JP2539207B2 - プラズマ電子ガン - Google Patents

プラズマ電子ガン

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JP2539207B2
JP2539207B2 JP62002644A JP264487A JP2539207B2 JP 2539207 B2 JP2539207 B2 JP 2539207B2 JP 62002644 A JP62002644 A JP 62002644A JP 264487 A JP264487 A JP 264487A JP 2539207 B2 JP2539207 B2 JP 2539207B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明はプラズマ電子ガンに関する。
〈従来の技術〉 本発明によるプラズマ電子ガンは、米国特許第397089
2号に開示されたプラズマ電子ガンと一般に同一の形式
のものである。この米国特許に述べられているように、
例えば電子ビーム励起ガスレーザーに使用するための高
エネルギー電子ビームの発生技術においての、最近の進
歩は、プラズマカソード電子ガンである。この電子ガン
によれば、カソードに対して比較的低電圧において動作
するアノード格子と中空カソード面との間の中空のカソ
ード放電域内においてプラズマを発生させる。電子は放
電プラズマからアノード格子及び制御格子を経て引出さ
れ、これら２つの格子と加速アノードとの間のプラズマ
のない領域において、高エネルギーをもつように加速さ
れる。加速アノードは典型的には、カソードに対して比
較的高電圧に保たれた薄いはく状の窓である。プラズマ
カソード電子ガンの利点としては、構造が簡単で堅強な
こと、制御可能性及び効率が高く、コストが低廉であ
り、大面積の電子ビームの発生に適していること、など
が挙げられる。
米国特許第4025818号に開示されたイオンプラズマ電
子ガンは、前記米国特許第3970892号に開示されたもの
と基本的に同一であるが、プラズマ放電のためのワイヤ
アノードと、プラズマ室を順次連結可能とするための複
数のバッフルとが付加されている。
これらの米国特許による電子ガンによって発生させた
電子ビーム内の電子の分布は、一般に、はく状の窓の中
心部にピークがあり、窓の縁部に向って強度が徐々に零
まで減少するような分布となる。
〈発明が解決しよとする問題点〉 本発明の１つの目的は、はく状の窓を出るときの全ビ
ームの幅方向の電子の分布が一様になるような電子ビー
ムを発生させるようにした改良型の構造を提供すること
にある。
本発明の他の目的は、長時間のラン操作において高効
率を示すように作成された改良型のプラズマ電子ガンを
提供することにある。
〈問題点を解決するための手段〉 本発明によれば、互いに隣接しその間に開口を含む第
１室及び第２室を備え、電気的に接地したハウジング
と、 前記第１室中に設けた正イオンを発生させるための正
イオン発生手段と、 前記ハウジングから隔だてられ、且つ絶縁された状態
で前記第２室中に配置した２次電子放出面を有するカソ
ードと、 前記カソードと前記ハウジングとの間に高電圧を印加
して、正イオンを前記第１室から前記第２室に吸引し、
当該カソードの２次電子放出面に衝突させ、２次電子を
放出させるための電圧印加手段と、 前記カソードに対向する前記第１室の先端にある前記
ハウジングの開口部上に延在し、前記２次電子のための
アノードを形成するよう当該ハウジングに電気的に接続
しており、前記２次電子を電子ビームとして通過させる
電導性の電子透過はく材と、 前記カソードの２次電子放出面に近接して前記第２室
中に取付けており、当該２次電子放出面に静電界を発生
すると共に、そこから２次電子を前記第１室に移行させ
るための通し孔を有する電導性の引き出し格子と、 前記はく材に近接して前記第１室中に取付けてあり、
当該はく材及び前記ハウジングに連結し、前記引き出し
格子の通し孔に整列された通し孔を備えており、前記引
き出し格子と共働して２次電子を前記はく材に向かって
加速する電導性の支持格子とからなるプラズマ電子ガン
において、 前記引き出し格子および支持格子は、平行に離隔した
状態で前記カソードから前記はく材の方向に延在する複
数のリブを形成し、 少くとも前記引き出し格子のリブは、前記引き出し格
子が存在しない場合に前記開口部を透過する電界に比例
するように、その前記方向の長さを前記カソードの中心
部から端部に向かって徐々に短尺したことを特徴とする
プラズマ電子ガンが提供される。
〈実施例〉 第１図には、プラズマ電子ガンの基本的な要素が図示
されている。プラズマ電子ガンは電導性の接地された外
囲いを含み、この外囲いは高電圧室13、イオンプラズマ
放電室12及びはく形の電子透過窓２から成っている。ワ
