具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

微波栅控高压型电子枪由放置在高压平台上的热阴极、栅网、聚焦极，以及放置在地电位的阳极构成。

如图1所示，设置在高压平台根据本发明的一种实施方式，高压平台外设置325MHz微波功率源、直流稳压电源和隔离变压器。

上的灯丝电源加载在热阴极上将其加热到1200℃左右，热阴极表面电子获得足够的逸出能量，栅网设置负偏压U_b抑制电子的发射，由325MHz固态功率源将微波馈入到阴栅极之间的间隙，微波的电压幅值U_rf大于-U_b。当微波电场与栅压电场同向时，两者同时抑制电子的发射，当微波电场与栅压电场反向时，在特定相位使得总的电场方向指向阴极，电子获得足够的能量从栅网透出，由聚焦极进行聚焦，最后被阴极和阳极间的300KV高压引出栅网隔绝了阳极对阴极的直接影响，同时截止了微波的传播，避免微波对后续束流产生影响，使得这两个的腔体形成独立的系统，互不干扰。也就是说，在栅网左边，阴极与栅网之间的间隙形成的腔体，内含微波电场与栅控电压形成的静电场；栅网右边，是栅网与阳极间的腔体，内含负高压电源形成的静电场，栅网既截止了左边微波向右传输，又屏蔽了右边的高压电场向左传输。

从栅网出射的具有时间结构的电子束团经聚焦极聚焦和阴极负高压的加速，产生的高重频电子束流可满足后续电子加速器的接受度要求。

本发明一实施方式电子枪束流形状如图2所示，该结构参考了电场仿真软件Poisson给出的优化方案，避免了电子枪的打火。本实施方式中电子枪阴极电压为-300KV，阳极处于地电位，阴阳极间距12cm，阴极采用日本JRC公司生产的带栅网热阴极NJK2321A，半径为0.4cm，阳极孔半径设置为0.5cm，束流强度设置为200mA。考虑空间电荷效应，该结构产生的束斑半径为0.291cm，归一化束流发射度为1.015mm·mrad。

根据同轴热阴极NJK2321A结构显示，该阴极共有三层，分别是栅极G、阴极K与灯丝电源H，其中栅极G在最外层与NJK2321A的外壳等电位；阴极K在第二层，与栅极G绝缘；灯丝电源H在芯层，一端保持独立电位，与阴极K绝缘，另一端与阴极K等短接，两者等电位。本发明要使得栅极G与灯丝电源H加载的电压均可调，即可以手动调节栅控偏压和灯丝电压的大小来调制电子枪。

为了分别加载栅极电压、给灯丝供电、接近无反射地传输微波至阴栅极之间，本发明提出一种用于栅控电子枪的供电器件。

本发明一实施方式装置实验设计及电气系统连接简图如图3所示，其中，热阴极第二层的阴极与-300KV电源相连，通过隔离变压器分别给栅极和灯丝加载直流稳压电源、以及给325MHz固态功率源供电馈入微波。灯丝电源两端分别与H和K相连形成通路，栅极偏压电源通过一端连在外壳上，一端连在阴极上，完成G和K之间负偏压的加载。三条加载在K上的电路线可在NJK2321A外相连再接K，可方便接线过程。

因为该同轴阴极为三层嵌套结构，采用同轴线将微波馈入阴栅极之间的时候会将该结构进行封闭，如何在传输微波时将各直流电压接入阴极内部需要一个详尽合理地方案。

另外，该同轴阴极不是标准50欧姆器件，不满足匹配条件，需设计特定的传输结构完成阻抗匹配，保证微波能够高效率地从325MHz微波功率源馈入阴极和栅极之间。

日本JRC公司生产的NJK2221A号同轴热阴极自带适合工程装配的底座，带栅网同轴热阴极NJK2321A的阴极底座由同轴结构组成，电子栅极与同轴底座外径直接相连，阴极直接与同轴底座的内径相连，内径的内芯连接阴极的灯丝电源，三者电位互相独立。电子枪阴极的阴栅极A与底座B连接结构示意如图4所示(图中未示出灯丝)。

