JPH0389432A - 準光学式ジャイロトロン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、環状の陰極を有する電子ビーム銃が電子ビー
ムを発生し、この電子ビームは電子ビームに沿って走る
と共に静磁場で圧縮されて旋回され、これによって電子
ビーム軸に垂直に配列された共振器軸上に、互に対向し
て置かれた２つのミラーを有する準光学式共振器内に、
所定波長の定常な交番′ｆ！ＩＭ１波を励起させる準光
学式ジャイロトロンに関する。

（従来の技術） 頭初に挙げた型式の準光学式ジャイロトロンは、例えば
、特許ＣＨ−６６４０４５、あるいは論文”　Ｄａｓ　
Ｇｙｒｏｔｒｏｎ、　５ｃｈｌ’ｕｓｓｅｌ−ｋｏｍｐ
ｏｎｅｎｔｅ　ｆｉｎＨｏｃｈｌｅｉｓｔｕｎｇｓ−Ｍ
ｉｋｒｏ−ｗｅｌｌｅｖｓｅｎｄｅｒ　　（大電力マイ
クロ波送送器のキーコーボーネントとなるジャイロトロ
ン）　、Ｈ，Ｇ、　Ｍａｔｈｅｗｓ＋　Ｍｉｕｈ　Ｑｕ
ａｎｇＴｒａｎ＋　Ｂｒｏｗｎ　Ｂｏｖｅｒｉ　Ｒｅｖ
ｉｅｗ　６　１９８７、ｐ１３０３〜３０４により公知
である。このよ°うなジャイロトロンは、典型的には１
５０ＧＨｚ以上の周波数で作動し、連続間欠運転で少く
とも１００ｋＷのビーム出力を発生できる。

上記のようなジャイロトロンは、電子光学的な理由から
、環状の電子ビームを有する。この電子ビームが共振器
に入射すると、電子流の一部は定常交番電磁場のノード
面を通過し、従ってこの電磁場の励起にはあまり寄与し
ない。一方、定常交番電磁場の波動腹では電子ビームの
方位角方向の運動エネルギの大部分がマイクロ波エネル
ギに変換される。従って、電子ビームのエネルギの成る
一部分が利用されないということは、避けられないこと
である。

この問題はよく知られており、これに対する解決方法が
すでに多数提案されている。発表論文”　Ｔｈｅ　ＮＲ
Ｌ　Ｑｕａｓｉ−ｏｐｔｉｃａｌ　Ｇｙｒａｔｒｏｎ　
Ｅｘｐｅｒｉ＋５ｅｎｔ（ＮＲＬ準光学式ジャイロトロ
ンの実験”）　、Ｔ、Ａ。

Ｈａｒｇｒｅａｖｅｓ　ｅｔ　ａｌ、、赤外およびξυ
波に関する第１２回国際会議、”１２月１４〜１８日、
１９８７、しａｋｅ　Ｂｕｅｎａ　Ｖｉｓｔａ　（（ｊ
ｒｌａｎｄｏ　）、フロツグＲ，Ｊ。

Ｔｅｍｋｉｎによる会議ダイジェストｐ、２３９〜２３
９では、効率の改善のために、マグネトロン式放射銃の
代りに、層状のビームを有する電子銃を用いることが提
案されている。

層状ビーム電子銃に対する具体的な提案としては、例え
ば、発表論文”　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　Ｑｕａｓｉ
−ｏｐｔｉｃａｌＧｙｒｏｔｒｏｎ　ｗｉｔｈ　５ｈｅ
ｅｔ　ｔ！１ｅｃｔｒｏｎ　Ｂｅａａ＋　　　（シート
電子ビームを有する準光学式ジャイロトロンの設計）　
、Ｍ、Ｅ、　Ｒｅａｄ　ｅｔ　ａｌ、＋赤外およびξり
波に関する第１３回国際会議、１２月５〜９日、１９８
８、ホノルル、ハワイ、Ｒ，Ｊ、　Ｔｅ＋ｗｋｉｎによ
る会議ダイジェＸ）ｐ、２７９〜２８ｏ１が知られてい
る。

この場合は、平行に配列されたリボン状の複数の電子放
射用の陰極エレメントが設けられ、これが所望の層状の
ビームを出射する。

このような電子ビームは、ジャイロトロンの効率を著し
く高めることは確かであるが、製作コストが高く、さら
に全く新しい方式の電子ビーム光学系を必要とする。す
なわち、今までに製作されたジャイロトロンは回転対称
のビームに対応してレイアウトされており、従って、そ
のままでは新方式の層ビーム銃では駆動できない。

