JPH088071B2 - 電磁放射発生装置および高電流電子銃 - Google Patents

電磁放射発生装置および高電流電子銃

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JPH088071B2
JPH088071B2 JP1506792A JP50679289A JPH088071B2 JP H088071 B2 JPH088071 B2 JP H088071B2 JP 1506792 A JP1506792 A JP 1506792A JP 50679289 A JP50679289 A JP 50679289A JP H088071 B2 JPH088071 B2 JP H088071B2
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gas
electron gun
electron
hollow cathode
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シユーマツチアー，ロバート・ダブユ
ヒマン，ジユリアス・ジユニア
ハーベイ，ロビン・ジエイ
サントル，ジヨセフ
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ヒユーズ・エアクラフト・カンパニー
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J25/005—Gas-filled transit-time tubes

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の技術分野 この発明は高電力マイクロ波またはmm波発生器、特に
プラズマ負荷された液状壁導波管中で電子ビームを遅い
電磁波に結合させることによって動作する発振器に関す
る。
関連技術の説明 実際のカソード発振器（ビルケータ）、マグネトロ
ン、クライストロン、ジャイロトロン及び後進波発振器
のような高電力マイクロ波あるいはmm波発生器として動
作する装置はいくつかのものが知られている。このよう
な装置には、J.ファインスタイン及びK.フェルヒによっ
て記載されている装置（“ミリメータ波管研究のステー
タスリビュー”、IEEE Transactions on Electron Dev
ices,Vol.ED−34、No.2、1987年２月、第461乃至467
頁）、H.K.フローリッヒによる装置（“未来の戦場：ギ
ガワットの爆発?"、IEEE Spectrum、1988年３月、第50
乃至54頁）、ゴードン T.ライフエステらによる装置
（“相対論的後進波発振器によって生成されるKu帯域放
射”、J.Appl.Phys.、59（４）、1986年２月15日、第13
66乃至1378頁）、及びジェームス・ベンフオードによる
装置（“高電力マイクロ波シミュレータの開発”、マイ
クロ波ジャーナル、1987年12月、97乃至105頁）があ
る。変形例は多数あるが、一般的には電子ビームを約10
-6トル以下の高真空状態で真空導波管構造と結合させる
ことが行われる。電子ビーム上には空間電荷波が誘導さ
れて、導波管構造内で電磁導波管モードに結合し、それ
によって導波管の端部でマイクロ波あるいはmm波エネル
ギーを放出する。
このような従来の装置にはいくつかの欠点がある。い
わゆる“ハードな真空”と呼ばれている高真空を使用す
る電子管は非常に高い電力レベルで動作させることは困
難である。電子ビームの空間電荷、すなわちビームを構
成する電子の電荷はそれら電子の電荷による相互反発に
よって電子ビームの直径を拡大させ、特に高電力レベル
で動作させるためにビームの電流密度を高した場合に
は、空間電荷による電子の相互反発が顕著になりビーム
の直径が急激に膨張する、いわゆる空間電荷爆発と呼ば
れる現象が発生し、ビームの集束やコリメーションが破
壊されて装置が所望の動作をすることができなくなる。
そのため、空間電荷爆発を抑制するようにな制御機構が
必要である。そのような制御機構として通常強力な集束
磁界が使用されているが、大電力レベルでは10キロガウ
ス程度の強力な磁界が必要であり、そのため大型の集束
磁界装置を使用することが必要になり、装置の構造が大
型で複雑になり、重量も増加する欠点がある。
さらに、このような大型の集束磁界装置を使用しても
