JP2010501109A - 電子ビームの軌道変調のための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

電子ビーム増幅装置は、電子ビームの軌道変調を提供し、電子銃、変調器、分離器、出力回路及びコレクタを備えている。電子銃は電子ビームを発生する。変調器は、ＲＦ入力信号を受け取り且つ当該ＲＦ入力信号に対応して電子ビームの軌道を変える対応する電磁場領域を提供する。分離器は、電子ビームが変調器によって特定の経路をたどるように軌道を変えられたときに電子ビームが開口内を伝送され、変調器によって軌道を変えられた電子ビームが前記特定の伝送経路以外の経路をたどるときに当該分離器にぶつかるように配向された少なくとも１つの開口を備えている。出力回路は、分離器の開口を介して伝送された電子ビームが通過し且つＲＦ出力信号を発生するように配置されている。コレクタは、電子ビームが出力回路を通過した後に当該電子ビームの残っているエネルギを回収する。分離器の開口を出て行く電子ビームのエネルギを増すために、変調器と出力回路との間に任意の後段加速器を設けても良い。

Description

本発明は、電子ビーム装置に関し、より特定すると電子ビームの軌道変調を利用している電子管増幅器に関する。

（関連出願）
本願は、２００６年８月１７日に出願された米国仮特許出願第６０／８３８，５８０号に対する３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．１１９条（ｅ）に基づく優先権を主張しており、当該出願の主題の全てが本明細書に参考として組み入れられている。

電子管増幅器は、ＲＦ駆動信号に応答して電子ビームのエネルギをマイクロ波エネルギに変換するための技術において公知である。進行波管（ＴＷＴ）又はクライストロン（速度変調器）のような典型的な直進形ビーム電子装置においては、電子銃から発生される電子ビームは、ＲＦ干渉構造内を進行せしめられる。進行の終了時に、電子ビームは、使用済みの電子ビームの残留エネルギを捕捉するコレクタに蓄積される。当該ビームは、干渉構造による損失が無い状態で電子銃からコレクタへ効率良く搬送されるようにするために、一般的に磁場又は静電場によって集束される。ＴＷＴにおいては、例えば、ＲＦ波は、干渉構造を備えている螺旋構造又は一組のキャビティの中を進行して電子ビームに結合し、その結果、ビームは進行する波にエネルギを引き渡す。これと対照的に、クライストロンにおける干渉は、連続的ではなく不連続である。従って、当該電子装置は、マイクロ波信号の出力を増大させるための増幅器として使用することができる。

直進形ビーム電子装置は、電子ビーム内にＡＣ電流を確立するために速度変調又は密度変調を利用し、当該ＡＣ電流は、続いて、装置の出力においてＲＦエネルギに変換される。速度変調は、キャビティ又は進行波回路のようなＲＦ駆動入力構造内を通る電子ビームを交互に加速したり減速したりすることによってなされる。電子が下流へと移動するときに、それらの速度差によって、これらはＲＦ周波数によって分類される。次いで、最終的に得られる電子バンチが通過すると、装置の出力にＲＦ電流が誘導される。入力部分に付与される速度変調を補強するための回路構成要素を付加することによって、高利得を達成することができる。飽和状態まで駆動されるとの装置の効率すなわちＤＣ電子ビーム出力がＲＦエネルギに変換される程度は７０％に達し得る。しかしながら、線形作動領域においては、ＤＣビームの大部分はＲＦに変換されず、これは、効率を犠牲にする傾向がある。更に、速度を電流変調に変換するのに必要とされる回路長さはかなり長い場合が多い。このことは、特に、速度変調される増幅器が数メートルの長さであり得る低周波数用途において特に妥当である。

密度変調は、カソード面からの電子の流れを直接ＲＦ制御し、結果的に生じる電子バンチを加速し、出力部分を使用して出力を取り出すことによって行われる。結論として、密度変調装置は、一般的に、速度変調された対応品よりもかなり短い。更に、電子放出はＲＦ駆動レベルによって制御されるので、密度変調装置は、線形領域で作動するときでさえ高度の効率を維持する。この特性は、密度変調を使用している誘導出力管がＵＨＦテレビジョン放送においてクライストロンに取って代わった理由である。

ほぼ全ての密度変調装置においては、カソードからの電子放出のＲＦゲート制御は、カソード面と制御グリッドとの間に配置された高電場領域を有する入力キャビティ構造によって達成される。これらの装置の利得は、適度な量の電子ビームの流れを取り出すのに十分な電場を形成させるのにかなりの量の入力が必要とされるという事実により制限される。制御グリッドは、カソード表面における電場を高めるためばかりでなく、電子の走行角を制限するために、カソードに極めて近接して隔置される。当該走行角を考慮に入れることによって、これらの装置の動作がマイクロ波スペクトルの低周波数端に限定される。電子ビームをＲＦ変調させるためにグリッドを使用している装置はまた、制御グリッドによる遮蔽により、出力も制限される。

従って、結果的な周波数、出力及び利得が制限されることなく密度変調すなわち高効率及びコンパクトな大きさによって提供される利点を十分に利用するためには、近接した間隔を開けられた制御グリッドに依存しないマイクロ波周波数における電子の流れをゲート制御するための方法及び装置を提供することが望ましい。

