JP3011127B2

JP3011127B2 - マイクロ波管用冷陰極電子銃およびマイクロ波管

Info

Publication number: JP3011127B2
Application number: JP9075456A
Authority: JP
Inventors: 雅明高橋
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1997-03-27
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 2000-02-21
Anticipated expiration: 2017-03-27
Also published as: US6114808A; JPH10269954A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電界放射陰極アレ
イ（ＦＥＡ）型冷陰極を用いて電子ビームを形成する電
子銃、およびこの冷陰極電子銃を用いた進行波管やクラ
イストロンなどのマイクロ波管に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のマイクロ波管について、進行波管
を例に挙げて説明する。図６は、従来の進行波管の概略
断面図である。

【０００３】図６に示すように、従来の進行波管は、電
子ビーム１０８を形成する熱陰極電子銃１１０と、マイ
クロ波と電子ビーム１０８との相互作用によって増幅を
行うための、ヘリックス１１６を有するＲＦ回路部１１
５と、電子ビーム１０８を捕捉するコレクタ１２０とで
構成される。熱陰極電子銃１１０は、寿命の上から陰極
１０１の電流密度を適切な値に保つためにビーム集束比
が１５〜４０の範囲で選ばれることが多く、ピアス型と
呼ばれる集束型の電子銃が採用されている。この熱陰極
電子銃１１０は、陰極１０１の表面が球面をなしてお
り、ウェネルト電極１０２とアノード電極１０３によっ
て集束電界を形成し、電子ビーム１０８の層流性を維持
しつつ集束を行なう構造となっている。

【０００４】電子の発生源である陰極には、上記のよう
な熱陰極の他に、加熱の必要がない冷陰極がある。

【０００５】次に、電界放射陰極アレイ（ＦＥＡ）型冷
陰極について、図７を参照して説明する。図７は、従来
のＦＥＡ型例陰極の一部を破断した斜視図および要部断
面図である。図７に示すように、シリコン基板１３１上
には、シリコン酸化物からなる絶縁層１３２と、ゲート
電極１３３とが積層されている。絶縁層１３２およびゲ
ート電極１３３は一部が除去されて空洞部１３６が形成
され、その中に先端が尖ったエミッタ１３４が形成さ
れ、電子放出部１３５が形成される。この電子放出部１
３５をアレイ状に並べて、平面電子放出領域をもつＦＥ
Ａ型冷陰極が形成される。

【０００６】絶縁層１３２の厚さは約１μｍ、ゲート電
極１３３の開口も約１μｍであり、エミッタ１３４の先
端は半径が約１０ｎｍと非常に尖鋭である。その結果、
エミッタ１３４とゲート電極１３３との間に約５０〜１
００Ｖの電圧を印加すると、エミッタ１３３の先端に非
常に強い電界が加わる。そして、電界強度が２〜５×１
０⁷ Ｖ／ｃｍ以上になると、エミッタ１３４の先端から
電子が放出される。

【０００７】ＦＥＡ型冷陰極は、熱陰極の５〜１０倍の
陰極電流密度を実現することができる。また、この冷陰
極は、熱陰極と異なり加熱する必要がないため、ヒータ
電力が不要である。

【０００８】ＦＥＡ型冷陰極電子銃では陰極表面が平面
であるため、ビーム集束比を熱陰極と同じにした場合、
ピアス型の電子銃と同様にウェネルト電極とアノード電
極によって集束電界を形成すると、冷陰極の外側の電子
ビーム軌道が内側の電子ビーム軌道よりも強く中心軸側
に曲げられる。そのため、ビーム軌道が交差（クロスオ
ーバー）して電子ビームの層流性が失われ、マイクロ波
管に必要な、リップル率の小さい安定した電子ビームを
得ることができない。しかも、ＦＥＡ型冷陰極の場合、
エミッタ先端から放出される電子は、陰極表面の法線方
向に対して約１０〜３０度の角度で放射されるため、電
子が半径方向に広がろうとする。その結果、電子ビーム
の集束がより一層困難になる。

【０００９】これを解決するため、本出願人は、特願平
８−２９１４５３号において、環状の冷陰極を用いた冷
陰極電子銃を提案している。図８に、本出願人が特願平
８−２９１４５３号において提案した冷陰極電子銃の中
心軸を含む断面図を示す。