ビームの断面における電子密度分布は充分に均一にする
ことはできず、ビームの電子の空間電荷によりビームエ
ネルギが減少するだけでなく、そのビームエネルギの減
少がビームの断面における電子密度分布に応じて変化
し、またビームの中心軸付近では電子の反発によってビ
ームの速度が低下していわゆる軸速度ずれと呼ばれる現
象が発生し、ビームと導波管構造との間の良好な結合を
得ることができなくなり、そのため発振器としての装置
の効率も低下する。
さらに、出力電力が非常に高い場合は、前記のような
従来の装置では電子銃に電界放射カソードを使用してい
るために数百ナノ秒程度よりも長いパルスを発生させる
ことはできない。すなわち、真空中で高電圧ダイオード
を構成している電子銃の電極間（アノードとカソード
間）のギャップ中ではパルスの印加して動作させたとき
プラズマがカソードからアノードに向かって拡大してゆ
き、その拡大速度は制御することができない。このプラ
ズマの拡大は100乃至1000ナノ秒程度の時間でこれらの
電極間のギャップを満たしてそれらの電極間の短絡を生
じるから、その時点でパルスは終了する。したがってこ
の時間より長いパルスを使用することはできない。ビル
ケータ（vircator）のような装置では約100ナノ秒程度
で自己破壊する金属箔のアノードが用いられている。
別の型の電子銃にはプラズマアノード装置及びワイヤ
イオンプラズマ銃がある。プラズマアノード装置は米国
特許第4707637号明細書（1987年11月17日公告、ロビン
・Ｊ・ハーベイによる）に記載され、ワイヤイオンプラ
ズマガンは米国特許第4025828号明細書（1977年５月24
日公告、ロバート・Ｐ・ギグレによる）に記載されてお
り、両特許とも本発明の出願人であるヒューズエアクラ
フオカンパニーに譲渡されている。米国特許第3831052
号明細書（1974年８月20日公告、ロナルド・Ｃ・クネヒ
トリによる、同様にヒューズエアクラフトカンパニーに
譲渡されている）にはまた別の電子銃が記載されてい
る。米国特許第3831052号明細書に記載されている装置
は、ガスレーザを駆動するために方形断面の電子ビーム
を生成するのに使用される中空カソードガス放電機構を
具備している。記載されている電流密度は10-4乃至１ア
ンペア/cm2である。カソード内のガスによりカソード壁
とカソード出口スリット内に設けられている方形有孔ア
ノードの間に放電が行われる。アノード電極には相対的
に正の電圧が供給されてプラズマから電子が抽出され
る。電子は制御グリッドよりも正の電圧によって加速さ
れ、一旦制御グリッドを通過すると薄いホイル窓とグリ
ッド間の高電圧加速電界によってさらに加速される。
発明の概要 本発明の目的は、電子ビームの空間電荷爆発（blowu
p）、すなわち電子の反発力に基づいた空間電荷による
電子ビームの拡大を中和して外部から強力な集束磁界を
供給する必要なく高電流電子ビームを使用可能にした10
0マイクロ秒までの長いパルスの高電力電磁放射を生成
するためのマイクロ波またはmm波発生器を提供すること
である。さらに、本発明は、高い効率、装置内の汚染の
回避、エネルギ取出し機構の簡単化、発生した電磁放射
の周波数の調整の容易性、製造コストの低下等の問題を
解決できる発生器を得ることも目的としている。
これらの目的は、本発明の発生器によって達成され
る。本発明による電磁放射を生成する発生器は、 マイクロ波からmm波までの領域の電磁放射を生成する
ための発生器において、 導波管ハウジングと、イオン化可能なガスを前記導波
管ハウジングに導入する手段と、電子ビームを導波管ハ
ウジング中に注入する電子銃と、電子ビームの空間電荷
による拡大を実質的に中和するのに十分なイオンを提供
する程度に高いガス圧力レベルであるが、電子銃におけ
る電圧破壊を避ける程度に低いガス圧力レベルに導波管
ハウジング内のガス圧力を維持する手段とを具備し、 電子銃は、電圧破壊を回避できる程度に低い圧力レベ
ルの導波管ハウジング内のガスを少くとも部分的にイオ
ン化し、そのような低い圧力レベルのガス中において電
磁放射を生成するような十分に高い電流密度で電子ビー
ムを導波管ハウジングに注入する如く構成されているこ
とを特徴とする。
発振器は遅波管として構成することができ、導波管ハ
ウジングの壁は波状であり、単一モードで狭帯域の低い
周波数のマイクロ波放射がガス圧力を１乃至５ミリトル
の適切な範囲に維持することによって生成される。広帯
