JP3101713B2 - 電界放射陰極およびそれを用いる電磁波発生装置 - Google Patents
電界放射陰極およびそれを用いる電磁波発生装置Info
- Publication number
- JP3101713B2 JP3101713B2 JP4284599A JP4284599A JP3101713B2 JP 3101713 B2 JP3101713 B2 JP 3101713B2 JP 4284599 A JP4284599 A JP 4284599A JP 4284599 A JP4284599 A JP 4284599A JP 3101713 B2 JP3101713 B2 JP 3101713B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electromagnetic wave
- field emission
- emitter
- electron beam
- cathode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J23/00—Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
- H01J23/02—Electrodes; Magnetic control means; Screens
- H01J23/027—Collectors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J23/00—Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
- H01J23/02—Electrodes; Magnetic control means; Screens
- H01J23/04—Cathodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J23/00—Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
- H01J23/16—Circuit elements, having distributed capacitance and inductance, structurally associated with the tube and interacting with the discharge
- H01J23/18—Resonators
- H01J23/20—Cavity resonators; Adjustment or tuning thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J3/00—Details of electron-optical or ion-optical arrangements or of ion traps common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
- H01J3/02—Electron guns
- H01J3/021—Electron guns using a field emission, photo emission, or secondary emission electron source
- H01J3/022—Electron guns using a field emission, photo emission, or secondary emission electron source with microengineered cathode, e.g. Spindt-type
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J2225/00—Transit-time tubes, e.g. Klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
- H01J2225/02—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators
- H01J2225/10—Klystrons, i.e. tubes having two or more resonators, without reflection of the electron stream, and in which the stream is modulated mainly by velocity in the zone of the input resonator
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J2225/00—Transit-time tubes, e.g. Klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
- H01J2225/34—Travelling-wave tubes; Tubes in which a travelling wave is simulated at spaced gaps
- H01J2225/36—Tubes in which an electron stream interacts with a wave travelling along a delay line or equivalent sequence of impedance elements, and without magnet system producing an H-field crossing the E-field
- H01J2225/38—Tubes in which an electron stream interacts with a wave travelling along a delay line or equivalent sequence of impedance elements, and without magnet system producing an H-field crossing the E-field the forward travelling wave being utilised