【００１０】図８において、環状の冷陰極１４１は、環
状に配置された多数の電子放出部１４１ａを有する。冷
陰極１４１の中央部および外周部には、それぞれウェネ
ルト電極１４２，１４３が配置されている。なお、符号
１４４はアノード電極を示す。電子放出部１４１ａが形
成された領域の内径ｄと外径Ｄとの比ｄ／Ｄは、０．８
以上となっている。これにより、電子放出部１４１ａの
エミッタ先端からの電子放射角の影響が緩和されるとと
もに、２つのウェネルト電極１４２，１４３により電子
ビームは内側と外側から集束され、層流性のよいリップ
ル率の小さい電子ビーム軌道を得ることができる。この
冷陰極１４１は、２０程度の比較的大きな集束比をもつ
電子銃に適用できるが、ウェネルト電極１４２，１４３
の配置構造が複雑であり、小型化、低コスト化は困難で
ある。

【００１１】ＦＥＡ型冷陰極は熱陰極と比較して電流密
度を大きくできるので、通常は、集束比を１０以下とし
ても寿命上の問題はない。また、集束比を小さくした方
が電子ビームの層流性も良くなるが、ピアス型電子銃の
場合は陰極付近の磁束密度がビームの集束比に反比例す
るので、集束比を小さくする場合には陰極付近の磁束密
度を強くする必要がある。集束比を１０以下とすると、
数１００ガウス以上の磁束密度になるのが普通である。
電子ビーム集束用磁石の電子銃側漏れ磁界ではそのよう
に強い磁束密度を得ることができないため、電子銃の外
部にマグネットを配置する電子銃構造とせざるを得なく
なり、電子銃が非常に大型化してしまう。したがって、
低集束比のＦＥＡ型冷陰極電子銃の最適構造は未だ明確
になっていないのが実情である。

【００１２】一方、低集束比の電子銃として、低雑音進
行波管の熱陰極電子銃の例を以下に説明する。

【００１３】「PRINCIPLES OF TRAVELING WAVE TUBES」
（A.S.Gilmour,Jr., Artech House）の第４３２頁に
は、図９に示すような構成の電子銃が記載されている。
図９に示した電子銃は、環状の平面熱陰極１５１と、ウ
ェネルト電極１５２と、４枚のアノード電極１５３，１
５４，１５５，１５６とで構成される。平面熱陰極１５
１の電位を０Ｖとしたとき、ウェネルト電極１５２の電
位は＋１２．５Ｖ、平面熱陰極１５１に最も近いアノー
ド電極１５３の電位は＋２．５Ｖである。また、雑音を
伝搬する空間電荷波の定在波を最小にするために、各ア
ノード電極１５３，１５４，１５５，１５６の電位をＶ
a1，Ｖa2，Ｖa3，Ｖa4、アノード電極１５６の先に配置
されたヘリックス電極（不図示）の電位をＥhel とする
と、Ｖa1＜Ｖa2＜Ｖa3＜Ｖa4＜Ｅhel なる関係を有して
いる。

【００１４】また、同文献の第４４１頁には、図１０に
示すような電子銃が記載されている。この電子銃は、ウ
ェネルト電極と３枚のアノード電極からなる。図１０中
のａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｈは、それぞれウェネルト電極、第
１、第２、第３のアノード電極、ヘリックスを示し、各
アノード電極およびヘリックスの電位をＶb ，Ｖc ，Ｖ
d ，Ｖh とすると、Ｖb ＜Ｖc ＜Ｖd ＜Ｖh なる関係を
有する。

【００１５】これら図９および図１０に示した電子銃で
は、低雑音化のために電子ビームの横方向速度成分をな
くする必要がある。そのためビーム集束比は約１となっ
ており、積極的に１より大きく設定することはない。ま
た、雑音を伝搬する空間電荷波の定在波比を最小にする
ために陰極からヘリックスまでの電位分布を滑らかにす
る必要があり、３枚以上のアノード電極を使用するのが
普通である。

