JPH0982254A - Ｒｆ電子銃、ｒｆ電子銃用のカソードおよびそのカソードの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＲＦ電子銃のカソード温度上昇を抑制する。 【解決手段】 カソード面に細線状の電子放出領域５０
と電子非放出領域５２を設ける。電子放出領域５０の長
手方向はバックボンバードメント電子の偏向方向と垂直
になるよう、カソードを取り付ける。例えば、電子放出
領域５０の幅は〜１ｍｍ、電子非放出領域５２の幅は
０．５ｍｍ〜とする。この形状であれば、低エネルギー
のバックボンバードメント電子が電子放出領域５０に衝
突しにくく、温度上昇が抑制される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ＲＦ波を導入し
て電子の加速するＲＦ電子銃、ＲＦ電子銃において電子
放出源として使用されるカソード、およびそのカソード
の製造方法に関する。一例としてＲＦ電子銃は、自由電
子レーザ（ＦＥＬ）など電子線を利用する精密機器に電
子ビームを供給する電子加速器の入射部に用いられる。

【０００２】

【従来の技術】ＲＦ電子銃は、ＲＦ波（例えばマイクロ
波）が導入される空洞筺体の壁面にカソードを取り付
け、ここから放出される電子をＲＦ波によって加速し、
これを後段の装置に向けて射出する装置である。

【０００３】図１は従来一般的なＲＦ電子銃の構造を示
す図である。同図において、電子の放出源となるカソー
ド２は空洞筺体（キャビティ）１０の中央一端に設けら
れている。カソード２の両側には、小さな突起状のウェ
ネルト電極２２がある。カソード２は熱によって電子を
放出する熱電子カソード、例えばタングステンをスポン
ジ状にしてバリウム酸化物等を滲み込ませたＢＩカソー
ドである。このため、カソード２付近に図示しないヒー
ターが設けられている。

【０００４】カソード２と数ｃｍの距離に、電子の引出
し電極であるアノード６が対向して設けられている。ア
ノード６は突起状のノーズコーン２４を持つ。アノード
６はカソード２よりも高電位に保たれ、カソード２から
放出された電子（以下「放出電子」という）を引き寄せ
る。

【０００５】空洞筺体１０には、ＲＦ波を導入するため
の導入口８が穿設されている。導入口８から導入された
ＲＦ波によって、空洞筺体１０内に定在波が生じる。空
洞筺体１０内はイオンポンプまたはターボポンプ等の真
空ポンプによって非常に高い真空度に保たれる。カソー
ド２から飛び出した電子は、空洞筺体１０内に形成され
る電場により、真空の空間をアノード６へと飛行する。
カソード２とアノード６を結ぶ線の延長がビームライン
となる。

【０００６】図２は図１の構造のうち、カソード２とア
ノード６付近を拡大した図である。この図ではｒ＞０の
部分のみを示しているので、実際にはこれをｚ軸に回転
させた構造と考えればよい。カソード２とアノード６は
軸対象の空洞筺体１０の中央に設けられ、ここでは両者
の距離を３．５ｃｍとしている。同図ではビームライン
をｚ軸にとり、カソード２を原点においている。

【０００７】空洞筺体１０内では、ＲＦ波の一周期の前
半（位相角０〜１８０°）において電子を加速する方向
に電場が形成され、この間に電子がカソード２から放出
される。図３は図２のｚ軸上の電場の相対強度（ｚ＝０
の強度を１）を示す図である。同図に示すように、電場
は空洞筺体１０中心付近で最大、アノード６付近で最小
となる。電子はカソード２〜アノード６間で一気に１Ｍ
ｅＶ（１００万電子ボルト）以上に加速され、光速に近
い速度でアノード６から射出される。このように高い電
場を採用するのは、低エネルギーの荷電粒子束において
顕著に現れる空間電荷効果（互いのクーロン力によって
反発しあう効果）による粒子束の発散を防止し、高品質
ビームを得るためである。ＲＦ電子銃を従来の直流電圧
型の電子銃と比較すると、ビーム特性を示すエミッタン
ス（ビームの集束度、粒子の運動量の均一度）が約１／
１０になり、レーザ発振に重要な条件である高指向性を
持つ電子ビームが生成される。