Landscapes
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
- Microwave Tubes (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子を放射する陰
極、特に電界の作用で変調された電子ビームを放射させ
る電界放射陰極およびこのような電界放射陰極を具える
電磁波発生装置に関するものである。
極、特に電界の作用で変調された電子ビームを放射させ
る電界放射陰極およびこのような電界放射陰極を具える
電磁波発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、電磁波を発生する手段としては、
電子ビームデバイス、半導体デバイスおよびレーザが用
いられている。電子ビームデバイスとしては、例えばマ
イクロ波電子管が知られている。このマイクロ波電子管
は、電子ビームをマイクロ波の周期に比べて長い時間走
行させてマイクロ波エネルギーを得るものであり、一般
に高出力を必要とする場合に用いられており、マグネト
ロンやクライストロンなどが知られている。半導体デバ
イスは、半導体中を走行する電子の変調によって電磁波
を発生するものである。また、レーザは一般に光波を発
生するものであるが、赤外レーザも用いられている。
電子ビームデバイス、半導体デバイスおよびレーザが用
いられている。電子ビームデバイスとしては、例えばマ
イクロ波電子管が知られている。このマイクロ波電子管
は、電子ビームをマイクロ波の周期に比べて長い時間走
行させてマイクロ波エネルギーを得るものであり、一般
に高出力を必要とする場合に用いられており、マグネト
ロンやクライストロンなどが知られている。半導体デバ
イスは、半導体中を走行する電子の変調によって電磁波
を発生するものである。また、レーザは一般に光波を発
生するものであるが、赤外レーザも用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の電磁波
発生装置の内、電子ビームデバイスは高出力、高効率を
有するという特長があるが、発生する電磁波の波長が短
くなると、デバイスを構成する回路構造が小さくなるこ
と、電子ビームの変調が困難になること、デバイスの規
模が大きくなることなどの欠点がある。
発生装置の内、電子ビームデバイスは高出力、高効率を
有するという特長があるが、発生する電磁波の波長が短
くなると、デバイスを構成する回路構造が小さくなるこ
と、電子ビームの変調が困難になること、デバイスの規
模が大きくなることなどの欠点がある。
【０００４】また、半導体デバイスを用いる電磁波発生
装置では、半導体中の電子の走行速度が遅いため、ミリ
波帯以下の実用的な電磁波発生装置は開発されていな
い。さらに、レーザを用いた電磁波発生装置では、発生
される電磁波は光波帯が中心であり、遠赤外光の発生に
は、光励起のガスレーザによるなど、装置が大掛かりと
なるとともに発生電磁波が離散的となる欠点がある。こ
のため、ミリ波やマイクロ波帯域の電磁波を高出力およ
び高効率で発生できる実用的な電磁波発生装置は開発さ
れていない。
装置では、半導体中の電子の走行速度が遅いため、ミリ
波帯以下の実用的な電磁波発生装置は開発されていな
い。さらに、レーザを用いた電磁波発生装置では、発生
される電磁波は光波帯が中心であり、遠赤外光の発生に
は、光励起のガスレーザによるなど、装置が大掛かりと
なるとともに発生電磁波が離散的となる欠点がある。こ
のため、ミリ波やマイクロ波帯域の電磁波を高出力およ
び高効率で発生できる実用的な電磁波発生装置は開発さ
れていない。
【０００５】したがって、本発明の目的は、ミリ波やマ
イクロ波帯域内の任意の周波数で変調された電子ビーム
を効率良く発生することができ、しかも構成が簡単で小
型な電界放射陰極を提供しようとするものである。本発
明の他の目的は、このような電界放射陰極から発生され
る電子ビームとの相互作用によって、ミリ波やマイクロ
波帯域の電磁波を高出力かつ高効率で発生することがで
き、しかも構成が簡単で小型な電磁波発生装置を提供し
ようとするものである。
イクロ波帯域内の任意の周波数で変調された電子ビーム
を効率良く発生することができ、しかも構成が簡単で小
型な電界放射陰極を提供しようとするものである。本発
明の他の目的は、このような電界放射陰極から発生され
る電子ビームとの相互作用によって、ミリ波やマイクロ
波帯域の電磁波を高出力かつ高効率で発生することがで
き、しかも構成が簡単で小型な電磁波発生装置を提供し
ようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明による電界放射陰
極は、ガン効果を示すＮ型の半導体材料より成り、陰極
チップを有するエミッタと、この陰極チップを囲む開口
を有する絶縁層と、この絶縁層上に前記陰極チップを囲
むように形成されたゲート電極と、前記エミッタと電気
的に接続されたエミッタ電極とを具え、前記エミッタ電
極とゲート電極との間に直流電圧を印加して前記エミッ
タ領域内に所定の高周波数で周期的に生滅する高電界ド
メインを発生させることにより前記陰極チップから前記
高周波数で変調された電子ビームを放射させるように構
成したものである。
極は、ガン効果を示すＮ型の半導体材料より成り、陰極
チップを有するエミッタと、この陰極チップを囲む開口
を有する絶縁層と、この絶縁層上に前記陰極チップを囲
むように形成されたゲート電極と、前記エミッタと電気
的に接続されたエミッタ電極とを具え、前記エミッタ電
極とゲート電極との間に直流電圧を印加して前記エミッ
タ領域内に所定の高周波数で周期的に生滅する高電界ド
メインを発生させることにより前記陰極チップから前記
高周波数で変調された電子ビームを放射させるように構
成したものである。
【０００７】このような本発明による電界放射陰極にお
いては、前記陰極チップを有するエミッタを構成するガ
ン効果を有するＮ型半導体材料としては、ガリウム砒
素、インジウム燐などの化合物半導体材料を用いること
ができる。また、電界放射陰極から放射される電子ビー
ムの変調周波数は、陰極チップを有するエミッタの構
造、寸法およびそれに印加される電圧等によって決ま
る。
