JP2007502522A

JP2007502522A - 二平面型後進波発振器の方法と装置

Info

Publication number: JP2007502522A
Application number: JP2006523399A
Authority: JP
Inventors: エーディトンジュニアジェイムス
Original assignee: マンハッタンテクノロジィズエルエルシー; エーディトンジュニアジェイムス
Priority date: 2003-08-12
Filing date: 2004-08-12
Publication date: 2007-02-08
Also published as: US7037370B2; EP1661239A2; CN1871764B; US20040154526A1; CA2542174A1; WO2005017938A3; US20060185579A1; AU2004265996A1; WO2005017938A2; KR20060115718A; WO2005017938B1; AU2004265996B2; EP1661239A4; CN1871764A

Abstract

本開示は、サブミリ波後進波発振器に関する。さらに詳細には、本開示は、二平面型インターデジタル回路を有する、小型後進波発振回路に関する。一つの実施態様では、インターデジタル回路は、ダイヤモンドを含み、導電性材料によって被覆される。

Description

優先権主張
本出願は、2004年2月6日出願の特許出願第10/772,444号、2003年8月12日出願の特許出願第60/494,089号および60/494,095号の出願日付の利益を主張する。前記各出願の全体を本出願に含める。
後進波発振器(BWO)は、コヒーレント放射の波長可変型発振源である。従来の後進波発振器では、電子銃が電子ビームを遅波構造に送り込む。電子ビームの出力パワーは電子銃近くで抽出される。その可変波長範囲が広いために、この後進波発振器は、サブミリ放射検出用ヘテロダイン受信器の局所発振器としての利用を含む様々な用途に用いられている。

名目的には、サブミリ波帯とは300から3000 GHzの範囲を持ち、その範囲では、電磁放射は、1.0から0.1 mmの波長を有する。サブミリ帯域の上には赤外領域があり、その領域では波長は通常ミクロンで報告され、電磁波は光波と同様にふるまう。サブミリ帯域の下にはミリ波帯域（30から300GHzの範囲）およびマイクロ波帯域（1から30GHzの範囲）がある。ミリおよびマイクロ波帯域では、電磁波は、通常の低周波電流・電圧と同様にふるまうが、ただし、回路の大きさがほぼ波長に匹敵するという極めて重要な違いがある。サブミリ帯域では、電磁放射は、マイクロ波と光の両方の性質を持つ。マイクロ波に好適な構造は、サブミリ装置には不当に小さすぎ、一方、標準的な光学的構成は大きすぎる。

寸法上の複雑性に加えて、サブミリ帯域には、著しい大気減衰および非常に増大した電気伝導度の損失によって課せられるいくつかの物理的制約がある。大気減衰は、自然に生じる分子ガスの振動および回転共鳴の存在によって大きく強化され、一方、金属表面の粗さは伝導損失を著しく増大させる。300 GHzをはるかに下回る周波数でも、寸法および損失に関する問題が多いので、サブミリ帯域は、しばしば100 GHzにまで延長される。

従来、マイクロ波およびミリ波帯域では、パワーおよび効率が重要なシステムパラメータである用途においては真空管電子装置が支配的であった。しかしながら、サブミリ帯域では、従来型のマイクロ波構造は通常適用されない。マイクロ波および低ミリ波帯域では低出力信号源として固体デバイスが使用されているが、サブミリ帯域には適用されない。ガスレーザーはサブミリ帯域でも動作することが可能であるが、不連続な周波数にしか同調できず、また、全体的に大型の装置となる。現在、サブミリ帯域において、電子的に波長可変な信号源で市販されているものはない。

上記から、本開示の一つの目的は、インターデジタル遅波回路を持つBWOを提供することである。

もう一つの目的は、ダイヤモンドを含むBWOを提供することである。

本開示のさらにもう一つの目的は、BWOの電子ビームと遅波回路の間に新規の空間的関係を提供することである。

本開示のもう一つの目的は、1を超える相互インピーダンス、好ましくは10を超える、もっとも好ましくは100を超える相互インピーダンスを持つBWOを提供することである。

本開示のさらにもう一つの目的は、10 kg未満、好ましくは1 kg未満の重量を持つ小型BWOを提供することである。

本開示のさらにもう一つの目的は、BWOに使用されるインターデジタル回路を提供することである。

本開示のさらにもう一つの目的は、電子供給源と一体となったBWO構造を提供することである。

本開示のさらにもう一つの目的は、電子供給源とBWOの間の結合インターフェイスを提供することである。

本開示のもう一つの目的は、電子供給源としての電界放射陰極を有する一体型BWOを提供することである。

本開示のさらにもう一つの目的は、第1平面と第2平面の間に電子ビームを配置させるBWOであって、第1および第2平面はそれぞれ、焦点電極、第1アノード、第2アノード（遅波回路）、および、1個以上のコレクタの内から選ばれる少なくとも一つを定めることを特徴とするBWOを提供することである。

本発明のもう一つの目的は、電子ビームを、焦点電極、第1アノード、および第2アノードに向け、そうすることによって電子が1個以上のコレクタによって収集されることを可能とする電子供給源を含む装置を提供することである。