【０００８】以上がＲＦ電子銃の概要であるが、ＲＦ電
子銃を運転する場合、ＲＦ波が交流である点に留意する
必要がある。なぜなら、ＲＦ波の位相角が１８０°を超
えた瞬間から逆向きの電場が形成され、電子が逆方向、
すなわちカソードに戻る方向に加速されるためである。

【０００９】図４は電子が放出される瞬間のＲＦ波の位
相角と、いろいろな位相角において放出された電子の軌
道の関係を示す図である。同図横軸は位相角、縦軸は図
２のｚ軸上でカソード２からの距離を示し、３．５ｃｍ
に目標のアノード６がある。点線で示す位相角１８０°
から３６０°までが逆行加速期間である。

【００１０】同図に示すように、まず位相角０°のとき
に放出された電子ａは、そのまま加速され、位相角約１
９０°のときに３．５ｃｍのギャップを飛び切り、アノ
ード６から射出される。しかし位相角１００°で放出さ
れた電子ｂは、３．５ｃｍの直前で方向を転じ、カソー
ド２に衝突する。この現象はバックボンバードメントと
呼ばれる。図２の構造、図３の電界強度のもとで計算す
ると、位相角０〜９５°の電子（全体の５５％）は正常
にアノード６に到達するが、９５〜１８０°の電子（全
体の４５％）はバックボンバードメント電子（逆行電
子）となる。

【００１１】ＲＦ電子銃の課題の１つは、バックボンバ
ードメント電子によるカソード温度の急上昇にある。Ｒ
Ｆ電子銃では、カソード２から電子を放出させるため
に、カソード２を動作温度に加熱する（これを「必要加
熱」と呼ぶことにする）が、バックボンバードメント電
子による加熱（「無用加熱」と呼ぶ）に起因する温度上
昇は、必要加熱による温度上昇を上回ることもある。こ
の結果、放出電子の量（放出電流）が制御不能な状態に
陥る場合もある。また、仮に制御できたとしても、無用
加熱の効果は容易に計算できず、高品質ビームをコンス
タントに生成するという要請を満たすことはできない。

【００１２】ＲＦ電子銃において無用加熱を避けるため
に、偏向磁場を加える技術が周知である。これは空洞筺
体１０の外周に図示しない磁場生成装置をおき、バック
ボンバードメント電子の進路をローレンツ力によって偏
向し、カソード２への衝突を回避するというものであ
る。図５は偏向磁場によってバックボンバードメント電
子が偏向される様子を示す。電子の電荷をｅ、速度を
ｖ、磁場をＢとすると、ローレンツ力Ｆは、 Ｆ＝ｅｖ×Ｂ となるため、同図に示す通り、速度の大きな電子ほど大
きく偏向される。従って速度の大きい電子、すなわちエ
ネルギーの大きい電子ほどカソードに衝突しなくなり、
カソードに与えられる無用のエネルギー（これを「無用
エネルギー」という）を大幅に低減することができる。
ここで、ローレンツ力を利用するのは、エネルギーの大
きな電子の偏向に主眼をおくためである。ただしこの偏
向磁場は、順方向へ飛ぶ電子に対しても偏向作用を及ぼ
すため、できるだけ弱い値に設定することが望ましい。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】後述するように、偏向
磁場によって計算上確かに無用エネルギーが大幅に低減
されている。しかし、この理論的な裏付けにも拘らず、
実際にＲＦ電子銃を運転したとき、カソードの温度上昇
は相変わらず大きいことが観察されている。現在、この
現象を解明する取り組みはほとんどなされておらず、温
度上昇の抑制のために、デューティ・ファクターを極め
て低い値に設定することが甘受されている。デューティ
・ファクターとは、１秒当たりＲＦ波が印加される実時
間で、この値は目下、高々２．５×１０^-5（２５マイク
ロ秒）程度に過ぎない。この値を大きくすることができ
れば、当然電子ビームの大電流化が可能となり、ＲＦ電
子銃の用途と性能が飛躍的に改善される。

