JPH0317340B2

JPH0317340B2 -

Info

Publication number: JPH0317340B2
Application number: JP59121666A
Authority: JP
Inventors: Jei Deioone Nooman
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1983-06-13
Filing date: 1984-06-13
Publication date: 1991-03-07
Also published as: US4562380A; JPS6012644A

Description

【発明の詳細な説明】（技術背景）サイクロトロン共振メーザ（すなわちジヤイロ
トロン）級の装置は複雑な高周波回路構成によら
ないでミリメートル波長の高周波電力を発生する
ための有効な装置であることが証明されている。
要するに、動作の原理は、強い一様な軸方向磁界
によつてサイクロトロン周波数が決定される中空
モノエネルギービームの電子が主として円筒形導
波管内で進行波の横方向無線周波電界と相互作用
をすることに基づいている、電子ビームからの電
力取出しはドプラシフト・サイクロトロン周波数
との導波管モード分散曲線の交点の付近で行われ
る。

ジヤイロ増幅器の動作特性の決定的な局面はビ
ーム形成・集束装置の品質である。この装置は、
強い磁界（調波に応じて0.4ないし1.8T）におい
て長い無線周波相互作用帯域（25ないし50サイク
ロトロン周期）にわたつて高い回転エネルギー成
分を持つた実質上モノエネルギーのビーム（高効
率のために低い軸方向速度広がり）を首尾よく供
給しなければならない。ビーム装置は次に許容可
能な電力密度レベル（＜3KW／cm²）で外部冷却
コレクタ面において変調及び非変調ビームを共に
適当に分布しなければならない。ビームの半径方
向の空間分布は所望モードとの相互作用を選択的
に最小にするために関心事のモードの電界の腹の
近くの位置に有利であるべきである。実際問題と
しては、所与の組のビームパラメータに対してこ
れらすべての要件を満足させることは困難であ
る。

所望のビームパラメータの間で実行できる妥協
を行うための従来技術における最も有効な方法は
いわゆる「磁電管注入銃」（MIG）である。MIG
形銃はジヤイロトロン発振器に対しては十分な性
能を与えるが、高利得でのジヤイロ増幅に必要と
されるはるかに長い相互作用長に対してはぎりぎ
りの性能しか与えないようである。MIG形銃の
欠陥は電子効率に悪影響を与える過度の軸方向速
度広がりであると認められている。

MIG形銃に関係した幾何学的形状は狭いスト
リツプビームを発射するための適当な境界条件を
与える。しかしながら、幾つかの複雑な制限があ
る。実用的な電子放出極の電流密度は現在約
8A／cm²の上限を持つている。表面のあらさ、放
出電子の初期熱速度、及び特に低速度での、ビー
ムの空間電荷は重大な軌道のひずみを発生し、こ
れが発射ビームにおける速度広がりを生じさせ
る。このために、温度制限動作を採用して、放出
極表面に10⁵〜10⁶V／cm程度の局部的に高い電界
を与えることによりビーム発射中の走行時間を減
小させるようにすることが必要である。

磁界反転、及び高ミラー比で動作したピアス形
銃の二本集束のような別の方策を用いることによ
つてビーム形成状態を改善する形の試みもある。
磁界反転を使用した遮へい中心極銃の公式化は、
「テクニカル・ダイジエスト・アイ・イー・デイ
ー・エム」336〜338ページ所載の、エヌ・アー
ル・バンダープラーツ、エイチ・イー・ブラウン
及びエス・アーンによる「中心磁極を備えた磁気
遮へい式電子銃」（“Maqnetically−shielded
Electron Guns with ａ Center Magnetic
post、”N.R.Vanderplaats、H.E.Brown and S.
Ahn、Technical Digest IEDM、pp.336−338、
Wash.（1981））に記載されている。

ジヤイロトロン形の無線周波相互作用に適する
電子ビームには通常のＯ形マイクロ波管に使用さ
れたものとは実質的に異なつた電子銃を必要とす
る。電力変換はジヤイロビームの回転運動パワー
に関係しているので、この新しい方の種類の装置
に対するビーム形成は、有効な動作のためには典
型的には1.0ないし2.0である横方向対軸方向速度
比αを発生しなければならない。更に、よりよい
性能を与えるためには、長手方向速度広がりを小
さく（発振器に対しては20％未満、増幅器に対し
ては５％未満）に保つことが望ましい。