イヤ４はプラズマ放電室12を通って延長している。電子
透過窓２は、接地された外囲いに電気的に接続してあ
り、電子をそれに向って、またそれを通って加速するた
めのアノードを形成している。外囲いには１〜10mトル
のヘリウムが満たされている。カソード６は高圧室13中
に配置されている。カソードインサート５はその下面上
に取付けられている。インサート５は典型的にはモリブ
デンからできているが、２次放出係数の高い他の任意の
材料からできていてもよい。高電圧のカソード６は、パ
ッシェン・ブレークダウンを防止するように、外囲いか
ら一様に離隔されている。
高電圧供給源10は、ケーブル９を経てカソード６に、
200〜300kVの負の高電圧を供給し、このケーブル９は、
カソード６との間に介在させた抵抗器８まで、エポキシ
絶縁体14を通って延長している。カソード６とカソード
インサート５とは、配管７を経て圧送される適宜の冷却
液例えば油によって冷却される。
プラズマ放電圧12は、機械的及び電気的に一緒に接続
された多数の金属製リブ３を備えている。これらのリブ
３は、ワイヤ４が構造物全体を通過しうるようにするた
めの切欠を中心部に備えている。カソード６と向い合っ
たリブ３の側面は、引出し格子16を、またリブ３の反対
側の側面は、はく形の電子透過窓２を支持するための支
持格子15をそれぞれ形成している。液冷用のダクト11
は、プラズマ放電室12からの熱を除去するために用いら
れる。
電子透過窓２は、0.0254mm（１ミル）の厚さのチタン
はくから成り、このチタンはくは、支持格子15によって
支持され、Ｏリングにより外囲いに対してシールされて
いる。ガスマニホルド10′は、加圧された窒素によって
電子透過窓２を冷却し且つビーム領域からオゾンを除去
するために用いられる。
モジュレーター１は、コネクター4A（第２図）を経て
ワイヤ４に接続されている。モジュレーター１が付勢さ
れると、正のヘリウムイオン放電がワイヤ４によってプ
ラズマ放電室12中に発生する。モジュレーター１は直流
電源であっても、また20〜30MHzの無線周波数発生器で
もよい。イオン放電が一度設定されると、電子ビームが
オンにスイッチする。プラズマ中に生成した正のヘリウ
ムイオンは、引出し格子16を経てプラズマ放電室12中に
洩れる。電界によって、カソード６に向って吸引され
る。この電界は数100Vから1,000Vの範囲において変動し
うる。イオンは引出し格子16を経て高電圧室13中に、電
力線に沿って流れる。イオンはここで全ポテンシャルを
横切って加速され、コリメートされたビームとして、カ
ソードインサート５に衝突する。インサート５によって
放出した２次電子は、その放出方向の予弦分布のため少
し空間的に広がる。その結果としての電子流は、引出し
格子16上に部分的に衝突し、これにより系統の効率を低
下させる。
系統の効率は、第２図に示した構造によって増大させ
ることができる。第２図にカソードインサート５を示
し、インサート５は一例として、銅その他の適宜の導電
性材料からできており、２次電子を放出するための角度
をもったスロット5Aを含み、これらのスロットは例えば
モリブデンによって表面が被覆され、引出し格子16のリ
ブ３の間のスペースに対し整列されている。この幾何学
的形状は、２次放出率を増大させると共に、引出し格子
16のリブ３から離れるように電子を指向させることに役
立ち、その結果として引出し格子16によって電子が遮え
ぎられることが少くなる。
第２図の本発明の一実施例によれば、引出し格子16は
電子透過窓２の支持格子15から離隔されている。カソー
ドインサート５からの電子は、プラズマ領域に入り、電
子透過窓２を通過し、プラズマ電子ガンから発生する電
子ビームを形成する。支持格子15のリブ３は引出し格子
16のリブ３に整列されている。電子はプラズマ放電室12
に入った後少し広がり、支持格子15のリブ３に衝突しよ
うとする。しかしこの遮えぎりは、格子15,16間の距離
を減少させることによって最小としうる。
引出し格子16の形状は、電子ビーム中の電子の分布に
とってたいせつである。第２図に示すように引出し格子
16の深さは、格子構造物が存在しない場合に開口部を透
過する電界に比例する。その結果として、一様な電界透
過が得られると共に、扁平な引出し格子又は一様な引出
し格子から得られるものよりも実質的により均質な分布
をもった電子ビームが得られる。
第３図には第１図のプラズマ電子ガンの筒状の高電圧
フィードスルーが詳細に図示されており、これはエポキ
シ樹脂の絶縁体14、抵抗器８及びカソード６を支持する
エポキシ真空絶縁体17を有し、冷却流体例えば油をカソ
ードインサート５に供給する。抵抗器８から絶縁体17を
経てカソード６まで連結部が延長している。
第４図にはプラズマ放電室12及びはく状の電子透過窓