【００１４】［本発明の目的］本発明は、温度上昇の抑
制が可能なカソードとその製造方法、およびこのカソー
ドを組み込んだＲＦ電子銃を開示する。この際、カソー
ド温度上昇の現象解析によって得られた結果をもとに、
カソードのとるべき形状を理論面から明らかにする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明のカソードは、Ｒ
Ｆ電子銃において電子放出源として使用されるものであ
り、カソード面が細線状の電子放出領域を有する。カソ
ード面とは、アノードに対向するカソードの面をいう。
細線とは幅の小さな線で、必ずしも直線である必要はな
い。細線の幅は偏向磁場の強さによるが、図２、３の構
造において磁場を１５０Ｇと仮定すれば、幅は１ｍｍ程
度までとすることが望ましい。電子放出領域とは、ＲＦ
波を印加したとき、実際に電子が放出される領域をい
う。仮に前記細線が直線の場合、この直線と偏向磁場に
よる電子の偏位方向を垂直にとれば、電子放出領域に衝
突する低エネルギーのバックボンバードメント電子によ
る影響が最小になる。

【００１６】本発明の別の態様では、カソード面は交互
に配置された細線状の電子放出領域と電子非放出領域と
を有する。最も単純な構造では、電子放出領域と電子非
放出領域をともに直線状とし、これらを交互に平行に配
置すればよい。電子非放出領域の幅も偏向磁場による
が、電子放出領域の幅よりも大きくとることが望まし
い。

【００１７】この構成によれば、電子放出領域に衝突す
る低エネルギーのバックボンバードメント電子が減る。
電子非放出領域の幅をある程度持たせれば、ある電子放
出領域から放出された電子が隣の電子放出領域に衝突す
ることもない。

【００１８】本発明の別の態様では、カソード面は、互
いに所定の距離をおいて設けられた複数の点状の電子放
出領域と、それらの電子放出領域を除き、カソード面全
体を形成する電子非放出領域とを有する。上述の磁場条
件の場合、電子放出領域の直径は１ｍｍ程度以下とする
ことが望ましく、前記「所定の距離」はこの直径以上と
することが望ましい。この場合も、電子放出領域に対す
る低エネルギーのバックボンバードメント電子の衝突が
減る。

【００１９】本発明の別の態様では、カソードが薄板状
の電子放出物質と電子非放出物質の交互積層構造を含
み、この積層の縦断面がカソード面とされる。この場
合、縦断面には電子放出物質と電子非放出物質が交互に
細線状に現れるため、上記各態様と同様の作用が生じ
る。

【００２０】本発明の別の態様では、電子放出物質をく
し形状に構成してカソードとする。くし形状とは、細棒
状または薄板状の電子放出物質がある間隔をおいて多数
平行に存在する状態をいい、例えば、前記した薄板状の
電子放出物質と電子非放出物質の交互積層構造のうち、
電子非放出物質の層をなくし、電子放出物質の層をカソ
ード面と逆の端で接続支持することで得られる。この態
様では、アノード側からカソード面を見たとき、電子放
出物質は点列または複数の細線をなす。

【００２１】一方、本発明のＲＦ電子銃は、ＲＦ波を導
入し、このＲＦ波の電場によって電子の加速領域を形成
する空洞筺体と、前記空洞筺体内に配設され、電子放出
源となるカソードと、前記空洞筺体内に配設され、前記
カソードから放出された電子を引き寄せてこれを空洞筺
体外へ射出するためのアノードと、前記ＲＦ波の電場に
よってカソードへ戻る方向に加速された逆行電子を偏向
するための磁場を生成する磁場生成部とを有する。前記
カソードは電子放出領域と電子非放出領域とを持ち、こ
の電子非放出領域は、前記逆行電子のうち低エネルギー
の電子の大部分が到達するカソード領域の全域に形成さ
れる。