（目的）それゆえ、この発明の目的は、前述の要件を満
たす新形式のジヤイロビームに電子銃を与てるこ
とである。

この発明の別の目的は、従来の磁界式銃形態に
関係した制限事項の大部分を取り除いた新規なビ
ーム形成方策を与えることである。

磁気集束の問題と静電ビーム形成の問題が別に
なつていることがこの発明の特徴である。

（発明の概要）この発明のこれら及びその他の目的及び特徴
は、磁気的に遮へいされた領域内で円すい形電子
ビームを形成する電子銃を与えることによりこの
発明によつて達成される。磁気遮へい領域内の静
電界は、ビームの電子が磁気遮へい領域の出口領
域の近くで互いにほぼ平行な経路で進行するよう
にされるので、実質上層状のビームを与える。こ
の層状ビームは実質上外部の磁界に注入される。
典型的には45゜である注入角度は、外部磁界の軸
方向と外部磁界の対称軸を横切る方向とにおいて
実質上等しい速度を持つた電子ビームを与える。
外部磁界は遮へい領域の外側の領域においては実
質上一様な磁束密度であるが、所望の小さい縦方
向（長手方向）速度広がりを持つた中空のジヤイ
ロビームを発生する電子ビームの磁束集束を与え
るように制御された方法で遮へい領域の出力開口
に延びている。しかしながら、磁極を越えた外部
磁界を変えてαの最終速度比値を制御することが
できる。

この発明の遮へい銃方式の利点は重要である。
第一に、磁界領域の外側の円すい形ビームの形成
はMIG形銃によつて代表される磁界浸し方式に
固有の放出極（エミツタ）電流密度制限事項の軽
減を与える。第二に、ビームの磁気集束と静電ビ
ーム形成との分離により、速度広がり特性におい
て実際上不利のない空間電荷制限動作が可能にな
る。第三に、空間電荷制限動作の結果として、こ
の発明の銃を使用した増幅器の雑音指数は変動電
流の空間電荷平滑のためにMIG形銃に対して幾
分低い値を呈する。第四に、遮へい領域において
利用可能な空間は電子ビームの非遮断格子制御を
可能にする。第五に、磁界へのかなり大きい
（20゜ないし50゜）ビーム注入角度により、所要レ
ベルの磁気圧縮を減小させる初期横方向速度対軸
方向速度比が発生される。

（実施例の説明）この発明のその他の目的及び特徴は添付の図面
に関連して行われる次の説明において説明され
る。

第１図には、円すい形電子銃１０の概略図が示
されており、ここで中心磁極１９２上の同軸調整
コイル１１を流れる小駆動電流Icはビーム半径及
びその横方向速度比に対する制御パラメータとし
て機能する。円すい形条片である放出面１４を備
えた電子放出極（エミツタ）１３は磁気遮へい１
７の内部領域１６において電子ビーム１５を与え
る。ビーム１５の電子は集束させられ且つ方向１
８において加速されて、磁気遮へい１７の開口１
９を通つて無磁界領域１６から出る。磁気遮へい
１７の外側には超伝導形のものであるようなソレ
ノイド２０によつて外部磁界Ｂが与えられてい
る。磁束密度Ｂの大きさは磁気遮へい１７の飽和
点未満であり、従つて磁気遮へい１７の内部の磁
界は実質上０になる。正しく形成された層流状の
ビーム１５は静電界によつて、空間電荷制限式動
作に十分な温度に加熱された放出極から全電圧に
加速される。円すい形状の溝１９１を通過するさ
い、ビーム１５は加速用静電界から免れて、磁極
１９２，１９３の形状によつて決定される溝１９
１内の集束磁界に入る。

放出溝１９１は軸２１に対して約45゜の角度で
傾斜しているので、開口１９におけるビーム１５
の電子の横方向対軸方向速度比αは１の程度の値
を持つている。それゆえ、磁界中へのビーム注入
角度は磁界Ｂによる磁気圧縮後の結果として生じ
るαを制御する。出口開口１９に近くの溝１９１
内の漂遊磁界は軌道離脱を最小にするような形状
にされており、磁気捕獲帯域１９４の開始部であ
る。ビーム１５は軸２１の方向においては速度
Vaで注入され且つ軸２１を横切る方向において
速度Vtで注入される。その結果、外部磁界Ｂの
影響下にあるビーム１５の各電子は軸２２の周り
に回転を受け且つ又軸２２の方向に沿つて並進さ
せられて軸２１を中心とする中空ビームを形成す
る。このために電子の壁が生じて、各電子は中心
軸２１に平行な軸２２の周りに半径r_cで回転す
る。軸２２が存在する面の半径y_gはオリフイス１
９から電子が出て来る点におけるオリフイス１９
の平均半径によつて主として決定される。各電子
のサイクロトロン半径r_cは横方向速度v_t及び磁界
Ｂによつて決定される。電子軌道２３はラーモア
長（Larmor length）２４を持つているが、この
ラーモア長はビーム１５の横方向速度v_tの大き
さ、外部磁界Ｂの大きさ、及び電子ビーム１５の
軸方向速度v_aによつて決まる。遅波導波管２６は
回転電子中空ビーム２５を包囲し且つエネルギー
を電子ビームから導波管２６へ結合し且つ又これ
から電子ビームへ結合する。導波管２６の入口ポ
ート２７に供給される高周波信号はそれにより増
幅されて、出口ポート２８に結合された負荷に供
給される。中空ビーム２５は導波管２６に沿つて
進行し、集電極（コレクタ）２９に当たると終了
して、ここでビームのエネルギーは熱として散逸
する。理解されるはずであるが、第１図に示され
た構造物は真空構造体の内部に収容されている。
但し、磁界Ｂの源２０及び導波管２６は真空構造
体の外部に設けることもできる。表１は第１図に
示されたもののような構造物に対する例示的な数
値を与えるものである。