２が図示されている。真空ハウジングはプラズマ放電室
12のリブ３を収納している。支持フレーム18は、Ｏリン
グシール30によって電子透過窓２を真空外囲い即ち高電
圧室13に対しシールしている。ガスマニホルド10′は、
はく面を窒素ガス冷却するために透過窓２の上方に配置
されている。ビーム測定構造物20はガスマニホルド10′
の上方に配置してあり、電子ビームを遮えぎって電圧又
は抵抗を記録するワイヤ21を備えている。この電圧又は
抵抗は測定され、電流密度に変えられる。これによりビ
ーム内の電子の分布が実時間でモニターされる。
はく状の電子透過窓２の詳細な構造は、第５図に示さ
れている。この組立体は熱接触抵抗を減少させるよう
に、支持格子15のリブにろう付けされている。この構造
は冷却の目的のためにスロット23を経てはく面にガスを
放出すると共にはくの電子透過効率を増大させるための
前記ガスマニホルド10′を備えている。
第６図に示した実施例において、プラズマソースの面
積は、発生した電子ビームの幅を増大させるために増大
される。多数のワイヤ６は、引出し格子16のリブの間に
配置されている。これらのワイヤ６は、前記の実施例の
単一のワイヤ４に代るもので、電子ビームの均質性を改
善することに役立つ。冷却ダクト11だけでなく、支持格
子15のリブ及び引出し格子16のリブも、前記の実施例と
同様に整列されている。
長いラン時間の操作にとっては、プラズマ電子ガンの
真空外囲い中の実際の圧力をモニターするための何らか
の手段が必要になる。真空圧の変化は、プラズマ密度
に、従って電子流の密度に影響する。第７図にプラズマ
電子ガンの電流及び圧力を安定化させるのに適した装置
系が示されている。外囲い中の初圧は、高圧ガス源130
からプラズマ放電室12の内部に延長している配管128中
の弁126によって設定される。プラズマは、モジュレー
ター１をオンに操作することによって開始する。電圧モ
ニター129は瞬時的な静止圧力と真空容器から生成しう
る不純物とを測定する。電圧の上昇はより低い圧力を指
示する。電圧モニター129の出力は弁制御器127を経て弁
126を制御することによりガンの内部の真空圧力を制御
するために用いられる。モジュレーター１からの電流も
図示のように電圧モニター129によって制御される。第
７図に示した装置系は、安定した出力の電子ビーム流を
確実にする。
第８図に示すカソードインサート５′は、その表面上
に延在する複数の円錐状の凹みを有し、これらの凹みは
モリブデン又は他の２次放出材料のライニングを備えて
いる。
この場合、引き出し格子16′および支持格子15′を横
方向に延在させ、円錐状の凹みに軸方向に整列された多
数の孔を設けることもできる。
第９図に示した実施例は、イオンソースとしてのワイ
ヤ４の代りに１対のプラズマワイヤ４′が用いられてお
り、これらのプラズマワイヤ４′は電子ビームの経路か
らオフセットされた室100の内部に配置されている。イ
オンはこれらの室100の側面のスロット102を経て、カソ
ード６に吸引され、これらのストット102は、プラズマ
放電室中に一様な電界を形成する形状を備えている。
この実施例によれば、カソード６によって放出された
２次電子が全て透過窓２に向って自由な妨げられない経
路をもつため、作動効率が高くなる。
本発明をその特定の実施例について以上に説明した
が、本発明は前述した実施例以外にもいろいろと変形し
て実施できるので、前述した特別の構成は単なる例示に
過ぎず、本発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
第１図はプラズマ電子ガンの一実施例の基本的な構成部
分を示す一部断面斜視図、第２図はプラズマ電子ガンの
一部の内部要素を示す斜視図、第３図はプラズマ電子ガ
ンに組込まれる高電圧フィードスルー組立体を、より詳
細にわずかな変更部分と共に示す断面図、第４図はプラ
ズマ電子ガンのプラズマ放電室及びはく型の電子透過窓
を、より詳細に、わずかな変更部分と共に示す斜視図、
第５図は第４図のはく型の電子透過窓及びその支持リブ
の部分的な斜視図、第６図はプラズマ電子ガンによって
発生させる電子ビームの幅を増すためにプラズマソース
の面積を大きくした変形実施例によるプラズマ電子ガン
の構造を示す斜視図、第７図はプラズマ電子ガンの圧力
−電流安定化装置を示すブロック図、第８図はカソード
の構造、および格子構造の一変形例を示す斜視図、第９
図は第１図に対してわずかに変形されたプラズマ電子ガ
ンの構造を示す第１図と同様の一部断面斜視図、第10図
は第９図の実施例の一部分を示す斜視図である。 ２……電子透過窓（電子透過はく材）、４……ワイヤ
（正イオン発生手段）、12……プラズマ放電室（第１
室）、13……高圧室（第２室）、15……支持格子、16…
…引出し格子。

