摘 要：提出一种利用收集极在三维空间内通过束流采样进行电子注分析的测量方法，介绍了电子注分析系统中三坐标精密移动工作台的设计与控制。该方法可对电子注发射系统的结构参数、工作性能进行全面测量和分析，为超高频大功率电子器件的研制提供实验手段。
关键词：电子注分析系统 三坐标工作台 测量与控制
Design and Control of 3-D Precision table in Electron Beam Analyzer System
Dong Mingli et al
Abstract：A measuring method for analyzing electron beam by using collectors（Faraday Cups）to collect beams in a 3-D space is presented．The design and control of a 3-D precision table in the system are introduced．This method can measure and analyze structure parameters and performance of a electron beam launching system，and can provide a test method for developing ultrahigh frequency（UHF）and high power electron components．
Keywords：electron beam analyzer system 3-D table measurement and control
1．引言
随着半导体工业的高速发展，半导体器件因其体积小、能耗低、性能稳定等优点而逐渐取代了大部分电子管器件，但在现代无线电工程系统中，大功率、超高频电子器件仍占有不可取代的地位。在电台和雷达发射系统中，磁控管、速调管、行波管、EBS管等大功率高频电子发射管是不可缺少的核心器件。在这类器件中，最重要的组成部分是电子注，它的主要功能是在与电磁场相互作用过程中，将电源能量转变为高频振荡能量。一个发射系统的质量主要取决于电子发射管的性能，而电子发射管的射频性能、频率捷变性能、散热性能以及功率、增益、效率等都取决于电子注的性能。因此，研究电子注的结构和参量，分析电子注的截面尺寸及横截面上的电流密度分布、脉动、各电子层的运动轨迹及各个电子的运动轨迹等，对于提高电子发射管的性能有着重要意义。电子注分析系统就是根据上述要求设计和研制的，该系统可对电子注的结构和性能进行实验研究，可完成电子注各种参数的全面测量。
2．电子注分析系统工作原理
电子注分析系统工作原理如图1所示。该系统主要由待测电子枪、收集极、XYZ三坐标精密移动工作台、电流放大器、A／D转换器以及计算机数据采集系统和信息处理系统组成。待测电子枪是电子注发射系统，由灯丝、阴极、调制阳极（或控制栅）和聚焦极组成，电子枪经阴极发射一束电子流，通过调制阳极（或控制栅）的调制，再经聚焦极形成电子注。收集极和XYZ三坐标精密移动工作台是电子注分析系统中最关键的部件。为精确分析电子注结构和各参数的特性，必须测量电子注总束流、电子注不同截面上各点的电流、电流密度分布以及截面积尺寸和沿轴向变化的分布规律等参数。为满足测量要求，我们设计了入口直径分别为0．1mm和20mm的两个法拉第杯作为收集极。采用大口径收集极测量电子注总束流，可使电子注全部装入收集极，防止电子从入口处逸出；采用小口径收集极测量电子注电流密度分布，可使电子注截面上采样点增加以提高测量精度。在收集极的结构设计上，应考虑因电子注进入其内部后电子束流轰击其表面而产生二次电子发生和防止反射电子逸出。收集极在三维空间三个坐标方向上的运动由XYZ三坐标精密移动工作台来完成。计算机系统根据测量要求发出指令，由步进电机驱动精密移动工作台坐标轴带动收集极在三维空间内运动并获取采样信息。收集极输出的电子流经电流放大和A／D转换后输入计算机。计算机系统对采样数据进行分析和处理，获得电子注参量和工作特性，并打印数据、表格和曲线。
