電子槍是加速器的電子注入器，它發射出具有一定能量、一定流強、一定束流直徑和發射角的電子束流[1]（該電子束的方向和強度可以控制，通常由熱陰極、控制電極和若干加速陽極等組成）注入到加速管，用來為電子加速器提供電子束的電子槍一般分為熱發射和場致發射兩種；電子槍的功能在於給出滿足要求的電子束，而電子槍的材料和工藝結構又必須考慮到加工和維修使用的方便。對於電子槍的設計一般應有以下幾個方面的考慮：
1. 注入電子具有一定的能量，槍的結構要有足夠的耐壓強度，能承受一定的加速電壓。
2. 要有足夠的發射能力，能給出足夠的脈衝電流。
3. 電子束的束流直徑和發射角要求在給定範圍內。
4. 結構簡單，易於加工、安裝和檢修。
5. 槍的使用壽命長。
[編輯本段]二、 電子槍的基本參量
在進行電子槍的討論中，人們常常會用到一些專用術語，在此我們先對它們作一簡單介紹:
1、 導流係數
當陽極電流受空間電荷限制時，電子槍的陽極電流（發射電流）與陰陽極間電壓有關，在非相對論情況下，它們之間的關係是3/2次方的比例關係，也稱二分之三次方定律。
在空間電荷限制下，不論電極系統的形狀如何，二分之三次方定律是普遍適用的，電極形狀不同，只影響前面的比例係數。當電極形狀一定時，在一般情況下，導流係數是一個常數，與溫度無關，導流係數的大小表示電子槍發射電子的能力強弱。也就是說，導流係數是一個對電子注強度度量的量，它表征了電子注空間電荷的大小。
2、 注腰
在軸對稱收斂型電子槍中，電子從陰極發出，在槍內各電極及電子自身空間電荷形成的靜電場的作用下，形成一定的電子注形狀，人們將電子注中截面半徑最小的地方稱為注腰。
3、 面積壓縮比
面積壓縮比 指的是陰極面積和注腰截面面積之比，也是注腰的平均電流密度 與陰極發射平均電流密度 之比。為了方便，一般用陰極截面積代替陰極球面積。
壓縮比的大小主要取決於陰極發射電流密度。
4、 射程
射程 表示電子槍陽極頭到電子槍所形成的注腰之間的距離。一般來說，人們希望射程足夠的大，使得電子注能夠以最佳的注入條件進入高頻場作用區。
5、 層流性
所謂電子注的層流性，它只是一個定性的概念，通常用電子注軌跡交叉與否或交叉的嚴重程度來進行層流性的好壞的判斷。層流性好的電子注，在磁聚焦時可以用較低的磁場獲得好的流通率，而高頻場引起的電子注的散焦也較小。反之，層流性差的電子注，會使得其流通率差，散焦加大。
[編輯本段]三、 電子槍的結構
無論那種類型的電子槍，它們均由電子的發射極——陰極、電子注形狀的限制極——聚焦極和電子的加速引出極——陽極三部分組成。不同環境下使用的電子槍其結構會是多種多樣的，但是其基本組成部分是不變的。在工作中通常聚焦極的電位等於或接近於陰極電位，用以限制電子注的形狀，而在陰極和陽極之間加上加速電壓(陽極電壓)。當電子從陰極發射出來，將與由上述電極和電子注本身的空間電荷建立的靜電場發生作用，形成具有一定形狀的電子注，並從陽極孔射出以供使用。這種電子槍的工作原理與一般二極體相似，所以人們也稱其為二極槍。
電子槍最常用的是二電極皮爾斯型。結構如圖2.1－2所示。它主要由陰極、聚焦極、陽極組成。在陽極中間有一開口，電子從中穿過，注入到加速腔中去。皮爾斯型電子槍，又稱軸對稱球形收斂注皮爾斯電子槍，它是取兩個同心球面的一部分形成的二極體。為了使電子的軌跡沿陰極曲率半徑方向，需將球面電極的邊緣加以修正，因此在陰極外圍加有聚焦極。
[編輯本段]四、 電子槍的陰極
陰極是電子槍的關鍵部件之一，它決定電子槍的發射能力和壽命。目前世界上用於電子直線加速器上的電子槍，其陰極的形式多種多樣，歸納起來可以有兩種劃分方法：
直熱式陰極多半採用純鎢作陰極材料，加熱電流直接通過陰極。間熱式陰極一般採用敷釷鎢、敷氧化物、鈧酸鹽、六硼化鑭陰極，它分為轟擊型和加熱型兩種。