【００２２】この構成によれば、カソードから放出され
た電子がＲＦ波の電場によって空洞筺体内で加速され、
アノードから射出される。バックボンバードメント電子
は偏向磁場によって偏向される。バックボンバードメン
ト電子のうち、特に低エネルギーの電子の大部分はカソ
ードの電子非放出領域に衝突する。ここで「大部分」と
は、例えば１個当たり衝突の際のエネルギーが１６０ｋ
ｅＶ以下の電子の５０％以上などと考えればよい。

【００２３】ここで前記カソード領域（電子放出領域お
よび電子非放出領域）は、前記バックボンバードメント
電子のエネルギーと前記磁場の強さから導出される、カ
ソード位置（ｚ＝０）における電子の偏位に基づいて決
定してもよい。バックボンバードメント電子のエネルギ
ーはその電子の速度で記述でき、この速度と磁場の強さ
からローレンツ力によるｚ＝０における偏向の量（以下
単に「偏位」という）が判明する。そこで、この偏位か
ら電子放出領域と電子非放出領域の形状が決まる。

【００２４】他方、本発明のカソード製造方法では、ま
ず低エネルギーのバックボンバードメント電子の大部分
が到達するカソード領域を決定する。つづいて、この領
域の全域に電子非放出領域を形成する。この製造方法に
係るカソードがＲＦ電子銃で使用されたとき、低エネル
ギーのバックボンバードメント電子の大部分が電子非放
出領域に衝突する。

【００２５】このときさらに、バックボンバードメント
電子のエネルギーと磁場の強さから電子の偏位を導出
し、この偏位に基づき、異なるエネルギーを持つ複数の
バックボンバードメント電子がカソードに到達（すなわ
ち衝突）する複数の個所を特定し、これら複数の個所の
分布に基づいて前記カソード領域を決定してもよい。エ
ネルギーが異なれば偏位が異なるため、衝突個所も異な
る。偏位は計算できるため、衝突個所も計算できる。こ
の計算から衝突個所の分布を求め、例えば１個当たり衝
突の際のエネルギーが１６０ｋｅＶ以下の電子の５０％
以上が電子非放出領域に到達するようカソード領域の形
状等を決めればよい。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明の好適な実施形態を説明す
るために、バックボンバードメント電子によるカソード
の温度上昇に関し、今回行った解析の内容を説明する。

【００２７】［解析の趣旨］従来、温度上昇の要因は高
エネルギーのバックボンバードメント電子による無用エ
ネルギーであると考えられた。しかし、この思想で偏向
磁場を設計しても、温度上昇の抑制効果が低かった。従
って本出願人はまず、無用エネルギーと無用加熱が必ず
しも対応しない点に着目し、温度上昇の別の要因をシミ
ュレーション実験によって探索することにした。

【００２８】［解析の条件］ （１）カソードにはＬa Ｂ₆ を用いた。

【００２９】（２）空洞筺体の構造とＲＦ波による電場
はそれぞれ図２、３を仮定した。

【００３０】（３）電場の平均強度は３５ＭＶ／ｍとし
た。

【００３１】（４）ＲＦ波の周波数は２８５６ＭＨｚと
した。

【００３２】（５）カソードはｚ＝０の位置に置き、電
子放出領域は２．５ｍｍφとした。

【００３３】（６）偏向磁場は１５０Ｇとした。

【００３４】（７）ＲＦ波の１周期当たりの全電子数を
７×１０⁹ 個（１．１３ｎＣ）とした（平均電流は１．
１３ｎＣ×２８５６ＭＨｚ＝３．２Ａである）。

【００３５】（８）デューティ・ファクターは２．５×
１０^-5（１００ｍＳ毎に２．５μＳ投入）とした。

【００３６】［解析の結果］解析の結果を示す。

【００３７】

【表１】 初期位相φ 電子数n エネルギーE パワーP 変位d 飛程L 電離損失p deg. ×10⁸ keV W mm cm W 100 5.0 690 3.9 6.4 1.0x10^-1 813 110 4.8 490 2.6 4.2 6.6x10^-2 821 120 4.7 310 1.7 2.6 3.3x10^-2 1090 130 4.3 170 0.84 1.4 1.4x10^-2 1250 140 4.0 85 0.39 0.6 4.6x10^-3 1782 150 3.4 31 0.12 0.2 8.1x10^-4 3075 160 2.7 6.7 0.02 0.04 5.4x10^-5 7716 ［表１］ （１）初期位相φは電子が放出される瞬間のＲＦ波の位
相角、電子数ｎはその位相角を中心に±５°に含まれる
電子の数を示す。この数はショットキー効果を含むリチ
ャードソン・ダッシュマン（Richardson-Dushman）の式
から算出した。第３項はバックボンバードメント電子が
ｚ＝０において持つエネルギーＥを示す。