本発明は、近接した間隔を開けられた制御グリッドの必要なく密度変調の利点を提供するために、電子ビームを軌道変調する装置及び方法を提供する。

本発明の一つの実施形態においては、電子ビーム増幅器は、電子ビームの軌道変調を提供し、電子と、変調器と、分離器と、出力回路と、コレクタとを備えている。電子銃は電子ビームを発生させる。変調器は、電子ビームがその中を通るような構造とされた入力キャビティを備えている。当該入力キャビティは、ＲＦ入力信号を受け取り且つＲＦ入力信号に対応して電子ビームの軌道を変える対応する電磁場領域をその中に提供する。当該分離器は、電子ビームの軌道が変調器によって変えられたときに電子ビームが伝送されて特別な経路をたどり且つ電子ビームの軌道が変調器によって変えられて前記伝送経路以外の経路をたどるように配向されている少なくとも１つの開口を有している。出力回路は、分離器を出て行く電子ビームがその中を通ることができるような構造とされている。通過する電子ビームは、ＲＦ出力信号を発生する対応する電磁場領域を出力回路内に形成する。出力回路は、そこからＲＦ出力信号を伝送する。コレクタは、出力回路を通過した後の電子ビームを受け取る。電子ビームは、コレクタ内で終わり且つ電子ビーム内に残っているエネルギの回収が可能になる。当該電子装置は更に、分離器の開口から出て行く電子ビームのエネルギを増大させるために、変調器と出力回路との間に配置された任意の後段加速器を備えている。

より特別には、変調器は、電子ビームの軌道を中心ビーム軸に関して横方向に変化させる実質的に横方向の電磁場を提供することができる。別の方法として、当該変調器は、電子ビームの速度変調を付与するほぼ長手方向の電磁場領域を提供することができる。もう一つの代替例においては、当該変調器は、円又は楕円のような中心ビーム軸線に対して閉じた経路をたどるために、電子ビームの軌道を変えるほぼ横方向の電磁場領域を提供することができる。分離器は、中心ビーム軸線からずらされた単一の開口、中心ビーム軸線と整合された単一の開口又は円内に配列された複数の開口を含んでいても良い。

本発明のもう一つ別の実施形態においては、電子ビームの軌道変調に基づいてＲＦ信号を増幅するための方法が提供されている。当該方法は、（ａ）電子ビームを発生させること、（ｂ）ＲＦ入力信号に対応して電子ビームの軌道が特定の経路をたどるときに電子ビームを開口を介して伝送させることによって及び当該伝送経路以外の経路をたどるときには軌道変調された電子ビームを集めることによって軌道変調された電子ビームを選択的に分離することと、（ｄ）前記開口を通過する変調された電子ビームからＲＦ出力信号を発生させることと、（ｅ）ＲＦ出力信号を発生した後に残っている電子ビームのエネルギを集めることとを含んでいる。変調ステップは更に、電子ビームの軌道を中心ビーム軸線に対して横方向に変えること、電子ビームの速度変調を付与すること、又は中心ビーム軸線に対して閉じた経路をたどるように電子ビームの軌道を変えることを更に含んでいる。

電子ビームの軌道変調を利用している電子管増幅器のより完全な理解は、以下の好ましい実施形態の詳細な説明を考慮に入れることによって、当業者に付与されるばかりでなく、その付加的な利点及び目的の実現がなされるであろう。添付図面を参考にするが、最初に当該添付図面を簡単に説明する。

図１は、本発明による軌道変調を利用している電子装置のブロック図である。 図２は、本発明の第一の実施形態に従って形成された例示的な電子装置の部分断面図である。 図３は、電子銃、変調器及び分離器の機能を結合している図２の例示的な電子装置の一体化された入力部分の部分断面図である。 図４は、本発明の第二の実施形態に従って構成された例示的な電子装置の部分断面図である。 図５は、本発明の第三の実施形態に従って構成された例示的な電子装置の部分断面図である。 図６Ａは、横方向の電場を使用している電子ビームの偏倚を示している第三の実施形態の電子装置の一連の概略図である。 図６Ｂは、横方向の電場を使用している電子ビームの偏倚を示している第三の実施形態の電子装置の一連の概略図である。 図６Ｃは、横方向の電場を使用している電子ビームの偏倚を示している第三の実施形態の電子装置の一連の概略図である。

本発明は、一般的な密度変調装置によって結果的に得られる周波数、出力及び利得の制限を受ない状態で、高い効率及びコンパクトなサイズを達成するために電子ビームの軌道変調を使用している電子装置を提供する。

最初に図１を参照すると、本発明による例示的な増幅器装置の概略図は、カソード射出機能とＲＦゲート制御機能とを分離するために、軌道変調を使用している。電子の流れは、例えば、非干渉の正のアノードを使用することによって、一般的な直進形ビーム装置の電子銃設計において使用されるものに似た形態の電子銃によって形成される。制御グリッドとアノードとの間に適度に形成され得るＲＦ電圧の量によって制限される伝統的な射出ゲート制御される装置と対照的に、カソード／アノード幾何学的構造及びこれらの間にかかる電位差の適切な選択によって、極めて高い電流レベルが容易に得られる。グリッド干渉の問題はまた、現在の増幅器装置（その高い電流容量と組み合わせて、流れ射出ゲート制御装置によって達成されるものより著しく大きな電子ビームエネルギを可能にする）において排除される。グリッド付きの銃は、ＲＦ射出ゲート制御部材として機能することなく電子ビームを発生するために使用することができることは注目されるべきである。

