JPH0628138B2 - 交差電磁界増幅管 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、一般には、二次電子放出カソードを有する交
差電磁界増幅管に関し、更に詳細には、半導体二次電子
放出カソードを有する高電流密度を供給可能なカソード
が必要な高電力交差電磁界増幅管に関する。

（背景技術） 従来の、例えば交差電磁界増幅管において用いる、非常
に薄い絶縁膜（フィルム）、例えばＢｅＯ，ＡｌＯ及び
ＭｇＯから作られる約50オングストロームの厚さの二次
電子放出カソードはトンネル作用により増強された導電
率を有する。従って、これらのカソードは、そのフィル
ムを交差電磁界高電力増幅管における二次電子放出カソ
ードとして使用することを可能にする高電流密度（約１
〜10Ａ／cm²）を供給することができる。しかし、これ
らの薄膜は比較的短い時間で電子衝撃によって侵食さ
れ、交差電磁界増幅管の寿命を制限する。これらの薄膜
は、例えば酸化マグネシウムから成り、高電力管に適用
する場合限定された寿命を有し、高電力で使用可能にす
るため製造するとき管のガス放出に長い時間を必要とす
る。ガス放出の問題を改善することなくカソードの寿命
を長くするためには、より厚い膜のカソードが望まし
い。膜を厚くすると、その膜の実効導電率に関する問題
即ち膜内に充電効果をもたらし、非常に薄い絶縁膜から
得られるよりも電流密度が減少する。従来における厚い
膜でより大きい導電率を得るときの問題を解決する１つ
の試みは、絶縁膜に金属粒子を導入することである。そ
の金属粒子は膜材料の導電率を改善する。しかし、二次
電子放出比を非常に低下させる。更に、金属粒子を加え
ることによって厚さを少し増加させることができても、
長寿命のカソードに必要な条件に適合することは期待で
きない。

（発明の概要） 従って、本発明の目的は、高電流密度で動作することが
でき、その増強された導電率によってより厚いカソード
を使用して長寿命を達成した二次電子放出カソードを有
する交差電磁界増幅管を提供することである。更に本発
明の目的は、高電力の交差電磁界真空管に使用するとき
受ける電子衝撃に耐える二次電子放出カソードを有する
交差電磁界増幅管を提供することである。

本発明の１つの特徴は、半導体カソードを使用して構成
された管のガス放出時間は従来のカソードに比較して小
さくなる。その理由は、酸化薄膜カソードと違って半導
体カソードには酸素がないからである。本発明の他の特
徴は、本発明の管のパルス動作において、出力パルスの
立上り時間が速く、数ナノ秒の精度の機器で測定したと
きパルスの前縁のジッタが認められないことである。

本発明によれば、前述の従来技術における問題は解消さ
れ、更に、本発明による二次電子放出半導体カソードを
有する交差電磁界増幅管によって他の利点が与えられ
る。不純物をドープした砒化ガリウム半導体は、真性な
砒化ガリウムよりも導電性が高く、大きい平均電流及び
ピーク電流で動作する高電力交差電磁界増幅管において
カソードとして組込まれるとき、従来の二次電子放出カ
ソードよりも性能が良いことがわかった。砒化ガリウム
のカソードによれば、従来の二次電子放出カソードを有
する交差電磁界増幅管よりも速い立上り時間及び前縁の
ジッタが非常に減少した高周波出力パルスを供給する。