【００３８】（２）第４項はそれぞれφ±５°に含まれ
る全電子によるパワーで、 Ｗ＝ｎ・Ｅ・ｆ・Ｄ として求められる。ここでｆはＲＦ波の周波数、Ｄはデ
ューティ・ファクターである。全バックボンバードメン
ト電子のパワー合計は約９．６Ｗとなる。これは通常の
必要加熱の２倍にも及ぶ。ただし、カソードの電子放出
領域が２．５ｍｍφであるため、第５項を参照すれば、
上表のφ＜１２０°に含まれるバックボンバードメント
電子の大半は電子放出領域から外れることがわかる。従
って、この時点ですでに、前記９．６Ｗのうちの８０％
程度が削減され、残りは２０％の問題に見える。これは
従来の思想、つまり無用加熱が無用エネルギーの総量で
決まるとする見方である。

【００３９】（３）本出願人は新たに、第６、７項の算
出を行った。飛程Ｌとは、バックボンバードメント電子
がカソードに衝突して進入した後、静止するまでの平均
距離である。一方、電離損失ｐは、バックボンバードメ
ント電子が停止する際に１ｃｍ³ 当たり落とすパワーで
あり、 ｐ＝Ｐ／（カソード表面積×Ｌ） で求められる。ここでは、カソードのＬa Ｂ₆ の密度を
４．６１ｇ／ｃｍ³ として電離損失ｐを求めた。第７項
から明かなように、電離損失ｐは低エネルギー電子のほ
うが大きい。なお、表中の電離損失の合計は１６５４７
Ｗである。

【００４０】（４）これらの解析を通して、無用加熱の
成分が次の２つに大別できることが判明した。

【００４１】１．ロングレンジ成分 従来から考えられた通り、高エネルギーのバックボンバ
ードメント電子による成分である。カソードの電子放出
に影響する熱は、カソード表面またはごく浅い領域（〜
１０^-3ｃｍ）に与えられる熱に限られる。飛程の長い高
エネルギー電子による熱は、カソードの比較的深い領域
から熱伝導または熱輻射によってカソード表面に伝えら
れる成分のみである。従ってこの成分は、バックボンバ
ードメントからミリ秒〜秒のオーダーで発生する物理現
象となる。

【００４２】２．ショートレンジ成分 従来意識されなかった、低エネルギーのバックボンバー
ドメント電子による成分である。低エネルギー電子はカ
ソードの表面近くで静止し、この瞬間にエネルギーの大
部分を落とす。この電離損失は、電子が直接物質を通過
することによって生じ、高々マイクロ秒程度のオーダー
でカソードを加熱する。こうした短時間の加熱は外部か
ら制御することが極めて困難である。

【００４３】（５）結論からいえば、カソードの温度上
昇に効くのは大きな電離損失を生むショートレンジ成分
である。ここでは１００ミリ秒毎に２．５マイクロ秒Ｒ
Ｆ波を投入したが、ショートレンジ成分はこの２．５マ
イクロ秒の間にカソードの温度を瞬間的に上昇させる。
これがカソード電流の急激な上昇を生む。ところが、こ
うした低エネルギー電子は（低速であるため）ローレン
ツ力の作用を受けにくく、偏向磁場による解決は効果的
ではない。

【００４４】実施の形態１．以上の解析結果をもとに、
本発明に係るカソードを説明する。本実施の形態のカソ
ードは、主に低エネルギーのバックボンバードメント電
子がカソードの電子放出領域に衝突しないよう、形状に
配慮がなされている。