域、高周波数のマイクロ波およびmm波放射はガス圧力を
ほぼ10乃至20ミリトルの範囲に維持することによって得
られる。
高電流密度を得るための新しい型の電子銃では、ホロ
ーカソードと、このカソードからの多重出口に近接して
設けられている開口グリッドと、及びカソードとグリッ
ドとの間のガスを通してグロー放電を設定してカソード
内にプラズマを形成するための手段を使用している。グ
リッドは通常透過性が高いが、開口部はプラズマがグリ
ッドを通過するのを阻止できる程度に小さい。グリッド
のカソードと反対側にあるアノードはほぼ透過性であっ
て、高い正電位を維持し、グリッド後方のプラズマから
の電子ビームを抽出する。電子銃の望ましい実施例で
は、カソード内面は化学的に活性な金属から形成され、
ガスには微量の酸素が混入されてこの金属の酸化物が形
成され、それによってカソードからの２次電子放出量を
増大させて低圧力範囲での動作を可能にしている。ビー
ム損失はカソード、グリッド及びアノードをそれぞれの
開口部のセットが相互に整列するように配置することに
よって減少される。グリッド、アノード及びカソードの
端部表面はビームに対して凹型に形成されてビームの焦
点を結ばせ、一方ホローカソードの外部表面は円筒状で
実質的に円形断面の電子ビームを生成する。
本発明の特徴及び利点は、以下の望ましい実施例の詳
細な説明及び添付図面の説明により当業者には明かであ
ろう。
図面の説明 第１図は本発明で使用される新しい電子銃構造を示
す。
第２図はマイクロ波を出力する遅波管を形成する波状
導波管と結合された望ましい多重開口電子銃の断面図で
ある。
第３図は電子ビームの限定を補助する自己磁気ピンチ
効果を示す。
第４図は本発明により生成されるホローカソード及び
ビーム電流パルスを示すグラフである。
第５図はホローカソード放電電流の関数としての電子
ビーム電流のグラフである。
第６図はホローカソード放電電流及び放電電圧の時間
の関係としてのグラフである。
第７図は出力周波数のビーム電圧の関数としてのグラ
フである。
第８図は本発明による遅波管を実施するために用いら
れる実験システムの断面図である。
第９図は円筒状導波管と結合してマイクロ波あるいは
mm波出力のプラズマ波管を形成する多重開口部電子銃の
断面図である。
第10図はプラズマ波管を実施することによって得られ
る周波数応答特性を示すグラフである。
望ましい実施例の詳細な説明 本発明のマイクロ波またはmm波発振器では、“ソフ
ト”な部分的にガスで満たされた真空の管が用いられ、
従来の“ハード”な（非常に高真空状態の）管と反対に
高パワー電磁放射を生成する。この発振器では電子ビー
ム空間電荷波を電磁導波管モードに結合する通常の方法
が用いられる。しかし高パワー発振器の構造及び製造が
簡単になり、一方マージンが広いためにその性能も増幅
される。これは３つの相乗的プラズマ補助技術を結合さ
せることによって達成される。この技術は、安定化した
プラズマ−カソード電子銃、イオン焦点合わせ及びベネ
ットピンチによる低圧ガス中でのビーム輸送、及び屈折
効果及び集合ビーム−プラズマ相互作用による結合の促
進化である。これらの要素は電子銃でのプラズマの生成
に用いられるガスがビームによってイオン化され、強力
な磁界を用いずにビームを進行させることができ、また
ビーム内のイオン化されたガスによっても結合が促進さ
れるために、相乗的である。後者の２つの効果は、ガス
がカソードを浸蝕し、および、あるいは電子銃の高電圧
ギャップでの絶縁破壊を引き起こすために、従来のマイ
クロ波管では得られない。
第１図には新規な電子銃の構成が示されている。この
構成では所望の圧力でイオン化ガスで満たされているホ
ローカソードエンクロージャ２が用いられている。水素
やネオンのようなガスを用いても良いが、高電圧レベル
に耐えるヘリウムが望ましい。
ホローカソード壁の開口出力表面６のすぐ外部には放
電グリッド４が設けられている。ホローカソードの内部
の電子のイオン化を効率的に制限しそれによって低ガス
圧力で高密度のプラズマを生成するために、大きなカソ
ード対グリッド面積比が与えられている。放電グリッド
に対して負のパルスを放電パルサ８よりホローカソード
に与えることによって、ホローカソード内でプラズマが
生成され変調である。ホローカソードにはキープアライ
ブアノードワイヤ10が挿入され約1kVでバイアスされ
て、パルス間の低電流（約10mA）の継続放電を維持し、
