針對(duì)W波段小型化擴(kuò)展互作用器件對(duì)電子槍及其對(duì)電子束的需求，設(shè)計(jì)了采用均勻磁場(chǎng)聚焦的高電流密度實(shí)心電子束電子槍。首先考慮現(xiàn)階段陰極發(fā)射能力和擴(kuò)展互作用器件對(duì)電子束的需求下完成了靜電電子槍的設(shè)計(jì)；在此基礎(chǔ)上，將電子槍分為靜電聚焦區(qū)、過(guò)渡區(qū)和均勻磁場(chǎng)區(qū)三個(gè)部分，通過(guò)理論計(jì)算得出了理想的均勻聚焦磁場(chǎng)分布。在此基礎(chǔ)上建立了高電流密度實(shí)心電子束均勻磁場(chǎng)聚焦電子槍的三維粒子仿真模型，工作電壓為17kV，陰極發(fā)射電流為19.3A/cm²的條件下得到了壓縮比為33，束電流為668mA，平均束半徑為0.182mm，平均束電流密度為642.4A/cm²的高電流密度實(shí)心電子束。仿真結(jié)果表明，該電子束在半徑為0.25mm的電子通道內(nèi)的流通率達(dá)到了100%，理論計(jì)算和三維粒子仿真的結(jié)果符合得很好。

　　高功率、高頻率真空電子器件是未來(lái)電子戰(zhàn)及電子對(duì)抗的核心技術(shù)之一，擴(kuò)展互作用器件是目前能夠在毫米波和太赫茲頻段提供于大于1kW峰值功率的小型化真空電子器件之一，其在軍事和民用領(lǐng)域具有極為廣泛的應(yīng)用。如何產(chǎn)生高質(zhì)量的高電流密度實(shí)心電子束是決定擴(kuò)展互作用器件能否高效穩(wěn)定工作的關(guān)鍵，因此設(shè)計(jì)滿足擴(kuò)展互作用器件的相關(guān)電子槍是發(fā)展這類器件的前提。

　　本文對(duì)采用均勻磁場(chǎng)聚焦的高電流密度實(shí)心電子束電子槍進(jìn)行了詳細(xì)研究，在完成靜電電子槍設(shè)計(jì)后，將電子槍分為靜電聚焦區(qū)、過(guò)渡區(qū)和均勻磁場(chǎng)區(qū)三個(gè)部分進(jìn)行了詳細(xì)的理論研究，最后利用三維粒子仿真程序?qū)υ撛O(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證與優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)了一支滿足W波段擴(kuò)展互作用器件的高電流密度實(shí)心電子束均勻磁場(chǎng)聚焦電子槍，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析和討論。

1、靜電電子槍設(shè)計(jì)

　　對(duì)于工作于W波段的擴(kuò)展互作用器件來(lái)說(shuō)，其在均勻磁場(chǎng)區(qū)電子束半徑約為0.2mm，所需的電流在0.6A左右，根據(jù)現(xiàn)階段連續(xù)工作陰極發(fā)射電流密度水平并考慮適當(dāng)?shù)墓こ逃嗔浚�可知陰極半徑rc取1.05mm比較合理。聚焦極的設(shè)計(jì)遵循傳統(tǒng)皮爾斯(Pierce)電子槍的要求，其與陰極發(fā)射電子束邊緣的夾角呈67.5°。陰陽(yáng)極距離dca的大小需要考慮到電子槍的導(dǎo)流系數(shù)，使得陰極在給定電壓下工作于空間電荷發(fā)射狀態(tài)。陽(yáng)極半徑ra一般取均勻磁場(chǎng)區(qū)電子半徑的2~3倍，其后經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)慕嵌瓤s小到電子通道的半徑。圖1給出了設(shè)計(jì)出的靜電電子槍結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 靜電電子槍結(jié)構(gòu)示意圖

　　圖2給出了靜電電子槍的電位分布圖，從陰極發(fā)出的電子在該電位的加速下形成具有一點(diǎn)能量的電子束，其軌跡在圖3中給出。從圖3可以看出，在電子束收斂到極小值后，電子束在束內(nèi)空間電荷發(fā)散力的作用下會(huì)開始發(fā)散，因此就要求在此電子槍區(qū)加上一個(gè)合適的磁場(chǎng)，使得電子束內(nèi)空間電荷發(fā)散力和磁聚焦力之間達(dá)到平衡，使得到的電子束沒(méi)有波動(dòng)或盡可能使波動(dòng)最小。本文采用的靜電電子槍參數(shù)為:工作電壓17kV，陰極空間電荷發(fā)射流為0.668A，對(duì)應(yīng)的陰極電流發(fā)射密度約為19.3A/cm²，電子槍導(dǎo)流系數(shù)0.30LP。

圖2 靜電電子槍的電位分布

圖3 靜電電子槍電子束軌跡

4、結(jié)論

　　本文針對(duì)W波段及以上頻段擴(kuò)展互作用器件高電流密度實(shí)心電子束的需求，設(shè)計(jì)了一支采用均勻磁場(chǎng)聚焦的高電流密度實(shí)心電子束電子槍。該電子槍的軸向磁場(chǎng)通過(guò)理論計(jì)算得到，并采用三維粒子仿真軟件進(jìn)行了驗(yàn)證，兩者符合得很好。此種電子槍陰極發(fā)射電流密度是在現(xiàn)有陰極發(fā)射能力允許的范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)的，其在均勻磁場(chǎng)區(qū)的最大電流密度可達(dá)640A/cm2，電子束半徑的波動(dòng)小于20%，這種電子槍可為需要高電流密度電子束的真空電子器件提供束源。