さらにもう一つの目的は、インターデジタル回路を有するBWOの製造法を開示することである。

本開示のさらにもう一つの目的は、BWOであって、電子供給源とインターデジタル回路とが同じダイヤモンドによって製造されるBWOを提供することである。

さらにもう一つの実施態様では、本開示は、遅波回路と一体化した電子銃に関する。

本開示のさらにもう一つの目的は、従来のBWOに比べて、実質的に低い動作電圧しか要求しないBWOを提供することである。

本開示のさらにもう一つの目的は、遅波ガイドと電子ビームの間の相互効率が実質的により高いBWOを提供することである。

上記および、その他の目的を下記の図面と関連させながら論じることとする。

図1A-Cは、本開示の一つの実施態様の模式図である。さらに具体的に言うと、図1A-Cは、二平面インターデジタル後進波発振器回路を示す。該回路において、インターデジタル回路は、僅かの隙間を隔てて平行な平面に配置される二つの断片に分離される。二つの平面間の隙間は、電磁波の伝達経路を通過する電子ビームの経路を定める。これは、まったく新規の対応法であって、電子ビームが、平面回路の上に存在するエバネセント波を介して伝播する従来のシステムとは対照的である。

図1Aを参照すると、電子ビーム105が、二平面インターデジタル遅波回路のプレート110および120の間に挿まれているところが示される。プレート110と120はそれぞれ回路115と125を定める。電子経路105は、円形の電子ビームとして示される。回路115と125は、図1Bにおいてさらに明らかに示される。図1Bを参照すると、上面プレートと底面プレート（それぞれ110と120）は平行であることが注目される。見かけ上の角度は、遠近投影を示すために加えられたものである。図1Cは、後進波発振器100の断面模式図である。図1Cにおいて遅波回路115および125が、重なり合う指の形に見える。後でさらに詳細に述べるように、一つの実施態様では、装置100の本体は、ダイヤモンドから構築することが可能である。

一つの実施態様では、二平面デジタル回路は、約300 GHzで動作するように設計することが可能である。装置100を設計する場合、第1工程は、最適性能を実現するための回路の寸法を定めることである。

図2Aおよび2Bは、開示の一つの実施態様による、コンピュータ作成による回路モデルを表す。図2に示したように、後進波発振器200は、導電壁210によって包まれ、ビームの伝播方向（x-方向）に無限の周期を持つ。導電壁210は、比誘電率5.5のダイヤモンドによって製造されてもよい。インターデジタルの「指」215もダイヤモンドで製造することが可能である。金属の薄層220を、このダイヤモンド回路215の上に積み重ねてもよい。一つの実施態様では、この構造は、ダイヤモンドによって囲まれてもよい。一方、導電層境界を用いると、各種パラメータの感度の計算が極めてやり易くなり、かつ、動作周波数に対してもその影響が無視できることが明らかにされている。

図3Aおよび3Bは、本開示のもう一つの実施態様による後進波発振器の模式図である。装置の寸法を定める回路の模式図は図3Aと3Bに示され、所謂パラメータ試験の際に利用される1組の予備寸法が表1に掲げられる。本出願に記載される通り、これらの寸法パラメータを調整することによって様々な設計案に到達することが可能である。

パラメータ試験を行うに当たって、各寸法パラメータを、それに、0.5から1.5、場合によっては2.1の係数を掛けることによって変化させた。例えば、dihtに対する変動を示すグラフはdiht = 1, 0.5, 0.6等と表示される。これは、dihtの標準値(46ミクロン)に、1、0.5、0.6等を掛けたことを意味する。各パラメータについて、他のパラメータは指定の数値に保持したままで、この変動範囲における軸方向相互インピーダンスおよび減衰のバラツキを計算した。予備試験の結果から、ダイヤモンドの高さ（Diht）は電子銃の横方向寸法と適合するので、さらに新たなマスキングおよびエッチング工程の必要がないことが明らかになった。

周波数制御において比較的重要なパラメータの一つは“vanel”である。（図3A参照）。様々のvanelについて、周波数を位相シフトの関数としてプロットしたもの（ω-βダイアグラム）が図4に示される。与えられたパラメータの範囲内において、この形態の変種が、600 GHzの高さまで動作が可能であることが示されている。

電子銃と遅波回路の間の結合強度を決定付ける最重要局面は相互インピーダンスである。このインピーダンスは下式によって表すことができる。

式中、|E₀|は、基礎n=0ハーモニックの大きさであり、Pは全体パワーであり、Sはビームの断面積である。この回路では、?E₀?は、x（ビームの伝播方向）に沿って、かつ、ビームの断面積におけるzおよびyの不連続位置において空間的フーリエ分析を行うことによって計算される。ビーム断面積におけるこれらの数値の平均をインピーダンスとしなければならない。

この平均は、zおよびyにおける、不連続点の空間的加算を含む、すなわち、

式中、△zおよび△yは、不連続な座標位置の幅である。パラメータ変動の時点ではビームの断面は未知であった。従って、軸方向相互インピーダンスを全ての変動について計算した。

図5は、相互作用インピーダンスを、ビームトンネルの高さの関数として表したものである。特に興味深いことは、ygap（図3A参照）、すなわちビームトンネルの高さの関数として表したインピーダンスの変動である。この装置機能を左右する重要なパラメータは、電子ビームが通過しなければならない空間の寸法を定める。インピーダンスは、ギャップの高さが減少するにつれて増加する。効率的な電磁動作と、ビーム遮断低度要求との間の妥協点として25ミクロンの値が選ばれた。後述するように、ygapにおける25ミクロン寸法は、電子銃の提案された設計とビーム焦点システムに対して適合した。さらに計算から、ビームトンネル高さが減少するにつれて相互作用効率が増加すること、一方、トンネル高さが増大するにつれてビーム遮断が低下することも明らかになった。