Claims (17)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】互いに隣接しその間に開口を含む第１室及
    び第２室を備え、電気的に接地したハウジングと、 前記第１室中に設けた正イオンを発生させるための正イ
    オン発生手段と、 前記ハウジングから隔だてられ、且つ絶縁された状態で
    前記第２室中に配置した２次電子放出面を有するカソー
    ドと、 前記カソードと前記ハウジングとの間に負の高電圧を印
    加して、正イオンを前記第１室から前記第２室に吸引
    し、当該カソードの２次電子放出面に衝突させ、２次電
    子を放出させるための電圧印加手段と、 前記カソードに対向する前記第１室の先端にある前記ハ
    ウジングの開口部上に延在し、前記２次電子のためのア
    ノードを形成するよう当該ハウジングに電気的に接続し
    ており、前記２次電子を電子ビームとして通過させる電
    導性の電子透過はく材と、 前記カソードの２次電子放出面に近接して前記第２室中
    に取付けており、当該２次電子放出面に静電界を発生す
    ると共に、そこから２次電子を前記第１室に移行させる
    ための通し孔を有する電導性の引き出し格子と、 前記はく材に近接して前記第１室中に取付けてあり、当
    該はく材及び前記ハウジングに連結し、前記引き出し格
    子の通し孔に整列された通し孔を備えており、前記引き
    出し格子と共働して２次電子を前記はく材に向かって加
    速する電導性の支持格子とからなるプラズマ電子ガンに
    おいて、 前記引き出し格子および支持格子は、平行に離隔した状
    態で前記カソードから前記はく材の方向に延在する複数
    のリブを形成し、 少くとも前記引き出し格子のリブは、前記引き出し格子
    が存在しない場合に前記開口部を透過する電界に比例す
    るように、その前記方向の長さを前記カソードの中心部
    から端部に向かって、徐々に短尺したことを特徴とする
    プラズマ電子ガン。
  2. 【請求項２】前記カソードが、内部の冷却通路と、これ
    らの通路に冷却流体を導入するための導入手段とを有す
    る特許請求の範囲第１項記載のプラズマ電子ガン。
  3. 【請求項３】前記カソードの前記２次電子放出面に、電
    子の放出量を増大させて前記引出し格子の前記通し孔を
    経て電子を向けるための溝を所定の角度に形成した特許
    請求の範囲第１項記載のプラズマ電子ガン。
  4. 【請求項４】前記ハウジングを経て前記第２室中に延長
    する筒状の高電圧給与部材と、前記カソードを前記第２
    室中に支持するために該カソードに固着され、前記筒状
    の高電圧給与部材中に取付けられている、絶縁部材と、
    前記給与部材及び前記絶縁部材を経て延長し前記カソー
    ドに連結されているケーブルを含む手段とを更に有する
    特許請求の範囲第１項記載のプラズマ電子ガン。
  5. 【請求項５】前記絶縁部材が前記カソードに冷却流体を
    供給するための冷却通路を内部に有する特許請求の範囲
    第４項記載のプラズマ電子ガン。
  6. 【請求項６】前記ケーブルと前記カソードとの間に直列
    に接続され前記筒状の高電圧給与部材中に取付けられた
    抵抗器を有する特許請求の範囲第５項記載のプラズマ電
    子ガン。
  7. 【請求項７】前記正イオン発生手段に電流を供給するよ
    うに前記ハウジングとの絶縁関係において前記第１室中
    に取付けられたワイヤを更に有する特許請求の範囲第１
    項記載のプラズマ電子ガン。
  8. 【請求項８】前記ワイヤを経て直流電流を供給するため
    の直流電圧源を更に有する特許請求の範囲第７項記載の
    プラズマ電子ガン。
  9. 【請求項９】前記ワイヤを経て無線周波数の電流を供給
    するための無線周波数電圧源を含む特許請求の範囲第７
    項記載のプラズマ電子ガン。