（実施例の説明） 本発明を以下実施例に従って詳細に説明する。

半導体カソード11を含む交差電磁界増幅管10が第１図の
一部断面一部分解図に示される。管10は入力導波管13及
び出力導波管14を有するアノード12を含んでいる。その
アノードは、上部壁16及び下部壁17によって形成される
空胴15、外壁18、管の中心軸190 に平行に伸びる羽根
（ベーン）28から成る。ベーン28は、また半径方向に伸
び、その端部で上部壁16及び下部壁17に取り付けられて
おり、遅波作用を行う。このベーン２８のような遅波構
造は、光速よりも遅い速度で伝搬する電磁波のインピー
ダンス要素として、当事者には周知である。各ベーン28
は半径方向に伸びるタブ19を有する。タブ19は隣接のベ
ーン28では相互に縦方向にずれており、交互のベーンが
各タブを同じ縦方向平面に有する。モード抑制リング20
は、相互に縦方向にずれてタブ19の縦方向変位と一致
し、夫々の平面でタブに取り付けられる。リング20の各
々は夫々入力導波管13及び出力導波管14間の領域にギャ
ップ（図示せず）を有する。第１図に分解して示される
導波管13，14は空胴15の壁18の開口21，22に夫々接続さ
れる。各導波管13，14は夫々インピーダンス整合ウエッ
ジ131 ，141 を有している。そのウエッジは他の形、例
えば当事者に周知の階段状リッジとすることができる。
各ウエッジ131 ，141 は導線132 ，142 によって第２図
のモード抑制リング20₁，20₂の夫々に電気的に接続され
る。別の導線133 ，143 は導波管13，14と他のリング20
₂，20₁の夫々の間に接続される。管10は真空にされるの
で、各導波管は第２図に示すような真空シール134 を設
けている。空胴15の上部壁16及び下部壁17は、それらに
ブレイズ溶接される磁気構造体23，24を有し、磁石（図
示せず）に接続されるとき縦方向の磁界を供給する構造
を設けている。磁気構造体23は、軟鉄円板233 にブレイ
ズ溶接される２つの円形鋼板231 ，232 から成る。磁気
構造体23の中央開口から伸びて出ている真空管234 は組
立てた管の排気後にシールされる。磁気構造体24は、円
形鋼板241 ，242 及び円板243 を有し、空胴15の下部壁
17に取りつけられる。磁気構造体24は中央に穴を有し、
その穴をカソード支持パイプ25が通っている。円板26は
構造体24の下方鋼板241 と高電圧絶縁体27との間に真空
シールを形成する。絶縁体27は、またカソード支持パイ
プ25に真空絶縁シールで結合される。このようにして、
第２図に示される管10は真空に耐える構造となる。

カソード構造体11は前述したカソード支持パイプ25を有
し、そこに上部壁290 及び底部壁295 を有する円筒スプ
ール29が取りつけられ、それらの壁の端部291 は円筒壁
292 を越えて伸び、そこに二次電子放出半導体カソード
材293 が収容される凹部を形成する。スプール29は壁29
2 及びパイプ25の間に領域294 を有し、そこにはカソー
ドを水冷するための水が満たされる。冷却のための水
は、入口パイプ251 から入り、パイプ25の内部を通って
出口ポート253 に至って、そこで領域294 を満たす。領
域294 内の水は、出口パイプ255 を有するパイプ254 の
内部に接続されるポート252 からパイプ255 を通して出
る。パイプ25はネジを切った端部256 及び係合ナット25
7 を有し、そこに高電圧電源（図示せず）の負端子が取
りつけられ、アノード12はグランドに接続される。

マイクロ波空胴15の外壁18の周囲には同心の壁30が設け
られ、この壁は空胴15の上部壁16及び下部壁17の延長部
と共に室31を形成し、その室に水32が流れアノード12を
冷却する。ポート33，34は室31への入口となり、そこか
ら水が入りそして出る。

交差電磁界管10は第１図には磁石なしで示されるが、そ
の磁石は相互作用領域 35 に縦方向磁界を供給するため
に必要であり、その相互作用領域はカソードの二次電子
放出材293 とベーン 28 との間に位置する。その磁石は
Ｎ極面及びＳ極面が磁気構造体23，24の凹部235 及び23
6 に夫々すべり込まされる。

第２図に示される管10の断面は管10のある特徴について
は第１図よりも明瞭に示している。第２図は第１図の線
２−２から断面を示す。第２図は導波管13の端部の真空
シール134 を示している。インピーダンス整合ウエッジ
131 はモード抑制リング20₁に導線132 によって接続さ
れる。他のリング20₂は導線133 によって導波管13の壁
に接続され、導波管は空胴15の壁18で終端する。