電子銃１２から、電子ビームが変調器１４と称されるＲＦ入力装置内へ射出される。変調器１４は、電子ビームが通過するときに個々の電子の横方向又は長手方向のエネルギを変える。電子の軌道は、横方向の電場によって付与される偏倚によって又は細長いケースの場合には長手方向の電子の速度に従って変わる空間電荷誘導ビームの広がりの結果として、変調器に適用されるＲＦ駆動信号の振幅及び位相の関数として変化せしめられる。

分離器１６と称される集電極は、変調器１４の下流に配置される。分離器１６は、特定の軌道を有している電子のみが通過するのを許容する１以上の開口を備えている。軌道は変調器１４に適用されるＲＦ駆動装置によって決定されるので、これは、ＲＦゲート制御作用を有している。電子の流れの一部分は分離器１６によって集められるけれども、ビームエネルギの損失は、分離器電圧を初期のビーム電位以下に抑制することによって最少化される。抑制された分離器１６はまた、電子の偏倚を促進するのに有益である。

分離器１６から射出される変調された電子ビームは、ＲＦ出力の取り出し及び使用済みのビームの収集のために、出力回路２０内へ直接通すことができる。別の方法として、ビームを再度加速させることによってビームのエネルギを増大させることが望ましいかも知れない。分離器１６と出力回路２０との間に配置されている後段加速器１８は、この目的のために使用される。後段加速器１８が備えられているとき、当該増幅器装置は、極めて高い出力を発生させることができる。後段加速器１８はまた、分離器１６に対する電流損失作用を最少にすることによって装置の効率を著しく改良する。

本発明に従って構成された例示的な電子装置１００の実施形態が図２に示されている。電子装置１００は、電子銃１２０、変調器１４０、分離器１６０、後段加速器１８０、出力回路２００及びコレクタ２１０を備えている。当該電子装置内でのビームの伝送は、当該技術において一般的に知られているよう、磁気又は静電合焦装置（図示せず）によって補助することができる。以下に更に説明するように、電子装置１００への入力信号は、ビームの進行方向に対して横方向の場によって電子ビームに結合されている。

より特別には、電子銃１２０は、当該銃の構成部品を実質的に包含し且つより大きな装置内への当該電子銃の取り付けを補助する円筒形外装を備えている。当該外装内においては、カソード構造１２２は、カソード射出面が当該外装の中心軸線に対して直角に配置されているほぼ円筒形状を有している。アノードリング１２４は、前記射出面から射出された電子ビーム１２６がアノードリング内を通過するようにカソード構造１２２と整合されている。絶縁リング１２８は、電子銃１２０の外装を分割して、前記射出面から電子ビーム１２６を取り出すのに十分な高い電圧を維持するために、カソード構造１２２とアノードリング１２４との間に電気的絶縁を提供している。電子銃１２０は更に、アノードリング１２４とカソード射出構造１２２との間に電気的絶縁を提供している。電子銃１２０は更に、アノードリング１２４とカソード射出構造１２２との間に、電場領域の形状を制御する機能を果たす付加的な合焦電極を備えていても良く、これは電子ビーム１２６の形状及び特性を規定する。

電子ビーム１２６は、電子銃１２０を出た後に変調器１４０内へ入り、変調器１４０は、ＲＦ駆動の横方向の場によってビームの偏倚を生じさせる。変調器１４０は、口輪１４６、１４８を備えたキャビティ１４２を含んでおり、当該口輪は、電子ビームがキャビティ１４２内を通過するときに電子ビームの入射経路及び射出経路を規定する。入口ポート１４４を介して変調器１４０に適用されるＲＦ信号によって、キャビティ内に横方向の電磁場が形成される。変調器１４０内に形成される場は、電場ベクトルが進行方向に直角であるＴＥモードを呈するであろう。ＲＦ信号は、入口ポート１４４とキャビティ１４２との間に形成されている窓１４５内を通過する。窓１４５は、電子装置内に真空を維持するための真空シールを提供する。変調器１４０は、電子ビーム１２６の個々の電子の横方向のエネルギを変えて、電子の軌道がＲＦ信号に対応して左右に周期的に偏倚せしめられるようにさせる。ビーム１２６が前後に掃引される速度はＲＦ信号の周波数に関係し、中心軸線から離れる方向の当該掃引の大きさは、ＲＦ信号の振幅に関係する。ビーム１２６の横方向の動きは、図２において矢印によって示されている。

