法拉第筒探頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種法拉第筒探頭，該法拉第筒探頭包括：中空外筒；小孔柵片，通過固定螺帽固定于中空外筒的一端，其中部開小孔；石墨收集極，其前端開口正對小孔柵片的小孔，其后端連接至信號引線的前端；中空接頭，固定于中空外筒的遠離所述小孔柵片的一端，在其中空部設(shè)置朝向中空外筒內(nèi)側(cè)的臺階；陶封引線，其陶質(zhì)絕緣部具有一肩部，該肩部抵接于中空接頭中空部的臺階，其引線部的一端與信號引線的末端相連接，另一端伸入中空接頭外；絕緣陶瓷管，套設(shè)于中空外筒內(nèi)，石墨收集極和信號引線外。本發(fā)明法拉第筒探頭可以方便地對小孔柵片進行安裝和拆卸。
【專利說明】法拉第筒探頭
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及微波真空電子器件【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種法拉第筒探頭。
【背景技術(shù)】
[0002]行波管作為重要的真空電子器件，具有高效率、高可靠性、輕重量、寬頻帶、高功率、線性度佳和噪聲功率低等特點，在雷達、電子對抗、制導(dǎo)和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。自從行波管發(fā)明以來，經(jīng)過許多人的努力，已經(jīng)建立了完善的理論體系，包括皮爾斯的線性理論、田炳耕和諾埃的非線性理論、瓦因斯坦的非線性理論等。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，人們又開發(fā)了許多程序代碼，如美國著名的ID和3D的CHRISTINE代碼，GATOR代碼等，近幾年來興起粒子模擬方法(PIC)和整管仿真，如應(yīng)用比較廣泛的MAGIC程序，CST軟件套裝等。
[0003]盡管行波管理論已經(jīng)比較成熟了，在理論上可以設(shè)計出性能很好的行波管，但是有的情況下，理論計算與實際情況之間總是有一些差距。其中的原因之一就是電子槍發(fā)射的電子注在行波管中并沒有很好的通過率。電子注的一些參量從根本上決定了器件的效率、增益、工作穩(wěn)定性和噪聲等性能。由于受到熱初速、陰極粗糙度和像差等因素的影響，實際電子注的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如電子注截面尺寸、截面電流密度分布、脈動、層流性和電子軌跡等，要比一般認為的情況要復(fù)雜得多。目前行波管電子光學(xué)系統(tǒng)的研制主要依靠計算機軟件進行設(shè)計，再依靠熱測進行不斷修正，一方面延長了研制周期，另一方面，缺少對電子注的實驗分析環(huán) 節(jié)，對電子通過率和整管效率提高極為不利。因此，測量和了解電子注的實際參數(shù)對于設(shè)計、研制行波管意義重大。
[0004]由于法拉第筒結(jié)構(gòu)簡單，常用于電子注分析器中測量分析電子注參數(shù)。傳統(tǒng)的法拉第筒已經(jīng)應(yīng)用于各種測量，比如等離子、加速器電子束和離子束等測量，但是這些應(yīng)用中法拉第筒并不適合應(yīng)用于行波管電子注重復(fù)掃描電子注截面的測量。
[0005]美國加州大學(xué)戴維斯分校在2010年提出一種電子槍分析器中采用的法拉第筒探頭測量分析太赫茲帶狀電子注，如圖1所示，該法拉第筒探頭采用鎢薄片作為法拉第筒的小孔柵片，探頭部分通過絕緣陶瓷連接安裝在移動平臺的支撐桿上進行移動掃描測量電子注。
[0006]測量分析行波管電子注的基本方法是，使用移動探頭掃描測量電子注截面電流密度。其中探頭采用針孔采樣方式。一個耐高溫小孔柵片和一個收集極結(jié)合起來組成法拉第筒探頭，當電子槍發(fā)射的電子注打到小孔柵片的時候，只允許一部分電子通過小孔柵片進入法拉第筒，進而在法拉第筒收集極內(nèi)引起一個電流信號In，這個信號與局部的電流密度有關(guān)，
[0007]In = JnJirh2(I)
[0008]這里Jn表示局部點的電流密度，rh是小孔的半徑。當整個截面所有點的電流密度都測量出來后就可以得到整個截面完整的三維電流密度分布。
[0009]但是，上述電子注分析器中的法拉第筒探頭，直接把鎢小孔柵片連接到探頭的外筒上，安裝和拆卸都不夠簡單方便；如果測量不同直徑的電子注，則無法快速更換小孔柵片，需要更換整個探頭才能進行測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010](一)要解決的技術(shù)問題
[0011]為解決上述的一個或多個問題，本發(fā)明提供了一種法拉第筒探頭，以利于方便地對小孔柵片進行安裝和拆卸。
[0012](二)技術(shù)方案
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種法拉第筒探頭，該法拉第筒探頭包括:中空外筒；小孔柵片，通過固定螺帽固定于中空外筒的一端，其中部開小孔；石墨收集極，其前端開口正對小孔柵片的小孔，其后端連接至信號引線的前端；中空接頭，固定于中空外筒的遠離所述小孔柵片的一端，在其中空部設(shè)置朝向中空外筒內(nèi)側(cè)的臺階；陶封引線，其陶質(zhì)絕緣部具有一肩部，該肩部抵接于中空接頭中空部的臺階，其引線部的一端與信號引線的末端相連接，另一端伸入中空接頭外；絕緣陶瓷管，套設(shè)于中空外筒內(nèi)，石墨收集極和信號引線外。