第３図は、従来開示された幾つかの半導体についての照
射一次電子エネルギ（ボルト）の関数としての二次電子
放出比の曲線を示す。曲線50．51及び52は夫々砒化ガリ
ウム、硫化カドミウム及びテルル化カドミウムについて
の二次電子放出比を表わす。そのドーピング・レベル
は、たとえあるとしても、発明者にはわかっていない。
この学術的に興味のある現象は前述した以外の半導体に
ついても生じるかもわからない。しかし、従来において
は、材料の二次電子放出比特性以外の因子が非常に重要
である交差電磁界管において半導体が二次電子放出カソ
ードとして有用であるかもしれないという示唆はなかっ
た。即ち、高電力交差電磁界増幅管に二次電子放出カソ
ードとして使用される半導体カソードは、高い二次電子
放出比に加えて、長寿命のために比較的厚く、そして高
電力交差電磁界管に必要な電流レベルのために高電流密
度を供給可能でなくてはならない。半導体カソードは、
また電子による衝撃の下で管内に要求される真空がカソ
ードの半導体材料の蒸発によって汚染されないように低
い蒸気圧を有しなければならない。更に、半導体カソー
ドは、カソードに戻されて二次電子放出を生じさせる高
エネルギ電子による衝撃に起因する浸食に長い時間耐え
得る（従って厚さの条件）ものでなければならない。故
に、常に１よりも大きい二次電子放出比を有するだけの
材料では高電力交差電磁界増幅管にカソードとして有用
であるとは必ずしも言えない。

ドーピングされた砒化ガリウム半導体カソードを有する
交差電磁界増幅管の電圧、電力出力及び効率を夫々第４
Ａ図、第４Ｂ図及び第４Ｃ図に示す。約3/4インチ
（１．９１cm）の直径、5/8インチ（１．５９cm）の長
さ、５０オングストロームの厚さのカソードに対してカ
ソード材料293 から所望のカソード電流を得るために
は、真性半導体を通常のドーピング材でドーピングして
その半導体に充分な導電率をもたらして、要求される電
流密度に必要な電子数を供給する必要がある。第４Ａ〜
４Ｃ図の実験データは、前述の寸法で１cm³当り10¹⁹ホ
ールのｐ形ドーピング濃度を有するカソードによって得
られた。図示の電流よりも大きな電流が達成された。し
かし、ｐ形ドーパント及びＮ形ドーパントによる他のド
ーピング・レベルでも、カソード材料及びその厚さに対
して必要となる電流密度によっては充分機能する。半導
体、ドーパント及びドーピング濃度の選択は、許容可能
な蒸気圧、衝撃耐性及び必要とする電流密度によってあ
る程度決定される。

カソード材料293 の厚さを増加すればカソードの寿命は
長くなるが、５０オングストロームの厚さの砒化ガリウ
ム・カソードの寿命は実験的には決定できなかった。こ
のカソード材料において、導電率は許容可能な厚さ、従
って管の寿命に対する制限とはならず、 500,000 オン
グストロームの厚さが適当である。この砒化ガリウムの
カソードは、従来のＭｇＯカソードの管よりも出力パル
スの立上りが非常に速く、前縁のジッタが非常に小さ
い。半導体カソードの低いクロス・オーバ値（約20ボル
ト）は小さいジッタの開始に寄与している。本発明の半
導体カソードの他の利点は、従来のカソードに比較して
高い二次電子放出が従来の同じ大きさのカソードの管か
ら得られるよりも高いパルス化電力を可能にすることで
ある。従って、従来の大きな管からの出力と同じ出力が
より小さい管で得られることができる。所定のレベルの
出力電力を供給するのにより小さいサイズの管を使用す
る利点は、相互作用空間 35 のより小さいサイズでモー
ド干渉が小さくなることである。