準光学式ジャイロトロンの出力をさらに増大するために
は、電子ビームの電流密度も高める必要がある。この方
向での重要な進歩はいわゆる混合金属マトリックス陰極
の開発に伴って行われ、例えば特許Ｅ　ＰＱ、１５７，
６３４　Ｂ　１により公知である。

これを実現する高い電流密度（ＩＯＡ／ｃｍ以上）、お
よび従来の電子ビーム光学系との両立性によって、従来
のジャイロトロン構造での全出力の改善が可能となる。

これに関連して、注入された陰極、およびいわゆる拡散
陰極の技術についても言及する必要がある。この技術の
概要に関しては、“ＤｉｓｐｅｎｓｅｒＣａｔｈｏｄｅ
ｓ；　Ｔｈｅ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　５ｔａｔｅ　ｏｆ　Ｔ
ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（デイスペンサ陰極；最近の技術動
向）　、Ｌ、Ｒ。

Ｆａｌｉｅ、　Ｈｕｇｈｅｓ　Ａｉｒｃｒａｆｔ　Ｃｏ
ｍｐａｎｙ＋　ＥｌｅｃｔｒｏｎＤｙｎａｍｉｃｓ　Ｄ
ｔｖｉｓｉｏｎ、　Ｔｏｒｒａｎｃｅ、カリフォルニヤ
＼Ｉ　ＥＤＭ８３、ｐ、４４８〜４５１、Ｉ　ＥＥＥ１
９８３に述べられている。また、下記の論文”　Ｐｅｒ
ｆｏｒｍａｎｃｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｒｅ
ｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔＭ−ｔｙｐｅ　Ｄｉｓｐｅｎｓ
ｅｒ　Ｃａｔｈｏｄｅ　　（３つの異るＭ−型デイスペ
ンサ陰極の性能解析）　、Ｂ、　Ｌａｔｉｎｉ、　Ｐ。

Ｃｒ１ｓｔｉｎｅ、　１．　Ｆｒａｇｅｌａ、およびＧ
、　Ｍａｒｌｅｔｔａ。

Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｔｕｂｅｓ　ｉｎ　Ｓｙｓｔｅｍ
ｓ＋　Ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｎｄＰｒｏｓｐｅｃｔｓ　
　（システム内マイクロ波管、問題と動向）に関する国
際会議、ロンドン、１９８４年１０月２２〜２４日、会
議出版誌１１ｈ２４１、ｐ３５〜４１からは、陰極の電
流密度が、適当な金属、例えば、オスミウム／ルテニウ
ム、オスミウム／タングステン、イリジウム、および同
類の金属で被覆することによって著しく向上されること
が知られている。

（発明が解決しようとする課題） 従って本発明の課題は、頭初に挙げたようなジャイロト
ロンにおいて、高いビーム出力が得られると共に、高い
効率が得られ、さらに従来提案されている解決手段の欠
点を克服した準光学式ジャイロトロンを提供することで
ある。

（課題を解決するための手段と作用） 本発明による解決手段は、環状の陰極を交互に、放射パ
ワーの高いセグメントと放射パワーの低いセグメントで
構威し、電子ビームが方位角方向で電流密度が変化する
ようにし、さらに低い電流密度の値が、共振器内で、定
常交番電磁波のノード面と一致するようにすることであ
る。

これらのセグメントは好ましくは、周期的なパターンを
有する平行なリボンの円形リングへの積重ねとして形成
されている。パターンの周期は、圧縮率と半波長との積
、またはその整数倍に対応させることが有利である。本
実施Ｂ様では、層ビームの利点と、円筒対称な電子ビー
ム配列との利点とが最適に組み合わされている。

