技术

1．引言

　　随着半导体工业的高速发展，半导体器件因其体积小、能耗低、性能稳定等优点而逐渐取代了大部分电子管器件，但在现代无线电工程系统中，大功率、超高频电子器件仍占有不可取代的地位。在电台和雷达发射系统中，磁控管、速调管、行波管、EBS管等大功率高频电子发射管是不可缺少的核心器件。在这类器件中，最重要的组成部分是电子注，它的主要功能是在与电磁场相互作用过程中，将电源能量转变为高频振荡能量。一个发射系统的质量主要取决于电子发射管的性能，而电子发射管的射频性能、频率捷变性能、散热性能以及功率、增益、效率等都取决于电子注的性能。因此，研究电子注的结构和参量，分析电子注的截面尺寸及横截面上的电流密度分布、脉动、各电子层的运动轨迹及各个电子的运动轨迹等，对于提高电子发射管的性能有着重要意义。电子注分析系统就是根据上述要求设计和研制的，该系统可对电子注的结构和性能进行实验研究，可完成电子注各种参数的全面测量。

2．电子注分析系统工作原理

　　电子注分析系统工作原理如图1所示。该系统主要由待测电子枪、收集极、XYZ三坐标精密移动工作台、电流放大器、A／D转换器以及计算机数据采集系统和信息处理系统组成。待测电子枪是电子注发射系统，由灯丝、阴极、调制阳极（或控制栅）和聚焦极组成，电子枪经阴极发射一束电子流，通过调制阳极（或控制栅）的调制，再经聚焦极形成电子注。收集极和XYZ三坐标精密移动工作台是电子注分析系统中最关键的部件。为精确分析电子注结构和各参数的特性，必须测量电子注总束流、电子注不同截面上各点的电流、电流密度分布以及截面积尺寸和沿轴向变化的分布规律等参数。为满足测量要求，我们设计了入口直径分别为0．1mm和20mm的两个法拉第杯作为收集极。采用大口径收集极测量电子注总束流，可使电子注全部装入收集极，防止电子从入口处逸出；采用小口径收集极测量电子注电流密度分布，可使电子注截面上采样点增加以提高测量精度。在收集极的结构设计上，应考虑因电子注进入其内部后电子束流轰击其表面而产生二次电子发生和防止反射电子逸出。收集极在三维空间三个坐标方向上的运动由XYZ三坐标精密移动工作台来完成。计算机系统根据测量要求发出指令，由步进电机驱动精密移动工作台坐标轴带动收集极在三维空间内运动并获取采样信息。收集极输出的电子流经电流放大和A／D转换后输入计算机。计算机系统对采样数据进行分析和处理，获得电子注参量和工作特性，并打印数据、表格和曲线。

图1　电子注分析系统工作原理图

3．三坐标精密移动工作台的设计

　　三坐标精密移动工作台是整个电子注分析系统的核心部分，也是设计难度最大的部分。在测量电子注截面积尺寸、电流密度分布以及电子注沿轴向特性分布时，收集极在三维空间内逐点采样的间距保持性、采样均匀性、收集极在空间的定位精度等技术指标完全取决于三坐标精密移动工作台的性能。此外，真空度的高低对电子注性能影响很大，当真空度低于1.33×10^{－3时，电子注轴线附近会形成严重的离子积累效应及离子与电子的中和现象，致使电子枪阴极中心产生离子斑，离子斑的存在会使电子注表现出明显的非层流性和<}