本发明一实施方式采用同轴传输结构馈入微波，该同轴传输结构即供电器件可通过NJK2221A同轴热阴极的底座与NJK2221A同轴热阴极的阴极相连，同轴传输供电器件在传输微波时较其他类型的电缆具有使用方便，封装简单，稳定性好，传输损耗小等特点。

本发明首先提出一种用于栅控电子枪的供电器件，如图5b所示，所述供电器件10包括：

第一外层结构100，其为回转导电体，其被配置为一端设有栅极接口101，另一端以连接第一电源输入接口，在两端之间设有连通该层与第一内层结构之间的间隙的微波输入接口102；

第一内层结构200，其为回转导电体，其被配置为一端设有阴极接口201，另一端以连接第二电源输入接口；

第二内层结构300，其为回转导电体，其被配置为一端设有灯丝接口301，另一端以连接第三电源输入接口；

所述第一外层结构100、第一内层结构200及所述第二内层结构300同轴设置，所述第二内层结构300位于最里层，所述第一内层结构200间隔设于所述第二内层结构300外，所述第一外层结构100间隔设于所述第一内层结构外200。

在进行微波传输阻抗匹配时，设同轴供电器件的微波传输内径为d，外径为D，介电常数为ε_r，其阻抗为：

由公式可得，影响同轴结构阻抗的直接参数为导体的内外径和介质的介电常数，可通过改变上述参数来改变阻抗值。同时Z₀代表单位长度阻抗值，改变同轴结构长度也可以改变终端的阻抗系数。

由日本JRC公司给出的测评数据，跨导约为0.01S，跨导与极间电阻的关系为

g＝μ/R₀

其中，μ为增益系数，R_0为阴极部分的电阻，在这里取1，极间阻抗约为100Ω，阴极面积S＝0.5㎡，阴栅极间隔l＝160μm，C₀为极间电容，根据公式：

C₀＝ε_rS/l

计算可得极间电容为2.767pF。

该结构的电感参数可忽略不计，电容与电阻串联，根据已知的电容和电阻参数可以根据公式计算阴极的阻抗参数

Z₁＝R₀+jωL₀-1/jωC₀

其中L₀是电感，该结构可以忽略不计，计算得阴极阻抗Z₁＝100-177j。

上述实施方式中电子枪自带长度为27.7mm的同轴底座，其内径为8mm，外径为18mm，对应阻抗为48.6Ω，其与阴极串联，对应在电子枪接口处的端口阻抗为34.249-106.905j。

要获得最大的传输效率需采用共轭匹配的方法，本发明一实施方式制作一个阻抗系数为34.249+106.905j的同轴供电器件，依据前文提到的同轴底座与栅控电子枪的接线方式，本实施方式制作的同轴供电器件微波传输结构的外径为24mm，该外径为图5b所示第一外层结构100的左端内径。

为了方便加工，本实施方式采用外径不变，改变内径以及填充介质的方法，对同轴供电器件结构的单位长度阻抗进行调节。

本发明实施方式利用史密斯圆图如图5a所示，可以得到最优的阻抗匹配设计，节省器件长度。

史密夫图表(Smith chart，又称史密斯圆图)是在反射系散平面上标绘有归一化输入阻抗(或导纳)等值圆族的计算图，主要用于传输线的阻抗匹配上，利用图解法求解，以避免繁琐的运算。其基本原理是一条传输线(transmission line)的电阻抗力(impedance)会随其长度而改变。

根据史密斯圆图设计原则，本实施方式先把复合阻抗匹配到实阻抗(只含电阻，不含电容电感)，再将实阻抗匹配到50Ω(圆心)，再进行绘图。

根据本发明的一种实施方式，第一内层结构200在微波输入接口102对应的位置与阴极接口201之间的长度范围被配置为外径不同的相连的两节，距离阴极接口201较近的节为第一节，另一节为第二节，第一节的内径与长度根据微波输入至阴极与栅极的复合阻抗中的实阻抗设计，第二节为1/4波长匹配节，其将阻抗匹配到所需值；第一外层结构100在相应所述长度范围的内径保持一致。