電子ビーム１２６は、次いで、分離器１６０に入る。分離器１６０は、収集プレート１６６内に規定されている開口１６４を有しているキャビティ１６２を備えている。一つの方向に変位せしめられた電子は、開口１６４を介して分離器キャビティ１６２を出て行く。開口１６４は、分離器キャビティ１６２の中心軸線に対してずらされていても良い。他の方向に偏倚せしめられた電子は、分離器の収集プレート１６６によって集められる。図２に示されているように、ビーム１２６のある種の電子は、変調器１４０にかけられた横方向の場によって右へ偏倚せしめられ、これらは開口１６４内を通過する。ビーム１２６の軌道が反対方向（開口１６４から離れる方向）に掃引されて戻るときに、ビームの電子は収集プレート１６６上に集められる。分離器キャビティ１６２内の電位は、初期のビームの電位に対して抑制して、収集プレート１６６上に集められた電子のエネルギの回収ができるようにすることができる。分離器１６０の幾何学的構造は、比較的高い出力用途における入射出力密度を減少させるように最適化することができる。分離器の開口１６４を出て行くビーム１２６は、主として密度変調される。伝送角すなわち分離器１６０内を伝送されるＲＦサイクルの一部分は、駆動信号の振幅及び開口の幾何学的構造によって制御される。分離器１６０はまた、例えば進行波出力回路に対して完全に変調されたとは言えない電子ビームが望ましい場合にＤＣ電流構成要素を通過させる構造とすることもできる。構成部品間の電気的絶縁性を維持するために、変調器１４０と分離器１６０との間に絶縁リング１６８をも設けても良い。

変調された電子ビームは更に、後段加速器１８０によって加速しても良い。後段加速器１８０は、変調された電子ビームの残っている電子のエネルギを増大させるために、アノードリング１２４と似た電極１８２を備えている。後段加速器１８０は、高い電子エネルギを必要とする用途においてのみ使用される任意の構造であることは理解されるべきである。

後段加速器が備えられているか否かに拘わらず、変調された電子ビームは、最終的に、ＲＦ出力を取り出すための出力回路２００を通過する。出力回路２００は、キャビティ２０２内を通過するときに電子ビームのための入射経路及び射出経路を規定している口輪２０６、２０８を備えているキャビティ２０２と、窓２０５を介してキャビティ２０２に結合されている取り出しポート２０４とを備えている。キャビティ内には、変調されたビームがキャビティ２００を通過するときに、当該変調されたビームによって電磁波が形成され、それによって、窓を通過し且つ取り出しポート２０４内へ入る増幅されたＲＦ信号が形成される。次いで、増幅されたＲＦ信号を、取り出しポート２０４を介して電子装置から取り出すことができる。上記したように、窓２０５には、当該電子装置内に真空を維持するための真空シールが設けられていても良い。

最後に、電子ビームの残っているエネルギがコレクタ２１０内に蓄積される。制限電場が無い場合には、使用済みの電子ビームは、コレクタ２１０内に集束せしめられないようになり、それによって、個々の電子は、コレクタの内壁にぶつかったときに、それらの相互の反発電荷によりビームから分離される。当該技術において一般的に知られているように、コレクタ２１０には、抑制されたすなわち概してカソード電圧より小さい電圧がかけられ且つ適用される個々の種々の電圧を有している複数の段階を含んでいる。このことは、コレクタ２１０の収集効率を改良する傾向がある。

本発明に従って形成された例示的な電子装置の別の実施形態が図３に示されている。図３の電子装置は、入力部分を一体化して、電子銃の機能、変調器の機能及び分離器の機能を有するようにすることによって、以前の実施形態より優れたサイズの減少を提供している。

一体化された構造３００は、中空の電子ビーム２２６を形成するために、対応するアノード２２４から隔てられた環状のカソード２２２を備えている。絶縁部分２２８は、カソード射出表面から電子ビーム２２６を取り出すのに十分な高電圧を維持するために、カソード２２２とアノード２２４との間に電気絶縁を提供している。上記したように、当該電子銃は更に、形成される電子ビーム２２６の形状及び特性を規定するアノード２２４とカソード２２２との間の電場の形状を制御する機能を果たす付加的な合焦電極を備えていても良い。中空の電子ビーム２２６は変調器２４０内を通過し、当該変調器２４０は、ＲＦ駆動による横方向の場によってビームの軌道変調を付与する。当該ビームは、その後に、開口２６４を有する分離器２６０内を通過する。以前の実施形態と同様に、電子ビームが開口２６４の上を掃引すると、密度変調された電子ビームが形成される。電子ビームが開口２６４から離れる方向に掃引されると、ビームは分離器２６０上に集められる。

一体化された構造３００は更に、同じく当該一体化された構造の頂部として機能する後段加速器電極２７２を備えている。絶縁リング２７４は、後段加速器電極２７２にかけられるＤＣ加速バイアス電圧を退ける。ドーナツ形状の一体化された構造３００は、変調された円筒形の電子ビームを必要とする種々の用途において使用することができることは理解されるべきである。

本発明に従って構成された例示的な電子装置の第三の実施形態が図４に示されている。図２の実施形態と同様に、当該電子装置のこの代替的な実施形態は、電子銃３２０、変調器３４０、分離器３６０、任意の後段加速器３８０、入力回路３９０及びコレクタ４００を備えている。当該電子装置内でのビームの伝送は、当該技術において一般的に知られている磁性又は静電による合焦装置（図示せず）によって補助することができる。当該電子装置は、環状、シート状及び円筒形を含む種々のビーム形状のうちのいずれかによって構成することができ且つ多くのビーム構造と互換性もある。

電子銃３２０は、電子銃構成部品を含み且つより大きな装置内への電子銃の取り付けを補助する円筒形の外装を備えている。当該外装内で、カソード構造３２２は、カソード射出面が外装の中心軸線に直角に配置されている概して円筒形状を有している。アノードリング３２４は、当該射出面から射出された電子ビーム３２６がアノードリング内を通ることができるように、カソード構造３２２と整合されている。絶縁リング３２８は、電子銃３２０の外装を分割して当該射出面から電子ビーム３２６を取り出すのに十分な高い電圧電位を維持するために、カソード構造３２２とアノードリング３２４との間の電気的絶縁を提供している。

