JP2008270211A - 高周波数かつ高電圧の電子スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】高い電圧（数十キロボルト）、サブナノ秒の立上り時間及び数十メガヘルツの繰返し速度で電流を切り換える電子スイッチを提供する。
【解決手段】高周波数かつ高電圧の電子スイッチ１０は、電子源１２、ステアリング機構１４、マスク又は陽極板１６及びターゲット１８を含んでいる。電子源１２は約１ｋＶ以上の電圧を有する電子ビーム２０を発生し、これがターゲット１８に当たる。ステアリング機構１４は、約１０ＭＨｚ以上の走査周波数で陽極板１６を横切って電子ビーム２０を走査する。陽極板１６には穴又はアパーチャ２２が設けられている結果、電子ビーム２０はそれを通過し、非常に高い周波数の繰返し速度及び非常に速い立上り時間でターゲット１８中にパルス状の高圧電流を生じる。ターゲット１８中に生じたパルス状の高圧電流は、高圧電源をオンオフするために使用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に電流を切り換えるための装置に関し、特に高い電圧（数十キロボルト）、サブナノ秒の立上り時間及び数十メガヘルツの繰返し速度で電流を切り換える電子スイッチに関する。

陰極線管（ＣＲＴ）は、Ｋａｒｌ Ｆｅｒｄｉｎａｎｄ Ｂｒａｕｎによって１８９７年に発明された。ＣＲＴは、コンピュータディスプレイ、ビデオモニタ、テレビジョン、レーダディスプレイ及びオシロスコープ用として最初に使用された表示装置である。Ｐｈｉｌｏ Ｆａｒｎｓｗｏｒｔｈの研究から開発されたＣＲＴは、１９９０年代になって実用的なプラズマスクリーン、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）テレビジョン、ディジタルライトプロセシング（ＤＬＰ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイ及び他の技術が開発されるまで、すべてのテレビジョン受像機で使用された。ＣＲＴ技術の結果、テレビジョンは非ＣＲＴ受像機について述べるときでも「受像管」という通称を獲得した。

陰極線管とは、技術的には集束電子ビームを使用する任意の電子真空管をいう。陰極線は、真空管の後端の内部にある陰極を加熱することで放出される高速電子流として存在する。放出された電子は、２つの電極間に印加される電圧差のため、管内でビームを形成する。次いで、ビームは磁界又は電界により操作（偏向）されてスクリーン（陽極）の内面をトレース（走査）する。スクリーンは蛍光被膜（大抵は遷移金属又は希土類元素）で覆われており、これが電子により励起されて可視光を放出する。

テレビジョン受像機及び最新のコンピュータモニタでは、受像管の前面全体がラスタといわれる固定パターンで系統的に走査される。電子ビームの強さを受信した映像信号（又はそれから導かれる他の信号）で変調することで画像が生み出される。すべての最新テレビジョン受像機では、ビームは「磁気ヨーク」（電子回路で駆動される１組のワイヤコイル）を用いて受像管のネックに印加される磁界で偏向される。このように電磁石を用いて電子ビームの原方向を変化させることは、「磁界偏向」として知られている。

電子ビーム源は電子銃であって、これは（エジソン効果としても知られる）熱電子放出によって電子の流れを発生し、かかる電子を細いビームに集束させる。電子銃は陰極線管（ＣＲＴ）の後方極端において細い円筒形ネック中に位置していて、その端部から延びる（通例は円形に配列された）電気接続ピンを有している。これらのピンは、陰極、ビームを集束及び変調するために使用される電子銃内の各種格子要素、並びに静電偏向ＣＲＴでは偏向板に対する外部接続を可能にする。ＣＲＴは熱陰極装置であるので、これらのピンは電子銃と共に１以上のフィラメントヒータへの接続も可能にする。電子ビームは、通例約１ＭＨｚの周波数で変調される。電子ビームはまた、冷陰極放出を用いて発生することもできる。この場合には、単一又は複数の鋭いラジアス導体に真空中で十分に高い電圧を印加することで真空中への電子放出を引き起こす。次いで、ＣＲＴと同様にして電子が加速される。

電子を加速するための高電圧（ＥＨＴ）は変圧器によって供給される。テレビジョンで使用されるＣＲＴについては、これは通常はカラー受像管の場合に線（水平）偏向電源を３２ｋＶにまで昇圧するフライバック変圧器である（単色受像管及び特殊ＣＲＴはずっと低い電圧で動作することがある）。変圧器の出力は整流され、脈動する出力電圧は受像管自体が形成するコンデンサ（加速陽極が一方の極板であり、ガラスが誘電体であり、受像管外部の接地被膜が他方の極板である）によって平滑化される。フライバック変圧器デザインが発明される前の初期テレビジョンでは、フライバック高圧装置よりも高電圧で多くの電流を送達できるという理由で線形高圧電源が使用されていた。しかし、事故が起こった場合、これは極めて致命的であることが判明した。フライバック回路デザインがこれを解決した。事故の場合、フライバック装置は比較的少ない電流を送達するので、人間が高圧陽極リード線による直接ショックから助かる可能性が（決して保証されるわけではないが）高くなる。