いては、前記陰極チップを有するエミッタを構成するガ
ン効果を有するＮ型半導体材料としては、ガリウム砒
素、インジウム燐などの化合物半導体材料を用いること
ができる。また、電界放射陰極から放射される電子ビー
ムの変調周波数は、陰極チップを有するエミッタの構
造、寸法およびそれに印加される電圧等によって決ま
る。
【０００８】このような本発明による電界放射陰極を実
施するに当たっては、前記エミッタ電極を、前記エミッ
タの陰極チップを形成した側とは反対側の表面に形成し
たり、前記エミッタを囲むように形成されたＮ＋型半導
体材料より成るオーム性領域と接続すると共に前記絶縁
層を経て前記ゲート電極と同じ側に延在させることがで
きる。後者の場合には、ゲート電極とエミッタ電極とが
同じ側に現れることになるので実際の装置に組み込む場
合に有利となることが多い。
施するに当たっては、前記エミッタ電極を、前記エミッ
タの陰極チップを形成した側とは反対側の表面に形成し
たり、前記エミッタを囲むように形成されたＮ＋型半導
体材料より成るオーム性領域と接続すると共に前記絶縁
層を経て前記ゲート電極と同じ側に延在させることがで
きる。後者の場合には、ゲート電極とエミッタ電極とが
同じ側に現れることになるので実際の装置に組み込む場
合に有利となることが多い。
【０００９】さらに本発明による電界放射陰極の好適な
実施例においては、前記絶縁層とエミッタ電極との間
に、前記エミッタを囲むように真性半導体材料若しくは
Ｐ型半導体材料より成る領域を形成したり、前記陰極チ
ップを形成したエミッタおよびオーム性領域を真性半導
体材料の上に形成することができる。このような真性半
導体材料およびＰ型半導体材料より成る領域は、高電界
ドメインの発生領域をエミッタに限定する作用を有する
ものであるので高電界ドメイン制限領域または高電界ド
メイン阻止領域とも呼ばれるものである。
実施例においては、前記絶縁層とエミッタ電極との間
に、前記エミッタを囲むように真性半導体材料若しくは
Ｐ型半導体材料より成る領域を形成したり、前記陰極チ
ップを形成したエミッタおよびオーム性領域を真性半導
体材料の上に形成することができる。このような真性半
導体材料およびＰ型半導体材料より成る領域は、高電界
ドメインの発生領域をエミッタに限定する作用を有する
ものであるので高電界ドメイン制限領域または高電界ド
メイン阻止領域とも呼ばれるものである。
【００１０】本発明による電界放射陰極においては、複
数の陰極チップを１次元的に配列した陰極チップ列を複
数アレイ状に形成するのが好適である。また、陰極チッ
プは、針状に形成した方が電界の集中効果によって電子
ビームの発生効率が向上するのでより好適である。
数の陰極チップを１次元的に配列した陰極チップ列を複
数アレイ状に形成するのが好適である。また、陰極チッ
プは、針状に形成した方が電界の集中効果によって電子
ビームの発生効率が向上するのでより好適である。
【００１１】また、本発明による電磁波発生装置は、上
述した電界放射陰極と、この電界射陰極から放射される
高周波数で変調された電子ビームと相互作用して電磁波
を発生する電磁波発生手段とを具えるものである。
述した電界放射陰極と、この電界射陰極から放射される
高周波数で変調された電子ビームと相互作用して電磁波
を発生する電磁波発生手段とを具えるものである。
【００１２】本発明による電磁波発生装置の一実施例に
おいては、前記電界放射陰極から放射される電子ビーム
の変調周波数をミリ波またはマイクロ波帯域とし、前記
電磁波発生手段として、ミリ波またはマイクロ波で変調
された電子ビームと相互作用する高周波回路を設けるこ
とができる。この場合、高周波回路に、変調電子ビーム
と相互作用して電磁波を発生する空胴共振器と、この空
胴共振器で発生された電磁波を取り出す出力回路とを設
けることができる。さらに、上述した高周波回路に、変
調電子ビームと相互作用して電磁波を発生する遅波回路
を設けることもでき、この遅波回路をヘリックス（螺旋
遅波回路）で構成することもできる。
おいては、前記電界放射陰極から放射される電子ビーム
の変調周波数をミリ波またはマイクロ波帯域とし、前記
電磁波発生手段として、ミリ波またはマイクロ波で変調
された電子ビームと相互作用する高周波回路を設けるこ
とができる。この場合、高周波回路に、変調電子ビーム
と相互作用して電磁波を発生する空胴共振器と、この空
胴共振器で発生された電磁波を取り出す出力回路とを設
けることができる。さらに、上述した高周波回路に、変
調電子ビームと相互作用して電磁波を発生する遅波回路
を設けることもでき、この遅波回路をヘリックス（螺旋
遅波回路）で構成することもできる。
【００１３】さらに、前記高周波回路に、電界放射陰極
から放射される変調電子ビームと電磁波との相互作用場
を構成するように、電子ビームの通路を挟んで互いに対
向して配置された周期構造体および反射板を有するファ
ブリ・ペロー共振器を設けることもできる。
から放射される変調電子ビームと電磁波との相互作用場
を構成するように、電子ビームの通路を挟んで互いに対
向して配置された周期構造体および反射板を有するファ
ブリ・ペロー共振器を設けることもできる。
【００１４】さらに、本発明による電磁波発生装置にお
いては、前記高周波回路を透過した電子ビームを補足す
る集電極を設け、この集電極に、高周波回路よりも低い
電位を与えるのが好適である。
いては、前記高周波回路を透過した電子ビームを補足す
る集電極を設け、この集電極に、高周波回路よりも低い
電位を与えるのが好適である。
【００１５】
【発明の実施の形態】図１は本発明による電界放射陰極
の第１の実施例の構成を示す断面図である。この電界放
射陰極においては、電子ビームを放射する陰極チップ３
１ａを有するエミッタ３１をガン効果を示すＮ型の半導
体材料、本例ではガリウム砒素を以て形成するが、ガン
効果を発生する他の半導体材料、例えばインジウム燐を
以て形成することもできる。本例においては、陰極チッ
プ３１ａは先端を針状に尖鋭に形成して電界の集中が起
こるようにする。
の第１の実施例の構成を示す断面図である。この電界放
射陰極においては、電子ビームを放射する陰極チップ３
１ａを有するエミッタ３１をガン効果を示すＮ型の半導
体材料、本例ではガリウム砒素を以て形成するが、ガン
効果を発生する他の半導体材料、例えばインジウム燐を
