結構的收集 極，收集極電極內(nèi)表面均包括一段由正斜面和負斜面組成的波紋結構，等勢線在這種結構 的收集極電極入口處先向電子入射方向凹入，再向收集極尾端凸起，電子進入電極后先經(jīng) 歷一個發(fā)散作用，再經(jīng)歷一個匯聚作用。對于原電子來說，電子發(fā)散作用較弱，更容易被電 勢較低電極收集，提高了回收效率；對于二次電子來說，二次電子容易被產(chǎn)生該電子的電極 俘獲，收集極的回流率很低。
[0005] 采用非對稱結構收集極，可以對電子注運動軌跡產(chǎn)生明顯的偏轉效果，達到抑制 二次電子返流，提高回收效率降低回流率的效果，如圖1所示。
[0006] 對于低導流系數(shù)的行波管，采用上述雙斜面收集極電極，可以獲得較高的回收效 率和較低的回流率，但對于高導流系數(shù)的行波管來說，進入收集極的電子由于空間電荷效 應較大，電子注很快散開被電勢較高的電極收集，回收效率較低。目前，行波管的回收效率 較低，返流電子較多，特別是高導流系數(shù)的行波管回收效率更低，因而，設計高效的多級降 壓收集極，進一步提高回收效率、降低回流率是目前亟待解決的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] (一）要解決的技術問題
[0008] 鑒于上述技術問題，本發(fā)明將非對稱結構引入到雙斜面的多級降壓收集極電極結 構中，提供了一種非軸對稱雙斜面的多級降壓收集極電極。
[0009] (二）技術方案
[0010] 本發(fā)明的非軸對稱雙斜面的多級降壓收集極電極包括：N級的電極以及連接于最 末一級電極尾端的尾蓋，其中，N3 3;該N級的電極相互絕緣，且電壓依次降低，用于收集行 波互作用后的電子注，每一級的電極均為中空的筒狀腔體，自前至后包括：通道口，以及由 負斜面和正斜面構成的波紋結構；其中，第一級和最末一級的電極的通道口的中心軸線沿 入射電子注的軸向，除第一級和最末一級外的中間電極的通道口的中心軸線位置重合，低 于入射電子注的軸向。
[0011] (三）有益效果
[0012] 從上述技術方案可以看出，本發(fā)明非軸對稱雙斜面的多級降壓收集極電極具有以 下有益效果：
[0013] (1)多個電極的內(nèi)表面均包括一段由正斜面和負斜面組成的波紋結構，第一級和 最末一級的電極的通道口的中心軸線沿入射電子注的軸向，除第一電極和最末電極外的其 他電極的電子入口方向均有一個偏心的通道口，該通道口的中心軸線低于入射電子注的中 心軸線，其相比于傳統(tǒng)的收集極結構，可以抑制二次電子回流并提高收集極效率，降低回流 率；
[0014] (2)收集極電極結構簡單，方便加工。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為電子被現(xiàn)有技術非對稱結構收集極回收電子軌跡圖；
[0016] 圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例非軸對稱雙斜面多級降壓收集極電極的剖面示意圖；
[0017] 圖3為圖2所示非軸對稱雙斜面多級降壓收集極第一電極的側視圖；
[0018] 圖4為圖2所示非軸對稱雙斜面多級降壓收集極第二電極的仰視圖；
[0019] 圖5為圖2所示非軸對稱雙斜面多級降壓收集極第三電極的仰視圖；
[0020] 圖6為圖2所示非軸對稱雙斜面多級降壓收集極第四電極的側視圖；
[0021] 圖7為圖2所示非軸對稱雙斜面多級降壓收集極尾蓋的俯視圖；
[0022] 圖8為飽和工作狀態(tài)下非軸對稱雙斜面的多級降壓收集極考慮四次二次電子發(fā) 射計算結果；
[0023] 圖9為無驅動信號下非軸對稱雙斜面的多級降壓收集極計算結果；
[0024] 圖10為非軸對稱雙斜面的多級降壓收集極頻帶內(nèi)的回收效率和回流率計算結 果；
[0025] 圖11為非軸對稱雙斜面的多級降壓收集極回收效率和回流率隨輸入功率的變 化。
[0026] 【本發(fā)明主要元件符號說明】
[0027] 10-第一電極；
[0028] 11-第一電極通道口； 12-第一電極負斜面；
[0029] 13-第一電極正斜面； 14-第一電極后端部分；
[0030] 20-第二電極；
[0031] 21-第二電極通道口； 22-第二電極負斜面；
[0032] 23-第二電極正斜面； 24-第二電極后端部分；
[0033] 30-第三電極；
[0034] 31-第三電極通道口； 32-第三電極負斜面；
[0035] 33-第二電極正斜面；
[0036] 40-第四電極；
[0037] 41-第四電極前端部分； 42-第四電極負斜面；
[0038] 43-第四電極正斜面； 44-焊接凹槽；