表１ビーム電圧V_k 33kV ビーム電流I_p 1A 放出極電流密度Jmax 2A／cm² 導波管半径r_a 2.745mm 速度比v_t／v_z（磁気圧縮後） 1.5 サイクロトロン半径r_c 0.4245mm 磁界Ｂ 1.22T 回転ビームの形成を二つの別個の部分に分割し
て電子ビームの発射を電子ビームの形成のさいの
磁気集束から切り離すようにするのが好都合であ
る。最初に、適当な電流、寸法及び層状性特性を
与えるような電極形状及び電圧を確立するために
ビーム形成の静電部分（低磁界帯域）が考察され
る。この段階に続いて、陽極ドリフト溝１９１の
内部から磁界帯域中へのビーム形成が考察され
る。これにより、所望の低速度広がりレベルを達
成するような領域１９４の非断熱的遷移帯域にお
ける適当な磁界形状を決定することができる。

傾斜角度形電子銃１０の主要な特徴は、その円
すい形ビームが大きい角度（45゜）で磁気捕獲帯
域に注入されて、ほとんど１の初期速度比α（α
＝v_t／ｖｚ）が与えられることである。同じ注入
ビームに対して異なつたαの案内中心半径r_gを得
るためには、磁気捕獲領域１９４における磁極形
態の細部を変えるだけでよい。又、この大きい挿
入角度のために銃電極に対して且つ又電圧ホール
ドオフに対して一層大きい空間が与えられる。放
出極は最終案内中心半径r_gに対して大きい半径値
r_kに配置されているので、陰極電流密度は、対応
するMIG形銃に対して可能であるようなレベル
よりも控え目なレベルに維持することができる。
このためにそれに対応して狭い放出極条片幅Ｗを
使用することができ、従つて幅Ｓの比較的狭いビ
ーム１５が可能となる。回転ビーム２５の半径r_g
及びそのサイクロトロン半径r_cは出口開口１９の
半径、ビーム電圧V_k、及び注入の領域１９４の
近傍における磁束密度Ｂの平均の大きさによつて
決定される。磁界へのビームの入射は非断熱的で
ある（ビーム追跡を必要とする）が、この帯域を
越えた捕獲ビームの通過は断熱的であつて、この
場合 γV_t ²＝k₁ (1) の断熱関係が生じ、無視できる静電界を考えると v_t ²＋v_z ²＝k₂ (2) である。断熱関係式(1)から横方向速度広がりは不
変量である。軸方向速度広がりは式(2)を用いて、
横方向速度広がりとα値の平方とに比例すること
がわかる。

△v_z／v_z＝α²（△v_tp／v_tp） (3) 但し、サブスクリプトＯは磁界Ｂへの初期挿入
値を示す。式(3)からわかることであるが、円すい
形溝１９１内でモノエネルギーの層流ビームを発
生することによつて横方向速度広がりを小さく保
つことができれば電子銃１０は低い軸方向速度広
がりを持つことができるかもしれない。

今度は第２図について述べると、図示した電子
銃設計のものは高周波相互作用帯域におけるビー
ム速度の不変性を維持しながらビーム電流レベル
を制御できる変調用陽極２００を備えている。陽
極２００はパルス式印加に対しては非遮断式低エ
ネルギー（2kV）格子スイツチングを与える。加
えて、陽極２００は中心磁極１９２のために必要
とされる空間を犠牲にすることなく静電集束のた
めの物理的寸法を小さくしながら、高角度のビー
ム傾斜において半径方向磁極片１９３に対して十
分なゆとりを与えることができる。重要な目的は
低い軸方向速度広がり△v_zを得ることであるか
ら、変調格子形陽極２００の電極方式の使用はこ
の点に関して少なくとも三つの方法に利点を与え
る。

