Los procesos físicos que ocurren cerca del cátodo de un cañón de electrones son muy similares a los que ocurren en los diodos de electrones. Como todos sabemos, el flujo de corriente en un diodo se consigue mediante el movimiento de los electrones emitidos por el cátodo. Si se agrega un cierto voltaje directo Ua entre el cátodo y el ánodo del diodo, el cátodo se calienta gradualmente (aumentando gradualmente el voltaje de calentamiento Uf del filamento) y se registra la corriente del ánodo correspondiente Ia, se puede obtener una curva de relación Ia/Uf. ser obtenido. Cambiando Ua se puede obtener otra curva de relación Ia?Uf. Cuando Uf es relativamente baja, es decir, cuando la temperatura del cátodo es baja, la corriente del ánodo Ia aumenta rápidamente a medida que aumenta el voltaje de calentamiento. Cuando Uf excede un cierto valor, la corriente del ánodo Ia no aumenta con el aumento del voltaje de calentamiento del filamento Uf. Si Uf continúa aumentando, no será beneficioso para el aumento de la corriente del ánodo. Sabemos que a una determinada temperatura del cátodo, el cátodo tiene una determinada corriente de emisión. Cuanto mayor es la temperatura del cátodo, mayor es la corriente de emisión. Cuando la temperatura del cátodo es lo suficientemente alta, continúe aumentando la temperatura del cátodo (en este momento la corriente de emisión del cátodo sigue aumentando) y la corriente del ánodo permanece sin cambios, lo que muestra que no toda la corriente emitida por el cátodo llega al ánodo en esta vez. Examinando las diferentes curvas correspondientes a diferentes Ua, la situación es la misma. Debido a que se aplica un voltaje directo Ua entre el cátodo y el ánodo del diodo, se formará una cierta distribución del campo eléctrico entre el cátodo y el ánodo. Cuando el cátodo no se calienta, la distribución del campo eléctrico es estable. Cuando se calienta el cátodo, comienza a emitir electrones y los electrones vuelan hacia el ánodo bajo la acción de Ua. Debido a la existencia de carga espacial, el potencial en cada punto entre el cátodo y el ánodo disminuirá. Cuando la temperatura del cátodo no es demasiado alta y no se emiten muchos electrones, todavía hay un campo de aceleración entre el cátodo y el ánodo. ánodo, y los electrones pueden moverse bajo la acción de este campo eléctrico hasta llegar al ánodo. A medida que aumenta el número de electrones emitidos por el cátodo, los cambios en el gradiente de potencial en las superficies del cátodo y del ánodo son diferentes, porque además de ser atraídos por el campo eléctrico acelerado del ánodo, los electrones en la superficie del cátodo también son repelidos. por la carga espacial frontal, por lo que la fuerza sobre los electrones es menor. Cuando la carga espacial es pequeña, es decir, el gradiente de potencial disminuye mientras que los electrones en la superficie del ánodo no solo son atraídos por el campo eléctrico acelerado del ánodo, sino que también son atraídos por el campo eléctrico acelerado del ánodo. también son empujados por la carga espacial detrás de ellos, por lo que el gradiente de potencial aumenta. Si la temperatura del cátodo continúa aumentando, la densidad de las cargas espaciales continúa aumentando. Debido al efecto de las cargas espaciales, el gradiente de potencial en la superficie del cátodo disminuirá a cero. Las cargas en la superficie del cátodo son exactamente iguales al campo de aceleración, pero en la dirección opuesta. La superficie del cátodo ya no se ve afectada por la fuerza del campo eléctrico. Como todos sabemos, los electrones que escapan del cátodo deben tener una cierta velocidad inicial. Incluso si el gradiente de potencial de la superficie del cátodo cae a cero y la temperatura del cátodo continúa aumentando, la densidad de carga espacial aún puede aumentar en la superficie del cátodo. El gradiente de potencial se vuelve negativo. Es decir, el campo eléctrico generado por la carga espacial cerca del cátodo es mayor que el campo de aceleración generado por el voltaje del ánodo Ua.
Los electrones emitidos por el cátodo tienen diferentes velocidades iniciales. Sólo los electrones con energía cinética inicial mayor que la energía potencial del potencial más bajo pueden superar el campo eléctrico negativo cerca de la superficie del cátodo y cruzar el potencial más bajo, entrar en el campo de aceleración y volar hacia el ánodo, mientras que aquellos electrones con energía cinética inicial más pequeña regresan; al cátodo bajo la acción de la carga espacial. En equilibrio, el número de electrones que van hacia el ánodo más el número de electrones que regresan al cátodo por unidad de tiempo es igual al número de electrones emitidos por el cátodo al espacio. A medida que la temperatura del cátodo continúa aumentando, la emisión del cátodo aumenta y la densidad de carga espacial también aumenta. Esto equivale a fortalecer el campo eléctrico negativo cerca de la superficie del cátodo, mientras que aumenta el número de electrones que regresan al cátodo debido al potencial negativo. el número de electrones que van hacia el ánodo aumenta ligeramente.