図6は、本開示の一つの実施態様による、後進波発振器の例示の構成を示す模式図である。この構造は、何よりも先ず、いくつかのリソグラフィー工程によって構築することが可能である。加工過程は、電子銃および遅波回路をモデル化することによってさらに簡単化することが可能である。例えば、電子銃およびコレクタ絶縁体の階段型構成は、絶縁表面における電気的絶縁破壊を低減する傾向を持つ。後述するように、電子銃は、電界が約20 V/mil(8 kV/cm)となるように設計することも可能である。この電界は、この作用における従来の閾値127 V/milまたは200 V/milよりもはるかに小さい。このために、電子銃絶縁体は滑らかな表面を持つことが可能となり、これは、シリコン成形体を製造するために使用されるリソグラフィー過程を単純化する。さらに、本出願に示される実施態様は、はるかに小型のBWOの設計を可能とする。

図6Aの、例示の小型サブミリ波BWO 600を参照すると、平面図において、BWO 600の一端に冷陰極エミッター610が、一方、他端にはコレクタ680が配されるところが示される。スピント型のような冷陰極供給源を用いると、電界放射陰極は最適なものとなるが、その他の電子発射源であっても本開示の原理から逸脱することなく使用することが可能である。電界放射陰極が好ましい選択である。なぜなら、熱電子陰極に比べ、はるかに高い電流密度を作り出すことができるからである。二次電子発射抑制腔630は、電子供給源近傍に配置される。この目的は、ダイヤモンド表面に沿った二次発射の縦列累積による電気的絶縁破壊を防ぐためである。別の実施態様では、電子銃は、滑らかな壁を持つように設計される（これによって抑制腔の必要が取り除かれる）。

電子供給源（例えば、電子銃）を遅波回路に結合させるために従来の手段を用いることが可能である。例えば、電子銃は、機械的手段を用いて遅波回路に結合させることも可能である。一つの実施態様では、完全な電子銃および遅波回路を一つの構造として製造し、そうすることによって軸揃えの問題を取り除くようにすることも可能である。

集束レンズ640は、BWOの出力部に置かれ、擬似光学的伝播システムの入力要素となる。BWOはまた、従来のマイクロウェーブ技術を応用して標準的WR-3導波管に接続されてもよい。導波管は図6では見ることができない。

インターデジタルウェーブ回路660は、回路の中心部に向かって突出する指625と一体化されたユニットして示される。一つの実施態様では、インターデジタルウェーブ回路（すなわち、遅波回路）は、組立前に互いに相補的な半分同士として製造される。インターデジタル回路の本体は、例外的な熱伝導性を持つ材料から製造されてもよい。例示の材料としては合成ダイヤモンドが挙げられる。合成ダイヤモンドは特に好適である。なぜなら合成ダイヤモンドは、効率的な熱伝達を可能とする高い熱伝導率を実現するからである。ダイヤモンドはまた、電子銃電圧に耐える、高い絶縁強度を持ち、かつ、正接損失が極めて低いのでRF損失を抑える。

性能を向上させるために、インターデジタル回路のある表面を、金、銀、または銅のような導電性材料でコートしてもよい。要すれば任意に導入されるコーティング層は、ダイヤモンド構造と導電性コート（例えば、Ag、Cr、またはMo）の間に挿入されてもよい。このコーティング層は、金とダイヤモンド構造との間の結合を強化するために供給されてもよい。

二次電子発射抑制腔630は、波形ダイヤモンドによって構成されるが、これは、縦列二次電子発射が、電気的破壊を招くことが無いように構築されるからである。この腔は、電子銃および遅波回路と同時に製造することも可能である。

図7は、絶縁性指の高さを変えた場合に得られる分散図の作用を示す。この曲線の勾配は、回路を伝播する波の集団速度を表し、一方、原点から曲線上の一点に対して引かれた直線の勾配は、位相速度を決定し、直線が急峻であればあるほど電圧は高くなる。位相速度線が分散曲線と交わる点が、装置の動作点と電子速度、従って電子ビームの電圧を決める。

図8は、指の高さ（図6の指の高さ625を参照）による減衰の変動を示す。図8を参照すると、高い周波数における減衰は、指の高さを増すことによって低下することが見て取れる。これは、このパラメータを電子銃の壁の高さと一致するように増すことによって、製造過程における一リソグラフ工程の省略を可能とする点で有利である。

前述の図面は、腔当たりの位相シフトが60から80度を超えると集団速度が負となることを示す。従って、腔当たりの位相シフトがこの値を超えると、波の集団速度は、電子に対して反対方向に移動する。このために後進波という用語が用いられる。分散ダイアグラムの頂点は一般に不安定動作点を表す。これは、図9において分散曲線のピーク近傍におけるほぼ垂直なインピーダンスプロットによって示される。

ある例示の実施態様では、パラメータ走査の結果を用いて、インピーダンス最適化され、10および20%の帯域を持つ300 GHzで動作する二平面インターデジタル回路を設計した。設計および最適化過程の際下記の寸法は固定された。

ygap（y-ギャップ）＝25ミクロン
vaneth（羽根-th）＝4ミクロン
0.5 ygap + veneth + diht = 100ミクロン、(diht（ダイヤモンド-ht）＝83.5ミクロン)

さらに、最大電圧を約6000Vに、周期当たりの最小位相シフトを約85度に固定した。共に300 GHzの中央周波数を持つ二つの実施態様を完成した。第1実施態様は、285-315 GHzで動作する10%帯域を有していた。第2実施態様は、270-330 GHzで動作する20%帯域を有していた。各例示の設計の回路寸法は下記の表2に掲げる通りである。

