一种基于冷阴极的紧凑型行波电子直线加速器

本发明属于电子直线加速器，涉及大功率的毫米波，通过冷阴极产生高斯脉冲式电子束团，通过模式转换得到tm01模式电磁波，具体提供一种基于冷阴极的紧凑型行波电子直线加速器。

背景技术：

1、加速器是一种人工利用电磁场等办法把带电粒子加速到所需要能量的装置，利用加速器可以产生具有不同能量的电子、重离子等粒子，然后将这些具有较高能量的粒子打向其它的物质，从而进一步产生更多种类的其它粒子，如中子、各种介子等，加速器有很多的类型，不同类型的加速器有其各自不同的特点以及应用场合。加速器最初的发展动力是基础核物理的研究需要，伴随着人们对微观世界更进一步探索的需求，我们必须要用更高能量的粒子去轰击其它物质，用来产生出我们难以直接去捕获的基本粒子，从而间接的分析和了解微观世界中物质的组成和运动规律，因此，加速器技术的研究、突破与创新得到了人们越来越广泛的关注。目前，我国以及世界上其它各大国家对低能电子直线加速器的研究非常重视，投入了大量的人力和物力的支持；同时，我国的加速器研究也正在蓬勃的发展并追赶着国际先进水平，研究加速器是非常有意义的。

2、低能电子直线加速器是近年来人们所广泛关注的热点之一，其在工业、农业以及医学方面已经展现出了巨大的应用价值。电子直线加速器最关键的指标就是最终输出电子束的品质，包括束斑尺寸以及束流能量等，而束流品质除了与输入的束流本身有关系外，其与电子直线加速器内的电场分布也有着非常密切的关系，而电子直线加速器内的电场分布又和加速腔体的尺寸息息相关，因此，优化调整电子直线加速器腔体的相关尺寸是优化最终束流品质的重要方法。

3、传统的电真空器件中，因为热阴极的普遍使用，极大的促进了真空电子器件的发展；但热阴极作为电子发射源存在一些显著缺点：需要加热到较高温度、结构复杂、加工成本高、过高的加热温度会导致热子灯丝断裂、器件受损、启动时间长等，为了克服这些问题引入了场致发射冷阴极作为发射源，冷阴极与热阴极有所不同，其工作原理简述为：发射体内的电子不需要加热以获取能量，而是靠外加强电场来降低发射端面势垒高度，通过隧道效应从电子发射端面处逸出形成场致发射；由于它启动快且无需高温加热，因而场致发射有望用于新一代微波电真空器件的电子发射源。

4、直流高压型加速器能量受到高压击穿的限制，导致带电粒子加速效果不好；传统高频直流加速器包括高频源产生系统和粒子加速系统，高频源产生系统包括电子枪、阴阳极、磁控管或速调管等用来产生高频率高功率源的器件，其中，高频源产生的电子不参与加速，主要用于产生大功率微波源信号；而粒子加速系统包括预调制腔、聚束腔、控制系统、瞄准系统、加速结构、输入输出耦合器等多种结构，加速系统所用电子并非高频源产生，需用不同阴极单独产生直流电子束，再经预调制后才能用于加速；加速系统所用电子并非高频源产生，需用不同阴极单独产生直流电子束，再经预调制后才能用于加速。

5、传统直线加速器结构复杂、体积庞大，各个部件相互独立，独立部件完成各自功能后拼接组装成一个整体，效率低下，应用并不广泛；一般而言，传统直线加速器大多采用高功率厘米波信号，器件尺寸大，既浪费了大量能量、又不能做到小型化，且多用驻波加速，不能用行波进行加速，厘米波行波加速难度大，不能将各部件整合紧凑。因此，探寻一种结构小巧紧凑、一体化、高效率的得以广泛应用的直线型加速器成为重要研究方向。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于冷阴极的紧凑型行波电子直线加速器，具有结构小巧紧凑、一体化、高效率等优点。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于冷阴极的紧凑型行波电子直线加速器，由电子发射区1、调相区2、电子加速区3依次连接构成，并形成密封结构；其特征在于：

4、所述电子发射区1包括：冷阴极1-1、绝缘体1-2、矩形波导输入管1-3、电子束1-4及阳极1-5；冷阴极设置于电子发射区的始端，冷阴极采用类“圆钉”结构，其发射端置于金属管壁内且位于中心轴上，发射端端面设置碳纳米管冷阴极材料，碳纳米管利用场致发射产生高斯脉冲式电子束；绝缘体焊接固定于冷阴极与金属管壁之间，矩形波导输入管贯通金属管壁设置、且沿金属管壁外侧呈对称分布，阳极设置于电子发射区的末端；