電子ビーム３２６は、電子銃３２０を出た後に、変調器３４０内へ入る。図２の変調器とは異なり、変調器３４０は、電子ビーム３２６を速度変調させる長手方向のＲＦ場を形成している。変調器３４０は、キャビティ３４２を備えており、当該キャビティは、電子ビームがキャビティ３４２内を通過するときの当該電子ビームの入射経路及び射出経路を規定している口輪３４６、３４８を備えている。当該キャビティ内には、入力ポート３４４を介して変調器３４０に適用されるＲＦ信号によって、長手方向の電磁場が形成されている。変調器３４０によって形成される場は、横方向磁気（ＴＭ）モードを呈し、当該ＴＭモードにおいては、磁場は進行方向に直角であり、電場は進行方向である。ＲＦ信号は、入力ポート３４４とキャビティ３４２との間に規定されている窓３４５内を通る。窓３４５には、当該電子装置内に真空を維持するために真空シールを設けても良い。変調器３４０は、電子ビーム３２６の個々の電子の長手方向のエネルギを変えて、他の電子が減速されている間にある種の電子を加速し、それによってビームの速度変調をもたらす。

次いで、電子ビーム３２６は分離器３６０に入る。分離器３６０は、中央開口３６４を有しているキャビティ３６２を備えている。加速された電子は、開口３６４を通って出て行くのに十分なエネルギを有しており、一方、減速された電子は、分離器３６０の内壁によって集められる。当該分離器の電位は、エネルギの回収を可能にするために、初期のエネルギ電位に対して抑制しても良い。当該分離器の幾何学的構造は、より高い出力用途における入射出力密度を減じるために最適化することができる。分離器の開口３６４から出て行くビーム３２６は、主として密度変調される。伝送角度は、ＲＦ駆動信号の大きさ及び開口の幾何学的構造によって制御される。分離器３６０はまた、ＤＣ電流構成部品内を通過させる構造とすることもできる。変調器３４０と分離器３６０との間にもまた絶縁リング３６８を設けても良い。

変調された電子ビームは更に、後段加速器３８０によって付勢することができる。後段加速器３８０は、変調された電子ビームの残っている電子のエネルギを増すために、アノードリング３２４に似た電極３８２を備えている。後段加速器３８０は、高い電子エネルギを必要とする用途においてのみ使用される任意の構造であることは理解されるべきである。

後段加速器が含まれているか否かに拘わらず、変調された電子ビームは、最終的にＲＦ出力取り出しのための出力回路３９０内を通過する。出力回路３９０は、電子ビームがキャビティ３９２内を通過するときの電子ビームの入射経路及び射出経路を規定している口輪３９６、３９８を有するキャビティ３９２と、窓３９５を介してキャビティ３９２に結合されている取り出しポート３９４とを備えている。キャビティ内には、変調されたビームがキャビティ３９２内を通るときに、当該変調されたビームによって電磁場が形成され、それによって、当該窓を通り且つ取り出しポート３９４へ入る増幅されたＲＦ信号が形成される。この増幅されたＲＦ信号は、次いで、取り出しポート３９４を介して当該電子装置から取り出すことができる。変調器３４０は電子の速度の広がりを生じさせるので、密度変調された電子ビーム３２６は、速度変調成分を含んでいる。結果として、当該技術において一般的に知られているように、離群（ｒｅ−ｂｕｎｃｈｉｎｇ）による装置の効率の低下を避けるためには、適当な手段が必要とされるかも知れない。

電子ビームの残っているエネルギは、コレクタ４００内に蓄積される。合焦電場又は合焦磁場が無い場合には、使用済みの電子ビームはコレクタ４００内で非集束状態となり、それによって、個々の電子がコレクタの内壁にぶっかったときに、個々の電子の相互に反発する空間電荷により、個々の電子は当該ビームから分離せしめられる。

本発明に従って構成された例示的な電子装置の第四の実施形態が図５に示されている。この実施形態は、高調作用を使用することなく周波数増加を可能にしている。以前の実施形態と同様に、この実施形態は、電子銃４２０、変調器４４０、分離器４６０、任意の後段加速器４８０、出力回路４９０及びコレクタ４９８を備えている。当該電子装置内でのビームの伝送は、当該技術において一般的に知られているように、磁気又は静電による合焦装置（図示せず）によって補助することができる。当該電子装置は、他の形状を使用することができるけれども、円筒形又はファン形状のビームによって形成することができる。

電子銃４２０は、電子銃の構成部品を実質的に含んでおり且つより大きな装置内への当該電子銃の取り付けを補助する円筒形の外装を備えている。当該外装内では、カソード構造４２２は、外装の中心軸線に対して直角に配置されているカソード射出面を備えた概して円筒形状を有している。アノードリング４２４がカソード構造４２２と整合されて、射出面から射出された電子ビーム４２６がアノードリング内を通るようになされている。絶縁リング４２８は、射出面から電子ビーム４２６を取り出すのに十分な高い電圧電位を維持するために、電子銃４２０の外装を分割して、カソード構造４２２とアノードリング４２４との間に電気的絶縁を提供している。