【００１６】さらに、平面陰極で複数枚のアノード電極
を使用している電子銃の例として、陰極線管用電子銃が
ある。

【００１７】例えば、特開昭５７−１８５６５９号公報
には、図１１に示すような陰極線管用電子銃が開示され
ている。この電子銃は、ビーム形成用電極１６６と集束
電極１６５からなり、ビーム形成用電極１６６はさら
に、平面熱陰極１６１と、制御格子電極１６２と、第１
遮蔽格子電極１６３と、第２遮蔽格子電極１６４とで構
成される。また、制御格子電極１６２、第１遮蔽格子電
極１６３、第２遮蔽格子電極１６４および集束電極１６
５のそれぞれの電位をＶ1 ，Ｖ2 ，Ｖ2'，Ｖ3 とする
と、Ｖ1 ＝Ｖ2'、かつ、Ｖ2 ＞Ｖ2'なる関係を有してい
る。具体的な値として、Ｖ1 ＝Ｖ2'＝０Ｖ、Ｖ2 ＝６２
８Ｖ、Ｖ3 ＝６９０Ｖ、陰極電位＝４７．５Ｖが開示さ
れている。このように、制御格子電極１６２、第２遮蔽
格子電極１６４の電位を陰極電位よりも低く設定し、し
かも、第１遮蔽格子電極１６３の電位を集束電極１６５
の電位の１割以下の値とすることで、クロスオーバーし
た電子ビーム１６８の広がりを抑え、陰極線管表面のビ
ームスポット径を小さくできるという効果がある。

【００１８】また、特開昭５７−１６３９５２号公報に
は、図１２に示すような陰極線管用電子銃が開示されて
いる。この電子銃は、平面熱陰極１７１、第１格子電極
１７２および第２格子電極１７３からなる電子ビーム形
成部１７４と、複数の格子電極からなる主集束レンズ部
１７５とを有する。第１格子電極１７２の電位は陰極電
位より正とされ、第２格子電極１７３の電位は陰極電位
より負とされている。これにより、電子ビーム１７８の
クロスオーバーの大きさを小さくし、陰極線管表面のビ
ームスポット径を小さくできるという効果がある。

【００１９】上述のように、陰極線管用電子銃の場合、
電子ビームをクロスオーバーさせるビーム形成部と、ク
ロスオーバーした電子ビームを加速、集束する主集束部
とからなり、全体で４枚以上の電極を有している。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】ＦＥＡ型冷陰極からな
るマイクロ波管用電子銃においてリップル率が小さく適
当なビーム径を有する良好な電子ビームを得るために
は、以下のような問題が存在する。

【００２１】第１に、ビーム集束比が大きい場合には、
環状の電子放出部を有する冷陰極の内外両側にウェネル
ト電極を配置する構造の電子銃が存在するが、この構造
では、構造が複雑で小型化、低コスト化が困難である。

【００２２】第２に、ビーム集束比が小さい場合には、
低雑音進行波管の電子銃が参考になるが、この電子銃
は、低雑音動作のため陰極電流が数百μＡと極端に小さ
く、通常数十ｍＡ以上の電流を必要とするマイクロ波管
用電子銃にそのまま適用すると、電子の空間電荷力によ
って電子ビームが発散し、良好な電子ビームを得ること
ができない。

【００２３】また、陰極線管用の電子銃構造も平面陰極
電子銃として参考になるが、陰極線管用の電子銃は上述
したように全体で４枚以上の格子電極を必要とするた
め、電子銃の構造が複雑になり、マイクロ波管用電子銃
に適用した場合の小型化、低コスト化が困難である。

【００２４】以上述べたように、ＦＥＡ型冷陰極からな
るマイクロ波管用電子銃では、良好な電子ビーム軌道を
得るための単純で小型な構造は確立されていない。

【００２５】そこで本発明は、リップル率が小さい電子
ビーム軌道を有し、しかも小型のマイクロ波管用冷陰極
電子銃、およびその電子銃を用いたマイクロ波管を提供
することを目的とする。