[0039] 50-尾蓋；
[0040] 51-錐形段； 52-斜面；
[0041] 53-圓形臺階。

【具體實施方式】
[0042] 為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部 分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬【技術領域】中普通技術人員 所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應了解，參數(shù)無需確切等 于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內(nèi)近似于相應的值。實施例中提到的 方向用語，例如"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的 方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明的保護范圍。
[0043] 本發(fā)明提出了一種非軸對稱雙斜面的多級降壓收集極電極，以提高收集極的回收 效率，降低二次電子回流率，從而使得行波管整管具有更高的效率。
[0044] 在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提供了一種非軸對稱雙斜面的多級降壓收集極 電極。圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例非軸對稱雙斜面的多級降壓收集極電極的剖面示意圖。請 參照圖2,本實施例非軸對稱雙斜面的多級降壓收集極電極包括：與互作用電子注的中心 軸線同軸的第一電極10、第二電極20、第三電極30、第四電極40和尾蓋50形成四級降壓收 集極電極，依次降壓用于收集行波管互作用后的電子注。第一電極的位置靠近行波管的慢 波結構，緊隨第一電極后依次設置第二電極、第三電極、第四電極和尾蓋。該第一電極、第二 電極、第三電極和第四電極相互之間有一定的間隔，用于放置收集極介質材料。該第四電極 和尾蓋四電位相同，焊接在一起。
[0045] 圖3為圖2所示非軸對稱雙斜面多級降壓收集極第一電極的側視圖，請參照圖2 和圖3,第一電極10為中空的筒狀腔體，該第一電極10靠近行波管慢波結構的軸向端面中 心軸線位置（入射電子注的軸向）設有供互作用后電子注通過的第一電極通道口 11，該通 道口的口徑大于互作用后電子注孔徑；該第一電極10在第一電極通道口 11后內(nèi)表面包括 一段由負斜面12和正斜面13組成的波紋結構；第一電極后端部分14為空心柱體，口徑比 紋波結構的最大口徑略小。
[0046] 圖4為圖2所示非軸對稱雙斜面多級降壓收集極第二電極的仰視圖，請參照圖2 和圖4,第二電極20為中空的筒狀腔體，該第二電極的前端部分軸向端面偏離中心軸線向 下位置設有供電子束通過的第二電極通道口 21，使進入第二電極的電子注整體向第二電極 通道口 21中心軸線的一側偏離，在第二電極的內(nèi)表面產(chǎn)生的二次電子將向第二電極通道 口 21中心軸線的另一側偏離，這樣產(chǎn)生的二次電子不會沿原路徑返回，使得二次電子的回 流率得到降低。二次電子該第二電極通道口 21的口徑大于第一電極通道口 11 口徑，小于 第一電極后端部分14的孔徑；該第二電極20在第二電極通道口 21后內(nèi)表面包括一段由負 斜面22和正斜面23組成的波紋結構。第二電極后端部分24的為空心柱體，口徑比紋波結 構的最大口徑略小。
[0047] 圖5為圖2所示非軸對稱雙斜面多級降壓收集極第三電極的仰視圖，請參照圖2 和圖5,第三電極30為中空的筒狀腔體，該第三電極的前端部分軸向端面偏離中心軸線向 下位置設有供電子束通過的第三電極通道口 31，第三電極通道口 31中心軸線與第二電極 通道口 21中心軸線位置重合，該第三電極通道口 31的口徑大于第二電極通道口 21 口徑， 小于第二電極后端部分24的孔徑；該第二電極30在第三電極通道口 31后內(nèi)表面包括一段 由負斜面32和正斜面33組成的波紋結構。
[0048] 圖6為圖2所示非軸對稱雙斜面多級降壓收集極第四電極的側視圖，請參照圖2 和圖6,第四電極40為中空的筒狀腔體，該第四電極40包括第四電極前端部分41和由第四 電極負斜面42和第四電極正斜面43構成的波紋結構，該第四電極前端部分41伸入第三電 極的筒狀腔體內(nèi)，其軸向端面中心軸線位置設有供電子束通過的通道口，該通道口徑略大 于第三電極通道口 31直徑。第四電極正斜面43尾端設有與該收集極中的相關部件相匹配 的焊接凹槽44。