1、轟擊型：其加熱方式是通過在熱子（燈絲）和陰極之間加上幾百乃至上千伏的轟擊電壓，在此電壓下，從熱子發射的電子轟擊陰極，使陰極加熱到一定溫度後從其表面發射出大量電子來。
2、加熱型：這種陰極，化合物層固定在薄壁的底托上（鎳管或鉬管），底托下面放著耐熱絕緣的螺鏇鎢絲。電流流過燈絲，燈絲燒熱陰極，當陰極達到發射電子的溫度時，就發射出電子來。
陰極的材料及其工作溫度對電子槍的發射能力和壽命有決定作用。陰極必須選用低逸出功的材料。陰極表面原子的外層電子，受到一定的熱能或電能的激勵後，會越出軌道的束縛而成為自由電子。
熱發射式電子槍的燈絲陰極一般是用鎢絲製成的，必須靠電流將燈絲加熱到一千度以上，燈絲髮射電流密度 與燈絲溫度 及燈絲材料的逸出功有關。
以鎢絲溫度為例，其逸出功為4.55電子伏，在工作溫度為2500K時，J=0.5安/厘米2。
燈絲溫度對電子的發射強度的影響是很大的。如果採用逸出功更小的陰極材料，在獲得同樣發射強度的條件下，還可大大降低燈絲溫度。為了使陰極壽命儘可能的延長，要求材料有較高的熔點和較小的蒸發率，並且不容易受空氣侵蝕而中毒。鎢絲的熔點為3655K，在工作溫度為2750K時，蒸發率為0.0043毫克/厘米•秒，鎢絲的耐侵蝕性較強。氧化物陰極的逸出功更低，例如氧化鋇的逸出功只有2.8電子伏，但其耐蝕性差，一般只適宜在10-5-10-6毫米汞柱的高真空下工作，在10-4毫米汞柱時，其發射本領顯著下降，在10-3毫米汞柱下工作時，甚至會嚴重地中毒，不能再繼續使用。
場致發射式電子槍要求在陰極表面附近有大於106伏/厘米的強電場，提高陰極表面場強，是增大發射強度的有效途徑。
一般來說，電子槍的電流強度總在1毫安以上，脈衝電子流可達安培級，壽命在100小時以上。
[編輯本段]五、 電子槍的工作原理
1、二極槍工作原理
在電子槍陰極附近發生的物理過程與電子二極體中所發生的物理過程非常類似。大家知道，在二極體中電流的流通，是由陰極發射的電子的運動來實現的。若在二極體的陰極與陽極之間加上一定的正向電壓Ua，陰極逐漸加熱（逐漸增大燈絲的加熱電壓Uf），記錄相應的陽極電流Ia，可得到一條Ia/Uf關係曲線。改變Ua可得到另一條IaUf關係曲線。當Uf比較低時，即陰極溫度較低時，陽極電流Ia隨著加熱電壓的增大而增長很快。當Uf超過某一數值時，陽極電流Ia不隨燈絲加熱電壓Uf的增大而增大，若繼續提高Uf對陽極電流的增大並無好處。我們知道，在一定的陰極溫度下，陰極有一定的發射電流，陰極溫度愈高，則發射電流愈大。當陰極溫度足夠高時，繼續增高陰極溫度（此時陰極的發射電流仍在增大）而陽極電流不變，這表明此時陰極發射的電流沒有能全部到達陽極。考察不同的Ua所對應的不同曲線，情況都是一樣。因為二極體的陰陽極之間加有正向電壓Ua，因此陰陽極間會形成一定的電場分布，在陰極未加熱時，該電場分布是穩定的。當陰極加熱後，陰極開始發射電子，電子在Ua的作用下飛向陽極。由於有空間電荷的存在，陰陽極之間每一點的電位都要下降，當陰極溫度不太高，發射的電子不太多時，陰陽極之間仍為加速場，電子在此電場作用下都能到達陽極。隨著陰極發射電子的增多，陰陽極表面電位梯度的變化是不同的，因為陰極表面的電子除了受陽極加速電場的吸引外，還受到前面空間電荷的排斥作用，因此電子所受到的力較沒有空間電荷時小，即電位梯度減小；而在陽極表面的電子除了受陽極加速電場的吸引外，還受到後面空間電荷的推力，所以電位梯度增大。若繼續提高陰極的溫度，空間電荷的密度繼續增加，由於空間電荷的作用，將使陰極表面的電位梯度下降為零，此時空間電荷在陰極表面產生的電場恰好等於加速場，但方向相反，陰極表面不再受電場力作用。大家知道，電子自陰極逸出要具有一定的初速度，即使陰極表面電位梯度下降至零，繼續提高陰極溫度，空間電荷密度仍能增大，這時，陰極表面電位梯度變為負值。即在陰極附近空間電荷產生的電場大於陽極電壓Ua產生的加速場。
