專利名稱：高頻率、高電壓電子開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及一種開關(guān)電流的裝置，以及更具體地，涉及一種在高壓 (幾萬伏)下在低于納秒的上升時間內(nèi)以幾十兆赫茲的重復(fù)率開關(guān)電流的電子開 關(guān)。
背景技術(shù)：
陰極射線管(CRT)是在1897年由德國物理學(xué)家Karl Ferdinand Braun發(fā)明 的。CRT是一種顯示裝置，其首先被用于計算豐賜示器、柳M視器、電視、 雷iiM示器以及示波器。直到二十世紀(jì)九十年ft由Philo Famsworfh的工作發(fā) 展的CRT用于所有的電視機(jī)，以及實用的等離子體屏幕、液晶顯示(LCD)電 視、數(shù)字光處理(DLP)、有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)顯示器，以及其他技術(shù)的 發(fā)展。由于CRT技術(shù)，即使是在提到非CRT機(jī)時，電視也獲得了綽號"顯像 管"。
陰極射線管技術(shù)上是指任何采用電子束聚焦的電子真空管。陰t謝線以由 在真空管內(nèi)其后端處的陰極加熱而發(fā)射的高速電子流的形式存在。發(fā)射的電子 由于施加在兩個電極間的電壓差而在管內(nèi)形成束。接著，束被磁場或電場攝動 (偏轉(zhuǎn))，以跟蹤("掃描")屏幕(陽極)的內(nèi)表面。屏幕由磷光涂層(通常是
過^^屬^f希土元素)覆蓋，當(dāng)被電子m^Bt凃?qū)影l(fā)出可見光。
在電視機(jī)和現(xiàn)代計嶽 :視器中，管的旨前部區(qū)域以固定的稱作光柵的 模式被系統(tǒng)地掃描。通過用接收到的視頻信號(或者由其而來的其它信號)調(diào) 制電子束的強(qiáng)度，圖象就產(chǎn)生了。在所有的現(xiàn)代電視機(jī)中，束被偏轉(zhuǎn)，并且磁 場被施加在帶有"磁軛"(一組電子電路驅(qū)動的線圈)的管的頸部。這種使用電 磁體來改變電子束初始方向被稱為"磁偏轉(zhuǎn)"。
電子束的源是電子槍，電子M過熱例子發(fā)射(也稱為愛迪生效應(yīng))產(chǎn)生
電子流，并將電子聚焦成細(xì)的束。槍位于陰極射線管(CRT)的最后端處的窄
的、圓柱形的頸部，且具有通常排列成圓形結(jié)構(gòu)的從其末端延伸的電連接弓腳。這些引腳提供至陰極、至槍內(nèi)的用于聚焦和調(diào)制束的各種柵格元件，以及，在
靜電場偏轉(zhuǎn)CRT中，至偏轉(zhuǎn)板的外部連接。由于CRT具有熱陰極，，這些 引腳還為電子槍提供至一個或多個絲狀加熱器的連接。電子束典型地以大約 lMHz的頻率被調(diào)制。電子束還離多采用冷發(fā)射產(chǎn)生。在這種情況中，單一的 或多重小半徑(shaip radius)的導(dǎo)體在真空中足夠高的電壓下被激發(fā)，以產(chǎn)生電 子發(fā)射到真空中。接著，類似于CRT，電子被加速。
用于加速電子的高電壓(EHT)由變壓器提供。對于電視中使用的CRT， M常是回掃變壓器，其將行(水平的)偏轉(zhuǎn)電源升高至用于彩色顯像管的高 達(dá)32kV (黑白顯像管和特種CRT可運行在低一些的電壓)。^ffi器的輸出被整 流，脈沖的輸出電壓被電子管自身形成的電容平滑(加速的陽極是一個板子， 玻璃是電介質(zhì)，以及電子管外側(cè)上的接地(ffii也)涂層是另一個板子)。在早期 的電視中，在回掃變壓器的設(shè)計發(fā)明之前，采用線性高壓電源，因為這些電源 能夠比回掃高壓系統(tǒng)在它們的高電壓時傳輸更大的電流。然而，在意外事故的 情況下，它們被證實是極其致命的?；貟唠娐吩O(shè)itl率決了這個問題；在故障的 情況下，回掃系統(tǒng)傳輸相對小的電流，使得人幸免于來自高壓陽極的直接電擊 的可能性更有希望(但是不可能確保)。
對于在示波器中的使用，設(shè)計有些不同。優(yōu)于描繪出光柵，電子束ltt接 沿著任意路徑轉(zhuǎn)向，同時其強(qiáng)度保持恒定。在時域模式，即通常模式中，水平 偏轉(zhuǎn)與時間成正比(由示波器中的"掃描振蕩器"測量，可視地以恒定的速度 前進(jìn)穿過屏幕)，且垂直偏轉(zhuǎn)與觀糧到的信號成比例。在不常見的X-Y模式中， 水平和垂直偏轉(zhuǎn)都與測量到的信號成比例。電子槍總是位于電子管頸的中心， ffl51采用鋁化的屏幕忽視或者減輕離子產(chǎn)生的問題。