装置に対する電子銃要求を定め、効率および発振開始電流を推定するために、電子ビーム全体に関する平均相互インピーダンス（方程式1および2に表される）を計算することが可能である。平均インピーダンスを、ビーム高（y-方向）は約12.5ミクロンと一定に維持しながら、ビーム幅（z-方向）の関数として計算した。シミュレーションは全て四角形ビームを仮定した。図10において、10%帯域設計に関して、いくつかの周波数について平均インピーダンスを、ビーム幅の関数としてプロットする。ゼロビーム幅は、軸方向インピーダンスに一致する。周波数は、βL=70、80、100、および110度の値に相当する。12.5ミクロンケースは、軸方向ケースよりもやや高い。これは、電界が、指に近づくにつれて増大するからである。インピーダンスは、ビーム幅が増大するにつれてややゆっくりと低下していく。これは、四角形またはシート状ビームの場合、装置が極めて効率的に動作することが可能であることを示す。

図11において、yが-6.25と6.25の間にある場合の、Ez電界のn=-1空間ハーモニックの大きさをzの関数としてプロットした。ビームの中点は、y=z=0にあると仮定する。電界はzにおいて対称であるので、zの正の値のみについて電界を示す。図12は、zが0と80ミクロンの間の値を取る場合の、電界対yを示す。電界は、zが増大すると、yのある値で増大するが、また、zが増大すると、yのある値で減少もする。その結果、平均は、zが増すと、減少する。

開始の発振条件の近似条件も計算した。図13では10%帯域設計について、図14では20%帯域設計について、開始発振電流を、全体回路長lの関数としてプロットした。図13-14は、10および20%帯域設計実施態様では、ビーム電流を0.5 mAに、回路長を5 mmに限定することは適切でない可能性のあることを示す。さらに、最大効率を達成するためには、開始発振電流の2倍の電流で動作することが必要である可能性が示される。回路長は要すれば任意に延長することが可能である。0.5 mAの電子ビームについて得られた計算結果を示す図15から見て取れるように、効率を上げる観点からすればビーム電流を増すという別の方法の方が魅力的かもしれない。図13-14に示した結果からはまた、回路長を最小にすることは電子効率の最大化を招くことが見て取れる。例えば、lが約5 mmの場合、図13-14から、全帯域に渡って開始電流の2倍の電流で動作するためには約1.5 mAの電流が必要であることが示される。図16-19では、1.5 mAの電流における電子効率と出力パワーがプロットされる。狭い帯域設計の方がより多くのパワーを送り出すことができることが見て取れる。当業者であれば、本出願に開示される設計データベースを参照することによって、任意の値のビーム電流について最小の回路長を決定することが可能である。

電子銃およびコレクタ設計
上記300 GHz設計に指定された電流を供給することが可能な電子銃の設計を、EGUNコード（能ochSLAC-166,能och W.B. Harmannsfeldt, Standford Linear Accelerator Center, 1973）を用いて実行した。結果を図21および22に示す。電子銃は、指定の寸法、および提案の製造過程の制限に合致するように設計された。制限とは、図25と関連して後述するようにリソグラフ過程は垂直面と水平面しか許容しないので、電子銃は水平面と垂直面のみを持つように設計されることである。電子銃は、定常な磁界に暴露されて動作するように設計された。この設計はまた、真空内部の絶縁面に沿って20 V/mil（8 kV/cm）未満の電圧制限によって制御される。もっとも重要なことは、前述の例示の動作条件を満たすために、電子銃は、1.8 kVから6.6 kVの範囲の電圧において、僅か25ミクロンの高さのビームトンネルを貫いて1.5 mAのビームを通過させなければならないことである。

電子銃設計のために選ばれた陰極は、スピント型薄層フィールドエミッターである。この陰極タイプは、全体として低い電流を搬送する小型アレイにおいて2000 A/cm²という高い電流密度を示した。個々の発射先端から100 μAの発射が観察された。しかしながら、この発射は、数千個の先端から成る大規模アレイにおいては相当に減少する。以前の分析から、(i)実用に差し支えない均一な出力パワーが、10%および20%帯域において得られる（図18-19）、(ii)電界形態は、シート状電子ビームの運用に好都合である（図11）、(iii)回路を短くした方がより高い出力パワーおよび効率が得られるが、ただしより高い開始発振電流が必要になる（図13-19）、(iv)周波数帯域の高域末端では相互インピーダンスと減衰がより高くなり、両者は競合する（図8および9）、および(v)より高い周波数回路の方が寸法取りが簡単である（図4）ことが明らかになった。

電界放射により著しい横断速度を持つ電子ビームが生成される。横断エネルギーは、ゲート電圧と、特定の動作点に対して正規化された寸法係数との積によって決められるFWHMを持つ、ガウス分布に近似する分布を持つことが明らかにされている。ここに用いられる放射モデルは、図20に示す放射曲線によって特徴付けられる。本出願に開示される応用例は、64ではなく、76Vを基準とするFWHM寸法係数を用いて行われた。ビーム電流の99%を含む放射モデルが構築され、EGUNに導入された。ビームは、25ミクロンのビームトンネルを貫いて伝達された。5 mmの回路長用として、0.7 mAの開始最小発振電流を用いることが可能である。電流密度または磁界を増すことなく、ビーム幅を増すことによってビーム電流を倍増することが可能である。

本出願に開示される原理によるある実施態様では、電子銃は、1.8から6.6 kVの電圧範囲に渡って定電流ビームを供給する。この電子銃はまた、CVDダイヤモンド遅波回路本体と一体化された一部として形成することも可能である。二つの陽極を備えた電子銃が設計された。電子放射がビーム電圧の変動による影響を受けないように、第1陽極は、最低電圧の陰極に対して一定電位に保持された（この場合1.8 kV）。遅波回路は、第2陽極の役割を果たし、その電圧は、陰極に対して1.8 kVから6.6 kVまで変動する。