【００２６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明のマイクロ波管用冷陰極電子銃は、ＲＦ回路部を
有するマイクロ波管に用いられる冷陰極電子銃であっ
て、電子ビームを放射する電界放射陰極アレイ型冷陰極
と、前記電界放射陰極アレイ型冷陰極と前記ＲＦ回路部
との間に、前記電界放射陰極アレイ型冷陰極と同軸上に
前記電界放射陰極アレイ型冷陰極側から順に配置され
た、円環状のウェネルト電極、第１のアノード電極およ
び第２のアノード電極とを有し、前記第１のアノード電
極の電位をＥa1、前記第２のアノード電極の電位をＥa
2、前記ＲＦ回路部の電位をＥb としたとき、Ｅa1＞Ｅb ＞Ｅa2≧０Ｖなる関係を有する。

【００２７】上記の本発明の冷陰極電子銃では、ウェネ
ルト電極と第１のアノード電極とによって、電界放射陰
極アレイ型冷陰極から放射された電子ビームを層流性を
乱さない範囲で集束する。このとき、第１のアノード電
極の電位がＲＦ回路部の電位よりも高く設定されている
ので、放射された電子ビームの半径方向速度成分の影響
が緩和される。さらに、第２のアノード電極の電位が０
Ｖ以上で、かつＲＦ回路部の電位よりも低く設定されて
いるので、第２のアノード電極とＲＦ回路部との間に電
界レンズが構成され、電子ビームの主たる集束が行なわ
れる。したがって、層流性が良く、リップル率の小さい
電子ビームが形成される。

【００２８】また、第２のアノード電極の電位が低いた
め、電子ビーム集束比が１０以下であっても、陰極周辺
の磁束密度は数十ガウス程度と非常に低くできる。その
結果、陰極の外部にマグネットを配置する必要もなく、
小型軽量の電子銃が達成される。

【００２９】さらに、ウェネルト電極の内周の半径を電
界放射陰極アレイ型冷陰極の電子放出領域の半径の２倍
以上とし、かつ、ウェネルト電極の電位を電界放射陰極
アレイ型冷陰極のゲート電位と同電位とすることで、電
子ビームの軌道が冷陰極の電子放出領域の中心軸と交差
することがなく、より層流性が向上する。

【００３０】本発明のマイクロ波管は、電子ビームを形
成する電子銃と、前記電子銃からの電子ビームとの相互
作用によってマイクロ波を増幅するためのＲＦ回路部
と、前記ＲＦ回路部を通過した電子ビームを捕捉するコ
レクタとを有するマイクロ波管において、前記電子銃と
して、上記本発明の冷陰極電子銃のいずれかを用いたも
のである。

【００３１】このように、本発明の冷陰極電子銃を用い
ることで、電子銃が小型化されるため、マイクロ波管全
体としても小型軽量化される。また、層流性が良くリッ
プル率の小さい電子ビームが得られるので、良好な電子
ビーム特性が得られるばかりでなく、安定した高周波特
性が得られる。

【００３２】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。

【００３３】（第１の実施形態）図１は、本発明の第１
の実施形態を示す冷陰極電子銃の概略構成図である。

【００３４】図１において、電界放射陰極アレイ（ＦＥ
Ａ）型冷陰極１とマイクロ波管のＲＦ回路部５との間に
は、ＦＥＡ型冷陰極１側から順に、ウェネルト電極２、
第１アノード電極３および第２アノード電極４が配置さ
れている。ＦＥＡ型冷陰極１の構造は、図７を用いて説
明した構造と同様であるので、ここではその説明は省略
する。

【００３５】ウェネルト電極２、第１アノード電極３お
よび第２アノード電極４は、それぞれ円環状の電極であ
り、ＦＥＡ型冷陰極１と同軸上に配置される。

【００３６】ＦＥＡ型冷陰極１のゲート電極６の電位
（以下、「ゲート電位」という）Ｅgは、必要なカソー
ド電流が取れる値に設定される。ウェネルト電極２の電
位（以下、「ウェネルト電位」という）Ｅw は、通常
は、ゲート電位Ｅg に対して±１００Ｖ程度の範囲に設
定される。第１アノード電極３の電位（以下、「第１ア
ノード電位」という）Ｅa1、第２アノード電極４の電位
（以下、「第２アノード電位」という）Ｅa2およびＲＦ
回路部５の電位（以下、「ボディー電位」という）Ｅb
の間には、Ｅa1＞Ｅb ＞Ｅa2≧０Ｖ（１）の関係が成り立っている。