根据阻抗计算值及上述结构的设计，可以在圆图上绘制出1至6端口的曲线。如图5a所示，1端口为阴极阻抗所在的位置，较靠近短路点，1端口到2端口对应阴极本身自带的27.7mm同轴底座结构，以方便微波的馈入，2端口到5端口将复合阻抗转变为不含虚部的实阻抗，5端口到6端口为1/4波长匹配节，将阻抗匹配到50欧姆。

为了方便与圆图对应，本发明的实施方式在图5b中相应标出了与圆图上位置对应的2端口至6端口。

为了支撑内外导体，提高传输效率，本发明的实施方式可在内部填充介质，该介质为绝缘材料，如聚四氟乙烯，当然也可采用其他功能相近材料代替。

进一步的，根据本发明的一种实施方式，图5b中将3端口到4端口填充介质，如此可以支撑固定第一外层结构和第一内层结构之间的位置。也就是说，在阴极接口201与两节的连接处之间的长度范围内，第一外层结构100与第一内层结构200之间设有长度小于或等于该长度范围的第一绝缘填充层400，优选地，第一绝缘填充层400的材质为聚四氟乙烯。

优选地，分别将所述第一内层结构与所述第一外层结构于所述第一节上均设置为可调长度的结构。

根据本发明的一种实施方式，第一外层结构100包括连接位置可调的前后两部分，分别为第一外层前部分110和第一外层后部分120，第一内层结构200包括连接位置可调的前后两部分，分别为第一内层前部分210和第一内层后部分220；优选地，第一外层结构100的前后部分连接处与第一内层结构200的前后部分连接处相对应；优选地，第一内层结构200的前后部分连接处位于第一节上。

根据本发明的一种实施方式，图5b中4端口到5端口设计了可以进行伸缩的模块，该节段的长度可变，可由限位螺丝等限位件进行限位固定，调谐范围比如可为±15mm，从而应对装配上的误差、温度的变化以及阴极在工作过程中阻抗的变化。

根据本发明的一种实施方式，第一外层结构100和第一内层结构200及第二内层结构300这三层之间相邻处分别可设有绝缘介质层，优选地，绝缘介质层的材质为聚四氟乙烯。

根据本发明的一种实施方式，5端口到6端口的节段也填充了绝缘介质500，一方面可以减小同轴结构的内径半径，方便加工，另一方面起到支撑固定的作用。

根据上述设计思路，再根据前述公式(1)，获得2端口至6端口各节段的微波传输内径，从而绘制出图5a中1至6端点的曲线(其中1端口至2端口按照与底座搭接结构绘制)。根据绘制的曲线，得到图5a各端口之间的各曲线的弧长，各弧长对应图5b各传输节段的长度，也就是得到第一内层结构2端口至6端口各节段的长度，从而获得图5b所示第一外层结构与第一内层结构之间的微波传输路径。

根据本发明的一种实施方式，对应图5a的1至6端口，本发明一实施方式如图5b所示：1端口为阴极阻抗所在的位置，1到2端口为阴极底座的27.7mm同轴结构，2端口对应阻抗为34.249-106.905j，2到5端口的三段同轴器件内径均为12mm，将复合阻抗转变为不含虚部的实阻抗，其中2到3端口无填充介质，对应阻抗为41.6Ω；3到4端口填充聚四氟乙烯以固定位置，对应阻抗为28.7Ω；4到5端口无填充介质，设计了可以伸缩的模块，由限位螺丝103固定位置，调谐范围为±15mm，从而应对装配上的误差、温度的变化以及阴极在工作过程中阻抗的变化，虽然由于调节位置会造成连接处显微的外径或内径值有变化，但其长度相比于总长较短，不影响整体效果；5端口阻抗为2.9525Ω,5到6端口填充聚四氟乙烯，内径为17.9mm，对应阻抗为12.2Ω，长度为159.136mm，起到λ/4波长匹配节的作用，6端口对应阻抗系数为50.033Ω。可在6端口对应位置处设置10端口，作为微波注入接口。该微波输入接口与第一外层结构间可填充绝缘介质。