前述の遅波回路分析から、あらゆる場合において開始発振電流の2倍の最低値を実現するためには1.5 mAの電子ビームが必要とされる。EGUNによる多数の試みの後に、2x50形態の上に、1.5ミクロン間隔で隔てられた100個の先端を含むアレイから成る陰極を用いた。この間隔、および15 μAの先端当たり電流は共に、SRIによって通常実現されるパラメータの中に十分収まる。長方形陰極は、ビーム伝播を促進する、電流密度を制限しながら必要な電流を供給することを実現するために、遅波回路内部の電界分布を利用する。遅波回路寸法は、必要なら、上記よりも少なくとも2倍広い陰極の実現も許容する。遅波回路を貫く伝播を実現するよう電子銃の放射器を正確に中心合わせするためには、電界放射器を、BWO本体の末端に形成されるリソグラフ制御された寸法に適合するように加工しなければならない。一つの実施態様では、BWO本体の、リソグラフ的に決められる横断寸法が、陰極の中心合わせに用いられる。別の実施態様では、集束電極がゲートに接合し、ベース接点が陰極背部に形成される。電子銃設計が、EGUN生成図として、図21では1.8 kV実施態様について、図22では6.6 kV実施態様について示される。

図21-22の垂直尺度は誇張されている。図の底部は、電子銃軸の中心線2100である（2100は、電界放射陰極の位置に向かって延びる）。この構造および電子銃の形は四角形であるので、モデルは、直交座標軸を用いて構築した。EGUNは二次元コードなので、モデルから垂直および軸寸法の作用を計算することが可能である。モデルは、横断寸法が無限に延長するものとして構築することが可能である。電流密度は前述のようにモデル化される。図21および22は、図23に関連させてみるとよりよく理解される。

図21を参照すると、モデルは、低電圧、低周波の事例における電子ビームの軌跡をシミュレートする。この事例では、第1陽極と第2陽極とがほぼ同じ電位にある。図21において、2100は陰極を特定し、2114は集束電極の位置を示し、2113は第1陽極であり、2116は、第1陽極と第2陽極（相互交換的に、遅波回路とも呼ばれる）の間の絶縁空間であり、2115は遅波回路であり、垂直線2112と2117は、それぞれ、陰極と第1陽極の間、遅波回路とコレクタの間における等電位線を表し、2118はダイヤモンド誘電体中間部であり、2121はコレクタを指し示し、2120は電子ビーム包絡線を示す。最後に、2119は、遅波回路とコレクタ間の絶縁体を示す。図21において、距離'1/2 ygap'は、底部辺縁2101と、第1陽極2113の間の距離である。

電子ビームの包絡線は、ビーム電流の99%を含む。電子銃と遅波回路は、5000ガウスの均一な磁場に暴露される。集束電極、第1陽極、および回路は全て、中心線から同じ距離、すなわち、1/2 ygapだけ隔てられる（図3も参照）。同様に、図21-22の頂上線は、中心線から、1/2 ygap + diht + vaneth = 100ミクロンの距離にある。図22は、図21と同様のシミュレーションを表す。ただし、図22では、6600Vの、高周波実施態様が示される。

陰極は、図21-22の左側に取り付け、陰極ゲートに対して電気的接点を供給し、電子ビームの形を整える集束電極に対向するように設置することが可能である。図21でも22でも、集束電極は、同図の左端に配置することが可能であり、一方、コレクタは、右端に配置することが可能である。

一つの実施態様では、電子銃の集束電極は電界放射器のゲートと接触し、電界放射器の背面がベース接続を定めることが可能である。コレクタはリソグラフで形成されないので、消費されたビームの捕捉を強化するために交換可能な構造として設計することも可能である。コレクタは、図の右端においてダイヤモンドの絶縁面に接着される。コレクタは、回路の電位に対して陰極の90%偏倚される。調節的磁場は、電子ビームを遅波回路を貫いてさらにコレクタへと搬送する。コレクタは、等方性(POCO)グラファイトから製造することが可能である。等方性グラファイトは、二次電子収率が極めて低いので空間進行波管（TWT）の製造に一般的に使われている。コレクタは、単に、大きなアスペクト比の穴を持つグラファイト片であってもよいし、あるいは、例えば、二次電子を抑えるために50Vのバイアス電圧を持つ、二つの、平坦なグラファイト片であってもよい。

磁気回路
一つの実施態様では、BWOに対する電気的接続を可能とし、かつ、RF出力が、構造の両側面から発射するようにするために、二つの平行な棒磁石による磁場が電子ビームを受容する。この磁気回路は、各端に鉄の磁極片を備えた、2本の四角形の棒磁石によって形成され、アルミニウムまたはステンレススチールの枠で支持される。BWO電子銃、磁石、遅波回路、およびコレクタから成る成分部分の例示の実施態様の図面が図23に示される。図23を参照すると、分解図によって、2本の磁石であって、それらの間に、互いに嵌合する二平面インターデジタル構造（回路）3040を挟みこんだ棒磁石3010が示される。スピント型陰極3030は、コレクタ3020の反対側に配置されて、電子ビーム（図示せず）を供給する。一つの実施態様では、磁石は、BWOを磁場内に中心合わせする、非磁気的枠（図示せず）によって支持される。磁気材料は、磁束を増すために比較的厚く形成される。別の実施態様では、磁石間の最短間隔は2.5 mmであることも可能である。この場合、標準的WR3導波管の狭小部分を収容することが可能である。