好ましい一実施態様では、高い方の放射パワーが低い方
の放射パワーに対して少くとも２倍の値に選定されてい
る。これによって効率の著しい向上が確保できる。

陰極電流の過度の集中を防ぐために、環状の陰極は、高
い放射パワーのセグメントが陰極のできるだけ大部分の
面積を占めるように形成されている。

本発明における陰極は、種々の型式に製作できる。第１
の可能性は、マトリックス電極を電子放射仕事量を低減
する金属、例えばオスミウムを含む混合金属で選択的に
被覆することである。この場合、上記の金属で被覆され
た場所が、高い放射パワーのセグメントを形成する。オ
スミウムを含む層は極めて簡単な方法で（例えば、対応
して形成されたマスクを通してのスパッタリングによっ
て）製作でき、放射率を２〜５の係数骨だけ向上させる
。この実施例における利点は、全体の電流が非常に大き
くなり、さらに電子のエネルギは、高い放射パワーと低
い放射パワーのセグメント間の緩かな転位によって、ビ
ーム内に極めて一様に分布されるということである。

第２の可能性は、マトリックス電極を、放射を阻止する
物質、すなわち放射しないか、または放射の弱い材料、
例えばモリブデン／ルテニウム層で選択的に被覆するこ
とである。この場合は、被覆された領域が低い放射パワ
ーのセグメントを形成する。この実施態様の利点は、高
い放射パワーと低い放射パワーとの比が大きいというこ
とである。

また第３の可能性は、種々の放射パワーをもった別々の
セグメントを組合せた陰極を構成することである。放射
パワーの低い方のセグメントは、例えばモリブデンから
、また放射パワーの高い方のセグメントはマトリツブス
ミ極材料から構成されている。この方法を用いると、放
射パワーの高い領域と低い領域とが互に厳密に分離でき
る。

他の多数の実施態様は特許請求の範囲の従属請求項に示
されている。

（実施例） 以下、本発明の各実施例を図面を参照して説明する。な
お、各図面において同一の部分には同一の記号を付けて
いる。

第１図は、本発明を説明するための、準光学式ジャイロ
トロンの基本的構成を示す系統図である。

第１図において、典型的には、陰極２、補助陽極３、お
よび陽極４を含む電子ビーム銃ｌが電子ビーム５を発生
する。この電子ビームは電子ビーム軸６に沿って走り、
例えばヘルムホルツ構成の２つのコイル１０ａ、１０ｂ
を介して発生する磁場によって圧縮され、次で準光学式
共振器内に進入する。この共振器は、共振器軸８上に互
に対向して配置された２つのξシー９ａ、９ｂから構成
されている。共振器軸８は、電子ビーム軸６に対しては
＼゛垂直なっている。

強力な磁場によって旋回される、電子ビーム５の電子は
、共振器内で、一定波長の定常な交番電磁場７を励起す
る。これによって共振器から所望のξり波またはサブξ
υ波が発生する。

準光学式ジャイロトロンに関する上述の事項は、頭初に
挙げた現状技術から十分に周知のことであり、従ってこ
こでは、これ以上の詳細な説明は不用である。

本発明では、電子銃１、特にその陰極２が新規である。

すなわち、陰極は環状であり、さらに本発明では、電子
ビーム５の電流密度が方位角に沿って変化するように作
られている。この場合、定常交番電磁場７のノード面で
電流密度が比較的に低く、波の腹、すなわち電場の強い
領域で電流密度が高くなっている。この目的のために、
陰極２は高い放射パワーと低い放射パワーの複数のセグ
メントを交互に配置して構成している。

第２図は、この様子を図示したものである。この場合は
一例として、リング状の陰極２が放射パワーの低い２つ
のセグメントｌｌａ、Ｉｌｂと放射パワーの高い２つの
セグメント１２ａ、１２ｂとを持つ場合を示している。

すでに述べたように、放射パワーの低い方のセグメント
ｌｌａ、、ｌｌｂは、共振器内で、定常電磁場７のノー
ド面において比較的小さ電流密度に達するように構成さ
れ、配置されている。第２図の右側に定常交番電磁場７
の振幅が、陰極から“見た”形で示されている。

この実施例では、陰極のセグメント化に、１つのノード
面と２つの波動腹が考慮されている。

上記２つの低放射パワーセグメントｌｌａ、１１ｂは同
じ大きさで、かつ電子ビーム軸６（第２図における中央
の図で画面に垂直）に関して対称になっている。中間に
ある高放射パワーのセグメン）１２ａ、１２ｂは、過度
の電流集中を防ぐために出来るだけ大きくしている。