第一に、チヤイルド・ラングミユア電位によつ
て支配される領域が短縮され且つこの後に強い高
電界の電界レンズがあるので、磁気捕獲帯域１９
４へのビームの走行時間が相当に減小する。ビー
ムの広がり及び速度広がりに対する放出電子の熱
速度の不利な影響はそれより最小限に保たれる。

第二に、第１変調陽極又は格子２００と陽極１
７（接地電位）との間の空間によつて形成される
強い電界レンズは磁気捕獲帯域１９４で終わる陽
極溝１９１に比べて短い焦点距離を持つている。
レンズ作用は空間電荷力から生じる正常な横方向
ビーム広がりに対する捕獲を与える。

第三に、非遮断変調格子２００の集束電極の二
つの半部２０１，２０２を電気的に分離すること
によつて、陽極溝１９１空間に沿つて円すい形ビ
ームを中心配置するために放出電極１３の寸法位
置における機械的公差に関係した不一致に対する
電子光学的調整を与えるために電位差（V₂₀₁−
V₂₀₂）に数パーセントのバイアスを与えるのが好
都合になる。磁気集束領域へのビームの入射角度
を補正することのできるこの能力は高ビーム伝送
を達成するためだけでなく機能的な電子銃方式に
おける軸方向速度広がり特牲の微調整のためにも
重要である。

第３図は第２図の放出極構造部１３を更に詳細
に示したものであり、この構造部は封入材料３２
内のヒータ３１から含浸形タングステン放出極環
１４への有効な熱伝達を可能にするために放出極
トラツピング形態を使用している。放出極１３の
面３３はビーム集束のために所望の静電界パター
ンを与える。

−10.4kVの変調陽極２００（陽極４００は存
在せず）及び−25kVの放出陰極１３を用いた43゜
の角度の電子銃の一例として、この例に対する軸
方向及び横方向速度広がり（電流重のはき）はそ
れぞれ1.2％及び1.4％で、注入α＝0.925である。
それゆえ、（変調格子２００・本体１７間の電界
レンズ作用のためにひどい角度広がりを持つてい
る）この例においては、軸方向速度広がりは（磁
気圧縮後）α＝２においては６％未満であろう。
この例は放出電子の熱速度がこの発明の傾斜角度
形電子銃１０の最終の速度広がらにおいていかに
重要な要因でないかを示すものである。

再び第２図について述べると、中間電位の第２
変調陽極４００は弱い電界レンズ（常に収束す
る）のように作用する。この作用は、やはり弱い
レンズ作用を持つ格子電極２００と関連して陽極
４００を利用することによつて利用することがで
きる。この格子電極のレンズ作用は、この制御素
子の焦点距離を例示するために格子電極電圧を−
24.2kVに下方に調整し且つ空間電荷を慎重に抑
制することによつて減小させられる。陽極２０
０，４００の二重レンズ系の合成作用は磁気捕獲
帯域１９４において形成ビームの最小角度分布
（層状）を与えることである。このようにして、
MIG形銃を含むすべての開口式ビーム形成方式
に固有の有限焦点距離の制限が有効に除去され
る。概念的には、第２図の設計は、最小角度分布
を持つた層状ビームを発生することのできる格
子・二重陽極複合方式に対する実行可能な手段を
示している。

ジヤイロ増幅器方式に対する電子銃の設計は、
速度広がり（＜５％）、制御格子２００の電圧
（V_kより5kV未満高い）、電流密度負荷（2A／
cm²）、及び第２図に示したような光学的補償用陽
極４００の使用の間の妥協を提供するコンピユー
タ・シミユレーシヨンの繰返しを伴う。所望の目
的物は次のビームにより得ることができる。すな
わち、Γ＝1.6（αの磁気圧縮比）、α＝2.0、I_k＝
2.8A、V_k＝−25_kＶ、V₂₀₀＝−23.5_kＶ、及びV₄₀₀
＝−10.4_kＶ、第２高調波では、ビーム包絡線パ
ラメータは0.500cmの案内半径r_gについてRmax＝
0.542cm、Rmin＝0.457cmである。無線周波相互
作用空間における速度広がりは△v_t／v_t＜１％、
△v_z／v_z＜４％である。

遅波ジヤイロ増幅装置における決定的な構成部
分は磁気集束装置である。これは高磁界を供給す
ることができ且つ集電極２９の領域と電子銃１０
の領域とにおける磁界を調整又は整形すると共に
無線周波相互作用帯域にわたつて規定形状の実際
上りブルのない磁界を維持できるものでなければ
ならない。、35GH₂においては、磁界のレベルは
基本動作に対しては約10.3_kＧである。