図23の実施態様を参照すると、嵌合する二平面構造3040の上に取り付け構造が形成される。一つの実施態様では、構造は、互いに相補的な半分同士として製造され、次に組み合わせられて、BWOを形成する。図23の分解図を参照すると、ダイヤモンド誘電体中間部3011は、集束電極3009と第1陽極3012の間に示される。第1および第2陽極間の誘電絶縁体は、3013として特定される。遅波回路3015は、導電性材料でコートされた、複数のインターデジタル構造（指）を持つものとして示される。この遅波回路3015は、第2陽極としても作用する。この発振器の周波数は、第1陽極と遅波回路間の電圧差を変えることによって制御することが可能である。棒磁石3010は、組み上げられたBWOを受容する。BWOは、図23の例示の実施態様では、スピント型陰極3030とコレクタ3020を含む。第1と第2陽極間の電位差が低ければ低いほど、発振器の周波数は低くなる。

図23の組立図を参照すると、電子は、第1陽極3011と遅波回路3015の相補的構造を貫通した後、コレクタ3020によって捕捉される。コレクタ3020のバイアスは、その電位において、第1または第2陽極に対してよりも陰極に対してより近づけることが可能である。電子がコレクタ電極3020に衝突した場合、熱はほとんど生成されず、電子ビームのパワーの大部分はコレクタ3020によって捕捉される。例示の実施態様では、スピント型陰極は-6.6 kVを受容し、第1陽極は-4.8 kVに設定され、遅波回路3015はゼロ電位にアースされる。図23に示す実施態様は、従来の装置に比べて実質的により小型であるという点で特に有利である。一つの実施態様では、装置は、約30グラムと測定された（従来の装置は約20 kgである）。

マックスウェルコード(Maxwell, Ansoft Corporation、ピッツバーグ、ペンシルバニア州)を用いて、必要磁場の実現可能性を証明しながら、その際の磁石重量を推定する計算を行った。磁気回路の重量は約29グラムであることが判明した。この例示の形態によって実現される磁場を図24に示す。具体的に言うと、図24(A)は、長さ18 mm、幅5.0 mm、厚さ5.25 mmで、2.5 mm間隔で隔てられた一対のNdFeB 50棒磁石によって生成される磁場を示す。図24Aの輪郭線プロットでは、0.35から0.75テスラ(3500−7500ガウス)の磁場のみが描かれる。図24Bは軸上の磁場を示す。

小型の300 GHz後進波発振器であって、少なくとも10 mWの出力パワーを持ち少なくとも10%の周波数範囲に渡って電圧可変な後進波発振器を設計するためにさらに計算を行った。この実験の結果、1.275W未満のパワー入力において300 GHzで20%の周波数可変範囲に渡って、20mWを超えるパワー出力が得られることが判明した。この実験のために、永久磁石としてSmCo28（チューブ産業において通常使用される材料）およびNdFeB50を用いて回路を分析した。通常の真空管装置は、動作中比較的高温に達するので、優れた温度安定性を持つSmCoのような磁気材料の使用を必要とする。一方、ダイヤモンドBWOにおける低度の熱拡散のために磁気回路の加熱は無視できるほどである。NdFeBの場合、SmCoよりも高い磁場、大きい機械的強度が得られ、また、より大きな形での生産が可能である。NdFeBは、最大200℃の温度で使用が可能であり、しばしば自動車用途に用いられる。

製造
本開示に使用するのに好適な後進波発振器を例示の製造法が、2004年2月6日出願の、米国特許出願第10/772,444号に開示される（名称、「自立的ダイヤモンド構造および方法」）。なお、この出願の開示の全体を、背景情報として本出願に含める。

図25は、本開示の一つの実施態様による例示の回路の製造過程を示す。図25の工程1は、ダイヤモンド構造のシリコン陰刻（ネガ）を形成することである。これは、何よりも先ず、シリコン被覆絶縁体(SOI)ウェハを用いることによって実現される。SOIとは、二酸化ケイ素の層が埋め込まれたシリコンウェハである。この酸化物層の深さは、通常、1ミクロンの許容度（または別の許容度）で広範なサイズ範囲において制御が可能である。ウェハは、工程1に示すように、リソグラフィーを用いてパターン印刻し2層のシリコン構造を形成することが可能である。酸化物層を、腐刻停止層として用いることが可能であり、これによって、ウェハ全体に渡って均一に分布する平滑面が得られる。この平滑面には、工程2において、化学気相成長(CVD)によってダイヤモンドが堆積する。1回のリソグラフィー操作によって、多数のシリコン成形体を生産することが可能である。

工程2で、ダイヤモンドがシリコン成形体の上に堆積される。このダイヤモンドは、工程3において塗布されるエポキシコートによって構造的に支持され、工程4において、シリコン基質は化学的に腐蝕除去され、ダイヤモンド構造が暴露される。三次元二平面インターデジタル構造は、選択的に金属メッキされてもよい。金属メッキを必要とする表面を図25に示す。金属メッキは、物理的蒸着過程によって実行される。マスキング技術を用いて、インターデジタル回路の垂直平面および全体構造の水平基盤が金属メッキされないようにすることも可能である。

構造体基盤の蒸発粒子からの遮蔽は、蒸着前に、物理的シャドーマスクを塗布することによって実現される。集束電極-第1陽極間隔（2.4 mm）、および第1陽極-第2陽極間隔(5.4 mm)のために、これらの領域に物理的シャドーマスクを用いることが可能である。シャドーマスクの設置は、基盤の完全な被覆を確保するために顕微鏡を用いて実行される。物理的シャドーマスクを用いることによって、基盤における堆積材料を、堆積後にレーザーによって取り除くことも可能となる。