【００３７】ＦＥＡ型冷陰極１から放射される電子ビー
ムは、ＦＥＡ型冷陰極１のゲート電位Ｅg で決まる初速
度と、ゲート電極面の法線に対する１０〜３０度の発散
角（以下、「電子ビーム発散半角」という）を持ってい
るので、ＦＥＡ型冷陰極１の径方向の速度成分が大き
い。そのため、そのままでは電子ビームが太くなってし
まい、良好な電子ビーム軌道を得ることができない。ま
た、ウェネルト電極２と第１アノード電極３とで形成さ
れる集束電界レンズのみで電子ビームを集束させようと
すると、ＦＥＡ型冷陰極１の外周部から放射される電子
ビームが他の部分から放射される電子ビームよりも強く
内側に曲げられる。そのため、ビーム軌道が交差し、層
流性が乱れるので、リップル率が悪化する。したがっ
て、電子ビームの層流性を乱すことなく電子ビームを集
束する必要がある。

【００３８】本発明では、ウェネルト電極２と第１アノ
ード電極３とで形成される集束電界レンズは、層流性を
乱さない範囲の弱い集束を電子ビームに与えるだけであ
る。電子ビームの主たる集束は、第２アノード電極４お
よびＲＦ回路部５からなる電界レンズ系によって行な
う。第１アノード電極３は、ＦＥＡ型冷陰極１から放射
された電子ビームをボディー電位Ｅb よりも高い第１ア
ノード電位Ｅa1で軸方向に加速することにより、電子ビ
ームの径方向速度成分の影響を緩和する働きをする。こ
のとき、電子ビームの層流性を悪化させずにＲＦ回路部
５内でリップル率の小さい電子ビームを得るためには、
第１アノード電位Ｅa1をボディー電位Ｅbよりも高くし
なければならないことが、シミュレーションの結果、明
らかになっている。第２アノード電位Ｅa2は、０Ｖ以上
で、かつ、ボディー電位Ｅb よりも低い電位に設定され
ているので、第２アノード電極４とＲＦ回路部５とから
なる電界レンズ系によって電子ビームが集束される。集
束の強さは、第２アノード電位Ｅa2によって調整し、最
適化される。

【００３９】以上説明したように、（１）式のように各
電極の電位を規定することで、ＦＥＡ型冷陰極１から放
射された電子ビームの発散角の影響、およびＦＥＡ型冷
陰極１の表面が平面であることの影響が緩和され、層流
性が良くリップル率の小さい電子ビームが形成される。

【００４０】また、陰極付近の磁束密度が大きいと電子
ビームの回転方向の速度が大きくなるが、第２アノード
電位Ｅa2が低いため、第２アノード電極４の近傍で電子
ビームの速度がゼロ近くまで低下したとき、電子ビーム
は運動エネルギーが一定であることから軸方向速度が極
度に低下し、電子ビームが大幅に太くなったり、ビーム
軌道が反転したりする現象が発生することがある。これ
を防止するため、本実施形態の電子銃では陰極付近の磁
束密度を数十ガウス程度と非常に弱くしている。集束比
が１０以下の低集束比の電子銃では、ピアス型の電子銃
では陰極周辺部の磁束密度は少なくとも２００ガウスは
必要であるにも拘らず、本発明の電子銃なら、陰極周辺
部の磁束密度が低い値で良いことが分かる。したがっ
て、集束比が１０以下であっても電子銃の外部にマグネ
ットを配置する必要もなく、小型軽量の電子銃を得るこ
とができる。なお、集束比は、ＦＥＡ型冷陰極１の電子
放出領域の半径をＲc 、電子ビームの平均半径をｂとし
たとき、（Ｒc ／ｂ）² で定義される。

【００４１】さらに、マイクロ波管のボディー電位Ｅb
よりも高電位に設定された第１アノード電極３は、ＲＦ
回路部５に対して電位障壁を形成する。これにより第１
アノード電極３は、マイクロ波管の残留ガスが電離して
できた正イオンがＲＦ回路部５からＦＥＡ型冷陰極１に
向かって流れ出るのを防止するイオンバリアの役割も兼
ね、冷陰極の長寿命化に大きな効果がある。

