电子发射系统概述

我们已经知道，电子枪（electron gun）是一台医用电子直线加速器的三大基本要素之一，并且电子枪是电子发射系统的核心器件，因此，在研究电子发射系统的时候，首先需要了解医用电子直线加速器所配电子枪的结构类型与基本工作原理。

从基本结构上来看，不管什么类型的电子枪，必须包括阴极和阳极两个主要部分，电子发射原理，见图2-10-1。其中，如果阴极使用比较活泼的金属材料，当在阴极（-）和阳极（＋）之间加上直流电压时，就在两极之间建立起由阳极指向阴极的直流电场。在直流电场的作用下，阴极上的自由电子就具备了向阳极移动的趋势，有的电子会脱离阴极向阳极移动。显然，电场强度越高，电子的移动速度就越快。如果阳极上留有孔洞，只要直流电场的分布状态合适，移动电子就会向孔洞轴线处集中，有一部分电子会穿过孔洞，然后依靠惯性继续前进，这种情况就叫做电子发射。但是，常温下电子的发射数量是非常有限的，为了增加自由电子的活性与发射数量，必须对阴极加热升温，所以，通常要有加热阴极用的电热丝，我们称之为枪灯丝。有时可以把枪灯丝直接作为阴极使用。

图2-10-1　电子发射原理

直线加速器对电子枪的基本技术要求主要包括：电子的发射数量（束流强度）、发射角度、发射时机和电子射程等。显然，电子的发射数量与阴极的结构、材料和加热温度（灯丝电流）有关；电子的发射角度与阴极和阳极的几何形状有关；发射时机要由控制电路来确定；电子射程则取决于电场强度（阳极电压）和电子在电场内的运行距离。所以，作为一套完整的电子发射系统，除了必须针对加速管内动态电场的加速特点精心设计制造电子枪之外，还必须设计配置专门的电子枪供电电源以及相应的控制电路，以充分满足加速电场对电子注入形态、注入数量、注入时机和电子射程等各项技术要求。

研究电子从固体金属材料中发射出来的科学叫做阴极电子学。从材料特性来看，阴极必须是一种固体金属材料，加热阴极是增加电子发射能力的常用方法和最有效的方法，通过加热增加电子逸出能力的阴极叫做热阴极。一般来讲，在一定的范围内，温度越高，电子的发射能力越强，即枪电流越大。但是，对特定材料与特定结构的电子枪而言，当超过一定温度之后，阴极的电子发射能力就不再增加，即便增加阳极电压，枪电流也不再增大，会出现电流饱和状态，这时的电流称为电子枪的“饱和电流”，一般用IS表示，饱和电流所对应的最低温度就叫做“饱和温度”。枪电流与阴极温度（灯丝电流）之间的关系，见图2-10-2。由图可见，开始时，较小的温度变化，就会引起枪电流的很大变化；当阴极达到一定温度之后，枪电流随温度增加的速度趋缓；进一步增加温度时，枪电流的增加速度会进一步降低，直至温度再增加时枪电流不再增加，这时的电流就是电子枪的饱和电流。为了避免由于阴极温度变化而引起枪电流的不稳定，并且尽量降低阴极的工作温度以延长灯丝和阴极的运行寿命，通常可将工作点设定在图中所示平滑曲线起始端的一定范围之内（饱和温度5%～10%）。但是，对多档能量的高能医用加速器来讲，为了调节剂量率或输出电子射线时，就需要在较大范围内改变枪电流，工作点往往就要设在饱和曲线的斜线上，为此，要通过灯丝电流的自动调节来控制阴极的温度变化，一般可以保持输出剂量率的基本稳定。

图2-10-2　枪电流与阴极温度（灯丝电流）的关系曲线

横坐标表示阴极温度，可用灯丝电压或灯丝电流间接表示；纵坐标表示枪电流

饱和电流是电子枪的一项重要参数。除此之外，热阴极的基本参量还有：阴极的工作温度、电流发射密度、阴极的发射效率和阴极寿命等。显然，在满足要求的前提下，我们总是希望有较低的工作温度、较高的电流发射密度、较高的阴极发射效率和尽量长的阴极寿命。

可见，阴极选用的材料与结构设计是电子枪的技术关键。近几十年来，从事阴极电子学研究的科技工作者对热阴极的研究做了大量工作，研制出了很多类型的热电子发射体，大致可以分为以下几种类型。

1．纯金属阴极　例如钨阴极、铼阴极等。

2．薄膜阴极　这类阴极是在金属的表面覆盖上一层活性物质薄膜，例如覆钍钨阴极等。这种阴极也叫做原子薄膜阴极。

3．氧化物阴极　这类阴极是在基础金属上涂敷一层电阻较大的厚膜金属氧化物构成的阴极，例如碱土金属氧化物制成的阴极。

4．储备式阴极　这类阴极的本质是薄膜阴极与厚膜阴极相结合的结果，是用多孔的金属基底沉渍以活性物质构成的阴极。因多孔金属中的活性物质可以源源不断地储存并发射电子，所以称为储备式阴极。

在医用电子直线加速器中，电子枪的结构设计必须全面考虑动态电场的加速形态和电子注的俘获效率等问题。因行波加速电场具有“自动聚束”功能，对电子注的俘获效率较高，较少的电子发射数量就能满足输出剂量率的需要，所以行波加速器一般是配用结构比较简单、发射能力较低的“二极电子枪”；但驻波加速电场具有“散焦特性”，对电子注的俘获效率较低，为了获得相同的输出剂量率，必须增加电子发射数量，因此，必须配用具有电子储存功能的“栅控电子枪”，也称为“三极电子枪”。医用电子直线加速器中配用的两类电子枪的基本结构及其特点将在下一节介绍。