遅波回路の垂直壁および水平基盤領域もまた金属メッキで被覆されていなくともよい。遅波回路の指と指との間隔は、シャドーマスクの使用や、フォトマスク上の回転の使用を阻止する。遅波回路の頂上面以下の領域が、金属メッキに被覆されないことを確保するために、メッキは、例えば、約10^-3Torr分圧のArガス雰囲気においてスパッター被覆、または抵抗性蒸着のいずれかによって実行される。高圧範囲のAr雰囲気におけるメッキ塗布は、集束電極、および第1と第2陽極のような3次元構造の完全なコーティングを実現する一方、遅波回路の頂上面以下の領域のコーティングを阻止する。高圧環境下において実行される物理的蒸着は、3次元構造体の一体的コーティングをもたらすことはよく知られる。同時に、遅波回路のインターデジタル間間隔は、蒸発物がこの領域に浸透することを許す最小間隔よりも小さい。

高い背景圧における金属の沈着は、金属層密度の低下および接着性の劣化をもたらす可能性がある。イオン接着効果を実現するために、Arの高い背景圧においてメッキ中に1-3 kV範囲のDCバイアスを印加することが必要になるかも知れない。これによって、ダイヤモンドインターデジタル構造体表面に対する、金属層の良好な接着性が確保される。接着性を向上させるために、Crの介在層を堆積させることが必要となるかも知れない。

ステップ6は、回路の半分同士の接合を示す。この過程は、液晶製造技法を用いて実行することが可能である。二つの回路半分体を近づけ、ステップモーター駆動治具を用いて軸合わせをする。コンピュータディプレーのような高度に発達した製造過程では、15インチに渡って3ミクロンの許容度が維持される。一つの実施態様では、この二つの構造体は、高接着性、低ガス放出性、UV硬化接着剤を用いて接合される。この接着剤は、この特定の目的のために業界で開発されたものである。接着剤は、シルクスクリーン、またはオフセット印刷過程を用いて塗布することが可能である。BWO回路に要求される小型構造においては、1ミクロン未満の軸合わせ許容度が予想される。高容量生産では、より高い許容度に合わせた加工工具の入手が可能である。一つの実施態様では、電子銃は、遅波回路の一体的部分として製造され、一方、別の実施態様では、電子銃は、遅波回路の組立が終わった後で接着される。

適合するシリコン構造体は、嵌合するCVDダイヤモンド回路の半分体を製造するように加工されてもよい。工程1に示すように、レベル間において同じ間隔を持つ二つの回路半分体は所望の構造体を与えない。工程6に示すように、回路半分体の間にスペーサーがあってもよい。所望の寸法を実現するために、スペーサーは、ビームトンネルの高さ、プラス、金属メッキ層厚の2倍と等しくなってもよい。これは、2層SOIウェハを加工して、他方の回路半分体用の3層シリコン成形体を製造することによって実現される。一つの実施態様では、BWOは、真空チェンバー内で操作される。別の実施態様では、対称性のため、また、同じリソグラフ過程において同じウェハから二つの半分体を製造する利点を確保するために、二つの半分体は2層SOIウェハから製造される。別の実施態様では、BWOは、ダイヤモンド壁内部に緊密な真空維持構造を持つように構成される。

前述の製造過程は、従来の真空電子装置技法から大きくはみ出すものである。なぜなら、従来技法の一部は、痕跡的汚染物質によって劣化され易い熱電子放射源によって強制される高い真空度要求に基づくものだからである。従来装置はまた、比較的高いパワーを取り扱い、高温に耐えなければならない。本出願に開示されるBWO実施態様は、せいぜい約1ワットのパワーを放散し、劣化要因にたいしてそれほど過敏ではない電界放射陰極を利用する。放散されるパワーは、知られるもっとも高い熱伝導体であるダイヤモンドを用いる装置によって伝達される。典型的な真空電子装置は高温で動作するのであるが、本出願で開示される実施態様は、事実上大気温度であることが可能である。真空中の材料は全て環境と適合する。この後進波発振器は、その動作のために高電圧を必要とし、このことは、気体による機能停止を阻止するために十分な真空度の維持を要する可能性がある。

図26は、本開示の一つの実施態様による金属メッキパターンを示す断面図である。必要なパターンの創出には適当なマスキング技術の使用が可能である。

図27は、本開示の一つの実施態様による二平面型遅波回路の一部の模式図である。図27を参照すると、BWO2700は、二平面型インターデジタル回路2710を持つところが示される。一つの実施態様では、二平面型インターデジタル回路の各平面はダイヤモンドを含む。図27に示されるように、導電性コーティング2720がインターデジタル回路の指の上に被覆される。この被覆のためには各種コーティング材料の使用が可能であるが、一つの実施態様ではコーティングは金、銀、銅、クロム、またはそれらの複合体である。

図28A-Eは、図27に示すインターデジタル回路の単一周期における、電場および磁場、および表面電流の矢印プロットを示す。図28A-Bは、異なる投影法で見た電場を示し、図28Cは磁場を示し、図DおよびEは、異なる投影法で見た表面電流を示す。最後に、図29は、本開示の別の実施態様によるインターデジタル回路の単一周期における表面電流の輪郭線プロットである。