  10. 【請求項１０】前記引出し格子及び支持格子のための冷
    却流体を導く通路をこれらの格子の各々に備えた特許請
    求の範囲第１項記載のプラズマ電子ガン。
  11. 【請求項１１】前記はく材の有効な冷却を与えるように
    前記はく材を前記支持格子にろう付けした特許請求の範
    囲第10項記載のプラズマ電子ガン。
  12. 【請求項１２】前記第１室が、複数の隣接した区画を含
    み、対応した複数のワイヤがこれらの区画を通って延長
    し、前記支持格子は、前記第１室の前記隣接した区画中
    に配された対応した複数の隣接した区画を備えている特
    許請求の範囲第１項記載のプラズマ電子ガン。
  13. 【請求項１３】加圧された電離可能なガスのソースと、
    前記ソースを前記第１室の内部に接続するための配管手
    段と、該第１室中の電離可能なガスの圧力を制御するた
    めに該配管手段中に取付けた弁と、前記第１室中の瞬時
    的な静止ガス圧力の関数である電気信号を発生させるよ
    うに該第１室に連結されたモニター手段と、該モニター
    手段からの該電気信号に応答して該弁を調整し前記第１
    室中の前記電離可能なガスの或る所定の動作圧力を保持
    するようにした前記弁の制御手段と、を更に有する特許
    請求の範囲第７項記載のプラズマ電子ガン。
  14. 【請求項１４】前記ワイヤ及びモニター手段に接続して
    あり、前記モニター手段からの電気信号に応答して、該
    ワイヤを通る電流を制御するようにした電流源を更に有
    する特許請求の範囲第14項記載のプラズマ電子ガン。
  15. 【請求項１５】複数のワイヤを含み、これらのワイヤ
    が、はく材の窓の下方に支持され、ワイヤの個別の抵抗
    の測定によって電子ビームの均質性をモニターするよう
    にした特許請求の範囲第１項記載のプラズマ電子ガン。
  16. 【請求項１６】前記第１室中に正イオンを発生させるた
    めの正イオン発生手段が、該第１室を通って延長するワ
    イヤを含む特許請求の範囲第１項記載のプラズマ電子ガ
    ン。
  17. 【請求項１７】前記第１室中に正イオンを発生させるた
    めの正イオン発生手段が、少くとも１つのワイヤを含
    み、このワイヤが前記第１室の側方の隔室に設置された
    ものであって、前記隔室には前記第１室と連通されたス
    ロットを備える特許請求の範囲第１項記載のプラズマ電
    子ガン。
JP62002644A 1984-04-02 1987-01-10 プラズマ電子ガン Expired - Lifetime JP2539207B2 (ja)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/596,093 US4694222A (en) 1984-04-02 1984-04-02 Ion plasma electron gun

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Publication Number Publication Date
JPS63175324A JPS63175324A (ja) 1988-07-19
JP2539207B2 true JP2539207B2 (ja) 1996-10-02

Family

ID=24385958

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP62002644A Expired - Lifetime JP2539207B2 (ja) 1984-04-02 1987-01-10 プラズマ電子ガン

Country Status (6)

Country Link
US (1) US4694222A (ja)
JP (1) JP2539207B2 (ja)
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