前述の考察事項は、正しく形成された円すい形
ビームを発射し且つこれを中ないし大の角度G_B
で集束磁界中に注入することによつて得られるは
ずの幾つかの実用的利点を示している。その中に
は放出極電流密度の明白な減小がある。このよう
な大きい角度条件下で低い速度広がり特性を達成
するためには、磁極１９２，１９３の整形は有効
な技法である。

磁界のいわゆる磁束関数（flux function）処
理法を用いることによつて複雑な磁界分布におけ
る軌道の動きを説明するためにブツシユの定理
（Busch′s theorem）（ピー・カーステイン、ジ
ー・キノ、ダブリユー・ウオーターズ著マグロー
ヒル社発行（1967年）「空間電荷の流れ」＝P.
Kirstein、G.Kino、W.Waters、“Space Charge
Flow、”Mcgraw−Hill、Inc.（1967）を参照せ
よ）を利用することができる。それにより、所与
の磁極形態に対する磁束関数（又は磁束線）が決
定されると、電子軌道を詳細に描くことができ
る。磁束関数ｗ（ｒ、ｚ）は磁気ベクトルポテン
シヤルA₀の方位内成分と半径値ｒとの積として
定義される（ｚは軸２１に沿つての座標値であ
る）。すなわち、Ｗ＝rAθ（ｚ）Ｗは半径ｒ内の全磁束を2πで割つたものであ
る。

磁束関数の最も便利な利用法は対称軸について
の電子角速度を表面するブツシユの定理と関連し
て生じる。すなわち、 θ〓＝〔γ_pr² _pθ_p＋η_p（ｗ−w_p）〕／γr² (4) （但し、サブスクリプトｏは任意所与の座標
（r_p′z_p）における値を示す。方程式(4)は軸対称の
系についてのみ有効であり、この場合η_p＝電子の
電荷対残余の質量比、γ＝１＋η_pｖ／c²である。
但し、ｖ＝静電位分布、ｃ＝光の速度（γ＝相対
論的質量補正係数）、ｒ＝軸２１から側られた電
子の瞬時半径であり、時間導関数は普通の点で示
されている。

基準点は、電子の初期方位角速度v_tが無視でき
るほど小さい放出極に選ぶのが有効である。方程
式(4)は軌道の数値計算を行うための貴重な道具で
あると共にこの発明の電子銃について予想される
速度広がりの動向を洞察するための有効な案内者
でもある。

この発明の磁気遮へい式中心磁極傾斜角度形電
子銃からのジヤイロビーム形成のための磁束集束
式方策は陰極電子放出極における電子放出点を結
ぶ磁束線に沿つて飛び飛びの点で接触したままで
ある個個の電子軌道からなつている。第４図にお
いては、ビーム１５の計算された電子軌道２５は
磁極ギヤツプ１９５における磁束線５０に沿つて
進んで磁気捕獲帯域１９４に入り、ここで磁束線
は急速に密度が増大して内方磁極１９２及び外方
磁極１９３から出て来るが、そのさい放出極をつ
なぐ磁束線５０１は磁極ギヤツプを滑らかに通過
することができる。飽和磁化レベルより下で満足
に動作するように設計された磁極材料では、溝１
９１の内部領域における平均磁束密度は非常に小
さい。従つて、磁束は磁束素子１９２，１９３に
より包囲された開口１９ではなく中心磁極１９２
によつて運ばれるので、軌道は実際上一様な（し
かし零ではない）磁束関数の領域内で開始され
る。

集束機構を説明するために、前の段落の力学的
方程式は静電界が無視できる領域に適用される。
放出極における初期角速度が無視できるという合
理的な仮定の下で、方程式(4)、すなわち対称軸２
１の囲りの電子角速度θは θ〓＝η_p（ｗ−w_p）／γr² (5) となる。同様に、静電界がないという仮定の下で
は、半径方向及び軸方向加速度方程式は r¨＝rθ〓²−η_pθ〓w_r／γ (6) z¨＝−（η_p／rγ）²（ｗ−w_p）w_z (7) によつて与えられる。０以外のサブスクリプトは
スカラー関数の部分導関数を示す。これら三つの
関係式から明らかなことであるが、電子は、その
軌道が放出極１４において電子の発射された磁束
関数値w_pに従うか又はこれと交わるときには軸
方向加速度を受けず且つ角速度を持たない。これ
らの点は平衡点と呼ばれる。適当に遮へいされた
放出極に対しては、すべての軌道が同じ初期磁束
関数値w_pの非常に近くで開始され、従つて同じ
時速線に沿つて平衡点を持つようになることを知
ることは重要である。