オシロスコープで使用するためには、デザインがやや異なる。ラスタを描くのではなく、電子ビームはその強さを一定に保ちながら任意の経路に沿って直接に操作される。通常のモードである時間領域モードでは、水平偏向は（オシロスコープ内の「掃引発振器」によって測定され、視覚的にはスクリーンを横切って一定速度で進行する）時間に比例し、垂直偏向は測定信号に比例する。それほど一般的でないＸ−Ｙモードでは、水平偏向及び垂直偏向の両方が測定信号に比例する。電子銃は、常に受像管ネックの中心に位置している。イオン生成の問題は無視されるか、或いはアルミニウム処理スクリーンの使用によって緩和される。

オシロスコープ用として設計された受像管は、ラスタ走査用として設計された受像管より長くて細く、所要の最大偏向角が大幅に減少している。これは、磁界偏向の代わりに静電偏向を使用することを可能にする。この場合には、受像管のネックに組み込まれた偏向板を介して電界を印加することで偏向が引き起こされる。この方法は、電磁石のインダクタンスが正確に表現できる信号の最大周波数に比較的厳しい制限を課する磁界偏向の場合よりもはるかに急速に電子ビームを操作できる。偏向角の減少はまた、（所要の高い偏向速度では達成するのが困難である）電子ビームの自動集束の必要性を排除する。最後に、偏向角の制限により、生じるビーム偏向が追跡すべき信号の線形関数になるように保証することがはるかに容易になる。

これまでのところ、１ｋＶ以上の数キロボルトパルス、１０メガヘルツを超える繰返し速度、及びナノ秒の立上り時間を与える装置は存在していない。したがって、高電圧のパルス、高周波数の繰返し速度、及びナノ秒の立上り時間を与えるスイッチング装置を提供することは望ましい。
米国特許第３９３５５００号明細書

簡単に述べれば、約１ｋＶ以上のビームエネルギー又は電圧Ｖｂｅａｍ及び約１アンペア以上の電流Ｉｂｅａｍを有する電子ビームを放出するための電子源を備える電子スイッチが開示される。ステアリング機構が約１０ＭＨｚ以上の走査周波数で電子ビームを偏向する。偏向された電子ビームは、アパーチャを有するマスクを横切って走査周波数で走査される。アパーチャを通過した電子ビームはターゲットに当たり、ターゲット中にパルス状の高圧電流を生じる。

本発明の別の実施形態では、約１ｋＶ以上の電圧を有する電子ビームを発生する電子銃を備える高電圧かつ高周波数の電子スイッチが開示される。静電ヨークが約１０ＭＨｚ以上の走査周波数で電子ビームを偏向する。陽極板がアパーチャを有する結果、電子ビームは走査周波数の２倍の周波数でアパーチャを通過する。アパーチャを通過してターゲットに当たる電子ビームは、ターゲットのインピーダンス及び電子ビームの電流で決定されるパルス振幅、アパーチャのサイズ及び走査周波数で決定されるパルス幅、並びにビームサイズ及び走査周波数で決定される立上り時間を有するパルス状の高圧電流をターゲット中に生じる。

本発明のさらに別の実施形態では、電子スイッチの形成方法であって、
約１ｋＶ以上のビームエネルギー又は電圧Ｖｂｅａｍ及び約１アンペア以上の電流Ｉｂｅａｍを有する電子ビームを放出する段階、並びに
約１０ＭＨｚ以上の走査周波数で電子ビームを偏向する段階
を含んでいて、もって
偏向された電子ビームがアパーチャを有するマスクを横切って走査周波数で走査され、
アパーチャを通過した電子ビームがターゲットに当たってターゲット中にパルス状の高圧電流を生じる方法が開示される。

本発明の上記その他の特徴、態様及び利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読んだ場合に一層良く理解されよう。図面全体を通じて、同じ符号は類似の部分を表している。

まず図１を参照すれば、本発明の例示的な実施形態に係る高周波数かつ高電圧の電子スイッチが全体を１０として略示されている。一般に、電子スイッチ１０は電子源１２、ステアリング機構１４，マスク１６及びターゲット１８を備える。