以て形成することもできる。本例においては、陰極チッ
プ３１ａは先端を針状に尖鋭に形成して電界の集中が起
こるようにする。
【００１６】このようなエミッタ３１を囲むように真性
半導体或いはＰ型半導体材料、本例では真性ガリウム砒
素より成る高電界ドメイン阻止領域３２を形成し、この
領域の上には、陰極チップ３１ａを囲む開口３３ａを有
する絶縁層３３を形成し、この絶縁層の上には開口３４
ａを有するゲート電極３４を形成する。また、エミッタ
３１および高電界ドメイン阻止領域３２の他方の表面に
はエミッタ電極３５を形成する。これらのゲート電極３
４およびエミッタ電極３５は金、ゲルマニウムなどのオ
ーム性の電極材料で形成することができる。
半導体或いはＰ型半導体材料、本例では真性ガリウム砒
素より成る高電界ドメイン阻止領域３２を形成し、この
領域の上には、陰極チップ３１ａを囲む開口３３ａを有
する絶縁層３３を形成し、この絶縁層の上には開口３４
ａを有するゲート電極３４を形成する。また、エミッタ
３１および高電界ドメイン阻止領域３２の他方の表面に
はエミッタ電極３５を形成する。これらのゲート電極３
４およびエミッタ電極３５は金、ゲルマニウムなどのオ
ーム性の電極材料で形成することができる。
【００１７】このような構造の電界放射陰極のゲート電
極３４とエミッタ電極３５との間に直流電源３６を接続
してこれらの間に直流電圧を印加すると、Ｎ型半導体材
料より成るエミッタ３１中に空間電荷蓄積ドメインや電
気二重層ドメインなどの空間電荷による高電界ドメイン
が発生し、これらの空間電荷は半導体中を走行後、陰極
チップ３１ａから放射される。このとき高電界ドメイン
を維持する空間電荷の発生、走行、消滅は周期的に繰り
返されるので、放射される電子ビームも周期的なものと
なる。このような高電界ドメインの生滅の周期は、ガン
効果を示すＮ型半導体のエミッタ３１の構造、寸法、ゲ
ート電極３４とエミッタ電極３５との間に印加される直
流電圧等によって定まり、この周期をミリ波またはマイ
クロ波帯域に容易に設定することができる。このように
陰極チップ３１ａを有するエミッタ３１を適当に構成す
ることによってミリ波帯またはマイクロ波帯で変調され
た電子ビームをゲート電極３４の開口３４ａを経て放射
させることができる。このとき、エミッタ３１を囲むよ
うに形成された真性半導体或いはＰ型半導体材料より成
る高電界ドメイン阻止領域３２は、高電界ドメインの発
生領域をエミッタのＮ型半導体材料中に限定する作用を
有するものである。
極３４とエミッタ電極３５との間に直流電源３６を接続
してこれらの間に直流電圧を印加すると、Ｎ型半導体材
料より成るエミッタ３１中に空間電荷蓄積ドメインや電
気二重層ドメインなどの空間電荷による高電界ドメイン
が発生し、これらの空間電荷は半導体中を走行後、陰極
チップ３１ａから放射される。このとき高電界ドメイン
を維持する空間電荷の発生、走行、消滅は周期的に繰り
返されるので、放射される電子ビームも周期的なものと
なる。このような高電界ドメインの生滅の周期は、ガン
効果を示すＮ型半導体のエミッタ３１の構造、寸法、ゲ
ート電極３４とエミッタ電極３５との間に印加される直
流電圧等によって定まり、この周期をミリ波またはマイ
クロ波帯域に容易に設定することができる。このように
陰極チップ３１ａを有するエミッタ３１を適当に構成す
ることによってミリ波帯またはマイクロ波帯で変調され
た電子ビームをゲート電極３４の開口３４ａを経て放射
させることができる。このとき、エミッタ３１を囲むよ
うに形成された真性半導体或いはＰ型半導体材料より成
る高電界ドメイン阻止領域３２は、高電界ドメインの発
生領域をエミッタのＮ型半導体材料中に限定する作用を
有するものである。
【００１８】図２は本発明による電界放射陰極の第２の
実施例を示す断面図である。本例では、陰極チップ３１
ａを有するエミッタ３１と、エミッタを囲むように不純
物を多量にドープしたＮ−型半導体材料より成り、した
がってエミッタ３１との間でオーミック接合を形成する
オーム性領域３７を、真性半導体領域３２上に形成す
る。
実施例を示す断面図である。本例では、陰極チップ３１
ａを有するエミッタ３１と、エミッタを囲むように不純
物を多量にドープしたＮ−型半導体材料より成り、した
がってエミッタ３１との間でオーミック接合を形成する
オーム性領域３７を、真性半導体領域３２上に形成す
る。
【００１９】本例においては、さらにエミッタ電極３８
を絶縁層３３の表面に形成し、絶縁層にあけた貫通孔３
３ｂを経てオーム性領域３７の表面と接触するように延
在させる。このように構成すると、ゲート電極３４とエ
ミッタ電極３８とは同じ側に配置されることになるの
で、平面的な構造が得られる。本例においても、ゲート
電極３４とエミッタ電極３８との間に、ゲート電極が正
となるように直流電源３６を接続することによってゲー
ト電極の開口３４ａを経て変調された電子ビームが放射
されることになる。
を絶縁層３３の表面に形成し、絶縁層にあけた貫通孔３
３ｂを経てオーム性領域３７の表面と接触するように延
在させる。このように構成すると、ゲート電極３４とエ
ミッタ電極３８とは同じ側に配置されることになるの
で、平面的な構造が得られる。本例においても、ゲート
電極３４とエミッタ電極３８との間に、ゲート電極が正
となるように直流電源３６を接続することによってゲー
ト電極の開口３４ａを経て変調された電子ビームが放射
されることになる。
【００２０】上述したような本発明による電界放射陰極
の各部は１ミクロンからサブミクロンの微細構造を有す
るものであるが、半導体デバイスの製造のために発展し
てきた成膜技術、パターニング技術、エッチング技術な
どの微細加工技術を利用して正確に製造することができ
る。
の各部は１ミクロンからサブミクロンの微細構造を有す
るものであるが、半導体デバイスの製造のために発展し
てきた成膜技術、パターニング技術、エッチング技術な
どの微細加工技術を利用して正確に製造することができ
る。
【００２１】図３は図１に示した本発明による電界放射
陰極を用いて構成した電磁波発生装置の一例を示す線図
である。ただし、本例では図１に示した電界放射陰極に
おいて陰極チップ３１ａをアレイ状に配列したものを使
用する。このような電界放射陰極のゲート電極３４とエ