本发明的同轴传输供电器件在传输微波时较其他类型的电缆具有使用方便，封装简单，稳定性好，传输损耗小等特点，此外，该阴极底座由同轴结构组成，方便安装，无需变换馈入结构。

该同轴阻抗匹配结构除完成微波传输任务外，还需要承担栅极和灯丝电源所需的直流偏压，本发明的实施方式设计了两种端口，一种输入端口传输微波，另一种输入端口加载直流偏压。

根据本发明的一种实施方式，第一外层结构100、第一内层结构200及第二内层结构300在电源输入的另一端(图示右端)通过绝缘件600隔离，以分别形成独立电位。

绝缘件600采用稳定性好的绝缘体均可，比如绝缘陶瓷件，绝缘塑料件等。绝缘件600优选磁环(绝缘陶瓷件)。

根据本发明的一种实施方式，第二电源输入接口为同轴内径接线柱701，其通过第一重叠导体801连接第一内层结构200的另一端，第一电源输入接口为同轴外壳接线柱702，其通过第二重叠导体802连接第一外层结构100的另一端。

第一重叠导体801与第二重叠导体802均设于第一内层结构200与第一外层结构100之间，且沿供电器件的长度方向间隔设置，并沿供电器件的径向不同位置处分别连接第一内层结构200或第一外层结构100。

第一重叠导体801与第二重叠导体802之间的空间可以填充绝缘介质500。

第三电源输入接口为灯丝接线柱703。

优选地，第一外层结构100的栅极接口和第一内层结构200的阴极接口均为瓣形弹性结构。

瓣形结构就是在结构开口这端(接口端)沿周向开若干轴向间隔槽(间隔槽的长度方向与轴向平行)，使得这端的外形呈花瓣状。

同轴供电器件的接口处采用瓣形的连接结构，其具有一定的弹性，方便安装。当然也可采用其他方式如另设支架固定的方式。

本发明的一种实施方式如下：如图5b所示：2端口前面的瓣形接口插入阴极的同轴底座，2到6端口为同轴匹配节，10端口为微波注入接口，该接口可为标准的传输线N型母头结构，该节段对应阻抗为50Ω；7、8、9端口间电位独立，由绝缘件600进行隔断，7、8、9端口处各设置接线柱，而7端口和9端口处设置的重叠导体结构如第一重叠导体801、第二重叠导体802刚好将微波传输的后半部分(图示右部分)封闭，使得微波无法继续沿这个方向传播。而7端口处的同轴内径接线柱701通过第一重叠导体801连接第一内层结构200的左端，9端口处的同轴外壳接线柱702通过第二重叠导体802连接第一外层结构100的左端。8端口处的灯丝接线柱703连接第二内层结构300。

电子枪的阴极和栅极分别连接同轴供电器件的内外导体，即连接第一内层结构和第一外层结构，电子枪的灯丝电源连接同轴供电器件内导体的内芯，即第二内层结构，第一外层结构和第一内层结构及第二内层结构这三层之间相邻处分别可由聚四氟乙烯进行隔离，使结构层间具有独立的电位差。该同轴结构内外半径之间有电位差，7端口接线柱对应阴极的电位，8端口对应灯丝电源的电位，9端口对应栅极的电位。

因为7端口和9端口之间有电位差，该电压会直接传导至10端口，为了防止直流信号直接沿同轴线馈入325MHz固态功率源，可在10端口接一个全内置式直流阻断器将其隔离。

根据本发明的一种实施方式，该供电器件的导体材料不受限制，比如可选铍铜、黄铜、不锈钢等，优选铍铜，铍铜材料具有高硬度、高耐磨性，高弹性、高电导率、优良的铸造性能等特点，其性价比高，造价合适。

根据本发明的一种实施方式，填充的绝缘介质可选用介电系数稳定的、常温下是固体的材质，优选聚四氟乙烯，该材料具有摩擦系数合理，不易形变，绝缘性能好，介电系数对温度变化不敏感等特点。