それによって高電流放電パルスが低いジッタで命令によ
り開始されることができる。放電グリッド４は約80％と
いう高い光透過性を有するが、約250ミクロンの直径の
非常に小さい開口部の孔を有し、この開口部を通してプ
ラズマから電子が抽出される。プラズマ密度を放電パル
サで制御し、またプラズマをグリッドの後方に戻して維
持することによって、高電圧レベルでプラズマを構造か
らショートアウトしなくても、継続時間の長いパルスを
生成することができる。
例えば、60A/cm2の電流密度において、単位体積あた
りの電子の数が約３×1012個/cm3程度の電子密度の高密
度プラズマがグリッドの後方に形成される。グリッド４
のホローカソード２とは反対側にあるアノード電極12に
高い正電位を与えることによって、電子はプラズマから
抽出されて、高電流密度放射で高エネルギーに加速され
る。アノード12とグリッド４の間のギャップの電界強度
は、電界放射及びそれに続く約100kV/cmの高電圧絶縁破
壊によって制限される値より低い値に保持される。電圧
はまたガス圧力とギャップの間隔との積、すなわちPdが
0.3トル・cmの通常の値を越えるならば、パッシェン絶
縁破壊によっても制限される。パッシェン絶縁破壊は、
多重段加速方法でアノード電位全体が小さなギャップに
よっていくつかのアノード構成にわたって分割されるこ
とによって非常に高いビーム電圧でも回避することがで
きる。
電子銃内のホローカソード材料は金属からできている
が、特にステンレス、モリブデン、タングステンあるい
はクロムのような非磁性金属が望ましい。このような材
料によってホローカソードグロー放電の動作に適切な２
次電子放射が行われる。カソードからの高い２次電子放
射量は、アルミニウム、ベリリウムあるいはマグネシウ
ムのような軽くて化学的に活性な金属の酸化物でカソー
ド表面をコーテイングすることによって得られる。これ
はカソードを望ましい金属で形成し、充填ガスに望まし
くは約0.2ミリトルの微量の酸素を混入することによっ
て行われる。このような構成によりホローカソード表面
には薄い金属酸化物の層が形成され、それによって仕事
関数が低下してカソードの２次電子放射が増加される。
２次電子放射が増加すればイオン化速度も上がり、低圧
力で高密度プラズマの生成が可能となる。このために40
0kV程度の高電子銃に対して大きなギャップ空間をパッ
シェン破壊を起こさずに用いることが可能となる。抽出
電圧は高電圧電源14によってアノードに与えられる。
グリッドとアノード間の空間に対するアノード放出面
積の割合を単に増大させることによって理論的には十分
に高いビーム電流密度が得られるが、実際にはアノード
開口部の直径がグリッドとアノードの間のギャップ間隔
に対して大きな割合となる時には焦点を結ばなくなる。
しかし本発明によれば、多重開口部を用いることによっ
て個々の開口のバービアンスの合計として高いバービア
ンスが得られる。すなわち、個々の開口のバービアンス
は、その開口を通るビーム空間電荷制限電流をＩとし、
アノード電圧をＶとすればI/V3/2で与えられるから、多
重開口ではそれらの合計として高いバービアンスを得る
ことができる。第２図に示される望ましい実施例ではホ
ローカソード内の六角アレイを形成する円形開口部がア
ノード及びグリッド内の同様のアレイを形成する開口部
30と整列し、全体のパービアンスが開口部の数だけ乗算
される開口部ごとのパービアンスに等しくなる。空間電
荷電界を考慮した電子軌道をコンピュータを使用して計
算する設計方法を使用することによって、アノード電極
12を妨害しないような電子ビーム素子32のアレイを形成
するように装置の電子光学系を構成することができる。
カソード開口部出口６、放電グリッド４及びアノード12
はビームに対して凹型となるような曲面で構成して幾何
的にビームレット32の焦点を結ばせ、ビームが単一の円
形断面ビーム34に融合して波状導波管ハウジング16に注
入されることが望ましい。
ビーム電子による充填ガスのイオン化により生成され
たイオンは、ビームを中和し空間電荷爆発を阻止する。
ビーム直径が平衡している安定なビームの走行は、磁性
自己ピンチングベネット力と正に帯電したイオンの静電
制限力でビーム内の残りの外方への熱圧力と平衡させる
ことによって得られる。磁力は方位方向の磁界を生成す
るビーム内の軸方向電流から生じる。この磁界は第３図
に示されているように電流に作用してアノード開口部30