[0014](三)有益效果
[0015]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明法拉第筒探頭具有以下有益效果:
[0016](I)小孔柵片通過固定螺帽壓緊在中空外筒上，根據(jù)不同測量需要，可以非常容易地更換不同的小孔柵片，或者替換損壞的小孔柵片。
[0017](2)所有零件都簡 單緊湊，并且中空接頭和中空外筒之間通過螺紋緊固，可以很方便的更換和拆卸零件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為現(xiàn)有技術(shù)法拉第筒探頭結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例的法拉第筒探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3為圖2所示法拉第筒探頭的固定螺帽結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖4為圖2所示法拉第筒探頭的中空外筒的俯視圖；
[0022]圖5為圖2所示法拉第筒探頭的中空接頭的俯視圖；
[0023]圖6為圖2所示法拉第筒探頭的石墨收集極的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]【主要元件符號說明】
[0025]1-接頭；2-陶封引線；
[0026]3-外筒；4-絕緣陶瓷管；
[0027]5-信號引線；6-石墨收集極；
[0028]7-固定螺帽；8-小孔柵片。
【具體實施方式】
[0029]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0030]在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提出了一種法拉第筒探頭。如圖2所示，該法拉第筒探頭包括:中空外筒3 ;小孔柵片8，通過固定螺帽7固定于中空外筒3的一端，其中部開孔；石墨收集極6，其前端開口正對小孔柵片8的孔，其后端連接至信號引線5的前端；中空接頭1，其螺接于中空外筒3的內(nèi)側(cè)，在其中空部設(shè)置朝向中空外筒內(nèi)側(cè)的臺階；陶封引線2，其陶質(zhì)絕緣部具有一肩部，該肩部抵接于中空接頭I中空部的臺階，其引線部的一端與信號引線5的末端相連接，另一端伸入中空接頭I外；絕緣陶瓷管4，其套設(shè)于中空外筒3內(nèi)，石墨收集極6和信號引線5外，一端抵接于所述小孔柵片8，另一端抵接于陶封引線2的陶瓷絕緣部。
[0031]在圖2所示的實施例中，小孔柵片通過固定螺帽壓緊在中空外筒上，根據(jù)不同測量需要，可以非常容易地更換不同的小孔柵片，或者替換損壞的小孔柵片。
[0032]圖3為圖2所示法拉第筒探頭的固定螺帽結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，固定螺帽外徑為10mm，高度為7.2mm，一端加工有高度為6mm的內(nèi)螺紋M8，接著有一直徑為6mm，高度為
1.0mm的臺階，臺階中心開有直徑為4_的中空圓孔，這樣臺階就可以和中空外筒3的前端相吻合緊固，固定螺帽的前端圓孔形成厚度小于0.5mm，優(yōu)選為0.2mm，直徑略大于小孔柵片直徑的薄臺階，其作用使小孔柵片緊壓在外筒前端，并且讓小孔柵片露出來接受電子的轟擊，再者前端盡可能的薄，這樣就可以讓小孔柵片盡可能靠近電子槍的陽極口進行測量。
[0033]在測量電子注的時候，探頭受到大量電子的轟擊，產(chǎn)生大量的熱量，溫度會升得很高，如果前端接受電子注轟擊的小孔柵片不能夠盡快地把熱量散去，熱量積累過多，溫度過高，很有可能會熔化損壞，而真空中一般靠傳導(dǎo)散熱，因此小孔柵片一定要選擇熱導(dǎo)率比較高的材料，比如無氧銅材料，也可以用鑰、鎢、坦和錸等來代替。由于小孔柵片的材質(zhì)為耐高溫材料，小孔的尺寸又非常小，因此，該小孔優(yōu)選采用激光打孔的方式制備。
[0034]此外，當電子通過小孔柵片8中間的小孔時，如果柵片厚度較大，會造成大量的截獲，進而造成較大的測量誤差，因此小孔柵片一定要盡可能薄，小孔直徑盡可能的小，優(yōu)選地，其厚度小于0.1mm,小孔直徑小于0.1mm。以下給出一具體的小孔柵片尺寸,其厚度為
0.06mm,其中心小孔直徑分別為0.1mm, 0.05mm和0.01mm。通過米用具有不同小孔直徑的柵片，就可以測量不同直徑大小的電子注，比如測量直徑約為Imm的電子注，可以采用小孔直徑為0.1mm的小孔柵片，而測量直徑約為0.2mm的電子注，可以采用小孔直徑為0.0lmm的小孔柵片。
[0035]圖4為圖2所示法拉第筒探頭的中空外筒的俯視圖。如圖4所示，外筒的前端開有外螺紋M8，螺紋前端還有一外徑為6mm，高度為1.0mm的臺階，可以和固定螺帽7進行緊固，中空外筒的后端開有內(nèi)螺紋，可以和圖3所示的中空接頭進行緊固。