【００４２】一方、構造の面から見ても、ＦＥＡ型冷陰
極１の他に、１枚のウェネルト電極２と、２枚のアノー
ド電極３，４とで電子銃を構成できるので、小型軽量の
電子銃が実現される。

【００４３】（第２の実施形態）図２は、本発明の第２
の実施形態を示す冷陰極電子銃の概略構成図である。

【００４４】本実施形態では、ウェネルト電極２’がＦ
ＥＡ型冷陰極１のゲート電極６に接触して配置され、ウ
ェネルト電位Ｅw とゲート電位Ｅg とが同電位となって
いる。また、ウェネルト電極２’の内周縁の半径Ｒw
は、ＦＥＡ型冷陰極１の電子放出領域の半径Ｒc の２倍
以上となっている。その他の構成については第１の実施
形態と同じであるので、第１の実施形態と同一の部分に
ついては図１と同一の符号を付し、その説明は省略す
る。

【００４５】出願人のシミュレーションによれば、ウェ
ネルト電極２’の内周縁の半径ＲwがＦＥＡ型冷陰極１
の電子放出領域の半径Ｒc の２倍よりも小さいと、ＦＥ
Ａ型冷陰極１から放射された電子ビームは強く集束され
て中心軸と交差してしまう。しかし、半径Ｒw が半径Ｒ
c の２倍以上とすることにより、より層流性が良くリッ
プル率の小さい電子ビームを得ることができる。

【００４６】本実施形態の電子銃を、ＲＦ回路部５のビ
ーム集束用磁石に周期永久磁石（ＰＰＭ：periodic per
manent magnet ）を用いた進行波管に適用し、電子ビー
ム軌道のシミュレーションを行なった。シミュレーショ
ンの条件および結果を表１にまとめた。

【００４７】

【表１】このシミュレーションによる電子ビームの軌道を図３に
示す。

【００４８】図３から、電子ビーム８の軌道は、層流性
が失われず、リップル率も小さい非常に良好なものとな
っていることが分かる。なお、図３には、電子ビーム８
の軌道とともに、磁束密度および各電極間の等電位線
（一点鎖線）も示している。

【００４９】図３に示したシミュレーション結果では、
集束比は約４である。最適集束比は、各電極の電圧や電
流、電子ビーム発散半角によって変化するので、１０以
下の範囲で適切な値を選択すればよい。

【００５０】電子ビーム発散半角が１０〜３０度の範囲
でシミュレーションを行い、各電極の電圧や電流、ビー
ム集束比、磁束密度を適切に選ぶことによって、良好な
電子ビーム軌道を得ることができることを、本出願人は
確認している。図４に、電子ビーム発散半角が２５度の
ときの電子ビーム軌道のシミュレーション結果を示す。
また、そのシミュレーションの条件および結果を表２に
示す。

【００５１】

【表２】このシミュレーションでは、電子ビーム発散半角を２５
度とし、それに応じて第１アノード電位Ｅa1、ボディー
電位Ｅb の設定が変更されている。これらの設定は表２
から明らかなように、（１）式を満たす範囲で変更され
ている。

【００５２】なお、従来技術で述べた低雑音進行波管
も、複数枚のアノード電極を有するものである。しか
し、これらのアノード電極は、陰極側からマイクロ波管
のＲＦ回路部に向かって順に増加する電位配分となって
いる。そのため、各電極間の電界レンズによる集束効果
が弱く、数百μＡの電流までは適用できるが、数十ｍＡ
の電流になると空間電荷力による電子の発散効果が大き
くなり、もはや電子ビームの集束は不可能となる。しか
し、本発明を適用した構造ならば、数十ｍＡ以上の電流
においても層流性のよい電子ビームを得ることができ
る。