從陰極發射出來的電子，具有不同的初速度。只有初始動能大於最低電位位能的電子，才能克服陰極表面附近的負電場而越過最低電位，進入加速場飛向陽極；而那些初始動能比較小的電子，在空間電荷的作用下又返回了陰極。在平衡狀態下，單位時間內跑向陽極的電子數加上返回陰極的電子數，等於陰極發射進入空間的電子數。繼續增高陰極溫度，則陰極發射增加，空間電荷密度也增加，這等於加強了陰極表面附近的負電場，受負電位作用返回陰極的電子數增多，而跑到陽極的電子數卻增加微少。
在陰極加熱溫度低時，陰極發射的電子都可以到達陽極，此時陽極電流取決於陰極發射溫度，稱為溫度限制。這種情況下，陰極加熱溫度的變化，對發射電流的影響很大。當加熱電壓繼續加高，空間電荷效應起主要作用，陽極電流受空間電荷限制。加速器的電子槍主要工作在空間電荷限制狀態下。
2、皮爾斯型電子槍的工作原理
目前世界各國電子直線加速器的電子槍，多數採用的是皮爾斯型電子槍，這種電子槍的光學系統主要包括陰極、陽極和聚焦極，有的加有柵控極，通常聚焦極的電位等於或接近陰極電位，陽極為地電位，陰極上加有負脈衝高壓。陰極和陽極構成一個二極體，陰極受熱子（燈絲）加熱烘烤，熱子由交流電源供電，當陰極加熱到一定溫度時，即有熱電子發射，在陰陽極間加速電壓的作用下，形成電子束飛向陽極。電子束受聚焦極作用朝著陽極孔飛行，最終穿過陽極孔進入加速系統。
3、柵控槍工作原理
隨著加速管的改進，採用低壓注入的技術成為可能；同時現在的醫用加速器，根據放射治療的需要，要求改變注電流達到既能出X射線，亦能出電子線的要求。這樣的電子槍陽極電壓可降到7-15KV，注流在200—1000ma的範圍內變化。在出電子線時注流能逐漸降到很低的數值（醫用加速器工作在X線治療和電子線治療時對束流強度的要求差別甚大，相差百倍以上）。低壓注入技術的解決，為柵控槍的使用打下基礎。低壓槍可以大大縮小電子槍的尺寸，減低電極間絕緣瓷件耐壓的要求，減低了離子回轟陰極的能量，更重要的是電源的體積，重量以及效率可以大大提高。對於柵控槍的設計，人們一般是在二極槍設計的基礎上，增加一個控制極(柵極)。當柵極對陰極加上一個不大的負電壓(截止偏壓一Egc)時，使陰極發射截止；這相當於在脈衝的間隙期停止放射，而脈衝的持續期控制極對陰極加上零或一個不大的正電壓，使陰極發射電子，通過對這個正電壓的調整，達到對電子注流的控制。而陽極對陰極的電壓，可以始終加上一個穩定的直流高壓。顯然直流電源電壓的幅度穩定，比高壓脈衝調製器的高壓脈衝幅度的穩定容易得多。因而也減輕了對電源設計上的壓力。人們加設的控制極，通常有三種形式，它們的結構形式在第一部分已經給出，它們的工作方式，現分別簡述如下：第一種孔柵槍：它是在結構設計上將二極槍的聚焦極與陰極絕緣開來，適當修改聚焦極的設計，使其能在相對陰極而加的偏壓(-Ego)的絕對值儘量低時情況下，實現電子注的截止。一般經驗是，當P＜0.5微朴，槍壓縮比較小時，|—Ego|／Va可以在低於25％的情況下，實現孔柵槍設計。第二種針柵槍：它是在陰極的中心安置一個與陰極絕緣而垂直於陰極面的小針，以此針為控制極，它的截止電壓，大致可以做到或稍低於孔柵槍的水平。但對針柵槍而言，其陰極、針柵極在結構設計上較複雜，目前國內較少使用，而俄羅斯在這方面技術較成熟，他們可以在針柵上復上一層反發射物質，以降低柵發射。不過對於存在較強離子反轟的加速管採用此種控制極是否可行，有待實踐證明。第三種網柵槍，它是在二極槍中距陰極1％—3％的等位面上設定一柵網，當柵網對陰極加上相當於網在平面的電位時，並不大改變原二極槍的電位分布。這種柵的截止偏壓可以設計得很低。這將有利於柵控電源的製作。