設(shè)計用于示波器應(yīng)用的電子管比設(shè)計用于光柵掃描應(yīng)用的電子管更長且更 窄，極大減小了需要的最大偏轉(zhuǎn)角。逸就允許l頓靜電偏轉(zhuǎn)來替fW偏轉(zhuǎn)。在
這種情況中，偏轉(zhuǎn)aa經(jīng)由嵌入電子管的頸部的偏轉(zhuǎn)板施加電場而引起。這種
方法允許電子束比磁場時更fflil得多地轉(zhuǎn)向，其中電磁體的電感對能夠在信號 中被精確表示出的最大頻率施加相對嚴(yán)格的限制。減小的偏轉(zhuǎn)角也去除了電子 束動態(tài)聚焦(在需要的高偏轉(zhuǎn)速度下其難以達(dá)到)的任何需要。最后，被限制
的角度更容易確保產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)束是被m^信號的線性函數(shù)。
至'J現(xiàn)在為止，不存在提供至少lkV、重，率M: 10MHz且納秒上升時間的數(shù)千伏脈沖的裝置。所以，有需要提供一種產(chǎn)生高電壓脈沖、高頻重復(fù)速率 和納秒上升時間的開關(guān)裝置。

發(fā)明內(nèi)容
簡要地， 一種電子開關(guān)包括用于發(fā)射電子束的電子源，該電子束具有至少 大約lkV的束能量或電壓Vb^和至少大約1安培的電流Ib^。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)以至少
大約10MHz的掃描頻率來偏轉(zhuǎn)電子束。罩具有孔，從而使得以掃描頻率橫跨罩
來掃描偏轉(zhuǎn)的電子束。穿過孔的電子束撞擊目標(biāo)并且弓胞目標(biāo)中的脈沖高壓電流。
在本發(fā)明的另一個方面， 一種高壓高頻電子開^&括產(chǎn)生至少lkV電壓的 電子束的電子槍。靜電軛以至少大約10MHz的掃描頻率來偏轉(zhuǎn)電子束。陽極板 具有孔，從而使得電子束以兩倍的掃描頻率穿過孔。穿過 L且撞擊目標(biāo)的電子 束產(chǎn)生目標(biāo)中的脈沖高壓電流，其脈沖幅度由目標(biāo)的阻抗和電子束的電流確定， 脈沖寬度由孔的大小和掃描頻率確定，以及上升時間由束大小和掃描頻率確定。
在本發(fā)明的又一個方面， 一種制造電子開關(guān)的方&^括下列步驟
發(fā)射電子束，該電子束具有至少大約lkV的束旨遣或電壓V^和至少大約
l安培的電流Ibeam;以及
以至少大約10MHz的掃描頻率來偏轉(zhuǎn)電子束，
其中，以所述掃描頻率橫跨具有孔的罩來掃描偏轉(zhuǎn)的電子束，以及
其中，穿過 L的電子束撞擊目標(biāo)并且弓l起目標(biāo)中的脈沖高壓電流。


當(dāng)參考附圖閱讀下面的詳細(xì)描述時，將會更好的理解本發(fā)明的這些和其它
特征，方面以及優(yōu)點，齡附圖中相同的字符^^相同的部分，其中
圖1是根據(jù)一個典型實施例的高頻高壓電子開關(guān)的示意亂以及
圖2是該典型實施例的作為時間的函數(shù)的幅度的曲線圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在參考圖1，根據(jù)本發(fā)明的一個典型實施例在10大體上示出高頻高壓電 子開關(guān)的示意表示。大體上，電子開關(guān)10包括電子源12、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)14、罩16以及目標(biāo)18。
電子源12可包括擔(dān)當(dāng)陰極且產(chǎn)生高能聚焦電子束20的電子槍，電子束20 具有至少大約lkV的束能量或電壓V^和至少大約1安培的電流I—。電子槍 12可以被充電高達(dá)大約100kV，造成電子以大約100kV的能量擊中罩16。電子 槍12處于比陽極板16 (和目標(biāo)18)更高的電壓以使電子束20朝著目標(biāo)18加 速。在該典型實施例中，電子槍12是2kV的電子槍，其提供聚焦電子束20， 電子束20的直徑為大約1英寸，且電子束20具有大約2kV士100V的束電壓
Vbeam和足以在傳輸線負(fù)載中產(chǎn)生大約lkV的束電流Ibeam (100 ,線中的10安 培將產(chǎn)生lkV)，且傳統(tǒng)的聚焦和電流調(diào)制柵格的電壓處于幾百伏的陰極電壓之 內(nèi)。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不局限于電子源，并且本發(fā)明能夠通過任何需要的用于 產(chǎn)生高壓聚焦電子束的裝置來實現(xiàn)，例如同步加速器，等等。
轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)14可包括引起電子束20的靜電偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)線圈或軛。在該典型 實施例中，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)14以頻率大約12.5MHz的正弦波被調(diào)制。這樣，在該典 型實施例中，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)14造成電子束20以大約25.0MHz的速率掃描離罩16。 應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不受轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)14的頻率限制，且大約12.5MHz的頻率僅用 于說明的目的。例如，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)14可具有大約10.0MHz或更高的正弦波頻率。 本發(fā)明不收轉(zhuǎn)向電壓的類型限制，且本發(fā)明能夠M5i任何需要的轉(zhuǎn)向電壓來實 現(xiàn)，例如方波、三角波、鋸齒波等等。
罩16可包括力B速電子束20的主動冷卻的陽極板。陽極板16可以以fti可已 知的方式被主動y賴卩，例如水，等等。陽極板16包括洞或孔22，用于允許電子 束20穿過其中。例如，陽極板16直徑可大約為1英尺，帶有直徑大約為1-2 英寸(大約25-50mm)的洞或孔22。陽極板16，連同電子槍12和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)14， 都連接至地。陽極板16可以由具有合適的熱、磨損和腐蝕特性的材料制成。一 組這樣的材料可以慰隹熔金屬，例如鉤、鉬、鈮、鉭、錸等等。
穿過陽極板16的孔或洞22的電子束20撞擊目標(biāo)18的表面或正面24。在 該典型實施例中，目標(biāo)18包括具有阻抗Z的傳輸線。傳輸線18可與裝置(未 示出)保持電氣通信以提供高壓高重復(fù)率脈沖電流至該裝置。
如上面描述的，電子開關(guān)10能夠以非常高的頻率或者重復(fù)率和非?？斓纳?升時間打開或關(guān)斷高壓源。應(yīng)當(dāng)理解，電子開關(guān)10的脈沖幅度、脈沖寬度和上
升時間能夠基于不同參數(shù)而被可選擇地確定。具體地，脈沖幅度由束電流和線阻抗Z來確定。脈沖寬度由洞或孔22的大小和電子束20的掃描速率來確 定。上升時間由電子束20的大小和掃描速率來確定。進(jìn)一步的，脈沖形式可以 ffl31改變罩16中洞或孔22的形式以及電子束20的聚焦而成形。
現(xiàn)在參考圖2，例如，2kV的電子槍12具有大約2kV± 100V的束能量Vte^， 大約20安培的束電流Ib^，以及電子槍12的大約100V內(nèi)的電子束控制電壓。 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)14由例如大約12.5MHz的正弦波頻率來驅(qū)動。目標(biāo)18具有大約50 歐姆的阻抗，導(dǎo)致在滿束電流Wn斜牛下的大約lkV的電壓。在該例中，電子 開關(guān)10產(chǎn)生目標(biāo)18中的電流，其脈沖幅度為大約lkV，脈沖寬度為大約10納 秒，頻率或重復(fù)率為大約40納秒(大約25MHz)，以及上升時間為大約1納秒。 這樣，電子開關(guān)10會,以納秒的上升時間(大約1至3納秒)和數(shù)十兆赫茲(高 于大約lOMHz)的重復(fù)率來在高電壓(至少lkV)下開關(guān)電流。
很多應(yīng)用纟絵得益于電子開關(guān)10的高電壓，高頻率驢復(fù)率，以及決^i: 升時間。例如，電子開關(guān)10可以有效地驅(qū)動等離子體。其它應(yīng)用包括，但不局 限于，食物加工、7jC處理、醫(yī)學(xué)系鄉(xiāng)^成像、以及軍事應(yīng)用。
這寫下的描述采用例子來公開本發(fā)明，包括最佳模式，以及還使得任何本 領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造和^頓本發(fā)明。本發(fā)明的專利范圍由權(quán)利要求闡釋，且 包括其它那些本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的例子。如果這些其它的例子具有區(qū)別于權(quán) 利要求文字語言的結(jié)構(gòu)性元件，或者他們包括了等同于與權(quán)利要求的文字語言 沒有大的區(qū)別的結(jié)構(gòu)性元件，那么這些其它的例子也在禾又利要求的范圍之內(nèi)。