本発明の実施態様の一例を次に示す。

(1)二次電子放出カソードを有する形式の交差電磁界管
であって、 前記カソードに近接する遅波構造を有し、該遅波構造と
前記カソードとの間に相互作用空間を形成するアノード
と、 前記遅波構造に接続され、前記管の入力及び出力に結合
される導波管装置と、から構成され、 前記カソードが１よりも大きい二次電子放出比を有する
半導体から成る交差電磁界管。

(2)前記管が増幅管で、導波管装置が前記アノード遅波
構造に接続される入力導波管及び出力導波管から成る、
第１項記載の交差電磁界管。

(3)前記半導体カソードがその導電率を上昇させるドー
ピング材を含む第２項記載の交差電磁界管。

(4)前記ドーピング材がｐ形材料である第３項記載の交
差電磁界管。

(5)前記ドーピング材がｎ形材料である第３項記載の交
差電磁界管。

(6)前記半導体材料が砒化ガリウム、硫化カドミウム及
びテルル化カドミウムから成るグループから選択される
第３項記載の交差電磁界管。

(7)前記半導体材料がｐ形砒化ガリウムである第４項記
載の交差電磁界管。

(8)前記ｐ形砒化ガリウムが10¹⁹ホール／cm³のドーピン
グ濃度を有する第７項記載の交差電磁界管。

本発明を好適実施例に従って説明したが、本発明の範囲
内で他の実施例が可能であることは当業者には明らかで
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の交差電磁界増幅管の一部断面、一部分
解した等角投影図である。 第２図は第１図の増幅管の線２−２からの断面図であ
る。 第３図は幾つか半導体材料の二次電子放出比を示す。 第４Ａ、４Ｂ及び４Ｃ図は本発明により製造された交差
電磁界増幅管の性能曲線を示す。 （符号説明） 10：交差電磁界増幅器、11：半導体カソード 12：アノード、13：入力導波管 14：出力導波管、15：空胴

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】二次電子放出カソードと、 前記カソードに近接して遅波構造を有し、該遅波構造と
   前記カソードとの間に相互作用空間を形成するアノード
   とを有し、 前記カソードの表面から放出された電子の一部が、前記
   相互作用空間における前記カソード及びアノード間の電
   界と横断する磁界との相互作用によって戻されて前記カ
   ソードの表面に衝突し、それによって前記の戻された電
   子が前記表面から二次電子放出を生じさせ、 前記アノード及びカソード間に加えられる電圧の供給源
   が設けられて前記アノード及びカソード間に前記電界が
   発生され、前記カソードが冷陰極であり、更に、 前記遅波構造に接続された前記増幅管に電磁界エネルギ
   を伝搬する第１の導波手段と、前記遅波構造に接続され
   た前記増幅管から電磁界エネルギを取り出す第２の導波
   手段と、を有し、 前記カソードが１よりも大きい二次電子放出比を有する
   半導体から成る、交差電磁界増幅管。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の増幅管におい
   て、前記半導体カソードがその導電率を上昇させるドー
   ピング材を含む交差電磁界増幅管。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第２項記載の増幅管におい
   て、前記ドーピング材がｐ形材料である交差電磁界増幅
   管。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第２項記載の増幅管におい
   て、前記ドーピング材がｎ形材料である交差電磁界増幅
   管。
5. 【請求項５】特許請求の範囲第２項記載の増幅管におい
   て、前記半導体材料が、砒化ガリウム、硫化カドミウム
   及びテルル化カドミウムから成るグループから選択され
   る交差電磁界増幅管。
6. 【請求項６】特許請求の範囲第３項記載の増幅管におい
   て、前記半導体材料がｐ形砒化ガリウムである交差電磁
   界増幅管。
7. 【請求項７】特許請求の範囲第６項記載の増幅管におい
   て、前記ｐ形砒化ガリウムが、１０¹⁹ホール／ｃｍ^３の
   ドーピング濃度を有する交差電磁界増幅管。