【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及真空电子源及真空电子器件，特别涉及一种皮秒超快超短脉冲电子枪。
技术介绍
1、随着人类社会的发展，为满足对微观世界、超快过程的清晰认知，正不断寻求具有超高时空分辨的电子显微成像及谱学技术；同时，因航空航天、雷达通讯、国防军工、大科学装置等领域的发展需要，使得高频辐射源、自由电子激光、小型直线加速器、直线对撞机等技术装备的发展也越来越迫切。电子枪是实现上述真空电子器件的关键核心部件。针对以上应用，一种方式可以采用慢波、返波等结构，将传统直流电子枪所发射的均匀电子注，调制为团聚的脉冲电子注；另一种方式可以将电磁波直接馈入电子枪，对电子发射进行直接调制并输出团聚的电子注，从而形成具有高亮度、强电流、低发射度的超短脉冲电子枪。
2、目前，能够实现上述超短脉冲电子枪的技术主要包括热阴极微波电子枪和光阴极微波电子枪。其中，热阴极微波电子枪通过热发射产生电子，并在电子枪内部引入谐振腔结构，利用谐振腔中建立的交变电场加速形成束团，电子束脉宽完全由谐振腔中的电子动力学决定。然而，热阴极微波电子枪本身因结构限制存在电子反轰的问题，会导致阴极温度变化和物理损伤，影响电子枪工作的稳定性和寿命；此外，热阴极微波电子枪还面临灯丝加热及冷却增大了复杂性和体积、提前预热降低了响应速度、热辐射对器件内部其它零部件造成不良影响、相对较大的电子能量散度等问题。光阴极微波电子枪普遍被认为是未来高品质电子源的产生装置。它由高功率激光轰击光阴极产生电子，在微波场的调控下，加速引出电子束流。然而，这类电子枪通常受光阴极材料量子效率的限制很大，且电子
3、另一方面，随着纳米科技的发展，基于冷阴极纳米材料和射频激励场的场发射脉冲电子枪也越来越受到研究者们的重视。场致电子发射不需要加热阴极到高温度，依靠很强的外加电场来压窄阴极的表面势垒，从而产生量子遂穿和穿透阴极表面势垒的电子，理论上可以获得没有时间迟滞的瞬态电子发射。这类电子枪的电子发射效率高、可控性强，但受限于纯电子学激励场的频率限制，使得皮秒、飞秒量级甚至更短的超短脉宽电子束的产生到目前为止仍未真正实现。
技术实现思路
1、本专利技术为克服上述现有技术中电子枪存在体积庞大、结构复杂、响应速度慢、电子能量散度大、子效率低的问题，提供了一种皮秒超快超短脉冲电子枪，其可以在低光强的超快激光和偏置电场共同激励下，直接发射具有超快响应、超短脉宽的脉冲电子束，具有功耗低、效率高、尺寸小、响应速度快、可集成的特点。
2、为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
3、一种皮秒超快超短脉冲电子枪，包括光激励部件、脉冲电子束发射部件、真空外壳和电极线；
4、其中，所述光激励部件包括超快激光器、反射镜；
5、所述脉冲电子束发射部件包括具有导电特性的阴极结构、栅极结构和阳极结构；
6、所述阴极结构、栅极结构、阳极结构、反射镜形成一个整体置于真空外壳中；
7、所述栅极结构、阳极结构依次与阴极结构相向设置，并相互隔开，形成真空间隙结构；所述阴极结构上设有具有场致电子发射特征的冷阴极；所述栅极结构、阳极结构的中心分别开设有第一通孔、第二通孔；
8、所述反射镜设置在真空外壳中，且与阳极结构相向设置，并位于阳极结构远离栅极结构的一侧；所述反射镜的中心开设有第三通孔，且第一通孔、第二通孔、第三通孔和阴极结构中心处于同一水平线上；
9、所述的阴极结构、栅极结构和阳极结构通过电极线连接外部驱动电路，在偏置电场作用下，所述阴极结构上的冷阴极产生电子发射；同时，所述超快激光器发射超短脉冲激光束，经由所述反射镜后，以一定的角度和光强，依次通过第二通孔、第一通孔全覆盖照射阴极结构上的冷阴极表面，冷阴极表面产生受超快激光激励和偏置电场调控的超短电子脉冲；产生的超短脉冲电子束依次通过栅极结构和阳极结构中心的第一通孔、第二通孔，分别经栅极抽取和阳极加速后、从反射镜的第三通孔、真空外壳的侧壁射出。
10、优选地，所述真空外壳包括金属外壳、玻璃内胆、电极法兰、玻璃窗和排气法兰；
11、其中，所述的玻璃内胆设置在所述金属外壳的内壁上，用于与金属外壳绝缘；所述的阴极结构、栅极结构、阳极结构和反射镜形成一个整体置于玻璃内胆中；
12、所述的金属外壳与电极法兰、排气法兰和玻璃窗连接，经过排气和真空封装，形成所述的真空外壳；
13、所述玻璃窗位于与超短脉冲电子束射出真空外壳的侧壁相对的另一侧壁；
14、所述超快激光器设置在真空外壳的外部，所述超快激光器发射超短脉冲激光束透过玻璃窗、经由所述反射镜后，全覆盖照射阴极结构上的冷阴极表面。
15、进一步地，所述电子枪还包括枪体外壳，所述的真空外壳、超快激光器置于所述枪体外壳内部。
16、再进一步地，所述枪体外壳的侧壁设有电极接口；所述电极线通过电极接口连接外部驱动与控制电路。
17、优选地，所述的阴极结构、栅极结构、阳极结构和反射镜采用金属材质加工而成，并相互隔开，形成真空间隙；所述冷阴极采用纳米材料制备而成。
18、进一步地，所述纳米材料采用有序碳纳米管薄膜、或无序碳纳米管薄膜、或直立少层石墨烯、或钨及其氧化物纳米材料、或钼及其氧化物纳米材料、或氧化锌纳米线。
19、优选地，所述阴极结构与栅极结构的真空间距范围为0.01mm-10mm；所述栅极结构与阳极结构的真空间距范围为0.01mm-10mm；所述阳极结构与反射镜的真空间距范围为10mm-100mm。
20、优选地，所述电极线用于连接外部驱动电路，当使用正压驱动时，对栅极结构施加的电压最高不超过5kv，对阳极结构施加的电压最高不超过10kv，将阴极结构接地；
21、当使用负压驱动时，对栅极结构施加的电压最小不低于0v，对阴极结构施加的电压最小不低于-5kv，对阳极结构施加的电压最高不超过5kv；
22、所述阴极结构与栅极结构之间的偏置电场作用于阴极结构上的纳米材料冷阴极，并激发出电子发射。
23、优选地，所述的超快激光器发射的超短脉冲激光束的波长范围为430nm-2400nm；所述超快激光器的输出脉宽范围为1ps-5000ps；所述超快激光器的输出光斑直径范围为0.5mm-2mm。
24、进一步地，所述的超快激光器发射的超短脉冲激光束经由所述反射镜后，以照射角度范围为0°-75°、照射光强范围100w cm-2-109w cm-2，依次通过第二通孔、第一通孔全覆盖照射阴极结构上的冷阴极表面。
25、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
26、本专利技术采用超快激光激励与偏置电场共同激励的冷阴极，由此产生超短电子脉冲：一方面，规避了热阴极微波电子枪存在电子反轰、体积庞大、结构复杂、响应速度慢、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种皮秒超快超短脉冲电子枪，其特征在于：包括光激励部件(10)、脉冲电子束发射部件(20)、真空外壳(31)和电极线(40)；
2.根据权利要求1所述皮秒超快超短脉冲电子枪，其特征在于：所述真空外壳(31)包括金属外壳(311)、玻璃内胆(312)、电极法兰(314)、玻璃窗(315)和排气法兰(316)；