電子源１２は、陰極として機能するとともに、約１ｋＶ以上のビームエネルギー又は電圧Ｖｂｅａｍ及び約１アンペア以上のビーム電流Ｉｂｅａｍを有する高エネルギーの集束電子ビーム２０を発生する電子銃からなり得る。電子銃１２は、約１００ｋＶまで帯電させ、約１００ｋＶのエネルギーで電子をマスク１６に当てることができる。電子銃１２は陽極板１６（及びターゲット１８）より高い電圧にあって、電子ビーム２０をターゲット１８に向けて加速させる。この例示的な実施形態では、電子銃１２は、約１インチの直径並びに約２ｋＶ±１００Ｖのビーム電圧Ｖｂｅａｍ及び伝送線路負荷中に約１ｋＶを生じるのに十分なビーム電流Ｉｂｅａｍ（１００Ωの線路中に１０アンペアを供給すれば１ｋＶが得られる）を有する集束電子ビーム２０を発生すると共に、陰極電圧から２〜３百ボルト以内の電圧にある通常の集束用及び電流変調用グリッドを備えた２ｋＶ電子銃である。本発明は電子源によって限定されず、シンクロトロンなどのような高電圧の集束電子ビームを発生する任意所望の手段に関して実施できることが容易に理解されよう。

ステアリング機構１４は、電子ビーム２０の静電偏向を引き起こす偏向コイル又はヨークを含み得る。この例示的な実施形態では、ステアリング機構１４は約１２．５ＭＨｚの周波数を有する正弦波で変調されている。かくして、この例示的な実施形態では、ステアリング機構１４の作用により、電子ビーム２０は約２５．０ＭＨｚの速度でマスク１６を横切って走査される。本発明はステアリング機構１４の周波数によって限定されず、約１２．５ＭＨｚの周波数は例示を目的とするものにすぎないことが容易に理解されよう。例えば、ステアリング機構１４は約１０．０ＭＨｚ以上の正弦波周波数を有することができる。本発明はステアリング機構のタイプによって限定されず、方形波、三角波、のこぎり波などの任意所望のステアリング電圧を用いて実施できる。

マスク１６は、電子ビーム２０を加速する積極的に冷却された陽極板からなり得る。陽極板１６は、任意の公知手段（例えば、水など）を用いて積極的に冷却できる。陽極板１６は、電子ビーム２０を通過させるための穴又はアパーチャ２２を含んでいる。例えば、陽極板１６は直径が約１フィートであり、穴又はアパーチャ２２は直径が約１〜２インチ（約２５〜５０ｍｍ）であり得る。陽極板１６は、電子銃１２及びステアリング機構１４と共に接地されている。陽極板１６は、適当な熱的性質、耐摩耗性及び耐食性を有する材料で作ることができる。１群のかかる材料は、タングステン、モリブデン、ニオブ、タンタル、レニウムなどの高融点金属であり得る。

陽極板１６のアパーチャ又は穴２２を通過した電子ビーム２０は、ターゲット１８の表面又は前面２４に当たる。この例示的な実施形態では、ターゲット１８はインピーダンスＺを有する伝送線路からなる。伝送線路１８は、装置（図示せず）と電気的に連絡して該装置に高電圧で高繰返し速度のパルス電流を供給できる。

上述の通り、電子スイッチ１０は、非常に高い周波数又は繰返し速度及び非常に速い立上り時間で高圧電源をオンオフすることができる。電子スイッチ１０のパルス振幅、パルス幅及び立上り時間は、様々なパラメーターに基づいて選択的に決定できることが容易に理解されよう。詳しくは、パルス振幅はビーム電流Ｉｂｅａｍ及び線路インピーダンスＺによって決定できる。パルス幅は、穴又はアパーチャ２２のサイズ及び電子ビーム２０の走査速度で決定される。立上り時間は、電子ビーム２０のサイズ及び走査速度で決定される。さらに、パルス波形は、マスク１６の穴又はアパーチャ２２の形状を電子ビーム２０の焦点と共に変更することで調整できる。

次に図２を参照すれば、例えば、２ｋＶ電子銃１２は約２ｋＶ±１００ＶのビームエネルギーＶｂｅａｍ、約２０アンペアのビーム電流Ｉｂｅａｍ、及び電子銃１２の約１００Ｖ以内の電子ビーム制御電圧を有している。ステアリング機構１４は、例えば約１２．５ＭＨｚの正弦波周波数で駆動される。ターゲット１８は約５０Ωのインピーダンスを有し、全ビーム電流Ｉｂｅａｍ条件下で約１ｋＶを生み出す。この例では、電子スイッチ１０は、約１ｋＶのパルス振幅、約１０ｎｓのパルス幅、約４０ｎｓ（約２５ＭＨｚ）の周波数又は繰返し速度、及び約１ナノ秒の立上り時間でターゲット１８中に電流を発生する。かくして電子スイッチ１０は、ナノ秒の立上り時間（約１〜３ナノ秒）及び（約１０ＭＨｚを超える）数十メガヘルツの繰返し速度で高電圧（約１ｋＶ以上）の電流を切り換えることができる。