より融合する際にビーム34上の内方に向いた力を生成す
る。
第４図にはホローカソード放電及びビーム電流パルス
のオシログラムが示されており、これらは電流密度が14
A/cm2、パルス長が12マイクロ秒の53kVで動作する電子
銃で実行されたものである。ビーム電流は第５図に示さ
れるようにホローカソード放電電流を変えることによっ
て空間電荷制限（SCL）レベルまで直線的に制御するこ
とができる。２つの電流の比はおおよそホローカソード
−グリッド透過性に等しい。5cm2カソードは、100μｓ
あたり300Aでホローカソード放電を動作することによっ
て100μｓ長パルスにわたって60A/cm2の放射を与えるこ
とができることを実証された。この放電電流及び電圧は
第６図に示されている。一般的に約１乃至100μｓでの
長いビームパルスが好ましい。
記載されている電子銃は電子ビームを導波管構造に注
入するのに用いられる。このような構造の動作特性は内
部ガス圧力を制御するだけで簡単に制御することができ
る。ガス圧力約１乃至５ミリトルにすると、導波管構造
はマイクロ波を出力する遅波管として機能するように構
成することができる。遅波発振器の動作は、ビームの空
間電荷爆発を阻止するだけの十分なプラズマに欠けるた
め、１ミリトルより小さな圧力では達成されない。圧力
をより高くして約10乃至20ミリトルの範囲にすると、導
波管構造は広い帯域のマイクロ波及び、あるいはmm波放
射出力のプラズマ波管として機能することができる。ガ
ス圧力が低くなると一般的にプラズマ波管モードの動作
に対して充分なプラズマは生成されないが、ガス圧力を
充分に高くすれば電子銃中で絶縁破壊が越こりがちにあ
る。遅波管としての適用例では、電磁放射を生成するの
には最低で約1A/cm2の電子ビーム電流密度が必要であ
り、プラズマ波管を用いる場合は最低約10A/cm2が必要
であることが発見された。通常のビーム電流密度は50乃
至100A/cm2である。
第２図には、新規な電子銃を通常の波状導波管ハウジ
ング16と結合することによって形成される遅波管が示さ
れている。電子銃及び導波管ハウジングにはそれぞれ絞
り弁22及び24を通して貯蔵器18からのヘリウムガスと、
貯蔵器20からの微量の酸素が与えられる。加熱すると水
素を放出するZrH2ガス貯蔵器のような他のガス供給器を
用いることもできる。銃の周囲には絶縁ブッシュ26が設
けられ、ホローカソード２、放電グリッド４及びアノー
ド12にはコネクタ28によって電気接続がなされている
（図示されていない）。
波状導波管16は遅波構造として動作し、電磁波導波管
モードの位相速度を低下させて光の速度より小さな速度
の電子ビームの速度と適合させる。次にビーム上の空間
電荷波が導波管モードと共振的に結合し、ビームからの
エネルギーがマイクロ波電界に伝達される。このビーム
は自由電子レーザ内のように横方向の１次擾乱ではない
ため、ビーム電子は主としてマイクロ波電界の軸方向成
分と相互に作用し、軸方向成分は導波管の波状構造によ
って得られている。従って主な横磁界（TM）モードが生
成される。出力ホーンアンテナ35からは空間内の望まし
い方向に出力電磁波エネルギーが放射される。
導波管内のプラズマの存在によって、プラズマの屈折
効果が放射波長を増大させるために波の成長がさらに増
幅され、それによって遅波回路とビームの結合効果が増
大される。ビームとプラズマの相互作用によって生じる
電子プラズマ波の高調波の励起によってもまたビームの
集群と遅波結合が促進される。
本発明の望ましい実施例ではビーム電流が充分に高
く、そのため導波管を通るビームの一回の走行における
マイクロ波電界の利得は実質的に１より大きい。従って
本発明は放射のある一部分を反射させて導波管に戻して
導波管を空洞として機能させる必要なく高パワーの発振
器として動作することができる。しかし別の実施例では
利得が１より小さい場合は低電流ビームを用いることも
できる。この場合反射器を波状導波管の端部に設けて高
Ｑ空洞を形成することができる。そして空洞は成長する
マイクロ波電界をトラップし、低ビーム電流で線幅の非
常に狭い発振器動作が可能となる。このような構成で用
いることが可能な反射器は係属中の米国特許出願第0313
27号明細書（1987年３月27日出願、“理想的な分配ブラ
ッグ屈折器及び共鳴器”、発明者R.J.ハーベイ）及び米
国特許第4697272号明細書（1987年４月６日公告、発明