方程式(7)は低軸方向広がりを持つたジヤイロビ
ームの形成において重要な結果を有する。仮定に
より、ビームは流動するモノエネルギービームで
あつて、一定の大きさの速度を持つている。適当
な磁束関数分布を与えるように磁極を形成するこ
とによつて、軸方向加速度は、磁気注入中わずか
に正又はほとんど零に維持することができる。こ
れは、初期半径方向速度を軸方向速度に対する損
失なしで方位角速度に変換できることを意味す
る。

計算された電子軌道２５及び磁束関数線５０は
第４図に示されている。溝１９１の磁極ギヤツプ
１９５の内側では、小磁力だけが存在する。しか
しながら、磁気捕獲帯域１９４では、テーパの付
いた中心磁極１９２をつなぐ磁束関数線は軸にほ
とんど平行である。更に、磁束差分量ｗ−w_pが
軌道４１に沿つての最初の半径方向極小点におい
てその負のピーク値に接近するにつれて、軸方向
導関数w_zはほとんど零になる。これら二つの要
因の合成効果により磁気注入中ほとんど一定の軸
方向速度が維持される。磁束線が軸に平行になる
軸方向距離がラーモア（Larmor）ドリフト長２
４（１オービツト中に電子の進む軸方向距離）に
比べて短く（理想的には２分の１に）された場
合、磁気注入から生じる速度広がり分布は無意味
なものにすることができる。それゆえ、磁極形成
に適当な注意が払われたときには、半径方向注入
速度は磁束集束式ジヤイロビーム形成法の場合の
横方向速度に対する基礎を形成する。又、初期横
方向速度対軸方向速度比は、磁極の幾何学的形状
によつて、又は放出極における値w_p（これは実質
上中心磁極１９２を通る磁束である）を変える同
軸調整コイル１１によつて制御することができ
る。

円すい形ビームが磁界中に注入されて個個の電
子が１オービツト（軌道回転）を受けると、磁界
Ｂは任意所与の軸平面におけるビーム断面につい
てほとんど一様になる。このような条件下では、
個個の電子は、対称軸２１に対して案内中心半径
r_gを持つた瞬時的円形軌道を有するものと考える
ことができる。第５図に見られるように、電子は
案内中心r_gの囲りにサイクロトロン周波数ω_c、サ
イクロトロン半径r_cで回転する。対称軸２１に対
して、瞬時半径ｒは時間の関数としてｒ＝（r_c ²＋2r_cr_gcosω_cｔ＋r_g ²）^1/2 (8) によつて表される。ここで、初期時点はθが極大
半径値において零となる時にとられる。幾何学に
よつて案内半径は r_g ²＝r_c ²＋r_e ² から得られる。平衡湾形r_eは、磁束関数が放出極
におけるものに等しい軌道上の点においてとられ
ている。サイクロトロン半径を得るために、瞬時
速度比αが既知であると仮定して、次の関係式が
導かれる。

r_c＝α_c（r²−１）^1/2／（α²＋１）^1/2η_pB_z 磁束等高線及び軌道計算はこれらの評価には絶
対必要である。初期速度比に対する良い見積もり
は、第４図に描いた磁束集束方式を用いて α_p＝tanθ_B である。ここで、θ_Bは注入された円すい形ビーム
の円すいの半分の角度である。

規定の案内半径及び横方向速度比αを持つたジ
ヤイロビームの発生は磁束集束法における磁束線
の詳細事項に当然起因することがわかる。ビーム
注入のこの方法に対する基礎になつているのは磁
気ギヤツプを通る放出極からの磁束結合である。
磁極の幾何学的形状及び／又は小形同軸コイル１
１による中心磁極１９２を通過する磁束は、所望
の磁束結合を得るために且つ又ビームパラメータ
制御を与えるために調整することができる。

適当に形成された円すい形ビームの注入は、最
初のオービツトの領域において（第４図における
ように）磁束線を整形するように取り計らわれて
いるならば、この発明の磁束集束法により最小の
速度広がりで滑らかに行うことができる。方程式
(7)の積分は、（ｗ−w_p）がそのピーク値に近づく
につれてw_zを小さくすることができれば軸方向
速度v_zに比べて小さくすることができる。