【００４５】図６は本発明に係るカソードの電子放出領
域５０の最も単純な形状を示す図である。同図におい
て、細線状の電子放出領域５０以外には電子非放出領域
を設けてもよいし、電子放出領域５０以外が全く存在し
ない構造としてもよい。後者の場合、アノード側から見
たとき、カソード自体が細線状の構造をしていることに
なる。

【００４６】同図の電子放出領域５０の幅は、例えば
０．１ｍｍとする。カソードをＲＦ電子銃に取り付ける
際、電子放出領域５０の長手方向と電子の偏位方向が垂
直をなすよう設置する。こうした配慮をなせば、バック
ボンバードメント電子の大半が電子放出領域５０からそ
れる。これは表１の偏位ｄから明らかである。

【００４７】ここで仮に、初期位相φ＜１５０°の１０
０％と、φ＝１６０°の４０％が電子放出領域５０から
それるとすれば、電離損失の合計は１６５４７Ｗから４
６３０Ｗへと減少する。これによる温度上昇抑制効果は
非常に大きく、デューティ・ファクターを数倍に拡大す
ることが可能となる。ただし、ここまで大幅な拡大が必
要ではない場合は、電子放出領域５０の幅を〜１ｍｍ程
度とすることができる。

【００４８】実施の形態２．実施の形態１では１本の細
線状の電子放出領域を考えたが、ここでは他の数種の態
様を説明する。

【００４９】［態様１］図７は態様１に係るカソードの
形状を示す。この図では外形が長方形であるが、これは
円など他の形でもよい。この態様の特徴は、カソード面
が交互に配置された細い直線状の電子放出領域５０と電
子非放出領域５２とを有する点である。実施の形態１同
様、電子放出領域５０の幅は例えば０．１ｍｍとすれば
よい。このとき、電子非放出領域５２の幅はある程度大
きめ（０．５ｍｍ程度〜）とすることが望ましい。その
理由は、ある電子放出領域５０から放出された電子が、
偏位の結果、隣の電子放出領域５０へ衝突する事態を低
減するためである。

【００５０】ここで、０．１ｍｍ幅の電子放出領域５０
と０．５ｍｍの電子非放出領域５２を交互に１０本並べ
た場合の電離損失を示す。その他の条件は表１の場合と
同様である。

【００５１】

【表２】 初期位相φ 当初の電離損失p 削減率 削減量Δｐ deg. W ％ W 100 813 100 813 110 821 70 575 120 1090 100 1090 130 1250 100 1250 140 1782 10 178 150 3075 100 3075 160 7716 40 3086 ［表２］ この表から、削減される電離損失（Δｐ）の総量は１０
０６７Ｗとなり、当初の電離損失の約６０％が取り除か
れることがわかる。ここでは計算の単純化のため、各電
子放出領域５０の中央から、初期位相φごとにすべての
電子が表１の変位ｄだけ偏向されて戻ってくると考えて
いる。本来、電子の初期位相は表２に挙げるような離散
値をとらないため、この計算はあくまでも近似的なもの
であるが、実際にもこの程度の効果を期待することがで
きる。

【００５２】なお、本態様は以下の方法でも実現でき
る。

【００５３】（１）薄板状の電子放出物質と電子非放出
物質の交互積層構造の積層縦断面をカソード面とする。

【００５４】（２）電子放出物質をくし形状に構成す
る。すなわち（１）の電子非放出物質の層を単に空気層
とし、各電子放出物質をアノードに対向する端とは反対
の端でくしの柄のように支持するか、針のような細棒状
の電子放出物質を平行に多数並べ、これらを片端で支持
する。

【００５５】（３）カソードの外形を円とし、電子放出
領域５０と電子非放出領域５２を同心円状に配置する。
この場合、電子の偏位方向と電子放出領域５０の敷設方
向が一致する個所ができるため、その部分の無用加熱が
完全には落ちない。この意味では図７のほうが有利であ
るが、同心円構造は軸対象の空洞筺体内に配設する点で
好都合である。