電子ビーム４２６は、電子銃４２０を出た後に、変調器４４０内へ入る。変調器４４０はキャビティ４４２を備えており、当該キャビティ４４２は、電子ビームがキャビティ４４２内を通るときの電子ビームのための入射経路及び射出経路を規定している開口を有している。当該キャビティ内には、入力ポート４４４を介して変調器４４０に適用されるＲＦ信号によって、横方向の電磁場が形成される。当該ＲＦ信号は、入力ポート４４４とキャビティ４４２との間に規定されている窓４４５を通過する。窓４４５には、当該電子装置内に真空を維持するために真空シールを設けても良い。変調器４４０は、電子ビームがその中を通過するときに、当該横方向の電磁場によって、電子ビーム４２６を偏倚させる。当該偏倚によって、電子ビーム４２６を前後に直線的に動かすか又は円又は楕円のような閉じた経路をたどらせることができる。後者すなわち閉じた経路は、適当に位相調整された直角に配置された偏向器キャビティによって又は典型的には直角な固有モードと同調された励起によって形成される回転モードによる単一のキャビティによって達成することができる。

次いで、電子ビーム４２６は分離器４６０へ入る。分離器４６０は、穴が開けられたプレート４６２を備えている円錐形の構造を有している。穴が開けられたプレート４６２は、各々がプレート４６２の周縁に沿って径方向に向けられた複数の対称的に隔置された穴４６４を備えている丸い形状を有している。電子ビームが穴が開けられたプレート４６２を横切って円運動で掃引されるとき、当該電子は、交互に、穴４６４内を通過したり集められたりする。プレート４６２にかけられる電位は、エネルギの回収を可能にするために、初期のビームに対して抑制しても良い。分離器４６０の幾何学的構造は、出力がより高い用途における入射出力密度を減じるように最適化することができる。

図５に示されているように、電子は連続する穴４６４内を通って電子バンチをもたらす（例えば、例示的な電子バンチ４６６を参照のこと）。ＲＦ入力周波数ｆ_ｏの単一のサイクル中に分離器４６０を越えて伝送されるバンチの数は、分離器上を横切る穴の数Ｎに等しい。従って、ビームの流れの合計はＮ×ｆ_ｏの頻度で変調される。円形に傾斜が付けられた穴を使用することによって、伝送される流れの量がビームの軌道半径の関数として変化せしめられ、振幅変調が可能になる。付加的に、穴４６４を連結させて分離器を出て行くビームにＤＣ成分が付与される。穴の間隔よりも大きい電子ビームの断面を使用することにより、ＤＣ成分を導入することもできる。

図６Ａ〜６Ｃを簡単に参照すると、増幅器の動作の概略の表示が示されている。各図は、アノード５２４内を通過する電子ビームを射出するカソード５２２を示している。当該ビームは、次いで、変調器５４０によって変調され、次いで分離器プレート５６２にぶつかる。分離器プレート５６２は、適用される変調に応じてビームが穴のうちの一つを介して出て行くことができるように複数の穴５６４を備えている。図６Ａにおいては、電子ビーム５２６は、変調器によって適用される横方向の電場を有しておらず（すなわち、駆動信号が零であるか又は駆動が適用されない）、ビーム５２６は変調器プレート５６２上に集められる。図６Ｂにおいては、変調器５４０は、正方向を向いた横方向の電場をかけ、ビーム５２６が負方向に偏倚されて分離器プレート５６２内の穴を通過せしめられる。図６Ｃにおいては、変調器５４０は、負方向を向いている横方向の電場をかけ、ビーム５２６が正方向に偏倚せしめられて分離器５６２内の異なる穴を通過せしめられる。従って、結果的に得られるビームの特性は、変調器５４０の動作によって制御することができることが理解されるはずである。

図５を参照すると、変調された電子ビームは更に後段加速器４８０によって加速しても良い。後段加速器４８０は、変調された分子ビームの残っている電子のエネルギを増すために、アノードリング４２４に似た電極４８２を備えている。後段加速器４８０は、高い電子エネルギを必要とする用途においてのみ使用される任意の構造であることが理解されるべきである。後段加速器４８０は、付加的に、電子バンチを中心軸線へと戻して変調された直線ビームを形成する構造とすることができる。

後段加速器が備えられているか否かに拘わらず、変調された電子ビームは、最終的に、より高いＮ×ｆ_ｏの頻度でＲＦ出力を取り出すための出力回路４９０を通過する。前述の出力回路と同様に、出力回路４９０は、キャビティ４９２を備えており、キャビティ４９２は、電子ビームが当該キャビティ４９２内を通過するときに、当該電子ビームのための入射経路及び射出経路を規定している窓と当該窓を介して当該キャビティに結合されている取り出しポート４９４とを備えている。変調されたビームがキャビティ４９２内を通過するときに変調されたビームによってキャビティ内に電磁場が形成され、それによって、増幅されたＲＦ信号が形成され、当該ＲＦ信号は、窓を通過し且つ取り出しポート４９４内へ入る。次いで、増幅されたＲＦ信号を取り出しポート４９４を介して電子装置から取り出すことができる。

電子ビームの残っているエネルギは、コレクタ４９６内に蓄積される。合焦電場又は合焦磁場が存在しない状態では、使用済みの電子ビームはコレクタ４９６内で集束されない状態となり、その結果、個々の電子が、それらの相互に反発する空間電荷によりビームから分離せしめられ、そのときに、これらの電子はコレクタの内壁にぶつかる。