清單
10 電子開關(guān)
12 電子源(電子槍)
14 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)
18 目標(biāo)
20 電子束
22 孔或洞
24 表面或正面
權(quán)利要求
1. 一種電子開關(guān)(10)，包括電子源(12)，用于發(fā)射電子束(20)，該電子束(20)具有至少大約1kV的束能量或電壓Vbeam和至少大約1安培的束電流Ibeam；轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(14)，用于以至少大約10MHz的掃描頻率偏轉(zhuǎn)所述電子束(20)；以及具有孔(22)的罩(16)，以所述掃描頻率橫跨所述罩來掃描所述偏轉(zhuǎn)的電子束(20)，其中，穿過所述孔(22)的所述電子束(20)撞擊目標(biāo)(18)且引起所述目標(biāo)(18)中的脈沖高壓電流。
2、 權(quán)利要求l所述的電子開關(guān)，其中所述電子源(12)包括電子槍。
3、 權(quán)利要求1所述的電子開關(guān)，其中所述轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(14)包,電軛。
4、 權(quán)利要求l所述的電子開關(guān)，其中所述目標(biāo)(18)包括傳輸線。
5、 一種高電壓、高頻率電子開關(guān)(10)，包括電子槍(12)，產(chǎn)生具有至少大約lkV的電壓的電子束(20); 靜電軀(14)，以至少大約10MHz的掃描頻率偏轉(zhuǎn)所述電子束(20);以及 具有孔(22)的陽極板(16)，所述電子束(20)以兩倍于所述掃描頻率穿 過所述孔(22)，其中穿過所述孔(22)且撞擊目標(biāo)(18)的所述電子束(20)產(chǎn)生所述目 標(biāo)(18)中的脈沖高壓電流，其脈沖幅度由所述目標(biāo)(18)的阻抗和電子束(20) 的電流來確定，脈沖寬度由所述孔(22)的大小和所述掃描頻率來確定，以及 上升時間由束大小和所述掃描頻率來確定。
6、 禾又利要求5所述的電子開關(guān)，其中所述目標(biāo)(18)包括傳輸線。
7、 權(quán)利要求5所述的電子開關(guān)，其中當(dāng)所述電子束(20)的電流為大約 2kV并且阻抗為大約50歐姆時，所述脈沖幅度為大約lkV。
8、 權(quán)利要求5所述的電子開關(guān)，其中當(dāng)所述電子束(20)的大小為大約l 英寸以及所述掃描頻率為大約12.5MHz時，所^i:升時間為大約1納秒。
9、 一種制造電子開關(guān)(10)的方法，包括步驟發(fā)射電子束(20)，該電子束(20)具有至少大約lkV的束能量或電壓和至少大約l安培的電流Item;以及以至少大約10MHz的掃描頻率偏轉(zhuǎn)所述電子束(20)，其中，以所述掃描頻率橫跨具有孔(22)的罩(16)來掃描所述偏轉(zhuǎn)的所 述電子束(20)，以及其中，穿過所述孔(22)的所述電子束(20)撞擊目標(biāo)(18)并且引起所 述目標(biāo)(18)中的脈沖高壓電流。
全文摘要
高頻率、高電壓電子開關(guān)。一種高頻率，高電壓電子開關(guān)(10)包括電子源(12)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(14)，罩或陽極板(16)，以及目標(biāo)(18)。電子源(12)產(chǎn)生具有至少大約1kV的電壓的撞擊在所述陽極板(16)上的電子束(20)。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(14)以至少大約10MHz的掃描頻率橫跨所述陽極板(16)來掃描電子束(20)。陽極板(16)上提供有洞或孔(22)以允許電子束(20)穿過且以非常高頻的重復(fù)率和非?？斓纳仙龝r間來產(chǎn)生目標(biāo)(18)中的脈沖高壓電流。目標(biāo)(18)產(chǎn)生的所述脈沖高壓電流能夠用于引起高壓源的開通和關(guān)斷。
文檔編號H03K17/00GK101291145SQ200810096369
公開日2008年10月22日 申請日期2008年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月17日
發(fā)明者F·陶, K·楊西, R·C·默里, S·G·薩杜希 申請人:通用電氣公司