ミッタ電極３５との間に直流電源３６を接続することに
より、陰極チップからミリ波またはマイクロ波帯域の周
波数で変調された電子ビーム４１がゲート電極の開口３
４ａを経て放射される。この直流電源３６は電界放射に
よる電子の放出に寄与するので電界放射用直流電源とも
称する。
陰極を用いて構成した電磁波発生装置の一例を示す線図
である。ただし、本例では図１に示した電界放射陰極に
おいて陰極チップ３１ａをアレイ状に配列したものを使
用する。このような電界放射陰極のゲート電極３４とエ
ミッタ電極３５との間に直流電源３６を接続することに
より、陰極チップからミリ波またはマイクロ波帯域の周
波数で変調された電子ビーム４１がゲート電極の開口３
４ａを経て放射される。この直流電源３６は電界放射に
よる電子の放出に寄与するので電界放射用直流電源とも
称する。
【００２２】このようにして電界放射陰極の陰極チップ
３１ａの表面から放射される変調電子ビーム４１は、ゲ
ート電極３４と、このゲート電極と対向して配置された
空胴共振器４２との間に接続された加速用直流電源４３
によって加速される。このように加速用直流電源４３で
加速された電子ビーム４１は空胴共振器４２内の電磁波
と相互作用し、この相互作用によりその運動エネルギー
が電磁波エネルギーに変換される。このようにして発生
されたミリ波またはマイクロ波帯の電磁波は出力回路４
４を経て外部へ取り出すことができる。相互作用後の電
子ビームは、集電極４５で回収されるが、第３の直流電
源４６によりこの集電極に空胴共振器４２の電位よりも
低い電位を与えることにより電子ビームの運動エネルギ
ーの一部を回収することができる。
３１ａの表面から放射される変調電子ビーム４１は、ゲ
ート電極３４と、このゲート電極と対向して配置された
空胴共振器４２との間に接続された加速用直流電源４３
によって加速される。このように加速用直流電源４３で
加速された電子ビーム４１は空胴共振器４２内の電磁波
と相互作用し、この相互作用によりその運動エネルギー
が電磁波エネルギーに変換される。このようにして発生
されたミリ波またはマイクロ波帯の電磁波は出力回路４
４を経て外部へ取り出すことができる。相互作用後の電
子ビームは、集電極４５で回収されるが、第３の直流電
源４６によりこの集電極に空胴共振器４２の電位よりも
低い電位を与えることにより電子ビームの運動エネルギ
ーの一部を回収することができる。
【００２３】図４は、本発明による電磁波発生装置の他
の実施例を示す線図である。本例においても前例と同様
に図１に示した電界放射陰極において複数の陰極チップ
３１ａをアレイ状に配列したものを使用する。
の実施例を示す線図である。本例においても前例と同様
に図１に示した電界放射陰極において複数の陰極チップ
３１ａをアレイ状に配列したものを使用する。
【００２４】本例では、電界放射陰極の陰極チップ３１
ａから放射されるミリ波またはマイクロ波帯域の周波数
で変調された電子ビーム４１を、加速用直流電源４３に
よって加速し、金属グレーティングより成る周期構造５
１と、これと対向して配置された反射板５２とで構成さ
れるファブリ・ペロー共振器に導き、ここで発生される
電磁界との相互作用によってミリ波またはマイクロ波帯
域の高周波数の電磁波を発生させる。このようにして発
生させた電磁波は、反射板５２にあけた開口５２ａを経
て外部へ導くことができる。また、電磁波との相互作用
を行った後の電子ビーム４１は、集電極４５で回収す
る。上述したように、第３の直流電源４６によって、集
電極４５に周期構造５１よりも低い電位を与えることに
より、相互作用後の電子ビームの運動エネルギーの一部
を回収することができ、電磁波発生効率を高めることが
きる。
ａから放射されるミリ波またはマイクロ波帯域の周波数
で変調された電子ビーム４１を、加速用直流電源４３に
よって加速し、金属グレーティングより成る周期構造５
１と、これと対向して配置された反射板５２とで構成さ
れるファブリ・ペロー共振器に導き、ここで発生される
電磁界との相互作用によってミリ波またはマイクロ波帯
域の高周波数の電磁波を発生させる。このようにして発
生させた電磁波は、反射板５２にあけた開口５２ａを経
て外部へ導くことができる。また、電磁波との相互作用
を行った後の電子ビーム４１は、集電極４５で回収す
る。上述したように、第３の直流電源４６によって、集
電極４５に周期構造５１よりも低い電位を与えることに
より、相互作用後の電子ビームの運動エネルギーの一部
を回収することができ、電磁波発生効率を高めることが
きる。
【００２５】本例では、発生する電磁波の周波数は、電
子ビーム４１の変調周波数に合わせて加速用直流電源４
３の電圧を調整して周期構造５１上を走行する電子の速
度を調整したり、ファブリ・ペロー共振器を構成する周
期構造５１と反射板５２との間隔を調整することによっ
て広範囲に亘って調整することができる。
子ビーム４１の変調周波数に合わせて加速用直流電源４
３の電圧を調整して周期構造５１上を走行する電子の速
度を調整したり、ファブリ・ペロー共振器を構成する周
期構造５１と反射板５２との間隔を調整することによっ
て広範囲に亘って調整することができる。
【００２６】本発明は上述した実施例に限定されるもの
ではなく、幾多の変更や変形が可能である。例えば、上
述した電磁波発生装置の実施例においては、高周波発生
回路として、空胴共振器およびファブリ・ペロー共振器
を用いたが、ヘリックスなどの遅波回路や誘電体装荷回
路やマグネティックウィグラーなどの高周波回路を用い
ることもできる。
ではなく、幾多の変更や変形が可能である。例えば、上
述した電磁波発生装置の実施例においては、高周波発生
回路として、空胴共振器およびファブリ・ペロー共振器
を用いたが、ヘリックスなどの遅波回路や誘電体装荷回
路やマグネティックウィグラーなどの高周波回路を用い
ることもできる。
【００２７】また、本発明による電界放射陰極は、上述
した構造の電磁波発生装置に限らず、クライストロンや
進行波管などに代表される電子ビームの集群効果と走行
時間効果を基本とするマイクロ波管の技術に適用するこ
ともできる。さらに本発明によるミリ波やたはマイクロ
波帯域の変調電子ビームを放射する電界放射陰極は、線
形加速器の陰極として利用することで、自由電子レーザ