[0049] 圖7為圖2所示非軸對稱雙斜面多級降壓收集極尾蓋的俯視圖，請參照圖2和圖 7,尾蓋50呈圓蓋狀結構，沿其中心軸線有一錐形段51，錐形段51四周外為一斜面52,該尾 蓋50的外沿有圓形臺階53,圓形臺階53與焊接凹槽44配合焊接在一起，使第四電極與尾 蓋同一電位。
[0050] 圖8為飽和工作狀態(tài)下非軸對稱雙斜面的多級降壓收集極考慮四次二次電子發(fā) 射計算結果。圖9為無驅動信號下非軸對稱雙斜面的多級降壓收集極計算結果。請參照圖 8和圖9,飽和工作狀態(tài)下，電子大部分被第一電極、第二電極和第三電極收集。無驅動信號 下，電子幾乎被第四電極和尾蓋收集。考慮四次二次電子發(fā)射，收集極的回流率僅有微小的 增加，回收效率有小幅度下降，該收集極的結構設計可以明顯阻止二次電子向互作用區(qū)回 流。
[0051] 圖10為非軸對稱雙斜面的多級降壓收集極頻帶內(nèi)的回收效率和回流率計算結 果。圖11為非軸對稱雙斜面的多級降壓收集極回收效率和回流率隨輸入功率的變化。請 參照圖10和圖11，在工作頻帶內(nèi)的收集極效率大于80. 3%，回流率小于1%。中間頻點 12. 5GHz時，回收效率為80. 7%，若考慮線路損耗等，總效率可達66. 4%，能夠滿足空間行 波管的要求。行波管工作在過飽和區(qū)時，回收效率降低，回流率增加；行波管工作在線性狀 態(tài)時，回收效率提高，回流率降低；無論行波管工作在何種狀態(tài)，回收效率均大于80. 2%， 回流率小于1.6%。
[0052] 至此，已經(jīng)結合附圖對本發(fā)明實施例進行了詳細描述。依據(jù)以上描述，本領域技術 人員應當對本發(fā)明非軸對稱雙斜面的多級降壓收集極電極有了清楚的認識。
[0053] 此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結構、形 狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換，例如：
[0054] (1)多級降壓收集極電極可以根據(jù)需要包括多級的電極結構，而不局限于上述實 施例中的四級電極結構。例如：三級、五級、六級等等。
[0055] 綜上所述，本發(fā)明同現(xiàn)有技術中多級降壓收集極結構相比，可以抑制二次電子回 流并提1?收集極效率，從而使得行波管具有更1?的效率。
[0056] 以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1. 一種非軸對稱雙斜面的多級降壓收集極電極，其特征在于，包括：N級的電極以及連 接于最末一級電極尾端的尾蓋，其中，N > 3 ; 該N級的電極相互絕緣，且電壓依次降低，用于收集注波互作用后的電子注，每一級的 電極均為中空的筒狀腔體，自前至后包括：通道口，以及由負斜面和正斜面構成的波紋結 構； 其中，第一級和最末一級的電極的通道口的中心軸線沿入射電子注的軸向，除第一級 和最末一級外的中間電極的通道口的中心軸線位置重合，低于入射電子注的軸向。
2. 根據(jù)權利要求1所述的多級降壓收集極電極，其特征在于，第一級電極的通道口的 口徑大于互作用后電子注的孔徑，且自前至后，電極的通道口的口徑逐級增大。
3. 根據(jù)權利要求1所述的多級降壓收集極電極，其特征在于，相鄰兩電極之間具有間 隔，用于放置收集極介質材料，最末一級電極與尾蓋焊接在一起，兩者電位相同。
4. 根據(jù)權利要求1所述的多級降壓收集極電極，其特征在于，除最末一級的其他電極 還包括： 空心柱體，其口徑小于所在電極的波紋結構的最大口徑。
5. 根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的多級降壓收集極電極，其特征在于，所述N = 4、5 或 6。
6. 根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的多級降壓收集極電極，其特征在于，最末一級的 電極的波紋結構中正斜面的尾端設有焊接凹槽； 所述尾蓋呈圓蓋狀結構，其外沿有圓形臺階，該圓形臺階與所述焊接凹槽配合焊接在 一起，使最末一級的電極與尾蓋同一電位。
7. 根據(jù)權利要求6所述的多級降壓收集極電極，其特征在于，所述尾蓋沿其中心軸線 有一錐形段，該錐形段四周外圍，圓形臺階的內(nèi)側為一斜面。
【文檔編號】H01J23/027GK104157536SQ201410414974
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月21日 優(yōu)先權日:2014年8月21日
【發(fā)明者】易紅霞, 肖劉, 陳之亮, 袁廣江, 王莉, 李延威, 尚新文, 曹林林 申請人:中國科學院電子學研究所