【００５６】なお、本実施の形態で注意すべき点は、高
エネルギーのバックボンバードメント電子である。すな
わち、高エネルギーのバックボンバードメント電子はそ
の偏位が大きいため、ある電子放出領域５０から放出さ
れた電子が、隣接する（またはさらに遠くの）電子放出
領域５０に衝突しうる（表２の計算に当たっても、そう
した衝突が加味されている）。しかしながら、こうした
ロングレンジの成分は瞬時にカソードの温度上昇を招く
ものではないため、デューティ・ファクターの改善にさ
して悪影響を及ぼさない。ロングレンジ成分による温度
上昇は緩慢であるため、必要に応じて熱伝導等の物理現
象を生かす別の方途によって対処すればよい。

【００５７】［態様２］図８は態様２に係るカソードの
形状を示す。この外形も円など任意の形を採用すること
ができる。この態様の特徴は、カソード面が、互いに距
離をおいて設けられた複数の点状の電子放出領域５０を
持つ点にある。これ以外の領域は電子非放出領域５２と
して形成する。この場合も、実施の形態１と同様の根拠
から、電子放出領域５０の直径を１ｍｍ程度以下とする
ことが望ましい。電子放出領域５０どうしの距離は大き
め（前記直径程度〜）にとるべきである。

【００５８】実施の形態３．つづいて本発明に係るＲＦ
電子銃の実施の形態を説明する。本実施の形態のＲＦ電
子銃の概略構成は図１に示した通りである。ただし本実
施の形態では、図１の構成に加えて偏向磁場発生器が空
洞筺体１０の周囲に追加されるものとする。また、カソ
ード２は実施の形態１、２で説明した本発明に係るカソ
ードであるとする。

【００５９】本実施の形態でも特徴はカソード２にあ
る。すなわち、カソード２は電子放出領域と電子非放出
領域とを持ち、この電子非放出領域は、バックボンバー
ドメント電子のうち低エネルギーの電子の大部分が到達
する領域全域に形成されている。ここで、電子非放出領
域の条件として例えば、「バックボンバードメント電子
１個当たりの衝突エネルギーが１６０ｋｅＶ以下のもの
の５０％以上が到達する領域」とし、表１などから電子
放出領域の幅を決め、これ以外の領域を電子非放出領域
とすればよい。表１に記載されていない初期位相につい
て考える場合には、原則通り、バックボンバードメント
電子のエネルギー（速度）と磁場の強さからローレンツ
力による偏位を算出すればよい。偏位をバックボンバー
ドメント電子のエネルギーの関数として表せば、電子が
到達する個所の分布が求まる。この分布をもとに、所期
の電子放出領域の幅、電子非放出領域がカバーすべき領
域が明らかとなる。

【００６０】以上本実施の形態によれば、本発明に係る
カソードの製造方法についても明らかである。

【００６１】

【発明の効果】本発明は、従来認識されていなかったシ
ョートレンジ成分に対する適切な処置を開示するもので
ある。本発明のカソードによれば、低エネルギーのバッ
クボンバードメント電子が電子放出領域に衝突しにくい
形状であるため、ショートレンジの加熱成分を大幅に低
減できる。この結果、デューティ・ファクターを大きく
とることができ、例えばレーザの発振時間が延長できる
等、ＲＦ電子銃の性能改善、用途拡大が実現する。特
に、電子放出領域が複数存在する場合は、電子放出領域
の全面積が大きくなり、これによっても放出電流を増や
すことが可能となる。

【００６２】一方、本発明のＲＦ電子銃によれば、偏向
磁場の強さとカソードの形状の組合せにより、カソード
面の温度上昇を抑制することができる。これもＲＦ電子
銃の性能改善等に寄与する。

【００６３】他方、本発明のカソードの製造方法によれ
ば、バックボンバードメント電子のエネルギーと磁場の
強さから決まる最適形状のカソードを製造することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来一般的なＲＦ電子銃の構造を示す図であ
る。