磁束集束式注入は横方向速度比α_pの有利な初期
レベルを促進するが、それは又次の理由のために
低速度広がりの達成の方法にうまくえ適してい
る。磁気ギヤツプにおけるビームは、(a)放出極に
おける熱速度広がり、(b)電極装置の静電的異常、
及び(c)円すい形ビームの比較的小さい半径値にお
いては一層重要になる空間電荷膨張力、から生じ
るわずかな角度広がりだけを持つている。この角
度広がりはビームを圧縮する傾向のあるわずかな
磁気レンズ作用によつて部分的に補償される。方
程式(7)の磁束差分因子ｗ−w_pは、有限幅ｓの円
すい形ビームが磁極ギヤツプから出て来る軸平面
において半径について符号の変更を受ける。円す
い形ビームの外側部分における軌道はビームの一
層内側の軌道よりも大きい減速度（すなわち、小
さい加速度）を受ける。それゆえ、ビームの現在
のレベルに応じて磁気レンズ作用は角度広がり
（補償前典型的には弧の1゜未満）を最小にするよ
うに調整される。

電子銃設計に取り入れることのできる特徴は、
種種のレベルの電流動作に対して「最適の」磁極
形状を可能にするために中心磁極を真空包囲体か
ら取り出せるようにするための手段である。他
方、小形同軸コイル１１の使用はこの目的のため
に磁束形状を調整するさいの代替手段である。

磁気集束装置に対する超伝導ソレノイドの優先
的使用を考慮して、（半径方向磁極１９３を中心
磁極１９２に結ぶ）磁束遮へいを真空包囲体の外
部の機械的に取外し可能な物品として設計するの
が実用的である。このようにすると、電子銃組立
体を限られた内径の集束用ソレノイドに挿入する
のが容易になろう。管組立体はソレノイド内に配
置されてしまうと、必要な機械的付属物を設ける
のが簡単になるであろう。この方法によれば、取
外し可能な外部ソレノイドの包囲体を用いてビー
ム形成時の磁界調整を行うことが容易に可能とな
ろう。

要するに、傾斜角度形電子銃は従来技術の
MIG形浸し放電極式電子銃に比して顕著な利点
を持つている。第一に、一層低い雑音指数及び一
層安定な動作に結び付く空間電荷制限動作があ
る。実質上の陰極は物理的に放出極の上方に配置
されているので、表面のあらさによる影響はな
い。第二に、放出極が鋭く傾斜しているので、陰
極電流密度は物理的寸法を増大させることによつ
て減小させることができる。それゆえ、ビーム寸
法は大抵放出極半径に無関係である。第三に、傾
斜角度が大きいために、ビームはほとんどαの最
終値で磁界中に挿入される。第四に、静電的問題
が静磁気的問題から分離されているので、速度広
がり問題を背負い込むことなく陰極の近くの高空
間電荷を収容することのできる磁界整形用電極に
よつてビーム形成を促進することができる。それ
ゆえ、軸方向速度広がりは、約1.5ないし2.0の有
効な範囲におけるα値において５％未満に保持す
ることができる。

この発明の採択した実施例について説明してき
たので、当業者には明らかなことであろうが、こ
の発明の概念を具体化したその他の種種の実施例
も使用することができる。それゆえ、この発明は
開示された実施例に限定されるべきものではな
く、特許請求の範囲によつてのみ限定されるべき
ものであると思われる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の電子銃を備えたジヤイロト
ロン管の説明図である。第２図はこの発明の傾斜
角度形電子銃の一実施例を示す断面図である。第
３図は第２図の放出極構造部の更に詳細な断面図
である。第４図はジヤイロトロン管の部分縦断面
図に沿つての磁束線及び電子軌道のプロツト図で
ある。第５図は管軸の方向における電子軌道の図
である。これらの図面において、１０は電子銃、１１は
同軸調整コイル、１３は電子放出極、１４は放出
極環、１５は電子ビーム、１７は遮へい、１９は
開口、２０はソレノイド、２１は対称軸、２５は
電子ビーム、２６は遅波導波管、２９は集電極、
１９１は円すい形の溝、１９２は内側磁極、１９
３は外側磁極、２００は変調用陽極（制御格子）、
４００は陽極を示す。