の高効率化、小型化など新たな広範な応用が期待され
る。
した構造の電磁波発生装置に限らず、クライストロンや
進行波管などに代表される電子ビームの集群効果と走行
時間効果を基本とするマイクロ波管の技術に適用するこ
ともできる。さらに本発明によるミリ波やたはマイクロ
波帯域の変調電子ビームを放射する電界放射陰極は、線
形加速器の陰極として利用することで、自由電子レーザ
の高効率化、小型化など新たな広範な応用が期待され
る。
【００２８】
【発明の効果】上述した本発明による電界放射陰極で
は、電界放射陰極の陰極チップをガン効果を発生させる
Ｎ型半導体材料で構成することによりミリ波またはマイ
クロ波帯で変調された電子ビームを効率良く発生するこ
とができ、しかも構成が簡単で小型となる。さらに、本
発明による電界放射陰極は、半導体デバイスの製造技術
を利用して高精度に製造することができる。
は、電界放射陰極の陰極チップをガン効果を発生させる
Ｎ型半導体材料で構成することによりミリ波またはマイ
クロ波帯で変調された電子ビームを効率良く発生するこ
とができ、しかも構成が簡単で小型となる。さらに、本
発明による電界放射陰極は、半導体デバイスの製造技術
を利用して高精度に製造することができる。
【００２９】さらに、本発明による電磁波発生装置で
は、上述した電界放射陰極と、この電界放射陰極から放
射される変調電子ビームとの相互作用によって電磁波を
効率良く発生する電磁波発生手段とを設けたものである
ので、電界放射陰極から発生される電子ビームとの相互
作用によって、ミリ波またはマイクロ波帯域までの広帯
域に亘って周波数を制御することができる電磁波を高出
力かつ高効率で発生することができ、しかも構成が簡単
で小型となる。
は、上述した電界放射陰極と、この電界放射陰極から放
射される変調電子ビームとの相互作用によって電磁波を
効率良く発生する電磁波発生手段とを設けたものである
ので、電界放射陰極から発生される電子ビームとの相互
作用によって、ミリ波またはマイクロ波帯域までの広帯
域に亘って周波数を制御することができる電磁波を高出
力かつ高効率で発生することができ、しかも構成が簡単
で小型となる。
【図１】 図１は、本発明による電界放射陰極の一実施
例の構成を示す線図的な断面図である。
例の構成を示す線図的な断面図である。
【図２】 図２は、本発明による電界放射陰極の他の実
施例の構成を示す線図的な断面図である。
施例の構成を示す線図的な断面図である。
【図３】 図３は、本発明による電磁波発生装置の一実
施例の構成を示す線図的な断面図である。
施例の構成を示す線図的な断面図である。
【図４】 図４は、本発明による電磁波発生装置の他の
実施例の構成を示す線図的な断面図である。
実施例の構成を示す線図的な断面図である。
３１ エミッタ、 ３２ 高電界ドメイン阻止領域、
３３ 絶縁層、 ３３ａ開口、 ３３ｂ 貫通孔、 ３
４ ゲート電極、 ３４ａ 開口、 ３５ エミッタ電
極、 ３６ 電界放射用直流電源、 ３７ オーム性領
域、 ３８ エミッタ電極、 ４１ 電子ビーム、４２
空胴共振器、 ４３ 加速用直流電源、 ４４ 出力
回路、４５ 集電極、 ４６ 回収用直流電源、 ５１
周期構造、 ５２ 反射器、５２ａ 開口
３３ 絶縁層、 ３３ａ開口、 ３３ｂ 貫通孔、 ３
４ ゲート電極、 ３４ａ 開口、 ３５ エミッタ電
極、 ３６ 電界放射用直流電源、 ３７ オーム性領
域、 ３８ エミッタ電極、 ４１ 電子ビーム、４２
空胴共振器、 ４３ 加速用直流電源、 ４４ 出力
回路、４５ 集電極、 ４６ 回収用直流電源、 ５１
周期構造、 ５２ 反射器、５２ａ 開口
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−314892（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−185794（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−118916（ＪＰ，Ａ) 特公 昭62−55306（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平７−107829（ＪＰ，Ｂ２) 横尾邦義他、”光混合電界放射陰極を 用いたＴＨｚ帯自由電子レーザ”、電子 情報通信学会技術研究報告、1998年12月 11日、ＥＤ98−169、ｐ．７−12 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01J 1/304 H01J 23/04 - 23/06 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (15)
- 【請求項１】 ガン効果を示すＮ型の半導体材料より成
り、陰極チップを有するエミッタと、この陰極チップを
囲む開口を有する絶縁層と、この絶縁層上に前記陰極チ
ップを囲むように形成されたゲート電極と、前記エミッ
タと電気的に接続されたエミッタ電極とを具え、前記エ
ミッタ電極とゲート電極との間に直流電圧を印加して前
記エミッタ領域内に所定の高周波数で周期的に生滅する
高電界ドメインを発生させることにより前記陰極チップ
から前記高周波数で変調された電子ビームを放射させる
ように構成した電界放射陰極。 - 【請求項２】 前記エミッタ電極を、前記エミッタの陰
極チップを形成した側とは反対側の表面に形成した請求
項１に記載の電界放射陰極。 - 【請求項３】 前記絶縁層とエミッタ電極との間に、前
記エミッタを囲むように真性半導体材料若しくはＰ型半
導体材料より成る高電界ドメイン阻止領域を形成した請
求項２に記載の電界放射陰極。 - 【請求項４】 前記エミッタを囲むようにＮ＋型半導体
材料より成るオーム性領域を形成し、前記エミッタ電極
をこのオーム性領域と接続すると共に前記絶縁層を経て
前記ゲート電極と同じ側に延在させた請求項１に記載の
電界放射陰極。 - 【請求項５】 前記陰極チップを形成したエミッタおよ
び前記オーム性領域を真性半導体材料上に形成した請求
項４に記載の電界放射陰極。 - 【請求項６】 複数の陰極チップを１次元的に配列して
構成された陰極チップ列を複数アレイ状に形成した請求
項１〜５の何れかに記載の電界放射陰極。 - 【請求項７】 前記陰極チップを、針状に形成したこと