[0036]圖5為圖2所示法拉第筒探頭的中空接頭的俯視圖。如圖5所示，中空接頭2的一端可以固定在電子注分析器中三維移動平臺的探頭支撐桿上，通過螺釘緊固，而另一端開有外螺紋，可以和中空外筒3的內(nèi)螺紋嚙合，并且接頭內(nèi)放置陶封引線，可以把石墨收集極上的電流信號接引出來，同時保持和外筒和接頭的絕緣。
[0037]圖6為圖2所示法拉第筒探頭的石墨收集極的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖6所示，該石墨收集極6的外徑為2.4mm,內(nèi)徑為1.5mm，前端的開口的深度約為8mm。當然，也可以合理設(shè)置石墨收集極6的內(nèi)/外徑和深度，但一般情況下，該內(nèi)徑大于1mm，開口深度小于10mm。該石墨收集極6與后端的信號引線5釬焊封接。一般情況下，該信號引線為金屬引線。石墨收集極6與中空外筒3前端有Imm左右的距離，避免與小孔柵片8的接觸。另外，絕緣陶瓷管4前端基本和外筒3前端，即小孔柵片相平。
[0038]對于如圖2所示的陶封引線2，其在行波管中有大量的使用，可以采用Al2O3陶瓷材料和金屬引線進行封接得到陶封引線。同理，絕緣陶瓷管4為Al2O3陶瓷管，其外徑為4_，內(nèi)徑為2.5_，主要是保證信號引線5和石墨收集極6和外筒3之間的絕緣。
[0039]對于本發(fā)明的法拉第筒探頭，其應(yīng)用于電子注分析器中進行測量分析，其中，中空接頭I直接安裝到電子注分析器中的移動平臺上，而陶封引線2直接連接到電流信號放大采集系統(tǒng)，由于小孔柵片8截獲了幾乎整個電子注的電流，從而可以通過中空外筒3中部的小孔把這個電流導(dǎo)引出來進行處理。
[0040]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種法拉第筒探頭，其特征在于，包括: 中空外筒⑶； 小孔柵片(8)，通過固定螺帽(7)固定于所述中空外筒(3)的一端，其中部開小孔； 石墨收集極(6)，其前端開口正對所述小孔柵片(8)的小孔，其后端連接至信號引線(5)的前端； 中空接頭(I)，固定于所述中空外筒(3)的遠離所述小孔柵片(8)的一端，在其中空部設(shè)置朝向所述中空外筒內(nèi)側(cè)的臺階； 陶封引線(2)，其陶質(zhì)絕緣部具有一肩部，該肩部抵接于所述中空接頭(I)中空部的臺階，其引線部的一端與所述信號引線(5)的末端相連接，另一端伸入所述中空接頭(I)外； 絕緣陶瓷管(4)，套設(shè)于所述中空外筒(3)內(nèi)，所述石墨收集極(6)和信號引線(5)夕卜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的法拉第筒探頭，其特征在于，所述固定螺帽(7)的后端具有內(nèi)螺紋，與所述中空外筒(3)相應(yīng)端的外螺紋相嚙合； 所述固定螺帽(7)的前端形成直徑大于所述小孔柵片直徑的臺階，該臺階將該小孔柵片扣合于所述固定螺帽(7)內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的法拉第筒探頭，其特征在于，所述固定螺帽(7)的前端臺階的厚度小于0.5mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的法拉第筒探頭，其特征在于，所述小孔柵片(8)的厚度小于0.1mm,小孔直徑小于0.1mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的法拉第筒探頭，其特征在于，所述小孔柵片的材質(zhì)為無氧銅、鑰、鎢、坦或錸，其中部小孔采用激光打孔方式制備。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的法拉第筒探頭，其特征在于，所述中空外筒(3)的遠離所述小孔柵片(8)的另一端具有內(nèi)螺紋，與所述中空接頭(I)相應(yīng)端的外螺紋相嚙合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的法拉第筒探頭，其特征在于，所述石墨收集極(6)與后端的信號引線(5)釬焊封接，且其前端與所述小孔柵片(8)不接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的法拉第筒探頭，其特征在于，所述石墨收集極(6)的內(nèi)徑大于Imm,開口深度小于10_。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的法拉第筒探頭，其特征在于，所述絕緣陶瓷管的一端抵接于所述小孔柵片(8)，另一端抵接于所述陶封引線(2)的陶瓷絕緣部。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的法拉第筒探頭，其特征在于，該法拉第筒探頭應(yīng)用于電子注分析器中； 所述中空外筒(3)固定于所述電子注分析器中三維移動平臺的探頭支撐桿上。
【文檔編號】G01T1/29GK103675888SQ201210319680
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月31日
【發(fā)明者】韋宇祥, 黃明光, 劉述清, 郝保良 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所