Claims

【特許請求の範囲】１対称軸を持つた円すい形電子ビームを与える
ための装置、前記の電子ビームを磁気的に遮へいするための
装置、前記の遮へい装置内で前記の電子ビームを集束
させるための装置、を備えていて、前記の遮へい装置が、前記の円すい形電子ビー
ムが前記の集束装置によつて集束させられた後に
前記の電子ビームが前記の遮へい装置から出るよ
うにするための開口部を備えており、前記の遮へい装置が前記の対称軸に対して対称
であり、前記の遮へい装置が、前記の軸に沿つて延びて
いてこれに対称になつている内側磁極を備えてお
り、前記の遮へい装置が、前記の軸を横切り且つこ
れに対称になつている半径方向に延びた外側磁極
を備えており、前記の内側磁極及び外側磁極が前記の軸と同心
的な空間によつて分離されて前記の開口部を形成
し、前記の空間が前記の両磁極の間に円すい形の
溝を形成しており、前記の電子ビームが前記の円すい形の溝を通つ
て前記の遮へい装置を出る、電子銃。２円すい形ビームの円すいの半角度が20度より
大きい、特許請求の範囲第１項に記載の電子銃。３前記の電子ビームが層状のモノエネルギービ
ームである、特許請求の範囲第１項に記載の電子
銃。４前記の内側磁極及び外側磁極が前記の溝の終
端となる外部面を備えていて、ここで前記の円す
い形ビームが前記の遮へいを出、前記の外部面が
前記の軸について対称な円すい面内にあるように
テーパを付けられていて、前記の円すい形電子ビ
ームが入り込む磁界が変わるようになつている、
特許請求の範囲第１項に記載の電子銃。５円すい形電子ビームを発生するための前記の
装置が、前記の軸と同軸的であり且つこれを横切
る円形環状放出極からなつており、前記の遮へい装置が前記の開口部で終わる一様
な幅の円すい形溝を備えていて、前記の開口部が
円形で前記の軸の周りに対称であり、前記の円形放出極が、前記の円すい溝の延長に
よつて形成される円すい面にある、特許請求の範囲第１項に記載の電子銃。６前記の集束装置が変調用格子電極からなつて
おり、且つ前記の格子電極を前記の放出極に対してバイア
スさせて、前記の格子電極と前記の放出極との間
に空間電荷を与えるようにするための装置が設け
られている、特許請求の範囲第１項に記載の電子銃。７前記の放出極が前記の円すい形電子ビームを
横切る円すい面上にある、特許請求の範囲第１項
に記載の電子銃。８環を横切る対称軸を備えた環の形をした電子
放出極、前記の放出極を取り囲み且つ前記の軸に対して
対称な磁気遮へい、円すい形の溝によつて分離された内側磁極及び
外側磁極を備えた前記の遮へい、前記の放出極の対称軸に一致した対称軸を備え
た前記の円すい形の溝、前記の遮へいと前記の放出極との間に電位差を
加えて、前記の溝を通つて前記の遮へいを出る円
すい形電子ビームを与えるようにするための装
置、を備えている電子銃。９前記の遮へいと前記の放出極との中間に制御
格子を備えていて、これに電圧を加えて電子ビー
ム電流の大きさを制御することのできる、特許請
求の範囲第８項に記載の電子銃。１０前記の制御格子が数個の環からなつてい
て、各環が前記の軸に対して対称的であり、前記
の第２及び第３の環の間の空間が十分に大きくて
前記の円すい形電子ビームを通過させることがで
き、且つ又前記の第２及び第３の変調用格子の間に電位差
を与えるための装置が設けられている、特許請求の範囲第９項に記載の電子銃。１１前記の遮へいと前記の制御格子との中間に
集束用陽極を備えていて、この集束用陽極が前記
の軸に対して対称であり、前記の集束用陽極が、
それぞれ前記の軸に対して対称である二つの円形
の第４及び第５の隔置された環によつて形成さ
れ、前記の第４及び第５の環の間の空間が十分に
大きくて前記の円すい形電子ビームを通過させる
ことのできる、特許請求の範囲第９項に記載の電子銃。１２円すい形電子ビームを発生するための対称
を持つた電子銃、前記の電子銃の対称軸と一致する対称軸を持つ
た対称形遅波導波管、前記の電子銃に隣接した領域に半径方向成分を
持つた磁界を前記の対称軸に沿つて発生するため
のソレノイド、前記の磁界領域に磁極片を備えた前記の電子
銃、軸方向において零に近く且つわずかに正である
値に前記の電子の軸方向の加速度を維持する磁束
分布を与えるように形成された前記の磁極片、を備えているジヤイロトロン電子管。１３前記の電子銃が、環を横切る対称軸を備えた環の形をした電子放
出極、前記の放出極を取り囲み且つ前記の軸に対して
対称な磁気遮へい、円すい形の溝によつて分離された内側磁極及び
外側磁極を備えた前記の遮へい、前記の放出極の対称軸に一致した対称軸を備え
た前記の円すい形の溝、前記の遮へいと前記の放出極との間に電位差を
加えて、前記の溝を通つて前記の遮へいを出る円
すい形電子ビームを与えるようにするための装
置、を備えている、特許請求の範囲第１２項に記載の
電子管。