を特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の電界放射陰
極。 - 【請求項８】 請求項１〜７の何れかに記載の電界放射
陰極と、この電界放射陰極から放射される高周波数で変
調された電子ビームと相互作用して電磁波を発生する電
磁波発生手段とを具える電磁波発生装置。 - 【請求項９】 前記電界放射陰極から放射される電子ビ
ームの変調周波数をミリ波またはマイクロ波帯域とし、
前記電磁波発生手段が、ミリ波またはマイクロ波で変調
された電子ビームと相互作用する高周波回路を具える請
求項８に記載の電磁波発生装置。 - 【請求項１０】 前記高周波回路が、前記変調電子ビー
ムと相互作用して電磁波を発生する空胴共振器と、この
空胴共振器で発生された電磁波を取り出す出力回路とを
具える請求項９に記載の電磁波発生装置。 - 【請求項１１】 前記高周波回路が、前記変調電子ビー
ムと相互作用して電磁波を発生する遅波回路を具える請
求項９に記載の電磁波発生装置。 - 【請求項１２】 前記遅波回路をヘリックスとした請求
項１１に記載の電磁波発生装置。 - 【請求項１３】 前記高周波回路が、前記電界放射陰極
から放射される変調電子ビームと電磁波との相互作用場
を構成するように、電子ビームの通路を挟んで互いに対
向して配置された周期構造体および反射板を有するファ
ブリ・ペロー共振器を具える請求項９に記載の電磁波発
生装置。 - 【請求項１４】 前記高周波回路を透過した電子ビーム
を補足する集電極を設けた請求項９に記載の電磁波発生
装置。 - 【請求項１５】 前記集電極に、前記高周波回路よりも
低い電位を与える直流電源を設けた請求項１４に記載の
電磁波発生装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4284599A JP3101713B2 (ja) | 1999-02-22 | 1999-02-22 | 電界放射陰極およびそれを用いる電磁波発生装置 |
| US09/506,924 US6326729B1 (en) | 1999-02-22 | 2000-02-18 | Field emission cathode and electromagnetic wave generating apparatus comprising the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4284599A JP3101713B2 (ja) | 1999-02-22 | 1999-02-22 | 電界放射陰極およびそれを用いる電磁波発生装置 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000185569A Division JP2001035353A (ja) | 2000-01-01 | 2000-06-21 | 電界放射陰極およびそれを用いる電磁波発生装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000243219A JP2000243219A (ja) | 2000-09-08 |
| JP3101713B2 true JP3101713B2 (ja) | 2000-10-23 |
Family
ID=12647348
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4284599A Expired - Lifetime JP3101713B2 (ja) | 1999-02-22 | 1999-02-22 | 電界放射陰極およびそれを用いる電磁波発生装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6326729B1 (ja) |
| JP (1) | JP3101713B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6593695B2 (en) * | 1999-01-14 | 2003-07-15 | Northrop Grumman Corp. | Broadband, inverted slot mode, coupled cavity circuit |
| EP1274111B1 (en) * | 2001-07-06 | 2005-09-07 | ICT, Integrated Circuit Testing GmbH | Electron emission device |
| US7474060B2 (en) | 2003-08-22 | 2009-01-06 | Ngk Insulators, Ltd. | Light source |
| KR20060092512A (ko) * | 2005-02-18 | 2006-08-23 | 삼성에스디아이 주식회사 | 전자방출소자 및 그 제작 방법과 이를 채용한 전자방출 표시장치 |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| LU87164A1 (de) * | 1987-12-15 | 1988-08-23 | Siemens Ag | Reflektionssender fuer ein bidirektionales lwl-kommunikationssystem |
| JPH05314892A (ja) | 1992-05-01 | 1993-11-26 | Fujitsu Ltd | 電界放出陰極装置 |
| US5359256A (en) * | 1992-07-30 | 1994-10-25 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Regulatable field emitter device and method of production thereof |
| JP3400005B2 (ja) | 1993-03-05 | 2003-04-28 | 株式会社ブリヂストン | 空気入りラジアルタイヤ |
| JPH07107829B2 (ja) * | 1993-06-08 | 1995-11-15 | 日本電気株式会社 | 密度変調電子銃とこれを用いたマイクロ波管 |