者R.J.ハーベイ、“波状屈折装置及び自由電子レーザの
方法”）に記載された構成で用いることができる（両出
願とも本発明の出願人であるヒューズエアクラフトカン
パニーに譲渡されている）。
第８図には遅波管を実用化した構成が示されており、
前の図面に示された部材と共通の部材は同じ参照番号で
示され、同じ様な電源回路が用いられている（図示され
ていない）。波状導波管16は通常の導水パイプで柔軟性
を与えるときに使用される波状の管壁を有するパイプと
類似した形状の銅のパイプとして構成された。平均半径
は9.2mm、最小半径と最大半径の差は2.2mm、波の周期は
7.6mmであった。アノード電圧はブッシュ42を通してリ
ード40によって供給されるアノード延長管38から与えら
れた。装置全体は真空ポンプ46によって排気された接地
真空ハウジング44内に収められた。
第８図に示された遅波管の予想出力周波数のビーム電
圧の関数としての曲線は第７図に示されている。この曲
線によって、最も低い周波数カットオフモードはビーム
電圧が約25乃至30kVに調整される時に約12GHzで励起さ
れる。遅波の成長速度が低くまた導波管を通過する度の
利得が１より小さな低ビーム電流では、この周波数では
導波管が高Ｑ空洞として機能するために、装置はカット
オフの時にのみ発振すると予想される。導波管の開放端
部はマイクロ波信号を反射して信号波をトラップするた
め、波フィールドが大きな振幅に成長することができ
る。
実際の遅波発振器は４ミリトルという低いヘリウム圧
力でホローカソード銃を動作することによって観察さ
れ、充分な密度のプラズマが導波管中に生成されて良好
なビーム走行が得られたが、遅波がプラズマ自体によっ
て短絡するようなプラズマを生成しない。このためマイ
クロ波信号周波数がプラズマ周波数よりも上であって、
プラズマ密度が２×1012cm-3より小さいことが必要であ
った。このシステムには0.2ミリトルの酸素が混入れて
この低ヘリウム圧力での動作が可能となっている。
ビーム電流を30乃至35Aに設定すると、ビーム電圧は1
0乃至41kVの範囲にわたって走査された。周波数の応答
は12乃至13GHzでカットオフTM01の励起と一致している
ことが観察されたが、これは約30kVで起こると予想され
たものであった（第７図参照）。
第９図には本発明のプラズマ波管の応答が示されてい
る。遅波管の場合と同じ電子銃が用いられ、参照番号も
同じである、しかしプラズマ波管では、導波管の壁が波
状である必要はない。遅波管の実施例で用いられている
波状ハウジングの代わりに平滑な円筒ハウジング48が設
けられている。
管内部の“ソフト”なガス圧力では高電流密度の電子
ビームが少なくとも部分的にはガスをイオン化し、振幅
の非常に大きなプラズマ波を形成することが発見され
た。ビーム電流密度が十分に高い場合は、プラズマ密度
が周期的に変調してプラズマ波へ散乱する構成が現れ、
これによって今後は後方散乱プラズマ波が生成される。
結果として、プラズマ内部で非直線適に結合して電磁放
射を生成する単一電子ビームから得られる１対の反対方
向のプラズマ波が得られる。このような結果を得るため
に以前には、例えば米国特許出願第181340号明細書（19
88年４月14日出願、“プラズマ波管”、発明者ロバート
W.シュマヒャー等、ヒューズエアクラフトカンパニー
に譲渡されている。代理人番号第PD−87441号）に記載
されているように、２つの別々の電子ビームが必要であ
った。
１対の反対方向のプラズマ波を誘導することに伴っ
て、電子ビームによってガスの充分なイオンが生成さ
れ、ビーム内の空間電荷が効果的に中和され、それによ
って空間電荷爆発が阻止されて磁界を用いずにビームが
制限される。その結果より高いパワー出力が生じ、空間
電荷電圧低下、軸方向速度のずれが阻止され、また磁気
システムを用いることによる複雑さ及びコスト高が避け
られる。
プラズマ波管の動作は、ヘリウムガス圧力を15ミリト
ルに上げることによって実証され、これによって導波管
のプラズマ密度が増大された。このモードでは遅波発振
周波数はプラズマ周波数より小さく、プラズマ密度は２
×1012cm-3より高い。電子ビームによって強力な電子プ
ラズマ波が駆動され、これによって後方プラズマが非直
線的に変調され、近ゼロ周波数プラズマ構造が生成され
る。前方駆動波は散乱して構成から外れ、後方散乱プラ