図５の実施形態は更に、高い頻度で出力を提供する構造とすることができる。上記したように、Ｎ個の穴を備えた単一の分離器プレート４６２は、Ｎの因子だけ入力変調器周波数を増大させる。別の方法として、当該装置に各々が異なる穴を有している多数の同心穴のリングが設けられている場合には、出力周波数は、当該ビームが上方を横切るようにたどるリングに依存する。これによって、出力周波数は、入力を変化させることによって制御することができる。より大きな駆動信号は、単一サイクルでビームをより多くの穴の上を掃引させることができるので、簡素な線形構造もまた、周波数変調に対する増幅をもたらす。ファン形状のビームは、同時に多くの一連の穴を横切るように掃引することができる。穴の連続の各々における穴の幅及び間隔を適切に選択すること（すなわち、各構成要素の振幅及び周波数を選択すること）によって、全ての構成要素が合計されたときに、特別なスペクトルを形成することができる。例えば、フーリエ成分を合計することによって、パルス又はその他の補助波形を形成することが可能である。ＲＦ出力は、入力周波数において別々の出力回路を使用している個々のビームレットの各々から取り出すことができる。これは、装置内に共通の供給出力回路を効率良く一体化して、列状の駆動装置用途における複雑且つ損失のあるカプラーに基づいた分配網の必要性を排除する。例えば、分離器の穴のパターンを変えることによる出力信号間の位相関係の操作によって、第三の増幅器が同調された列を駆動させることができる。図５の実施形態は、このような用途に限定されることはないけれども、テラヘルツ周波数において高い出力を形成するようにすることができる。

本発明の種々の代替的な実施形態を本発明の精神及び範囲内で形成することができる。全ての入力周波数を使用することができ、例えば、当該増幅器は、低周波数の出力グリッド管用途に対処することができ又はテラヘルツの放射線を発生することができる。当該増幅器において電子ビームを発生させるための銃の全て、例えば、ダイオード銃、シャドウグリッド付きの銃、冷陰極、光電陰極及びマグネトロン射出銃を使用することができる。上記したペンシル形状及び中空形状のビームのみならず、シート状のビーム及びマルチビーム（すなわち、高パービアンス）構造を含む種々のビーム構造もまた使用することができる。代替的な変調器の設計を使用しても良い。例えば、図５の実施形態には、任意の数の個々のキャビティを有する変調器を設けても良い。例えば、異なる穴パターン又は異なる分離器形状のような増幅器のための代替的な分離器の設計を使用しても良い。例えば、軌道変調の両極値を通過するように配置されている２つの変調器装置においては、図２の実施形態は、周波数二倍器か又は基本的な周波数増幅器の高出力のより効率の良い態様となる。後者の具体例は、連続するバンチ間の適当な位相関係をもたらす出力回路を必要とする。当該増幅器のための全ての出力回路、例えば、拡張相互作用キャビティ、リング共振キャビティ、高次モードキャビティ、ヘルツ出力回路、ＲＦビームの流れの直接的な収集、アンテナへの直接的組み込み、定常波出力回路、進行波出力回路及び高速波回路を使用することができる。

増幅器の利得又は効率を増大させるために、付加的な回路要素もまた備えても良い。例えば、入力駆動要件を減らすために、図４の実施形態における利得キャビティを使用しても良い。誘導によって同調さるた前末端キャビティは、電子バンチを増強することによって増幅器の効率を増大させることができる。当該増幅器の使用済みのビームからのエネルギの回収のために、例えば多段階抑制コレクタを使用しても良い。電子ビームの軌道を変えるために、ＲＦ入力信号と独立して又はＲＦ入力信号と組み合わせた電気バイアス又は磁気バイアスの使用を採用しても良い。例えば、図５の実施形態の直線構造においては、制御電極及びテーパーが付けられた穴が利得制御を提供することができる。

更に、当該増幅器は、高調波周波数逓倍器として構成しても良い。多数の増幅器要素のカスケーディング及びその他の組み合わせを使用しても良い。当該増幅器の振動器構造を使用しても良い。これは、変調器への出力信号のフィードバックによって達成することができる。ビームの予変調がロック信号を提供する位相同期発振器の使用もまた予想できる。増幅器内に包含されていない軌道変調の他の手段もまた使用することができる。

以上、電子ビームの軌道変調を使用している電子管増幅器の好ましい実施形態を説明したけれども、これによって、当該説明された装置のある種の利点が達成されたことが当業者には明らかなはずである。当該装置の種々の変形例、適用例及び代替的な実施形態を本発明の範囲及び精神内で形成することができることも理解されるべきである。本発明は、特許請求の範囲によってのみ規定されている。

Claims (23)

