針對W波段小型化擴展互作用器件對電子槍及其對電子束的需求，設計了采用均勻磁場聚焦的高電流密度實心電子束電子槍。首先考慮現(xiàn)階段陰極發(fā)射能力和擴展互作用器件對電子束的需求下完成了靜電電子槍的設計；在此基礎上，將電子槍分為靜電聚焦區(qū)、過渡區(qū)和均勻磁場區(qū)三個部分，通過理論計算得出了理想的均勻聚焦磁場分布。在此基礎上建立了高電流密度實心電子束均勻磁場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的高電流密度實心電子束。仿真結果表明，該電子束在半徑為0.25mm的電子通道內(nèi)的流通率達到了100%，理論計算和三維粒子仿真的結果符合得很好。

　　高功率、高頻率真空電子器件是未來電子戰(zhàn)及電子對抗的核心技術之一，擴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，其在軍事和民用領域具有極為廣泛的應用。如何產(chǎn)生高質(zhì)量的高電流密度實心電子束是決定擴展互作用器件能否高效穩(wěn)定工作的關鍵，因此設計滿足擴展互作用器件的相關電子槍是發(fā)展這類器件的前提。

　　本文對采用均勻磁場聚焦的高電流密度實心電子束電子槍進行了詳細研究，在完成靜電電子槍設計后，將電子槍分為靜電聚焦區(qū)、過渡區(qū)和均勻磁場區(qū)三個部分進行了詳細的理論研究，最后利用三維粒子仿真程序?qū)υ撛O計進行了驗證與優(yōu)化，最終設計了一支滿足W波段擴展互作用器件的高電流密度實心電子束均勻磁場聚焦電子槍，并對結果進行了分析和討論。

1、靜電電子槍設計

　　對于工作于W波段的擴展互作用器件來說，其在均勻磁場區(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?shù)墓こ逃嗔浚�可知陰極半徑rc取1.05mm比較合理。聚焦極的設計遵循傳統(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°。陰陽極距離dca的大小需要考慮到電子槍的導流系數(shù)，使得陰極在給定電壓下工作于空間電荷發(fā)射狀態(tài)。陽極半徑ra一般取均勻磁場區(qū)電子半徑的2~3倍，其后經(jīng)過適當?shù)慕嵌瓤s小到電子通道的半徑。圖1給出了設計出的靜電電子槍結構示意圖。

圖1 靜電電子槍結構示意圖

　　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)散力的作用下會開始發(fā)散，因此就要求在此電子槍區(qū)加上一個合適的磁場，使得電子束內(nèi)空間電荷發(fā)散力和磁聚焦力之間達到平衡，使得到的電子束沒有波動或盡可能使波動最小。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，對應的陰極電流發(fā)射密度約為19.3A/cm²，電子槍導流系數(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、結論

　　本文針對W波段及以上頻段擴展互作用器件高電流密度實心電子束的需求，設計了一支采用均勻磁場聚焦的高電流密度實心電子束電子槍。該電子槍的軸向磁場通過理論計算得到，并采用三維粒子仿真軟件進行了驗證，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)可以實現(xiàn)的，其在均勻磁場區(qū)的最大電流密度可達640A/cm2，電子束半徑的波動小于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。