基本的に各セグメントは、円形リング（陰極２に該当）
に平行なリボンの周期的なパターン（交番電磁場の振幅
パターンに該当）を積み重ねることによって成り立って
いる。この場合、パターンとしては、半波長と圧縮率と
の積に対応する周期をもつようにする。この場合、圧縮
率は、電子放射体（陰極）の位置における磁場の強さの
、共振器の位置（交番作用ゾーン）における磁場の強さ
に対する比を表わしている。

本発明の好ましい実施例によれば、高い電流密度、ある
いは交番電磁場の高い振幅の領域となるリボン（点網目
のリボン）は、互の間隔ｄにほゞ対応する幅すをもって
いる。この場合、幅すと間隔ｄとの和が、パターンの１
周期に対応する。この場合、高い電流密度から低い電流
密度への転位は、相対振幅が約０．７の点に位置してい
る。

電流密度を低減させるには、幅すを大きくすると共に、
相互間隔をこれに対応して小さく選定すればよい。逆に
効率を高めるには、幅すを小さくすると共に、交番電磁
場の振幅が最大になるようにマツチさせればよい。

第３図は、本発明の有利な他の実施例を示している。こ
の場合は、陰極は、高い放射パワーおよび低い放射パワ
ーのそれぞれ６個のセグメントを持っている。放射パワ
ーの高いセグメントは、図ではハンチングで示している
。図の右半分には、更に共振器の交番電磁場によって決
められる周期パターンが示されている。また左側には、
各セグメントの対応する開き角α１、α２、α３、α４
、α５、α、が示されている。

できるだけ高い効率を考えると、例えば次の値、すなわ
ちα、＝６４”、α、＝３５’、α、＝１０°、α４＝
２６°、α、＝α３、α、＝α２が有利である。開き角
度に対する上記の値は、放射パワーの高いセグメント（
α９、α２、α３）を、共振器内で対応した高い電流密
度が、交番電磁場の中の相対振幅が少くとも０．９５の
領域を局部的にカバーするように選択することによって
得られる。これによって、ジャイロトロンの効率は理論
可能効率の約９０〜９５％になる。

少ない数のセグメントでも効率の著しい向上が得られる
ことも注意を要する。例えば、第２図で陰極で、高い放
射パワーと低い放射パワーとの比を約３：１にすると、
セグメント化しない陰極に比べて効率が約５０％向上す
る。

運転時は、定常交番電磁場のノード面は、ξシー９ａお
よび９ｂの調整によって、低い電流密度の領域に一致さ
せられる。

セグメントの数は基本的に、波長、圧縮率、およびリン
グ状陰極の直径に依存する。本発明では、放射パワーの
高いセグメントが少くとも２つ設けられている。セグメ
ントの数は、製造上の条件による最小構造寸法によって
も制約される。それぞれの場合において、セグメント化
した陰極は、約１／１０ｎまでの波長に適している。

簡単な数値例を全体として下記に示す。圧縮率を約２０
、波長を１１１とすると、平均直径約２０目の陰極を用
いて、は＼゛２つのノード面に適用できる。これに対し
て、波長が０．２　ｍの場合には、約２０個のノード面
に適用できる。１つのノード面に対して約２つの低放射
パワーセグメントを計算すると、この場合の陰極は、約
４０個の低放射パワーセグメントと、同数の高放射パワ
ーセグメントとから構成されることになる。

下記に、本発明の陰極を実現するための、いくつかの好
ましい方法について述べる。

第１の実施態様によれば、陰極として、放射パワーを強
力に促進する物質、特にオスミウムを含む金属で局部的
に被覆されたマトリックス陰極が用いられる。本発明の
目的のために、製造時の最終工程として、局部的に構成
されたオスミウムの層が被覆される（例えば、適当なマ
スクを通したスパッタリングで）。この場合、陰極のオ
スミウムで被覆された領域が、高い放射パワーのセグメ
ントを形成する。中間の被覆されない領域は係数２〜４
だけ低い放射パワーを有し、ノード面と同調する。

この種の陰極の表面はほとんど平坦なので、放射する電
、子はすべて、は＼同じスタート条件を有し、従っては
＼゛−様なエネルギ分布をもった電子ビームを形成する
。

本発明のもう１つの利点は、最終の製造工程、すなわち
適当にセグメントを切ったマスクを通してのオスもラム
のスパッタリングが、マトリックス陰極の通常の製造プ
ロセスの中に問題なく組み込められるということである
。特にこの実施例は、微細なセグメントをもった陰極に
対しても極めて適している。