| JP2975819B2 (ja) | 1993-10-08 | 1999-11-10 | 松山株式会社 | 収穫機 |
| JP2861755B2 (ja) * | 1993-10-28 | 1999-02-24 | 日本電気株式会社 | 電界放出型陰極装置 |
| TW289864B (ja) * | 1994-09-16 | 1996-11-01 | Micron Display Tech Inc | |
| JPH08185794A (ja) | 1994-12-27 | 1996-07-16 | Toshiba Corp | マイクロエミッタ電極の製造方法およびマイクロエミッタ装置 |
| JP2891196B2 (ja) * | 1996-08-30 | 1999-05-17 | 日本電気株式会社 | 冷陰極電子銃およびこれを用いた電子ビーム装置 |
| JP2950274B2 (ja) * | 1997-01-28 | 1999-09-20 | 日本電気株式会社 | 電界放出型冷陰極素子の駆動方法及び電界放出型冷陰極電子銃 |
-
1999
- 1999-02-22 JP JP4284599A patent/JP3101713B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
2000
- 2000-02-18 US US09/506,924 patent/US6326729B1/en not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 横尾邦義他、"光混合電界放射陰極を用いたＴＨｚ帯自由電子レーザ"、電子情報通信学会技術研究報告、１９９８年１２月１１日、ＥＤ９８−１６９、ｐ．７−１２ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US6326729B1 (en) | 2001-12-04 |
| JP2000243219A (ja) | 2000-09-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Parker et al. | Vacuum electronics | |
| JP3792126B2 (ja) | 小型テラヘルツ放射源 | |
| US5124664A (en) | Field emission devices | |
| US5227701A (en) | Gigatron microwave amplifier | |
| US4313072A (en) | Light modulated switches and radio frequency emitters | |
| JP3101713B2 (ja) | 電界放射陰極およびそれを用いる電磁波発生装置 | |
| US4553068A (en) | High power millimeter-wave source | |
| US5355093A (en) | Compact microwave and millimeter wave amplifier | |
| US4038602A (en) | Automodulated realtivistic electron beam microwave source | |
| JP2927908B2 (ja) | 発光素子 | |
| Qiu et al. | Nanodiamond Thin Film Field Emitter Cartridge for Miniature High-Gradient Radio Frequency ${X} $-Band Electron Injector | |
| US5680011A (en) | Cold cathode density-modulated type electron gun and microwave tube using the same | |
| JP2000173446A (ja) | 電界放射陰極およびそれを用いる電磁波発生装置 | |
| US5319322A (en) | Electron beam antenna microwave generation device | |
| JPH06131983A (ja) | 光電式スイッチにより変調される電子ガン | |
| JP2001035353A (ja) | 電界放射陰極およびそれを用いる電磁波発生装置 | |
| CA2318572A1 (en) | Optoelectronic device used to modulate the flow of electrons | |
| US5355380A (en) | Compact millimeter wave source | |
| US2890373A (en) | Retarded wave electron discharge device | |
| JP2002536808A (ja) | 性能を強化した電界効果カソード | |
| US5164634A (en) | Electron beam device generating microwave energy via a modulated virtual cathode | |
| US3733510A (en) | Electron discharge devices using electron-bombarded semiconductors | |
| McINTYRE et al. | Gigatron | |
| US3818363A (en) | Electron beam semiconductor amplifier device | |
| Galdetskiy et al. | Processes of microwave generation and amplification in structures with medium electron transit angles |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20000718 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |