1．引言

　　隨著半導(dǎo)體工業(yè)的高速發(fā)展，半導(dǎo)體器件因其體積小、能耗低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點而逐漸取代了大部分電子管器件，但在現(xiàn)代無線電工程系統(tǒng)中，大功率、超高頻電子器件仍占有不可取代的地位。在電臺和雷達發(fā)射系統(tǒng)中，磁控管、速調(diào)管、行波管、EBS管等大功率高頻電子發(fā)射管是不可缺少的核心器件。在這類器件中，最重要的組成部分是電子注，它的主要功能是在與電磁場相互作用過程中，將電源能量轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l振蕩能量。一個發(fā)射系統(tǒng)的質(zhì)量主要取決于電子發(fā)射管的性能，而電子發(fā)射管的射頻性能、頻率捷變性能、散熱性能以及功率、增益、效率等都取決于電子注的性能。因此，研究電子注的結(jié)構(gòu)和參量，分析電子注的截面尺寸及橫截面上的電流密度分布、脈動、各電子層的運動軌跡及各個電子的運動軌跡等，對于提高電子發(fā)射管的性能有著重要意義。電子注分析系統(tǒng)就是根據(jù)上述要求設(shè)計和研制的，該系統(tǒng)可對電子注的結(jié)構(gòu)和性能進行實驗研究，可完成電子注各種參數(shù)的全面測量。

2．電子注分析系統(tǒng)工作原理

　　電子注分析系統(tǒng)工作原理如圖1所示。該系統(tǒng)主要由待測電子槍、收集極、XYZ三坐標(biāo)精密移動工作臺、電流放大器、A／D轉(zhuǎn)換器以及計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)組成。待測電子槍是電子注發(fā)射系統(tǒng)，由燈絲、陰極、調(diào)制陽極（或控制柵）和聚焦極組成，電子槍經(jīng)陰極發(fā)射一束電子流，通過調(diào)制陽極（或控制柵）的調(diào)制，再經(jīng)聚焦極形成電子注。收集極和XYZ三坐標(biāo)精密移動工作臺是電子注分析系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件。為精確分析電子注結(jié)構(gòu)和各參數(shù)的特性，必須測量電子注總束流、電子注不同截面上各點的電流、電流密度分布以及截面積尺寸和沿軸向變化的分布規(guī)律等參數(shù)。為滿足測量要求，我們設(shè)計了入口直徑分別為0．1mm和20mm的兩個法拉第杯作為收集極。采用大口徑收集極測量電子注總束流，可使電子注全部裝入收集極，防止電子從入口處逸出；采用小口徑收集極測量電子注電流密度分布，可使電子注截面上采樣點增加以提高測量精度。在收集極的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，應(yīng)考慮因電子注進入其內(nèi)部后電子束流轟擊其表面而產(chǎn)生二次電子發(fā)生和防止反射電子逸出。收集極在三維空間三個坐標(biāo)方向上的運動由XYZ三坐標(biāo)精密移動工作臺來完成。計算機系統(tǒng)根據(jù)測量要求發(fā)出指令，由步進電機驅(qū)動精密移動工作臺坐標(biāo)軸帶動收集極在三維空間內(nèi)運動并獲取采樣信息。收集極輸出的電子流經(jīng)電流放大和A／D轉(zhuǎn)換后輸入計算機。計算機系統(tǒng)對采樣數(shù)據(jù)進行分析和處理，獲得電子注參量和工作特性，并打印數(shù)據(jù)、表格和曲線。

圖1　電子注分析系統(tǒng)工作原理圖

3．三坐標(biāo)精密移動工作臺的設(shè)計

　　三坐標(biāo)精密移動工作臺是整個電子注分析系統(tǒng)的核心部分，也是設(shè)計難度最大的部分。在測量電子注截面積尺寸、電流密度分布以及電子注沿軸向特性分布時，收集極在三維空間內(nèi)逐點采樣的間距保持性、采樣均勻性、收集極在空間的定位精度等技術(shù)指標(biāo)完全取決于三坐標(biāo)精密移動工作臺的性能。此外，真空度的高低對電子注性能影響很大，當(dāng)真空度低于1.33×10^{－3時，電子注軸線附近會形成嚴(yán)重的離子積累效應(yīng)及離子與電子的中和現(xiàn)象，致使電子槍陰極中心產(chǎn)生離子斑，離子斑的存在會使電子注表現(xiàn)出明顯的非層流性和強烈的發(fā)散性，使電子注中的電流密度分布及橫向速度分布發(fā)生顯著變化，陽極截獲電子增加，從而大大影響器件性能。因此，在電子注分析系統(tǒng)中，電子槍、收集極以及三坐標(biāo)精密移動工作臺必須工作在真空度為1．33×10－5的環(huán)境中，這就要求三坐標(biāo)精密移動工作臺在保證測量范圍、運動精度和工作穩(wěn)定性的前提下，必須布局合理、結(jié)構(gòu)緊湊，最大限度地減小體積，這就為設(shè)計增加了難度。三坐標(biāo)精密移動工作臺的技術(shù)指標(biāo)如下：}

　　X坐標(biāo)方向行程：0～30mm；相鄰測量點采樣間距：0.05mm；誤差：0.005mm。

　　Y坐標(biāo)方向行程：0～30mm；相鄰測量點采樣間距：0.05mm；誤差：0.005mm。

　　Z坐標(biāo)方向行程：0～30mm；相鄰測量點采樣間距：0.05mm；誤差：0.005mm。

　　三坐標(biāo)精密移動工作臺的X、Y、Z三個坐標(biāo)軸分別采用步進電機驅(qū)動，收集極安裝在工作臺上。步進電機在計算機系統(tǒng)控制下，驅(qū)動各坐標(biāo)軸帶動裝有收集極的工作臺按一定順序和相應(yīng)步驟完成電子注測量系統(tǒng)三維空間內(nèi)的逐點采樣。三坐標(biāo)精密移動工作臺的結(jié)構(gòu)如圖2所示。PaPa

圖2　三坐標(biāo)精密移動工作臺結(jié)構(gòu)圖

　　由于工作臺運動部件上需放置收集極，并考慮到Z坐標(biāo)方向行程較大，為了降低整個工作臺系統(tǒng)的重心，減小Z坐標(biāo)導(dǎo)軌的彎曲應(yīng)力，所以在工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計時我們將Z坐標(biāo)軸置于最上層，傳動方式采用絲杠、螺母機構(gòu)，導(dǎo)向裝置選用兩套直線運動球軸承配合兩根精密導(dǎo)桿組成。導(dǎo)桿與絲杠通過球軸承和螺母與工作臺連接，對工作臺起到支承作用，使工作臺受力均勻、升降靈活、運動穩(wěn)定，以確保Z坐標(biāo)方向的運動精度。Y坐標(biāo)軸導(dǎo)軌置于中間一層，X坐標(biāo)軸導(dǎo)軌置于最下層；Z軸導(dǎo)軌置于Y軸導(dǎo)軌的運動件上，Y軸導(dǎo)軌又置于X軸導(dǎo)軌的運動件上。X、Y軸導(dǎo)軌的傳動系統(tǒng)均采用絲杠、螺母機構(gòu)。考慮到X、Y軸導(dǎo)軌行程較小，但運動靈敏度和定位精度要求較高，低速時不允許有爬行現(xiàn)象，所以設(shè)計時X、Y軸導(dǎo)軌選用滾珠導(dǎo)軌，以保證導(dǎo)軌的運動精度和運動平穩(wěn)性。

4．計算機系統(tǒng)與三坐標(biāo)精密移動工作臺的控制

　　電子注分析系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)的主要功能為：（1）完成電子注發(fā)射系統(tǒng)各參數(shù)的控制，以及收集極的信號采集和電子注分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理；分析電子注發(fā)射系統(tǒng)磁場、陽極電流、負(fù)載電導(dǎo)、負(fù)載電納、輸出功率等參量之間的關(guān)系，繪制電子注發(fā)射系統(tǒng)的工作特性曲線。（2）完成對三坐標(biāo)移動工作臺的驅(qū)動和控制，實現(xiàn)收集極在三維空間內(nèi)任意位置的運動控制和電子束流采樣。圖3為計算機系統(tǒng)及三坐標(biāo)移動工作臺驅(qū)動系統(tǒng)原理圖。整個系統(tǒng)由計算機、8751單片機和電子注分析系統(tǒng)軟件組成。計算機完成電子注發(fā)射系統(tǒng)的控制和收集極信號的采集、分析和處理；單片機系統(tǒng)通過串行通訊口與計算機連接，計算機根據(jù)電子注分析系統(tǒng)軟件給定的程序向單片機系統(tǒng)發(fā)出指令脈沖，經(jīng)運算處理電路和驅(qū)動電路完成X、Y、Z三坐標(biāo)軸步進電機的控制。為了能輸入和更新給定值、修改控制程序中的參數(shù)，我們采用了可編程鍵盤顯示接口芯片8279，以自動完成鍵盤掃描輸入和LED掃描顯示。電子注發(fā)射系統(tǒng)工作特性曲線和電子注分析系統(tǒng)的處理結(jié)果由CRT顯示和打印機輸出。

圖3　計算機系統(tǒng)及三坐標(biāo)移動工作臺驅(qū)動系統(tǒng)原理圖

5．結(jié)語

　　電子注分析系統(tǒng)利用三坐標(biāo)精密移動工作臺帶動收集極完成對電子注在三維空間中任意位置的束流采樣，再經(jīng)計算機系統(tǒng)處理，實現(xiàn)對電子注發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作性能的全面測量和分析。這種方法與目前國內(nèi)普遍采用的熒光測量法相比，在自動化程度、測量可靠性以及測量準(zhǔn)確度等方面都有較大提高，將在研制超高頻大功率電子器件中發(fā)揮重要作用。