【００５３】また、従来技術の陰極線管用電子銃では、
ビーム形成部を構成する制御格子電極、遮蔽格子電極の
電位設定によって電子ビームを一旦クロスオーバーさせ
た後、複数の集束格子電極によって加速、集束を行い、
蛍光面に小さなスポットを形成する。したがって、陰極
線管用電子銃では電子ビームの集束のために最低４枚の
電極が必要であり、この構成をマイクロ波管用の電子銃
にそのまま適用すれば、電子銃の構造が複雑かつ大型化
する。しかし、本発明を適用した構造ならば、１枚のウ
ェネルト電極と２枚のアノード電極とで電子銃を構成で
きるので、小型軽量な電子銃を実現できる。

【００５４】（第３の実施形態）図５は、本発明の冷陰
極電子銃を採用した進行波管の概略断面図である。

【００５５】この進行波管は、冷陰極電子銃１０と、Ｒ
Ｆ回路部１５と、コレクタ２０とで構成される。冷陰極
電子銃１０は、上述の第１の実施形態または第２の実施
形態で説明した本発明の冷陰極電子銃が用いられる。Ｒ
Ｆ回路部１５は、入力されたマイクロ波の位相速度を電
子ビームの速度とほぼ等しくするための低速波回路であ
るヘリックス１６と、ビーム集束用磁石１７とから構成
される。マイクロ波の入出力は、それぞれ入力窓１８お
よび出力窓１９を介して行われる。ビーム集束用磁石１
７は、一般的に周期永久磁石が用いられる。上記構成に
基づき、冷陰極電子銃１０から放射された電子ビーム
は、ヘリックス１６の中を通過し、マイクロ波を増幅し
た後、コレクタ２０に捕捉される。

【００５６】本実施形態の進行波管は、本発明の冷陰極
電子銃を用いているので、次に述べる効果が得られる。
まず、電子を放出するために加熱の必要がないので、ヒ
ーター電力が不要となる。また、電子銃が大幅に小型軽
量化されるので、進行波管全体としても小型軽量化が可
能となる。さらに、ミリ波帯の進行波管は電子ビームの
径が小さくなるため、熱陰極電子銃で安定なビーム透過
特性が得られるようにビーム集束比を一定値に維持する
と陰極電流密度が大きくなりすぎ、寿命の点で実用化が
難しい。しかし、冷陰極電子銃ならば、陰極電流密度を
熱陰極の１０倍以上にできるので、寿命の点でも実用上
は問題ない。なお、寿命については、冷陰極電子銃の第
１アノード電極がイオンバリアーの役割も兼ねているこ
とも、進行波管の長寿命化に寄与している。また、層流
性が良くリップル率の小さい高品質の電子ビームが得ら
れるので、良好な電子ビーム透過特性が得られるばかり
でなく、安定した高周波特性を得ることができる。

【００５７】本実施形態では、ＲＦ回路部の低速波回路
としてヘリックスを用いた例を示したが、それに限ら
ず、空洞結合型回路を用いてもよい。さらには、本発明
の冷陰極電子銃は、進行波管に限らず、クライストロン
等の各種のマイクロ波管に使用することができる。

【００５８】

【発明の効果】本発明は、以上説明したとおり構成され
ているので、以下に記載する効果を奏する。

【００５９】本発明の冷陰極電子銃は、陰極として電界
放射陰極アレイ型冷陰極を用い、かつ、２つのアノード
電極の電位を上述の（１）式のように規定することで、
層流性が良く、リップル率の小さい電子ビームを形成す
ることができる。また、第１のアノード電極の電位がＲ
Ｆ回路部の電位よりも高いため、イオンバリアー効果に
よって冷陰極をイオン衝撃から防護することができ、長
寿命の冷陰極電子銃を得ることができる。さらに、構造
の面から見ても、陰極の他に、１枚のウェネルト電極と
２枚のアノード電極で構成できるので、小型軽量な電子
銃を実現することができる。

【００６０】特に、第２のアノード電極の電位が低いた
め、電子ビーム集束比が１０以下であっても陰極の外部
にマグネットを配置する必要もない。したがって、集束
比が１０以下の場合には、小型軽量化の効果がより大き
いものとなる。しかも、集束比を１０以下とすることに
よって、数十ｍＡ以上の大電流においても層流性が良く
リップル率の小さい良好な電子ビームを得ることができ
る。