图1 电子注分析系统工作原理图
3．三坐标精密移动工作台的设计
三坐标精密移动工作台是整个电子注分析系统的核心部分，也是设计难度最大的部分。在测量电子注截面积尺寸、电流密度分布以及电子注沿轴向特性分布时，收集极在三维空间内逐点采样的间距保持性、采样均匀性、收集极在空间的定位精度等技术指标完全取决于三坐标精密移动工作台的性能。此外，真空度的高低对电子注性能影响很大，当真空度低于1.33×10－3Pa时，电子注轴线附近会形成严重的离子积累效应及离子与电子的中和现象，致使电子枪阴极中心产生离子斑，离子斑的存在会使电子注表现出明显的非层流性和强烈的发散性，使电子注中的电流密度分布及横向速度分布发生显著变化，阳极截获电子增加，从而大大影响器件性能。因此，在电子注分析系统中，电子枪、收集极以及三坐标精密移动工作台必须工作在真空度为1．33×10－5Pa的环境中，这就要求三坐标精密移动工作台在保证测量范围、运动精度和工作稳定性的前提下，必须布局合理、结构紧凑，最大限度地减小体积，这就为设计增加了难度。三坐标精密移动工作台的技术指标如下：
X坐标方向行程：0～30mm；相邻测量点采样间距：0.05mm；误差：0.005mm。
Y坐标方向行程：0～30mm；相邻测量点采样间距：0.05mm；误差：0.005mm。
Z坐标方向行程：0～30mm；相邻测量点采样间距：0.05mm；误差：0.005mm。
三坐标精密移动工作台的X、Y、Z三个坐标轴分别采用步进电机驱动，收集极安装在工作台上。步进电机在计算机系统控制下，驱动各坐标轴带动装有收集极的工作台按一定顺序和相应步骤完成电子注测量系统三维空间内的逐点采样。三坐标精密移动工作台的结构如图2所示。
图2 三坐标精密移动工作台结构图
由于工作台运动部件上需放置收集极，并考虑到Z坐标方向行程较大，为了降低整个工作台系统的重心，减小Z坐标导轨的弯曲应力，所以在工作台结构设计时我们将Z坐标轴置于最上层，传动方式采用丝杠、螺母机构，导向装置选用两套直线运动球轴承配合两根精密导杆组成。导杆与丝杠通过球轴承和螺母与工作台连接，对工作台起到支承作用，使工作台受力均匀、升降灵活、运动稳定，以确保Z坐标方向的运动精度。Y坐标轴导轨置于中间一层，X坐标轴导轨置于最下层；Z轴导轨置于Y轴导轨的运动件上，Y轴导轨又置于X轴导轨的运动件上。X、Y轴导轨的传动系统均采用丝杠、螺母机构。考虑到X、Y轴导轨行程较小，但运动灵敏度和定位精度要求较高，低速时不允许有爬行现象，所以设计时X、Y轴导轨选用滚珠导轨，以保证导轨的运动精度和运动平稳性。
4．计算机系统与三坐标精密移动工作台的控制
电子注分析系统的计算机系统的主要功能为：（1）完成电子注发射系统各参数的控制，以及收集极的信号采集和电子注分析系统的数据处理；分析电子注发射系统磁场、阳极电流、负载电导、负载电纳、输出功率等参量之间的关系，绘制电子注发射系统的工作特性曲线。（2）完成对三坐标移动工作台的驱动和控制，实现收集极在三维空间内任意位置的运动控制和电子束流采样。图3为计算机系统及三坐标移动工作台驱动系统原理图。整个系统由计算机、8751单片机和电子注分析系统软件组成。计算机完成电子注发射系统的控制和收集极信号的采集、分析和处理；单片机系统通过串行通讯口与计算机连接，计算机根据电子注分析系统软件给定的程序向单片机系统发出指令脉冲，经运算处理电路和驱动电路完成X、Y、Z三坐标轴步进电机的控制。为了能输入和更新给定值、修改控制程序中的参数，我们采用了可编程键盘显示接口芯片8279，以自动完成键盘扫描输入和LED扫描显示。电子注发射系统工作特性曲线和电子注分析系统的处理结果由CRT显示和打印机输出。
图3 计算机系统及三坐标移动工作台驱动系统原理图
5．结语
电子注分析系统利用三坐标精密移动工作台带动收集极完成对电子注在三维空间中任意位置的束流采样，再经计算机系统处理，实现对电子注发射系统结构参数、工作性能的全面测量和分析。这种方法与目前国内普遍采用的荧光测量法相比，在自动化程度、测量可靠性以及测量准确度等方面都有较大提高，将在研制超高频大功率电子器件中发挥重要作用。