【図２】 図１の構造のうち、カソードとアノード付近
を拡大した図である。

【図３】 図２のｚ軸上の電場の相対強度（ｚ＝０の強
度を１）を示す図である。

【図４】 電子が放出される瞬間のＲＦ波の位相角と、
いろいろな位相角において放出された電子の軌道の関係
を示す図である。

【図５】 偏向磁場によってバックボンバードメント電
子が偏向される様子を示す図である。

【図６】 本発明に係るカソードの電子放出領域の最も
単純な形状を示す図である。

【図７】 実施の形態２の態様１に係るカソードの形状
を示す図である。

【図８】 実施の形態２の態様２に係るカソードの形状
を示す図である。

【符号の説明】

２ カソード、６ アノード、１０ 空洞筺体、５０
電子放出領域、５２電子非放出領域。

フロントページの続き (72)発明者 遠山 伸一 茨城県東茨城郡大洗町成田町4002 動力 炉・核燃料開発事業団大洗工学センター内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＲＦ電子銃において電子放出源として使
   用されるカソードであって、そのカソード面が細線状の
   電子放出領域を有することを特徴とするカソード。
2. 【請求項２】 ＲＦ電子銃において電子放出源として使
   用されるカソードであって、そのカソード面は、 交互に配置された細線状の電子放出領域と電子非放出領
   域とを有することを特徴とするカソード。
3. 【請求項３】 ＲＦ電子銃において電子放出源として使
   用されるカソードであって、そのカソード面は、 互いに所定の距離をおいて設けられた複数の点状の電子
   放出領域と、 それらの電子放出領域を除き、カソード面全体を形成す
   る電子非放出領域と、 を有することを特徴とするカソード。
4. 【請求項４】 ＲＦ電子銃において電子放出源として使
   用されるカソードであって、 薄板状の電子放出物質と電子非放出物質の交互積層構造
   を含み、この積層の縦断面をカソード面とすることを特
   徴とするカソード。
5. 【請求項５】 ＲＦ電子銃において電子放出源として使
   用されるカソードであって、電子放出物質をくし形状に
   構成したことを特徴とするカソード。
6. 【請求項６】 ＲＦ波を導入し、このＲＦ波の電場によ
   って電子の加速領域を形成する空洞筺体と、 前記空洞筺体内に配設され、電子放出源となるカソード
   と、 前記空洞筺体内に配設され、前記カソードから放出され
   た電子を引き寄せてこれを空洞筺体外へ射出するための
   アノードと、 前記ＲＦ波の電場によってカソードへ戻る方向に加速さ
   れた逆行電子を偏向するための磁場を生成する磁場生成
   部と、 を有し、 前記カソードは電子放出領域と電子非放出領域とを持
   ち、この電子非放出領域は、前記逆行電子のうち低エネ
   ルギーの電子の大部分が到達するカソード領域の全域に
   形成されることを特徴とするＲＦ電子銃。
7. 【請求項７】 請求項６に記載のＲＦ電子銃において、 前記カソード領域は、前記逆行電子のエネルギーと前記
   磁場の強さから導出される、カソード位置における電子
   の偏位に基づいて決定されることを特徴とするＲＦ電子
   銃。
8. 【請求項８】 ＲＦ波を導入し、このＲＦ波の電場によ
   って電子の加速領域を形成する空洞筺体と、 前記空洞筺体内に配設され、電子放出領域と電子非放出
   領域を持つカソードと、 前記ＲＦ波の電場によってカソードに戻る方向に加速さ
   れた逆行電子を偏向するための磁場を生成する磁場生成
   部と、 を有するＲＦ電子銃に使用される前記カソードを製造す
   る方法において、 前記逆行電子のうち低エネルギーの電子の大部分が到達
   するカソード領域を決定し、 このカソード領域の全域に前記電子非放出領域を形成す
   ることを特徴とするカソードの製造方法。
9. 【請求項９】 請求項８に記載のカソードの製造方法に
   おいて、 前記逆行電子のエネルギーと前記磁場の強さからカソー
   ド位置における電子の偏位を導出し、 この偏位に基づき、異なるエネルギーを持つ複数の逆行
   電子がカソードに到達する複数の到達個所を特定し、 これら複数の到達個所の分布に基づいて前記カソード領
   域を決定することを特徴とするカソードの製造方法。