【００６１】また、ウェネルト電極の内周の半径を電界
放射陰極アレイ型冷陰極の電子放出領域の半径の２倍以
上とし、かつ、ウェネルト電極の電位を電界放射陰極ア
レイ型冷陰極のゲート電位と同電位とすることで、より
層流性を向上させることができる。

【００６２】本発明のマイクロ波管は、本発明の冷陰極
電子銃を用いており、電子銃が小型化されるため、マイ
クロ波管全体としても小型軽量化を達成することができ
る。また、層流性が良くリップル率の小さい電子ビーム
が得られるので、良好な電子ビーム特性を得ることがで
きるばかりでなく、安定した高周波特性を得ることがで
きる。さらに、熱陰極では実用化が難しいミリ波帯のマ
イクロ波管が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示す冷陰極電子銃の
概略構成図である。

【図２】本発明の第２の実施形態を示す冷陰極電子銃の
概略構成図である。

【図３】図２に示した冷陰極電子銃をＰＰＭ集束の進行
波管に適用した場合の電子ビーム軌道のシミュレーショ
ン結果を示す図である。

【図４】図２に示した冷陰極電子銃をＰＰＭ集束の進行
波管に適用した場合において、電子ビーム発散半角が２
５度のときの電子ビーム軌道のシミュレーション結果を
示す図である。

【図５】本発明の冷陰極電子銃を採用した進行波管の概
略断面図である。

【図６】従来の進行波管の概略断面図である。

【図７】従来の電界放射アレイ型冷陰極を説明するため
の図であり、同図（ａ）はその一部を破断した斜視図、
同図（ｂ）はその要部断面図である。

【図８】本出願人の先願の冷陰極電子銃の断面図であ
る。

【図９】従来の低雑音進行波管の熱陰極電子銃の一例を
説明する図である。

【図１０】従来の低雑音進行波管の熱陰極電子銃の他の
例を説明する図である。

【図１１】陰極線管用電子銃の一例の概略構造図であ
る。

【図１２】陰極線管用電子銃の他の例の概略構造図であ
る。

【符号の説明】

１ＦＥＡ型冷陰極２，２’ ウェネルト電極３第１アノード電極４第２アノード電極５，１５ＲＦ回路部６ゲート電極８電子ビーム１０電子銃１６ヘリックス１７ビーム集束用磁石１８入力窓１９出力窓２０コレクタ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ＲＦ回路部を有するマイクロ波管に用い
られる冷陰極電子銃であって、電子ビームを放射する電界放射陰極アレイ型冷陰極と、前記電界放射陰極アレイ型冷陰極と前記ＲＦ回路部との
間に、前記電界放射陰極アレイ型冷陰極と同軸上に前記
電界放射陰極アレイ型冷陰極側から順に配置された、円
環状のウェネルト電極、第１のアノード電極および第２
のアノード電極とを有し、前記第１のアノード電極の電位をＥa1、前記第２のアノ
ード電極の電位をＥa2、前記ＲＦ回路部の電位をＥb と
したとき、Ｅa1＞Ｅb ＞Ｅa2≧０Ｖなる関係を有する冷陰極電子銃。
【請求項２】前記電界放射陰極アレイ型冷陰極の電子
放出領域の半径をＲc 、前記電子ビームの平均半径をｂ
としたとき、（Ｒc ／ｂ）² で表される電子ビーム集束
比が１０以下である請求項１に記載の冷陰極電子銃。
【請求項３】前記ウェネルト電極の内周の半径が前記
電界放射陰極アレイ型冷陰極の電子放出領域の半径の２
倍以上であり、かつ、前記ウェネルト電極の電位が前記
電界放射陰極アレイ型冷陰極のゲート電位と同電位であ
る請求項１または２に記載の冷陰極電子銃。
【請求項４】電子ビームを形成する電子銃と、前記電
子銃からの電子ビームとの相互作用によってマイクロ波
を増幅するためのＲＦ回路部と、前記ＲＦ回路部を通過
した電子ビームを捕捉するコレクタとを有するマイクロ
波管において、前記電子銃として、請求項１ないし３のいずれか１項に
記載の冷陰極電子銃を用いたことを特徴とするマイクロ
波管。