5、所述调相区2包括：波纹管2-1、调相内管2-2、直纹螺钉2-3、螺纹孔2-4及调相外管2-5；调相内管嵌套设置于调相外管内、且沿轴向相对移动，调相内管与电子发射区密封连接，调相外管与电子加速区密封连接，调相内管与调相外管之间通过波纹管密封连接；调相内管与调相外管沿垂直于轴向方向均外延设置有圆盘结构，圆盘结构对应开设贯穿孔与螺纹孔，匹配直纹螺钉调节管间轴向距离。

6、进一步的，所述阳极采用金属圆环，通过支柱固定连接于金属管壁内侧，且垂直于轴向方向设置。

7、进一步的，工作过程中，冷阴极加负高压，阳极加正高压或接地。

8、进一步的，工作过程中，通过矩形波导输入管注入te10模式电磁波，te10模式电磁波进入加速器后转换为tem波并沿轴向传播，tem波经过冷阴极发射端端面时在阴阳极作用下转换为tm01模式电磁波。

9、更进一步的，工作过程中，可由直纹螺钉调节调相内管与调相外管之间的轴向距离，从而达到调节电磁波相位的目的，使电子在进入电子加速区时落入tm01模式电磁波的负半周期。

10、进一步的，所述电子加速区3包括：盘荷结构3-1、矩形波导输出管3-2与钛窗3-3；盘荷结构固定连接于金属管壁内侧、且垂直于轴向方向设置，若干个盘荷结构沿轴向方向排列；钛窗密封设置于电子加速区的末端，矩形波导输出管贯通金属管壁设置、且位于盘荷结构与钛窗之间。

11、更进一步的，盘荷结构采用金属薄圆环片。

12、更进一步的，矩形波导输出管口添加微波介质窗，形成真空密封。

13、上述紧凑型行波电子直线加速器中，通过输入波导将大功率毫米波信号馈入电子发射区1中，利用输入的大功率毫米波信号在冷阴极表面形成高频强电场，配合静电场产生高斯脉冲式场致发射电子束团，同时阴阳极结构将大功率毫米波信号转换为tm01模；随后，电子束团与大功率毫米波信号进入调相区2，通过距离调节改变毫米波相位，使电子束团与毫米波相位保持匹配后，共同进入加速区3，通过调节盘荷结构尺寸，将大功率毫米波的能量交给电子束团，实现毫米波以行波状态加速电子；最终，毫米波通过输出波导输出，加速后的高能电子从钛窗输出。

14、从工作原理上讲：

15、本发明提供了一种基于冷阴极的紧凑型行波电子直线加速器，通过碳纳米管冷阴极发射高斯脉冲式电流，能够直接形成群聚电子束团，无需额外调制；通过金属管壁处的两侧对称分布的矩形波导管注入te10模式的电磁波，电磁波在进入管后会渐变成tem波，tem波在经过冷阴极发射端面后会渐变成tm01模式，而tm01模式在波导轴线上具有最强的电场纵向分量，能够有效地和轴向运动的电子束团发生注波互作用，从而交换能量；电子束团与电磁波进入到调相结构时，通过调节调相内管与调相外管之间轴向距离可以改变电磁波的相位，使电子束团与电磁波相位保持匹配，保证电子进入到电子加速区时落入tm01模式电磁波的负半周期，负半周期相对于电子是加速区，通过行波状态电磁波实现电子束团不断加速。最后，电子加速完成后在合适位置处穿过钛窗发射出去，而电磁波通过管壁上的输出波导发射出去。

16、综上所述，本发明有益效果在于：

17、本发明提供了一种基于冷阴极的紧凑型行波电子直线加速器，采用冷阴极，通过碳纳米管冷阴极场致发射产生高斯脉冲式电流，直接形成电子束团，无需额外调制；冷阴极发射体通过场致发射，减少了不必要的加热装置，大大简化加速器前端和阴极结构，并具有启动速度快、辐射小、功耗低等优点，有效提高工作效率和降低成本；并且，冷阴极发射电子束为小电流密度，且在整个器件外加磁场环境下会使沿轴向运动的电子聚束，保证极少的电子会打上金属管壁，使器件无需水冷装置，利于简化结构；同时，通过电子发射区的阴阳极结构设计，得到tm01模式电磁波，能够有效地与轴向运动的电子束发生注波互作用；进一步的，创造性的提出调相内管与调相外管嵌套构成的调相结构，通过调节二者的轴向距离，能够调节电磁波的相位，使电子束团与电磁波相位保持匹配，保证电子进入到电子加速区时落入电磁波的负半周期，负半周期相对于电子是加速区，通过行波状态电磁波实现电子束团不断加速。其结构简单、灵活方便；综上，本发明具有结构紧凑、小型化、集成于一体等优点，利于批量化加工制作。