1. 電子ビーム増幅装置であり、
   電子ビームを発生する電子銃と、
   電子ビームがその中を通過するような構造とされ且つＲＦ入力信号を受け取り且つ当該ＲＦ入力信号に対応して電子ビームの軌道を変える対応する電磁場領域を提供する入力キャビティを備えている変調器と、
   当該変調器によって電子ビームの軌道が一つの特別な伝送経路をたどるように変えられたときに電子ビームがその中を通過し、前記変調器によって前記電子ビームの軌道が前記伝送経路以外の経路をたどるように変えられたときに電子ビームが前記変調器にぶつかるように配向された少なくとも１つの開口を備えている分離器と、
   当該分離器の開口を介して伝送された電子ビームがその中を通過するように配置された出力回路であって、前記分離器の開口内を通過する電子ビームが当該出力回路内にＲＦ出力信号を発生させる対応する電磁場領域を形成し、前記ＲＦ出力信号を伝送するようになされた前記出力回路と、
   電子ビームが当該出力回路を通過した後に、当該電子ビームを受け取る構造とされたコレクタであって、前記電子ビームは当該コレクタ内で尽き、電子ビーム内に残っているエネルギを回収することもできるようにしたコレクタと、を含む電子ビーム増幅装置。
2. 請求項１に記載の電子ビーム増幅装置であり、
   前記電子銃が直線の電子ビームを発生することを特徴とする電子ビーム増幅装置。
3. 請求項１に記載の電子ビーム増幅装置であり、
   前記電子銃が中空の電子ビームを発生することを特徴とする電子ビーム増幅装置。
4. 請求項１に記載の電子ビーム増幅装置であり、
   前記変調器が、前記電子ビームの軌道を中心ビーム軸線に対して横方向へ変える横方向の電磁場領域を提供することを特徴とする電子ビーム増幅装置。
5. 請求項１に記載の電子ビーム増幅装置であり、
   前記変調器が、前記電子ビームの速度変調を付与する長手方向の電磁場領域を提供することを特徴とする電子ビーム増幅装置。
6. 請求項１に記載の電子ビーム増幅装置であり、
   前記変調器が、中心ビーム軸線に対して閉じた経路をたどるように電子ビームの軌道を変える横方向の電磁場領域を提供することを特徴とする電子ビーム増幅装置。
7. 請求項６に記載の電子ビーム増幅装置であり、
   前記閉じた経路が円からなることを特徴とする電子ビーム増幅装置。
8. 請求項６に記載の電子ビーム増幅装置であり、
   前記閉じた経路が楕円からなることを特徴とする電子ビーム増幅装置。
9. 請求項１に記載の電子ビーム増幅装置であり、
   前記分離器が、中心ビーム軸線からずらされた単一の開口を備えていることを特徴とする電子ビーム増幅装置。
10. 請求項１に記載の電子ビーム増幅装置であり、
    前記分離器が、中心ビーム軸線と整合された単一の開口を備えていることを特徴とする電子ビーム増幅装置。
11. 請求項１に記載の電子ビーム増幅装置であり、
    前記分離器が複数の開口を備えていることを特徴とする電子ビーム増幅装置。
12. 請求項１に記載の電子ビーム増幅装置であり、
    前記変調器と前記出力回路との間に配置された後段加速器を更に備えており、当該後段加速器は、前記分離器の開口から出て行く電子ビームのエネルギを増大させることを特徴とする電子ビーム増幅装置。
13. 請求項１に記載の電子ビーム増幅装置であり、
    前記コレクタが多段階抑制コレクタを更に備えていることを特徴とする電子ビーム増幅装置。
14. ＲＦ信号を増幅するための方法であり、
    電子ビームを発生させること、
    ＲＦ入力信号によって前記電子ビームを変調させて前記ＲＦ入力信号に対応して電子ビームの軌道を変えること、
    電子ビームの軌道が特定の伝送経路をたどるときに前記電子ビームを開口を介して伝送することによって電子ビームを分離するステップ、及び前記電子ビームが前記特定の伝送経路以外の経路をたどるように前記変調器によって軌道が変えられたときに軌道変調された電子ビームを集めるステップ、を選択的に行うこと、
    前記開口内を通過する変調された電子ビームからＲＦ出力信号を発生させることと、
    前記ＲＦ出力信号を発生させた後に残っている電子ビーム集めること、を含む方法。
15. 請求項１４に記載の方法であり、
    前記電子ビームを発生させるステップが直線電子ビームを発生させることを更に含んでいることを特徴とする方法。
16. 請求項１４に記載の方法であり、
    前記電子ビームを発生させるステップが、中空の電子ビームを発生させることを更に含んでいることを特徴とする方法。
17. 請求項１４に記載の方法であり、
    前記軌道変調させるステップが、前記電子ビームの軌道を中心ビーム軸線に関して横方向に変えることを更に含んでいることを特徴とする方法。
18. 請求項１４に記載の方法であり、
    前記軌道変調させるステップが、前記電子ビームの速度変調を付与することを更に含んでいることを特徴とする方法。
19. 請求項１４に記載の方法であり、
    前記軌道変調させるステップが、前記電子ビームの軌道を、中心ビーム軸線に関して閉じた経路をたどるように変えることを更に含んでいることを特徴とする方法。
20. 請求項１４に記載の方法であり、
    前記分離ステップが、中心ビーム軸線からずらされた単一の開口を設けることを含んでいることを特徴とする方法。
21. 請求項１４に記載の方法であり、
    前記分離ステップが、中心ビーム軸線と整合された単一の開口を設けることを含んでいることを特徴とする方法。
22. 請求項１４に記載の方法であり、
    前記分離ステップが円状に配列された複数の開口を設けることを含んでいることを特徴とする方法。
23. 請求項１４に記載の方法であり、
    前記開口から出て行く電子ビームのエネルギを増大させることを更に含んでいることを特徴とする方法。

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