ズマ波が生成される。最終的に、前方及び後方進行波が
係合して、プラズマ周波数の２倍に等しい周波数で導波
管モードが生成される。プラズマはかなり非均一的であ
るため、プラズマ周波数にはひろがりがあり、その結果
広い帯域の出力マイクロ波またはmm波周波数が得られ
る。
第10図にはオシロスコープの軌跡の一連のグラフが示
されており、15ミリトルのヘリウムにおいて動作するシ
ステムによって得られる広い帯域の出力、33kVの放電電
圧及び30Aの放電電流が示されている。周波数出力の低
い方の端部の検出にはＸ帯域フイルタが用いられた。約
８乃至12GHzで最も効率的であるが、Ｘ帯域検出器はま
たより高い周波数に対して感受性のあるハイパスフイル
タである。出力周波数の低い方の限界を計算すると、導
波管の大きさ及びプラズマ密度に基づいて15GHzであっ
た。Ka帯域内の約40GHzまで周波数の応答が観察され
た。
上記の実証によってプラズマ波管の放射が単一の高電
流密度ビームによって駆動できることが示されたため、
プラズマ波管の開発に重要なインパクトが与えられた。
従来のものでは2A/cm2より小さい低電流密度ビームのみ
が用いられ、１対の反対方向のビームが常に必要であっ
た。単一ビームのみを用いることによって、プラズマ波
管の構成、出力結合、及びビームエネルギー回復が簡略
化された。
本発明の一部として記載された新しい電子銃は主とし
て遅波管及びプラズマ波管に応用されるが、他の応用に
も有効である。他の応用例にはレーザの駆動、あるいは
電子ビームリソグラフ法と関係したレジストの露光のた
めの電子銃の使用が含まれる。
以上、本発明のいくつかの実施例が示され説明され
た。当業者には多数の変形例及び代替実施例が明確であ
るため、本発明の技術的範囲は添付請求の範囲の記載に
よってのみ限定されるべきものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハーベイ，ロビン・ジエイ アメリカ合衆国 カリフオルニア州 91360 サウザンド・オークス，コーレ・ マンダリナス 717 (72)発明者 サントル，ジヨセフ アメリカ合衆国 カリフオルニア州 91355 バレンシア，ランチヨ・アドベ 25763 (56)参考文献 米国特許3831052（ＵＳ，Ａ) 英国特許1011449（ＧＢ，Ａ)

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】マイクロ波からmm波までの領域の電磁放射
    の発生装置において、 導波管ハウジングと、 イオン化可能なガスを前記導波管ハウジングに導入する
    手段と、 電子ビームを前記導波管ハウジング中に注入する電子銃
    と、 電子ビームの空間電荷による拡大を実質的に中和するの
    に十分なイオンを提供する程度に高いガス圧力レベルで
    あるが、電子銃における電圧破壊を避ける程度に低いガ
    ス圧力レベルに前記導波管ハウジング内のガス圧力を維
    持する手段とを具備し、 前記電子銃は、前記電圧破壊を回避できる程度に低い圧
    力レベルの導波管ハウジング内のガスを少くとも部分的
    にイオン化し、前記圧力レベルの導波管ハウジング内の
    ガス中において電磁放射を生成するような十分に高い電
    流密度で前記電子ビームを導波管ハウジングに注入する
    如く構成されていることを特徴とする電磁放射発生装
    置。
  2. 【請求項２】前記ガス圧力が１乃至20ミリトルの範囲に
    維持される請求の範囲第１項記載の発生装置。
  3. 【請求項３】前記電子銃が１アンペア/cm2以上の電流密
    度の電子ビームを生成する請求の範囲第１項記載の発生
    装置。
  4. 【請求項４】マイクロ波からmm波までの領域の電磁放射
    発生装置において、 ａ）導波管ハウジングと、 ｂ）前記導波管ハウジングに結合してこの前記導波管ハ
    ウジング中に電子ビームを注入する電子銃と、 ｃ）前記導波管ハウジング内に十分なイオンを提供して
    電子ビームの空間電荷による拡大を実質的に中和するこ
    とができる程度に高い圧力であるが、電子銃における電
    圧破壊を避ける程度に低いガス圧力レベルで前記導波管
    ハウジングおよび電子銃にイオン化ガスを導入する手段
    とを具備し、 ｄ）前記電子銃は、 ｉ）前記導波管ハウジングに対して多重出口を有するホ