Cuando la temperatura de calentamiento del cátodo es baja, todos los electrones emitidos por el cátodo pueden llegar al ánodo. En este momento, la corriente del ánodo depende de la temperatura de emisión del cátodo, lo que se denomina límite de temperatura. En este caso, los cambios en la temperatura de calentamiento del cátodo tienen un gran impacto en la corriente de emisión. Cuando el voltaje de calentamiento continúa aumentando, el efecto de carga espacial juega un papel importante y la corriente del ánodo está limitada por la carga espacial. El cañón de electrones del acelerador funciona principalmente en el estado de carga espacial limitada. Con la mejora de los tubos aceleradores, se ha hecho posible utilizar tecnología de inyección a baja presión. Al mismo tiempo, según las necesidades de la radioterapia, los aceleradores médicos actuales requieren cambiar la corriente de inyección para producir rayos X y haces de electrones. El voltaje del ánodo de dicho cañón de electrones se puede reducir a 7-15 kV y la corriente de inyección varía dentro del rango de 200-1000 mA.
Cuando se emite el haz de electrones, la energía de la corriente de inyección cae gradualmente a un valor muy bajo (los requisitos de intensidad del haz cuando el acelerador médico está funcionando en terapia de rayos X y terapia con haz de electrones son muy diferentes, la diferencia es de más de cien veces). La solución de la tecnología de inyección a baja presión sienta las bases para el uso de pistolas controladas por compuerta. El cañón de bajo voltaje puede reducir en gran medida el tamaño del cañón de electrones, reducir los requisitos de resistencia de voltaje de la porcelana aislante entre los electrodos y reducir la energía del bombardeo de iones de regreso al cátodo. La fuente de alimentación se puede mejorar mucho. Para el diseño de pistolas controladas por compuerta, la gente generalmente agrega un electrodo de control (rejilla) basado en el diseño de una pistola de diodos. Cuando la compuerta aplica un pequeño voltaje negativo (sesgo de corte - Egc) al cátodo, la emisión del cátodo se corta, esto equivale a detener la emisión durante el período de intervalo del pulso, y el electrodo de control agrega cero al cátodo durante; la duración del pulso. O un pequeño voltaje positivo puede hacer que el cátodo emita electrones. Al ajustar este voltaje positivo, se puede controlar el flujo de inyección de electrones. Siempre se puede agregar un alto voltaje de CC estable al voltaje entre el ánodo y el cátodo. Obviamente, es mucho más fácil estabilizar la amplitud del voltaje de la fuente de alimentación de CC que estabilizar la amplitud del pulso de alto voltaje del modulador de pulso de alto voltaje. Esto también reduce la presión sobre el diseño de la fuente de alimentación. Generalmente hay tres formas de electrodos de control instalados por personas. Sus formas estructurales se describen brevemente a continuación. El primer tipo de pistola de rejilla perforada: combina dos electrodos en el diseño estructural. El electrodo de enfoque de la pistola está aislado del cátodo. El diseño del electrodo de enfoque se modifica adecuadamente para que el haz de electrones pueda cortarse cuando el valor absoluto del voltaje de polarización (-Ego) aplicado al cátodo sea lo más bajo posible. . La experiencia general es que cuando Plt; 0,5 μP y la compresión de la pistola es relativamente pequeña, |—Ego|/Va puede ser inferior a 25 para realizar el diseño de pistola de rejilla de orificios. El segundo tipo de pistola de rejilla de agujas: coloca una pequeña aguja aislada del cátodo y perpendicular a la superficie del cátodo en el centro del cátodo. Esta aguja se utiliza como electrodo de control. Su voltaje de corte se puede alcanzar de manera aproximada o leve. más bajo que el del nivel de la pistola de rejilla de orificios. Sin embargo, para las pistolas de rejilla de clavijas, el cátodo y la rejilla de clavijas tienen un diseño estructural más complejo y actualmente rara vez se utilizan en China. Sin embargo, Rusia tiene tecnología relativamente madura en esta área. Pueden recubrir la rejilla de clavijas con una capa de antiemisiones. material para reducir las emisiones de la compuerta. Sin embargo, aún queda por demostrar en la práctica si es factible utilizar este electrodo de control para acelerar tubos con un fuerte intercambio de iones. El tercer tipo de pistola de rejilla consiste en colocar una rejilla en el plano equipotencial 1-3 lejos del cátodo en el medio de la pistola de diodos. Cuando la rejilla añade un potencial equivalente a la rejilla en el plano del cátodo, no lo hace. cambia mucho el valor original. La tendencia de corte de esta puerta puede diseñarse para que sea muy baja. Esto facilitará la producción de fuentes de alimentación controladas por la red.