3.根据权利要求1所述皮秒超快超短脉冲电子枪，其特征在于：所述电子枪还包括枪体外壳(32)，所述的真空外壳(31)、超快激光器(11)置于所述枪体外壳(32)内部。
4.根据权利要求3所述皮秒超快超短脉冲电子枪，其特征在于：所述枪体外壳(32)的侧壁设有电极接口；所述电极线(40)通过电极接口连接外部驱动与控制电路。
5.根据权利要求1所述皮秒超快超短脉冲电子枪，其特征在于：所述的阴极结构(21)、栅极结构(22)、阳极结构(23)和反射镜(12)采用金属材质加工而成，并相互隔开，形成真空间隙；所述冷阴极(211)采用纳米材料制备而成。
6.根据权利要求5所述皮秒超快超短脉冲电子枪，其特征在于：所述纳米材料采用有
7.根据权利要求1所述皮秒超快超短脉冲电子枪，其特征在于：所述阴极结构(21)与栅极结构(22)的真空间距范围为0.01mm-10mm；所述栅极结构(22)与阳极结构(23)的真空间距范围为0.01mm-10mm；所述阳极结构(23)与反射镜(12)的真空间距范围为10mm-100mm。
8.根据权利要求1所述皮秒超快超短脉冲电子枪，其特征在于：所述电极线(40)用于连接外部驱动电路，当使用正压驱动时，对栅极结构(22)施加的电压最高不超过5kV，对阳极结构(23)施加的电压最高不超过10kV，将阴极结构(21)接地；
9.根据权利要求1所述皮秒超快超短脉冲电子枪，其特征在于：所述的超快激光器(11)发射的超短脉冲激光束的波长范围为430nm-2400nm；所述超快激光器(11)的输出脉宽范围为1ps-5000ps；所述超快激光器(11)的输出光斑直径范围为0.5mm-2mm。
10.根据权利要求1所述皮秒超快超短脉冲电子枪，其特征在于：所述的超快激光器(11)发射的超短脉冲激光束经由所述反射镜(12)后，以照射角度范围为0°-75°、照射光强范围100W cm-2-109W cm-2，依次通过第二通孔、第一通孔全覆盖照射阴极结构(21)上的冷阴极(211)表面。
...【技术特征摘要】
1.一种皮秒超快超短脉冲电子枪，其特征在于：包括光激励部件(10)、脉冲电子束发射部件(20)、真空外壳(31)和电极线(40)；
2.根据权利要求1所述皮秒超快超短脉冲电子枪，其特征在于：所述真空外壳(31)包括金属外壳(311)、玻璃内胆(312)、电极法兰(314)、玻璃窗(315)和排气法兰(316)；
3.根据权利要求1所述皮秒超快超短脉冲电子枪，其特征在于：所述电子枪还包括枪体外壳(32)，所述的真空外壳(31)、超快激光器(11)置于所述枪体外壳(32)内部。
4.根据权利要求3所述皮秒超快超短脉冲电子枪，其特征在于：所述枪体外壳(32)的侧壁设有电极接口；所述电极线(40)通过电极接口连接外部驱动与控制电路。
5.根据权利要求1所述皮秒超快超短脉冲电子枪，其特征在于：所述的阴极结构(21)、栅极结构(22)、阳极结构(23)和反射镜(12)采用金属材质加工而成，并相互隔开，形成真空间隙；所述冷阴极(211)采用纳米材料制备而成。
6.根据权利要求5所述皮秒超快超短脉冲电子枪，其特征在于：所述纳米材料采用有序碳纳米管薄膜、或无序碳纳米管薄膜、或直立少层石墨烯、或钨及其氧化物纳米材料、或钼及其氧化物纳米材料、或氧化锌纳米线。
<...【专利技术属性】
技术研发人员：邓少芝，韩东，沈岩，许宁生，陈焕君，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。