製造許容度および金のアンダーカット
回路の指の上に金の薄層を被覆する際（図25の工程5）、指の側面には金属を被覆しないことが望ましい場合がある。指の辺縁に金属のアンダーカットを考慮してもよい。アンダーカットは、各側面について0.5ミクロンと仮定した。アンダーカットを備えた回路の平面図を図30に示す。この図は、アンダーカット辺縁の位置を示す。図30では、アンダーカッティングの位置を例示するためにアンダーカットを誇張してある（2ミクロン）。予測される0.5ミクロンのアンダーカットの効果は些少である可能性がある。

パワーバランス
10%帯域実施態様について得られた、300 GHz後進波発振器のパワーバランスの極値を下記の表3に示す。パワー出力は、複数の周波数において比較的均一であるが、DCパワー入力とRF損失は、同じ範囲の周波数において変化した。

例示の実施態様の典型的パワーバランスは下記の通り。
・パワー出力は、1.8 kVで24 mW、6.6 kVで30 mWである。
・RF回路損失は、1.8 kVで53 mW、6.6 kVで137 mWである。
・ビーム遮断(1%)は、1.8 kVで27 mW、6.6 kVで99 mWである。
・コレクタ放散(90%効率)は、1.8 kVで260 mW、6.6 kVで963 mWである。
・合計放散は、1.8 kVで340 mW、6.6 kVで1.199 Wである。
・全効率は、1.8kVで6.6%、6.6kVで2.4%である。

600 GHz BWOの設計
300 GHz設計に関して本出願に開示された原理を、600 GHzを中心とする10および20%帯域BWOについても繰り返した。表4に示す600 GHz事例の寸法は、表2に示す300 GHz設計のほぼ半分であった。しかしながら、使用される陰極は、300 GHz事例の場合と正確に同じであった。最悪の場合における2倍開始発振電流は約1.8 mAである。ビームの約99%は、ビームトンネル内に含まれるが、磁場は9000ガウスに増大させなければならない。

横断速度を抑えるためのチップ集束性を持つ電界放射陰極の開発は、この設計をさらに改善することが可能である。

上記において、本開示の原理が例示の実施態様と関連させて開示されたわけであるが、本開示の原理は、それらの実施態様に限定されるものではなく、本出願には具体的に開示されない再編成または改変があったとしても、それがどのようなものであれ、本開示の原理は、それら再編成または改変をも含むことを明記すべきである。

図１Aは、本開示の一つの実施態様の模式図である。図１Bは、本開示の一つの実施態様の模式図である。図１Cは、本開示の一つの実施態様の模式図である。図2A−2Bは、開示の一つの実施態様による、遅波ガイド回路の模式図である。図3Aは、本開示の同じ実施態様による後進波発振器の模式図である。図3Bは、本開示の同じ実施態様による後進波発振器の模式図である。図4は、二平面インターデジタル回路の分散関係を示す（ω-βダイアグラム）。図5は、相互作用インピーダンスを、ビームトンネルの高さの関数として表したものである。図6は、後進波発振器の例示の構成を示す模式図である。図7は、絶縁性指の高さを変えた場合に得られる分散図の作用を示す。図8は、指の高さの変動の、減衰に及ぼす作用を示す。図9は、指の高さの変動の、インピーダンスに及ぼす作用を示す。図10は、10%帯域設計を持つ例示の実施態様において、約12.5ミクロンの電子ビームについてビーム幅ついて平均したインピーダンスを示す。図11は、βL=100度の中央活動周波数における電界強度を横断位置(z)の関数として示す。図12は、βLが100度の場合の、電界強度をyの関数として示す。図13は、10%帯域設計を持つ開示の実施態様について、開始発振電流を回路長の関数として示す。図14は、20%帯域設計を持つ開示の実施態様について、開始発振電流を回路長の関数として示す。図15は、20%帯域設計において0.5 mA定電流を用いた場合の、回路長の効率に及ぼす影響を示す。図16は、10%帯域設計を持ち、1.5 mA電子ビームを用いる開示の実施態様における電子効率を示す。図17は、1.5 mAビームの、20%帯域設計を用いる例示の実施態様における電子効率を示す。図18は、1.5 mAビームの、10%帯域設計を用いる例示の実施態様における出力パワーを示す。図19は、1.5 mAの、20%帯域設計を用いる例示の実施態様における出力パワーを示す。図20は、スピント型フィールドエミッターの典型的な発射特性を示す。図21は、1.8 kV（低周波）実施態様における、電子銃回路およびコレクタを示す。図22は、6.6 kV（高周波）実施態様における、電子銃回路およびコレクタを示す。図23は、開示の一つの実施態様による後進波発振器の集合組織を示す。図24Aは、一対のNdFeB50棒磁石によって生成される磁場を示す。図24Bは、一対のNdFeB50棒磁石によって生成される磁場を示す。図25は、本開示の一つの実施態様による例示の回路製造過程を示す。図26は、本開示の一つの実施態様による金属メッキパターンを示す断面図である。図27は、本開示の一つの実施態様による、金属アンダーカットを備えた二平面インターデジタル回路の3次元模式図である。図28Aは、図27に示すインターデジタル回路における電場プロットである。図28Bは、図27に示すインターデジタル回路における電場プロットである。図28Cは、図27に示すインターデジタル回路における電場プロットである。図28Dは、図27に示すインターデジタル回路における電場プロットである。図28Eは、図27に示すインターデジタル回路における電場プロットである。図29は、本開示の別の実施態様によるインターデジタル回路の単一周期における電場プロットである。図30は、例示のアンダーカットを備えた回路の平面図である。

Claims

後進波発振器であって、電子供給源から発射される電子を受容するための入力部、インターデジタル回路、および、電子供給源から発射される電子を受容するための電子コレクタを含み、インターデジタル回路は、二平面回路を定めることを特徴とする、前記後進波発振器。