根据本发明的一种实施方式，接线柱的材料选用绝缘环，其优选绝缘性能好、方便加工的烧结陶瓷。

实施时，该供电器件需要将前端口插入电子枪的底座以固定，确保该同轴结构与电子枪接合，其后端三个接线柱分别连接不同电位，上端接地，中端与下端按实验要求连接不同的负电位。下端在10端口处接全内置直流阻断器，后续可由标准N型9mm传输线连接微波功率源。调谐时，供电器件后半部分可直接左右移动，然后由限位螺丝将前半部分与后半部分进行固定。

上述实施方式的阻抗匹配结构适用于325MHz微波栅控电子枪，固态功率源可直接由隔离变压器进行供电。

经过实验，得到如图6、图7所示结果。

图6是实验测量该器件配合阴极阻抗的S11值从100MHz到550MHz的结果图，图中显示第一个峰值位于325MHz处，S11反映器件的反射效率，该值为-31dB，表明在输入端口，微波几乎没有功率反射。

图7是实验测量上述实施方式中供电器件配合阴极阻抗的S21值从100MHz到550MHz的结果图，图中显示第一个峰值位于325MHz处，S21反映器件的传输效率，该值为-1.2dB，表明从输入端口到输出端口，传输效率大于70％。

实验证明，本发明一实施方式的供电器件在325MHz分别处于S11和S21的峰值，在该频率传输效率最高，且对其他频率的微波激发具有抑制作用，也就是说该实施方式的供电器件在325MHz微波传输过程中与微波栅控电子枪配合良好，不易激发临近频率的微波，传输效率较高，性能优良。

上述供电器件应用于微波栅控电子枪，可实现阴极、栅极与灯丝电源处于不同的电位，接近无反射地传输微波至阴极负载，还可具有一定的调谐功能。

上述实施方式的供电器件设计为窄带匹配，然而本发明并不局限于上述实施方式，也可根据具体需要应用于其他频率下的栅控电子枪。

本发明还提出一种用于栅控的电子枪系统，系统包括微波栅控电子枪和上述的用于栅控电子枪的供电器件，电器件被配置为向电子枪加载栅极电压、给灯丝供电、传输微波至阴栅极之间；优选地，电子枪通过连接同轴底座再与供电器件连接。

本发明一实施方式供电器件与电子枪热阴极及底座的连接示意如图5c所示。

本发明还提出一种利用所述供电器件对栅控电子枪供电与微波输入的方法，所述方法主要包括：

通过微波输入接口经所述第一内层结构与所述第一外层结构之间的间隙向所述电子枪的阴栅极间输入微波；

通过所述第一外层结构的第一电源输入接口对所述电子枪加载栅极电压；

通过所述第一内层结构的第二电源输入接口及通过所述第二内层结构的第三电源输入接口对所述电子枪的灯丝供电。

当然，该方法还可以包括前述各种设计等方法。

通过采用本发明中供电器件进行输入，本发明的微波栅控电子枪相比较于传统微波电子枪，可支持CW(连续)工作模式，能提供更高的平均流强，相比较于直流栅控电子枪，能提供高重频的束团，不需要bunch和chopper来调制出束团时间结构，大大节省了空间和成本，相较于光阴极电子枪，能长时间稳定运行，且束流流强较高。

本发明的供电器件节段数少，加工难度小，结构紧凑，操作使用方便。

本发明供电器件的可调连接位置的实施方式，调谐时仅需部分移动，不破坏整体性，结构更为稳定。

本发明选用的介质材料密封性更好，摩擦系数更小，杨氏模量更大，不易变形，加工方便。

总之，本发明对电子枪复杂的电路连接方式给出了解决方案，设计了一种双模式供电器件，满足了该类型电子枪对直流微波用时供电的需求，对电子枪系统进行了设计和优化，在避免打火和击穿的前提下，可获得品质较高的高频束团。

需要说明的是，在本文中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

此外，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中实施例的各零部件、装置都是可以有所变化的，各实施方式都可根据需要进行组合或删减，附图中并非所有部件都是必要设置，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所述的这些实施例，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。