第２の実施Ｂ＋Ｒでは、放射パワーを局部的に低下させ
るために、最終の製造工程で、放射を阻害する層、特に
モリブデン／ルテニウム層によってマトリックス陰極を
選択的に被覆している。このような被覆がなされたマト
リックス陰極の領域は放射を行わず、従って共振器内の
交番電磁場のノード面に最もよく適応する。

モリブデン／ルテニウム層が、特にあまり小さくないセ
グメントについて、後から被覆されるようにすると、流
れ作業で製造される純粋のマトリソクス陰極が、大きな
コストの追加を招くことなく、本発明の目的に合うよう
に機能を改善することが可能となる。

また第３の実施態様によれば、陰極は多数の部材から構
成されている。例えば、ろう付け、または溶接によって
結合された複数の部材が、高い放射パワーと低い放射パ
ワーの材料で交互に構成されている。これに適した材料
はすべて、マトリックス陰極の材料として周知のもので
ある。同様に、モリブデンおよびモリブデン合金も適し
ている。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、簡単な方法によっ
て、従来の準光学式ジャイロトロンの効率を向上するこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、準光学式ジャイロトロンの基本的な系統構成
を示す縦断面図、第２図は、放射パワーの高い２つのセ
グメントを有するセグメント構成の環状陰極の基本的な
構成図、第３図は、放射パワーの高い６つのセグメント
を有するセグメント構成の環状陰極の基本的な構成図で
ある。 １、電子ビーム銃 ２、陰極 ３、補助陽極 ４、陽極 ５、電子ビーム ６、電子ビーム軸 ７、交番電磁場 ８、共振器軸 ９ａ、９ｂ、　　ミラー １０ａ、１０ｂ、コイル

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ａ）環状の陰極を有する電子ビーム銃が電子ビーム
   を発生し、 ｂ）この電子ビームは電子ビーム軸に沿って走ると共に
   静磁場で圧縮されて旋回され、 ｃ）これによって、電子ビーム軸に垂直に配列された共
   振器軸上に、互に対向して置かれた２つのミラーを有す
   る準光学式共振器内に、所定波長の定常な交番電磁場を
   励起させる、準光学式ジャイロトロンにおいて、 ｄ）上記リング状の陰極は、高い放射パワーおよび低い
   放射パワーのセグメントを交互に有し、電子ビームが方
   位角で変化する電流密度を持つようにすると共に、共振
   器内で低い電流密度の各値が、定常交番電磁場のノード
   面と一致するようになっていること、 を特徴とする準光学式ジャイロトロン。 ２、上記各セグメントは、周期的なパターンを有する平
   行なリボンの円形リングへの積重ねとして形成されてい
   ることを特徴とする請求項１記載の準光学式ジャイロト
   ロン。 ３、上記パターンの周期は、圧縮率と半波長との積、ま
   たはその整数倍に対応していることを特徴とする請求項
   ２記載の準光学式ジャイロトロン。 ４、上記高い方の放射パワーは、低い方の放射パワーの
   少くとも２倍の値をもっていることを特徴とする請求項
   ２記載の準光学式ジャイロトロン。 ５、陰極は少くとも、高い放射パワーをもった２つのセ
   グメントと、低い放射パワーをもった２つのセグメント
   を有することを特徴とする請求項２記載の準光学式ジャ
   イロトロン。 ６、上記平行なリボンはそれぞれ、相互の間隔にほゞ対
   応する幅を有することを特徴とする請求項２記載の準光
   学式ジャイロトロン。 ７、陰極は、放射を促進する材料、特にオスミウムを含
   有する材料で被覆された構造的な領域を有するマトリッ
   クス陰極であり、さらに高い放射パワーのセグメントが
   この被覆された領域で形成されていることを特徴とする
   請求項１記載の光学式ジャイロトロン。 ８、陰極は、放射を阻止する材料、特にモテブデン／ル
   テニウムで被覆された構造的な領域を有するマトリック
   ス陰極であり、さらに低い放射パワーのセグメントがこ
   の被覆された領域で形成されていることを特徴とする請
   求項１記載の光学式ジャイロトロン。 ９、陰極は、マトリックス陰極であり、また低い放射パ
   ワーあるいは高い放射パワーのセグメントは、交互に放
   射パワーの異る互にろう付けした部材から形成されてい
   ることを特徴とする請求項１記載の光学式ジャイロトロ
   ン。