    ローカソードと、 ii）前記ホローカソードの多重出口に近接して設けら
    れ、プラズマの通過を阻止できる程度に小さい複数の孔
    を有する有孔グリッドと、 iii）ホローカソードとグリッド間にグロー放電を設定
    してホローカソード内でプラズマを生成する手段と、 iv）グリッドのホローカソードと反対側に配置された有
    孔アノードと、 ｖ）前記アノードに電位を供給し、グリッドの背後のプ
    ラズマから前記導波管ハウジングに電子ビームを抽出す
    る手段とを具備しており、 前記電子銃は、ガスを少くとも部分的にイオン化し、前
    記電圧破壊を回避できる程度に低い圧力レベルのガス中
    において電磁放射を生成するような十分に高い電流密度
    の電子ビームを生成する如く構成されていることを特徴
    とする電磁放射発生装置。
  5. 【請求項５】ホローカソード内面が非磁性金属から形成
    されている請求の範囲第４項記載の発生装置。
  6. 【請求項６】前記ホローカソード内面が化学的に活性な
    金属から形成され、前記ガス導入手段は、ガスに微量の
    酸素を混入してこの金属と反応させてこの金属の酸化物
    を形成し、それによってホローカソードからの２次電子
    放射量を増加させる手段を具備している請求の範囲第４
    項記載の発生装置。
  7. 【請求項７】前記ホローカソード出口およびアノードは
    相互に整列して高いパービアンスの電子ビームを生成す
    る開口部のセットをそれぞれ具備し、前記ホローカソー
    ド、グリッド、およびアノードは電子ビームに対して凹
    型の曲面を有し、電子ビームの焦点を結ばせ、前記ホロ
    ーカソードは円形断面の電子ビームを生成するために円
    筒状である請求の範囲第４項記載の発生装置。
  8. 【請求項８】波状壁を有する導波管ハウジングと、 １乃至５ミリトルの圧力で前記導波管ハウジングにイオ
    ン化ガスを導入する手段と、 １アンペア/cm2以上の電流密度で前記導波管ハウジング
    に電子ビームを注入する電子銃とを具備していることを
    特徴とする遅波管。
  9. 【請求項９】導波管ハウジングと、 10乃至20ミリトルの範囲の圧力で前記導波管ハウジング
    にイオン化ガスを導入する手段と、 10アンペア/cm2以上の電流密度で前記導波管ハウジング
    に電子ビームを注入する電子銃とを具備していることを
    特徴とするプラズマ波管。
  10. 【請求項１０】多重出口を有するホローカソードと、 このホローカソードにイオン化ガスを導入する手段と、 前記ホローカソードの多重出口に近接して設けられ、プ
    ラズマの通過を阻止できる程度に小さい複数の孔を有す
    る有孔グリッドと、 ホローカソードとグリッド間にグロー放電を設定してホ
    ローカソード内でプラズマを生成する手段と、 グリッドのホローカソードと反対側に配置された有孔ア
    ノードと、 前記アノードに電位を供給し、前記グリッドの背後のプ
    ラズマから電子ビームを抽出する手段とを具備している
    ことを特徴とする高電流電子銃。
  11. 【請求項１１】カソード内面が非磁性金属から形成され
    ている請求の範囲第10項記載の電子銃。
  12. 【請求項１２】カソード内面が化学的に活性な金属から
    形成され、前記ガス導入手段は、ガスに微量の酸素を混
    入してこの金属と反応させてこの金属の酸化物を形成
    し、それによってカソードからの２次電子放射量を増加
    させる手段を具備している請求の範囲第10項記載の電子
    銃。
  13. 【請求項１３】前記カソード出口およびアノードは相互
    に整列して高いパービアンスの電子ビームを生成する開
    口部のセットをそれぞれ具備している請求の範囲第10項
    記載の電子銃。
  14. 【請求項１４】前記カソード、グリッド、およびアノー
    ドは電子ビームに対して凹型の曲面を有し、それにより
    電子ビームの焦点を結ばせている請求の範囲第10項記載
    の電子銃。
  15. 【請求項１５】前記ホローカソードは断面が円形の電子
    ビームを生成するために円筒状に構成されている請求の
    範囲第10項記載の電子銃。
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