電子スイッチ１０の高い電圧、高い周波数又は繰返し速度、及び速い立上り時間から利益を受ける用途は数多く存在する。例えば、電子スイッチ１０はプラズマを効率よく駆動できる。他の用途には、特に限定されないが、食品加工、水処理、医療装置／イメージング及び軍事用途がある。

本明細書は、実施例を使用することにより、最良の形態を含めて本発明を開示すると共に、すべての当業者が本発明を実施し利用することを可能にする。本発明の特許可能範囲は特許請求の範囲で定義されていて、当業者に想起される他の実施例を含むことができる。特許請求の範囲の字義通りの表現と違わない構造要素を有するならば、或いは特許請求の範囲の字義通りの表現とわずかな違いしかない同等な構造要素を有するならば、かかる他の実施例は特許請求の範囲内に含まれるものとする。

本発明の例示的な実施形態に係る高周波数かつ高電圧の電子スイッチの略図である。 例示的な実施形態に関し、振幅を時間の関数として示すグラフである。

符号の説明

１０ 電子スイッチ
１２ 電子源又は電子銃
１４ ステアリング機構又は静電ヨーク
１６ マスク又は陽極板
１８ ターゲット
２０ 電子ビーム
２２ 穴又はアパーチャ

Claims (9)

1. 約１ｋＶ以上のビームエネルギー又は電圧Ｖｂｅａｍ及び約１アンペア以上のビーム電流Ｉｂｅａｍを有する電子ビーム（２０）を放出するための電子源（１２）、
   約１０ＭＨｚ以上の走査周波数で電子ビーム（２０）を偏向するためのステアリング機構（１４）、並びに
   偏向された電子ビーム（２０）が当該マスクを横切って走査周波数で走査される、アパーチャ（２２）を有するマスク（１６）
   を備える電子スイッチ（１０）であって、アパーチャ（２２）を通過した電子ビーム（２０）がターゲット（１８）に当たってターゲット（１８）中にパルス状の高圧電流を生じる、電子スイッチ（１０）。
2. 電子源（１２）が電子銃からなる、請求項１記載の電子スイッチ。
3. ステアリング機構（１４）が静電ヨークからなる、請求項１記載の電子スイッチ。
4. ターゲット（１８）が伝送線路からなる、請求項１記載の電子スイッチ。
5. 約１ｋＶ以上の電圧を有する電子ビーム（２０）を発生する電子銃（１２）、
   約１０ＭＨｚ以上の走査周波数で電子ビーム（２０）を偏向する静電ヨーク（１４）、並びに
   アパーチャ（２２）を有する陽極板（１６）であって、電子ビーム（２０）が走査周波数の２倍の周波数でアパーチャ（２２）を通過する陽極板（１６）
   を備える高電圧かつ高周波数の電子スイッチ（１０）であって、アパーチャ（２２）を通過してターゲット（１８）に当たる電子ビーム（２０）が、ターゲット（１８）のインピーダンス及び電子ビーム（２０）の電流で決定されるパルス振幅、アパーチャ（２２）のサイズ及び走査周波数で決定されるパルス幅、並びにビームサイズ及び走査周波数で決定される立上り時間を有するパルス状の高圧電流をターゲット（１８）中に生じる、電子スイッチ（１０）。
6. ターゲット（１８）が伝送線路からなる、請求項５記載の電子スイッチ。
7. 電子ビーム（２０）の電流が約２ｋＶであり、インピーダンスが約５０Ωであるとき、パルス振幅が約１ｋＶである、請求項５記載の電子スイッチ。
8. 電子ビーム（２０）のサイズが約１インチであり、走査周波数が約１２．５ＭＨｚである場合、立上り時間が約１ナノ秒である、請求項５記載の電子スイッチ。
9. 電子スイッチ（１０）の形成方法であって、
   約１ｋＶ以上のビームエネルギー又は電圧Ｖｂｅａｍ及び約１アンペア以上の電流Ｉｂｅａｍを有する電子ビーム（２０）を放出する段階、並びに
   約１０ＭＨｚ以上の走査周波数で電子ビーム（２０）を偏向する段階
   を含んでいて、もって
   偏向された電子ビーム（２０）がアパーチャ（２２）を有するマスク（１６）を横切って走査周波数で走査され、
   アパーチャ（２２）を通過した電子ビーム（２０）がターゲット（１８）に当たってターゲット（１８）中にパルス状の高圧電流を生じる、方法。

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